CC BY
74
ЛИТЕРАТУРА
1. О. Поспелова, «Послепродажное обслуживание авиатехники: с учетом мирового опыта». (Обзор конференции "Послепродажное обеспечение эксплуатации о поддержание летной годности авиационной техники"). АвиаПорт. 2008 г.
2. Горшков П.С. «Ресурсно-ограничительный метод исследования сложных информационных систем».г. Пенза; Труды симпозиума «Надежность и качество» 2008г.
3. В.А. Сухомлин, Введение в анализ информационных технологий (Курс лекций), М: "Радио и связь", 2002. - 352 с.
4. Горшков П.С., Халютин С.П., Омельченко В.П., Подлесских А.А. «Открытая информационная система поддержки расчетов в электроэнергетических системах». г.Сочи; Сборник материалов международной научно-технической конференции «КБД Инфо-2011», 2011 г.
5. Потёмкин А.В., Горшков П.С., Халютин С.П. Методика синтеза структурных схем системы электроснабжения воздушных судов. Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2 013. Т. 1. С. 318-321.
6. Горшков П.С. Ресурсно-ограничительный метод исследования сложных информационных систем, г. Пенза; Труды симпозиума «Надежность и качество» 2008г.
УДК 004.415.2
Горшков П.С., Казьмин О.О.
ООО «Экспериментальная мастерская НаукаСофт», Москва, Россия
РАСПРЕДЕЛЕННЫЙ ИМИТАЦИОННЫЙ СТЕНД С ОТКРЫТОЙ ПРОГРАММНОЙ АРХИТЕКТУРОЙ ПОЛУНАТУРНОЙ ОТРАБОТКИ УЗЛОВ
И АГРЕГАТОВ ВОЗДУШНОГО СУДНА
Введение
Бортовое оборудование летательных аппаратов представляет собой совокупность узлов и агрегатов, к качеству и надежности которых предъявляются строгие требования, что обусловлено режимом эксплуатации указанных компонентов. Их соответствие заданным требованиям устанавливается при помощи натурных испытаний. Натурные испытания безусловно необходимый и важный этап в процессе создания новых узлов и агрегатов, но для сокращения временных и материальных затрат применяется полунатурные испытания, которые представляют собой исследование управляемых систем на моделирующих комплексах с включением в состав модели реальной аппаратуры [2, 6]. Наряду с реальной аппаратурой в замкнутую модель входят имитаторы воздействий и помех, математические модели внешней среды и процессов. Полунатурные испытания проводятся на стендах, в которые входят тестируемые устройства (как в единственном числе, так и наборы устройств), вычислительные машины с программными моделями и средства обмена данными между ними. Отличительной особенностью известных стендов является привязка к конкретной модели оборудования, которое проходит испытания. Другими словами, под каждую модель устройства создается
отдельный испытательный стенд. В случае испытания набора узлов и агрегатов воздушного судна ("Железная птица", [1]) имитационный стенд создается под тот набор оборудования, который используется в отдельно взятой модели самолета. Современными требованиями к создаваемому стенду являются:
наличие единого информационного пространства, к которому могут быть подключены различные модели и устройства;
соблюдения единого временного режима;
наличие поддержки распределенного моделирования;
удаленный доступ к стенду.
Единое информационное пространство позволяет расширять его функциональные возможности без перепроектирования программного обеспечения. Соблюдение единого временного режима реального времени подразумевает, что выполнение операции, произведенное вне установленных временных рамок, считается ошибкой системы и является недопустимым. Данное требование переносится также и на программную модель подобной системы, в следствие чего традиционно имитационные стенды полунатурной отработки не создаются с распределенной архитектурой и территориально находятся у производителей тестируемы:': объектов.
Выбор модели
Выбор тестируемого узла
Оператор
Выбор режима полета
Ввод начальных параметров модели
Запуск испытания
Распределенное моделирование ЛД
Рисунок 1 - Варианты использования имитационного стенда
В традиционных имитационных стендах полунатурной отработки невозможно применение моделей, требующих существенных вычислительных мощностей, которые могли бы повысить точность моделирования. Подобные модели реализуются в виде параллельных программ, которые работают на нескольких вычислительных машинах.
Наличие технологий создания распределенных стендов полунатурной отработки также смогло бы снизить временные и материальные затраты на создание узлов и агрегатов летательных аппаратов за счет снижения времени на полунатурные испытания и более простого взаимодействия между организациями, проектирующими узлы и агрегаты.
