【DOC】飞行仿真实验

1、飞行仿真实验实验指导书飞行仿真模拟实验室2005年9月目 录§1实验概况-3一实验目的 -3二实验课程内容及基本要求 -3三分组实验与考核方式 -4§2仿真技术概述-5一概念和应用 -51定义 -52要素与分类 -53系统仿真的重要意义 -94发展概况 -10二理论基础 -101相似理论 -102仿真建模 -113仿真算法 -134仿真中常见的系统误差-14三硬件技术 -161仿真计算机 -162跟踪系统 -213图像生成系统 -224音频系统 -225可视化显示设备 -226触觉系统 -22四软件技术 -221仿真程序（软件） -222仿真工具软件 -233虚拟现实技术（

2、VR） -23五飞行仿真应用 -231数字仿真计算 -232半实物仿真 -233人在回路仿真 -24§3参考教材 -27§4附录：实验报告格式及说明 -27一实验报告（一）说明及格式 -24二实验报告（二）说明及格式 -27§1实验概况课程编号：05z8519 课程名称：飞行仿真实验 Experiment of Flight Simulation学分学时：1.0/4+14开课时间：春季先修课程：C语言程序设计，计算方法，自动控制原理，飞行力学一实验目的作为飞行器设计专业“飞行力学”方向的必修实验课程，本实验的目的是使学生了解飞行仿真的基本技术、工具和工作原理，培养

3、实际动手能力，初步掌握运用仿真算法进行程序设计及用模拟器进行飞行力学实验的研究方法。要求对大纲内容有较深入的掌握，并能进行上机编程和模拟器操作，撰写较为规范的实验报告，为大四的综合试验、飞机稳定与控制课程实验甚至毕业设计打下良好的实践基础。二实验课程内容及基本要求（一）仿真概述及实验介绍（4学时）1仿真技术的历史和发展概述2数字仿真原理3模拟器的组成4人机实时仿真原理5实验一内容、要求、方法介绍（二）歼八模拟器飞行体验（分组）（2学时）（三）二阶系统非实时仿真实验（4学时）1弹簧阻尼系统动态响应的非实时仿真原理及算法2自选语言编制仿真计算程序3在PC机上调试运行，打印并分析所得结果4撰写实验报

4、告一（四）飞机动态特性仿真实验（分组）（4学时）1熟悉飞行仿真实验设备及相应的仿真软件2用给定的飞机模型和数据进行实时和非实时仿真3观察仿真飞机的动态响应特性，改变不同的输入或参数，通过仿真观察动态特性的变化，打印并说明所得结果（五）人机实时仿真实验（分组预约）（4学时）1了解人机闭环实时仿真的概念和方法2驾驶员施加脉冲和阶跃指令操纵升降舵、方向舵或副翼，观察飞机的运动状态3驾驶员通过跟踪一定带宽的指令信号进行人机闭环仿真实验，体验飞机动态特性与操纵飞机完成跟踪任务的关系4撰写实验报告三分组实验与考核方式实验课程成绩由平时实验表现（占总成绩20%）和两个实验报告成绩（各占总成绩40%）综合评定

5、。§2仿真技术概述一、 概念和应用（使学生对仿真有概括的了解，认识到仿真在各领域中的发展极其重要意义）仿真是继理论分析和实验之后又一种新兴的认识世界的工具。李伯虎院士1 定义：仿真概念很广，有很多定义，如：l 国际标准化组织ISO在数据处理词汇中的名词解释为：Simulation（模拟）：即选取一个物理的或抽象的系统的某些行为特征，用另一系统来表示它们的过程。Emulation（仿真）：用另一数据处理系统，主要是用硬件来全部或部分地模仿某一数据处理系统，以至于模仿的系统能像被模仿的系统一样接受同样的数据，执行同样的程序，获得同样的结果。实际上都归于“仿真”的范畴，后来都用Simula

6、tion来表示。Analog（类似物，相似体；模拟）l 中国系统仿真学会组织编写的仿真技术一书写道：从技术应用的角度看，系统仿真技术可定义为：以相似原理、控制理论、计算机技术、信息技术及其应用领域的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用数学模型或部分实物对实际的或设想的系统进行动态实验研究的一门综合性技术。仿真是一门技术：有理论依据；面向具体应用；与软硬件技术密切相关。2 要素与分类：简单来说，更广义的定义可写为：仿真就是建立系统的模型并在模型上进行实验。A这里所指的系统是广义的。系统是指相互联系又相互作用着的对象之间的有机组合。这种比较概括的含义包含所有工程的及非工程的系统。

