一种实时控制系统虚拟集成架构及仿真验证方法与流程-k8凯发

本发明属于系统仿真测试，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：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、本发明的技术方案：

3、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；

4、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；

5、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。

6、进一步的，

7、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；

8、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。

9、进一步的，

10、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；

11、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；

12、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；

13、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；

14、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。

15、进一步的，

16、所述架构还包括：内外部数据交互的三类虚拟通信总线；

17、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。

18、进一步的，

19、所述架构还包括：设置节点中运行任务采用的调度机制；

20、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；

21、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。

22、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：

23、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；

24、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；

25、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；

26、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；

27、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；

28、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；

29、步骤7：各节点仿真程序通过虚拟通信总线进行集成；

30、步骤8：实时控制系统通过仿真引擎调度开始运行；

31、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。

32、进一步的，

33、步骤6具体包括：

34、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；

35、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。

36、进一步的，

37、当实时控制系统内部节点由实物产品实现时：

38、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；

39、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。

40、本发明的有益效果：

41、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。

42、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。

43、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。

44、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。