半實物仿真技術(shù)

1、2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,1,8 半實物仿真技術(shù),半實物仿真概述物理模擬設(shè)備與技術(shù)仿真計算機技術(shù),2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,2,半實物仿真概述,概念:(Hardware-in-the-loop)硬件在回路仿真：仿真系統(tǒng)中有實物參加。優(yōu)點：可使無法準確建立模型的部件直接進入仿真回路；通過模型與實物之間的切換，進一步校驗?zāi)Ｐ?；驗證實物部件對系統(tǒng)性能的影響。實質(zhì)：為物理部件創(chuàng)造一個模擬實際環(huán)境

2、的仿真環(huán)境，用物理部件實物進行仿真的技術(shù)。,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,3,半實物仿真概述,半實物仿真技術(shù)：環(huán)境模型建立技術(shù)：實際上指各種物理環(huán)境的建模技術(shù)：包括聲、壓場，電磁場，光學(xué)，空間運動學(xué)和動力學(xué)等。物理模型建立技術(shù)：運動環(huán)境：飛行模擬器（轉(zhuǎn)臺、平臺）視覺環(huán)境：視景系統(tǒng)聽覺環(huán)境：聲場模擬器（魚雷）力環(huán)境：負載模擬器（舵、發(fā)動機）光學(xué)環(huán)境：激光、紅外、電視目標模擬器電磁環(huán)境：射頻目標模擬器（雷達導(dǎo)引

3、頭、雷達）壓力環(huán)境：大氣壓（高度計）、水壓（深度計）、壓力（地雷）,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,4,半實物仿真概述,半實物仿真系統(tǒng)半實物仿真系統(tǒng)的組成半實物仿真系統(tǒng)中的模型半實物仿真系統(tǒng)中的相似原則和相似方法,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,5,半實物仿真系統(tǒng),組成仿真設(shè)備：如各種目標模擬器、仿真計算機、飛行模擬轉(zhuǎn)臺、線加速度模器、負載力矩模擬器、衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器等等。參試設(shè)備：如制導(dǎo)控制計

4、算機、陀螺儀、組合導(dǎo)航系統(tǒng)、舵機等。各種接口設(shè)備：模擬量接口、數(shù)字量接口、實時數(shù)字通訊系統(tǒng)等。試驗控制臺：監(jiān)視控制試驗狀態(tài)進程的裝置。包括試驗設(shè)備、試件狀態(tài)信號監(jiān)視系統(tǒng)、設(shè)備試件轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)、仿真試驗進程控制等。支持服務(wù)系統(tǒng)：如顯示、記錄、文檔處理等事后處理應(yīng)用軟件。,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,6,半實物仿真系統(tǒng),半實物仿真系統(tǒng)中的模型對象模型與環(huán)境模型 ：包括環(huán)境效應(yīng)模型物理模型與數(shù)學(xué)模型盡量多的物理模

5、型不可實現(xiàn)的數(shù)學(xué)模型,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,7,半實物仿真系統(tǒng),相似原理與相似方法相似原理：幾何相似、感覺信息相似、數(shù)學(xué)相似、邏輯相似相似方法模式相似、模糊相似、組合相似、坐標變換相似實現(xiàn)方法時間與邏輯相似 幾何相似：空間幾何關(guān)系相似（六個自由度）環(huán)境相似：力學(xué)、光學(xué)、電磁,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,8,物理模擬設(shè)備與技術(shù),飛行模擬器舵負載模擬器線加速度模擬器目標/環(huán)境

6、模擬器紅外激光雷達電視聲場,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,9,飛行模擬器,飛行模擬器分類飛行模擬轉(zhuǎn)臺的工作原理飛行模擬轉(zhuǎn)臺的技術(shù)指標飛行模擬轉(zhuǎn)臺的組成分析模擬轉(zhuǎn)臺的計算機控制,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,10,飛行模擬器分類,飛行模擬平臺：功能：模擬飛行器姿態(tài)和過載用途：飛行訓(xùn)練模擬器飛行模擬轉(zhuǎn)臺：功能：模擬飛行器姿態(tài)用途：慣性器件、導(dǎo)引頭等制導(dǎo)控制部件的測試與仿真,2024