7、电气、机械、机电、水力、声学、热系统都属于工程系统，经济、社会、交通、管理、生物系统都属于非工程系统。图1.1所示的飞机自动驾驶系统是工程的系统。陀螺控制器、驱动控制面机体给定航向实际航向图1.1飞机自动驾驶系统图1.2所示的工厂生产系统是非工程的系统。管理部门采购部门制造部门装配部门销售部门用户订单原材料产品图1.2工厂系统除了工程和非工程外，系统还有另一种常见的分类，即连续系统和离散系统。某些系统的状态变化主要表现为连续平滑的运动，例如前述的飞机自动驾驶系统，它对外力作用下的响应是连续平滑的运动。这类系统称之为连续系统。另一类系统，它的状态变化表现为不连续的和离散的，如前述的工厂系统，它的

8、原材料供应和产品完成，都发生在离散的时间点上（又如排队系统），这样的系统称之为离散系统。由此，按被研究系统的特征可将仿真分为：l 工程系统仿真和非工程系统仿真l 连续系统仿真和离散事件系统仿真B模型是系统本质方面的表达，它以各种可用的形式（数学或物理的）提供被研究系统的信息，它具有与系统相似的数学描述或物理属性。例如，建立在数学描述相似基础上的模型：一个由质量、弹簧阻尼器组成的机械系统和一个由电阻、电感和电容组成的电系统，他们具有相似的数学描述并在参数上一一对应，他们的活动都具有振荡的特性。如图1.3所示。M(a) (b)图1.3机械系统和电系统描述因此，系统可以认为是系统的一种模型。在电路上

9、进行试验，若比例尺选择适当，其过程可以用来研究机械系统的特性和品质。这称为相似仿真。由于模型的类型不同，仿真方法也不同。模型分类的一种方法如下（见图1.4）。模型物理模型数学模型静态模型动态模型物理仿真数学仿真（仿真模型运行）图1.4模型分类物理模型与系统之间具有相似的物理属性，它常常是一种专用仿真器。静态的物理模型最常见的是比例模型，如用于风洞实验中的飞机比例模型，实验水槽中的船体比例模型。动态物理模型如飞行器姿态运动仿真的六自由度飞行运动仿真器。在物理模型上进行实验称之为物理仿真。数学模型是对被研究系统的数学描述。对于简单的数学模型研究，可以采用解析的方法，对于复杂的数学模型，则采用仿真的

10、方法进行研究，即在计算机上构成计算机模型（仿真模型）进行实验。在计算机上进行仿真实验称之为数学仿真。计算机仿真过程的流程如图1.5所示。系统系统模型建立仿真模型建立仿真程序设计仿真实验数据分析、处理满足要求否?程序问题仿真模型问题停止是是是否否否图1.5计算机仿真过程流程图数学仿真即计算机仿真的三个基本的活动是：模型建立、仿真模型建立、仿真实验（运行）。模型建立反映了系统和模型间的关系。它的主要任务是通过对系统的观测，分析，辨识一个实际系统以建立系统的模型。在模型建立过程中，由于对次要因素的影响和某些不可观测变量的忽略，因而实际模型常常是一个被简化了的模型。仿真模型的建立反映了系统模型（简化模

11、型）和计算机间的关系。它的主要任务是要设计一种算法，以便使系统模型能为计算机接受并能在计算机上运行。显然，由于存在着误差，仿真模型对于实际系统将是一个二次简化模型。仿真实验是对模型的运转。对于模型运转需要设计一个合理的、方便的服务于系统研究的实验程序和软件。系统仿真技术实质上就是建立仿真模型并进行仿真实验的技术。在某些系统研究中，还把计算机仿真模型和物理仿真模型以及实物联合在一起运转，称之为数学物理仿真或半物理（半实物）仿真。其中又可分为：l 硬件在回路仿真l 软件在回路仿真l 人在回路仿真（解决问题的方法一般有：实际去做；物理模型（如缩比）；数学抽象（解析解/仿真计算）；综合）C实验：即仿真