В данной работе излагается подход к созданию имитационного стенда, удовлетворяющего перечисленным требованиям, на примере программно-аппаратного управляющего комплекса стенда полунатурной отработки силового электромеханического привода. Описываемый комплекс создан в рамках научно-исследовательской работы [7, 8] и, являясь основной частью имитационного стенда, инкапсулирует практически всю его логику работы.
Функциональные требования к имитационному стенду
Основная функция, реализуемая стендом, -проведение полунатурного моделирования. Пользователь через графический интерфейс задает начальные данные модели, такие как начальная скорость самолета, режим полета и т.п., после чего Нефункциональные требования к и
запускаются две идентичные модели, которые отличаются только моделями тестируемого узла. Одна использует программную модель испытываемого узла, а вторая - "реальный" узел. В процессе моделирования пользователю выводятся графики параметров летательного аппарата, которые описывают его состояния, например, крен, тангаж, тяга двигателя и т.п., а также разница между параметрами в двух моделях. Как результат оператор может оценить разницу в поведении самолета при использовании двух разных узлов, один из которых является реальным устройством. Варианты использования стенда показаны на рисунке 1.
Нефункциональные требования к имитационному стенду
Требование работы в режиме реального времени подтверждено проведенным анализом аналогичных стендов[7]. Все подсистемы стенда делятся на те, которые работают в реальном времени и те, которые работают в обычном режиме. Данный факт объясняется необходимостью соблюдения жесткого временного режима для проведения адекватных испытаний. Режим реального времени подразумевает использование специализированных операционных систем и методов программирования. Сервисы, реализующие остальные функции, могут и должны реализовываться удаленно (по отношению к тестируемому узлу). Разделение функций на удаленные и работающие в режиме реального времени приведено в таблице 1.
гационному стенду Таблица 1
Функция имитационного стенда Нефункциональные требования
Выбор модели Реализуется удаленно
Выбор тестируемого узла Реализуется удаленно
Выбор режима полета Реализуется удаленно
Выбор начальных параметров модели Реализуется удаленно
Запуск испытания Реализуется удаленно
Отображение списка доступных моделей Реализуется удаленно
Отображение статуса доступных моделей Реализуется удаленно
Отображение результатов отработки Реализуется удаленно
Моделирование динамики движения и КСУ ЛА Поддержка режима реального времени
Сохранение результатов отработки Поддержка режима реального времени
Распределенное моделирование ЛА Поддержка режима реального времени
Неоднородность компонентов и распределенность наиболее полно реализуются в рамках концепции открытых систем [5], потому построение стенда предлагается на основе открытой программной архитектуры, что обеспечит: интероперабельность; переносимость компонентов; масштабируемость системы.
Формирование программной архитектуры стенда На основе выделенных требований разработана программная архитектура имитационного стенда, приведенная на рисунке 2. Программная архитектура разбита на следующие уровни: интерфейсный; операционный; расчетный;
уровень испытываемого устройства. Интерфейсный уровень инкапсулирует функционал, который должен быть реализован в интерфейсе пользователя. Операционный содержит все функции информационного пространства. Расчетный реализует функционал моделей ЛА и тестируемых узлов. Уровень испытываемого устройства содержит реальный ЭМП, а также программно-аппаратные компоненты, специализированные под конкретную модель тестируемого узла или агрегата.
Сервисы (здесь и далее под сервисами понимаются программные компоненты), содержащиеся в одном уровне объединены общим назначением и связаны только с системами своего уровня и соседних. Связи между уровнями минимальны и стандартизированы, что обеспечивает открытость архитектуры. Помечены сервисы, реализация которых привязана к решению конкретных задач полунатурного моделирования. В силу небольшого количества подобных компонент и фиксированных протоко-
лах взаимодействия при замене модели ЛА или тестируемого узла структура стенда сохраняется.
Интерфейсный уровень содержит браузер, в котором просматриваются веб-страницы, передаваемые с операционного уровня. В данных страницах реализуется весь функционал работы с пользователем, что переносит его функции на операционный уровень, который формирует данные вебстраницы. Единственный сервис интерфейсного уровня - сервис управления асинхронными запросами обработки данных. Этот сервис представляет собой модуль написанный на JQuery, встроенный в веб-страницы, которые просматривает оператор во время работы со стендом.
