系统仿真及其在航天器系统中的应用.pdf

航天器系统仿真与航天器系统仿真与CAD 授课教师：朱圣英授课教师：朱圣英 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 课程讲授内容课程讲授内容 主要内容 ? 航天器系统（控制系统）及其仿真技术 ? CAD-Computer Aided Design (计算机辅助设计)的功能与应用 1）航天器动力学建模 2）航天器导航与控制系统建模 3）航天器数学仿真与设计技术 4）航天器半物理/全物理仿真技术 1）Matlab/Simulink 2）C语言与Simulink联合编程 3） RTW 4） dSPACE/ContolDesk 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 课程进度安排课程进度安排 课程主要分为五部分： 一、概述 二、航天器系统建模与仿真 三、航天器系统计算机辅助分析与设计 四、航天器系统半物理与全物理仿真 五、综合仿真实例 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 课程进度安排课程进度安排 航天器系统及仿真航天器系统及仿真 概述概述 仿真基本概念及其应用 数学仿真及其相关问题 航天器动力学模型 测量敏感器工作原理及模型 执行机构工作原理及模型 系统建模与仿真系统建模与仿真 CAD Matlab/Simulink C 语言与 Simulink 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 课程进度安排课程进度安排 航天器系统及仿真航天器系统及仿真 仿真计算机功能与应用 动力学模型建模 导航方案设计及仿真 制导方案设计及仿真 综合仿真与分析 半物理/全物理仿真系统组成 航天器运动仿真器 目标仿真器功能与应用 物理仿真物理仿真 综合仿真实例综合仿真实例 CAD matlab 扩展应用 RTW dSPACE/ContolDesk 计算机辅助设计计算机辅助设计 系统模型的描述及转换 系统稳定性分析和参数设计 计算机辅助设计实例 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 课程教学方式课程教学方式 教学方式 ? 课堂讲授 (65%) ? 实例演示 (10%) ? 上机实践 (15%) ? 课程设计 (10%) 学习成果 ? 初步建立航天器系统模型库 ? 开发一个航天器系统设计软件 ? 完成简单航天器系统的设计与仿真 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 第一课 系统仿真及其在航天器系统中的应用第一课 系统仿真及其在航天器系统中的应用 1 仿真概念与特点 2 航天器系统仿真的分类与功能 3 系统仿真在航天器系统设计中的应用 本节课程安排本节课程安排 4 航天器系统仿真的可信度与发展方向 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 1 仿真的概念与特点 1.1 仿真的概念 1.2 仿真的特点 1.3 仿真的应用范围 内容安排内容安排 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 仿真的概念与特点仿真的概念与特点 仿真的概念 科学试验 原型试验 模型试验（仿真） 科学试验是人类认识世界和改造世界的重要手段，进行科学 试验有两种途径可循： ? 在客观世界的原型上进行，例如飞机或火箭的飞行试验 ? 用原型的代替物(模型)做试验，例如风洞试验 用模型做试验进行科学研究的方法称为仿真仿真 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 仿真的概念与特点仿真的概念与特点 仿真的特点 1）可操作性 仿真作为一门技术在20世纪后半叶得到迅猛发展，主要由于仿 真具有如下特点： 有些事物人类尚无法控制它的发生或停止（例如大到宇宙的 变化、自然环境的更替，小到质子与电子之间的相互作用），但 是用模型来实验却很容易加以控制，并可以多次进行重复进行； 2）可观测性 有些研究对象过于庞大（例如社会现象）或距离太远（如深 空探测）或变化太慢（如天体环境的改变）或极具危险性（例如 森林火灾），人们很难直接进行观测，但在模型上做试验却容易 做到； 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 仿真的概念与特点仿真的概念与特点 仿真的特点 3）经济性 在原型上做试验常常要付出高昂的代价（例如导弹打靶试 验），但在模型上做试验（仿真）则省钱、省力、省时间； 4）预测性 有时人们希望通过试验验证自己的某些想法（例如某项工程 方案的设计），由于事物尚未出现，无法在原型上做试验，但是 可以用模型进行试验； 仿真不仅可以研究简单事物的局部性质，还可以研究复杂系 统的整个动态变化过程，给人们提供全过程的信息。 