半實(shí)物仿真技術(shù)

1、2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,1,8 半實(shí)物仿真技術(shù),半實(shí)物仿真概述物理模擬設(shè)備與技術(shù)仿真計(jì)算機(jī)技術(shù),2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,2,半實(shí)物仿真概述,概念:(Hardware-in-the-loop)硬件在回路仿真：仿真系統(tǒng)中有實(shí)物參加。優(yōu)點(diǎn)：可使無(wú)法準(zhǔn)確建立模型的部件直接進(jìn)入仿真回路；通過(guò)模型與實(shí)物之間的切換，進(jìn)一步校驗(yàn)?zāi)Ｐ?；?yàn)證實(shí)物部件對(duì)系統(tǒng)性能的影響。實(shí)質(zhì)：為物理部件創(chuàng)造一個(gè)模擬實(shí)際環(huán)境

2、的仿真環(huán)境，用物理部件實(shí)物進(jìn)行仿真的技術(shù)。,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,3,半實(shí)物仿真概述,半實(shí)物仿真技術(shù)：環(huán)境模型建立技術(shù)：實(shí)際上指各種物理環(huán)境的建模技術(shù)：包括聲、壓場(chǎng)，電磁場(chǎng)，光學(xué)，空間運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)等。物理模型建立技術(shù)：運(yùn)動(dòng)環(huán)境：飛行模擬器（轉(zhuǎn)臺(tái)、平臺(tái)）視覺(jué)環(huán)境：視景系統(tǒng)聽(tīng)覺(jué)環(huán)境：聲場(chǎng)模擬器（魚(yú)雷）力環(huán)境：負(fù)載模擬器（舵、發(fā)動(dòng)機(jī)）光學(xué)環(huán)境：激光、紅外、電視目標(biāo)模擬器電磁環(huán)境：射頻目標(biāo)模擬器（雷達(dá)導(dǎo)引

3、頭、雷達(dá)）壓力環(huán)境：大氣壓（高度計(jì)）、水壓（深度計(jì)）、壓力（地雷）,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,4,半實(shí)物仿真概述,半實(shí)物仿真系統(tǒng)半實(shí)物仿真系統(tǒng)的組成半實(shí)物仿真系統(tǒng)中的模型半實(shí)物仿真系統(tǒng)中的相似原則和相似方法,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,5,半實(shí)物仿真系統(tǒng),組成仿真設(shè)備：如各種目標(biāo)模擬器、仿真計(jì)算機(jī)、飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)、線加速度模器、負(fù)載力矩模擬器、衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器等等。參試設(shè)備：如制導(dǎo)控制計(jì)

4、算機(jī)、陀螺儀、組合導(dǎo)航系統(tǒng)、舵機(jī)等。各種接口設(shè)備：模擬量接口、數(shù)字量接口、實(shí)時(shí)數(shù)字通訊系統(tǒng)等。試驗(yàn)控制臺(tái)：監(jiān)視控制試驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)程的裝置。包括試驗(yàn)設(shè)備、試件狀態(tài)信號(hào)監(jiān)視系統(tǒng)、設(shè)備試件轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)、仿真試驗(yàn)進(jìn)程控制等。支持服務(wù)系統(tǒng)：如顯示、記錄、文檔處理等事后處理應(yīng)用軟件。,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,6,半實(shí)物仿真系統(tǒng),半實(shí)物仿真系統(tǒng)中的模型對(duì)象模型與環(huán)境模型 ：包括環(huán)境效應(yīng)模型物理模型與數(shù)學(xué)模型盡量多的物理模