Сервис взаимодействия с расчетным сервером включает в себя реализацию оставшихся функций, которые работают не в режиме реального времени: выбор модели; выбор тестируемого узла; запуск испытания;
отображение списка доступных моделей; отображение статуса доступных моделей. Сервис взаимодействия с операционным сервером реализует функционал, который в большей степени обеспечивает открытость и распределенность стенда. Он используется при передаче любых данных с расчетного уровня на операционный и обратно.
Сервис управления исполнением моделей является основным сервисом расчетного уровня и реализует его основной функционал, предоставляя среду моделирования в режиме реального времени и координируя работу остальных сервисов расчетного уровня. Он также реализует режим распределенного моделирования.
Интерфейсный уровень
о—t
Web-c ервис
-О—t
Сервис управления асинхронными запросами о&рабогки данных
JavaScript
Web-сервер
Операционный уровень
с5"
РНР
Сервисы операционного уровня
SQL
СУБД
Сервис взаимодействия с расчетным сервером
Расчетный уровень f^jv,_iPpi Сервис взаимодействия с операционным сервером
SOAP сервис
UNIX socket
Сервис управления исполнением моделей
Shared object (.so}
Сервисы расчетного уровня
Сервис связи с тестируемым узлом
Уровень тестируемого узла
UDP socket
Управляющий сервис
7Г
] Тестируемый узел
Рисунок 2 - Программная архитектура имитационного стенда
При проведении полунатурного моделирования необходима связь с тестируемым узлом или агрегатом. Сервис связи с тестируемым узлом инкапсулирует логику обмена данными с ним.
Описанные выше сервисы не реализуют функционал стенда, привязанный к особенностям решаемой задачи. Реализация вариантов использования, которые работают в обычном режиме, производится в сервисах операционного уровня, в то время как функции, работающие в режиме реального времени, реализуются в сервисах расчетного уровня.
Протоколы обмена данными между уровнями архитектуры
Связи между программными компонентами разделены на два типа, которые отличаются предъявляемыми к ним нефункциональными требованиями. К одним принадлежат соединения, характеризующиеся тем, что производительность и детерминированность не являются приоритетными свойствами, так как они не задействованы в процессе моделирования, который проходит на расчетном уровне, и не работают в режиме реального времени. Основная задача данных протоколов - обеспечение открытости, модифицируемости и масштабируемости. В следствие этого при создании стенда рассматривались наиболее распространенные и открытые
технологии передачи данных. В рамках стенда указанные связи были реализованы при помощи протоколов HTTP и SOAP, которые являются широко известными и повсеместно используемыми. К данным протоколам относятся связи между интерфейсным, операционным и расчетным уровнями, а также протоколы внутреннего взаимодействия интерфейсного и операционного уровней.
Соединения, работающие в реальном времени, прежде всего должны иметь высокую производительность и детерминированность. В процессе разработки стенда может возникнуть необходимость в дополнительной обработке сигналов (фильтрация, сглаживание), что реализуется с помощью дополнительной вычислительной машины в стенде, которая непосредственно управляет тестируемым узлом. На данный момент в разработанном стенде связь между расчетным уровнем и управляющей машиной реализована при помощи протокола на основе UDP сокетов. К таким соединениям относятся также внутренние связи расчетного уровня, которые реализованы через оперативную память.
Реализация программно-аппаратного комплекса полунатурной отработки электромеханических приводов
Оператор
1
Выбор модели
Выбор привода
Ввод начальных данных
X
Выбор режима полета
Запуск моделирования
Просмотр результатов
Моделирование закончено?
Да
Сохранение результатов
Комплекс
Моделирование
Нет
Рисунок 3 - Алгоритм проведения полунатурного испытания
На основе предложенного похода к построению имитационных стендов в рамках НИР [7, 8] был создан программно-аппаратный управляющий комплекс для стенда отработки электромеханических приводов. Основной сценарий использования разработанного стенда - проведение полунатурного испытания силового привода. Алгоритм проведения полунатурного испытания представлен в виде диаграмме активности на рисунке 3.
В программно-управляющий комплекс входит все перечисленные выше компоненты, кроме сервисов уровня тестируемого узла. Он реализует все варианты использования, заявленные ранее, кроме распределенного моделирования, которое является излишним для решения поставленной задачи. Архитектура созданного комплекса представлена на рисунке 4.