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 仿真的概念与特点仿真的概念与特点 仿真的应用领域 目前仿真已广泛应用于工程技术领域工程技术领域（例如水力、化工、电 力、航空、航天等）与非工程技术非工程技术（例如管理、经济、军事等） 领域，正获得日益明显的社会和经济效益。 仿真在国防系统国防系统和先进武器系统先进武器系统的规划、分析、设计、研 制、运行、维护、作战预演、管理及各类系统人员的训练等方面 取得良好的效果。 航天器系统航天器系统的设计是一个庞大繁琐的过程，考虑到经济性、 安全性以及高效性等工程要求，仿真技术在航天器系统设计中起 到不可替代的作用 仿真技术在航天器系统设计中起 到不可替代的作用。 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 2 航天器系统仿真的分类与功能 2.1 航天器控制系统的构成 2.2 数学仿真 2.3 半物理仿真 内容安排内容安排 2.4 全物理仿真 2.3.1 运动仿真器 2.3.2 目标仿真器 2.3.3 仿真计算机 2.3.4 试验测控设备和接口 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 航天器控制系统构成 为了保证航天器在轨的正常工作，提高航天器运行性能，航 天器依赖于控制系统的支持，航天器控制系统由两部分组成。 航天器控制系统 轨道制导与控制系统（质心运动） 姿态确定与控制系统（绕质心运动） 轨道制导与导航系统姿态确定与控制系统 ? 轨道确定 ? 轨道稳定保持 ? 轨道机动控制 ? 姿态确定 ? 指向定向控制 ? 姿态机动控制 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 航天器控制系统构成 轨道制导与导航系统、姿态确定与控制系统按部件的角度划 分，都由四大部分组成： ? 敏感器（测量） ? 控制器（信息处理） ? 执行机构（改变航天器的运动状态） ? 航天器本体（被控对象） 典型航天器控制系统构成原理图 执行机构 航天器本体 遥控指令 遥测信息 敏感器 控制指令 控制力 /力矩 空间环境 空间环境 控制器 航天器运动 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 仿真类型 对航天器控制系统进行仿真首先要建立整个系统的数学或物理 模型，然后在模型上做实时或非实时、数学或物理的各种实验。在 航天器控制系统仿真中，根据所介入模型的不同，一般仿真分为数 学仿真、半物理仿真与物理仿真。 数 学 仿 真 半 物 理 仿 真 全 物 理 仿 真 部分实物全部实物 三种仿真之间的关系 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 数学仿真 数学仿真就是在计算机上对系统的数学模型进行试验数学仿真就是在计算机上对系统的数学模型进行试验。航天器 控制系统数学仿真通常与控制系统计算机辅助分析相结合，完成航 天器动力学的时域仿真及控制系统频域分析。航天器数学仿真主要 包括下列内容： 1）空间环境模型仿真包括地球引力场、磁场、空气动力、太阳 辐射压力、日-月-地摄动等仿真； 2）航天器轨道动力学及制导与导航系统仿真； 3）航天器姿态动力学与控制系统仿真，包括三轴稳定卫星姿态 确定与控制系统仿真；自旋卫星姿态确定与控制系统仿真；多刚体系 统动力学分析及控制仿真；带晃动液体贮箱及大型挠性附件卫星的姿 态确定与控制系统仿真；返回卫星的姿态确定与控制系统仿真。 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 数学仿真中关键问题 数学仿真最关键的问题是建立能精确地反映系统性能的数学模 型 建立能精确地反映系统性能的数学模 型。