12、的过程和实现。按照仿真实验中模型运转的时间与被仿真时间（被仿真系统即原系统的自然时间）的尺度之间的比例关系（即设仿真模型动态过程的响应时间为；原系统动态过程的响应时间为），仿真可分为：D其它分类：l 按体系结构分：单平台仿真，多平台分布交互式仿真；l 按功能用途分：训练仿真，工程仿真；l 按数学描述分：定量仿真，定性仿真。3 系统仿真的重要意义：(1) 优化设计：现代大型系统的规模和复杂性，要求在建立系统之前能够预测系统的性能和参数，以便使所设计的系统达到最优指标。(2) 经济性：对于一个大型的系统，直接实验成本十分昂贵。以空间工业为例，单次飞行的成本约为1万1亿美元，采用仿真实验的方法仅需成

13、本的1/51/10，而且设备可以重复使用。(3) 安全性：对于某些系统，如载人宇宙飞行器，核电站控制等，直接实验往往是危险的和不允许的。(4) 预测：对于经济、社会、生物等非工程系统、直接实验几乎是不可能的。仿真则可以用于预测系统的特性和外作用的影响，从而研究控制的策略。系统仿真已被广泛应用于许多领域，如：核能工业、汽车和铁路运输工业、化学工业、钢铁工业、电子工业、电力工业、通讯系统、航空及船舶工业、工业自动化、空间工业、机械工业、建筑和城市工程、医学领域、工业管理、经济系统、社会系统、生物系统、环境系统。系统仿真在工程系统中的应用效果是明显的。在空间工业，几乎毫无例外地把系统仿真作为系统分析

14、、设计、检验及操作训练的重要手段。在阿波罗登月计划中曾成功地应用了系统仿真手段，为系统的可靠实现提供了重要保证。仿真实验和工程几乎是同时进行的，共进行了五年多，仿真系统包括混合计算机、运动仿真器、月球仿真器、驾驶舱、视景系统等许多设施。在航空领域，仿真技术早已成为四大航空实验手段之一：风洞试验，结构试验，飞行仿真试验，和发动机台架试验。在非工程的应用方面，用于经济管理和商业对策方面的公司模型近几年在国外有很大发展，例如对于产品生产和销售的研究等。4 发展概况仿真的研究与应用已有很长的历史，早期的仿真主要是物理仿真，如用于建筑、船舶、飞机等设计中的比例仿真。现代仿真技术则是与计算机的发展密切相关

15、的。l 四十年代末，研制成功第一台专用模拟计算机，并首先用于导弹的控制与制导系统的仿真，五十年代计算机仿真的主要工具是模拟计算机，被称为模拟仿真时期。l 六十年代发展了混合计算机仿真系统（简单的数字逻辑计算机与模拟计算机的混合）及数字仿真语言，称为混合仿真时期。l 七十年代以后，随着数字计算机的迅猛发展，数值积分算法和数字计算语言等的完善，系统仿真全面进入了数字仿真时期。基于并行处理原理全数字仿真系统已经广泛应用于各个领域，对于建立统一的仿真方法学（算法、语言、界面等等）的研究已引起了学术界的重视。MATLAB就是控制系统仿真的一个成功例子。l 九十年代以来，随着计算机网络的普及和成熟，仿真研

16、究又从早期的单输入单输出系统到多输入多输出系统，直到大型分布式网络环境下的系统综合仿真。具有代表性的是美国国防高级研究计划局（DARPA）在八十年代末发展的分布交互仿真（DIS）系统和1995年提出的高层体系结构（HLA）。l 目前，建模/仿真技术正向“数字化、虚拟化、网络化、智能化、集成化、协同化”为特征的现代化方向发展。二、 理论基础：1 相似理论：是人们认识世界的基础和依据。相似是普遍的、绝对的，而相同则是特殊的、相对的。若表征一个系统中某现象的全部参量的值，可以由另一系统中对应参量乘以不变的乘数得到，则两个现象为相似现象。其中“不变的乘数”无论在空间、时间上都应是不变的，称之为相似常数

17、。当所有相似常数都为1时，即为相同。另，所谓参量值，可以是数值、逻辑值、随机量值或模糊量值，取决于描述对象所用的数学工具是数学、逻辑代数、概率论，或是模糊数学。我们常见的相似有：几何相似、模拟、离散化、等效等等。2 仿真建模：模型型谱： 灰箱 白箱 黑箱 动力学 过程控制 大气 生物 经济 集中参数 分布参数 常微分方程 偏微分方程 常微分近似 差分方程白箱：对运行机理有较深入的了解，可以通过演绎的方法来建立数学模型；黑箱：不了解内部机理，主要是通过系统辨识或数据收集和统计归纳的方法来建立数学模型（等效）。A系统的数学模型一般描述l 线性连续系统u为输入，y为输出。（下同）高阶微分方程形式：初

