（电力电子与电力传动专业论文）基于实时linux系统的飞机刹车半实物仿真系统研究.pdf

a b s t r a c t t h e 删d o m e s t i cs 切t u e so fa i r c m nb m i 【i n gs y s t e ms t i l d yi s 卸a l y s e d 柚dt h e m e 缸s0 ft c s th a v e b e e nc 唧a r e d c o n s i d c r i n gt h ei m p l e m a l 切r yc o n d i t i o n sa n dt h e c o i l s 喊n to fc o s t ，an e w 面c m f tb 墙1 ( i l l gh 卸d 、) l ，a 北i nt h el o o ps i l i l u l a t i o ns y s t e m b 船c do nm er e a l 腼l i l l i l 】【s y s t 锄i sd e s i 印e d ，卸dm ei m p l 锄t a f yp r o c e s so f t l l ew h o l es y s t e mi nk 幽a r ea n ds o f t w a 他 0 | 1 1t h eb 勰i so f 粕a l y 痂唱d y m 面cc h 撇c t e r i s t i c so f a i r p l a l l es l i p ，t l l i sp a p e rs c t s u pt h eg r o u n da d h e s i o nc o e 伍c i e n t s l i pm o d c l ，a i r p l 锄ed y m l l l i c sm o d c l ，t l l e1 锄d i n g g e a 瑙m o d e l ，t h eb m k ee q u i p m 曲t s 锄dt l l e 协em o d e lc t c - m e da tt h ei n t e r f k e b e t w e e nt h es i m u l a i i n gc o m p u t e rt op r a c t i c l eh a r d w a r e ，t l l ec 硫l l i to ft h eh a r d w 盯e a n d f t 、a r ei i l t e r f k eb 船e do ns - f m l c t i o ni sd e s i 印c d f u r t h 盯m o r e ，t h e a lt i n l e c o m m u i l i c a t i o nn e 觚o l - ko f s i 舢l a t i o ns y s t e mi sc o m p l e t e d s e c o n d l y a i m e dt oc h a r a c 俩s t i c so fs i m u l a t i 伽s y s t e mi l lr c a l - t i m ep r o c e s s ，a n s c h 锄ei s 百v e nt og e n e m tm ec o d ef o rr e a l - t i m es i m u l a t i o nb ym a t l a b 恹t w a tt h e s 黜et i m e ，ar c a l t i m en e 撕0 1 ki sb u i h b ym a t l a b 嚼r wo ne x t 锄lc u s t o m 盯m o d e ni sd e s i 印c db ys - f i m c t i o nt o o l si l lm a t l a bt l l a ti n c l u d et h em o d u l eo f m u l i t i t l l r e a do n l i l l u x o s m o r e o v t h ec h m c t 耐s t i c so fp a r a l l e lc o m p u t a d o nw i t hs y 玎埘e 砸cm u l t i p l e p r o c e s s o r sc o n s 仃1 l c t i o ni sd i s c l i s s e di nd e t a i l s ，龃dt l l em e t h o dt ob l l i l dt l l ep 盯a l l e l p r o g m mw i t hm p i ( m e s s a g ep a s s i n gi m 疵e ) i si n 仃o d u c e d a 1 1p a r a l l e l 撕t i l i i l e t i co f e 、r o l u t i o ni s 印p l i c dt o1 1 l em o d e lo f 衔c t i o n a lc h a r a c t c r i s t i