一种实时控制系统虚拟集成架构及仿真验证方法

技术领域

本发明属于系统仿真测试技术领域，具体涉及一种实时控制系统虚拟集成架构及仿真验证方法。

背景技术

近年来，计算机仿真在实时控制系统领域的应用变得越来越重要。一方面是由于实时控制系统中嵌入式软件的复杂性稳步增加，并且控制系统开发周期不断缩短，需要新的验证方法，以保证系统中嵌入式软件实现的功能与相关性能满足系统的需求。另一方面，信息技术领域的巨大进步使计算机的计算能力快速增长，能够满足计算机仿真对计算资源的需求。

在实时控制系统的开发过程中使用仿真技术有以下几个原因：1)系统不能完全在系统真实物理环境下进行测试(如航空航天等领域)，因此需要对系统工作的外部物理环境进行模拟仿真；2)根据控制系统的设计需求，系统可能需要面临各种各样不同的测试场景(可能是危险的)，采用仿真后可以在没有任何重大成本影响的情况下进行测试。

目前对实时控制系统的仿真主要集中在系统仿真模型的集成仿真，不包含对系统最终真实运行的嵌入式软件的测试与验证；而针对具体嵌入式软件的虚拟仿真测试，往往更倾向于对系统中单个计算节点中实现功能的仿真，没有实现对整体系统功能的验证。因此系统验证对实物环境的依赖程度较高，有些系统设计缺陷无法在系统设计阶段暴露，导致系统研制进度和更改的成本增大。

发明内容

本发明的目的是：为实时控制系统详细设计功能提供全系统的全数字仿真运行环境，为实时控制系统功能软件的运行提供虚拟运行环境。通过对实时控制系统内各个功能部件、系统外部设备、系统运行物理环境以及系统内/外部接口的仿真，实现实时控制系统的虚拟集成及验证，对实时控制系统功能以及功能交互的仿真验证，最终实现对实时控制系统功能设计的正确性以及对实时控制系统接口规划的合理性的验证，以及实时控制系统内节点信息交互的时序关系以及接口的正确性的验证。

本发明的技术方案：

第一方面，本发明提供一种实时控制系统虚拟集成架构，所述架构包括：实时控制系统本体与实时控制系统外部环境；

将组成实时控制系统本体的内部节点，分为计算节点与传感作动节点，所述传感作动节点包含传感节点和作动节点；

实时控制系统外部环境是实时控制系统运行时所处的外部物理环境，实时控制系统外部环境与传感作动节点存在相互作用。

进一步的，

计算节点实现对实时控制系统计算资源的分配，同一个计算节点可分配一个或多个计算任务，但同一个计算任务不会分割到多个计算节点中执行；

传感作动节点是实时控制系统中与外部环境产生交互的节点，传感节点获取外部环境状态，并将这些状态传输至计算节点，作动节点根据计算节点输出的控制量，实现实时控制系统与外部环境相对状态的改变，实现控制功能。

进一步的，

所述架构还包括：实时任务接口、任务边界接口以及物理环境接口；

实时任务接口是指实时控制系统计算节点之间的交互接口，内部数据流为数字信号；

任务边界接口是指实时控制系统计算节点与传感作动节点之间交互接口，内部数据流为能量转换后的传感信息与能量转换前的作动控制信息；

物理环境接口是指实时控制系统与外部环境之间交互接口，内部数据流为传感作动节点与外部环境之间的能量交互信息；

计算节点只能通过实时任务接口或任务边界接口进行信息交互，传感作动节点只能通过任务边界接口或物理环境接口进行信息交互，外部环境只能通过物理环境接口进行信息交互。

进一步的，

所述架构还包括：内外部数据交互的三类虚拟通信总线；

所述三类虚拟通信总线分别实现实时任务接口、任务边界接口与物理环境接口中的数据交互，将三类虚拟通信总线中各节点之间的数据接口定义为两两相连的虚拟网络链接，各节点通过虚拟网关实现对应虚拟通信总线的访问。

