FADEC可靠性試驗HIL仿真自動化技術研究

喬伯真， 柳亞冰

中國航發控制系統研究所，江蘇 無錫 214063)

在航空發動機全權限數字電子控制(Full Authority Digital Electronic Control，FADEC)系統中，數字電子控制器及其搭載的控制軟件是組成這個安全關鍵系統的核心成附件。為證明其設計符合性，針對電子控制器和控制軟件開展子系統級測試驗證成為FADEC系統研制過程中的關鍵環節，一種有效的測試手段就是充分開展硬件在環(Hardware-in-Loop,HIL)仿真，這在航空航天、汽車電子和醫療設備等領域的系統研發工作中已被廣泛應用。在國內航空發動機FADEC系統工程研制領域，也已在控制軟件測試和電子子系統集成測試過程中廣泛采用了HIL閉環仿真驗證這一測試手段。

電子控制器作為控制系統的核心硬件產品，需要開展可靠性試驗，對產品的可靠性進行驗證。根據《可靠性鑒定和驗收試驗》(GJB 899A—2009)的規定，機載電子設備的可靠性測試驗證方式已逐步轉向含控制軟件的系統級測試[1]，即應用HIL仿真測試手段模擬電子控制器在典型飛行任務剖面下的輸入輸出信號，使電子控制器承受典型的運行負荷，并與環境載荷的模擬過程同步進行，從而在系統/子系統層面更真實有效地驗證電子設備的可靠性。

可靠性試驗是按特定的環境應力載荷譜和典型飛行任務HIL仿真譜執行的循環測試，隨著控制系統研制過程的推進，單次試驗時間從幾百小時到數千小時不等，因此測試自動化相關技術對解決可靠性試驗的循環操作顯得尤為重要。目前環境應力載荷可以通過環境模擬設備實現自動操作，HIL仿真的自動化技術取決于所用測試設備的軟硬件環境，沒有統一的、標準的技術途徑。黃奕丹[2]介紹了自動化技術在航空電子設備自動測試過程中應用的現狀；馮亞冬[3]介紹了自動化技術在FADEC控制軟件適航工作中的應用情況；黃勝龍[4]以MATLAB/Simulink的xPC Target構建汽車電子控制單元(Electronic Control Unit,ECU)的HIL仿真環境，用Python語言來編寫自動化測試程序；肖前遠[5]以Python腳本語言為基礎，通過擴展Python模塊實現全數字仿真環境中的自動測試腳本。

本文以電子控制器可靠性試驗任務要求為牽引，圍繞測試任務譜的特點，利用基于Python的關鍵字驅動測試自動化框架Robot Framework作為自動化使能工具，構建HIL仿真自動化技術方法，從自動腳本分層構建、執行時間顯形、工具軟件自動整合、自動執行流程構建等方面，設計了適用于可靠性試驗任務譜的仿真自動化技術方案，并針對以下兩個目標開展技術創新：

① 降低測試任務譜時間線設計實現和執行時間誤差優化的難度；

② 實現非自動化軟件工具的自動化整合。

通過某型FADEC控制器的可靠性摸底試驗進行了技術驗證，證明所提出方法的試驗效率和系統驗證的有效性均顯著提高。

1 測試平臺簡介

1.1 硬件環境

本文以某平臺級地面維護設備(Ground Maintenance Equipment,GME)作為HIL仿真試驗器，該設備的上位機利用自動化中控軟件作為自動流程的控制中樞，通過用戶數據報協議(User Datagram Protocol,UDP)通信形式的自動化接口或批處理調用方式執行自動腳本指令。

GME設備由3個防振便攜式小型機柜組成，機柜內安裝有程控電源、綜合測控下位PXI計算機、主控PXI計算機、信號調理箱、信號斷連箱和控制器接口適配裝置等設備，各設備之間通過電纜連接，由程控電源供電，電子控制器通過電纜和接口適配裝置與GME設備連接，使控制器和仿真試驗器在硬件鏈路層面實現閉環。

綜合測控下位PXI計算機通過信號負載箱接收電子控制器的輸出信號，提供給執行機構模型和發動機模型程序，在LabVIEW RT實時環境下進行計算后，將模型計算結果和其他仿真信號通過信號調理箱輸出給電子控制器，實現HIL閉環仿真。

