半实物仿真简介

半实物仿真简介（精选9篇）

篇1：半实物仿真简介

1、系统：系统是指自然界存在的相互联系、相互制约、相互作用且按照一定规律运动的实体组合系统。三要素包括：实体、属性、活动。系统按照人们对其内部特性了解程度分为：白色系统、黑色系统、灰色系统；按照产生原因分为：自然系统、工程系统；按时间分类：连续系统、离散事件系统。

2、仿真：系统仿真是根据相似原理建立系统模型，利用模型试验来研究系统的一种实验方法。它利用一个模型来模拟实际系统内部发生的运动过程，以达到某种实际应用效果或者对系统动态性能的求解。根据物理时钟和仿真时钟分为：实时仿真、亚实时仿真、超实时仿真；根据模型分为物理仿真、数字仿真、半实物仿真。根据计算机：模拟计算机仿真、数字计算机仿真、混合计算机仿真。

3、模型：模型是为了研究系统性能而收集的与该系统有关的信息集合体，是系统某种特定性能的一种抽象形式。分类：物理模型、数学模型。

4、半实物仿真是将物理仿真和数字仿真相结合的一种仿真技术。仿真回路中一部分是数字模型，运行于数字计算机中，一部分是物理模型，直接接入仿真回路。它比数字仿真更接近于真实情况，又能解决一些物理仿真无法模拟的问题。

5、半实物仿真的关键技术：

总体技术：即指仿真系统的总体任务规划。

仿真模型的校核与验证技术：是保证系统仿真的逼真度和置信度的技术基础。接口技术：对系统接口要求如下：实时性、准确性、抗干扰性、可靠性。

目标特性技术：研究在不同探测环境下，目标的电、光、声散射、辐射和传输特性。运动特性仿真技术：模拟对象在空间的运动特性。

其余关键方针技术，包括气动负载特性仿真、视景仿真技术、大气环境仿真、卫星导航特性仿真。

6、程控飞行器主要参试部件：弹载计算机、惯组、舵机。其典型半实物仿真框图如下：

红外制导加红外目标模拟器、导引头、五轴转台（模拟目标和导弹间的相对运动）。射频寻的加天线阵列（雷达目标模拟器）、微波暗室、雷达导引头、三轴转台。

7、仿真计算机是用于系统仿真的计算机，半实物仿真对仿真机的功能要求如下：实时性、计算速度的要求、外设与专用接口的要求、仿真软件的要求。

8、基于Matlab的仿真平台：RTW、dSPACE（功能设计和数学建模、建模并完成数学仿真、在RTI进行设置、完成实时C代码生成、编译、连接和下载、监控实时仿真的结果和运行状态。）、RT-Lab（打开模型、编辑模型、编译模型、分配节点、加载模型、模型运行、重置模型0）。

9、红外目标模拟器主要用于模拟目标本身和周围复杂背景的红外辐射特性、传输特性以及它们之间的对比度，并提供给红外探测系统进行复杂背景中目标的探测和识别。

10、红外目标模拟的分类：信号注入法，红外注入法。

11、红外目标与环境的仿真基于“相对等效”原理：

运动特性：目标-导弹视线角和角速度、接近速度和横向速度；背景、干扰相对目标的运动、目标位置和姿态的运动以及目标的机动；

几何特性：仿真目标与环境和真实目标与环境在红外导引头探测器上的像点或图像的形状、尺寸相同； 辐射特性：在红外导引头的工作波段内，仿真目标与环境和真实目标与环境在红外探测器上的辐射响应相同。

12、红外场景生成设备分类：红外点源模拟器，红外成像模拟器。

13、红外目标模拟设备工作原理：MOS电阻元阵列——电阻通电后温度升高产生红外辐射，辐射强度取决于其电流大小。特点：温度范围宽，适合高温、容易控制、无闪烁，不需同步电路，结构复杂、分辨率较低、较强的非线性非均匀性。IR-CRT——在电子束轰击下红外磷光体材料发射红外辐射。当被视频信号调制的电子束以光栅扫描方式轰击靶屏时，靶屏上就会产生与视频信号相对应的动态红外图像。特点：显示频率高、长波波段高分辨率、长波波段辐射能量较强、适合于凝视和扫描机制的红外探测器，辐射能量较低、荧光材料余辉时间影响。微反射镜目标模拟器——基本原理是接收外部视频信号，通过视频处理电路和DMD驱动电路输入DMD器件；用黑体辐射源均匀照射器件，利用DMD反射调制入射辐射产生红外热图像，生成的红外景像通过准直光学系统投射到被测试导引头的入瞳处，使红外景像与真实目标和背景在探测器上的像斑大小、辐射能量空间分布一致。特点：噪声极低、图像细节分辨率高、中波波段的能量辐射强、图像稳定，亮度均匀、能够达到较大的灰度等级，开关方式的模拟器，只能与凝视型的探测器、需要同步电路、在长波波段 能量低。

14、转台的主要任务是通过转台各运动框架的旋转运动，模拟导弹在空中飞行时的姿态变化，复现飞行器角运动变化的规律。

15、转台按照动力能源分为：电动转台、液压转台、复合驱动转台；按转动自由度分为：单轴、双轴、三轴、五轴转台。组成包括：台体、电子控制机柜、能源系统。

16、转台的指标：负载安装尺寸及安装要求；负载条件、负载运动特性、伺服控制系统的动态范围、伺服控制系统的频率响应、伺服控制系统的静态特性。

17、转台组成：台体（底座、框架、伺服系统）、电子控制机柜（控制计算机、伺服控制系统、逻辑判断部件、电子安全保护）、能源系统。18、19、负载力矩仿真器用于模拟导弹飞行时舵面受到的负载力矩，分为：定点式负载力矩仿真器、随动式负载力矩仿真器。20、负载力矩仿真器组成：台体（底座、力矩电机、私服系统、测量系统）、电子控制柜（控制计算机、伺服控制系统、逻辑判断部件、电子安全保护）、能源系统。

21、负载力矩模拟器的指标：最大负载力矩和力矩加载精度、负载惯量、输出轴的转角范围和角位置精度、负载尺寸、最大速度、跟踪精度、频率响应。

22、虚拟场景建模的步骤：建模资料准备、优化预处理、三维实体模型建立、纹理图片处理、数据结构优化、细节层次划分LOD、调试。杨老师指定必考部分：

23、校核（Verification）保证模型从一种形式高精度地转换为另一种形式。模型校核保证正确的建模。

验证（Validation）保证模型在它的适用范围内以足够精度同建模和仿真对象保持一致。模

型验证保证建模与仿真代表真实对象的正确性。

确认（Accreditation）是指所有仿真工程及相应的可信性评估步骤完成后，接受由各方面专家组成的权威机构对其进行验收。从本质上讲，确认带有一点主观色彩

24、VV&A的一般过程（了解）：确定VV&A需求、确定VV&A需求、概念模型V&V、校核设计、仿真实现V&V、仿真结果验证、确认。

25、VV&A的技术分类：非正式技术(审计、桌面检查、文件检查、外观确认、验收、复查、图灵测试、预排)、静态技术、动态技术、正式技术。

26、随机过程概念：是一连串随机事件动态关系的定量描述。

视场仿真和半实物仿真框架部分缺失

篇2：半实物仿真简介

INS/双星组合导航半实物仿真研究

对INS/双星跑车试验数据进行了分析和处理,采用小波分解的`方法去除了定点定位试验中的测量噪声,并对双星接收机的常值偏移进行了估计,仿真结果表明双星系统的定位精度在20米之内.在跑车试验中使用递推最小二乘法和Kalman滤波技术对INS/双星的位置组合方案进行了仿真.仿真结果表明,Kalman滤波技术比最小二乘算法具有更高的估计精度,它能有效地降低INS的位置误差.