进一步的，

所述架构还包括：设置节点中运行任务采用的调度机制；

所述调度机制为基于时间触发的任务调度机制，则由独立的仿真引擎进行统一的任务调度，通过按周期触发的时间窗口实现任务调度；

所述调度机制为非时间触发任务调度机制，则由各节点按周期进行任务调度。

第二方面，本发明还提供一种实时控制系统虚拟集成架构的仿真验证方法，用于仿真验证如第一方面所述的架构，所述方法包括：

步骤1：对实时控制系统进行结构化分类，分类为实时控制系统本体和外部环境；

步骤2：对组成实时控制系统本体的内部节点按照该节点实现实时控制系统功能的任务类型进行分类，分类为计算节点与传感作动节点；

步骤3：对实时控制系统本体内部节点之间以及实时控制系统本体与外部环境之间接口进行分类，分类为实时任务接口、任务边界接口以及物理环境接口；

步骤4：将实时控制系统中各类节点之间的数据接口定义为两两相连的虚拟网络链接，虚拟网络链接分别部署在不同的接口类型中；

步骤5：确定各节点内部的任务调度机制，任务调度机制包括基于时间触发任务调度机制和非时间触发任务调度机制；

步骤6：对实时控制系统中各类节点按照功能任务进行节点仿真程序开发；

步骤7：各节点仿真程序通过虚拟通信总线进行集成；

步骤8：实时控制系统通过仿真引擎调度开始运行；

步骤9：测试引擎通过访问虚拟通信总线网关，按照实时控制系统测试用例在实时控制系统内各节点的输入端口注入测试激励，并在本节点或是其他节点的输出端接口进行状态的监控，实现对实时控制系统功能的测试验证。

进一步的，

步骤6具体包括：

根据实现节点功能任务的嵌入式软件代码与虚拟通信网关接口实现节点仿真程序开发；

根据节点模型生成代码与虚拟通信网关接口实现节点仿真程序开发。

进一步的，

当实时控制系统内部节点由实物产品实现时：

在步骤4中：将由实物产品实现节点的输入输出虚拟链路的网关改为驱动真实物理硬件；

在步骤7中：将实物产品实现节点的输入输出虚拟链路改为实物电缆，其他节点通过虚拟通信总线与实物产品实现节点进行系统集成。

本发明的有益效果：

通过实时控制系统功能全数字仿真环境将实时控制系统功能试验验证前移到设计阶段，实现试验验证与产品功能性能设计并行，在实时控制系统设计阶段通过虚拟仿真验证与后期实物验证并重转变，提前对实时控制系统设计的正确性进行验证。

在实时控制系统全数字仿真验证中，可自动化的对测试用例进行执行，提高系统验证的效率，并能够为实时控制系统实物环境的验证提供验证用例脚本，提高实时控制系统实物环境验证的效率。

可作为实时控制系统功能软件的部件以及配置项原型运行环境，为实时控制系统软件功能行为的验证和测试提供支撑，解决软件测试验证环境对硬件实物的依赖。

实时控制系统全数字仿真可进行实时、超实时乃至单步级的全系统的运行仿真，结合虚链路数据的实时观测和分析，为实时控制系统精确的调试、集成以及故障定位提供支撑，解决实时控制系统实物环境观测手段不足，测试数据采集难得问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的实时控制系统结构化分类组成及交互关系示意图；

图2为本发明实施例提供的实时控制系统全数字仿真虚拟集成架构示意图；

图3为本发明实施例提供的实时控制系统全数字仿真验证执行流程示意图；

图4为本发明实施例提供的典型实时控制系统组成示意图；

图5为本发明实施例提供的典型实时控制系统全数字仿真虚拟集成架构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供一种实时控制系统虚拟集成架构，包括：

设计一种对实时控制系统的结构化分类描述方式，针对该描述方式设计了一种实时控制系统虚拟集成架构，针对该架构提出了系统全数字仿真的实现流程与方法，并提出了根据该全数字仿真实现系统的验证测试的流程与方法。

首先对实时控制系统进行结构化分类描述。确定实时控制系统的概念，包括实时控制系统本体与系统外部环境。如图1所示，将组成实时控制系统本体的内部节点，按照其在物理世界中的运行方式，分类为计算节点与传感作动节点。

计算节点实现对实时控制系统计算资源的分配，实时控制系统的核心计算功能任务由计算节点承担。同一个计算节点可分配一个或多个计算功能任务，但同一个计算任务不会分割到多个计算节点中执行。

传感作动节点是实时控制系统中与外部环境产生能量交互的节点，传感节点通过感知机械能、热能等的变化获取外部环境状态，并将这些状态传输至计算节点，作动节点根据计算节点输出的控制量，改变实时控制系统作用在外部环境的机械能、热能等，实现实时控制系统与外部环境相对状态的改变，最终实现实时控制系统功能。在物理实现上计算节点与传感作动节点可能会属于实时控制系统的同一个子系统(或部件)，但根据其具体执行任务的类型，该子系统(或部件)应被分解为两个或是多个节点进行描述。

实时控制系统外部环境是系统运行时所处的外部物理环境，实时控制系统外部环境与传感作动节点存在机械能、热能等的相互作用。

如图2所示，对实时控制系统本体内部节点之间以及系统本体与外部环境之间接口进行分类为实时任务接口、任务边界接口以及物理环境接口。实时任务接口是指实时控制系统计算节点之间的交互接口，内部数据为数字信号，任务边界接口是指实时控制系统计算节点与传感作动节点之间交互接口，内部数据流为能量转换后的传感信息与能量转换前的作动控制信息，物理环境接口是指实时控制系统与外部环境之间交互接口，内部数据流为传感作动节点与外部环境之间的能量交互信息。按照三类接口中的交互信息类型，计算节点只能通过实时任务接口或任务边界接口进行信息交互，传感作动节点只能通过任务边界接口或物理环境接口进行信息交互，外部环境只能通过物理环境接口进行信息交互。

