半实物仿真讲座讲义
半实物仿真在飞行模拟器中的应用介绍
模拟飞行器操作
通过半实物仿真技术，飞行员可 以在模拟器上操作真实的飞行控 制系统，如驾驶杆、油门、脚蹬 等，以训练飞行技能和应对突发 状况的能力。
模拟紧急情况
半实物仿真可以模拟各种紧急情 况，如发动机失效、失去控制、 失速等，帮助飞行员提高应对紧 急状况的意识和能力。
飞行控制系统测试
系统验证
通过半实物仿真，可以对飞行控制系统的功 能和性能进行验证，确保系统在各种情况下 都能正常工作。
通过半实物仿真，可以对飞行器 的气动性能进行评估和分析，包 括升力、阻力、稳定性等。
04
半实物仿真在飞行 模拟器中的优势与 挑战
优势
真实感强
灵活性高
半实物仿真能够提供与真实 飞机相似的操作界面和反馈， 使飞行员能够更好地体验真 实的飞行环境。
半实物仿真允许模
06
结论
半实物仿真在飞行模拟器中的未来展望
更高逼真度
随着技术的进步，半实物仿真将能够提供更加逼真的模拟环境，包括更精细的 视觉效果、声音和运动反馈，使飞行员能够更好地体验真实的飞行感觉。
智能化评估
借助人工智能和机器学习技术，半实物仿真将能够自动评估飞 行员的技能和决策水平，提供更准确、客观的评估结果。
半实物仿真在飞行模 拟器中的应用介绍
目录
CONTENTS
• 引言 • 半实物仿真技术的发展历程 • 半实物仿真在飞行模拟器中的应
用场景 • 半实物仿真在飞行模拟器中的优
势与挑战 • 实际案例分析 • 结论
01
引言
什么是半实物仿真？
半实物仿真是一种结合数学模型、物 理模型和计算机技术的仿真方法，通 过模拟真实系统的动态特性和行为， 来评估和优化系统性能。
持续技术创新
半实物仿真技术飞行控制
实验平台搭建与实验环境介绍
实验平台：用于模拟飞行控制系统的硬件和软件环境 实验环境：真实飞行场景的模拟，包括传感器、执行器等设备的模 拟 实验目的：验证飞行控制算法的有效性和可行性
实验过程：介绍实验步骤和实验结果的分析方法
实验过程与实验结果分析
实验目的：验证半 实物仿真技术飞行 控制的有效性和可 靠性
实验设备：模拟飞 行器、传感器、数 据采集系统等
实验过程：进行飞 行控制算法的验证 和测试，记录相关 数据
实验结果分析：对 采集的数据进行分 析，评估控制算法 的性能和效果
实验结论与改进方向
实验结果：验证 了半实物仿真技 术飞行控制的有 效性和可靠性
实验不足：存在 一定误差和不确 定性，需要进一 步优化和改进
航天器控制：在航天 器控制中应用半实物 仿真技术，实现精确 的轨道控制和姿态调 整。
半实物仿真技术在飞行控制中的优势与挑战
优势：实时性、安全性、可 重复性
挑战：技术难度高、成本昂 贵、数据采集与处理难度大
05
半实物仿真技术飞行控制的发展趋势
半实物仿真技术飞行控制的未来发展方向
智能化：利用人工智能和机器学 习技术提升飞行控制系统的自主 决策和学习能力。
飞行控制系统的仿真需求
实时性要求：仿真结果需要与实际飞行情况保持一致 精度要求：仿真结果需要与实际飞行数据尽可能接近 扩展性要求：仿真系统需要具备可扩展性，以适应不同型号的飞行控制系统 安全性要求：仿真系统需要保证安全，避免对实际飞行造成影响
飞行控制系统的仿真技术实现
飞行控制系统仿真的重要性：模 拟真实飞行环境，提高飞行器的 安全性和性能
半实物仿真技术具有高逼真度、高可靠性 Nhomakorabea可重 复性等优点，广泛应用于航空航天、汽车、船舶 等领域，为系统设计、优化和控制提供有力支持。
机车控制系统半实物仿真测试实现
关键词：机车控制系统；半实物仿真；HIL测试由于机车控制系统是一个复杂的非线性系统，设计和分析难度较大，为避免试验过程中缺少对中断延迟、执行时间等实时数据的采集，影响控制系统动态和稳态性能的研究，在研究中采用半实物仿真的测试方法，得到较为理想的试验结果，为缩短交流传动系统研发时间、降低测试成本、提高系统软硬件质量和可靠性提供有利依据。
1半实物仿真介绍半实物仿真的测试方法分为快速控制原型(以下简称RCP,RapidControlPrototyping)和硬件在回路（以下简称HIL,HardwareintheLoop），这两种形式在整个半实物仿真试验过程中相辅相成。