作 者：刘准 陈哲  作者单位：北京航空航天大学自动化学院,北京,100083 刊 名：系统仿真学报  ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION 年，卷(期)： 16(2) 分类号：V249.3 关键词：INS   双星定位   小波分析   组合导航  

篇3：化工反应过程半实物仿真系统

化工反应过程往往伴随着高温高压等现象，必须对运行的某些参数进行实时监控[1,2,3,4,5,6]。如果监控方案不成熟，直接在实际的装置上建立监控系统可能会由于反复更换硬件设备而造成成本的浪费，严重的会造成安全生产事故。建立硬件在回路仿真监控模拟系统进行预研是一个行之有效的方法[7,8]，即化工反应过程用计算机数字仿真模拟，其他的控制装置如PLC等用实际的物理本体接入到仿真回路中，这样的动态模拟系统运行有实时性，仿真过程更形象、直观。本模拟系统可以用于学生的课程实验、专业综合设计、毕业设计等实践教学环节，还可用于监控系统研发人员的控制方案设计、控制设备选型等等设计任务。利用本平台可以大大缩短研发周期，提高研发效率，并且所有的过程都是在实验室环境内进行的，非常安全。本文介绍这样基于半实物仿真的化工反应动态模拟系统的详细组成。

一、系统组成

图1为本文介绍的化工反应过程半实物仿真系统结构示意图。本系统中，对人身安全比较有危险性的化工反应过程通过服务器用数字仿真软件来模拟，其他控制装置由实际的物理本体构成，通过数据采集卡与虚拟对象实时通讯。主要包括：

1. 化工反应数字仿真服务器。

本系统采用MATLAB/Simulink数字仿真软件来模拟，该软件有良好的扩展性和开发性，积木式的编程方式避免了用复杂的数值计算方法求取系统动态特性的过程，另外配合RTW工具箱里的模块进行实时仿真。

2. 数据采集卡。

采用加拿大Quanser公司生产的Q4数据采集卡。Q4采集卡拥有4路模拟量输入通道，4路模拟量输出通道，16可编程的数字量输入输出通道。该数据采集卡是将数字仿真系统实时计算出的变量值即检测参数通过标准的电信号送出，并将化工反应过程的控制信号（也是标准的电信号）读入。

3. 信号调理模块。

本系统数据采集卡的输入输出信号都是电压信号，输入输出范围是-10-10V。本系统中的信号调理模块是将电压信号转换成标准的常见的4-20mA信号或将标准的电流信号转换成采集卡可接受的电压信号，从而实现仿真服务器和真实的物理设备之间的通信。

4. PLC控制设备和操作台、触摸屏等。

PLC控制设备采用比较流行的西门子s7-300。PLC和虚拟对象交换数据，然后再和监控设备或终端进行数据传递比如操作台、触摸屏及人机界面等进行监视或操作。

二、实验结果

图2是某化工反应过程（见文献[6]）的仿真系统运行的监控界面。该系统需要对4个变量如物质A的浓度、物质B的浓度、反应温度以及冷却温度。在实验过程中，假设物料进给率和冷却套中的散热量为系统的控制输入按阶跃的变化，监控系统的4个状态的变化。图2的右半部分就是在3600S反应时间内变量的历史趋势曲线，可以很清晰地看到变量的变化过程。

三、结论

将化工过程的计算机数字仿真和实际的控制装置物理本体有机融合起来，建立了能够逼真模拟化工反应过程的半实物仿真系统，为缩短控制技术设计周期、减少实验成本，提高技术人员培训效率提供了平台。

参考文献

[1].李东娟.连续搅拌反应釜的自适应神经网络控制[J].化工学报,2013,12:4674-4680.

[2].宋薇,刘建国,聂永丰.含油污泥热解和燃烧的反应过程[J].清华大学学报(自然科学版)网络.预览,2008,09:73-77.

[3].刘磊.化工反应釜温度控制系统的研究与设计[D].辽宁科技大学,2012.

[4].孙昱东,杨朝合,谷志杰.反应温度对渣油加氢反应过程的影响[J].炼油技术与工程,2013,04:1-4.

[5].董立新,万小华,顾幸生.基于西门子PCS7的搅拌反应釜连续反应控制系统[J].华东理工大学学报(自然科学版),2011,04:496-501.

[6].单泽彪,石要武,高兴泉.基于Simulink实现的数模混合控制系统仿真新方法[J].吉林大学学报(工学版),2014,02:548-553.

[7].王洪瑞,张见,肖金壮,王立玲.基于Quarc的并联稳定平台半实物仿真研究[J].青岛科技大学学报(自然科学版),2015,01:89-93.

篇4：半实物仿真简介

【摘要】传统的半实物仿真电台的构建往往是一种型号实际装备构建一种对应的半实物仿真电台，导致尺寸不统一、复用率差、成本高、维护难等问题。本文采用模块化、一体化的设计方法，将半实物仿真电台分为通用仿真主机和个性仿真面板，并重点对仿真面板自识别电路和软件进行了设计，实现了在同一个通用仿真主机上可兼容不同型号的个性仿真面板的功能，同时软件能自动加载新型号电台程序。

【关键词】半实物仿真 电台面板 自识别

随着新军事革命兴起，各类信息装备更新换代周期减短，尤其是通信装备的配发难以跟上装备更新步调，而且配发的新型通信装备需要大量地训练来掌握装备操作技能。若是长期大量动用实装进行通信训练，装备损耗大，人力物力需求多，协同和保障复杂，对训练场地要求高，难保证实装训练需求。

半实物仿真训练器材具有成本低、逼真度高、组网控制灵活、维护简便等优势，已成为模拟训练系统的一个重要组成部分。如今亟需研制一种能兼容不同型号装备的半实物仿真电台的来解决上述问题。本文通过半实物仿真电台的面板自识别设计与实现，可为半实物仿真电台的构建提供一个统一的软硬件框架，为快速开发新型半实物仿真电台提供技术基础。

一、总体设计

半实物仿真电台采用模块化、一体化的设计方法，在现有各型号半实物仿真电台的基础上，研究其共性的部分及个性部分并进行优化设计，使它具备兼容各型号的功能。为此，在设计实现中将半实物仿真电台分成两部分，一是具有共性特征的核心处理单元，即通用仿真主机，二是具有个性特征的面板外观和操作，即个性仿真面板。通用仿真主机和个性仿真面板通过统一的、简单的机械连接和电气连接，使用统一的通用仿真主机，更换不同型号的仿真面板，可构建各种不同型号的仿真电台。

半实物仿真电台根据实装设备特点，在实现其功能的基础上，使其具有通用性、可重构性、高稳定性、高可靠性、低功耗等特点。

因此，在设计实现上，采用ARM嵌入式平台，选用三星公司的ARM11S3C6410处理器硬件平台进行硬件设计，软件操作系统采用Windows CE 6.0。

二、仿真面板自识别接口电路设计

采用GPIO采集技术，在仿真面板的音频板上进行自识别接口电路设计。引出6个GPIO接口，每个GPIO接口设置成可放置跳帽的插座形式，插座一端接GPIO脚，另一端接数字地。