18、始条件（初值）：状态空间描述，一阶微分方程组：传递函数形式： l 非线性连续系统：微分方程形式： 初值：同上。状态空间描述：l 线性离散系统高阶差分方程：k=0时的初值：状态方程组：传递函数： l 非线性离散系统：微分方程形式： 初值：同上。状态空间描述： 初值：B建模方法l 机理建模如前面几类系统的数学描述形式l 辨识建模对于类似黑箱的系统，一般通过系统的输入输出数据辨识建立数学模型，分结构辨识和参数辨识两类，如驾驶员的模型建立。常用的方法有最小二乘法、极大似然法等。l 模糊及神经网络建模属于辨识的范畴。模糊推理建立模糊关系模型神经网络是由非线性处理单元连接而成的网络，具有学习能力，通过学习

19、与辨识确定其结构及节点权值。3 仿真算法：A 各种插值、拟合算法l Lagrangel Newtonl Hermitel 多项式l 样条插值l 函数拟合等B 代数算法与矩阵理论l 简单迭代法l Newtonl Jacobil Gauss消去法l LU分解法l 正交变换等等C 数值积分法针对常微分方程的初值问题l 欧拉法：速度高，精度差，可实时使用对于有：l 改进的欧拉法：l 四阶龙格库塔法：精度高，计算量较大，不能实时 其中：l 三阶实时龙格库塔法：可实时使用 其中：l 其它积分算法：预报校正法Adams法吉尔Gear法（刚性问题）偏微分方程解法等等4 仿真中常见的系统误差：一般来说，采用数值

20、积分方法的半实物仿真误差源较多。A采样再现误差模拟信号的采样和再现在混合仿真中是必不可少的。在典型的系统中，模拟信号被跟踪保持器并行地采样，然后经过扫描、模/数转换、串行地送至数字计算机处理。由数字计算机输出的数据再现为模拟信号，则是通过具有双缓冲寄存器的数/模转换器并行地修正后送回模拟处理机的。分析采样和再现误差的影响，则采样频率至少要求高于模拟信号高次谐波分量频率的两倍，否则对于信号的再现，即使在理想情况下，也无法分辨处高次谐波中的频率分量。一个更为实际可行的方法是考虑瞬间误差。设输入是一个正弦信号，从下面的零阶保持和一阶保持图可以看到误差的影响：图2.2零阶保持图和一阶保持图B时间延迟误

21、差在实时仿真中，时间延迟是一个影响比较严重的误差，它主要是由于模/数转换和数字计算时间所引入的。数字计算机是串行操作的，计算时间直接与运算程序的复杂程度有关，模拟计算机则相反，它所有的运算都是并行完成的，因而计算时间与计算的复杂性无关。在混合仿真中，一个模拟变量或一组模拟变量的集合经过采样转换为数字码，然后被数字计算机处理，其结果经过转换再现为模拟量的形式，并行地输入到模拟处理机。在零阶保持的情况下，输入到模拟处理机的信号具有阶梯函数的形式。上述过程将引入时间上的迟后。C量化误差量化误差是由于数值的有限位引起的。显然，这个误差为转换最小位的。举例来说，对于一个10位的模/数转换器，相应有102

22、4个量化级，读出的不精确性约是0.05%。D截断误差基于泰勒展开近似公式基础的数值计算法，都存在截断误差。下面给出的泰勒展开式：从中可以看出，欧拉近似公式是泰勒展开式的第一、二项，因此近似公式引入的误差为：这个误差称之为截断误差。截断误差阶次越高，则解越精确。下面比较前述几种方法的截断误差： 欧拉法 梯形及预报校正法 三阶龙格库塔法 四阶龙格库塔法 阿达姆斯法因此从截断误差的角度看，欧拉法精度最低，四阶龙格库塔法和阿达姆斯法精度最高。E舍入误差采用数值计算方法，由于有限位数的限制，总存在舍入误差。如圆周率表示、大小数相加、浮点运算中float型和double型变量之间的转换等，每进行一次转换都