此外，主控PXI計算機通過以太網與綜合測控下位PXI計算機連接，通過試驗器仿真軟件實現人機交互和上下位機交互，并實現HIL仿真測試的相關外部操作。

1.2 軟件套件

仿真試驗器的軟件套件主要由HIL環境仿真軟件、自動化中控軟件、上位機監視軟件、數據分析軟件、報表生成工具軟件等組成。

HIL環境仿真軟件提供數據設備資源監視、信號設定、故障注入、飛發通信模擬等人機交互功能，同時，實現輸入信號采集、模型程序加載、輸出信號設定、設備操控等上下位機交互功能。

自動化中控軟件采用基于Python語言的開源工具Robot Framework開發，包括圖形化操作前端RIDE，通過UDP端口按接口協議與具備對應接口的應用軟件進行交互，通過批處理調用方式啟動某個軟件或腳本，進而按其語言格式編寫腳本代碼即可實現自動操作邏輯。

上位機監視軟件可實現啟動/停止監視、數據保存、停止保存等功能操作，具備常規的交互操作接口。

數據分析軟件和報表生成工具是C++控制臺應用程序，可在后臺自動運行，不影響前臺窗口程序，具有執行效率高的優點，適合于控制器可靠性試驗的自動執行場景。但當前的軟件是項目早期的工具軟件，不具備自動化操作接口。

2 HIL仿真自動化技術研究

2.1 仿真流程分析與設計

仿真運行流程主要涉及仿真環境部署、飛行任務剖面的HIL仿真運行過程和電子控制器電應力循環操作等幾方面任務。

電應力循環執行周期為24 h，包括3個8 h執行周期，每8 h分別按DC 30.8 V、DC 28 V、DC 25.2 V順次設定電子控制器的輸入電壓。

飛行任務剖面的運行流程以8 h為一個執行周期，包括4 h冷天和4 h熱天測試，分別執行一次4 h飛行任務剖面(含冷浸或熱浸階段的30 min)，該過程與環境模擬設備同步；GJB 899A規定濕度應力循環和振動應力循環均由環境模擬設備自動設置，包含于8 h執行周期內。

因此，為了支持整個HIL測試過程隨環境模擬設備的周期自動連續運行，需要以完整電應力循環為單位，設計以24 h為周期的運行流程。同時，為了便于測試數據鏈和證據鏈管理，需要滿足數據截取、命名、歸類、分析和報表制作等自動化需求。

綜上，HIL閉環測試的執行流程應包含4 h飛行任務剖面、8 h溫度循環和24 h電應力循環的嵌套，兼顧數據自動截斷和分析的功能，其自動運行流程可設計為仿真運行環境初始化、啟動監視、數據存儲、任務執行、數據截斷、數據分析調用、報表制作調用等執行步驟，不同的流程步驟按需接續執行或循環執行，4 h飛行任務自動測試執行流程如表1所示，可靠性試驗自動運行流程示意圖如圖1所示。

圖1 可靠性試驗自動運行流程示意圖

表1 4 h飛行任務自動測試執行流程

2.2 仿真流程自動化設計

仿真運行自動化由中控軟件Robot Framework通過腳本調用相關工具軟件、輔助腳本代碼來實現，在Robot Framework軟件中設計開發腳本實現仿真流程中的每一步具體操作[6]。

在所使用的工具軟件中，HIL環境仿真軟件和上位機監視軟件具備UDP通信功能和自動化接口協議，可由中控軟件Robot Framework直接操作，因此，仿真流程涉及的運行環境初始化、啟動監視、執行狀態操作指令、停止監視、數據截取與命名等操作可通過直接在中控軟件中開發腳本來實現。

數據分析軟件不具備UDP通信功能和自動化接口，屬于非自動化工具軟件，如果僅通過自動腳本調用批處理命令的方式直接打開，則無法按需分析指定數據，因此，需要專門設計自動化整合方法。

數據分析軟件自動化整合主要有以下3種解決途徑。

① 擴充分析軟件的功能，開發UDP通信功能和接口協議，實現與自動化中控軟件的交互功能。

② 改造數據分析軟件的功能結構，修改分析軟件的數據文件加載方式，使軟件啟動后自動分析默認目錄下最新的一份數據文件，在Robot Framework中通過執行批處理文件，間接調用分析軟件，分析最近一次截取的數據段。