7、/3/21,飛行器工程系 單家元博士,11,三自由度航向、姿態(tài)和傾斜六自由度航向、姿態(tài)和傾斜及三個方向的過載（線加速度）,飛行模擬平臺,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,12,,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,13,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,14,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,15,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,16,飛行模擬轉(zhuǎn)臺,用途：仿真轉(zhuǎn)臺、測試轉(zhuǎn)

8、臺結(jié)構(gòu)形式：O,U,Y,T驅(qū)動形式：液壓、電動控制方式：模擬、數(shù)字軸數(shù)：單軸、雙軸、三軸、四軸、五軸性質(zhì)：位置、速率,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,17,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,18,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,19,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,20,,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,21,飛行模擬轉(zhuǎn)臺的工作原理,基本構(gòu)成：動力系統(tǒng)、伺服控

9、制系統(tǒng)、機械系統(tǒng)工作原理：在動力系統(tǒng)支持下，伺服控制系統(tǒng)控制機械系統(tǒng)作角度轉(zhuǎn)動，為安裝在機械系統(tǒng)上的慣性測量部件提供姿態(tài)運動環(huán)境。伺服控制系統(tǒng)：保證轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)一定性能指標的控制系統(tǒng)：一般由測速機構(gòu)成速度內(nèi)環(huán)，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，由測角元件構(gòu)成位置外環(huán)進行位置控制，同時對位置輸入進行微分，實現(xiàn)復(fù)合前饋控制，提高系統(tǒng)響應(yīng)。,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,22,飛行模擬轉(zhuǎn)臺伺服控制系統(tǒng),2024/3/21,飛行器工程系 單

10、家元博士,23,飛行模擬轉(zhuǎn)臺的技術(shù)指標,性能指標：約束轉(zhuǎn)臺角運動靜態(tài)和動態(tài)性能的技術(shù)參數(shù)。功能要求：規(guī)范轉(zhuǎn)臺在使用、維護方面的功能。,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,24,飛行模擬轉(zhuǎn)臺性能指標,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,25,飛行模擬轉(zhuǎn)臺功能要求,可使用性：機械電氣接口、按鈕和指示、視場、零位、初值與歸零、屏蔽與干擾?？煽啃裕簷C械和電氣越位開關(guān)、操作互鎖、手動和自動斷電保護可維修性：電路及控制

11、軟件模塊化、驅(qū)動元件和測量元件可檢測可視性：臺體外觀、控制柜外觀、軟件外觀功能擴展：測試信號、數(shù)據(jù)記錄、曲線顯示,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,26,飛行模擬轉(zhuǎn)臺的組成,動力系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)機械系統(tǒng),2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,27,動力系統(tǒng),液壓能源三相電機－油泵分油器、過濾器、溢流閥冷卻系統(tǒng)－水箱，水泵遠程控制系統(tǒng)－調(diào)壓閥,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,28,動力系統(tǒng)

12、,直流電源可控硅直流電源開關(guān)穩(wěn)壓電源,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,29,伺服控制系統(tǒng),控制元件：執(zhí)行控制算法，產(chǎn)生控制信號（電壓）運算放大器；微處理器（單片機,DSP, 80X86）驅(qū)動元件：對控制電壓信號進行變換，為執(zhí)行機構(gòu)提供驅(qū)動信號功率放大器（直流功放，PWM功放）；液壓放大器（伺服閥）執(zhí)行元件：在動力系統(tǒng)支持下，響應(yīng)驅(qū)動信號，產(chǎn)生機械運動直流電機；液壓馬達（液壓缸）測量元件：反饋元件。將物理量變

13、成電信號及信號處理。測速，測角,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,30,伺服控制系統(tǒng),控制元件運算放大器單片機DSP處理芯片80x86,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,31,伺服控制系統(tǒng),驅(qū)動元件直流功率放大器＋伺服閥PWM功率放大器功率開關(guān)元件：1GBT電流閉環(huán)PID控制：100A輸出電壓：150V開關(guān)頻率：1－20 KHz,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,32,伺服控制系