c s ，a i l ds 0 1 v e dt l l er e a l - t i m e c o m p u t a t i o no f c 唧l i c a t c dm a m e m a t i c a lm o d e l si ns y s t e ms i i i l u l a t i o n f i n a l l y ，a c c o r d i n g t om es c h e m eo fa i r p l 孤eb 翰l 【i i 唱s m l a t i o ns y s 蛔玛a e x p e r i m e n to fa l la i r p l a n eb r a k i n gs y s t e mi s 百v e n ，舭dt h er e s u l t si i l d i c a t ct l l a tm e e x p 耐m c n t a lp l a t f b n no fm em l s i m u l a t i o ns y s t e mo ft l l ea i r c m f tb r a k ei sf e a s i b l e ，一 卸d t l l e - 邢1 w a ym o d e li i n p m v c d v i at l l e p 嬲唧哦e r s i d e m i f i c db y g e n e n c p r o 孕m m n i n gb 雒e d o ne v o l u t i o n a lc o r n p u t a t i o nc a i ld e s c r i b et 1 1 er e a l 丘i c t i o n a l c h a r a c t 耐s t i c s 1 1 1 ew b o l ep e 墒n n a l l c eo fm ea i l t i s k i d b r a l ( i n gs y s t e i i l i s d c i i l o n s 仃_ a t e ds a t i s f 弭n g l yb yt h ep l a t f 0 彻 k e y w o r d ： r e a l 一t i m el i n u x0 s ，h i l s ( h a r d w a r ei nt h e1 0 0 ps i m u l a t o n ) ， a i r c l a f 泊r a l ( es y s t 锄，p a r a l l e lc o m p u t p a r a l l e l 撕t h m e t i c l i 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北t 业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：遮 纱叼年，月冲日 指导教师签名：乏蚴 扣b 7 年弓r 。b 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：遛 岬年弓月z 7 日 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 随着军用和民用飞机在交通运输中的地位越来越重要，飞机的飞行安全问题 也越来越受到各国重视。据国外资料显示，飞机飞行事故6 0 9 6 以上发生在降落过 程中。飞机刹车系统是飞机降落过程中保障飞机安全相对独立的子系统，其功能 包括承受飞机在停机时的静态重量、降落著地时的动态冲击载荷以及吸收地面滑 行时的动能，并且实现飞机的起飞、着陆、滑行、转弯的制动和控制，对飞机的 起飞、安全着陆起着重要的作用。它综合应用液( 气) 压传动技术、电子技术、自 动控制技术和材料科学技术，以充分利用地面提供给机轮的摩擦阻力，安全、可 靠、快速地吸收飞机巨大的着陆能量，使飞机停止运动。 在飞机刹车系统的设计过程中，需要进行大量的试验以验证和为产品优化设 计提供试验依据，因此需要高效可靠的仿真试验系统来提高刹车系统的研制质 量，缩短研制周期，节省人力、物力和财力。发达国家研发人员尤其重视飞机刹 车仿真试验系统的研究和建设。特别是近些年迅速发展起来的半实物仿真技术， 将部分实物接入整个仿真回路，不仅可以及早发现系统设计中的缺陷，确定最佳 控制策略以降低风险、缩短设计周期、减少试验成本，而且有助于新技术、新理 论在飞机刹车系统设计中的应用与推广。半实物仿真技术与传统的数字仿真相 比，由于试验中实物参与整个仿真过程，试验过程中各个环节更逼近真实的状态， 试验结果的可信度与参考价值更高。 目前国内对于飞机刹车系统的仿真大都还是采用基于数学模型的数字仿真 方法，物理仿真和半实物仿真技术应用较少，缺少成熟方案。本文在充分调研论 证的基础上，通过建设具有一定先进水平的飞机刹车半实物仿真系统，为飞机刹 车系统控制算法研究、实际控制效果评估和整体性能验证提供了有效的试验平 台，有助于飞机刹车系统设计中新技术、新理论的应用与推广，并为后续开展的 飞机全电刹车、智能控制以及控制执行机构的半实物仿真研究奠定了基础，具有 较强的实际工程意义。 