5、型不可實(shí)現(xiàn)的數(shù)學(xué)模型,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,7,半實(shí)物仿真系統(tǒng),相似原理與相似方法相似原理：幾何相似、感覺(jué)信息相似、數(shù)學(xué)相似、邏輯相似相似方法模式相似、模糊相似、組合相似、坐標(biāo)變換相似實(shí)現(xiàn)方法時(shí)間與邏輯相似 幾何相似：空間幾何關(guān)系相似（六個(gè)自由度）環(huán)境相似：力學(xué)、光學(xué)、電磁,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,8,物理模擬設(shè)備與技術(shù),飛行模擬器舵負(fù)載模擬器線加速度模擬器目標(biāo)/環(huán)境

6、模擬器紅外激光雷達(dá)電視聲場(chǎng),2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,9,飛行模擬器,飛行模擬器分類飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的工作原理飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的組成分析模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的計(jì)算機(jī)控制,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,10,飛行模擬器分類,飛行模擬平臺(tái)：功能：模擬飛行器姿態(tài)和過(guò)載用途：飛行訓(xùn)練模擬器飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)：功能：模擬飛行器姿態(tài)用途：慣性器件、導(dǎo)引頭等制導(dǎo)控制部件的測(cè)試與仿真,2024

7、/3/21,飛行器工程系 單家元博士,11,三自由度航向、姿態(tài)和傾斜六自由度航向、姿態(tài)和傾斜及三個(gè)方向的過(guò)載（線加速度）,飛行模擬平臺(tái),2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,12,,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,13,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,14,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,15,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,16,飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái),用途：仿真轉(zhuǎn)臺(tái)、測(cè)試轉(zhuǎn)

8、臺(tái)結(jié)構(gòu)形式：O,U,Y,T驅(qū)動(dòng)形式：液壓、電動(dòng)控制方式：模擬、數(shù)字軸數(shù)：?jiǎn)屋S、雙軸、三軸、四軸、五軸性質(zhì)：位置、速率,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,17,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,18,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,19,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,20,,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,21,飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的工作原理,基本構(gòu)成：動(dòng)力系統(tǒng)、伺服控

9、制系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)工作原理：在動(dòng)力系統(tǒng)支持下，伺服控制系統(tǒng)控制機(jī)械系統(tǒng)作角度轉(zhuǎn)動(dòng)，為安裝在機(jī)械系統(tǒng)上的慣性測(cè)量部件提供姿態(tài)運(yùn)動(dòng)環(huán)境。伺服控制系統(tǒng)：保證轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)一定性能指標(biāo)的控制系統(tǒng)：一般由測(cè)速機(jī)構(gòu)成速度內(nèi)環(huán)，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，由測(cè)角元件構(gòu)成位置外環(huán)進(jìn)行位置控制，同時(shí)對(duì)位置輸入進(jìn)行微分，實(shí)現(xiàn)復(fù)合前饋控制，提高系統(tǒng)響應(yīng)。,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,22,飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng),2024/3/21,飛行器工程系 單

10、家元博士,23,飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的技術(shù)指標(biāo),性能指標(biāo)：約束轉(zhuǎn)臺(tái)角運(yùn)動(dòng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的技術(shù)參數(shù)。功能要求：規(guī)范轉(zhuǎn)臺(tái)在使用、維護(hù)方面的功能。,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,24,飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)性能指標(biāo),2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,25,飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)功能要求,可使用性：機(jī)械電氣接口、按鈕和指示、視場(chǎng)、零位、初值與歸零、屏蔽與干擾。可靠性：機(jī)械和電氣越位開(kāi)關(guān)、操作互鎖、手動(dòng)和自動(dòng)斷電保護(hù)可維修性：電路及控制

11、軟件模塊化、驅(qū)動(dòng)元件和測(cè)量元件可檢測(cè)可視性：臺(tái)體外觀、控制柜外觀、軟件外觀功能擴(kuò)展：測(cè)試信號(hào)、數(shù)據(jù)記錄、曲線顯示,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,26,飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的組成,動(dòng)力系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng),2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,27,動(dòng)力系統(tǒng),液壓能源三相電機(jī)－油泵分油器、過(guò)濾器、溢流閥冷卻系統(tǒng)－水箱，水泵遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)－調(diào)壓閥,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,28,動(dòng)力系統(tǒng)