建立系统数学模型有两种途径： ? 理论建模 ? 试验建模 一个复杂的动力学系统建模常常需要两种方法并用。用理论建立 的数学模型不仅需要通过试验来取得有关的参数，也有待于通过试 验来验证和修正。 复杂航天器的结构一般由一个主刚体、挠性附件（大型天线和 太阳帆板）和带有晃动液体的燃料贮箱组成，系统高度复杂，很难 得到精确的理论模型并求解，总在一定的假设条件下简化，这就使 验模工作显得十分重要。 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 半物理仿真 半物理仿真是在仿真的动力学及环境条件下将部分或全部控制 系统硬件接入回路中进行试验，但部分控制系统和控制对象（航天 器本体）的动力学仍用数学模型代替。 半物理仿真框图 执行机构 航天器本体 遥控指令 遥测信息 敏感器 控制指令 控制力 /力矩 空间环境 空间环境 控制器 航天器运动 半物理仿真中一般航天器动力学和运动学不采用实物进行仿 真，而采用数学模型代替，其它部件如敏感器、执行机构等，都可 以采用实物替代。 实物 数学模型 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 半物理仿真优势 数学仿真虽然可以得到航天器在各种不同参数组合和初始条件 下的性能结果，但是半物理仿真仍然是航天器研制中一个十分重要 的环节。这是由于： 1）一个实际系统，其结构相当复杂，数学模型很难精确地概 括全部细节 数学模型很难精确地概 括全部细节，有时候某些细节的局部误差有可能使系统性能发生质 的变化。在这种情况下，数学仿真虽然取得了满意的结果，但在半 物理仿真时则有可能发现其误差大大超出了设计的要求或者发现新 的问题； 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 半物理仿真优势 2）某些环境（如温度变化）或干扰（如电磁干扰）对部件性 能的影响很难建立准确的数学模型 某些环境（如温度变化）或干扰（如电磁干扰）对部件性 能的影响很难建立准确的数学模型，由此引起系统性能的改变也只 能通过试验发现； 3）研制过程中粗心大意造成的错误粗心大意造成的错误（如敏感器或执行机构极 性装反）是不能用数学仿真发现的，却很容易在半物理仿真中发现 并纠正； 4）一个已研制出来的复杂航天器控制系统在上天之前非常有 必要在地面对它做出综合性能的定量评价综合性能的定量评价。为了实现某种指标，试 验过程中常常对控制系统的硬件或软件参数进行局部修改，于是半 物理仿真便成为系统性能鉴定和优化设计的一种手段。 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 半物理仿真采用的主要设备 半物理仿真要求将控制系统的硬件接入回路，需要有一系列仿 真设备的支持。这些设备主要包括运动仿真器、目标仿真器、仿真 计算机、试验测控设备和接口等。 ? 运动仿真器（航天器运动） ? 目标仿真器 （空间环境） ? 仿真计算机（动力学模型和运动学模型） ? 试验测控设备和接口（数据采集、监控等） 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 运动仿真器 运动仿真器又称运动模拟器，航天器半物理仿真用转台来模拟 航天器运动，而全物理仿真则用气浮台。根据用途不同转台分单 轴、两轴、三轴和多轴几种形式。航天器仿真主要用三轴转台，有 时也要采用单轴转台。 单轴转台 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 运动仿真器 航天姿态运动从运动学的观点来说是刚体绕定点的转动，任何 这种运动都可以通过绕坐标系三个轴的转动来实现。因此航天器在 空间的姿态运动可以用三轴转台的运动进行仿真。如果将测量航天 器姿态的敏感器放在转台内框安装平台上，那么这些就应该测量出 转台运动的变化。 三轴转台的结构原理图 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 运动仿真器 三轴转台实际上是一个高精度的随动系统，典型的控制精度控制精度可 达到万分之几度，角速度控制范围角速度控制范围由万分之一度每秒到几百度每 秒，并且具有良好的频率响应特性，转台各框架的运动受仿真计算 机控制。 