14、統(tǒng),執(zhí)行元件液壓馬達－低速大扭轉(zhuǎn)徑向柱塞馬達直流力矩電機－稀土電磁力矩,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,33,伺服控制系統(tǒng),測量元件速度：測速機位置：電位計：光碼盤：編碼器園感應(yīng)同步器：旋轉(zhuǎn)變壓器,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,34,機械系統(tǒng),立式結(jié)構(gòu)：Y,T敞開式結(jié)構(gòu)：U封閉式結(jié)構(gòu)：O,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,35,計算機控制系統(tǒng),特點：通過測角系統(tǒng)與控制器的數(shù)字化

15、，實現(xiàn)高精度的跟蹤控制結(jié)構(gòu)形式：采用不同處理器、實現(xiàn)不同功能要求，而形成的控制器的不同物理構(gòu)成控制算法：實現(xiàn)高精度、動態(tài)跟蹤而采用的各種古典和現(xiàn)代用數(shù)字控制器實現(xiàn)的控制算法使用要求：滿足用戶在測試使用維護方面的要求,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,36,計算機控制系統(tǒng)的特點,控制算法的多樣性古典：前饋＋PID反饋控制現(xiàn)代：自適應(yīng)控制、魯棒控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制控制界面的直觀性軟界面：曲線、數(shù)顯軟操作：觸摸屏、鍵

16、盤、鼠標控制精度高充分發(fā)揮數(shù)字測量元件的精度優(yōu)勢功能豐富圖形監(jiān)控、通訊數(shù)據(jù)記錄、處理測試信號產(chǎn)生,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,37,計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式,分布式控制：多處理機（單片機或DSP）各自負責(zé)獨立控制通道。集中式控制：由一個處理器（小型機、PC）承擔(dān)所有控制通道的控制任務(wù)集散式控制：采用上下位機結(jié)構(gòu)的分級控制方式PC+單片機（或DSP）：串口、并口PC+PC：并口、網(wǎng)卡PC+總線嵌入式

17、處理器：總線,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,38,飛行模擬轉(zhuǎn)臺的應(yīng)用,慣導(dǎo)器件測試角度陀螺、速率陀螺、慣性平臺等導(dǎo)引頭測試光學(xué)導(dǎo)引頭（電視、紅外、激光）武器系統(tǒng)仿真導(dǎo)彈、制導(dǎo)炸彈、魚雷、飛機,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,39,舵負載模擬器,物理模型（負載力矩）：舵受到的流體動力。是舵輸出力矩的反作用力矩。包括慣性力矩、阻尼力矩和鉸鏈力矩。鉸鏈力矩：與舵偏角、速度、流體密度攻角等有關(guān)物理實現(xiàn)

18、線性加載：鉸鏈力矩系數(shù)為常數(shù)。用彈簧模擬。隨動加載：鉸鏈力矩系數(shù)為非線性函數(shù)。需用仿真機實時根據(jù)相關(guān)參數(shù)進行插值計算，然后施加到舵軸，是被動加載。用力矩伺服系統(tǒng)。液壓伺服、氣動伺服、電動伺服加載。被動加載的技術(shù)關(guān)鍵：負載模擬器與舵機互為負載，相互影響；加載力矩是根據(jù)舵偏角等計算出的，理論上存在延遲；由于上述原因，理論上存在多余力。高度的動態(tài)特性：伺服系統(tǒng)性能要高于舵機的性能。,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博

19、士,40,舵負載模擬器,隨動加載系統(tǒng)組成機械系統(tǒng)：同軸加載方式：小力矩，一體式臺體。力矩馬達、擺動油缸或力矩電機。連桿加載方式：大力矩，分體臺體。液壓缸。能源動力系統(tǒng)：液壓、氣動、電動伺服控制系統(tǒng)：力矩伺服控制：伺服閥＋液壓馬達、液壓缸；功率放大器＋力矩電機。力矩傳感器。位置伺服控制：電位計、光碼盤、測速機。模擬控制與數(shù)字控制：,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,41,舵負載模擬器,技術(shù)指標最大力矩：150

20、 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度力矩伺服系統(tǒng)頻帶：10 Hz(雙5指標，力矩梯度8nm/度,)角度伺服系統(tǒng)頻帶： 10 Hz(雙5指標，角度幅度±3度)多余力：20％（力矩系統(tǒng)為零指令時，角度在±3度10Hz振動））,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,42,線加速度模擬臺,物理模型：質(zhì)心直線運動加速度。物理