通过对6个GPIO插座放置跳帽的排列组合，即6个GPIO接口高低电平的排列组合构成不同个性面板的标识，从而实现对不同型号仿真面板的自动识别。

三、仿真面板自识别软件的实现

3.1开机自启动模块软件实现

开机自启动模块主要实现仿真电台自识别软件开机后自启动，实现方法是将应用程序（文件名为PTTClientCE.exe）路径写入注册表启动项中。代码如下：

应用程序所在目录下，向注册表添加GPIO驱动注册表内容。

GPIO驱动注册表添加内容为：

[HKEY_LOCAL_MACHINE＼init]

“Launch80”=“NANDFLASH＼＼TESTk＼＼PTTClientCE.exe”，//注册表启动项

3.2 GPIO驱动模块软件实现

由于嵌入式设备硬件平台的多样性，针对不同的硬件需要编写不同的驱动程序来屏蔽底层硬件的多样性，使上层应用程序的开发不需要理解底层设备的实现细节。GPIO驱动程序的开发正是Windows CE 6.0嵌入式系统应用开发中的一个技术难点。本文采用基于WinCE的驱动程序模型中接口固定、最常用的驱动程序即流接口驱动程序。这种驱动程序的函数实现一组固定的函数，这些函数称为流接口函数，这些流接口函数使得应用程序可以通过文件系统访问这些驱动程序。

在VS2005中Platform Builder fnr CE 6.0开发环境下，创建GPIO驱动程序目录及文件。在GPIO.cpp文件中，添加完善接口函数的内容。在GPIO_Init0函数中完成虚拟地址映射，在GPIO_Deinit（）中释放虚拟地址空间和各种资源。代码如下：

对于GPQ2-5口，GPQCON0控制寄存器的输入，输出配置，GPQPUD控制寄存器的上拉/下拉/禁用配置，GPQDAT负责数据寄存器的读写，代码可参照GPH8接口。

在GPIO.DEF文件中，提供驱动接口。

编译GPIO驱动程序目录，可生成GPIO.dll，供应用程序在动态库中调用。

3.3面板识别模块软件实现

主要是对仿真面板识别电路中的GPIO进行采集，计算仿真面板标识码，根据仿真面板编码自动加载相应的应用程序。

四、实验验证

利用Windows CE 6.0编写一个可运行于S3C6410开发板GPIO驱动GPIO.dll，利用Visual Studio 2005 SP1编写1个可运行于S3C6410开发板Windows CE 6.0操作系统上的应用程序，即面板自识别程序PTTClinetCE.exe，放于核心板NandFlash＼TEST目录下，同时将电台A、电台B和电台c仿真电台程序电台A.exe、电台B.exe和电台C.exe和运行相关文件也放于NandFlash＼TEST目录下。为了测试方便，面板自识别程序为MFC对话框形式，并在对话框上显示SW1～SW6插座上GPIO引脚的状态、面板标识码大小和当前的调用程序。

开机后，先启动程序trITClinetCE.exe，该程序使用GPIO驱动，读取仿真面板音频板上的自识别电路设置的GPIO状态，识别不同型号的仿真面板，从而自动加载不同电台的主界面。

篇5：半实物仿真简介

小卫星飞轮低速摩擦补偿观测器及半实物仿真

反作用飞轮在低速过零时,摩擦力矩的.突变严重影响小卫星姿态控制的精度和稳定度.文中研究了改善其低速摩擦特性的补偿观测器技术,并基于dSPACE仿真系统和实物飞轮,对该补偿观测器性能进行了半实物仿真验证.仿真结果表明,补偿观测器可有效改善姿态控制性能,克服低速摩擦对小卫星姿态控制精度和稳定度的影响.

作 者：王峰 张世杰 曹喜滨 WANG Feng ZHANG Shi-jie CAO Xi-bin 作者单位：哈尔滨工业大学卫星技术研究所,黑龙江哈尔滨,150001刊 名：系统仿真学报 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION年，卷(期)：17(3)分类号：V442关键词：观测器 摩擦补偿 姿态稳定 半实物仿真

篇6：半实物仿真简介

激光制导武器以其精度高、成本低、威力大、使用方便等特点,在若干次局部战争中取得了良好的效果,受到世界各国的青睐。激光制导武器的仿真是其研制过程中必不可少的环节和重要手段,是提高激光制导性能的重要途径。

激光半主动制导武器仿真主要完成三方面的工作[1,2,3]:一是模拟导引头在真实情况下“看到”的光斑大小的变化;二是模拟导引头在真实环境下接收到的激光能量;三是模拟光斑的运动情况,要求导引头和模拟光斑相对运动规律应与真实情况下的弹目视线运动规律一致。

对激光光斑大小的实时模拟是整个仿真过程的重要环节,本文以某激光制导武器半实物仿真系统为背景,对真实情况下导引头所“看到”的光斑大小的变化进行仿真研究。

1 导引头工作原理

导引头是激光制导航空炸弹上重要的组成部分,它主要由位标器和电子舱组成[4],实际上就是一个具有编码识别和信号处理功能的四象限探测器。基于速度追踪法制导,制导过程中导引头敏感的是视线与空速之间的偏差角,将偏差信号送往控制系统以控制弹体沿速度方向飞向目标。四象限探测定向原理如图1所示。其工作过程为:地面目标的漫反射激光信号进入导引头的光学系统后,在探测器的光敏面上形成一个光斑,每一象限的探测元根据敏感能量的大小进行光电转换,产生对应的四路电压,经过放大、展宽、和差处理等,形成两路偏差信号,作为控制系统俯仰和偏航通道的输入。

以四象限的中心坐标O为原点,十字交叉线为直角坐标系Y轴和Z轴,光斑中心O的坐标为(y,z),光斑半径为r,四象限元件的和差电路探测模型为

根据上式,由四象限探测器的和差信号就可确定目标的方位角和俯仰角。从导引头的工作原理可见,在导引头飞向目标的过程中,导引头所敏感到的光斑大小是导引头定位的重要依据,因此在仿真工作中,需要将光斑大小的变化实时模拟出来。

2 导地面光斑模型

地面光斑是照射机发出的激光照射在地面所形成的光斑,在真实情况下,当照射机位于目标的正上方时,所形成的光斑是一个圆斑,但大多数情况下,照射机都会以一定的倾角照向目标,这时在地面形成的光斑为一椭圆斑,定义此光斑为实际光斑,其能量中心近似在椭圆的中心,假设照射机的激光发射源S点在地面坐标系中的坐标为(xs,ys,zs),激光光束的束散角为θ,激光轴心线与地面光斑中心的交点为O(xo,yo,zo)点,定义过O点的圆锥截面圆斑为等效光斑。在导引头工作过程中,敏感到的是光斑的能量中心,等效光斑的能量中心和实际光斑的能量中心重合,所以在进行仿真过程中,可以认为导引头所敏感到的光斑为等效光斑,设等效光斑斑的直径为D,则有:

3 光斑大小仿真系统

光斑大小仿真系统作为激光制导半实物仿真系统的子系统,主要由激光目标模拟器、漫反射屏、导引头、三轴转台、激光控制计算机、弹目运动控制计算机和仿真计算机组成。对于光斑大小的实时改变主要由激光目标模拟器中的扩束系统来完成。