23、会产生一定的误差，损失一定的精度。从截断误差观点看，数值积分的步长取的越小误差就越小，但是必须看到，由于步长的减少将导致步数的增长，舍入误差积累就会增加。两者要求相反，因此要兼顾解决。三、 硬件技术：1 仿真计算机：A模拟计算机(1) 原理模拟计算机由一些基本模拟运算部件组成，见图2.1，它们的输入和输出是连续变化的电压，在输入和输出之间完成一定的运算关系。k图3.1基本模拟运算部件模拟计算机是并行运算的，具有很高的运算速度，但精度不高。由于它可以实现传递函数为的积分运算，因此可以方便地求解微分方程，所以也被称为模型微分分析器。以自控原理中的二阶系统为例。系统数学模型为完整的相似模型框图如下所

24、示：1图3.2模拟仿真框图(2) 特点速度高、精度低。由于半导体组件的零点漂移，电压偏移，对不同频率的相位偏移，以及输电线的干扰造成较大误差。目前，模拟计算机仿真基本上已被淘汰。B混合计算机(1) 背景：由于采用固态组件和集成电路，现代模拟计算机运算部件具有很高的运算速度，并且信号频率在10千赫内的运算精度可达0.1%。具有高速重复运算功能的模拟计算机正是在这一基础上出现的。这种模拟计算机的使用者，不仅可以在示波器上直接观测高速重复解，而且可以在改变参数时直接观测和比较解的变化过程，这实际上是一种“超实时”的运算，重复运算周期可达（10010000）次/秒。虽然重复计算功能为使用者提供了不少方

25、便，但它仍需人工去改变参数，以获得最佳解。为了能够自动地改变参数，现代模拟计算机不仅具有高速度重复运算的功能，而且由于采用了数控技术和模拟存储技术，因而具有迭代运算能力。迭代运算最基本的含义是：每一次模拟运算循环（设置运算）都可以利用前一次模拟运算的结果，这些运算结果被存储在模拟存储器中。模拟存储、时序操作、逻辑判断及控制，是迭代运算的基础。现代模拟计算机由于具有高度重复及迭代运算能力，因此，它不仅广泛应用于系统仿真，而且还被应用于参数寻优、随机问题研究、统计计算以及求解偏微分方程等方面。由于引入了数字控制和时序操作，故又称为混合模拟计算机。模拟与数字逻辑接口：A/D，D/A，DI/O(2)

26、特点及误差分析混合计算机仿真是建立在发挥数字计算机和模拟计算机两者长处的基础上的仿真计算机，即数字计算机的高精度、存储能力及逻辑功能和模拟计算机的高速处理能力。每个单元由于误差源的存在使实际的输入及输出关系偏离理想的传递特性，误差源中有一些属于随机噪声的性质，是难以预测的。另一些是系统误差，可以采用补偿的方法来降低误差的影响，由于两类误差都影响系统的品质，因而必须小心的加以控制。C数字计算机(1) 原理：数字仿真的工具是数字计算机和仿真软件。由于数字计算机执行的基本操作是算数运算、存储和逻辑操作，而且机器变量表现为离散的形式，所有连续的数学运算必须转换为离散的形式方能输入计算机，因此数字仿真模

27、型建立与模拟仿真模型的建立不同，它不是建立在数学模型相似的基础上，而是建立在数值计算的基础上，对于任何一个连续系统模型，当要进行数字仿真时，都必须首先选择一个近似的数值计算公式（仿真算法），对系统模型进行离散化，方能建立起仿真模型。在连续动态系统仿真中，系统模型的数学描述最基本的形式仍然是微分方程。因此对于微分方程的数值计算方法，包括它的误差及稳定性等问题进行了许多的研究。在数字计算机上进行微分方程求解，是假设系统模型被表征为一阶微分方程组或状态方程的形式：对于上述微分方程的数值积分，即仿真模型的运行，是对于离散方程的求解，这里是系统第个状态变量在时的值。数值仿真算法有很多种，常见的有欧拉法、

28、龙格库塔法、阿达姆斯法等，这些算法的详细情况可以参考有关书籍，在此不作说明。数字计算机的特点是精度高，可准确复现，调整设置灵活，但是速度相对较慢。本实验以PC机为主，PC机原理图为：主板扩展板槽卡硬驱软驱光驱等显示器打印机键盘鼠标CPU内存图2.4PC机原理简单框图中断概念：（为实时和并行提供良好的机制）中央处理机与界面之间的联系有两种方式，即中央处理机利用I/O指令对界面进行控制；或界面通过中断系统向中央处理机发出中断请求，待中断响应后按中断管理程序操作。当一个部件请求转入外部插入程序时，它便发出一个请求中断信号，如果这个中断请求被响应，那么计算机便将指令计算器及中央处理机寄存器中的内容转至