RCP过程采用“虚拟控制器+实际被控对象”的模式；HIL过程采用的是“实际控制器+虚拟被控对象”的模式。
其中，针对带载有功率的设备主要采用HIL测试方式，因此机车控制器的半实物仿真采用HIL测试的方式。
HIL测试方式是以实时处理器运行仿真模型来模拟受控对象的运行状态，通过I/O接口与控制器实物相连接，实现对控制器的性能指标、容错能力等方面的测试。
2测试方案（1）硬件平台。
测试过程中涉及的硬件平台设备包括：上位机、转换器、仿真机以及实际控制器，这些设备之间呈环形连接状态。
上位机根据输入的指令建立与实际控制器相对应的数学模型，并对数学模型进行编码，生成仿真机可识别的目标代码。
目标代码经上位机的通信转换卡、通信线缆、仿真机通信接口下载至仿真机中。
同时，上位机可以利用调试软件根据实际控制器需要的工况和功能生成与之相应的控制信号，并将该控制信号经上位机的通信转换头和通信线缆传输到实际控制器中。
仿真机运行经由上位机而来的目标代码，并根据转化器输出的反馈信号生产环境模拟信号，将该环境模拟信号输入转换器，转化器传导环境模拟信号至机车的实际控制器，控制器生成的信号再经由此路径以反馈输入信号的形式传递给仿真机。
通过断线测试箱（以下简称BOB，BreakOutBox），可以在不中断信号连接的情况下对信号进行测试；也可以断开连接，直接从输出端子处为实际控制器引入激励信号或对I/O信号进行静态测试，以确认信号是否正确。
dsp类半实物仿真课程设计
dsp类半实物仿真课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解DSP（数字信号处理）的基本原理，掌握半实物仿真的基本概念。
2. 学生能够描述DSP类半实物仿真系统的组成及其工作原理。
3. 学生能够运用所学的DSP理论知识，分析并解决实际问题。
技能目标：1. 学生能够运用相关软件工具进行DSP类半实物仿真实验，包括搭建仿真模型、编写程序代码和调试程序。
2. 学生能够设计简单的DSP类半实物仿真实验方案，并对实验结果进行分析和评价。
3. 学生能够通过半实物仿真实验，提高实际操作能力和团队协作能力。
情感态度价值观目标：1. 学生能够培养对数字信号处理及半实物仿真的兴趣，提高学习积极性。
2. 学生能够认识到半实物仿真技术在工程实践中的应用价值，增强社会责任感和创新意识。
3. 学生能够在实验过程中，培养严谨的科学态度、良好的实验习惯和团队合作精神。
课程性质：本课程为实践性较强的课程，以理论为基础，侧重于培养学生的实际操作能力和创新思维。
学生特点：学生已具备一定的数字信号处理理论基础，具有较强的学习能力和动手能力，但对实际工程应用尚缺乏了解。
教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，提高学生的实际操作能力和问题分析解决能力。
通过课程学习，使学生能够将理论知识应用于实际工程实践中。
二、教学内容1. 数字信号处理基本原理回顾：包括采样定理、傅里叶变换、Z变换等基础知识。
- 教材章节：第一章至第三章2. 半实物仿真概念与原理：介绍半实物仿真的定义、分类、应用场景及基本原理。
- 教材章节：第四章3. DSP类半实物仿真系统组成：分析DSP芯片、仿真器、接口电路、实验箱等组成部分。
- 教材章节：第五章4. DSP类半实物仿真实验软件工具：学习使用相关软件工具（如MATLAB/Simulink、CCS等）进行仿真实验。
- 教材章节：第六章5. 搭建仿真模型与编写程序代码：通过实例讲解，让学生学会搭建仿真模型，编写程序代码。
面向案例化教学的半实物仿真系统设计
面向案例化教学的半实物仿真系统设计随着现代信息技术的不断发展和普及，教育领域也逐渐迎来了数字化和智能化时代。
面向案例化教学的半实物仿真系统，正是利用现代信息技术，为学生提供更加生动、直观、真实的教学体验，并进一步提高学生对知识点的理解和应用能力的一种教学工具。
本文将探讨面向案例化教学的半实物仿真系统的设计原则、系统框架和功能设置等方面。
一、设计原则1. 验证性原则面向案例化教学的半实物仿真系统需要有比较高的可靠性和准确性，让学生在实验过程中可以获得比较好的模拟结果。
因此在设计系统时应考虑验证性原则，不断进行数据的校验与调整。