③ 開發一組外部輔助腳本，實現對分析軟件配置文件的改寫操作，先執行輔助腳本改寫配置文件信息，再調用數據分析和報表生成工具，實現按需對指定數據段的分析和報表輸出。

基于投入產出比最優的工程思想，為了以最小的軟件開發投入獲得最優的自動化構建效率，優選途徑③。本文根據數據分析軟件的運行原理，運用Python腳本語言編寫了一套簡潔的輔助腳本[7]，由自動化中控軟件通過批處理指令間接調用運行，通過改寫工具軟件的配置文件，為數據分析軟件指定待分析的文件路徑和文件名，建立分析數據源輸出目錄，為報表制作軟件指定報表數據源、報表模板和報表輸出路徑等信息，實現對數據分析軟件和報表制作軟件的按需操作，進而間接實現該類型非自動化工具軟件的自動化整合。外部輔助腳本流程如圖2所示。

圖2 外部輔助腳本流程圖

綜上，可得出可靠性試驗HIL測試的自動化調用關系，如圖3所示。中控軟件Robot Framework的腳本操作仿真軟件、上位機軟件和相關的批處理指令，不同的批處理指令再間接操作輔助腳本、數據分析軟件和報表工具。

圖3 HIL測試自動化調用關系設計示意圖

2.3 自動腳本設計

2.3.1 腳本分層封裝

中控軟件Robot Framework的腳本語言規則是以“關鍵字”代表模塊，可以將有緊密聯系的若干操作步驟封裝為一個單獨的模塊，以便于模塊復用和腳本維護，類似于C語言中的函數。

基于高內聚低耦合的模塊化程序設計思想，從有利于頂層應用設計、底層操作解耦以及有利于腳本復用和繼承的角度出發，按3層結構規劃自動化腳本，具體如下。

① 基礎封裝層。該層包括項目、設備相關的基礎配置以及對信號資源和各自動化接口的操作封裝。

② 應用功能封裝層。該層建立在基礎封裝層之上，包括環境初始化、上位機數據記錄操作、控制系統功能操作、數據分析操作、試驗任務基礎操作等應用類事務操作的模塊化封裝。

③ 測試任務執行層。該層以應用功能封裝層為基礎，是按測試大綱或試驗工藝文件等設計實現的測試任務腳本集合。

應用功能封裝層承上啟下，其模塊化程度越高，測試任務腳本的開發效率和質量越高，可維護性越好。

2.3.2 顯形腳本執行時間的必要性

從提高測試任務腳本開發效率和執行時間精度的目標出發，需要根據設計的仿真試驗流程，對仿真任務譜的時間編排和腳本模塊實際執行時間進行設計和統籌。

中控軟件自動腳本的執行過程需要花費一定時間，這個時間包括中控軟件下發指令至被控軟件接收到指令的時間和被控軟件響應相關操作的時間。盡管單條基礎操作的腳本一般比較簡單，其執行花費的時間并不多，一般僅為10 ms級，但是在設計應用功能封裝層的腳本模塊時，會涉及大量基礎操作腳本的組合和重復調用。在設計頂層測試任務腳本時，會涉及應用功能封裝層模塊的組合和重復調用，從而產生大規模的腳本嵌套。以本文設計的某型控制器可靠性測試任務腳本為例，按應用功能封裝層模塊的單步腳本為最小統計單位，8 h任務腳本一共包含1014條腳本，24 h任務腳本一共包含3066條腳本，如果按基礎封裝層的單步腳本為最小單位統計，腳本數將成倍增加，可到達萬條的量級。因此，各條腳本的執行時間誤差，無論大小，最終都將通過頂層的測試任務腳本的執行過程累加為一個總的時間誤差，這個誤差可以從單條腳本的10 ms級發展為1 min量級，甚至可能為10 min量級，導致執行時間誤差的累積放大。電子控制器可靠性試驗流程對環境應力模擬和HIL仿真的執行時間敏感，如果測試任務譜執行時間誤差較大，則會導致HIL仿真過程和環境應力模擬的變化過程在時間軸上錯位，可靠性試驗的效果就會偏離試驗的設計初衷，影響電子軟件子系統的驗證有效性。