29、存储器或附加寄存器中。同时开始一个新的指令顺序。这一外部插入程序从一个专门的存储地址开始，这个地址则由中断系统来确定。在外部插入程序完成之后，计算机自动转至主程序。如果有几个中断请求同时出现，则必须按照优先的程序进行选择。(2) 并行处理概念l 背景：“并行处理”这个词，最早见于文献是在1960年。根据并行处理原理，设计、研制成功的第一台计算机是ILLIC-IV计算机（1967年）。到目前为止，已有相当数量的并行计算机系统在大学和研究单位运转，其中有一部分已是产品。今天，统称为“并行处理”的这一类计算机，由于在体系结构上种类繁多，以致要给出一个统一的定义是困难的。然而毋庸置疑的是并行处理在今天

30、，已不仅仅是一种理论上的探讨，它已进入到设计和应用的阶段。与经典的通用计算机相比较，它具有完全不同的体系结构和十分巨大的处理能力。并行处理的发展是与一些重要的科学技术领域密切相关的。这些领域包括：气象预报、核能技术、社会、经济系统预测、线性规划、结构设计、系统仿真等。计算机在仿真（模型建立和模型实验）中的应用已有相当长的历史，它首先用于航空及空间工业，其它得到成功应用的领域还包括，核能工业、化工、电力、电子等工业。近年来，系统仿真技术在非工程领域中也得到了发展。在五十年代，用于仿真的主要是模拟计算机，六十年代发展成数/模连用的混合计算机。今天，由于通用数字计算机所具有的低价格、高可靠性、程序设

31、计简易等优点，数字仿真技术越来越受到重视。遗憾的是，由于现代系统仿真模型复杂性的增长，以及某些系统研究中实时仿真的要求，尚有许多系统，采用目前的通用数字计算机仿真仍然是困难的或不经济的。对于工程或非工程大系统最优化问题的研究，仿真模型运行对计算机操作次数的要求可能大于次/秒，一个三自由度空间飞行器的实时仿真，模型的响应速度对计算机速度的要求可能大于操作/秒。近二十年来，尽管由于硬件工艺的改进，通用计算机处理速度的增长是十分惊人的（平均每五年提高一个数量级），但是，必须看到，对于一个串行（时序）体系结构的计算机，其速度最终将受到信号传输和器件时间延迟的限制。根据不变性原理，任意两点之间的信号传输

32、速度不可能超过光速。若一个信号在执行一次操作时最短距离为一米，那么机器的最大反应速度将小于操作/秒。因此，为了从本质上提高计算机的处理速度，必须考虑新的体系结构，这就是并行处理。l 分类并行处理的体系结构如果从资源的开发上来划分可以划分为空间并行处理和时间并行处理两大类。空间并行处理还可分为阵列处理和功能并行处理两类。时间并行处理主要指的是流水线处理。如果进一步从指令流和数据流的关系上来具体考虑这种分类则可以认为：阵列处理计算机属于单指令多数据流系统，这种系统是多个相同的处理单元在单一的指令作用下同步操作，并行地处理多个数据流（同步只的是在同一瞬间发生）。例如矩阵加法运算。功能并行处理计算机属

33、于多指令多数据流系统，这种系统中的多个功能处理机或功能部件在多个指令的作用下“并发”地处理多个数据流（并发指的是在同一时间内重叠地发生）。如协处理器。流水线处理计算机是一种多指令单数据流系统，这种系统中的一个单一的处理机在对多个指令的并发作用下处理一个单一的数据流。如装配车间。l 时序分析：（延时）最后我们具体地看一下实时数字仿真的时间顺序，也就是它的时序分析图。如果是单个CPU串行地进行仿真，那么很简单，每步的计算时间将是如下的情况：图2.5单CPU串行的时序图一般大型模拟器通常采用多个CPU并行处理。考虑两台机器并行处理的情况，假设一台机器只进行实时数据采样和数学模型解算，而另一台则根据数

34、值计算的结果进行图形的变换和输出。两机之间的信息传输时间忽略不计。那么时序图如下所示：图2.6双CPU并行的时序图从图中可看出其积分步长取决于花费时间多的那台机器的重复周期。2 跟踪系统：跟踪头部、手部及其它相关物体的运动状态。l 磁性设备：flock of birdl 声学设备：超声波脉冲，计算传输时间l 惯性设备：加速度计、角速率陀螺，有漂移和累积误差l 机械设备：如吊杆式l 光学设备：激光、红外光，光电二极管。精度可达2mm，0.2度。l GPS/DGPS。3 图像生成系统：l 主要通过3D硬件加速提高性能：针对SGI的工业标准开放图形库OpenGL和微软的DirectX进行加速。NVI

