半實(shí)物仿真技術(shù)飛行控制

1、研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.18 半實(shí)物仿真技術(shù)n半實(shí)物仿真概述n物理模擬設(shè)備與技術(shù)n仿真計(jì)算機(jī)技術(shù)研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.2半實(shí)物仿真概述n概念:(Hardware-in-the-loop)n硬件在回路仿真：仿真系統(tǒng)中有實(shí)物參加。n優(yōu)點(diǎn)：可使無法準(zhǔn)確建立模型的部件直接進(jìn)入仿真回路；通過模型與實(shí)物之間的切換，進(jìn)一步校驗(yàn)?zāi)Ｐ?；?yàn)證實(shí)物部件對(duì)系統(tǒng)性能的影響。n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)。研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.3半實(shí)物仿真概述n半實(shí)物仿真技術(shù)：n環(huán)境模型建立技術(shù)：實(shí)際上指各種物理環(huán)

2、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。n物理模型建立技術(shù)：n運(yùn)動(dòng)環(huán)境：飛行模擬器（轉(zhuǎn)臺(tái)、平臺(tái)）視覺環(huán)境：視景系統(tǒng)n聽覺環(huán)境：聲場(chǎng)模擬器（魚雷）n力環(huán)境：負(fù)載模擬器（舵、發(fā)動(dòng)機(jī)）n光學(xué)環(huán)境：激光、紅外、電視目標(biāo)模擬器n電磁環(huán)境：射頻目標(biāo)模擬器（雷達(dá)導(dǎo)引頭、雷達(dá)）n壓力環(huán)境：大氣壓（高度計(jì)）、水壓（深度計(jì)）、壓力（地雷）研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.4半實(shí)物仿真概述n半實(shí)物仿真系統(tǒng)n半實(shí)物仿真系統(tǒng)的組成n半實(shí)物仿真系統(tǒng)中的模型n半實(shí)物仿真系統(tǒng)中的相似原則和相似方法研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.5半實(shí)物仿真系統(tǒng)n組成n仿真設(shè)備：如各種目標(biāo)

3、模擬器、仿真計(jì)算機(jī)、飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)、線加速度模器、負(fù)載力矩模擬器、衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器等等。n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。n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。n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。n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。研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.6半實(shí)物仿真系統(tǒng)n半實(shí)物仿真系統(tǒng)中的模型n對(duì)象模型與環(huán)境模型 ：包括環(huán)境效應(yīng)模型n物理模型與數(shù)學(xué)模型n盡量多的物理模型n不可實(shí)現(xiàn)的數(shù)學(xué)模型研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真

4、2022-2-25.7半實(shí)物仿真系統(tǒng)n相似原理與相似方法n相似原理：n幾何相似、感覺信息相似、數(shù)學(xué)相似、邏輯相似n相似方法n模式相似、模糊相似、組合相似、坐標(biāo)變換相似n實(shí)現(xiàn)方法n時(shí)間與邏輯相似 n幾何相似：空間幾何關(guān)系相似（六個(gè)自由度）n環(huán)境相似：力學(xué)、光學(xué)、電磁研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.8物理模擬設(shè)備與技術(shù)n飛行模擬器n舵負(fù)載模擬器n線加速度模擬器n目標(biāo)/環(huán)境模擬器n紅外n激光n雷達(dá)n電視n聲場(chǎng)研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.9飛行模擬器n飛行模擬器分類n飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的工作原理n飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)n飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的組成n分析模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的計(jì)算機(jī)控制研究生學(xué)

5、位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.10飛行模擬器分類n飛行模擬平臺(tái)：n功能：模擬飛行器姿態(tài)和過載n用途：飛行訓(xùn)練模擬器n飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)：n功能：模擬飛行器姿態(tài)n用途：慣性器件、導(dǎo)引頭等制導(dǎo)控制部件的測(cè)試與仿真研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.11n三自由度n航向、姿態(tài)和傾斜n六自由度n航向、姿態(tài)和傾斜及三個(gè)方向的過載（線加速度）飛行模擬平臺(tái)研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.12研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.13研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.14研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.15研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真20

6、22-2-25.16飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)n用途：仿真轉(zhuǎn)臺(tái)、測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)n結(jié)構(gòu)形式：O,U,Y,Tn驅(qū)動(dòng)形式：液壓、電動(dòng)n控制方式：模擬、數(shù)字n軸數(shù)：?jiǎn)屋S、雙軸、三軸、四軸、五軸n性質(zhì)：位置、速率研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.17研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.18研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.19研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.20研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.21飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的工作原理n基本構(gòu)成：動(dòng)力系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)n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)，為安裝在機(jī)械系統(tǒng)上的慣性測(cè)

7、量部件提供姿態(tài)運(yùn)動(dòng)環(huán)境。n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)。研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.22飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng) 校正環(huán)節(jié)前饋校正 校正環(huán)節(jié) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 測(cè)速系統(tǒng) 負(fù)載 測(cè)角系統(tǒng) 機(jī)械系統(tǒng) 轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)原理框圖 研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.23飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)n性能指標(biāo)：n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)。n功能要求：n規(guī)范轉(zhuǎn)臺(tái)在使用、維護(hù)方面的功能。研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真20