系统应该具备良好的界面设计、图形化展现，并且配合易于理解的图像、流程和案例等教学材料，让学生在使用系统时更加直观、形象化的理解书本知识，使学生对专业知识点的理解更加深入，更加直观。
面向案例化教学的半实物仿真系统应该遵循用户体验原则，为学生提供多种交互方式，允许学生根据自己的学习需要进行自主选择、调整和提交，让学生体验到互动式学习的过程，帮助学生更好地理解和掌握知识点。
二、系统框架面向案例化教学的半实物仿真系统的总体框架设计应包括数据管理、实时仿真、图形化界面等三个部分。
1. 数据管理数据管理包含的内容包括系统基础数据和仿真实验数据，系统基础数据主要包括学生的个人信息、教师的教学材料、仿真实验数据的存储等功能。
仿真实验数据则主要包括设置实验内外环境的参数、系统反馈的结果数据等具体实验数据。
2. 实时仿真实时仿真功能采用实时数学建模理论完成，可以反映出系统实际操作环境下的节点运行状态，较好地解决了传统教学方法中瓶颈问题，使学生更加理解和熟悉知识点。
3. 图形化界面图形化用户界面主要包括实验流程、参数、实现和结果显示。
以图形化的形式展现实验结果，可使学生通过动态图像更清晰地了解节点变化过程，较好地提高学习效果。
三、功能设置1. 实验模块实验模块是系统的核心模块，包括实验设计、实验操作、实验显示、实验反馈等。
面向案例化教学的半实物仿真系统设计
面向案例化教学的半实物仿真系统设计在现代教育中，一种重要的教学方法是案例分析和案例化教学。
通过案例分析，学生可以真实地接触到问题，并进行深入的思考和分析。
然而，仅仅通过纸质或电子形式的案例材料，无法帮助学生进行真实的模拟和实验。
因此，半实物仿真系统成为一种重要的教学工具。
本文将介绍面向案例化教学的半实物仿真系统设计。
半实物仿真系统是指一种包含实物和虚拟部分的教学仿真系统。
系统中的实物部分可以是实际的实物样本，或者类似实物的模型。
而虚拟部分则是由计算机模拟出来的模型和软件。
通过将实物和虚拟部分结合起来，半实物仿真系统可以为学生提供更加真实和直观的教学体验，同时又避免了实验可能带来的安全和成本问题。
一、制定教学目标和教学计划半实物仿真系统应该是一个有针对性的教学工具，因此必须在设计之前明确教学目标和教学计划。
这包括教学的课程内容、教学目标、学习路径和学生考核等方面。
只有明确了这些因素，才能更好地设计出适合教学需要的半实物仿真系统。
二、选择适当的实物样本和虚拟模型选取适当的实物样本和虚拟模型对于半实物仿真系统的设计至关重要。
实物样本应该是质量优良、易于操作和安全可靠的。
虚拟模型应该有真实感和逼真的仿真效果，同时还需要易于操作和快速响应。
同时，实物和虚拟部分之间的交互也是系统成功与否的关键要素，因此设计的系统必须确保实物和虚拟部分之间有流畅的信息传递和反馈机制。
三、确定适当的技术方案半实物仿真系统需要依赖于先进的计算机技术和软件开发技术。
例如，对于虚拟模型的开发需要掌握计算机图形学、虚拟现实技术等方面的知识。
在确定技术方案的同时，还要考虑到系统的可操作性和稳定性，以及系统的易用性和兼容性等因素。
四、实现和测试系统在设计和开发完系统之后，还需要进行测试和评估。
这包括对系统的功能、稳定性、易用性和实用性等方面的测试。
只有经过充分测试和调整，才能将设计的半实物仿真系统应用到实际的教学中去。
总之，面向案例化教学的半实物仿真系统设计是一个十分复杂和关键的过程。
半实物仿真在飞行模拟器中的应用解读
• 惯性导航
利用无线电引导飞行器沿规定航线、在规定时间达到目的地的航 行技术。利用无线电波的传播特性可测定飞行器的导航参量（方位、 距离和速度），算出与规定航线的偏差，由驾驶员或自动驾驶仪操纵 飞行器消除偏差以保持正确航线。 惯性导航系统利用惯性敏感测量元件，如陀螺、加速度等测量飞 行器相对惯性空间的线运动和角运动参数，在给定飞行器初试条件下 ，通过计算机计算出飞行器导航和控制所必须的姿态、方位、速度、 位置等参数，从而引导飞行器完成预定的航行任务。目前惯导系统一 般分为了平台式惯导系统和捷联式惯导系统。
4.1、无线电导航仿真
组成及仿真方法
导航控制盒和仪表
机载设备原件或改装 计算机软件模拟实现
收/发讯机
无线电导航系统仿真原理示意图
导航参数
