半实物仿真技术飞行控制课件.pptx

1、研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士18 半实物仿真技术n半实物仿真概述n物理模拟设备与技术n仿真计算机技术研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士2半实物仿真概述n概念:(Hardware-in-the-loop)n硬件在回路仿真：仿真系统中有实物参加。n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。n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。研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士3半实

2、物仿真概述n半实物仿真技术：n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。n物理模型建立技术：n运动环境：飞行模拟器（转台、平台）视觉环境：视景系统n听觉环境：声场模拟器（鱼雷）n力环境：负载模拟器（舵、发动机）n光学环境：激光、红外、电视目标模拟器n电磁环境：射频目标模拟器（雷达导引头、雷达）n压力环境：大气压（高度计）、水压（深度计）、压力（地雷）研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士4半实物仿真概述n半实物仿真系统n半实物仿真系统的组成n半实物仿真系统中的模型n半实物仿真系统中的相似原则和相似方法研究

3、生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士5半实物仿真系统n组成n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。n参试设备：如制导控制计算机、陀螺仪、组合导航系统、舵机等。n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。n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。n支持服务系统：如显示、记录、文档处理等事后处理应用软件。研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士6半实物仿真系统n半实物仿真系统中

4、的模型n对象模型与环境模型 ：包括环境效应模型n物理模型与数学模型n尽量多的物理模型n不可实现的数学模型研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士7半实物仿真系统n相似原理与相似方法n相似原理：n几何相似、感觉信息相似、数学相似、逻辑相似n相似方法n模式相似、模糊相似、组合相似、坐标变换相似n实现方法n时间与逻辑相似 n几何相似：空间几何关系相似（六个自由度）n环境相似：力学、光学、电磁研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士8物理模拟设备与技术n飞行模拟器n舵负载模拟器n线加速度模拟器n目标/环境模拟器n红外n激光n雷达n电视n声场研

5、究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士9飞行模拟器n飞行模拟器分类n飞行模拟转台的工作原理n飞行模拟转台的技术指标n飞行模拟转台的组成n分析模拟转台的计算机控制研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士10飞行模拟器分类n飞行模拟平台：n功能：模拟飞行器姿态和过载n用途：飞行训练模拟器n飞行模拟转台：n功能：模拟飞行器姿态n用途：惯性器件、导引头等制导控制部件的测试与仿真研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士11n三自由度n航向、姿态和倾斜n六自由度n航向、姿态和倾斜及三个方向的过载（线加速度）飞行模拟平

6、台研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士12研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士13研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士14研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士15研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士16飞行模拟转台n用途：仿真转台、测试转台n结构形式：O,U,Y,Tn驱动形式：液压、电动n控制方式：模拟、数字n轴数：单轴、双轴、三轴、四轴、五轴n性质：位置、速率研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元

7、博士17研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士18研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士19研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士20研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士21飞行模拟转台的工作原理n基本构成：动力系统、伺服控制系统、机械系统n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。n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

8、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。研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士22飞行模拟转台伺服控制系统 校正环节前馈校正 校正环节 驱动系统 测速系统 负载 测角系统 机械系统 转台伺服控制系统原理框图 研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士23飞行模拟转台的技术指标n性能指标：n约束转台角运动静态和动态性能的技术参数。n功能要求：n规范转台在使用、维护方面的功能。研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士24飞行模拟转台性能指标项目项目单位单位内框内框中框中框

9、外框外框备注备注最大角加速度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12研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士25飞行模拟转台功能要求n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。n可靠性：机械和电气越位开关、操

10、作互锁、手动和自动断电保护n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n可视性：台体外观、控制柜外观、软件外观n功能扩展：测试信号、数据记录、曲线显示研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士26飞行模拟转台的组成n动力系统n伺服控制系统n机械系统研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士27动力系统n液压能源n三相电机油泵n分油器、过滤器、溢流阀n冷却系统水箱，水泵n远程控制系统调压阀研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士28动力系统n直流电源n可控硅直流电源n开关稳压电源研究生学位课程系统

11、建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士29伺服控制系统n控制元件：执行控制算法，产生控制信号（电压）n运算放大器；微处理器（单片机,DSP, 80X86）n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n功率放大器（直流功放，PWM功放）；液压放大器（伺服阀）n执行元件：在动力系统支持下，响应驱动信号，产生机械运动n直流电机；液压马达（液压缸）n测量元件：反馈元件。将物理量变成电信号及信号处理。n测速，测角研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士30伺服控制系统n控制元件n运算放大器n单片机nDSP处理芯片n80 x86研究生学位课程系统建

12、模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士31伺服控制系统n驱动元件n直流功率放大器伺服阀nPWM功率放大器n功率开关元件：1GBTn电流闭环PID控制：100An输出电压：150Vn开关频率：120 KHz研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士32伺服控制系统n执行元件n液压马达低速大扭转径向柱塞马达n直流力矩电机稀土电磁力矩研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士33伺服控制系统n测量元件n速度：测速机n位置：n电位计：n光码盘：编码器n园感应同步器：旋转变压器研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系

13、单家元博士34机械系统n立式结构：Y,Tn敞开式结构：Un封闭式结构：O研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士35计算机控制系统n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n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n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n使用要求：满足用户在测试使用维护方面的要求研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士36计算机控制系统的特点n控制算法的多样性n古典：前馈PID反馈控制n现代：自适应控制、鲁棒控制、神经网络控制n控