1 2 国内外研究现状 目前国内外仿真系统设计的研究集中在以下几个方面：仿真计算机平台、仿 真系统软件平台和仿真通讯网络。 西北工业大学硕士学位论文 仿真计算机平台是仿真系统的核心部分，它运行实体对象和仿真环境的数学 模型和程序。仿真应用水平的提高是仿真技术发展的先导，仿真中对高性价比的 计算机要求是仿真计算机发展的推动力，而微电子技术、计算机技术、软件技术 的发展是仿真计算机发展的基础。2 0 世纪7 0 年代随着微电子技术和数字计算机 硬件及软件技术的发展，使全数字仿真机迅速崛起。第一台全数字实时仿真机 a d l o 出现，8 0 年代初公布了配套仿真软件m p s ，从而形成完整系统s y s t e m l l 0 至此，混合计算机仿真失去了在实时仿真方面的垄断地位，全数字仿真成为系统 仿真的主流，文献【1 】介绍了代表性美国a d i 公司“a d l o o 计算机及仿真软件”， 美国亚拉巴马州红石兵工厂的“美国陆军高级仿真中心( a s c ) 。7 0 年代，在导 弹武器系统发展需要的牵引下，在混合计算机的支撑下，出现了大系统半实物实 时仿真。 半实物仿真( h i l s ) 又称为硬件在回路仿真( h a r d w a r ei nt h el o o p s i 舢1 a t i o n ) ，在条件允许的情况下尽可能在仿真系统中接入实物，以取代相应部 分的数学模型，这样更接近实际情况，从而得到更确切的信息。h i l s 同其它类型 的仿真方法相比具有实现更高真实度的可能性，是仿真技术中置信度最高的一种 仿真方法。从系统的观点看，h i l s 允许在系统中接入部分实物，意味着可以把 部分实物放在系统中进行考察，从而使部件能在满足系统整体性能指标环境中得 到检验，因此提高系统设计的可靠性和研制质量的必要手段。 7 0 年代后，各国在武器装备研究中大量应用半实物仿真技术，代表性的有 美国导弹防御系统以及文献【2 】【3 】中介绍的美国空军制导武器、美陆军制导 武器以及美海军鱼雷试验系统。 8 0 年代，我国也建设了一批水平高、规模大的半实物仿真系统，如各种型 号的导弹半实物仿真系统，歼击机半实物仿真系统等，它们广泛地应用于航空， 航天部门。如航天一院、二院、五院、八院等，在武器型号研制中发挥了重大的 作用。其中作为半实物仿真系统重要组成部分的仿真计算机，也得到了研究和发 展，以银河系列仿真计算机系统为典型代表。 1 9 8 2 年国防科工委召开了“数字仿真计算机方案审定会”，决定立即研制新 的仿真工具系统，确定了“功能上仿制s y s t e m1 0 ”的方案作为全数字仿真计算 机的研制方案。经过两年多的攻关，于1 9 8 5 年我国的第一台仿真计算机系统一 银河仿真i 型机系统( y h f 1 ) 通过国家鉴定。 银河仿真i 型机系统( y h f 1 ) 是异构型多处理机共享同步总线的计算机系 统，采用主副机结构，代数运算采用1 6 位定点的运算方式，根据连续动力学系 统仿真中的一些结构化运算和一些非结构化运算的特点设计计算机体系结构和 指令集合。 2 西北工业大学硕士学位论文 绪论 在长二捆火箭一次试验过程中，应用y h f 1 进行了七次半实物仿真试验，为 长二捆火箭一次试验成功立下了汗马功劳。应用y h f 1 还进行了国家的许多重点 型号任务的仿真试验。但y 叶f 1 具有定点运算的局限性，编程比较困难，精度需 进一步的提高。 美国a d i 公司的s y s t e m l o o 推出后，由于它是采用浮点运算的仿真计算机系 统，各方面性能都大于优于s y s t e m l o ，使其迅速成为国际主流仿真计算机系统。 1 9 8 9 年，国防科工委在北京召开了银河仿真i i 型机( y h f 2 ) 系统方案审 订会。决定以s y s t e m l o o 为目标机系统，从工艺、速度和软件上突破s y s t e m l o o 。 1 9 9 5 年我国的采用浮点运算的仿真计算机系统一银河仿真i i 型机系统通过国家 鉴定。银河仿真i i 型机系统( y h - f 2 ) 也是异构型多处理机共享同步总线的计算机 系统，它是高性能6 4 位仿真计算机系统。从根本上克服了精度不足的问题，使 y h f 2 系统模型计算保真度成倍提高。 在y h f 2 研制成功后，后又研制出了基于银河超小型仿真计算机系统 ( y h s s c ) ，它采用了基于阿尔法芯片的通用计算机，在0 p e n s 操作系统上解决 了半实物仿真中的实时性问题，保证了帧时间的确定性。 银河高性能实时仿真系统( y h a s t a r ) 是基于i n t e l 处理器和w i n d o w sn t 操 作系统的实时仿真计算机。由于其兼顾了通用性和可扩展性，易于使用、维护和 升级，系统功能和实时性强，建模仿真效率高，运行稳定可靠，其整体技术达到 了国内领先的水平。 从二十世纪二十年代飞机首次采用机轮刹车技术开始，经过了鼓式刹车、盘 式刹车、液压机械式防滑刹车以及电子模拟式防滑刹车，直到现在的数字式防滑 刹车系统，体现了飞机发展的各个历史阶段，同时使飞机刹车系统的控制技术日 益成熟与完善。 