制冷装置使联合攻击战斗机飞行员保持凉爽
本文摘要（由AI生成）：
本文介绍了AMETEK公司为F-35闪电II战斗机飞行员设计的便携式飞行服制冷装置。该装置利用基于模型的嵌入式开发系统，通过蒸汽循环冷却回路维持飞行员深部体温，对承受高加速度时的清醒和操作能力至关重要。AMETEK采用Altair的VisSim解决方案进行设计和仿真，通过虚拟样机测试和优化设计，提高开发效率和质量。洛克希德马丁对制冷装置初步测试反馈满意，AMETEK计划将该方法应用于更多项目。
凭借基于模型的嵌入式开发系统，AMETEK能够对制冷装置控制系统进行设计、仿真、固件创建和验证。
洛克希德马丁联合攻击战斗机 (JSF) 计划旨在为美国海军、空军、海军陆战队和盟国提供价格实惠的新一代战斗机武器系统。目前，该计划的洛克希德马丁 F-35 闪电 II 战斗机正在进行测试和最终开发。
这款战斗机共分三类——一种采用传统跑道起降、一种采用短距离起降/垂直起降，还有一种是舰载机。这些尖端的飞机具备先进的机身结构、自主式保障系统、航电设备、推进系统、隐身功能以及火力。
被指派驾驶这类尖端飞机的飞行员需承受极高的加速度（高达 9g），必须穿上重力防护服来防止眩晕。实际上，飞行员最多可穿上九层衣物，具体取决于执行的任务。
为防止飞行员在驾驶舱内和地面上受到高温影响，洛克希德马丁聘请电子仪器与机电装置的领先制造商 AMETEK Inc. 设计一款便携式飞行服制冷装置。该冷却系统与飞行员冷却背心协同工作，使飞行员的深部体温维持在 ≤ 100.4°F (38°C)。
由于工作日程紧张，该公司利用Altair Inc. 的 VisSim™ 解决方案设计制冷装置的嵌入式控制系统。团队借助 VisSim 平台构建和仿真装置模型、设计整个控制器，并通过对嵌入式目标进行快速样机设计和调试来实现控制器设计。
配有AMETEK个人冷却装置 (PCU) 的飞行服
冷却系统
制冷装置或个人冷却装置(PCU) 构成了个人冷却设备（即 ICE）的一部分。ICE 系统由以下四个组件组成：PCU、锂离子电池、电池充电器和冷却液输送器。
AMETEK 的首席工程师Kevin Godfrey 解释说，PCU 与冷却背心连接，向背心中送入冷却液。它使用蒸汽循环冷却回路，从冷却背心获得吸热后的冷却液，从而转移飞行员身上的热负荷。
在驾驶舱内，PCU由飞机的电源供电；在地面应用时，PCU由锂离子电池供电，而且电池直接附于PCU 上，方便携带。电池充电器可为电池组件提供所需的充电曲线，并通过监视锂离子电池组消耗的电压和电流来确保充电阶段正确。冷却液输送器设计为在封闭环境中工作，含有一个手动操作泵，可对 PCU 和冷却背心进行填充、增压和排液。
Godfrey 表示，飞行员的背心循环使用水乙二醇，而制冷装置则相当于小型制冷系统。他说：“它会调节通过管道流经飞行员皮肤的冷却水乙二醇的温度。”
制冷装置的控制系统会监视温度传感器以及电机的速度反馈，控制压缩机、膨胀阀、风扇泵并调节传给飞行员的温度。该温度可在 57°F (14°C) 到 72°F(22°C) 之间变化。
Godfrey 提到系统有多个控制回路。例如，一个控制回路用于调节流出液体的温度和压缩机速度，以达到特定温度。另一个控制回路则用于监视蒸发器的温差和控制制冷剂的流量。
这项设计中的一大挑战是需要监视不同的变量并开发用于控制设备的代码，以实现自动调节。制冷装置还必须在功率限制内运行以避免损坏。
基于模型的设计
在开始进行制冷装置的项目开发时，Godfrey及其团队便对硬件的开发了然于胸。团队决定使用基于模型的设计方法——利用仿真工具来创建虚拟样机并检查样机是否正常工作，然后再开始设计。Godfrey 之前使用过VisSim 工具，并相信其基于模型的嵌入式开发系统 VisSim Embedded 能够在开发过程中为其提供辅助。
在这一过程中，团队还必须对设备（冷却背心和便携式制冷装置）及其操作进行建模，并开发要嵌入制冷装置的控制系统。
借助VisSim Embedded，工程师可通过框图方法创建联合制冷装置和控制系统的工作模型。他们在实验室中测量装置的响应，以此关联和优化装置模型。工程师随后在 VisSim 中构建多回路PID 控制器，并在启动和停止操作中逐步加入互锁安全机制，以避免损坏敏感设备组件。这实现了“模型在环”（model-in-the-loop，即 MIL）测试。
工程师在离线VisSim 仿真中调试和整定控制器后，将从控制器模型中自动生成 ANSI C 代码，工程师将对这些代码进行编译，然后通过双向JTAG 链路（IEEE标准）将代码直接下载到Texas Instruments (TI) C2000 目标芯片。工程师通过 VisSim 目标接口块测试在C2000 上运行的控制算法固件。它位于在 PC 上实时运行的 VisSim 装置模型中，使用JTAG 技术轻松在VisSim 中为固件的虚拟装置输出和虚拟装置模型的固件控制输出之间提供接口。这实现了“处理器在环”（processor-in-the-loop，即 PIL）测试。
