1、2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,1,8 半實(shí)物仿真技術(shù),半實(shí)物仿真概述 物理模擬設(shè)備與技術(shù) 仿真計(jì)算機(jī)技術(shù),2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,2,半實(shí)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(shí)物參加。 優(yōu)點(diǎn)：可使無(wú)法準(zhǔn)確建立模型的部件直接進(jìn)入仿真回路；通過(guò)模型與實(shí)物之間的切換，進(jìn)一步校驗(yàn)?zāi)Ｐ停或?yàn)證實(shí)物部件對(duì)系統(tǒng)性能的影響。 實(shí)質(zhì)：為物理部件創(chuàng)造一個(gè)模擬實(shí)際環(huán)境的仿真環(huán)境，用物理部件實(shí)物進(jìn)行仿真的技術(shù)。,2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,3,半實(shí)物仿真概述,半實(shí)物仿真技術(shù)： 環(huán)境模型建立技術(shù)：實(shí)際上指各種物

2、理環(huán)境的建模技術(shù)：包括聲、壓場(chǎng)，電磁場(chǎng)，光學(xué)，空間運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)等。 物理模型建立技術(shù)： 運(yùn)動(dòng)環(huán)境：飛行模擬器（轉(zhuǎn)臺(tái)、平臺(tái)）視覺(jué)環(huán)境：視景系統(tǒng) 聽(tīng)覺(jué)環(huán)境：聲場(chǎng)模擬器（魚(yú)雷） 力環(huán)境：負(fù)載模擬器（舵、發(fā)動(dòng)機(jī)） 光學(xué)環(huán)境：激光、紅外、電視目標(biāo)模擬器 電磁環(huán)境：射頻目標(biāo)模擬器（雷達(dá)導(dǎo)引頭、雷達(dá)） 壓力環(huán)境：大氣壓（高度計(jì)）、水壓（深度計(jì)）、壓力（地雷）,2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,4,半實(shí)物仿真概述,半實(shí)物仿真系統(tǒng) 半實(shí)物仿真系統(tǒng)的組成 半實(shí)物仿真系統(tǒng)中的模型 半實(shí)物仿真系統(tǒng)中的相似原則和相似方法,2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,5,半實(shí)物仿真系統(tǒng),組成 仿真設(shè)備：如

3、各種目標(biāo)模擬器、仿真計(jì)算機(jī)、飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)、線(xiàn)加速度模器、負(fù)載力矩模擬器、衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器等等。 參試設(shè)備：如制導(dǎo)控制計(jì)算機(jī)、陀螺儀、組合導(dǎo)航系統(tǒng)、舵機(jī)等。 各種接口設(shè)備：模擬量接口、數(shù)字量接口、實(shí)時(shí)數(shù)字通訊系統(tǒng)等。 試驗(yàn)控制臺(tái)：監(jiān)視控制試驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)程的裝置。包括試驗(yàn)設(shè)備、試件狀態(tài)信號(hào)監(jiān)視系統(tǒng)、設(shè)備試件轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)、仿真試驗(yàn)進(jìn)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。,2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,6,半實(shí)物仿真系統(tǒng),半實(shí)物仿真系統(tǒng)中的模型 對(duì)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 盡量多的物理模型 不可實(shí)現(xiàn)的數(shù)學(xué)模型,2020/6/3

4、0,飛行器工程系 單家元博士,7,半實(shí)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(jué)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(biāo)變換相似 實(shí)現(xiàn)方法 時(shí)間與邏輯相似 幾何相似：空間幾何關(guān)系相似（六個(gè)自由度） 環(huán)境相似：力學(xué)、光學(xué)、電磁,2020/6/30,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(fù)載模擬器 線(xiàn)加速度模擬器 目標(biāo)/環(huán)境模擬器 紅外 激光 雷達(dá) 電視 聲場(chǎng),2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,9,飛行模擬器,飛行模擬器分類(lèi) 飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的工作原理 飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的技術(shù)指標(biāo) 飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的組成 分析模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的計(jì)算