12、,直流電源可控硅直流電源開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,29,伺服控制系統(tǒng),控制元件：執(zhí)行控制算法，產(chǎn)生控制信號(hào)（電壓）運(yùn)算放大器；微處理器（單片機(jī),DSP, 80X86）驅(qū)動(dòng)元件：對(duì)控制電壓信號(hào)進(jìn)行變換，為執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)功率放大器（直流功放，PWM功放）；液壓放大器（伺服閥）執(zhí)行元件：在動(dòng)力系統(tǒng)支持下，響應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)直流電機(jī)；液壓馬達(dá)（液壓缸）測(cè)量元件：反饋元件。將物理量變

13、成電信號(hào)及信號(hào)處理。測(cè)速，測(cè)角,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,30,伺服控制系統(tǒng),控制元件運(yùn)算放大器單片機(jī)DSP處理芯片80x86,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,31,伺服控制系統(tǒng),驅(qū)動(dòng)元件直流功率放大器＋伺服閥PWM功率放大器功率開(kāi)關(guān)元件：1GBT電流閉環(huán)PID控制：100A輸出電壓：150V開(kāi)關(guān)頻率：1－20 KHz,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,32,伺服控制系

14、統(tǒng),執(zhí)行元件液壓馬達(dá)－低速大扭轉(zhuǎn)徑向柱塞馬達(dá)直流力矩電機(jī)－稀土電磁力矩,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,33,伺服控制系統(tǒng),測(cè)量元件速度：測(cè)速機(jī)位置：電位計(jì)：光碼盤(pán)：編碼器園感應(yīng)同步器：旋轉(zhuǎn)變壓器,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,34,機(jī)械系統(tǒng),立式結(jié)構(gòu)：Y,T敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)：U封閉式結(jié)構(gòu)：O,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,35,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),特點(diǎn)：通過(guò)測(cè)角系統(tǒng)與控制器的數(shù)字化

15、，實(shí)現(xiàn)高精度的跟蹤控制結(jié)構(gòu)形式：采用不同處理器、實(shí)現(xiàn)不同功能要求，而形成的控制器的不同物理構(gòu)成控制算法：實(shí)現(xiàn)高精度、動(dòng)態(tài)跟蹤而采用的各種古典和現(xiàn)代用數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)的控制算法使用要求：滿足用戶在測(cè)試使用維護(hù)方面的要求,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,36,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn),控制算法的多樣性古典：前饋＋PID反饋控制現(xiàn)代：自適應(yīng)控制、魯棒控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制控制界面的直觀性軟界面：曲線、數(shù)顯軟操作：觸摸屏、鍵

16、盤(pán)、鼠標(biāo)控制精度高充分發(fā)揮數(shù)字測(cè)量元件的精度優(yōu)勢(shì)功能豐富圖形監(jiān)控、通訊數(shù)據(jù)記錄、處理測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,37,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式,分布式控制：多處理機(jī)（單片機(jī)或DSP）各自負(fù)責(zé)獨(dú)立控制通道。集中式控制：由一個(gè)處理器（小型機(jī)、PC）承擔(dān)所有控制通道的控制任務(wù)集散式控制：采用上下位機(jī)結(jié)構(gòu)的分級(jí)控制方式PC+單片機(jī)（或DSP）：串口、并口PC+PC：并口、網(wǎng)卡PC+總線嵌入式

17、處理器：總線,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,38,飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的應(yīng)用,慣導(dǎo)器件測(cè)試角度陀螺、速率陀螺、慣性平臺(tái)等導(dǎo)引頭測(cè)試光學(xué)導(dǎo)引頭（電視、紅外、激光）武器系統(tǒng)仿真導(dǎo)彈、制導(dǎo)炸彈、魚(yú)雷、飛機(jī),2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,39,舵負(fù)載模擬器,物理模型（負(fù)載力矩）：舵受到的流體動(dòng)力。是舵輸出力矩的反作用力矩。包括慣性力矩、阻尼力矩和鉸鏈力矩。鉸鏈力矩：與舵偏角、速度、流體密度攻角等有關(guān)物理實(shí)現(xiàn)