运 动 仿 真 器 仿 真 计 算 机 航天器当前状态 仿真计算机与运动仿真器之间的关系 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 目标仿真器 目标仿真器又称目标模拟器，是针对航天器轨道敏感器、姿 态敏感器的特点而设计的一种专用设备。航天器在依靠太阳、地 球、恒星以及目标天体等参考目标来确定自己的姿态，分别用太 阳敏感器、地球敏感器、星敏感器、光学相机和激光测距仪等进 行位置、姿态测量。在仿真试验中，这些敏感器需要相应的目标 仿真器配合才能工作。 ? 太阳仿真器（太阳敏感器） ? 地球仿真器（地球敏感器） ? 恒星仿真器（星敏感器） ? 图形仿真器（光学相机） 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 目标仿真器 仿 真 计 算 机 目 标 仿 真 器 航天器当前状态 外界信息 敏 感 器 目标仿真器的接口关系 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 太阳仿真器 太阳仿真器又称太阳模拟器，是模拟太阳光辐射的一种设备，以 便仿真中配合太阳敏感器进行试验。 太阳仿真器 理想的太阳仿真器在辐射 强度、光谱分布、准直角、 光稳定性、均匀性等方面应 与真实太阳相同，但由于技 术上的限制各项指标很难同 时都得到满足。 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 地球仿真器 地球敏感器(又称地球模拟器)利用地球的热辐射作为参考目标 来确定航天器相对于当地水平的俯仰和滚动姿态误差，主要对应 的敏感器为红外地平仪。 仿真天空背景辐射板 仿真地球辐射板 温度控制装置 地球仿真器的组成 地球仿真器通过热 壁与冷壁(或背景)的温差 来实现地球辐射仿真， 一般要求热壁有良好的 温度均匀度，目前可做 到0.20.5的均匀度水 平。 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 星仿真器 航天器利用恒星作为参考目标来确定姿态，可以达到秒级的精 度，这是目前所有姿态测量中具有最高精度的一种手段。对用星敏 感器进行姿态测量的航天器进行半物理仿真时，需要专门研制相应 的星仿真器(又称星模拟器)设备。 星仿真器 早期的星仿真器大多作成平 行光管形式，这种星仿真器只能 产生单颗或数颗恒星光源，不适 合作全轨道星图识别仿真。近年 采用液晶屏幕或液晶光阀来实现 星图仿真，通过计算机软件编程 得到整个天球的星图，适合于全 轨道仿真。 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 图形仿真器 图形仿真器主要功能是模拟生成光学导航相机拍摄的场景， 生成一个形状、色彩、亮度变化逼真的动态模拟图像，给导航相 机提供一个接近真实的感知环境。 图形仿真器 图形仿真器接收实时仿真机输 出的探测器当前时刻的位置、姿 态状态结合光照等信息，利用虚 拟现实技术驱动目标模型，在显 示器屏幕上生成导航相机采集的 图像。 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 仿真计算机 仿真计算机是系统仿真的核心设备。半物理仿真中的仿真计 算机主要用来解算航天器动力学和运动学模型，进行坐标变换， 通过接口接收航天器控制系统执行机构输出的控制指令，同时控 制运动仿真器和目标仿真器运动。 仿真计算机与其它设备之间的接口关系 运 动 仿 真 器 仿 真 计 算 机 航天器当前状态 目 标 仿 真 器 航天器当前状态 敏感器 外界信息 安装 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 仿真计算机 仿真计算机的主要作用： ? 解算航天器动力学和运动学模型（必要） ? 模拟部分执行机构工作模型（可选） ? 模拟部分敏感器测量模型（可选） ? 运算相关导航和控制算法（可选） 执行机构 航天器本体 遥控指令 遥测信息 敏感器 控制指令 控制力 /力矩 空间环境 空间环境 控制器 航天器运动 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 仿真计算机性能要求 由于要求硬件接入回路，用作半物理仿真的仿真计算机需要 具备两个特点： 第一，是它的实时性实时性，也就是它的库程序、I/O服务、操作 系统等全部都应该是实时的。（ 半物理仿真实时性的需要） 第二，它必须有足够的I/O能力能力，即应具有高速数据接口， 并行A/D、D/A转换，以支持试验过程中大量的信息交换。