5、機(jī)控制,2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,10,飛行模擬器分類(lèi),飛行模擬平臺(tái)： 功能：模擬飛行器姿態(tài)和過(guò)載 用途：飛行訓(xùn)練模擬器 飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)： 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(cè)試與仿真,2020/6/30,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(gè)方向的過(guò)載（線(xiàn)加速度）,飛行模擬平臺(tái),2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,12,2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,13,2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,14,2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,15,2020/6

6、/30,飛行器工程系 單家元博士,16,飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái),用途：仿真轉(zhuǎn)臺(tái)、測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái) 結(jié)構(gòu)形式：O,U,Y,T 驅(qū)動(dòng)形式：液壓、電動(dòng) 控制方式：模擬、數(shù)字 軸數(shù)：?jiǎn)屋S、雙軸、三軸、四軸、五軸 性質(zhì)：位置、速率,2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,17,2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,18,2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,19,2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,20,2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,21,飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的工作原理,基本構(gòu)成：動(dòng)力系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng) 工作原理：在動(dòng)力系統(tǒng)支持下，伺服控制系統(tǒng)控制機(jī)械系統(tǒng)作角度轉(zhuǎn)動(dòng)，為安

7、裝在機(jī)械系統(tǒng)上的慣性測(cè)量部件提供姿態(tài)運(yùn)動(dòng)環(huán)境。 伺服控制系統(tǒng)：保證轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)一定性能指標(biāo)的控制系統(tǒng)：一般由測(cè)速機(jī)構(gòu)成速度內(nèi)環(huán)，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，由測(cè)角元件構(gòu)成位置外環(huán)進(jìn)行位置控制，同時(shí)對(duì)位置輸入進(jìn)行微分，實(shí)現(xiàn)復(fù)合前饋控制，提高系統(tǒng)響應(yīng)。,2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,22,飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng),2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,23,飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的技術(shù)指標(biāo),性能指標(biāo)： 約束轉(zhuǎn)臺(tái)角運(yùn)動(dòng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的技術(shù)參數(shù)。 功能要求： 規(guī)范轉(zhuǎn)臺(tái)在使用、維護(hù)方面的功能。,2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,24,飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)性能指標(biāo),2020/6/30,飛行器工程系

8、 單家元博士,25,飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)功能要求,可使用性：機(jī)械電氣接口、按鈕和指示、視場(chǎng)、零位、初值與歸零、屏蔽與干擾。 可靠性：機(jī)械和電氣越位開(kāi)關(guān)、操作互鎖、手動(dòng)和自動(dòng)斷電保護(hù) 可維修性：電路及控制軟件模塊化、驅(qū)動(dòng)元件和測(cè)量元件可檢測(cè) 可視性：臺(tái)體外觀(guān)、控制柜外觀(guān)、軟件外觀(guān) 功能擴(kuò)展：測(cè)試信號(hào)、數(shù)據(jù)記錄、曲線(xiàn)顯示,2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,26,飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的組成,動(dòng)力系統(tǒng) 伺服控制系統(tǒng) 機(jī)械系統(tǒng),2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,27,動(dòng)力系統(tǒng),液壓能源 三相電機(jī)油泵 分油器、過(guò)濾器、溢流閥 冷卻系統(tǒng)水箱，水泵 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)調(diào)壓閥,2020/6/30,飛行器工程系

9、 單家元博士,28,動(dòng)力系統(tǒng),直流電源 可控硅直流電源 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源,2020/6/30,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(hào)（電壓） 運(yùn)算放大器；微處理器（單片機(jī),DSP, 80X86） 驅(qū)動(dòng)元件：對(duì)控制電壓信號(hào)進(jìn)行變換，為執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供驅(qū)動(dòng)信號(hào) 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(dòng)力系統(tǒng)支持下，響應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng) 直流電機(jī)；液壓馬達(dá)（液壓缸） 測(cè)量元件：反饋元件。將物理量變成電信號(hào)及信號(hào)處理。 測(cè)速，測(cè)角,2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,30,伺服控制系統(tǒng),控制元件 運(yùn)算放大器 單片機(jī) D