18、線性加載：鉸鏈力矩系數(shù)為常數(shù)。用彈簧模擬。隨動(dòng)加載：鉸鏈力矩系數(shù)為非線性函數(shù)。需用仿真機(jī)實(shí)時(shí)根據(jù)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行插值計(jì)算，然后施加到舵軸，是被動(dòng)加載。用力矩伺服系統(tǒng)。液壓伺服、氣動(dòng)伺服、電動(dòng)伺服加載。被動(dòng)加載的技術(shù)關(guān)鍵：負(fù)載模擬器與舵機(jī)互為負(fù)載，相互影響；加載力矩是根據(jù)舵偏角等計(jì)算出的，理論上存在延遲；由于上述原因，理論上存在多余力。高度的動(dòng)態(tài)特性：伺服系統(tǒng)性能要高于舵機(jī)的性能。,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博

19、士,40,舵負(fù)載模擬器,隨動(dòng)加載系統(tǒng)組成機(jī)械系統(tǒng)：同軸加載方式：小力矩，一體式臺(tái)體。力矩馬達(dá)、擺動(dòng)油缸或力矩電機(jī)。連桿加載方式：大力矩，分體臺(tái)體。液壓缸。能源動(dòng)力系統(tǒng)：液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)伺服控制系統(tǒng)：力矩伺服控制：伺服閥＋液壓馬達(dá)、液壓缸；功率放大器＋力矩電機(jī)。力矩傳感器。位置伺服控制：電位計(jì)、光碼盤(pán)、測(cè)速機(jī)。模擬控制與數(shù)字控制：,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,41,舵負(fù)載模擬器,技術(shù)指標(biāo)最大力矩：150

20、 Nm最大角度：±40 度力矩梯度：0.1-20 Nm/度力矩精度： ±1％角度精度：0.01度力矩伺服系統(tǒng)頻帶：10 Hz(雙5指標(biāo)，力矩梯度8nm/度,)角度伺服系統(tǒng)頻帶： 10 Hz(雙5指標(biāo)，角度幅度±3度)多余力：20％（力矩系統(tǒng)為零指令時(shí)，角度在±3度10Hz振動(dòng)））,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,42,線加速度模擬臺(tái),物理模型：質(zhì)心直線運(yùn)動(dòng)加速度。物理

21、實(shí)現(xiàn)：常值：離心加速度模擬線加速度隨動(dòng)：離心加速度在加速度計(jì)敏感軸上進(jìn)行分解，控制分解角度。關(guān)鍵技術(shù)穩(wěn)速技術(shù)：保持常值離心加速度。需進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。角度伺服：動(dòng)態(tài)環(huán)境下的角度控制。,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,43,線加速度模擬臺(tái),系統(tǒng)組成臺(tái)體：大的旋轉(zhuǎn)軸系上安裝多個(gè)小的旋轉(zhuǎn)軸系。能源系統(tǒng)：PWM功率放大器速度伺服系統(tǒng)：直流力矩電機(jī)或交流力矩電機(jī)，測(cè)角測(cè)速系統(tǒng)位置伺服系統(tǒng)：直流力矩電機(jī)、測(cè)速機(jī)、光

22、碼盤(pán)或圓感應(yīng)同步器,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,44,線加速度模擬臺(tái),性能指標(biāo)穩(wěn)速臺(tái)：速率量程：0.1-15g,無(wú)級(jí)調(diào)整。靜態(tài)精度：a1g, △a/a<5*10-4隨動(dòng)臺(tái)：位置通道數(shù)：3負(fù)載：1－3Kg最大角速度：250 度/秒最大角加速度：2000度/s2最小平滑速度：0.1 度/秒定位精度：0.01度頻帶：6Hz（穩(wěn)速臺(tái)15g時(shí)，角度幅度±3度，雙十）,2024/3/21,飛行