（ 半 物理的数字/模拟混合性决定的） 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 仿真计算机的实例（dSPACE） 主要特点： 典型代表dSPACE ? 基于MATLAB/Simulink开发 ? 多板卡模块设计 ? 仿真操作图形化 ? 功能强大且使用方便 ? 运算能力强，实时性好 ? 可靠性高，扩充性好 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 试验测控设备和接口 试验测控设备是为了保证仿真试验顺利完成而采用的辅助设 备 辅助设 备，主要功能有： 1）对整个试验进行管理和同步； 2）试验前对参试产品(航天器控制系统各部件)的检测和对主要 设备的测试； 3）试验数据采集、显示和处理； 4）星箭分离信号和遥控遥测指令的模拟； 5）星载计算机软件加载和参数设置。 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 试验测控设备和接口 航天器半物理仿真的主要接口有： ? 仿真计算机与运动仿真器的接口 ? 仿真计算机与目标仿真器的接口 ? 信号补偿接口（补偿地球自转对陀螺的影响、地球引力 对陀螺和加速度计的影响等等） 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 典型的半物理仿真系统 航天器半物理仿真系统结构图 三 轴 转 台 太阳敏感器 IMU 导航相机 太阳仿真器 图形仿真器 运动机构 仿 真 计 算 机 反作用轮 航 天 器 控 制 器 推力器 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 全物理仿真 全物理仿真是航天器特有的一种仿真方法，它利用单轴气浮台 或三轴气浮台来模拟航天器在外层空间的无阻尼运动，航天器控制 系统各部分完全实现了实物进行仿真。 全物理仿真系统框图 执行机构 航天器本体 遥控指令 遥测信息 敏感器 控制指令 控制力 /力矩 空间环境 空间环境 控制器 航天器运动 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 全物理仿真与半物理仿真之间的区别 与半物理仿真相比，全物理仿真不需要仿真计算机参与，航天 器动力学和运动学的仿真完全由气浮台来实现。 设备构成的不同 运 动 仿 真 器 仿 真 计 算 机 航天器当前状态 目 标 仿 真 器 航天器当前状态 敏感器 外界信息 气 浮 转 台 替换 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 气浮转台 气浮台是一个无动力、无摩擦的设备，它靠高压气体浮起。当 高压气体高压气体从底座通入时，在空气轴承与轴承座之间形成一层气膜气膜， 使台体浮起实现无摩擦相对运动无摩擦相对运动。 气浮转台原理图 全物理仿真试验要求气浮 台(包括其搭载物)与实际航天器 具有相等的惯量，或者两者的 惯量比等于试验时的执行机构 控制力矩与实际航天器的执行 机构控制力矩之比，以便转台 对航天器本体的模拟。 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 全物理仿真的作用 三轴气浮台试验可以模拟航天器三轴耦合运动，特别适用于 验证带有飞轮或控制力矩陀螺的航天器控制系统性能。 全物理仿真相对数学仿真、半实物仿真，主要用来研究主要用来研究难于 建立精确数学模型的部件对控制系统性能的影响，例如飞轮的干 摩擦、斜装轮的三轴耦合、太阳帆板挠性等。 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 典型的全物理仿真系统 三轴气浮台全物理仿真试验结构原理图 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的分类与功能航天器系统仿真的分类与功能 航天器系统仿真与航天器系统仿真与CAD 授课教师：朱圣英授课教师：朱圣英 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 第一课 系统仿真及其在航天器系统中的应用第一课 系统仿真及其在航天器系统中的应用 1 仿真概念与特点 2 航天器系统仿真的分类与功能 3 系统仿真在航天器系统设计中的应用 上节课程内容上节课程内容 4 航天器系统仿真的可信度与发展方向 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 仿真的概念 科学试验 原型试验 模型试验（仿真） 科学试验是人类认识世界和改造世界的重要手段，进行科学 试验有两种途径可循。 