半实物仿真技术PPT
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仿真技术概述PPT课件
系统
建立数学模型
仿真实验
结果分析
模型
计算机
建立仿真模型
2021/3/12
图1.1 计算机仿真三要素关系图
4
2、基本步骤
• 包括三个基本的内容：建模
仿真实验
结
果分析
问题的阐述
设置目标
建立模型
编程序
否 验证正确与否
否
是
确认
是
仿真实验设计
运行分析
2021/3/12
输出结果
图1.2 计算机仿真程序流程
5
第二节 仿真的分类
• 在非工程系统中（如社会、管理、经济等系统）， 由于其规模及复杂程度巨大，直接实验几乎不可 能，这时通过仿真技术的应用可以获得对系统的 某种超前认识。
2021/3/12
13
三、仿真技术的发展趋势
1、硬件方面：基于多CPU并行处理技术的全数字仿 真将有效提高仿真系统的速度，大大增强数字仿 真的实时性。
2、数字仿真：采用数学模型，在数字计算机上借助
于数值计算方法所进行的仿真实验。60年代
2021/3/12
7
• 计算与仿真的精度较高。理论上计算机的字长可 以根据精度要求来“随意”设计，因此其仿真精
度可以是无限，但是由于受到误差积累、仿真时 间等因素影响，其精度也不易定得太高。
• 对计算机控制系统的仿真比较方便。仿真实验的 自动化程度较高，可方便地实现显示、打印等功 能。
2、安全
• 某些系统（如载人飞行器、核电装置等），直接 实验往往会有很大的危险，甚至是不允许的，而 采用仿真实验可以有效降低危险程度，对系统的 研究起到保障作用。
2021/3/12
12
3、快捷
半实物仿真技术PPT课件
授课：XXX
30
研究生学位课程－－系统建模与仿真
伺服控制系统
驱动元件
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：1－20 KHz
2021/3/9
授课：XXX
31
研究生学位课程－－系统建模与仿真
伺服控制系统
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
2021/3/9
授课：XXX
29
研究生学位课程－－系统建模与仿真
伺服控制系统
控制元件
运算放大器 单片机 DSP处理芯片 80x86
2021/3/9
2021/3/9
授课：XXX
18
研究生学位课程－－系统建模与仿真
2021/3/9
授课：XXX
19
研究生学位课程－－系统建模与仿真
2021/3/9
授课：XXX
20
研究生学位课程－－系统建模与仿真
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
规范转台在使用、维护方面的功能。
2021/3/9
授课：XXX
23
研究生学位课程－－系统建模与仿真
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/s2
454
126
106
最大角速度
Rad/s
半实物仿真在飞行模拟器中的应用资料
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
• 无线电高度表
• 指点信标接收机
接收地面指点信标发射台的信号
• 甚高频全向信标接收机
• DME测距机
提供飞机相对于地面发射台的磁方位角，确定飞机 位置 和地面测距信标台配合工作，提供所选信标台的斜 距 提供飞机相对地面台的方位和距离信息
• TACAN接收机
• 仪表着陆接收机
• OMEGA导航接收机
确定多个导航参数
与高度信息配合，引导飞机在能见度很低情况下着 陆
• 在飞机飞行控制半实 物仿真系统中，三轴 转台由仿真计算机中 飞行动力学数学模型 解算出的俯仰角、倾 斜角、航向角等基本 信号驱动。仿真实验 时，飞行控制系统的 水平姿态陀螺、航向 陀螺、角速率陀螺安 装在三轴转台上。
2.2、动-静压模拟器
• 这是一种由伺服系统控制气体容器压力变化的装置，控制 信号由仿真计算机中大气数学模型和飞行动力学数学模型 解算获得，飞机上的动-静压传感器直接与其体容器连接。
2、控制系统半实物仿真 • 传感器
姿态陀螺仪 航向陀螺仪 动静压传感器 过载传感器等
• 物理效应设备
三轴转台 动静压模拟器 加速度模拟器 负载模拟器
2.1、三轴转台
三轴转台用来模拟复现弹体或 机体的空间角运动 框架系统有三个框架（分别为 内、中、外框架）。内框架通 过外框、中框和自身的转动， 具有三个角运动的自由度 在内框上安装真实的角运动传 感器，可测出与实际飞行中相 同的角运动 三个框架的转角对应于欧拉角 ，也即姿态角，可以有不同的 顺序。一般将外框转角对应偏 航角，中框对应俯仰角，内框 对应滚转角
半实物仿真技术飞行控制PPT共55页
半实物仿真技术飞行控制
16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须 充满光 明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的 人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
55
▪
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
▪
28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须 充满光 明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的 人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
55
▪
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
▪
28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
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。
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
半实物仿真技术
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。
