领域架构技术在航空动力控制平台中的应用

领域架构技术在航空动力控制平台中的应用 姜贵涛 何洋 李佳宁 航空工业陕西飞机工业（集团）有限公司

摘要：本文以领域架构技术为依据，设计了嵌入式航空动力控制平台的基本领域模型；以该模型为基础，设计了基千分层架构、微内核架构和过程控制架构的航空动力控制平台领域架构；在领域实现过程中，通过复用建立构件特征模型完善领域模型，形成稳定的领域架构，进一步提升嵌入式航空动力控制平台的研发效率和产品的质证。

关键祠：领域模型；领域架构；航空动力控制

0引言

在航空动力控制领域，动力控制装置控制已逐步由机械液压控制向数字电子控制转变。由千动力装置和控制系统的种类多种多样，不同平台下的嵌入式动力控制装置有不同的设计和实现。随产品型号的增加，设计研发过程的重复度增加，设计人员沟通和研发效率有待进一步提高。

动力控制平台领域具备大量固定和可复用的设计元素。这些设计元素在该领域中具有一定的普适性。本文以特定领域软件架构(Domain Specific Software Architecture，DSSA)为基础，设计了动力控制平台领域架构，通过对平台架构的抽象和可重用元素的提取，提高平台设计过程中的可复用度，进一步提高产品研发效率和产品质量及可靠性叫

1领域架构建立

航空动力控制平台领域架构的建立分为三个阶段：领域分析、领域设计和领域实现及应用。在领域分析阶段，由动力控制专家、软件架构师、硬件平台设计人员共同参与，得到航空动力控制平台领域模型；在领域设计阶段，软硬件设计人员根据领域模型得到航空动力平台领域架构；在领域实现阶段，形成可复用的软件构件、硬件和系统综合设计方案．领域架构在建立后，用千新项目的研发。在新项目研发和构件使用过程中，通过建立构件特征模型，逐步形成稳定和完善的领域架构。

1.1领域分析

领域分析人员通过分析典型动力控制平台和历史项目的系统需求，获取航空动力控制领域中被共享和共识的需求，建立领域模型。涡扇发动机电子控制器和冲压发动机电子控制器是典型的动力控制平台，涡扇发动机电子控制器采用基千时间片轮转的多任务架构，实现对燃油调节器的控制，保证发动机推力按推力杆的指令连续变化；冲压发动机控制器在嵌入式操作系统调度下，周期接收遥测指令，完成不同飞行阶段的燃油调节．结合其他控制平台和历史项目，可建立航空动力控制平台的核心需求，按功能划分为：控制器系统服务、输入处理、输出处理、控制、诊断和通信。

其中，系统服务提供了控制器底层服务和操作系统服务，控制器底层服务主要包括CPU时钟服务、处理器定时器服务等，操作系统服务主要包括实时任务管理服务、信号景管理和存储管理服务等，各功能模块均需在系统服务的基础上完成其基本功能。输入处理涉及对外部信号和数据，包括压力和温度等环境数据、动力装置各截面的参数数据等输入量的采集和滤波处理这些信号数据即来自外部传感器测禄，通过接口电路处理后采集得到，也可由外部系统通过通信总线发送而来。控制模块则涉及动力装置的对象模型和控制律；控制律计算结果由输出处理模块实现控制输出，驱动外部作动装置实施控制。控制器在上电和运行过程中，进行控制器诊断，记录并传输诊断结果。通信模块接受外部交联系统通过ARINC总线、串行通信总线等发送来的通信数据，并将诊断信息、遥测监控数据发送给外部系统．对每个功能模块，同时考虑功能性需求和非功能性需求，自顶向下建立细分领域模型。例如，对于输入处理，可细分为模拟量输入、离散输入和频率输入；对于不同的输入，有不同的采集周期需求，各输入量的滤波方法也不同。由此，自顶向下逐步将输入处理模块细，化得到其内部块图，从而建立完整的动力控制平台输入处理领域模型。