35、DIA GeForce系列l 常见指标：分辨率，颜色数（32位色），刷新频率，帧频率像素填充率，三角形（多边形）生成速度等4 音频系统：l 语音识别技术l 环绕立体声输出5 可视化显示设备：l CRTl 液晶l 立体视景设备：头盔显示器，立体视屏（偏振光、液晶），立体眼镜，立体显示器等6 运动与触觉系统：l 3-5轴转台l 3-6自由度运动系统l 触摸屏（电阻膜，红外线）l 力反馈操纵杆l 数据手套等四、 软件技术：1 仿真程序（软件）：用于某些特定问题的仿真，一般是自行开发。常用的编程语言有FORTRAN，C，C+，Lisp，Ada等，主要完成仿真算法、数据库和人机界面的设计。如近几年美国和

36、加拿大的飞行仿真软件FltMaster、FltSim、HeliSim等。2 仿真工具软件：l 连续：ACSL, DSL, CSSL基于方程和框图l 离散：GPSS, SLAM, GASPl 分布式：DIS, HLA, VR-Linkl 面向对象：l 智能化：l 定性仿真等MATLAB是目前应用最广的控制系统仿真软件。3 虚拟现实技术：VRl 语音识别、合成l 手势识别l 三维视景：建模软件MultiGen Creator，场景驱动Vega五、 飞行仿真应用：1 数字仿真计算：MATLAB SimuLink；自己编写程序循环积分求解等。飞行器的动态特性分析，飞行控制律设计等。2 半实物仿真：铁鸟

37、台如飞行控制器仿真系统。主要用于对飞行控制、导航、制导系统进行分析研究，包括控制规律、制导规律和导航方式的确定，参数的选择，系统匹配等，同时对飞行器的动态特性、飞行品质、制导和导航精度等进行分析评估。如图5.1。图5.1 飞行控制半实物仿真系统框图3 人在回路仿真（飞行模拟器）：l 人机闭环系统简介(1) 背景：人机系统顾名思义就是由人和机器组成的系统。随着20世纪科学技术的迅猛发展，出现了各式各类的机器和工具，例如，各类机床、运输工具、自动控制装置、自行火炮，以及计算机等等。人们对机器和工具的功能要求越高，则反过来也对使用这些机器和工具的人的本身不断提出新的要求。人们对于机器的高速、高精度、

38、越来越复杂的动力学特性，以及机器和人或再加上其它系统之间的配合和相互作用等等因素的考虑，要求操作人员具备可重复的、可预示的以及按需要进行实时操作的能力。设计这类机器和工具，使其在整个使用过程中，对操作人员的能力要求不太过分，便成了工程设计中必须考虑的问题。也只有在对某些明确的任务中（例如飞行员驾驶飞机），人们如何运行和控制机器的行为有了充分的了解之后，才有可能处理这类问题。过去，很多工程问题中对人如何运行机器的行为，常常是凭一般常识和用试凑的办法来解决的。结果有的机器设计出来后不太好使用，只好让操作者尽可能去适应设计不足之处。虽然多数情况下通过一段适应过程，操作者能使用这类机器，但是付出的代价

39、是费力、机器性能差，条件不利时还容易出差错。因此，实践提出了有必要从设计开始就考虑操作者特性的要求。(2) 驾驶员飞机系统随航空技术的发展，现代飞机的动力学特性愈趋复杂，对驾驶员的操作要求也越来越高。现代飞机的飞行品质不仅取决于飞机本体的动力学特性和驾驶员操纵动力学特性，还取决于驾驶员与飞机组合系统的闭环动态特性。人工控制形式五花八门。就飞行员驾驶飞机来说，可以有单通道控制。例如，单个使用油门、升降舵、副翼、方向舵或其它操纵装置；也可以有多通道控制，例如，同时使用几个信道，或几个信道兼有交连作用（如为保持协调操纵的副翼方向舵交连）。从输入输出关系来分，可以分为：单输入单输出，例如，油门控制其最

