《半实物仿真技术》PPT课件.ppt

1、2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,1,8 半实物仿真技术,半实物仿真概述 物理模拟设备与技术 仿真计算机技术,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,2,半实物仿真概述,概念:(Hardware-in-the-loop) 硬件在回路仿真：仿真系统中有实物参加。 优点：可使无法准确建立模型的部件直接进入仿真回路；通过模型与实物之间的切换，进一步校验模型；验证实物部件对系统性能的影响。 实质：为物理部件创造一个模拟实际环境的仿真环境，用物理部件实物进行仿真的技术,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,3,半实物仿真概述,半实物仿真技术： 环境模型建立技术：实际上指各种物理

2、环境的建模技术：包括声、压场，电磁场，光学，空间运动学和动力学等。 物理模型建立技术： 运动环境：飞行模拟器（转台、平台）视觉环境：视景系统 听觉环境：声场模拟器（鱼雷） 力环境：负载模拟器（舵、发动机） 光学环境：激光、红外、电视目标模拟器 电磁环境：射频目标模拟器（雷达导引头、雷达） 压力环境：大气压（高度计）、水压（深度计）、压力（地雷,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,4,半实物仿真概述,半实物仿真系统 半实物仿真系统的组成 半实物仿真系统中的模型 半实物仿真系统中的相似原则和相似方法,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,5,半实物仿真系统,组成 仿真设备：如各种

3、目标模拟器、仿真计算机、飞行模拟转台、线加速度模器、负载力矩模拟器、卫星导航信号模拟器等等。 参试设备：如制导控制计算机、陀螺仪、组合导航系统、舵机等。 各种接口设备：模拟量接口、数字量接口、实时数字通讯系统等。 试验控制台：监视控制试验状态进程的装置。包括试验设备、试件状态信号监视系统、设备试件转台控制系统、仿真试验进程控制等。 支持服务系统：如显示、记录、文档处理等事后处理应用软件,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,6,半实物仿真系统,半实物仿真系统中的模型 对象模型与环境模型 ：包括环境效应模型 物理模型与数学模型 尽量多的物理模型 不可实现的数学模型,2021/3/23,飞

4、行器工程系 单家元博士,7,半实物仿真系统,相似原理与相似方法 相似原理： 几何相似、感觉信息相似、数学相似、逻辑相似 相似方法 模式相似、模糊相似、组合相似、坐标变换相似 实现方法 时间与逻辑相似 几何相似：空间几何关系相似（六个自由度） 环境相似：力学、光学、电磁,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,8,物理模拟设备与技术,飞行模拟器 舵负载模拟器 线加速度模拟器 目标/环境模拟器 红外 激光 雷达 电视 声场,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,9,飞行模拟器,飞行模拟器分类 飞行模拟转台的工作原理 飞行模拟转台的技术指标 飞行模拟转台的组成 分析模拟转台的计算机控制

5、,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,10,飞行模拟器分类,飞行模拟平台： 功能：模拟飞行器姿态和过载 用途：飞行训练模拟器 飞行模拟转台： 功能：模拟飞行器姿态 用途：惯性器件、导引头等制导控制部件的测试与仿真,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,11,三自由度 航向、姿态和倾斜 六自由度 航向、姿态和倾斜及三个方向的过载（线加速度,飞行模拟平台,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,12,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,13,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,14,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,15,2021/3/23,

6、飞行器工程系 单家元博士,16,飞行模拟转台,用途：仿真转台、测试转台 结构形式：O,U,Y,T 驱动形式：液压、电动 控制方式：模拟、数字 轴数：单轴、双轴、三轴、四轴、五轴 性质：位置、速率,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,17,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,18,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,19,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,20,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,21,飞行模拟转台的工作原理,基本构成：动力系统、伺服控制系统、机械系统 工作原理：在动力系统支持下，伺服控制系统控制机械系统作角度转动，为安装在机械