1.2领域设计

领域设计人员根据领域模型设计得到航空动力控制平台架构。航空动力控制平台由通用嵌入式硬件平台和控制软件组成。领域模型的领域需求被进一步分派为嵌入式硬件平台需求和软件需求。在通用嵌入式硬件平台上运行的软件，其架构设计需减少对硬件平台的依赖。根据动力控制平台研发的最佳实践，经过架构评估，设计了基千分层架构、微内核架构和过程控制架构的航空动力控制平台架构。

在通用硬件平台上，软件分为平台层、中间件层、服务层和应用层。在应用层上运行动力装置控制控制和诊断等应用。应用层所用到的服务，按类型分为系统服务、存储服务、I/0服务和通信服务。每种服务均由服务层、中间件层和平台层构建。其中，平台层主要包括硬件平台驱动程序、板级支持、硬件抽象层和嵌入式操作系统，实现平台抽象，保证中间件层和服务层的硬件平台无关性；中间件层主要包括多核等的应用框架、协议、网络栈和报文，提供协议和一些低层应用的服务无关性；服务层实现基本的平台软件服务，并为应用层提供服务接口。

在平台层，采用了微内核架构的嵌入式操作系统．通过硬件抽象和板级支持，微内核的设计和实现与微处理器隔离。彼内核通过消息传递向“客户端”提供核心服务。由于航空动力系统是安全关键性系统，因此使用的微内核需经过严格的测试和安全认证，保证了系统的可靠性．微内核具备分区功能，可阻止故障蔓延，实现不同任务之间的隔离。此外，微内核的扩展功能主要通过配置表来实现，例如文件系统配置、OS兼容包配置、OpenGL扩展配置等，通过高可配置性满足系统扩展需求，而无需修改微内核，实现对扩展开放，对修改封闭的“开闭原则”。

在应用层，设计了过程控制架构。在航空动力控制领域，选取一个被控变世对发动机推力进行控制，常用的被控变谥包括：涡扇发动机低压转子转速nl、高压转子转速n2、油气比、余气系数等叫不同类型的航空动力装置选取不同的被控变量；同一航空动力装置在不同的控制阶段也可能选取不同的被控变世，但控制过程是相同的。对千被控变贵的闭环控制构成了发动机的主控回路．另外，需要考虑发动机状态对主控回路的影响，如涡扇发动机加减速限制，冲压发动机贫富油限制、发动机飞行包线限制等。这些限制的目的主要是保证发动机在非设计点和过渡过程中安全稳定的工作。该框架还包括一些发动机关键性能变量对控制回路的保护限制，如排气温度EGT、高压转子转速n2、流量调节器变化率等，这些限制构成了发动机的辅控回路．该过程控制架构包含了航空动力装置控制的基本要素，在实际应用中经过剪裁和适应性修改后，可应用于多种类型的航空动力装置。

1.3领域实现及应用

领域实现人员根据航空动力控制领域摸型和领域架构，实现可复用的软件构件、硬件平台。实现过程满足产品研发标准，控制产品研发流程、技术状态和实现准则，使得构件达到方案任务书、需求设计、原理图和代码的完整复用。构件实现后，建立构件和领域架构的追踪关系．构件库建立后，根据构件库中各构件的属性和应用描述信息，建立软件构件特征模型．领域分析人员和领域设计人员基于构件特征模型对领域模型和架构进行量化评估并不断修正和完善．在修正和完善过程中，研发人员基千SysML等架构描述语言对已共识模型和架构进行改进，可在很大程度上避免重复和低效的沟通交流叽

2结语

为了进一步提高航空动力控制平台的研发效率和产品质量，本文以特定领域软件架构为基础，通过领域分析、领域架构建立和领域架构实现及应用，建立了航空动力控制平台的领域架构。该架构以分层架构、微内核架构和过程控制架构为核心，可提高产品复用度，具有损强的工程实用性。

参考文献

[1]邵文武,刘畔,黄涛.我国通用航空市场增长动力分析[J].沈阳航空航天大学学报,2019,36(01):90-96.

[2]姚華.航空动力控制系统研发管理变革[J].航空动力,2018(03):8-12.

[3]毛建国,马粮,陈明浩.小型航空活塞发动机混合动力系统仿真与控制策略研究[J].重庆理工大学学报(自然科学),2018,32(03):68-78.