因此，顯形應用功能層的模塊執行時間，對于頂層測試任務譜時間線的設計過程是十分必要的，有助于計算分配各模塊的執行時間并統籌優化執行時間誤差。

2.3.3 按名義執行時間模塊化設計

本文提出了一種按腳本模塊的理論執行時間(即名義執行時間)進行任務譜時間線設計的方法，在腳本模塊的關鍵字中顯形注明模塊的名義執行時長，相當于腳本執行時間隨腳本封裝也實現了模塊化，其實際執行時間和時間誤差隨封裝而確定，由此有利于在頂層任務譜中設計分配時間線，也有利于統計執行時間誤差和顯形時間誤差的組成，便于綜合分配執行過程必要的等待時長，從而統籌減小整個任務譜的執行時間誤差。同時，根據腳本模塊組成的占比情況，可以有針對性地優化調用次數較多或時間誤差較大的模塊的執行時間，進而達到優化整個任務腳本時間線的目的。

在應用層模塊設計與調試的方法層面，不僅要提供模塊的集成度和接口設計，而且要考慮適當提高模塊的執行時間尺度，在其中適當添加執行等待時長。一方面利用等待時長湊整模塊的執行時間，達到1 s或10 s量級，以便于調用模塊時進行時間計算；另一方面通過調整執行等待時長，補償其他腳本執行帶來的時間花費，將名義執行時間與實際執行時間的誤差控制在較小范圍內，等效于降低了單條操作指令執行時間誤差及其累計效應對模塊外部產生的關聯性影響，這樣更便于模塊的調用者統計分配執行時間。例如，在本文設計的“數據分析10s”模塊中，數據分析工具的批處理調用操作實際花費不到0.1 s時間，為了覆蓋分析工具后臺運行時間，并實現模塊執行時間尺度擴大并湊整，為其封裝一定的等待時長，定義模塊的名義執行時間為10 s，通過調試，將等待時長調整為9.91 s，使模塊實際執行時間達到9.97 s，誤差0.03 s，執行時間和時間誤差顯形受控。部分腳本模塊執行時間統計如表2所示。

表2 部分腳本模塊執行時間統計 單位：s

按名義執行時間進行模塊化設計的方法，降低了模塊間的時間耦合，進一步增強了腳本的模塊化程度，對于強調執行時間精度的頂層測試任務腳本開發過程，增強了腳本時間線設計的模塊化程度，降低了任務腳本編寫過程中時間線的控制與優化的難度，提高了開發效率和質量。

3 技術應用

在某型電子控制器1000 h可靠性試驗中，應用了本文研究的可靠性試驗HIL仿真測試自動化技術方案，試驗執行過程流暢，無人值守，數據報表輸出完整。根據Robot Framework軟件的運行記錄統計，每8 h試驗任務腳本的執行時間誤差預計值為93 s，實際執行時間誤差為106±2 s，誤差受控，與理論預計值的差異約13 s，該差異主要由未使用名義時間方法封裝的部分腳本執行時間累加而來，例如高度、馬赫數和油門桿等單一參數設置腳本，且該誤差不影響自動化測試的結果判定。部分8 h任務腳本執行時間記錄如表3所示。

表3 部分8 h任務腳本執行時間記錄

4 結束語

以FADEC系統電子控制器可靠性試驗為對象，研究了HIL仿真測試自動運行流程及其自動腳本設計方法，一方面通過開發輔助腳本實現了非自動化軟件工具套件的自動化整合，實現對既有的非自動化工具軟件的有效利用；另一方面，通過按名義執行時間封裝腳本模塊的方法，實現對執行時間及其誤差的顯形與控制，滿足了可靠性試驗對HIL仿真自動運行的需求。

經過某型FADEC控制器1000 h可靠性摸底試驗應用，HIL仿真自動運行流程實施效果良好可靠，每8 h循環的腳本執行時間誤差穩定受控。

在后續工作中，可以將高度、馬赫數、油門桿角度等一條參數設置腳本，依據其相關性，按名義執行時間方法優化封裝，可進一步減小頂層測試任務腳本的執行時間誤差，優化執行時間分配。