21、實現(xiàn)：常值：離心加速度模擬線加速度隨動：離心加速度在加速度計敏感軸上進行分解，控制分解角度。關(guān)鍵技術(shù)穩(wěn)速技術(shù)：保持常值離心加速度。需進行靜態(tài)和動態(tài)補償。角度伺服：動態(tài)環(huán)境下的角度控制。,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,43,線加速度模擬臺,系統(tǒng)組成臺體：大的旋轉(zhuǎn)軸系上安裝多個小的旋轉(zhuǎn)軸系。能源系統(tǒng)：PWM功率放大器速度伺服系統(tǒng)：直流力矩電機或交流力矩電機，測角測速系統(tǒng)位置伺服系統(tǒng)：直流力矩電機、測速機、光

22、碼盤或圓感應(yīng)同步器,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,44,線加速度模擬臺,性能指標穩(wěn)速臺：速率量程：0.1-15g,無級調(diào)整。靜態(tài)精度：a1g, △a/a<5*10-4隨動臺：位置通道數(shù)：3負載：1－3Kg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度頻帶：6Hz（穩(wěn)速臺15g時，角度幅度±3度，雙十）,2024/3/21,飛行

23、器工程系 單家元博士,45,目標/環(huán)境模擬器,目標特性運動特性：用相對運動（角運動）模擬物理特性：激光、紅外（點/成像）、電視、雷達、聲場環(huán)境特性背景特性：大氣、陽光、地形、天氣、海洋對信號傳輸?shù)挠绊懜蓴_特性：與目標物理特性對應(yīng)的假目標、干擾信號,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,46,目標/環(huán)境模擬器,運動特性模擬轉(zhuǎn)臺：相對運動原理。物理特性模擬紅外點光源/干擾光源：光斑、能量可控。激光光源：能量、光斑大

24、小、編碼可控電視/紅外成像：圖形工作站、圖形顯示系統(tǒng)可見光：正頭、背投；屏幕、球面紅外轉(zhuǎn)換；電阻絲、紅外CRT射頻/聲場：陣列式多源。無線電波/聲波在空間合成。每個陣元的信號功率、作用時間可控。,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,47,目標/環(huán)境模擬器,分類（按照目標信號的饋入方式）輻射式（反射式）：尋的制導(dǎo)輻射信號的物理性質(zhì)不同：光學(xué)：機械式、平行光管式和復(fù)合擴束式微波/毫米波/聲場：陣列式按照結(jié)構(gòu)機械

25、式：通過機械帶動輻射源作角運動。陣列式：射頻和聲場。機電混合式：注入式（直入式）：尋的制導(dǎo)、指令制導(dǎo)按照注入信號的頻區(qū)分中注入式、視頻注入式和低頻注入式將目標特性直接注入目標探測設(shè)備,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,48,典型仿真方案,大屏幕實現(xiàn)可見光圖像仿真方案,,激光目標漫反射仿真方案,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,49,典型仿真方案,光學(xué)耦合方案,可見光/紅外圖像轉(zhuǎn)換器激光模擬光源,20

26、24/3/21,飛行器工程系 單家元博士,50,仿真計算機技術(shù),仿真主機：數(shù)字計算機軟件支持環(huán)境：編輯、編譯和實時運行接口技術(shù)：A/D,D/A,D/D,DIO,實時網(wǎng)絡(luò)。,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,51,仿真計算機技術(shù),仿真主機專用機：美國：ADI公司的AD10,AD100和AD/RTS620;并行計算機公司CCC的Maxion,Power Hawk,NightHawk中國：國防科大的YH-F1,YH-

27、F2通用機：美國：VAX小型計算機/ALPHA工作站中國：海鷹HY-F1，亞星YHSimustation,2024/3/21,飛行器工程系 單家元博士,52,仿真計算機技術(shù),軟件支持環(huán)境操作系統(tǒng)通用操作系統(tǒng)：Windows NT，VMS，UNIX實時操作系統(tǒng)：PowerMAXOS仿真環(huán)境分離環(huán)境：Matrix,Matlab,C,C++一體化環(huán)境：Night Star,YHSIM,HYSIM,2024/3/21,飛行器工