半实物仿真技术

1、 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9/28/20221飞行器工程系 单家元博士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。9/28/20222飞行器工程系 单家元博士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：

2、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）9/28/20223飞行器工程系 单家元博士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9/28/20224飞行器工程系 单家元博士半实物仿真系统组成仿真设备：如各种目标模拟器、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

3、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。9/28/20225飞行器工程系 单家元博士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9/28/20226飞行器工程系 单家元博士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

4、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9/28/20227飞行器工程系 单家元博士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9/28/20228飞行器工程系 单家元博士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9/28/20229飞行器工程系 单家元博士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9/28/202

5、210飞行器工程系 单家元博士三自由度航向、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9/28/202211飞行器工程系 单家元博士9/28/202212飞行器工程系 单家元博士9/28/202213飞行器工程系 单家元博士9/28/202214飞行器工程系 单家元博士9/28/202215飞行器工程系 单家元博士飞行模拟转台用途：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9/28/202216飞行器工程系 单家元博士9/28/202217飞行器工程系 单家元博士9/28/

6、202218飞行器工程系 单家元博士9/28/202219飞行器工程系 单家元博士9/28/202220飞行器工程系 单家元博士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。9/28/202221飞行器工程系 单家元博士飞行模拟转台伺服控制系统9/28/202222飞行器工程系

7、 单家元博士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。9/28/202223飞行器工程系 单家元博士飞行模拟转台性能指标项目单位内框中框外框备注最大角加速度Rad/s2454126106最大角速度Rad/s43.33.3转角范围度200150150最小平滑速度度/秒0.050.050.05位置精度度0.010.010.01速度精度1%1%1%位置系统频响Hz151290.1-1度双10速度系统频响Hz201510负载质量公斤3050负载尺寸cm200*100*150三轴不相交度Mm0.2三轴不垂直度角秒129/28/202

8、224飞行器工程系 单家元博士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9/28/202225飞行器工程系 单家元博士飞行模拟转台的组成动力系统伺服控制系统机械系统9/28/202226飞行器工程系 单家元博士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9/28/202227飞行器工程系 单家元博士动力系统直流电源可控

9、硅直流电源开关稳压电源9/28/202228飞行器工程系 单家元博士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9/28/202229飞行器工程系 单家元博士伺服控制系统控制元件运算放大器单片机DSP处理芯片80 x869/28/202230飞行器工程系 单家元博士伺服控制系统驱动

10、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 KHz9/28/202231飞行器工程系 单家元博士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9/28/202232飞行器工程系 单家元博士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9/28/202233飞行器工程系 单家元博士机械系统立式结构：Y,T敞开式结构：U封闭式结构：O9/28/202234飞行器工程系 单家元博士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

11、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9/28/202235飞行器工程系 单家元博士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9/28/202236飞行器工程系 单家元博士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

12、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9/28/202237飞行器工程系 单家元博士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）武器系统仿真导弹、制导炸弹、鱼雷、飞机9/28/202238飞行器工程系 单家元博士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

13、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。高度的动态特性：伺服系统性能要高于舵机的性能。9/28/202239飞行器工程系 单家元博士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

14、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：9/28/202240飞行器工程系 单家元博士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）9/28/202241飞行器工程系 单家元博士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

15、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。9/28/202242飞行器工程系 单家元博士线加速度模拟台系统组成台体：大的旋转轴系上安装多个小的旋转轴系。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9/28/202243飞行器工程系 单家元博士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,a1g, a/a5*10-4随动台：位置通道数：3负载：13

16、Kg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） 9/28/202244飞行器工程系 单家元博士目标/环境模拟器目标特性运动特性：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9/28/202245飞行器工程系 单家元博士目标/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

17、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。9/28/202246飞行器工程系 单家元博士目标/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9/28/20224

18、7飞行器工程系 单家元博士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9/28/202248飞行器工程系 单家元博士典型仿真方案光学耦合方案 可见光/红外图像转换器激光模拟光源9/28/202249飞行器工程系 单家元博士仿真计算机技术仿真主机：数字计算机软件支持环境：编辑、编译和实时运行接口技术：A/D,D/A,D/D,DIO,实时网络。9/28/202250飞行器工程系 单家元博士仿真计算机技术仿真主机专用机：美国：ADI公司的AD10,AD100和AD/RTS620;并行计算机公司CCC的Maxion,Power Hawk,NightHawk中国：国防科大的YH-F1,YH-F2通用机：美国：VAX小型计算机/ALPHA工作站中国：海鹰HY-F1，亚星YHSimustation9/28/20225