8、22-2-25.24飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)性能指標(biāo)項(xiàng)目項(xiàng)目單位單位內(nèi)框內(nèi)框中框中框外框外框備注備注最大角加速度Rad/s2454126106 最大角速度Rad/s43.33.3 轉(zhuǎn)角范圍度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% 位置系統(tǒng)頻響Hz151290.1-1度雙10速度系統(tǒng)頻響Hz201510 負(fù)載質(zhì)量公斤3050負(fù)載尺寸cm200*100*150三軸不相交度Mm0.2三軸不垂直度角秒12研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.25飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)功能要求n可使用性：機(jī)械電氣接口、按鈕和指示、視場(chǎng)、零位、初值與

9、歸零、屏蔽與干擾。n可靠性：機(jī)械和電氣越位開關(guān)、操作互鎖、手動(dòng)和自動(dòng)斷電保護(hù)n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)n可視性：臺(tái)體外觀、控制柜外觀、軟件外觀n功能擴(kuò)展：測(cè)試信號(hào)、數(shù)據(jù)記錄、曲線顯示研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.26飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的組成n動(dòng)力系統(tǒng)n伺服控制系統(tǒng)n機(jī)械系統(tǒng)研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.27動(dòng)力系統(tǒng)n液壓能源n三相電機(jī)油泵n分油器、過濾器、溢流閥n冷卻系統(tǒng)水箱，水泵n遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)調(diào)壓閥研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.28動(dòng)力系統(tǒng)n直流電源n可控硅直流電源n開關(guān)穩(wěn)壓電源研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真202

10、2-2-25.29伺服控制系統(tǒng)n控制元件：執(zhí)行控制算法，產(chǎn)生控制信號(hào)（電壓）n運(yùn)算放大器；微處理器（單片機(jī),DSP, 80X86）n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)n功率放大器（直流功放，PWM功放）；液壓放大器（伺服閥）n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)n直流電機(jī)；液壓馬達(dá)（液壓缸）n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。n測(cè)速，測(cè)角研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.30伺服控制系統(tǒng)n控制元件n運(yùn)算放大器n單片機(jī)nDSP處理芯片n80 x86研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.31伺服控制系統(tǒng)n驅(qū)動(dòng)元件n直流

11、功率放大器伺服閥nPWM功率放大器n功率開關(guān)元件：1GBTn電流閉環(huán)PID控制：100An輸出電壓：150Vn開關(guān)頻率：120 KHz研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.32伺服控制系統(tǒng)n執(zhí)行元件n液壓馬達(dá)低速大扭轉(zhuǎn)徑向柱塞馬達(dá)n直流力矩電機(jī)稀土電磁力矩研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.33伺服控制系統(tǒng)n測(cè)量元件n速度：測(cè)速機(jī)n位置：n電位計(jì)：n光碼盤：編碼器n園感應(yīng)同步器：旋轉(zhuǎn)變壓器研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.34機(jī)械系統(tǒng)n立式結(jié)構(gòu)：Y,Tn敞開式結(jié)構(gòu)：Un封閉式結(jié)構(gòu)：O研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.35計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)n特點(diǎn)：通

12、過測(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n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n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n使用要求：滿足用戶在測(cè)試使用維護(hù)方面的要求研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.36計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)n控制算法的多樣性n古典：前饋PID反饋控制n現(xiàn)代：自適應(yīng)控制、魯棒控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制n控制界面的直觀性n軟界面：曲線、數(shù)顯n軟操作：觸摸屏、鍵盤、鼠標(biāo)n控制精度高n充分發(fā)揮數(shù)字測(cè)量元件的精度優(yōu)勢(shì)n功能豐富n圖形監(jiān)控、通訊n數(shù)據(jù)記錄、處理n測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2

13、022-2-25.37計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式n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。n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)n集散式控制：采用上下位機(jī)結(jié)構(gòu)的分級(jí)控制方式nPC+單片機(jī)（或DSP）：串口、并口nPC+PC：并口、網(wǎng)卡nPC+總線嵌入式處理器：總線研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.38飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的應(yīng)用n慣導(dǎo)器件測(cè)試n角度陀螺、速率陀螺、慣性平臺(tái)等n導(dǎo)引頭測(cè)試n光學(xué)導(dǎo)引頭（電視、紅外、激光）n武器系統(tǒng)仿真n導(dǎo)彈、制導(dǎo)炸彈、魚雷、飛機(jī)研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.39舵負(fù)載模擬器n物理模型（負(fù)載力矩）