На операционном уровне были разработаны сервисы:
К сервисам операционного уровня относятся:
сервис управления карточками задачи;
сервис формирования начальных данных и констант;
сервис обработки результатов;
сервис формирования аэродинамических констант;
сервис ролевого доступа пользователей.
Сервис карточек задачи поддерживает работу с так называемыми карточками задачи, которые являются сценариями полунатурных испытаний и содержат заданные начальные данные и режим полета.
Сервис формирования начальных данных и констант реализует выбор режима полета и начальных параметров модели. Интерфейс данного сервиса представлен на рисунке 5.
Сервис обработки результатов занимается отображением и экспортом полученных при моделировании данных. Результатом отработки являются графики параметров состояния ВС, которые выводятся тройками: параметр состояния ВС с использованием виртуального гидропривода, с использо-
ванием реального ЭМП и разница между ними. На рисунке 6 представлены графики крена (красный и синий), полученные при моделировании ЛА в режиме стабилизации крена с типом заданной функции "ступенька", а также заданный крен (желтый).
Сервис формирования аэродинамических констант предоставляет доступ к хранимым аэродинамическим характеристикам летательных аппаратов, к чему относится:
обработка запроса со списком необходимых аэродинамических характеристик;
выборка из базы данных необходимых аэродинамических характеристик;
формирование и передача пакета данных, содержащий аэродинамические характеристики.
предоставляя функции аутентификации и редактирования учетных записей пользователей.
На расчетном уровне были реализованы сервисы:
сервис журналирования состояний модели; сервис модели динамики полета; сервис модели КСУ; сервис расчетного модуля.
Сервис журналирования состояний модели реализует хранения и составления журнала моделирования, отражающего результаты моделирования. Он реализует следующие функции:
сохранение состояния летательного аппарата во внутреннее хранилище;
выдача журнала моделирования из внутреннего хранилища в унифицированном виде.
Сервис модели динамики полета заключает в себе методы расчета динамики летательного аппарата с течением времени, которые используются для проведения моделирования. Математическая модель ЛА сформулирована в пространстве состояний [3, 4] и включает в себя уравнения динамики и кинематики поступательного и вращательного движения. Параметры модели описаны в виде функциональных зависимостей от температуры, высоты и скорости полета.
Сервис модели КСУ содержит алгоритмы расчета параметров систем управления летательным аппаратом, которые используются во время полета.
Сервис расчетного модуля предназначен для вычисления стандартных математических операций, который выполняются при моделировании летательного аппарата. К ним относятся:
вычисление произведения матрицы на вектор; вычисление произведения двух векторов; вычисление скалярного произведения двух векторов;
вычисление длины вектора.
Сервис ролевого доступа пользователей разграничивает доступ пользователей к стенду,
Результатом научно-исследовательской работы является программно-аппаратный управляющий комплекс, который позволяет удаленно проводить полунатурные испытания силовых приводов. Он позволяет заменять и добавлять модели ЛА и испытываемые устройства без изменения программной структуры стенда. Заключение
Разработанный программно-аппаратный комплекс позволяет проводить удаленно полунатурную отработку исполнительных силовых приводов с соблюдением режима реального времени. Благодаря открытой архитектуре он может масштабироваться с точки зрения использования моделей других летательных аппаратов и одновременной отработки нескольких узлов и агрегатов при сохранении программно-аппаратной структуры. Данный факт доказывает адекватность и реализуемость предложенных методов построения распределенных имитационных стендов полунатурной отработки узлов и агрегатов.
Единственное несоответствие заявленным вариантам использования имитационного стенда с открытой программной архитектурой и созданного программно-аппаратного управляющего комплекса -отсутствие в последнем поддержки распределенного моделирования. Данный вопрос на текущий момент остается открытым.
сн
Web-сервис
Интерфейсный урсЕень Браузер
Сервис угравления асинхронными запросами обработки данных
JavaScript
Web-сервер
Операционный уровень.
PHP
Сервис управления картонками задачи
Сервис обработки результатов
q.