实时控制系统虚拟集成架构为实时控制系统内外部数据交互提供三类虚拟通信总线，分别实现实时任务接口、任务边界接口与物理环境接口中的数据交互，将三类接口中各类节点之间的数据接口定义为两两相连的虚拟网络链接，虚拟网络链接通过虚拟通信总线实现数据消息的通信，各类节点通过虚拟网关实现对虚拟通信总线的访问。在进行集成时，通过改变三类接口虚拟通信总线的实现方式，即可实现系统节点仿真与该节点实物的切换。

实时控制系统虚拟集成架构针对不同类型节点中运行任务采用特定的调度机制，针对基于时间触发的计算任务，由独立的仿真引擎进行统一调度，通过按周期触发的时间窗口(每周期任务执行开始时刻，执行的持续时间)实现调度；针对非时间触发任务，由各节点仿真按周期进行任务执行仿真。

在虚拟集成架构中，可通过实现节点功能任务的嵌入式软件代码实现本节点任务仿真程序开发，对于未完成嵌入式软件代码开发，或不是通过嵌入式软件实现功能任务的节点(如部分传感作动节点及环境节点)，通过由模型生成的代码或模型仿真实现对本节点仿真程序的开发，节点仿真程序通过对虚拟网关的接口调用，实现对虚拟通信总线的调度。

实时控制系统中各节点的仿真程序通过虚拟通信总线实现相互交联，达成系统的全数字仿真虚拟集成。实时控制系统完成虚拟集成后，测试引擎通过访问虚拟通信总线网关，按照实时控制系统测试用例在系统内各节点的输入端口注入测试激励，并在本节点或是其他节点的输出端接口进行状态的监控，实现对实时控制系统功能实现的测试。通过这种测试方法，可对实时控制系统进行功能性能测试，也可针对单独节点进行相关测试，实现对实时控制系统的不同层级的测试与验证。

通过对任务边界接口虚拟通信总线实现方式的改变，将实时控制系统全数字仿真中计算节点替换为实物产品，可实现对计算节点实物的测试验证。通过对物理环境接口虚拟通信总线实现方式的改变，可将实时控制系统全数字仿真中计算节点与传感作动节点替换为实物产品，可实现对计算节点与传感作动节点实物的测试验证。

实施例一：典型实时控制系统全数字仿真实现流程，如图3所示。

典型实时控制系统组成如图4所示，由控制输入传感器、控制计算机、执行机构、被控对象、检测装置组成，其中控制计算机包括AD转换、控制律计算程序、DA转换。

步骤1：对典型实时控制系统进行结构化分类，控制输入传感器、控制计算机、执行机构、检测装置为控制系统系统本体仿真，控制输入、被控对象为外部环境仿真。

步骤2：对组成实时控制系统本体的内部节点按照该节点实现系统功能的任务类型进行分类为计算节点与传感作动节点。

AD转换完成将电信号转换为数字信号功能，控制律计算程序完成控制律计算功能、DA转换完成将控制量转化为电信号功能，将这三个节点分类为计算节点；输入传感器获取控制输入状态变化，将变化转化为电信号传输至AD模块，执行机构根据控制量电信号改变系统作用在被控对象的机械能、热能等改变被控对象状态，检测装置获取被控对象状态变化，将变化量转化为电信号传输至AD模块，将这三个节点分类为传感作动节点。

步骤3：对实时控制系统本体内部节点之间以及实时控制系统本体与外部环境之间接口进行分类为实时任务接口、任务边界接口以及物理环境接口。

AD转换与控制律计算之间、控制律计算与DA转换之间交互接口属于实时任务接口；AD转换与控制输入传感器之间、AD转换与检测装置之间、DA转换与执行机构之间交互接口为任务边界接口；控制输入与控制输入传感器之间、执行机构与被控对象之间、被控对象与检测装置之间交互接口为物理环境接口。

步骤4：将实时控制系统中各类节点之间的数据接口定义为两两相连的虚拟网络链接，虚拟网络链接分别部署在不同的接口类型中。

将AD转换传输至控制律计算的数据接口、控制律计算传输至DA转换的数据接口定义为部署在实时任务接口中的虚拟链路；控制输入传感器传输至AD转换的数据接口、检测装置传输至AD转换的数据接口、DA转换传输至执行机构的数据接口定义为部署在任务边界接口中的虚拟链路；将控制输入传输至控制输入传感器的数据接口、执行机构传输至被控对象的数据接口、被控对象传输至检测装置的数据接口定义为部署在物理环境接口中的虚拟链路。