10、SP處理芯片 80 x86,2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,31,伺服控制系統(tǒng),驅(qū)動(dòng)元件 直流功率放大器伺服閥 PWM功率放大器 功率開(kāi)關(guān)元件：1GBT 電流閉環(huán)PID控制：100A 輸出電壓：150V 開(kāi)關(guān)頻率：120 KHz,2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,32,伺服控制系統(tǒng),執(zhí)行元件 液壓馬達(dá)低速大扭轉(zhuǎn)徑向柱塞馬達(dá) 直流力矩電機(jī)稀土電磁力矩,2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,33,伺服控制系統(tǒng),測(cè)量元件 速度：測(cè)速機(jī) 位置： 電位計(jì)： 光碼盤(pán)：編碼器 園感應(yīng)同步器：旋轉(zhuǎn)變壓器,2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,34,機(jī)械系統(tǒng),立式結(jié)構(gòu)：

11、Y,T 敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)：U 封閉式結(jié)構(gòu)：O,2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,35,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),特點(diǎn)：通過(guò)測(cè)角系統(tǒng)與控制器的數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)高精度的跟蹤控制 結(jié)構(gòu)形式：采用不同處理器、實(shí)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(shí)現(xiàn)高精度、動(dòng)態(tài)跟蹤而采用的各種古典和現(xiàn)代用數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)的控制算法 使用要求：滿(mǎn)足用戶(hù)在測(cè)試使用維護(hù)方面的要求,2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,36,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn),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(guān)性 軟界面：曲線(xiàn)、數(shù)顯 軟操作：觸摸屏、鍵盤(pán)、鼠標(biāo) 控制精度高

12、 充分發(fā)揮數(shù)字測(cè)量元件的精度優(yōu)勢(shì) 功能豐富 圖形監(jiān)控、通訊 數(shù)據(jù)記錄、處理 測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生,2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,37,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式,分布式控制：多處理機(jī)（單片機(jī)或DSP）各自負(fù)責(zé)獨(dú)立控制通道。 集中式控制：由一個(gè)處理器（小型機(jī)、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(jī)結(jié)構(gòu)的分級(jí)控制方式 PC+單片機(jī)（或DSP）：串口、并口 PC+PC：并口、網(wǎng)卡 PC+總線(xiàn)嵌入式處理器：總線(xiàn),2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,38,飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的應(yīng)用,慣導(dǎo)器件測(cè)試 角度陀螺、速率陀螺、慣性平臺(tái)等 導(dǎo)引頭測(cè)試 光學(xué)導(dǎo)引頭（電視、紅外、激光） 武器

13、系統(tǒng)仿真 導(dǎo)彈、制導(dǎo)炸彈、魚(yú)雷、飛機(jī),2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,39,舵負(fù)載模擬器,物理模型（負(fù)載力矩）：舵受到的流體動(dòng)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(shí)現(xiàn) 線(xiàn)性加載：鉸鏈力矩系數(shù)為常數(shù)。 用彈簧模擬。 隨動(dòng)加載：鉸鏈力矩系數(shù)為非線(xiàn)性函數(shù)。需用仿真機(jī)實(shí)時(shí)根據(jù)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行插值計(jì)算，然后施加到舵軸，是被動(dòng)加載。 用力矩伺服系統(tǒng)。液壓伺服、氣動(dòng)伺服、電動(dòng)伺服加載。 被動(dòng)加載的技術(shù)關(guān)鍵： 負(fù)載模擬器與舵機(jī)互為負(fù)載，相互影響； 加載力矩是根據(jù)舵偏角等計(jì)算出的，理論上存在延遲； 由于上述原因，理論上存在

14、多余力。 高度的動(dòng)態(tài)特性：伺服系統(tǒng)性能要高于舵機(jī)的性能。,2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,40,舵負(fù)載模擬器,隨動(dòng)加載系統(tǒng)組成 機(jī)械系統(tǒng)： 同軸加載方式：小力矩，一體式臺(tái)體。力矩馬達(dá)、擺動(dòng)油缸或力矩電機(jī)。 連桿加載方式：大力矩，分體臺(tái)體。液壓缸。 能源動(dòng)力系統(tǒng)：液壓、氣動(dòng)、電動(dòng) 伺服控制系統(tǒng)： 力矩伺服控制：伺服閥液壓馬達(dá)、液壓缸；功率放大器力矩電機(jī)。力矩傳感器。 位置伺服控制：電位計(jì)、光碼盤(pán)、測(cè)速機(jī)。 模擬控制與數(shù)字控制：,2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,41,舵負(fù)載模擬器,技術(shù)指標(biāo) 最大力矩：150 Nm 最大角度：40 度 力矩梯度：0.1-20 Nm/度 力