• • • • • • • • • • • • • 飞机航向角 飞机方位角和相对方位角 飞机航迹与实际航迹角 期望航迹角 航迹角偏差 偏流角 航路点 偏航距离 地速 空速 风速与风向 待飞距离和距离 估计到达时间与待飞时间
3、导弹制导系统半实物仿真
• 传感器
姿态传感器 加速度传感器 导引头
• 物理效应设备
射频目标模拟器 红外目标模拟器等
导引头是截获、跟踪辐射源的核心部件。由天线、接收机、信号 处理器等部分组成。根据接受的能量和信号的物理特性，分为射频、 红外、可见光图像等。针对不同类型的导引头，仿真实验时需要对应 的目标模拟器。
常用机载设备
• 自动定向机
测定飞机纵轴方向（航向）到地面导航台的相对方 位角 对飞机进行定位测量 引导飞机飞向导航台或飞离导航台 测定和指示电台方位角 抄收气象报告，进行定向和收听新闻和音乐 测量飞机离开地面的实际高度，不受气候条件影响
面向案例化教学的半实物仿真系统设计
面向案例化教学的半实物仿真系统设计随着教育技术的不断发展，半实物仿真教学系统逐渐成为一种重要的教学手段。
此类系统通过使用虚拟和实物相结合的方法，使学生能够在真实的场景中进行操作和实践，提高教育效果。
本文将对面向案例化教学的半实物仿真系统进行设计，探讨其中的关键要素和实施方法。
面向案例化教学的半实物仿真系统的设计需要明确教学目标和案例需求。
教学目标可以是通过解决不同场景的实际问题来培养学生的综合应用能力和创新思维。
案例需求可以是真实生活中常见的问题，例如物流配送、产品设计等。
系统设计需要包括虚拟环境和实物操作两个方面。
虚拟环境可以通过计算机软件模拟出真实场景，例如使用3D建模技术构建一个生产线模型。
实物操作可以通过安装传感器和执行器等硬件设备，使学生能够进行真实的操作和实验。
在案例化教学中，学生需要面对不同的情景和问题。
系统设计中需要包括多个案例和相应的教学资源。
每个案例可以包括背景知识、问题描述、解决方案等内容。
教学资源可以是文本材料、实验视频、教学课程等，旨在帮助学生理解问题和解决方案。
设计中还需要考虑学生的学习评估和反馈机制。
学习评估可以通过自动化测试、作业习题等方式进行，以评估学生对案例的理解和应用能力。
反馈机制可以通过教师批改作业、学生自主反思等方式实施，以帮助学生提高学习效果。
在实施时，需要提供系统的培训和支持。
教师和学生需要熟悉系统的操作方法和使用技巧。
教师需要指导学生如何有效地利用系统进行学习和实践。
面向案例化教学的半实物仿真系统设计需要考虑教学目标和案例需求、包括虚拟环境和实物操作、提供多个案例和教学资源、设立学习评估和反馈机制，并提供培训和支持。
通过合理的设计和实施，该系统将能够提高学生的学习效果和能力。
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Matlab/Simulink/RTW C语言开发
实验软件
ControlDesk/Automation AutomationDesk MLIB/MTRACE CLIB MotionDesk
产品代码生成软件
TargetLink
主讲人：刘建广
概述 dsPACE介绍
HRT1000介绍
航电仿真测试中应用
Ihwak产品简介
仿真
所谓仿真，就是用模型代替实际系统进行试验。按模型的
不同，仿真可分为 数学仿真，物理仿真，半实物仿真三种。 实时仿真 采用快速实时仿真算法进行系统完全模拟与外部实际时 间 相同的时标，并实时获取外部输入和对外部信号输出的仿 真过程。
RTW
C 编 译 器
目 标 代 码
Loader
用户C代码
dSPACE实
时硬件
第四步
dSPACE 综合实验和测试环境
Matlab Control Desk 数据获取 在线调参 三维动 画
外接 实物
dSPACE开发流程 dSPACE软件组件 dSPACE硬件组件
实现软件
数学仿真模型定型
验证后需要修改数学模型
半实物实时 仿真模型建立 半实物实时仿真 模型建立完毕 目标平台描述
目标和半实物硬件信息不对应
实时代码生成错误
目标描述完毕 实时代码生成
下载/运行错误 结果观察
代码生成完毕，正确
目标下载、运行 参数修改
系统模型 Matlab C语言 MATRIXx …….