23、器工程系 單家元博士,45,目標(biāo)/環(huán)境模擬器,目標(biāo)特性運(yùn)動(dòng)特性：用相對(duì)運(yùn)動(dòng)（角運(yùn)動(dòng)）模擬物理特性：激光、紅外（點(diǎn)/成像）、電視、雷達(dá)、聲場(chǎng)環(huán)境特性背景特性：大氣、陽(yáng)光、地形、天氣、海洋對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懜蓴_特性：與目標(biāo)物理特性對(duì)應(yīng)的假目標(biāo)、干擾信號(hào),2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,46,目標(biāo)/環(huán)境模擬器,運(yùn)動(dòng)特性模擬轉(zhuǎn)臺(tái)：相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理。物理特性模擬紅外點(diǎn)光源/干擾光源：光斑、能量可控。激光光源：能量、光斑大

24、小、編碼可控電視/紅外成像：圖形工作站、圖形顯示系統(tǒng)可見(jiàn)光：正頭、背投；屏幕、球面紅外轉(zhuǎn)換；電阻絲、紅外CRT射頻/聲場(chǎng)：陣列式多源。無(wú)線電波/聲波在空間合成。每個(gè)陣元的信號(hào)功率、作用時(shí)間可控。,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,47,目標(biāo)/環(huán)境模擬器,分類（按照目標(biāo)信號(hào)的饋入方式）輻射式（反射式）：尋的制導(dǎo)輻射信號(hào)的物理性質(zhì)不同：光學(xué)：機(jī)械式、平行光管式和復(fù)合擴(kuò)束式微波/毫米波/聲場(chǎng)：陣列式按照結(jié)構(gòu)機(jī)械

25、式：通過(guò)機(jī)械帶動(dòng)輻射源作角運(yùn)動(dòng)。陣列式：射頻和聲場(chǎng)。機(jī)電混合式：注入式（直入式）：尋的制導(dǎo)、指令制導(dǎo)按照注入信號(hào)的頻區(qū)分中注入式、視頻注入式和低頻注入式將目標(biāo)特性直接注入目標(biāo)探測(cè)設(shè)備,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,48,典型仿真方案,大屏幕實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光圖像仿真方案,,激光目標(biāo)漫反射仿真方案,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,49,典型仿真方案,光學(xué)耦合方案,可見(jiàn)光/紅外圖像轉(zhuǎn)換器激光模擬光源,20

26、24/3/21,飛行器工程系 單家元博士,50,仿真計(jì)算機(jī)技術(shù),仿真主機(jī)：數(shù)字計(jì)算機(jī)軟件支持環(huán)境：編輯、編譯和實(shí)時(shí)運(yùn)行接口技術(shù)：A/D,D/A,D/D,DIO,實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)。,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,51,仿真計(jì)算機(jī)技術(shù),仿真主機(jī)專用機(jī)：美國(guó)：ADI公司的AD10,AD100和AD/RTS620;并行計(jì)算機(jī)公司CCC的Maxion,Power Hawk,NightHawk中國(guó)：國(guó)防科大的YH-F1,YH-

27、F2通用機(jī)：美國(guó)：VAX小型計(jì)算機(jī)/ALPHA工作站中國(guó)：海鷹HY-F1，亞星YHSimustation,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,52,仿真計(jì)算機(jī)技術(shù),軟件支持環(huán)境操作系統(tǒng)通用操作系統(tǒng)：Windows NT，VMS，UNIX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：PowerMAXOS仿真環(huán)境分離環(huán)境：Matrix,Matlab,C,C++一體化環(huán)境：Night Star,YHSIM,HYSIM,2024/3/21,飛行器工