Сервис формирования начальных данных
Се рв и с форм и рован ил а эроди на м и ч е с ких кон стант
Сервис ролевого доступа пользователей
а
SQL
СУБД
Сервис взаимодействия с расчетным сервером
РасчетнымурсЕень
О-
SOAP сервис
_Г*~1 Сервис взаимодействия с операционным сервером
ч_
Сервис журналирования состояний модели
Сервис модели динамики полета
Сервис модели КСУ
Сервис расчетного модуля
UNIX ¡ocket
] Сервис управления исполнением моделей
Shared o)ject(.so)
I Сервис связи с исполнительным приводом
О-
Уровень испытываемого устройства
UDP socket
Управляющий сервис
эмп
Рисунок 4 - Программная архитектура программно-аппаратного управляющего комплекса полунатурной
отработки электромеханических приводов
Администрирование Вы вошли как admin
Программно-аппаратный комплекс полунатурной отработки
Старт Назад
Режим испытание_
Наименование I
агрегатов бортового авиционного оборудования
Набор входных параметров
Сохранить | Выбрать
| Загруз ^ь |
Входные
Удалить
Начальная скорость
Начальная барометрическая высота
Начальный путевой угол
Начальный угол наклона траектории
Начальная скорость ветра
Угол наклона ветра
Путевой угол ветра
Масса
Средняя аэродинамическая хорда
Площадь крыла
Момент инерции го X
Момент инерции по У
Момент инерции по 2.
Размах крыла
Шаг моделирования
Время моделирования
|60Р
|20РР
14000
|З.Э9 |44
1825
13590
12060
11.99
0.001
|60Р
км/ч (от 0 до 800) м (от 1 00 до 1 7000) град (от 0 до 360) град (от -1 0 до 1 0) м/с (от-100 до 100) град, (от -90 до 90) град, (от О до 3S0) кг (от 1000 до 2 5000) м (от 1 до 1 0) н2 (от 5 до 1 000) „/„2 (от 100 до 50000) „у„2 (от 100 до 50000) кг/н2 (от 100 до 50000) м (от 1 до 20) сек. (от 0.001 до 1) сек. (от 0)
Тип ветра
Ступенька
Ротор
Импульсы
Турбулентость
СКО
Амплитуда Частота
Время
99
м/с (от 0 до 5) м/с (от 0 до 20) гц (от 0 до 1 00) с (от 0 до времени м одел.)
Рисунок 5 - Интерфейс ввода начальных параметров и запуска моделирования
—fci— ■ э ■ 9 с учетом привода ' || ^ Э.«л с учетом привода
--\
—в- А_
-+НЛ "V" /Г" \
\ J ^ ^
\
Рисунок 6 - Крен ЛА в режиме стабилизации крена (тип входных сигналов - ступенька)
ЛИТЕРАТУРА
1. SAE AIR5992, Descriptions of Systems Intégration Test Rigs (Iron Birds) for Aerospace Applications, 2009.
2. Васильев К.К., Служивый М. Н. Математическое моделирование систем связи : учебное пособие, Ульяновск : УлГТУ, 2008. - 170 с.
3. Меркулов В.И., Харьков В.П. Математические модели информационно-управляющих систем в пространстве состояний, Информационно-измерительные и управляющие системы № 7, Москва : Радиотехника, 200 6.
4. Меркулов В.И., Харьков В.П. Чувствительность математической модели в пространстве состояний в точности аппроксимации параметров и фазовых координат, Информационно-измерительные и управляющие системы № 7, Москва : Радиотехника, 2006. - 39-52 с.
5. Сухомлин В.А., Введение в анализ информационных технологий (Курс лекций), М: "Радио и связь", 2002. - 352 с.
6. Шалыгин, А. С., Палагин Ю.И. Прикладные методы статистического моделирования - Л. : Машиностроение, 1986. - 320 с.
7. Составная часть научно-исследовательской работы «Аналитические исследования по созданию технологии комплексной полунатурной отработки исполнительных приводов с электрическим силовым питанием экспериментального имитационного стенда с открытой программно-аппаратной архитектурой», ФГУП «НИИСУ», 2013 г. - 213с.
8. Составная часть научно-исследовательской работы «Исследования по созданию программно-аппаратного комплекса для полунатурной отработки исполнительных приводов с электрическим силовым питанием», ФГУП «НИИСУ», 2015 г. - 81с.
9. Потёмкин А.В., Горшков П.С., Халютин С.П. Методика синтеза структурных схем системы электроснабжения воздушных судов. Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2 013. Т. 1. С. 318-321.
10. Горшков П.С. Ресурсно-ограничительный метод исследования сложных информационных систем, г. Пенза; Труды симпозиума «Надежность и качество» 2008г.