激光目标模拟器主要由YAG调Q激光器、激光固定衰减系统、激光可控衰减系统和激光扩束系统四部分组成。激光器为Nd:YAG激光器,用于产生额定波长、额定脉宽和特定编码的目标激光,产生的激光应与真实情况下的激光特性一致,并且能够按照实际系统的重复频率编码发送激光束;激光器输出的激光首先经过固定衰减和可控衰减系统来模拟武器飞向目标过程中的能量连续变化;然后再经过扩束系统,对激光束按照控制规律进行扩束,来模拟导引头和目标的相对运动而引起的导引头“看到”的光斑大小变化情况;弹目运动模拟器由两轴转台和反射镜组成,用于光斑在漫反射屏上的精确定位,通过两轴转台来带动反射镜的俯仰和方位运动,使光斑在漫反射屏上按照控制规律运动,从而来模拟导引头飞向目标过程中,导引头所“看到”光斑能量中心的运动情况。三轴转台带动导引头作三维运动,来模拟风标导引头的姿态运动规律,经过以上过程,导引头便可从漫反射屏上“看到”一个与真实情况一致的光斑。

4 光斑大小仿真模型

4.1 光斑与导引头相对位置仿真模型

4.1.1 坐标系和符号定义

地面坐标系AX0Y0Z0:原点A选在炸弹投放点在当地地平面上的铅垂投影点处,轴AY0垂直向上,轴AX0在炸弹初始飞行平面内,呈水平指向,轴AZ0的方向与AX0,AY0成右手直角坐标系。

弹目坐标系OXsYsZs:弹目坐标系OXsYsZs与弹目线固连。OXs轴与弹目线(LOS)重合,指向目标为正,XsOYs平面为一铅垂面,OZs与OXs和OYs构成右手系。

屏幕坐标系OXoYoZo:以漫反射屏的中心点为原点Oo;水平正右方为OoXo轴正向;向竖直正上方为OoYo轴;OoZo轴与OoXo、OoYo轴成右手系。

三轴台坐标系SXtYtZt:三轴台坐标系SXtYtZt是固定的坐标系,原点S是三轴台回转中心;SXt轴与漫反射屏坐标系的OoZo轴平行反向;SYt轴与漫反射屏坐标系的OoYo轴平行同向,与外环轴重合;SZt轴水平向右,与SXt和SYt轴成右手系。

(xBO,yBO,zBO):炸弹的t0时刻时的位置;(xB,yB,zB):炸弹的t时刻时的位置(真实环境地面系);

(xp,yp,zp):光斑在漫反射屏上t时刻的位置(屏幕坐标系);

θLO:初始弹目弹道倾角,初始弹目线与地平面AX0Z0之间的夹角,t时刻弹目弹道倾角为θL;

ψLO:初始弹目弹道偏角,初始弹目线在AX0Z0上的投影与AX0轴之间夹角,t时刻弹目弹道偏角为ψL;

(xT,yT,zT):目标在t时刻时的位置(真实环境地面系);

(x′T,y′T,z′T):目标在t时刻时的位置(弹目坐标系);

δφ:三轴台回转中心和目标光斑的连线SP与XtSZt平面的所成的角;

δψ:连线SP在平面投影与XtSYt平面的所成的角;

ZS:三轴台回转中心S到漫反射屏中心O0的距离。

4.1.2 漫反射屏上的光斑位置模型

真实环境下,t0时刻导引头和目标之间的距离R0为

R在地面的投影为

则得到地面坐标系与初始弹目坐标系关系的两个欧拉角为

通过上式可求得初始弹目弹道倾角θLO和初始弹目弹道偏角ψLO。炸弹向目标的运动可等效为炸弹不动,目标向炸弹运动,则在t时刻,相对于炸弹运动的等效目标在地面坐标系中的坐标为

根据4.1.1节所建立坐标系,通过坐标变换,将t时刻的等效目标在地面坐标系中的坐标转换到初始弹目坐标系中的坐标为

所以,在实验室仿真环境中,三轴台回转中心与漫反射屏上光斑中心的连线SP与XtSZt平面和XtSYt平面所成的夹角分别为

t时刻,仿真光斑的位置在屏幕坐标系中的坐标为

4.2 漫反射屏上的光斑大小模型

根据4.1.1节中坐标系的定义,在t时刻导引头和目标光斑的相对距离为R:

实验室情况下,假设导引头在屏幕坐标系中的坐标为(xD,yD,zD),设在t时刻导引头到仿真光斑能量中心的距离为h,则有:

设在t时刻在地面坐标系实际等效光斑直径为D,仿真光斑(漫反射屏上光斑)等效直径为d,则有:

4.3 扩束系统模型

在仿真过程中,由于弹体只做姿态运动,质心是固定不动的,所以通过扩束系统来控制光斑在漫反射屏上的大小实时变化来模拟由于弹体的运动所造成的导引头“看到”的光斑大小变化。

扩束系统采用两组透镜组成的调焦系统来实现,一组固定,另一组可沿轴向移动。即物镜固定不动,目镜可左右移动,起始位置光斑最小,向右移动光斑增大。即通过平移目镜使光束束散角发生变化,从而使投射到漫反射屏上的光斑大小连续变化。扩束系统如图3所示。

光学谐振腔射出的激光在目镜上形成的光斑半径为ρ1,物镜上形成光斑的半径为ρ2,目镜的焦距为F1,物镜的焦距为F2,目镜到物镜的距离为l,物镜到漫反射屏上的光路长度为Z2,则有:

设物镜入射面光束曲率半径为R1,出射面曲率半径为R2,则有:

屏上光斑直径d与物镜面上光斑关系为

则可求出目镜到物镜的距离l为

式(18)中光路长度Z2由实验室位置摆放求出,设激光器出设点和二维反射镜中心坐标在屏幕坐标系中坐标分别为(xJ,yJ,zJ)和(xF,yF,zF),则有:

5 仿真分析

假设某激光制导炸弹的投弹高度为1 000 m,目标点与炸弹在地面投影点的距离为5 000 m,投弹时的初始速度为250 m/s,假设目标位置固定不动,采用机照方式向目标照射激光,根据最远照射距离15 km和激光光束的束散角约为0.3 mrad,可算得光斑的直径约为4.5 m,且不考虑风速的影响,进行投弹仿真试验。

定义目标点、投弹点和投弹点在地面的投影点这三点所组成的平面为攻击平面Ax0 y0,即和地面坐标系重合,弹目视线角为ε。在实验室内,导引头和漫反射屏不动,通过弹目运动模拟炸弹和目标的相对运动,假定导引头到漫反射屏的距离为8 m,投弹初始时刻,使光斑在漫反射屏上的初始坐标为(0,0)。根据前面所得数学模型、炸弹控制模型、实验室的布局和激光器的特性参数,得仿真结果如表1所示。考虑到导引头的制导系统工作区间为4 000 m∼100 m,所以在2 s的时候,漫反射屏上没有光斑。当导引头和目标之间的距离小于4 000 m时,开始进行光斑大小仿真。从仿真实验数据可以看出在炸弹接近目标的过程中,光斑大小是逐渐增大的,离目标较远时,光斑大小变化比较平缓,而当接近目标时,变化非常剧烈,这与实际情况是相符的,因为炸弹下落过程中,速度越来越快,导引头所“看到”的光斑也就急剧增大。

6 结论

在激光半主动制导武器实验中,首先根据相似性原理,由炸弹和目标光斑的空间位置模型求出仿真光斑在漫反射屏上的位置模型,再根据实际光斑大小模型、光斑转换模型和仿真光斑的位置模型求出仿真光斑的大小模型,最后根据扩束系统模型由伺服电机来实现光斑大小的控制。在仿真试验时,通常将光斑大小和能量仿真同时进行,能量的实时衰减控制由一对格兰—付克棱镜来完成,具体由中空轴伺服电机带动棱镜的旋转来实现,基于仿真的实时性需求,采用开放式数字控制系统来实现光斑大小和能量的实时控制。至此,可用本文所述的半实物仿真系统进行光斑大小仿真。目前,该系统已成功的运用于某型激光制导武器导引头的半实物仿真,为武器性能的提高奠定了基础。

参考文献

[1]高志杰,张安京,史国华.风标式激光导引头光电建模与仿真[J].光电工程,2007,34(1):4-8.GAO Zhi-jie,ZHANG An-jing,SHI Guo-hua.Simulation study on the seeker of aerodynamically stabilized laser-guided aerial bomb[J].Opto-Electronic Engineering,2007,34(1):4-8.