当工程师对嵌入式控制器行为感到满意时，他们会将交互式 JTAG 输入/输出(I/O) 端口替换为用于数模转换器输入、通用 I/O、脉宽调制 (PWM) 输出和定制硬件传感器的VisSim 块。工程师再次借助控制器模型来生成 ANSI C 代码，并将代码下载到 TI 目标，然后按照在VisSim 中实时仿真的模型来运行。此时在开发过程中，控制器通过 VisSim/Real-Time PRO 与VisSim 虚拟装置进行电气连接，以便连接到基于 Measurement Computing PCI 的模拟及数字I/O 印刷电路板，从而产生与实际装置的信号等效的模拟及数字 I/O 信号。这实现了“硬件在环”（hardware-in-the-loop，即 HIL）测试。
验证阶段完成后，随即在实际硬件设备上运行控制器固件。每个子系统都要采用所制定的设计-仿真-验证步骤进行全面测试。
该测试也是遵循洛克希德马丁所要求的安全保障水平(SEAL) 标准的关键。要求文档的双向超链接通过支持超链接的标签块置于 VisSim 图中。而VisSim 复合块着色功能则用于跟踪验证进度。
VisSim 数据导出功能与自动源图和时间戳一同作为依据，可验证实施过程是否满足 SEAL 要求。VisSim Embedded 帮助工程师证明制冷装置在子系统和整个系统的测试过程中是否达到必要的安全完整性等级，并将测试结果归档保存。
VisSim 是一个可视化环境，用于复杂动态系统的建模和仿真以及基于模型的嵌入式系统开发。图中所示为便携式飞行服制冷装置开发过程中采用的硬件在环测试示例。
VisSim 分析得出的控制图显示了制冷装置中的热负荷变化。
在 AMETEK 实验室中，首席工程师 KevinGodfrey 先采用 VisSim 环境对制冷装置进行建模，然后再进行硬件设计。
效率和质量
Godfrey 表示，团队想要在基于模型的设计过程中使用一站式方案。“我们希望整个工具链的工作都在一个环境中完成，”他说道。AMETEK 不希望使用一种环境执行建模工作后再交给其他编码团队编写 C 代码并进行验证。
Godfrey 说：“VisSim自动代码生成器让我可以在PC 上的一个仿真环境中为模型开发控制算法，然后将这个核心控制算法应用到 TI 单片机 (MCU) 上以控制制冷系统。”他表示，VisSim生成的 C 代码简洁明快，且具有针对性。
此外，VisSim还支持实时操作系统，即使受到控制系统实时运行的条件制约，也能够以超快速度响应系统事件。在为 TI DSP 生成 C 代码这一方面，VisualRTOS 堪称“嵌入式专家”。
TI 目标设备在一个芯片上集成了多个I/O 组件，从而使最终系统的尺寸更小、成本更低、可靠性更高。但是，如果要为每个外围设备开发 C 代码，就需要进行大量工作，因为编程人员必须了解所有外围设备的工作原理并为其各项应用开发软件。
VisSim 能够通过图形化图表为所有外围设备编码，实现自动中断处理和自动任务调度。
借助VisSim，AMETEK 能够对代码进行迭代和优化，从而尽最大可能提高效率。Godfrey 表示，“在嵌入式环境中使用小型处理器[高效生成代码]更为关键，因为处理器资源并没有太多富余。否则，代码会因为过大而无法装入内存，系统也会因为运行速度过慢而无法有效控制设备。”
获得飞行员好评
迄今为止，洛克希德马丁还没有开始对制冷装置进行正式的飞行测试，但是它有一个装置已经执行了总体引导测试。Godfrey 表示，飞行员对制冷装置赞誉有加，并且希望在飞行时能够配有制冷装置。
AMETEK 同样对其基于模型的开发过程以及VisSim 做出的贡献十分满意。Godfrey 表示：“VisSim 的优势之一在于不直接采用C 语言编码，而是使用框图并通过自动代码生成器来生成代码。”他解释道，一旦发现自动生成的代码过长，可以返回上一步骤轻松对其进行优化，以便提高效率。
“借助VisSim，我们可对系统进行建模，然后在对设计有所把握后再进入硬件环节，”Godfrey 说道。“这款软件引导我们以正确方式进行开发，并加快开发速度。”在执行验证和确认时，借助软件可单独测试代码段并记录结果。
此外，AMETEK还与VisSim 咨询团队紧密合作，该团队能够就如何充分利用 VisSim 创建 TI MCU 固件提供建议，并解答一般性的支持问题。
放眼未来，AMETEK计划将基于模型的开发过程应用于其他项目。例如，它可以在西班牙的装甲战车、土耳其飞机的机腹摄像头以及加拿大车辆的风扇控制器中的嵌入式处理器上发挥作用。