二十世纪四十年代初，美国和英国开始了电子防滑刹车系统的研制，以美国 姒r k 系列和英国0 s c a r 系列为代表的刹车系统在数十年发展中逐渐形成四种控 制方式：开关式( 也称为惯性防滑刹车系统) 、机轮速度变化率式、速度差( 滑 移速度) 加压力偏调控制式、滑移率控制式。 与此同时，飞机刹车系统的仿真技术也发展起来。文献啪卜咖1 介绍了国外 飞机刹车数字仿真的研究成果。国内也在飞机刹车数字仿真模型设计方面进行了 大量的研究。文献【3 5 】对飞机的六自由度模型进行了仿真研究；文献【3 6 】对 飞机起落架的缓冲器模型进行了研究，分别给出了单腔式、双气腔、双油式起落 架缓冲器的数学模型，对其进行了理论分析但没有进行仿真试验研究；文献【4 5 】 对刹车与起落架抖动的相互影响进行了研究，建立了起落架支柱的刚度、机轮转 速、滚动半径、振动周期和刹车系统设定的打滑量与刹车力矩之间的定量关系， 3 西北工业大学硕士学位论文 给出了消除抖动和刹车失效的解决措施；文献【4 6 】中采用简化的起落架模型， 通过改变起落架的结构参数，分析了起落架与刹车系统在飞机着陆过程中的相互 作用并对其进行了计算机仿真，但是仅局限于局部数字仿真；文献【4 7 】对飞机 刹车系统的刹车控制单元采用了模糊控制，并进行了数学仿真试验。 近些年来，飞机防滑刹车控制技术的发展导致控制系统复杂性不断增加，为 了验证刹车控制律的有效性，对刹车仿真系统的要求也越来越高，数学模型受建 模条件的影响和外界因素的限制，精确描述刹车系统复杂的控制机构有很大困 难，因此，在飞机刹车仿真中引入实物构成半实物仿真系统已成为提高仿真精度 的重要手段。 实时性是半实物仿真的必要前提，半实物仿真系统设计者在仿真系统的实时 性方面进行了大量的研究。文献【3 】【4 】提出在y h f l 、y h f 2 专用仿真软件 系统中仿真的实时性度量以及实时算法研究。目前也有很多基于商用软件的半实 物实时仿真系统，文献【5 】【6 】提出基于w i n d o w sn t ( 2 0 0 0 ) 操作系统平台的 仿真系统。在w i n d o w s 系统中开发仿真软件有设备驱动程序和人机界面易于设计 的优势。但是w i n d o w s 操作系统并不是真正意义上的实时系统，在实时性方面传 统的d o s 系统仍由其独特的优势。文献【1 3 】给出了以应用于p c 系统的x p c 实 对d o s 系统为目标机的实时半实物仿真系统。然而，由于半实物仿真中必须具有 的数据采集和输出设备，其支持d o s 系统驱动程序很难找到。虽然文献 1 4 1 5 给出了这种情况下自行开发驱动程序的一般方法，这种多数硬件厂商不提供d o s 版本的驱动程序的情况制约着这种系统的广泛应用。 因此，国际上出现了许多专门针对半实物仿真的商业软件。文献 7 中奔 绍的仿真实验室使用德国d s p a c e 系统是一套完整的仿真系统。该系统包括仿真 目标机操作系统和与用户实物接口的各类硬件板卡，并且提供驱动程序和基于 m a t l a b s i 叫1 i n k 的设备接口模块。不过这套系统不与其它公司的产品兼容， 其成本难以控制。 随着更多的实时操作系统在控制工程上成功的应用，仿真系统的开发者开始 将注意转向这些实时系统。例如v x w o r k s 实时嵌入式系统【1 4 】、q n x 实时操作 系统等等，不过商业软件都存在成本过高、扩展受限的缺点。 目前国内外对飞机刹车半实物实时仿真的研究还不多见，文献【1 7 】介绍了 韩国电子科研机构研制的飞机刹车半实物仿真系统。这套系统为了实现实时仿 真，采用嵌入式系统作为仿真目标环境，以m a t l a b 设计图形化的仿真模型，应 用嵌入式目标编译器生成仿真代码，下载到基于d s p 仿真试验板。这套系统满足 了半实物仿真的实时要求，但是硬件开发比较麻烦，而且不容易在功能上进一步 扩展。， 4 西北工业大学硕士学位论文 绪论 文献【l o 】提出了飞机刹车系统分布式实时仿真，应用分布式并行算法提高 了仿真算法的解算效率，仿真节点之间采用反射式内存实时通讯网络，系统数据 传输的实时性大大提高。分布式系统将不同的任务在多个节点上同时解算，提高 了系统解算复杂模型的能力，但是系统的实时性不如基于多c p u 技术的并行计算 机系统。 计算机技术的飞速发展为先进仿真技术的研究提供广阔的空间，实时操作系 统和并行计算机技术日趋成熟，特别是近些年l i n u x 操作系统由于其开放源代 码，在实时l i n u x 操作系统内核以及针对并行计算机开发的支持并行算法的操作 系统的发展，逐渐得以广泛的应用和研究。因此有必要在l i n u x 实时操作系统和 多c p u 并行计算机系统上深入研究飞机刹车半实物仿真系统。 1 3 主要研究内容与论文结构安排 1 3 1 主要研究内容 根据飞机刹车系统半物理仿真课题研究要求，本论文研究内容主要包括以 下几个方面： ( 1 ) 飞机刹车系统的半实物仿真实现方案与关键技术 主要研究：半实物仿真平台硬件结构设计、硬件接口设计和仿真数学模型建 立，通过m a t l a b s i 哪! i n k 建立仿真模型，和硬件接口设备驱动程序s 函数软件 设计。 ( 2 ) 基于l i n u x 操作系统的半实物仿真系统的软件设计 分析实时l i n u x 操作系统内核、利用h l a t l a b 的r t w 建立图形化仿真模型， 以及生成实时仿真程序代码方法，以多线程和中断方式对编写实时的设备驱动接 口软件。 ( 3 ) 实时仿真软件的实时仿真算法设计 分析并行计算机处理器及其共享内存结构；将m p i 的并行算法程序方法应用 到仿真算法设计中，研究飞机刹车过程中地面结合系数模型的并行处理的设计方 法。 1 - 3 2 论文结构安排 本文从工程实用角度出发，从理论到实践对飞机刹车半实物仿真系统的设计 方案、实时仿真技术以及并行计算算法应用等作以详细论述。论文各章内容安排 西北工业大学硕士学位论文绪论 如f ： 第一章绪论：主要介绍论文的研究背景与意义、半实物仿真技术的研究现状 和研究内容。 第二章给出飞机刹车系统的半实物仿真系统硬件结构设计方案、软件设计方 案和实时通讯设计方案。 第三章给出系统半物理仿真平台的实现过程，包括仿真软件、硬件接口以及 相应的硬件设备驱动s 函数的设计。 第四章从分析实时l i n u x 系统内核入手，研究在l i n u x 实时系统环境下设计 实时应用程序的方法，使用m a t l a b 的r t w 组件实现l i n u x 环境的实时仿真代码， 给出基于s 函数多线程的实时通讯模块的设计，有效地提高飞机刹车系统半实物 仿真的实时性， 第五章研究l i n u x 系统下针对s m p 结构的并行算法设计方法，给出了基于并 行消息传递机制的m p i 接口程序设计方法，并应用到地面结合系数模型参数识别 中。 第六章针对本文所提出的飞机刹车系统的半实物仿真试验平台，应用典型飞 机参数进行全系统的半实物仿真实验研究。 第七章对论文工作进行总结，并对后续研究工作进行展望。 6 西北工业大学硬士学位论文 飞机刹车半实物仿真系统方案设计 第二章飞机刹车半实物仿真系统方案设计 2 1 1 系统组成与结构 2 1 系统方案 半实物仿真的基本结构为两部分组成：基本的数学模型和替代模型的实物。 与全数字仿真的模型结构相比较而言，半实物仿真只是将实际中能够设计或易于 使用的实物替换原结构中的实物。 在实验室环境下用定型或已经研制出的刹车控制盒与液压装置作为实物部 份与仿真计算机相连接。仿真计算机中运行着的数学模型包括飞机模型、跑道模 型和起落架模型。仿真运行过程依靠以太网和工作站相连接显示出飞机速度、机 轮速度以及其他重要指标参数。另外，在仿真过程中通过实时串行通讯与视景系 统进行实时的数据传输，其组成结构如图2 1 所示： 2 1 2 技术方案 图2 1 系统的硬件组成 半实物仿真的硬件设计包括仿真计算机的选型、仿真控制工作站计算机的选 型、模拟量开关量输入输出板卡的选型和实时通讯网络拓扑设计及信号调理电 路的设计。 7 西北工业大学硕士学位论文 飞机刹车半实物仿真系统方案设计 1 仿真计算机 根据项目中仿真计算的规模和半实物仿真实时性的要求，仿真计算机选用美 国并行计算机公司( c o n c u r r e n tc o m p u t e rc o r p o r a t i o n ) 的并行计算机i h a w k 8 6 0 服务器系统。 i h a w k 8 6 0 系统的具体配置如下： ( 1 ) 2 木c p u 2 8 g h z ，紧耦合对称多处理器结构( s m p ) ； ( z ) 4 牛5 1 2 m 内存； ( 3 ) s c s i 接口3 6 g 硬盘； ( 4 ) 1 0 1 0 0 b a s e t + 千兆以太网； ( 5 ) 6 个p c i 插槽；2 个串口： i h a w k 系统采用了尖端的集成电路及封装技术，一个系统中的所有c p u 都由 高速前端处理器总线连接，c p u 间内存共享，能够对所有主存储器进行直接的缓 存粘连( c a c h e c o h e r e n t ) 访问，不存在其它多c p u 总线系统中存在的等待时间 或利用外部传输协议的总线系统所存在的冲突问题。在多c p u 系统上只需运行并 行计算机公司的r e d h a w l i n u x 实时操作系统的单一拷贝，它是真正的对称多 处理器( s m p ) 系统。 i h 勰k 8 6 0 采用i n t e lp e n t i u mx e o n 作为处理器，x e o n 动态独立总线结构的 特色在于专用的外部高性能系统总线与专用内部缓存总线分离，使其能以处理器 芯速度全速运行；p e n t i u mx e o n 处理器支持i n t e l 的超线程技术，其l 2 缓存可 达2 m b ，处理器和各种i 0 板的运行速度很高，它们之间通过火线1 3 9 4 相连， 完全满足飞机刹车半实物仿真系统实时任务的需要。 i h a w k 通过r c i m 实时时钟中断模块为系统提供4 8 个高精度可编程时钟， 非常适合于强实时、多任务仿真系统的开发与应用。 