[2]苏建刚,付梦印,黄艳俊,等.激光制导武器弹目视线半实物仿真技术研究[J].系统仿真学报,2007,19(8):1717-1720.SU Jian-gang,FU Meng-yin,HUANG Yan-jun,et al.Research on Hardware-in-the-loop simulation technology for Line of sight of laser guided weapons[J].Journal of System Simulation,2007,19(8):1717-1720.

[3]刘志国,张金生,王仕成,等.激光制导炸弹数字仿真研究[J].系统仿真学报,2005,17(7):1757-1759.LIU Zhi-guo,ZHANG Jin-sheng,WANG Shi-cheng,et al.Research of Digital Simulation of Laser-Guided Bomb[J].Journal of System Simulation,2005,17(7):1757-1759.

[4]Anssi J Makynen,Juha T Kostamovaara.A High-Resolution Lateral Displacement Sensing Method Using Active Illumination of a Cooperative Target and a Focused Four-Quadrant Position-Sensitive Detector[J].IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement(S0018-9456),1995,44(1):46-52.

[5]张金生,王仕成.激光制导武器仿真系统视线角精确控制研究[J].电光与控制,2005,12(4):19-23.ZHANG Jin-sheng,WANG Shi-cheng.Research on accurate control of angle of sight in laser guided weapon simulation system[J].Electronics Optics&Control,2005,12(4):19-23.

[6]沈永福,邓方林,柯熙政.激光制导炸弹导引头半实物仿真系统方案设计[J].红外与激光工程,2002,31(2):166-168.SHEN Yong-fu,DENG Fang-lin,KE Xi-zheng.Scheme design of semi-physical simulation system for a laser-guided bomb seeker[J].Infrared and Laser Engineering,2002,31(2):166-168.

篇7：半实物仿真简介

摘要：通过在半实物仿真环境中进行模型辨识试验，获得电液力伺服系统的辨识模型.为了改善电液力伺服系统的控制性能，设计了一种复合模糊PID控制器，这种控制器结合了经典PID控制器和带有自调整修正因子的模糊控制器的优点，并加入了前馈校正，为了避免由于两种控制方式相互切换时造成的不良扰动，采用了模糊切换的方法.通过在电液伺服试验台上对所设计的复合模糊PID控制器进行半实物仿真实验，并对比PID控制器和传统模糊控制器的实验控制曲线，验证了复合模糊PID控制器的可行性和控制性能，同时在负载刚度和质量变化时进行了半实物仿真实验，实验结果表明，复合模糊PID控制器不仅改善了稳定性和速度，并具有良好的实时性。

关键词：力伺服系统；模型辨识；复合模糊PID控制器；半物理仿真；自调整修正因子

DoI：10.15938/j.jhust.2016.06.014

中图分类号：TP273

文献标志码：A

文章编号：1007-2683（2016）06-0073-06

0.引言

电液力伺服控制系统的应用虽然不及电液位移控制系统广泛，但是它在许多特定领域都起着难以替代和不可忽视的重要作用，随着科学技术的飞速发展，现代工业对力控制系统的动静态精度等性能指标的要求越来越高，Liu等针对力控制系统提出了Lyapunov参数自适应控制算法.实验表明，这种方法对信号具有良好的跟踪性能，并且对系统的性能指标有显著的提高.蔡永强等采用优化了的鲁棒预测控制算法对电液力伺服系统进行控制，建模仿真表明该控制算法能够消弱系统由于时变和外界环境的干扰对系统性能的影响，从而提高了控制系统的性能.刘怀印等采用了模糊控制方法对盾构掘进机的电液力推进系统进行了控制，仿真结果表明该控制算法能够有效的保证该电液力伺服控制系统的稳定性和快速性，提高系统的性能.徐一鸣等将三维非线性PD控制器与小脑模型神经网络复合的控制方法用于变柔性负载的电液力控制系统，使系统在负载刚度大范围变化时保持稳定，减小了系统的跟踪相位差。

模糊控制能够将操作人员的控制经验加入到控制算法中，从而使控制系统能够模仿和借鉴操作人员的控制经验而进行控制.它特别适合用在采用传统控制技术分析时过程非常复杂的情况下或者可用的信息来源不准确或不确定的情况下。

由于电液力伺服系统具有非线性和不确定的动态性，因此不可能从理论上建立其精确的数学模型，也很难用线性控制方法进行高精度的力伺服控制.虽然一些模糊控制策略已经应用到实际系统并取得了很大的进步，但是其瞬态和稳态控制性能是有限的，本文利用xPC实时系统的半物理仿真环境和MATLAB系统辨识工具箱，对电液力伺服系统进行了模型辨识实验，然后，以辨识获得的模型为对象设计控制器，提出了一种结合了模糊逻辑和传统线性控制理论优点的复合模糊PID控制器。

1.電液力伺服系统的模型辨识

实验室的电液力伺服控制系统如图1所示，电流信号i经放大器传递给电液伺服阀，当给定力值的电压信号U_r不等于力传感器反馈回来的电压信号U_f时，液压缸产生力F_g控制的目的就是使液压缸产生的力的信号尽可能达到所给定的力值信号u_r=u_f由于力传感器的刚度远远大于负载的刚度，所以这是一个单自由度的力控制系统。

xPC实时系统的半物理仿真实验台如图3所示.电液力伺服系统作为硬件放置在模拟仿真回路，系统控制由计算机实现，PC机作为宿主机用于运行仿真、设计和发现目标应用程序，研华工控机作为目标机用于运行所生成的控制程序代码，并通过以太网LAN连接来实现与宿主机的通信。

本系统选用研华PCL818HD多用途卡完成数据采集（A/D）和数据输出（D/A），其中板卡的输入通道数6为力信号，基地址为300h，采样时间为0.001s，力传感器的取值范围为-5V～+5V，其对应的实际值是-5000N～+5000N。

考虑到系统的时变性和干扰性，进行了多组试验，为了达到xPC实时目标，在实时运行目标应用程序时，可以通过改变输入正弦信号的振幅和频率以及改变输入阶跃信号的时间和步长值来调整实验参数，这样输出信号就会立即发生相应的变化，多组输入输出数据就可以通过xPC实时系统在线获得。

2.复合模糊PID控制器的设计

电液力伺服系统有如下几个特点：第一，有一些不确定的参数，比如油液体积弹性模量和伺服阀的流量增益等；第二，负载质量和刚度会随着工作环境和条件的变化而改变.特别是当负载刚度变化很大的时候，不仅严重影响系统本身的动态特性和静态特性，还影响到控制性能。