14、：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。n鉸鏈力矩：與舵偏角、速度、流體密度攻角等有關(guān)n物理實(shí)現(xiàn)n線性加載：鉸鏈力矩系數(shù)為常數(shù)。n用彈簧模擬。n隨動(dòng)加載：鉸鏈力矩系數(shù)為非線性函數(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。n用力矩伺服系統(tǒng)。液壓伺服、氣動(dòng)伺服、電動(dòng)伺服加載。n被動(dòng)加載的技術(shù)關(guān)鍵：n負(fù)載模擬器與舵機(jī)互為負(fù)載，相互影響；n加載力矩是根據(jù)舵偏角等計(jì)算出的，理論上存在延遲；n由于上述原因，理論上存在多余力。n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。研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.40舵負(fù)載模擬器n隨

15、動(dòng)加載系統(tǒng)組成n機(jī)械系統(tǒng)：n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)。n連桿加載方式：大力矩，分體臺(tái)體。液壓缸。n能源動(dòng)力系統(tǒng)：液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)n伺服控制系統(tǒng)：n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。n位置伺服控制：電位計(jì)、光碼盤、測(cè)速機(jī)。n模擬控制與數(shù)字控制：研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.41舵負(fù)載模擬器n技術(shù)指標(biāo)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力矩伺服系統(tǒng)頻帶：10 Hz(雙5指標(biāo)，力矩梯度8nm/度,)n角度伺服系統(tǒng)頻帶： 10 H

16、z(雙5指標(biāo)，角度幅度3度)n多余力：20（力矩系統(tǒng)為零指令時(shí)，角度在3度10Hz振動(dòng)）研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.42線加速度模擬臺(tái)n物理模型：質(zhì)心直線運(yùn)動(dòng)加速度。n物理實(shí)現(xiàn)：n常值：離心加速度模擬線加速度n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。n關(guān)鍵技術(shù)n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。n角度伺服：動(dòng)態(tài)環(huán)境下的角度控制。研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.43線加速度模擬臺(tái)n系統(tǒng)組成n臺(tái)體：大的旋轉(zhuǎn)軸系上安裝多個(gè)小的旋轉(zhuǎn)軸系。n能源系統(tǒng)：PWM功率放大器n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)n位置伺服

17、系統(tǒng)：直流力矩電機(jī)、測(cè)速機(jī)、光碼盤或圓感應(yīng)同步器研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.44線加速度模擬臺(tái)n性能指標(biāo)n穩(wěn)速臺(tái)：速率n量程：0.1-15g,無級(jí)調(diào)整。n靜態(tài)精度：a1g,a1g, a/a5*10-4n隨動(dòng)臺(tái)：位置n通道數(shù)：3n負(fù)載：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頻帶：6Hz（穩(wěn)速臺(tái)15g時(shí)，角度幅度3度，雙十） 研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.45目標(biāo)/環(huán)境模擬器n目標(biāo)特性n運(yùn)動(dòng)特性：用相對(duì)運(yùn)動(dòng)（角運(yùn)動(dòng)）模擬n物理特性：激光、紅外（點(diǎn)/成像）、電視、雷達(dá)、聲場(chǎng)n環(huán)境

18、特性n背景特性：大氣、陽光、地形、天氣、海洋對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憂干擾特性：與目標(biāo)物理特性對(duì)應(yīng)的假目標(biāo)、干擾信號(hào)研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.46目標(biāo)/環(huán)境模擬器n運(yùn)動(dòng)特性模擬n轉(zhuǎn)臺(tái)：相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理。n物理特性模擬n紅外點(diǎn)光源/干擾光源：光斑、能量可控。n激光光源：能量、光斑大小、編碼可控n電視/紅外成像：圖形工作站、圖形顯示系統(tǒng)n可見光：正頭、背投；屏幕、球面n紅外轉(zhuǎn)換；電阻絲、紅外CRTn射頻/聲場(chǎng)：陣列式多源。無線電波/聲波在空間合成。每個(gè)陣元的信號(hào)功率、作用時(shí)間可控。研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.47目標(biāo)/環(huán)境模擬器n分類（按照目標(biāo)信號(hào)的饋入方式）n輻射式（反射式）：尋的制導(dǎo)n輻射信號(hào)的物理性質(zhì)不同：n光學(xué)：機(jī)械式、平行光管式和復(fù)合擴(kuò)束式n微波/毫米波/聲場(chǎng)：陣列式n按照結(jié)構(gòu)n機(jī)械式：通過機(jī)械帶動(dòng)輻射源作角運(yùn)動(dòng)。n陣列式：射頻和聲場(chǎng)。n機(jī)電混合式：n注入式（直入式）：尋的制導(dǎo)、指令制導(dǎo)n按照注入信號(hào)的頻區(qū)分n中注入式、視頻注入式和低頻注入式n將目標(biāo)特性直接注入目標(biāo)探測(cè)設(shè)備研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.48典型仿真方案大屏幕實(shí)現(xiàn)可見光圖像仿真方案激光目標(biāo)漫反射仿真方案研究生學(xué)位課程系統(tǒng)建模與仿真2022-2-25.49典型仿真方案