i h a w k 支持p c i 和v 姬总线，支持6 4 - b i t 6 6 删z 1 0 0 心z 1 3 3 唧z 的p c i x 总线结构。i h a w k 8 6 0 提供丰富的i o 接口产品，可以满足飞机刹车系统进行实 时仿真的各种关键任务应用的需求。 i h a w k 仿真平台与p c 主机之间接口通过e t h e r n e t 完成。通过将i h a w k 处理 板上的全部内存映像到p c 主机内，使主机能够访问i h a w k 处理器上的所有内存， 从而完成i h a w k 实时硬件平台和p c 机之间的数据传输。p c 机扮演智能终端的角 色，作为可视化的监控平台。 2 仿真控制工作站 考虑到系统的操作与演示功能的需要，仿真控制工作站选用高性能个人计算 机。 3 模拟量开关量输入输出板卡 西北工业大学硕士学位论文飞机刹车半实物仿真系统方案设计 选用n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司的高速数据采集设备，其中包括负责机轮 速度信号输出的高速模拟量输出板卡，负责采集实物刹车控制盒输出的刹车电流 信号的高速模拟量数据采集卡，以及模拟飞机机轮上的接地开关、静刹开关等开 关信号的开关量输入输出板卡。 4 信号调理电路 仿真计算机与实物的接口是半实物仿真将硬件接入仿真回路的重要环节。计 算机与外界的数据交换是通过p c i 接口的i 0 板卡完成的。计算机通过内部p c i 总线将数据传输到i o 板卡内数据缓存，再通过板卡上的s c s i 接口与外界连接， 经过设计的信号调理电路与仿真回路中的实物相连。 信号调理电路是仿真计算机数据i o 板卡与实物接口连接的重要桥梁，下面 简要介绍信号调理电路的设计实现方法。 信号调理电路的主要功能包括：接收仿真计算机模拟量输出板卡输出的代表 机轮速度电压信号，转换为与飞机机轮上安装的速度传感器相同的标量，传送至 实物刹车控制盒；接收来自刹车控制盒或者是液压系统中压力传感器的模拟量信 号，转换为模拟量数据采集板卡能够接收的信号；驱动放大开关量输入输出板卡 与刹车控制盒的控制信号。 其中模拟量的转换采用性能稳定工作可靠的集成模拟电路实现，主要为将输 入的电压信号转换为基波为方波的频率信号，和将输入的电流信号转换为电压信 号；开关量的转换则是通过集成功率放大电路驱动继电器输出来实现控制信号输 出与接收。 落地开关、 控 信号) 信号) 号 图2 - 2 信号处理电路 5 p c i 接口的r s 一4 8 5 串行通讯板卡 选用基于p c i 接口r s 一4 8 5 串行通讯口板卡安装在i h a w k 并行计算机上。其 主要功能是实现实物仿真系统与视景系统的实时通讯，通过r s 一4 8 5 总线向视景 系统实时的发送飞机和机轮的状态信号。 西北工业大学硕士学位论文 飞机刹车半实物仿真系统方案设计 2 2 系统软件设计 2 2 1 仿真软件实现的功能与要求 在飞机刹车半实物仿真系统中，仿真系统软件除了完成相关的数学模型仿真 外，还要实现仿真过程中仿真计算机与实物刹车控制盒和液压系统之间的实时数 据通讯。因此，系统软件必须要满足以下几个方面的要求： 1 实时性 在仿真试验中，要求仿真系统提供给实物部分与实际中相同的工作环境。因 此，飞机刹车半实物仿真系统既要对模型系统进行实时地解算，又要在仿真计算 机与实物系统之间进行实时地数据采集与传输、同步控制等，这就要求系统具有 良好的实时性和同步性。 2 重复性 仿真系统必须通用性强，既能够对不同机型进行仿真试验，又能够对刹车系 统的每个组成部分进行性能验证，因此系统的模块和实时仿真平台需要具有最大 限度的可重复性。 3 交互性 飞机刹车半实物仿真系统要求仿真计算机与设计操作人员之间必须具有友 好的人一机交互界面，在参数允许的范围内能够任意设置参数，并能实时显示和 记录系统仿真曲线，重现仿真历史曲线以及对试验数据进行存储等。 2 2 2 软件设计平台及开发工具 根据仿真软件设计的实时性要求，仿真计算机操作系统采用基于l i n u x 内核 的高性能实时操作系统r e d h a w l i n u x 圆，该系统支持基于对称紧耦合的多c p u 并行计算机，广泛应用于航空、航天、航海、国防研究以及其它高速实时应用领 域。 r e d h a w k 系统实际上是运行在r e d h a tl i n u x 系统中的实时控制模块，在 r e d h a t 启动后r e d h a w k 模块屏蔽掉c p u 软件中断，并接管底层设备的中断控制 信号，根据任务的实时性要求实现实时任务与普通任务的资源分配。因此， r e d h a w k 具备l i n u x 环境与实时系统内核的双重特性。 本论文以l i n u x 版本的m a t l a b s i m u l i n k 进行图形化的数学建模，这样作的 优点是大大的缩短开发周期和提高代码运行效率。因为在l i 舢x 环境下生成的代 码可以直接运行调试，而且特别是对于设备驱动模块的编写十分的便利。 