7、系统上的惯性测量部件提供姿态运动环境。 伺服控制系统：保证转台实现一定性能指标的控制系统：一般由测速机构成速度内环，提高系统的抗干扰能力，由测角元件构成位置外环进行位置控制，同时对位置输入进行微分，实现复合前馈控制，提高系统响应,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,22,飞行模拟转台伺服控制系统,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,23,飞行模拟转台的技术指标,性能指标： 约束转台角运动静态和动态性能的技术参数。 功能要求： 规范转台在使用、维护方面的功能,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,24,飞行模拟转台性能指标,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士

8、,25,飞行模拟转台功能要求,可使用性：机械电气接口、按钮和指示、视场、零位、初值与归零、屏蔽与干扰。 可靠性：机械和电气越位开关、操作互锁、手动和自动断电保护 可维修性：电路及控制软件模块化、驱动元件和测量元件可检测 可视性：台体外观、控制柜外观、软件外观 功能扩展：测试信号、数据记录、曲线显示,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,26,飞行模拟转台的组成,动力系统 伺服控制系统 机械系统,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,27,动力系统,液压能源 三相电机油泵 分油器、过滤器、溢流阀 冷却系统水箱，水泵 远程控制系统调压阀,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士

9、,28,动力系统,直流电源 可控硅直流电源 开关稳压电源,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,29,伺服控制系统,控制元件：执行控制算法，产生控制信号（电压） 运算放大器；微处理器（单片机,DSP, 80X86） 驱动元件：对控制电压信号进行变换，为执行机构提供驱动信号 功率放大器（直流功放，PWM功放）；液压放大器（伺服阀） 执行元件：在动力系统支持下，响应驱动信号，产生机械运动 直流电机；液压马达（液压缸） 测量元件：反馈元件。将物理量变成电信号及信号处理。 测速，测角,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,30,伺服控制系统,控制元件 运算放大器 单片机 DSP处理芯片

10、 80 x86,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,31,伺服控制系统,驱动元件 直流功率放大器伺服阀 PWM功率放大器 功率开关元件：1GBT 电流闭环PID控制：100A 输出电压：150V 开关频率：120 KHz,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,32,伺服控制系统,执行元件 液压马达低速大扭转径向柱塞马达 直流力矩电机稀土电磁力矩,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,33,伺服控制系统,测量元件 速度：测速机 位置： 电位计： 光码盘：编码器 园感应同步器：旋转变压器,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,34,机械系统,立式结构：Y,T 敞开

11、式结构：U 封闭式结构：O,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,35,计算机控制系统,特点：通过测角系统与控制器的数字化，实现高精度的跟踪控制 结构形式：采用不同处理器、实现不同功能要求，而形成的控制器的不同物理构成 控制算法：实现高精度、动态跟踪而采用的各种古典和现代用数字控制器实现的控制算法 使用要求：满足用户在测试使用维护方面的要求,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,36,计算机控制系统的特点,控制算法的多样性 古典：前馈PID反馈控制 现代：自适应控制、鲁棒控制、神经网络控制 控制界面的直观性 软界面：曲线、数显 软操作：触摸屏、键盘、鼠标 控制精度高 充分发挥数

12、字测量元件的精度优势 功能丰富 图形监控、通讯 数据记录、处理 测试信号产生,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,37,计算机控制系统的结构形式,分布式控制：多处理机（单片机或DSP）各自负责独立控制通道。 集中式控制：由一个处理器（小型机、PC）承担所有控制通道的控制任务 集散式控制：采用上下位机结构的分级控制方式 PC+单片机（或DSP）：串口、并口 PC+PC：并口、网卡 PC+总线嵌入式处理器：总线,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,38,飞行模拟转台的应用,惯导器件测试 角度陀螺、速率陀螺、惯性平台等 导引头测试 光学导引头（电视、红外、激光） 武器系统仿真 导