因此迫切需要设计一种对系统参数变化适应性强的控制方法.这种控制器如图5所示。由图可知，这种复合型控制器由一个经典的PID控制器和一个带有自调整修正因子的模糊控制器组成.这个控制器在力值远离目标值时用模糊控制器来控制系统，而当力值在目标力值附近时用PID控制器来控制系统.使用经典PID控制方法是为了消除系统的稳态误差，而使用模糊切换方法是为了避免由于两种控制方法之间切换时所造成的不良扰动，为了提高系统的动态特性，添加了前馈校正。

模糊控制理论包括模糊化、基于专家经验的模糊规则库、模糊推理和清晰化，模糊控制规则的自调整是提高控制器性能的关键因素，本次研究使用了带有修正因子的模糊数模型来在线自动调整模糊控制的规则，模糊输入变量（误差E和误差变化率EC）采用三角形隶属度函数，如图6所示，其中

由于修正因子α能直接反映误差（E）和误差变化（EC）的加权程度，在控制过程中忠实地反应了操作者的思维特点，因此，在线调整控制规则的主要任务就转化为调整修正因子α的值，根据专家经验和控制工程知识，自调整修正因子的模糊数模型如表1所示，为了最终消除量化误差和调节死区，在自调整修正因子的模糊数模型中应用插值法来改进控制规则。

3.计算机仿真结果

为了验证复合模糊PID控制器的有效性，对电液力伺服系统进行了计算机模拟仿真.采样频率选择为1000Hz，计算过程采用ode4算法，电液力伺服系统的数学模型如式（7）所示。

根据前面提出的复合控制器，用Matlab工具箱对该系统进行建模，输入相同的阶跃信号，并对不同控制器的输出图形进行比较.由于反馈为单位反饋，因此期望的输出值就是输入值。如图8所示，可见与传统的模糊控制系统和PID控制系统相比，复合模糊PID控制器具有良好的单位阶跃响应，超调量更小，上升时间更快，达到稳态值的时间更小。

4.实验结果

为了验证所提出的模糊控制器在实际应用中的有效性，在半物理仿真实验台（图3）上进行了实时控制实验，由电脑产生的输入信号经数据采集卡（PCL-818HD）发送给伺服放大器，放大后的信号被传递到伺服阀从而控制液压缸产生力来克服负载的弹簧力和惯性力，再通过力传感器将活塞上的力值反馈回来，最后将这个反馈回来的信号发送给计算机进行数据处理.实验的基本要素是控制程序，它包括产生输入信号的控制模块、数据采集卡的管理、控制算法的实现和数据存储等。

为了评估所提出的控制器对力的控制性能，将期望的跟踪输入分别设置为阶跃信号和正弦信号，该系统阶跃响应（0.1V）的跟踪输出如图9所示，其中系统的质量是124.96kg（包括7个质量块、活塞和平台），负载刚度为3371.67N/mm，由图可见，与PID控制策略和传统的模糊控制策略相比，复合模糊PID控制器在抑制超调和提高实际试验台的稳定时间方面显示出了明显的优势。

由于线性或非线性系统辨识模型的微分方程不能充分反映实际系统，因此在实验时要对控制器的某些参数稍作修改，这样实际试验台的响应时间会与仿真结果稍有不同，不同的原因包括实际系统的线性化，参数值的选择以及计算的误差等，但是实际实验结果大体与仿真结果相符合。

负载刚度变化时，复合模糊PID控制器的性能如图10所示，其中K₁=708.73N/mm，墨=3071N/mm和K₃=3371.67N/mm.可见，负载刚度严重影响着系统的响应速度和峰峰值的跟踪速度。

系统的质量主要影响力伺服系统的速度，如图11所示，可见在质量变化时，使用混合模糊PID控制器时系统的动态响应速度基本上是有保证的.其中m₁=124.96kg（包括七个质量块、活塞和平台），m₂=67.84kg（包括3个质量块、活塞和平台），和m₃=25kg（包括活塞和平台）。

5.结论

篇8：半实物仿真简介

由于压电陶瓷执行器(Piezoelectric Actuator,PZT)具有定位精度高、带宽大、响应时间快等优点,所以被广泛地应用于如超精密加工、半导体光刻等领域的精密定位系统中。但是随着工业化生产对产率要求的不断提高,在满足定位精度要求的同时,对定位速度提出了越来越严格的要求[1]。如何实现快速而精确的定位控制,如何准确评价控制算法的性能显得尤为重要。

对于PZT定位精度控制的研究主要集中于逆模型的建立,无论是基于现象的Preisach模型[2],还是具有明确函数表达式的Duhem模型[3],都可以有效补偿迟滞与蠕变效应带来影响,获得高精度的定位控制。对于定位速度控制的研究,无论是动态性能更好的压电器件的使用[4],还是点到点运动控制算法的优化与应用[5],都取得了高速度的定位控制。基于现有的PZT,三阶轨迹规划方法可以获得高精度、高速度的控制效果[6]。

由于三阶轨迹规划算法离散化迭代计算的时间因子为控制系统的单位伺服周期,而以往的非实时计算平台,无法提供分辨率足够小的伺服周期,也就无法保证在算法开发验证阶段对其性能进行评价的准确性[7]。xPC Target采用主机与目标机结合的方式,目标机运行的实时内核可以在足够短的时间内计算控制算法的仿真模型[8,9],为三阶轨迹规划算法的实时执行及性能评价提供了有效的途径。本文建立基于xPC Target的PZT微动控制半实物仿真平台,对PZT的微动控制算法进行研究与验证,以获得高精度、高速度的PZT微动控制。

1 系统硬件设计

PZT微动控制半实物仿真系统硬件结构如图1所示,整个系统硬件结构由以下几个部分组成:处于用户层的宿主机、处于中间层的xPC Target目标机和处于执行器层的PZT驱动/控制系统。其中,宿主机采用PC机,运行Matlab/Simulink/RTW环境,控制算法的Simulink模型在此环境上开发设计、编译及下载到目标机中执行;仿真过程中由目标机运行xPC Target实时内核以及控制算法,目标机采用ADVANTECH公司的PWS-1409TP便携式工控机,通过以太网与宿主机连接;目标机主板上加装NI公司的PCI-6229多功能数据采集卡,通过此数据采集卡的模拟信号通道与执行器层的PZT控制系统连接;PCI-6229配备32通道16位模拟输入端口,最高采样率为250 kHz;4通道16位模拟输出端口,最高采样率为933 kHz,可以确保整个半实物仿真系统实现亚毫秒的伺服周期。PZT控制系统由Physik Instrumente公司的E-712驱动/控制箱、N-111型PZT以及D-E30型电容传感器组成。

2 控制算法设计

2.1 控制算法分析

对于典型的闭环运动控制方法,经过离散化之后,在每个伺服周期内,位移的测量值都与同一个给定值进行比较[10]。因此,在运动初始的若干个伺服周期内,测量值与给定值偏差会很大,而在临近运动结束的若干个伺服周期内测量值与给定值的偏差又会很小,如果PID控制器参数保持不变,无疑会在启动或者结束阶段产生相对较大的残余振动,既降低了控制精度,又增加了调节时间。

三阶轨迹规划方法以执行器可达到的最大速度、最大加速度以及最大冲击为输入参数,计算获得的运动轨迹更为平滑,离散化后,将离散值作为不同伺服周期内不同的给定值,就可以减小上述的残余振动,改善动态响应[7]。典型的三阶对称轨迹规划轮廓如图2所示。

通过对图2(a)与图2(b)相应轨迹曲线的比较可知:输入条件不同时,相应的轨迹形状并不相同。如何实现设计有效的算法计算出不同形状的轨迹,是三阶轨迹规划方法面临的主要问题。