步骤5：确定各节点内部执行任务调度机制，确定基于时间触发任务执行周期及执行时间窗口与非时间触发任务执行周期。

为DA转换、控制律计算、AD转换规划在一个运行周期内的执行时间窗口，确定控制输入传感器、检测装置、执行机构、被控对象、控制输入的仿真运行周期。

步骤6：根据实现节点功能任务的嵌入式软件代码与虚拟网关接口实现节点仿真程序开发。

使用控制律计算的嵌入式软件代码以及控制律计算输入与输出虚拟链路网关接口代码实现控制律计算仿真程序的开发。

步骤7：根据节点模型生成代码与虚拟网关接口实现节点仿真程序开发。

使用AD转换、DA转换、控制输入传感器、检测装置、执行机构、被控对象的模型生成的代码与这些节点输入输出虚拟链路网关接口代码实现上述节点仿真程序开发。

设计界面窗口模拟控制输入，使用该界面相关代码及控制输入节点输出虚拟链路网关接口代码实现控制输入节点仿真程序开发。

步骤8：各节点仿真程序通过虚拟通信总线进行集成。

创建共享内存，为三类接口中的虚拟链路提供通信支撑，实现系统所有节点之间的交互，完成系统集成。

步骤9：实时控制系统全数字仿真通过仿真引擎调度开始运行。

仿真引擎调度DA转换、控制律计算、AD转换按规划的时间窗口内运行仿真程序，控制输入传感器、检测装置、执行机构、被控对象、模拟控制输入节点仿真程序按各自运行周期执行仿真程序。

步骤10：测试引擎通过访问虚拟通信总线网关，按照系统测试用例在系统内各节点的输入端口注入测试激励，并在本节点或是其他节点的输出端接口进行状态的监控，实现对系统功能实现的测试。

设计测试用例为：

1.在控制输入节点仿真输出链路中注入测试激励；

2.延时一段时间；

3.在被控对象输出链路观测被控对象状态改变是否与系统功能一致。

按上述测试用例编写测试脚本，并通过测试引擎执行该测试脚本，实现对典型控制系统控制功能的测试验证。

实施例二：

将实施例一中实时控制系统计算节点由实物产品实现。即DA转换、控制律计算、AD转换由实现控制功能的控制计算机实现。

在步骤4中：将被替换节点输入输出虚拟链路的网关实现改为驱动仿真板卡实现。

将控制输入传感器至AD转换的虚拟链路、检测装置传输至AD转换的虚拟链路网关实现改为驱动DA仿真板卡实现控制计算机AD转换输入链路的信号注入；

将DA转换传输至执行机构的虚拟链路网关实现改为驱动AD采集板卡实现对控制计算机AD转换输出链路的信号采集。

在步骤8中：计算节点与传感作动节点通过实物电缆，传感作动节点与外部环境仿真程序通过虚拟通信总线进行系统集成。

控制计算机通过实物电缆与仿真计算机中DA仿真板卡、AD采集板卡连接，控制输入传输至控制输入传感器虚拟链路、执行机构传输至被控对象虚拟链路、被控对象传输至检测装置虚拟链路通过共享内存实现数据交互。

步骤9：实时控制系统全数字仿真通过仿真引擎调度开始运行。

仿真引擎调度控制输入传感器、检测装置、执行机构、被控对象、模拟控制输入节点仿真程序按各自运行周期执行仿真程序，控制计算机上电运行。

步骤10：测试引擎通过访问虚拟通信总线网关，按照实时控制系统测试用例在实时控制系统内各节点的输入端口注入测试激励，实现在半实物环境中对系统功能实现的测试。

测试引擎执行实施例1中测试测试脚本，实现对实时控制系统控制功能测试验证，实现对事物控制计算机的功能实现测试验证。

本发明的有益效果：

通过实时控制系统功能全数字仿真环境将实时控制系统功能试验验证前移到设计阶段，实现试验验证与产品功能性能设计并行，在系统设计阶段通过虚拟仿真验证与后期实物验证并重转变，提前对实时控制系统设计的正确性进行验证。

在实时控制系统全数字仿真验证中，可自动化的对测试用例进行执行，提高实时控制系统验证的效率，并能够为实时控制系统实物环境的验证提供验证用例脚本，提高实时控制系统实物环境验证的效率。

可作为实时控制系统功能软件的部件以及配置项原型运行环境，为实时控制系统软件功能行为的验证和测试提供支撑，解决软件测试验证环境对硬件实物的依赖。

实时控制系统全数字仿真可进行实时、超实时乃至单步级的全系统的运行仿真，结合虚链路数据的实时观测和分析，为实时控制系统精确的调试、集成以及故障定位提供支撑，解决实时控制系统实物环境观测手段不足，测试数据采集难得问题。