40、终效果是改变航迹倾角；单输入多数出，例如，升降舵控制最终效果是因迎角改变引起飞行速度和航迹倾角的变化；多输入单输出，例如，副翼、方向舵协调操纵实现绕飞行速度矢的滚转角速度控制；多输入多数出，例如，油门及升降舵协调操纵改变飞机的迎角、飞行速度以及航迹倾角等等。此外，还有连续控制和离散控制之分。不过从人工控制任务的性质来分，则大体归纳成：补偿、追踪、预映和预识控制。这种区分，涉及到输入的显示形式。实验中用到的是补偿控制。下图为执行补偿控制的人机闭环系统框图：图5.2人机闭环系统框图图中表示飞行员传递函数。为飞机传递函数。为闭环系统的实际输出，为简单计只考虑单个输出。是飞行员的控制输出，也是激发闭环

41、系统单输出的输入。是要求的闭环系统理想输出，图中作为指令和参考输入形式给出。由于采用单输出的负反馈，因此，提供给飞行员的输入是，即误差信号。飞行员的控制任务就是要消除误差。4 典型的飞行动力学仿真框图飞行器动态特性的仿真，关键在于飞行动力学的建模和解算方面，对于半实物包括人在环的飞行仿真，更要求解算的实时性和精确性，而且仿真可灵活配置，代码模块化高、可重用性强，易于扩充和维护。气动数据运动方程模块气动力（力矩）气动系数模块质量特性发动机系统液压系统操纵系统燃油系统舵偏角襟翼、起落架位置、标志推力载油重量、重心重量、重心惯量飞机运动参数仪表系统视景系统运动系统发动机系统无线电系统操纵系统运动参数

42、位置和姿态飞行参数驾驶员加入驾驶员形成闭环（起落架系统本次实验不予考虑，所以未画出）大气干扰图5.3典型飞行模拟器原理框图（见ppt） 坐标变换 坐标变换 坐标变换计算加速度和速度线运动方程大气干扰计算气动力和力矩系数(稳定轴)气动系数(机体轴)起落架力推力起落架力矩推力力矩计算角加速度和角速度角运动方程(机体轴)欧拉角(稳定轴)（蓝色字体部分在本次实验中暂不考虑）图5.4典型飞机动力学求解关系（见ppt）§3参考教材系统仿真方面：1 彭晓源主编。“系统仿真技术”。北京航空航天大学出版社，2006年12月2 吴重光主编，中国系统仿真学会组织编写。“仿真技术”。化学工业出版社，2000

43、年3 熊光楞，彭毅等编着。“先进仿真技术与仿真环境”。国防工业出版社，1997计算机仿真方面：4 何江华。“计算机仿真导论”。科学出版社，20015 吴家铸等。“视景仿真技术及应用”。西安电子科技大学出版社，20016 王正中等编着。“现代计算机仿真技术及其应用”。国防工业出版社，1991控制仿真方面：7 薛定宇，陈阳泉着。“基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用”。清华大学出版社，20028 姜玉宪等。“控制系统仿真”。北京航空航天大学出版社，1998飞行仿真方面：9 王行仁主编。“飞行实时仿真系统及技术”。北京航空航天大学出版社，1998§4附录：实验报告说明及格

44、式一实验报告（一）说明及格式二实验报告（二）说明及格式 航空科学与工程学院飞行仿真实验 实验报告（一）学生姓名： 学 号：专业方向： 飞行力学与控制 指导教师： 王维军200 年 月 日实验一 简单二阶系统仿真实验实验所属课程名称:飞行仿真（ Flight Simulation ） 一. 实验目的了解仿真技术的主要内容，通过简单的入门训练，让学生动手建模和解算，初步了解仿真的主要过程，以形成计算机仿真的初步感性认识。二实验内容及步骤1了解仿真技术概述和相关文献，建立简单的弹簧阻尼二阶系统数学模型；2分别采用欧拉法和龙格库塔法建立给定系统的计算机离散仿真解算模型；3使用C/C+语言编写非实时仿真计算程序，包括上面两种数值积分算法（欧拉法和龙格库塔法）在两种标准输入下（脉冲和阶跃）的仿真运算，调试并运行程序；4合理选取数值积分的步长，选用熟悉的曲线绘图工具打印上面四种时间响应仿真计算结果，分析比较两种算法的特点；5根据响应的结果，通过作图法求解出所选二阶系统动态特性的参数（周期、半衰期、超调量、调节时间等）。6修改物理系统参数重新进行仿真解算，观察系统