通过对图2(a)与图2(b)的进一步分析可知,虽然轨迹轮廓有所不同,只要是对称的三阶轨迹,都可以由3个时间惟一确定:即最大速度持续时间tv,最大加速度持续时间ta,最大冲击持续时间tj。这3个时间数值的不同决定了三阶轨迹的不同形状。

2.2 控制算法实现

以上文的3个时间参数为切入点,三阶对称轨迹规划算法的实现步骤可以分为三个:

第一步,由目标位移、最大冲击、最大加速度以及最大速度,计算tj、ta和tv,如图2所示;

第二步,由tj、ta和tv计算冲击跳变的8个时刻:t0~t7,如图2所示;

第三步,由t0~t7这8个时间参数作为分段积分的边界,使用公式(1)所示的多重积分公式,计算每个伺服周期内的位移值,即能得到离散化的三阶对称轨迹。

式中,ts为伺服周期;Jm为最大冲击值;an,vn,sn分别为tn时刻加速度值、速度值、位移值。

根据以上分析,使用C语言描述的三阶对称轨迹规划算法流程图如图3所示。

3 系统Simulink仿真建模

3.1 系统总体模型

在半实物仿真系统的硬件结构的基础上,借助Matlab/Simulink/RTW环境可以实现控制算法的验证与评价[11]。PZT微动控制系统的Simulink仿真总体模型如图4所示,实现模型主要功能的模块有三个:轨迹规划模块SCurve、闭环PID控制算法模块、PCI-6229采集卡的A/D和D/A驱动模块。其中,PCI-6229采集卡的驱动模块可以在Simulink Library→xPC Target→National Instruments库中获得;PID控制算法模块的参数根据在线仿真进行整定;SCurve模块就是三阶轨迹规划算法的Simulink模型。

3.2 三阶轨迹规划模型

前文已完成了C语言描述的三阶轨迹规划的算法,使用Matlab/Simulink的S-Function Builder可以方便地将C语言描述的控制算法转换为Simulink环境下的仿真模型。

在Matlab/Simulink中选择User-Defined Functions,由其中的S-Function Builder建立一个函数型Simulink模块,完成以下两个步骤,即可获得如图5所示的SCurve函数型Simulink模块:

第一步,在Data Properties标签中,将给定位移sm、

最大速度vm、最大加速度am、最大冲击jm以及伺服周期Ts定义为输入端口;将离散化位移轨迹sd、速度轨迹vd、加速度轨迹ad以及冲击轨迹jd定义为输出端口;

第二步,将三阶轨迹规划算法的C语言文件添加至Libraries标签下,并将函数声明添加至External function declaration段落。

3.3 控制算法仿真

为了对三阶轨迹规划算法进行仿真验证,在图5所示的Simulink模块以外引入5个常量模块及4个示波器模块:disp为目标位移、vel为最大速度、acc为最大加速度、jerk为最大冲击、Ts为伺服周期;sd_scope、vd_scope、ad_scope以及jd_scope分别显示位移、速度、加速度及冲击的轨迹。

将仿真参数设置为:最大冲击Jmax=1×108μm/s3,最大加速度Amax=1×105μm/s2,最大速度Vmax=450μm/s,位移分别为20μm和200μm时,三阶轨迹规划仿真结果如图6所示。

由图6可见,仿真获得的轨迹与理论分析相符,S-Function Builder成功地将C语言描述的三阶轨迹规划算法转换成了Simulink模型。

4 实验与结果分析

完成了如图1所示的半实物仿真系统硬件搭建,以及如图4所示的控制算法仿真验证后,将Matlab/Simulink/RTW环境编译后的控制算法下载至xPC Target的目标机中运行,通过实时采样获取的数据,对控制算法的性能进行实验验证。

将N-111型PZT设置为Nanostepping工作模式,最大冲击取值1×108μm/s3,最大加速度取值1×105μm/s2,最大速度取值450μm/s;将PCI-6229的采样速率设为1 kHz,即伺服周期为1 ms。位移为200μm时三阶轨迹规划算法的位移响应曲线与误差曲线如图7所示。

由图7(a)可见,实际位移轨迹精确地跟踪了理论计算的位移轨迹,半实物仿真平台的实时性保障了控制算法的性能,没有出现轨迹滞后现象。由图7(b)可见,三阶轨迹规划算法可以在0.5 s内实现精度为±1μm,行程为200μm的微动控制。

5 结语

本文利用xPC Target技术,建立了压电陶瓷执行器微动控制半实物仿真系统,研究了压电陶瓷执行器三阶轨迹规划算法。实验表明,三阶轨迹规划算法可以实现压电陶瓷执行器高精度与高速度的微动控制;xPC Target半实物仿真系统可以有效评价控制算法的性能,在对精度与速度要求严格的精密定位控制领域中具有一定的应用价值。

参考文献

[1]王俐,饶长辉,饶学军.压电陶瓷微动台的复合控制[J].光学精密工程,2012,20(6):1266-1270.

[2]赖志林,刘向东,耿洁,等.压电陶瓷执行器迟滞的滑模逆模型补偿控制[J].光学精密工程,2011,19(6):1282-1286.

[3]陈辉,谭永红,周杏鹏,等.压电陶瓷执行器的动态模型辨识与控制[J].光学精密工程,2012,20(1):89-91.

[4]MERRY R J E,DE KLEIJN N,VAN DE MOLENGRAFT M JG,et al.Using a walking piezo actuator to drive and control ahigh precision stage[J].IEEE/ASME Transactions on Mecha tronics,2009,14(1):21-31.

[5]REW K H,HA C W,KIM K S.A Practically efficient methodfor motion control based on asymmetric velocity profile[J].In ternational Journal of Machine Tools and Manufacture,2009,49(7 8):678-682.

[6]REW K H,KIM K S.A.A closed form solution to asymmetricmotion profile allowing acceleration manipulation[J].IEEETransactions on Industrial Electronics,2010,57(7):2499-2506.

[7]穆海华,周云飞,严思杰,等.超精密点对点运动三阶轨迹规划精度控制[J].机械工程学报,2008,44(1):126-131.

[8]王晓东,董新民,姚崇.基于xPC的飞行控制系统半实物仿真设计[J].传感器与微系统,2011,30(1):122-124.

[9]姜达郁,李中健.基于Matlab的飞艇控制半物理实时仿真系统设计[J].现代电子技术,2012,35(12):130-133.

[10]胡寿松.自动控制原理[M].4版.北京:科学出版社,2002.