l o 西北工业大学硕士学位论文 飞机刹车半实物仿真系统方案设计 s i 叫l i n k 仿真模型建立后，使用m a t l a b 的可选组件：实时工作空间r t w ( r e a l t i m ew o r k s h o p ) 将图形化的模型转化为高级语言代码，并以l i n u x 为目标环境 编译执行。 2 3 仿真系统的通讯网络结构 实时通讯网络分两部分：工作站与仿真计算机、仿真计算机与视景系统之间 的通讯网络。 1 仿真计算机与工作站 考虑到工作站与仿真计算机之间需要传输大量的数据，工作站与仿真计算机 采用以太网为介质的星型拓扑结构。工作站与仿真计算机都带有1 0 1 0 0 m 自适应 网卡，可以直接使用网线相连接。 通讯协议采用最适合以太网的t c p i p 协议，以仿真计算机为服务器，工作 站为终端采用远程登陆方式。 2 仿真计算机与视景系统 仿真计算机与视景系统之间的传输数据量比较少，并且需要较远距离的传 输，以及考虑不同系统之间的通讯，采用r s 4 8 5 点对点的串行通讯。仿真计算机 选择安装具有p c i 口的r s 4 8 5 通讯卡。视景系统使用r s 2 3 2 与r s 4 8 5 转接口连接 到计算机主板的r s 2 3 2 串口。 。 串行通讯协议遵循用户自定义原则，采用波特率为1 1 5 2 0 0 、8 位有效数据、 1 位停止位。为提高传输速度采取传输数据以8 位无符号字符型数据表示整数的 协议。 西北工业大学硕士学位论文实时仿真软件设计 第三章实时仿真软件设计 3 1 实时l i n u x 操作系统 系统软件是基于l i n u x 操作系统平台开发与运行，因此有必要对l i n u x 系统 的基本特性进行研究。l i n u x 是在9 0 年代早期，被l i n u st o r v a l d 和其它遍布世 界各地的编程人员共同开发的，作为一种操作系统，它完成了像d o s 或w i n d o w s 的 同样功能。然而，l i n u x 更以灵活性及有效性而著称。大部分的微机操作系统，像 d o s 一直都是在受限的微机上开发的，像这样的操作系统需要不断地升级以适应 微机硬件的发展，而l i n u x 的开发却是不同的。l i n u x 是几十年来被用在主机及 单机上的，现在已成为工作站首选系统的u n i x 的微机版本。l i n u x 使得u i l i x 的 快速，高效和灵活性能够用于微机，并能更好地利用个人电脑所提供的资源。 l i n u x 和u l l i x 享有同样的灵活性，其灵活性来源于u n i x 的早期设计。在六 十年代末和七十年代初u n i x 操作系统被工作在a t t 贝尔实验室的k e nt h o m p s o n 开发出来。它结合了许多操作系统设计方面的新发展，开始，u n i x 被设计成为研 究人员的操作系统，一个主要目标是去产生一个能支持科研人员变换要求的系 统。为了做到这一点，t h o m p s o n 必须设计能处理许多不同种类任务的操作系统， 灵活性变得比硬件效率更重要。像u n i x 一样，l i n u x 已经能处理用户可能面临的 各种任务。这个灵活性允许l i n u x 成为和用户相通的操作系统，用户不受与操作 系统呆板联系的限制。取而代之，操作系统成为了提供用户能利用的一套高效工 具，面向用户的科学含义是用户能对系统配置或编程以满足特殊需要。用l i n 慨， 操作系统变成了一种操作环境。 目前正在开发的实时系统中，越来越多的项目选择l i n 畎作为实时操作系 统。首先，w i n d o w s 和s 0 1 a r i s 等专有商业操作系统的剪裁受到商家的严格控制， 这大大限制了开发者的剪裁深度；而l i n u x 遵循g p l 协议，开放所有系统源代码， 非常易于剪裁。其次，同其它开放源码的通用操作系统( 如f r e e b s d ) 相比，l i n u x 在多种处理器、开发板支持和软件开发工具支持上有很强的优势。 l i n l l ) 【是一个分时系统，分时操作系统的基本设计原则是：尽量缩短系统的 平均响应时间并提高系统的吞吐率，在单位时间内为尽可能多的用户请求提供服 务。l i n u x 作为u n i x 的克隆，很多当前的实现中仍然保留了这些特点，它们力 争最优的平均性能。这个目标通常与实时系统的低延迟和高可预言的要求相悖。 在为保证u l l i x 系统的兼容和可移植性而建立的国际标准p o s i x 中，规定了一些 西北工业大学硕士学位论文实时仿真软件设计 实时特性，l i n u x 中己开始实现这些特性，这包括支持大部分p 0 s i x 标准中的实 时功能，支持多任务、多线程，具有丰富的通信机制等。但由于l i n u x 内核的不 可抢先性( n o n p r e e m t a b l e ) ，无法在标准的l i n u x 环境下实现真正的实时应用。 所以目前的实时l i n u x 系统多数采用对现有的l i n u x 进行实时化改造。