用模型模型做试验进行科学研究的方法称为仿真仿真 上节课程讲授重点上节课程讲授重点 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 上节课程讲授重点上节课程讲授重点 仿真的分类仿真在系统设计中的功能 ? 数学仿真 ? 半物理仿真 ? 全物理仿真 数 学 仿 真 半 物 理 仿 真 全 物 理 仿 真 部分实物全部实物 三种仿真之间的关系 ? 方案设计仿真 ? 系统性能验证仿真 ? 故障仿真 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 3 仿真在航天器系统设计中的应用 3.1 方案设计仿真 3.2 系统性能验证仿真 3.3 故障仿真 内容安排内容安排 3.4 航天器系统设计流程 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 仿真在航天器系统设计中的应用仿真在航天器系统设计中的应用 不同阶段的仿真特点 航天器工程是一项高风险、高投入、高度复杂而又高精度的系 统工程，研制一个航天器控制系统，仿真是一个不可缺少的环节并 贯穿整项工程的始终。根据仿真不同的特点，大致可以分为方案设 计仿真、系统性能验证仿真、故障仿真三种类型。这三种仿真类型 对应的研制阶段为： 方案设计仿真 系统方案设计阶段 系统性能验证仿真 系统研制完成验证阶段 故障仿真 系统试验阶段和发射之后 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 仿真在航天器系统设计中的应用仿真在航天器系统设计中的应用 方案设计仿真 方案设计仿真一般是数学仿真数学仿真与计算机辅助设计计算机辅助设计相结合，对系 统的动态和稳态性能进行验证、比较，以确定系统的方案和最优参 数。例如航天器敏感器和执行机构的配置，航天器控制程序的划 分，姿态确定和姿态控制的算法，各种不灵敏区、饱和区、时间常 数、比例因子、通频带参数等等。由于系统研制过程的复杂性，需 要对大量的矛盾进行协调和折中，方案设计仿真将反复多次进行。 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 仿真在航天器系统设计中的应用仿真在航天器系统设计中的应用 系统性能验证仿真 系统性能验证仿真通常是系统研制完成后和航天器发射前在 半物理或全物理仿真试验室内进行，试验的结果应定量或半定量 地对系统的性能作出评价。如果试验后系统经过较大修改，要反 复进行验证仿真。 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 仿真在航天器系统设计中的应用仿真在航天器系统设计中的应用 故障仿真 为了提高可靠性及可使用性，航天器通常配备多种冗余部件， 系统具有可重构功能。由于故障表现的多样性，对在轨航天器故障 的判断仍然是一个难题，仿真是解决这个问题的一条重要途径。故 障仿真可分为故障预想仿真故障预想仿真和故障对策仿真故障对策仿真。前者前者在航天器发射之 前进行，将航天器运行时各种可能发生的故障加以设想，并利用一 定的办法生成某种(硬件和或软件)故障，在试验室里进行仿真， 仿真结果存入数据库，一旦航天器在轨运行时出现故障，便可以与 这些结果加以对比，判断故障原因。后者后者是当航天器在轨运行期间 发生故障时，用仿真的手段重现故障现象，确定故障部位，并对排 除故障或挽救措施的对策进行仿真。 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统设计流程航天器系统设计流程 系统方案设计阶段 方案设计仿真 系统方案设计 数学仿真及计算机辅助设计 满足要求？ 是 系统技术设计 否 部件选型 A 数学仿真及计算机辅助设计 ? 对系统动态、稳态性能进行验证、比较 ? 确定系统的方案和最优参数 航天器系统研制流程 仿真功能 仿真类型 仿真目的 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 仿真在航天器系统设计中的应用仿真在航天器系统设计中的应用 部件设计研制阶段 新部件？ 