14、制界面的直观性n软界面：曲线、数显n软操作：触摸屏、键盘、鼠标n控制精度高n充分发挥数字测量元件的精度优势n功能丰富n图形监控、通讯n数据记录、处理n测试信号产生研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士37计算机控制系统的结构形式n分布式控制：多处理机（单片机或DSP）各自负责独立控制通道。n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n集散式控制：采用上下位机结构的分级控制方式nPC+单片机（或DSP）：串口、并口nPC+PC：并口、网卡nPC+总线嵌入式处理器：总线研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士38

15、飞行模拟转台的应用n惯导器件测试n角度陀螺、速率陀螺、惯性平台等n导引头测试n光学导引头（电视、红外、激光）n武器系统仿真n导弹、制导炸弹、鱼雷、飞机研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士39舵负载模拟器n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。n铰链力矩：与舵偏角、速度、流体密度攻角等有关n物理实现n线性加载：铰链力矩系数为常数。n用弹簧模拟。n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。n用力矩伺服系统。液压伺服、气动伺服、电动伺服加载。n

16、被动加载的技术关键：n负载模拟器与舵机互为负载，相互影响；n加载力矩是根据舵偏角等计算出的，理论上存在延迟；n由于上述原因，理论上存在多余力。n高度的动态特性：伺服系统性能要高于舵机的性能。研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士40舵负载模拟器n随动加载系统组成n机械系统：n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。n连杆加载方式：大力矩，分体台体。液压缸。n能源动力系统：液压、气动、电动n伺服控制系统：n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。n位置伺服控制：电位计、光码盘、测速机。n模拟控制与数字控制：研究

17、生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士41舵负载模拟器n技术指标n最大力矩：150 Nmn最大角度：40 度n力矩梯度：0.1-20 Nm/度n力矩精度： 1n角度精度：0.01度n力矩伺服系统频带：10 Hz(双5指标，力矩梯度8nm/度,)n角度伺服系统频带： 10 Hz(双5指标，角度幅度3度)n多余力：20（力矩系统为零指令时，角度在3度10Hz振动）研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士42线加速度模拟台n物理模型：质心直线运动加速度。n物理实现：n常值：离心加速度模拟线加速度n随动：离心加速度在加速度计敏感轴上进行分解，控

18、制分解角度。n关键技术n稳速技术：保持常值离心加速度。需进行静态和动态补偿。n角度伺服：动态环境下的角度控制。研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士43线加速度模拟台n系统组成n台体：大的旋转轴系上安装多个小的旋转轴系。n能源系统：PWM功率放大器n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n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研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士44线加速度模拟台n性能指标n稳速台：速率n量程：0.1-15g,无级调整。n静态精度：a1g,a1g, a/a5*10-4n随动台：位

19、置n通道数：3n负载：13Kgn最大角速度：250 度/秒n最大角加速度：2000度/s2n最小平滑速度：0.1 度/秒n定位精度：0.01度n频带：6Hz（稳速台15g时，角度幅度3度，双十） 研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士45目标/环境模拟器n目标特性n运动特性：用相对运动（角运动）模拟n物理特性：激光、红外（点/成像）、电视、雷达、声场n环境特性n背景特性：大气、阳光、地形、天气、海洋对信号传输的影响n干扰特性：与目标物理特性对应的假目标、干扰信号研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士46目标/环境模拟器n运动特性模

20、拟n转台：相对运动原理。n物理特性模拟n红外点光源/干扰光源：光斑、能量可控。n激光光源：能量、光斑大小、编码可控n电视/红外成像：图形工作站、图形显示系统n可见光：正头、背投；屏幕、球面n红外转换；电阻丝、红外CRTn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。研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士47目标/环境模拟器n分类（按照目标信号的馈入方式）n辐射式（反射式）：寻的制导n辐射信号的物理性质不同：n光学：机械式、平行光管式和复合扩束式n微波/毫米波/声场：阵列式n按照结构n机械式：通过机械带动辐射源作角运动。n阵列

21、式：射频和声场。n机电混合式：n注入式（直入式）：寻的制导、指令制导n按照注入信号的频区分n中注入式、视频注入式和低频注入式n将目标特性直接注入目标探测设备研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18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研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士49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研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士50仿真计算机技术n仿真主机：数字计算机n软件支持环境：编辑、编译和实时运行n接口技术：A/D,D/A,

22、D/D,DIO,实时网络。研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士51仿真计算机技术n仿真主机n专用机：n美国：nADI公司的AD10,AD100和AD/RTS620;n并行计算机公司CCC的Maxion,Power Hawk,NightHawkn中国：国防科大的YH-F1,YH-F2n通用机：n美国：VAX小型计算机/ALPHA工作站n中国：海鹰HY-F1，亚星YHSimustation研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士52仿真计算机技术n软件支持环境n操作系统n通用操作系统：Windows NT，VMS，UNIXn实时操作系统：PowerMAXOSn仿真环境n分离环境：Matrix,Matlab,C,C+n一体化环境：Night Star,YHSIM,HYSIM研究生学位课程系统建模与仿真2022-4-18飞行器工程系 单家元博士53仿真计算机技术n接口技术：VME,PC总线nA/D,D/A：12位，14位高精度转换器nDIO：带隔离的开关量输入输出，可直接驱动继电器nD/D：16位并行，双向（一对一）n实时网络：多结点nSBS：星型。广播内存nVMIC：环型。发射内存