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
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。
功能扩展：测试信号、数据记录、曲线显示
飞行模拟转台的组成
动力系统 伺服控制系统 机械系统
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
动力系统
直流电源
可控硅直流电源 开关稳压电源
伺服控制系统
控制元件：执行控制算法，产生控制信号（电压）
15
10
30～50
200*100*150
0.2
12
备注
0.1-1度双 10
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
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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
飞行器工程系 单家元博士 7
2018/11/10
研究生学位课程－－系统建模与仿真
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
研究生学位课程－－系统建模与仿真
飞行模拟平台
三自由度
航向、姿态和倾斜 航向、姿态和倾斜及三个方向的过载（线加 速度）
六自由度
2018/11/10
飞行器工程系 单家元博士
10
研究生学位课程－－系统建模与仿真
2018/11/10
飞行器工程系 单家元博士
11
研究生学位课程－－系统建模与仿真
2018/11/10
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
2018/11/10
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
2018/11/10
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
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
2018/11/10
飞行器工程系 单家元博士
8
研究生学位课程－－系统建模与仿真
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 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
飞行模拟转台：
2018/11/10
飞行器工程系 单家元博士
飞行器工程系 单家元博士 1
2018/11/10
研究生学位课程－－系统建模与仿真
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：
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）
测速系统
测角系统
转台伺服控制系统原理框图
2018/11/10
飞行器工程系 单家元博士
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
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。 规范转台在使用、维护方面的功能。
功能要求：
2018/11/10
飞行器工程系 单家元博士
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
2018/11/10
飞行器工程系 单家元博士
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
2018/11/10
飞行器工程系 单家元博士
16
研究生学位课程－－系统建模与仿真
2018/11/10
飞行器工程系 单家元博士
17
研究生学位课程－－系统建模与仿真
2018/11/10
飞行器工程系 单家元博士
18
研Байду номын сангаас生学位课程－－系统建模与仿真
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。
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 模式相似、模糊相似、组合相似、坐标变换相似
相似方法
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
飞行器工程系 单家元博士 6
2018/11/10
研究生学位课程－－系统建模与仿真
飞行器工程系 单家元博士 4
2018/11/10
研究生学位课程－－系统建模与仿真
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
2018/11/10
飞行器工程系 单家元博士
5
研究生学位课程－－系统建模与仿真
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。
2018/11/10
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
飞行模拟转台伺服控制系统
前馈校正 负载 校正环节 1 校正环节 驱动系统 机械系统
2018/11/10
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
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：
飞行器工程系 单家元博士 2
2018/11/10
研究生学位课程－－系统建模与仿真
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
2018/11/10
飞行器工程系 单家元博士
3
研究生学位课程－－系统建模与仿真
半实物仿真系统
组成
研究生学位课程－－系统建模与仿真
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。
飞行模拟转台性能指标
项目 最大角加速度 最大角速度 转角范围 单位 Rad/s2 Rad/s 度 内框 454 4 ±200 中框 126 3.3 ±150 外框 106 3.3 ±150 备注