是 部件设计 电路设计结构设计光学、热学 等设计 电路仿真有限元分析 电路 CAD机械 CAD 部件生产 部件试验 满足要求？ 是 否 否 部件订货 部件验收 B A 部件设计仿真 仿真功能 仿真类型 仿真目的 数学仿真 确定部件电路、结构设计 的合理性，验证研制部件 的性能，辅助完成部件的 设计 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 仿真在航天器系统设计中的应用仿真在航天器系统设计中的应用 系统验证阶段 ? 系统性能验证仿真 半/全物理仿真试验 ? 定量或半定量地对系统性 能作出评价 航天器系统研制流程 仿真功能 仿真类型 仿真目的 B 系统试验 半物理仿真试验（含故障仿真） 性能满足要求？ 是 全物理仿真试验（含故障仿真） 性能满足要求？ 是 否 否 是 修改设计 修改设计 C ? 故障仿真 ? 故障预想仿真 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 仿真在航天器系统设计中的应用仿真在航天器系统设计中的应用 航天器发射在轨运行阶段 否 C 发射 正常运行？ 模型辨识 故障诊断 故障对策 故障仿真 是 ? 重现故障现象 仿真功能 仿真类型 仿真目的 ? 故障对策仿真 ? 数学仿真 ? 半物理仿真 ? 全物理仿真 ? 确定故障部位 ? 对排除故障或挽救措施的对 策进行仿真航天器系统研制流程 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 4 航天器系统仿真的可信度与发展方向 4.1 系统仿真的可信度 4.2 系统仿真的新发展 内容安排内容安排 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的可信度与发展方向航天器系统仿真的可信度与发展方向 系统仿真的可信度 仿真的可信度是衡量仿真可用性的重要标志仿真的可信度是衡量仿真可用性的重要标志，可信度很低的仿 真结果是毫无用处的。为了确保仿真结果有较高的可信度，航天器 控制系统仿真必须在整个仿真过程中严格遵守校核、验证与确认的 有关规范，其主要内容包括下述几方面： 1）对仿真试验方案和试验大纲进行深入的评估并加以确认； 2）对仿真中用到的数学模型、算法、软件进行认真的校核和 验证； 3）对所用到的设备进行严格的测试、标定以保证其足够的精 度； 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的可信度与发展方向航天器系统仿真的可信度与发展方向 系统仿真的可信度 4）对航天器控制系统数学仿真、半物理仿真、全物理仿真得 出的结果进行对比，并分析其差异的来源； 5）将仿真试验结果与飞行试验结果进行比较，分析其差异的 原因并对仿真模型加以修正； 6）对整个仿真流程和仿真结果加以确认并给出相应的仿真可 信度评估。 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的可信度与发展方向航天器系统仿真的可信度与发展方向 系统仿真的新发展 近10年来，随着计算机技术、通信技术、信息技术的发展， 仿真技术也出现了一系列新的课题，并逐步应用于实际。 ? 可视化仿真 ? 多媒体仿真 ? 虚拟现实仿真 ? 分布交互仿真 ? 定性仿真 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器控制系统仿真的可信度与发展方向航天器控制系统仿真的可信度与发展方向 可视化仿真 可视化仿真是一种面向图形对象图形对象和算法对象算法对象连接的仿真方 法，通过图形可以选择仿真的对象和参数以及相应的算法，经过 连接成为一个完整的仿真系统，并产生图形输出，从而大大增加 了仿真的直观性和透明度。 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的可信度与发展方向航天器系统仿真的可信度与发展方向 可视化仿真 可视化仿真实例 自主导航系统可视化仿真软件 仿真基本概念及其在航天器系统设计中的应用航天器系统仿真与CAD/北京理工大学 航天器系统仿真的可信度与发展方向航天器系统仿真的可信度与发展方向 多媒体仿真 多媒体计算机不仅可以处理数据和字符，而且可以处理图 形、图像、影像、声音和动画 图 形、图像、影像、声音和动画。在仿真中