r t 0 s 性 能衡量标准的指标主要有如下几种，按照这些指标我们分析普通l i n u x 系统的实 时性能，并依照实时仿真的具体要求分析改进方向： 1 ) 系统响应时间、任务切换时间和中断延迟时间 普通l i n u x 系统中的最小定时精度由系统中的实时时钟的频率决定，一般 l i n u x 系统将该时钟设置为每秒来1 0 0 个时钟中断，所以l i n u x 系统中一般的定 时精度为1 0 m s ，即时钟周期是1 0 m s ：从处理器检测到中断程序开始工作一般需要 6 0 0 微秒，对周期性任务很可能超过2 0 m s 。这不能满足实时仿真中高速运算和高 速中断处理的要求，需要进一步的降低这些指标。 2 ) 实时调度算法 l i n u x 提供符合了p o s i x 标准的三种调度策略，包括f i f o 调度策略、时间 片轮转调度策略和静态优先级抢占式调度策略。其默认的调度策略是第三种。 l i n u x 还提供了内存锁定功能，以避免在实时处理中存储页被换出，也提供了符 合p o s i x 标准的实时信号机制。 l i n u x 在用户态支持可抢占调度策略，而在核心态却不支持抢占式调度策略。 这样运行在l i n u x 核心态的任务( 或系统调用) 是不能被其它优先级更高的任务 所抢占的，这样就会引起优先级逆转问题。另外，l i n u x 操作系统的中断处理句 柄是不可调度的，不能依优先级高低调度。而在实时系统中，却希望中断处理句 柄同实时任务一样，可以有优先级来被系统的调度程序所调度。 3 ) 上下文转换( 多任务转换中的内容) 实时系统要求快速、确定的上下文转换，l i n u x 的简单同步机制( 互斥) 不支 持优先级继承很可能导致优先级逆转。 3 2l i n u x 环境下的实时仿真软件结构 飞机刹车系统仿真软件主要包括四个部分：系统模型的构建、半实物仿真软 件的开发、实时通讯和人机交互接口模块软件设计。 ( 1 ) 系统模型的构建：主要是在m 棚，a b ，s i i i l u l i l l l 【环境下构建飞机刹车系 统的数学模型，并对系统模型进行仿真以验证所建立的模型能否反应刹车系统在 飞机着陆滑跑过程中的动态特性和刹车性能，为半实物仿真打下坚实的基础。 ( 2 ) 半实物仿真软件的设计：主要是在m a ，a b s i m u l i i l k 环境下，采用 r t w 组件进行了半实物仿真软件实时代码的生成与编译，解决了模型仿真代码 1 4 西北工业大学硕士学位论文实时仿真软件设计 转换、并行处理优化、子系统通讯等关键问题，通过基于以太网的f t p 文件传 输协议实现了飞机刹车系统数学模型下载到m a w k 实时仿真计算机中运行。 ( 3 ) 实时通讯软件的设计：实时通讯模块是采用cm e xs 函数来编写的， 其主要功能是实现实物仿真系统与视景系统的实时通讯，通过r s 一4 8 5 总线向视 景系统发送飞机和机轮状态信号。 ( 4 ) 人机交互接口模块：人机交互接口模块主要实现系统参数设置、仿真 结果的显示以及数据存储等功能。由于仿真系统的主要操作部分是在m a ，a b 中完成，因此人机交互模块是通过m a r l a b 与v c 抖混合编程来实现。 半实物仿真系统的软件设计结构如图： 人机交互界蘅 m a t l a b 、s i m u i i n k 地面结台b 一猫守装置 系数模哩卜叫摸型 飞机模喇贮= 剖起落梨横帮 图3 1 仿真软件组成结构 r t ws 函数 模拟母输八设备 驱动模块 模拟鼍输出谩备 驱动模块 开关罱输入输 l j 设备雾动模块 r s 4 8 5 宴时惩讯 模块 3 3l i n u x 环境下的飞机刹车系统数学建模 仿真系统实现的基础是建立起符合实际物理过程的数学模型，半实物仿真中 对数学模型的准确性要求更高。这是由于在半实物仿真中，实物部分是完全按照 实际状况下工作的，要求与其连接成回路的数学模型必须能够精确的模拟实际物 理关系。否则将会出现严重失真的仿真结果，半物理仿真也就失去了真实模拟现 实的意义。 本系统设计方案中的目标机为l i n u x 系统，因此数学建模是在l i n u x 环境下， 使用l i n u x 版本的m a t l a b s i m u l i n k 工具实现。因此本节将按照飞机刹车系统的 整体模型中的飞机机体、起落架、刹车力矩、结合系数( 跑道模型) 等主要模型 进行数学建模。 西北工业大学硕士学位论文实对仿真软件设计 3 3 1 飞机机体模型 在建立飞机动力学模型以前，先做如下假设p 7 】： 将飞机视为理想刚体，不考虑弹性变形，机体简化为一集中质量；由于飞机 在地面着陆过程中，发动机呈慢车推力状态，所以不考虑发动机转子产生的陀螺 力矩，认为发动机的慢车推力与飞机速度成线性关系。假设飞机着陆滑跑时没有 侧风或侧风很小，飞机两边跑道状态完全对称；飞机的几何图形形成一个垂直平 面，所有的力作用在这个平面内； 飞机着陆滑跑时受力o ”如图3 2 所示： q s 图3 2 飞机着陆滑跑受力分析图 其中：重力g ，升力y ，发动机剩余推力t 0 ，空气阻力q ，伞阻力q s ，主、前起 落架缓冲支撑力f h 、f h l ，作用在主、前轮上的摩擦力f i 、f 引飞机触地瞬间地 面对机体的地面效应力f l 。故飞机