篇9：半实物仿真简介

【摘要】本文介绍了飞控系统半物理仿真平台通讯网络构建，采用标准以太网和反射内存网结合的方法进行通讯，在保证系统实时性要求下，节省建设经费。并简要介绍基于C++Builder6.0开发环境中反射内存网、标准以太网的软件开发。

【关键词】实时网络平台；反射内存网；标准以太网

1、前言

飞控系统半物理仿真是型号研制和试验过程中的一个重要环节，飞控系统作为一种强实时性的系统，其半实物仿真是时间约束非常强的过程，其计算、数据通讯和关键信号的处理如果出现超时将可能导致整个仿真实验的失败。因此，实时算法和通讯技术的研究是半实物仿真系统的关键技术。

随着计算机技术和通讯技术的迅速发展，仿真主机的速度大大提高，为飞行器非线性动力学方程的高速、高精度求解提供了条件；其次，采用实时网络通讯技术，可以实现两结点数据传输时延迟为纳秒级或微秒级。

2、仿真平台构建

为保证飞控系统半物理仿真平台的可扩展性，系统构建时引入分布式布局的思想，不同于传统一对一的宿主机-目标机模式，设计一对多的分布式模式。基本结构如图1所示。采用RTW-xPC作为实时仿真的框架（仿真主计算机-仿真目标计算机模式），子任务被分布在系统的各个成员上，成员之间通过网络连接在一起，通过各子任务并发运行来提高解算速度，满足实时应用的要求。

飞控计算机一般每10ms读取一帧数据，这要求飞控仿真系统的仿真周期远小于10ms。最初的设计是通过以太网络完成计算机之间的数据传输，但是难以保证该飞控仿真系统强实时性的要求。以任一仿真目标机为例，若每毫秒产生1000个数据，按每数据大小4字节计算，其数据量4KB，按照千兆以太网的数据传输率，则在以太网络上的时间延迟32ms，无法满足系统实时性要求。反射内存网具有可高达170MB/s的数据传输率，在反射内存网上传输的时间延迟为24us，远低于1ms的要求。

图1 仿真平台基本结构组成

本方案采用标准以太网和反射内存网（内存映射网）结合的方法进行通讯。系统中对实时性要求不高的部分采用普通的以太网络传输；系统中实时性要求较高的部分采用反射内存网搭建。以太网卡实现计算机与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配，主要针对飞控系统仿真过程中仿真主机-仿真目标机的网络通讯检测，以及实时仿真过程中接受控制信号和发送各种控制命令信号。反射内存网作为一种快速的实时网络，用来实现仿真目标计算机和信号转换计算机的数据交互。这样做的好处是既可以保证系统实时性要求，又能够节省建设费用，减少系统复杂度。

3、实时网络通讯系统

3.1反射内存网

3.1.1反射内存的概念

反射内存光纤网络采用了先进特殊的技术，具备很强的支持分布实时系统的数据传输能力。在每个需要实时通讯的节点上插入反射内存网卡（节点卡），反射内存卡上有一块专门的存储器，并且它们都映射在同一个地址空间，构成了分布式共享存储器。用户可以在分布式共享存储器中定义多个全局公用的数据存储区。当某个节点的处理器对存储器进行了“写”操作，接口板将修改的数据通过光纤自动实时的写到另一节点的对应存储器中，这样，另一节点的用户只需读取本地接口板上的相应的存储器就可以获得修改的数据。采用反射内存通讯方式的好处是：数据传输速度快，读/写操作延时为纳秒级，能够大大降低总的网络延时，减小仿真周期，满足系统的实时性要求。在反射内存网上，节点之间的通讯对软件是透明的。用户不需采用消息传递方式进行节点间的通讯，只需在本机系统中对共享存储器进行直接读写操作就可实现多机之间的通讯，大大简化了应用软件结构的复杂度，减少了用户的编程负担，能准确地算出节点之间通讯的最大延迟时间。

3.1.2反射内存网络构建

本方案采用的VMIC5565反射内存（RFM）是基于环状/星状的，高速复制的共享内存网络。它支持不同总线结构的多计算机系统，并且可以使用不同的操作系统来共享高速的、稳定速率的实时数据。

VMIPCI-5565反射内存卡可以不通过HUB直接构成环形拓扑结构的连接，也可以通过HUB构成星型拓扑结构的连接，每个结点的TX接口同下一个结点的RX接口交叉连接。这种环形拓扑结构的连接可靠性不如星型拓扑结构的连接，因为环网中任一个节点出现故障会造成整个实时网络联接中断，而星型拓扑结构下不存在这样的问题，考虑到平台节点较多，故采用星型拓扑结构的连接。

3.1.3反射内存卡使用

VMIPCI-5565反射内存卡之间或与智能型HUB之间通过两条光纤进行数据传送。其中TX插口连接发送光纤，RX插口连接接收光纤。在组网前，需要对每块反射内存卡进行统一编址，不同计算机扩展槽内的VMIPCI-5565板卡必须具有不同的地址，此地址的分配是通过板卡上的跳线来选择的。地址跳线总共有8条，通过这8条地址跳线可以选择0～255总共256个地址范围。

建立反射内存网络的通讯设计，在WindowsXP系统下安装反射内存卡驱动程序，然后在C++ Builder 6.0开发环境中添加VMIPCI-5565反射内存卡的头文件：rfm2g_windows.h，rfm2g_api.h和库文件rfm2gdll_stdc.lib到工程文件路径。至此完成了反射内存网配置。

在C++ Builder控件中添加時钟控件，利用时钟周期性（周期可设置）工作的原理，在时钟控件下进行程序设计，实时的通过反射内存卡完成数据通讯，具体方法：

a）先自定义反射内存卡设备名称，再申明句柄RFM2GHANDLE RFM2gHandle；

b）系统启动完成后，打开反射内存卡端口，调用函数：RFM2gOpen（char *DevicePath，&RFM2gHandle）；

c）在时钟控件中通过执行函数语句RFM2gRead（RFM2GHANDLE rh，RFM2G_UINT32 Offset，void *Buffer，RFM2G_UINT32 Length）从卡地址读取指定长度的数据，至此完成了数据的获取；

d）同样，如果用户需要给反射内存卡地址写入数据达到数据共享，只需执行函数语句RFM2gWrite（RFM2GHANDLE rh，RFM2G_UINT32 Offset，void *Buffer，RFM2G_UINT32 Length）即可；

e）数据校验：当通过反射内存网接收实时数据时，对每个节点的参数变量值进行求和方法计算，将得到和值与接收到的校验和信号值进行比较，如果两个值差值的绝对值小于10-4，则认为数据接收正确，否则丢掉这一包数据。

3.2標准以太网

由于标准以太网已普及使用，在此不对其概念做详细说明。建立以太网的通讯设计，需要先在网络连接中的TCP/IP属性中设置协议约定好的IP地址，子网掩码和默认网关。然后用C++Builder的网络通讯控件IdUDPServer和IdUDPClient，以及IdIcmpClient建立通讯。

a）作为客户端应该在程序设计中设置IdUDPClient需要请求连接目标机的地址和端口，即设置控件的Host和Port属性，并用Open函数打开IdUDPClient控件或者将Active属性设置为true。

b）作为服务器端，需要设置接收数据端口，必须与客户端端口一致才能正确建立通讯，同时还必须用Open函数打开IdUDPServer控件或者将Active属性设置为true。建立客户服务器之间连接之后，就可在程序设计上实现数据通讯了。

c）IdIcmpClient主要是在网络通讯检测中用到。可以设置该控件IP地址属性，然后调用ping函数，在Reply事件中得到返回值进行网络连通性检测判断。

4、结论

本文主要介绍了飞控系统半物理仿真平台通讯网络构建，并给出了具体的通讯协议及注意事项。该半实物仿真平台经使用验证，具有通信实时性好，数据传输速度快，传输可靠性高的特点，满足实时仿真需要，取得了良好的效果，被实践证明是一种成熟、有效的方法。

参考文献

[1]陆卫忠，刘文亮.C++Builder6.0程序设计教程[M].北京：科技出版社，2009.8.

[2]GE Fanuc Intelligent Platforms.Common RFM2g Application Program Interface（API） and Command Line Interpreter for VMISFT/RFM2g Drivers.

作者简介

涂晋，男，本科，助理工程师，毕业于毕业于武汉大学电子信息工程专业，主要从事浮空器控制律设计研究。