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文档简介
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
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