15、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(biāo)，力矩梯度8nm/度,) 角度伺服系統(tǒng)頻帶： 10 Hz(雙5指標(biāo)，角度幅度3度) 多余力：20（力矩系統(tǒng)為零指令時(shí)，角度在3度10Hz振動(dòng)）,2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,42,線(xiàn)加速度模擬臺(tái),物理模型：質(zhì)心直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)加速度。 物理實(shí)現(xiàn)： 常值：離心加速度模擬線(xiàn)加速度 隨動(dòng)：離心加速度在加速度計(jì)敏感軸上進(jìn)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(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。 角度伺服：動(dòng)態(tài)環(huán)境下的角度控制。,2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,43,線(xiàn)加速度模擬臺(tái),系統(tǒng)組成 臺(tái)體

16、：大的旋轉(zhuǎn)軸系上安裝多個(gè)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(jī)或交流力矩電機(jī)，測(cè)角測(cè)速系統(tǒng) 位置伺服系統(tǒng)：直流力矩電機(jī)、測(cè)速機(jī)、光碼盤(pán)或圓感應(yīng)同步器,2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,44,線(xiàn)加速度模擬臺(tái),性能指標(biāo) 穩(wěn)速臺(tái)：速率 量程：0.1-15g,無(wú)級(jí)調(diào)整。 靜態(tài)精度：a1g, a/a5*10-4 隨動(dòng)臺(tái)：位置 通道數(shù)：3 負(fù)載：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 頻帶：6Hz（穩(wěn)速臺(tái)15g時(shí)，角度幅度3度，雙十）,2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,

17、45,目標(biāo)/環(huán)境模擬器,目標(biāo)特性 運(yùn)動(dòng)特性：用相對(duì)運(yùn)動(dòng)（角運(yùn)動(dòng)）模擬 物理特性：激光、紅外（點(diǎn)/成像）、電視、雷達(dá)、聲場(chǎng) 環(huán)境特性 背景特性：大氣、陽(yáng)光、地形、天氣、海洋對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?干擾特性：與目標(biāo)物理特性對(duì)應(yīng)的假目標(biāo)、干擾信號(hào),2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,46,目標(biāo)/環(huán)境模擬器,運(yùn)動(dòng)特性模擬 轉(zhuǎn)臺(tái)：相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理。 物理特性模擬 紅外點(diǎn)光源/干擾光源：光斑、能量可控。 激光光源：能量、光斑大小、編碼可控 電視/紅外成像：圖形工作站、圖形顯示系統(tǒng) 可見(jiàn)光：正頭、背投；屏幕、球面 紅外轉(zhuǎn)換；電阻絲、紅外CRT 射頻/聲場(chǎng)：陣列式多源。無(wú)線(xiàn)電波/聲波在空間合成。每個(gè)陣元的信號(hào)

18、功率、作用時(shí)間可控。,2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,47,目標(biāo)/環(huán)境模擬器,分類(lèi)（按照目標(biāo)信號(hào)的饋入方式） 輻射式（反射式）：尋的制導(dǎo) 輻射信號(hào)的物理性質(zhì)不同： 光學(xué)：機(jī)械式、平行光管式和復(fù)合擴(kuò)束式 微波/毫米波/聲場(chǎng)：陣列式 按照結(jié)構(gòu) 機(jī)械式：通過(guò)機(jī)械帶動(dòng)輻射源作角運(yùn)動(dòng)。 陣列式：射頻和聲場(chǎng)。 機(jī)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(hào)的頻區(qū)分 中注入式、視頻注入式和低頻注入式 將目標(biāo)特性直接注入目標(biāo)探測(cè)設(shè)備,2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,48,典型仿真方案,大屏幕實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光圖像仿真方案,激光目標(biāo)漫反射仿真方案,2020/6/30,飛行器工程系 單家元博士,49,典型仿真方