RTI-MP：用于支持多处理器系统 RTI CAN：用于支持CAN总线协议 RTI LIN：用于支持LIN总线，仿真LIN节点 RTI FlexRay：用于支持访问FlexRay通信系统
编译器
DS1103, DS1104, DS1005 和 MicroAutoBox PowerPC C编 译器
CDP
集成了机电闭环控制系统开发中所有的阶段 代码自动生成 直接访问实时系统
通过离线仿真对控制系统测试
初步控制系统设计 控制对象理论模型的建立 定义模型 I/O
生成模型实时代码
通过ControlDesk 采集 数据及观测、修改变量
第一步
MATLAB/Simulink 建立对象数学模型 设计控制方案 进行离线仿真
在故障模式窗口中实现管脚错误定义
可导入ECU管脚描述文件
ControlDesk Test Automation
标定软件
CalDesk
RTI
结合Simulink和 Stateflow框图模 型自动在实时硬件上运行 以图形化方式对所有I/O接口进行 设置 结合RTW自动代码生成并下载到实 时硬件上 支持软件和硬件中断等任务模式 自动激活编译器编译和链接模型
支持多处理器系统
RTI扩展
第二步
保留需要下载到dSPACE中的模块 用硬件接口关系代替原来的逻辑连接 关系 对I/O进行配置 设定软硬件中断优先级
第三步
Real Time Interface
MATLAB SIMULINK
利用RTW及dSPACE 提供的RTI 自动生成 代码并下载
dSPACE 硬件 C代码
驱动程序 编译器 实时操作系统 半实物仿真平台
总线 VME/CPCI/ VXS/VPX等 硬件IO……
模型代码 生成 （matlab 本身具备）
仿真控制 （下载、 运行、停 止）
仿真数据 监视/析
仿真模 型数据 外部接 口
分布式模 型
多处理器 并行处理
IO板卡模 块
其他算法 库…….
、QNX、RTlinux、DOS等
Simulink
Simulink是Matlab中的一个附加组件，用来提供一个系统级的建模和动态仿真工作平台，
它用模块组合的方法使用户能够快速地、准确地创建动态系统的计算机 模型，特别对于 复杂的非线性系统，它的效果更为明显。
RTW
RTW，全称RealTimeWorkshop（实时工作间），是Matlab工具箱之一，它是Matlab图 形建模和仿真软件Simulink的一个补充功能模块，可以用于各种类型的实时应用。它是一 个基于Simulink的代码自动生成环境，它能直接从Simulink 的模型中产生优化的、可移植 的和个性化的代码，并根据目标配置自动生成多种环境下的程序，利用它可加速仿真过 程.提供知识产权保护、或者生成在不同 的快速原型化实时环境或产品目标下运行的 程 序。
ControlDesk-Automation
采用标准脚本语言PYTHON编 程方式实现实验自动化管理 提供完整的系统访问API资源 Macro Recorder
ControlDesk Failure Simulation
对标准ControlDesk功能的扩展 在中型或大型dSPACE模拟器中远程控 制故障注入单元 通过故障仿真浏览器可访问所有故障 仿真部件
iHawk 系列实时系统（美国并行公司）
dSPACE（德国dspace公司）
RT_Lab RTX XPC（matlab模块） HRT1000(华力创通) …………
dSPACE开发流程 dSPACE软件组件 dSPACE硬件组件
标定
功能设计
快速原型
硬件在回路（HIL）仿真
目标代码生成
MATLAB
SIMULINK
RTW
RTI
dSPACE tools
• 分析，设计，优 化 • 离线数据处理
• 基于方框图的建 模 • 离线仿真
• 从方框图生成C 代码
• 针对 I/O HW 集 成的模块库 • 自动代码插入
• ControlDesk: 实验控制和自动测 试 • 针对 MATLAB MLIB/MTRACE的 接口
Microtec PowerPC Crossing Compiler 包含汇编工具和链接工具 包含运行库 成熟、高效的C优化工具
GNU C编译器 支持DS1006 DS2302 DSP C编译器
支持生成TI C31可执行代码
ControlDesk
硬件管理 虚拟仪表、数据采集 变量管理 参数管理