13、弹、制导炸弹、鱼雷、飞机,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,39,舵负载模拟器,物理模型（负载力矩）：舵受到的流体动力。是舵输出力矩的反作用力矩。包括惯性力矩、阻尼力矩和铰链力矩。 铰链力矩：与舵偏角、速度、流体密度攻角等有关 物理实现 线性加载：铰链力矩系数为常数。 用弹簧模拟。 随动加载：铰链力矩系数为非线性函数。需用仿真机实时根据相关参数进行插值计算，然后施加到舵轴，是被动加载。 用力矩伺服系统。液压伺服、气动伺服、电动伺服加载。 被动加载的技术关键： 负载模拟器与舵机互为负载，相互影响； 加载力矩是根据舵偏角等计算出的，理论上存在延迟； 由于上述原因，理论上存在多余力。 高

14、度的动态特性：伺服系统性能要高于舵机的性能,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,40,舵负载模拟器,随动加载系统组成 机械系统： 同轴加载方式：小力矩，一体式台体。力矩马达、摆动油缸或力矩电机。 连杆加载方式：大力矩，分体台体。液压缸。 能源动力系统：液压、气动、电动 伺服控制系统： 力矩伺服控制：伺服阀液压马达、液压缸；功率放大器力矩电机。力矩传感器。 位置伺服控制：电位计、光码盘、测速机。 模拟控制与数字控制,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,41,舵负载模拟器,技术指标 最大力矩：150 Nm 最大角度：40 度 力矩梯度：0.1-20 Nm/度 力矩精度： 1 角

15、度精度：0.01度 力矩伺服系统频带：10 Hz(双5指标，力矩梯度8nm/度,) 角度伺服系统频带： 10 Hz(双5指标，角度幅度3度) 多余力：20（力矩系统为零指令时，角度在3度10Hz振动,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,42,线加速度模拟台,物理模型：质心直线运动加速度。 物理实现： 常值：离心加速度模拟线加速度 随动：离心加速度在加速度计敏感轴上进行分解，控制分解角度。 关键技术 稳速技术：保持常值离心加速度。需进行静态和动态补偿。 角度伺服：动态环境下的角度控制,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,43,线加速度模拟台,系统组成 台体：大的旋转轴系上安装

16、多个小的旋转轴系。 能源系统：PWM功率放大器 速度伺服系统：直流力矩电机或交流力矩电机，测角测速系统 位置伺服系统：直流力矩电机、测速机、光码盘或圆感应同步器,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,44,线加速度模拟台,性能指标 稳速台：速率 量程：0.1-15g,无级调整。 静态精度：a1g, a/a5*10-4 随动台：位置 通道数：3 负载：13Kg 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 频带：6Hz（稳速台15g时，角度幅度3度，双十,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,45,目标/环境模拟器

17、,目标特性 运动特性：用相对运动（角运动）模拟 物理特性：激光、红外（点/成像）、电视、雷达、声场 环境特性 背景特性：大气、阳光、地形、天气、海洋对信号传输的影响 干扰特性：与目标物理特性对应的假目标、干扰信号,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,46,目标/环境模拟器,运动特性模拟 转台：相对运动原理。 物理特性模拟 红外点光源/干扰光源：光斑、能量可控。 激光光源：能量、光斑大小、编码可控 电视/红外成像：图形工作站、图形显示系统 可见光：正头、背投；屏幕、球面 红外转换；电阻丝、红外CRT 射频/声场：阵列式多源。无线电波/声波在空间合成。每个阵元的信号功率、作用时间可控,2

18、021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,47,目标/环境模拟器,分类（按照目标信号的馈入方式） 辐射式（反射式）：寻的制导 辐射信号的物理性质不同： 光学：机械式、平行光管式和复合扩束式 微波/毫米波/声场：阵列式 按照结构 机械式：通过机械带动辐射源作角运动。 阵列式：射频和声场。 机电混合式： 注入式（直入式）：寻的制导、指令制导 按照注入信号的频区分 中注入式、视频注入式和低频注入式 将目标特性直接注入目标探测设备,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,48,典型仿真方案,大屏幕实现可见光图像仿真方案,激光目标漫反射仿真方案,2021/3/23,飞行器工程系 单家元博士,49,典型仿真方