飞控系统半物理仿真教学实验探究

飞控系统半物理仿真教学实验探究作者：唐鹏张文涛刘晓锋
来源：《教育教学论坛》2021年第49期
[摘要] 目前，飞行控制系统教学实验主要以Matlab/Simulink建模仿真为主，传统手工编
码设计控制器软件的设计方法面临教学难度大、调试过程复杂等问题。

基于快速原型技术，引入三轴转台、飞控计算机等硬件设备，设计了半物理仿真教学实验。

教学结果表明，教学实验能够帮助学生理解数学仿真和实际飞行之间如操纵指令的延迟、传感器特性干扰、离散域和连续域之间的差异，了解飞行器的姿态运动及地面实验的方法，有利于提高学生的实践能力和综合解决问题的能力。

[关键词] 飞行控制系统;基于模型;半物理仿真;教学实验
[基金项目] 2020年度北京航空航天大学本科生教学改革项目“飞行器适航技术专业课程设计教学实践”
[作者简介] 唐鹏（1980—），男，北京人，博士，北京航空航天大学交通科学与工程学
院实验师，主要从事飞行控制与试飞研究;张文涛（1995—），男，河南焦作人，北京航空航
天大学交通科学与工程学院2019级交通运输工程专业硕士研究生，研究方向为无人机飞行控
制系统半物理仿真和地面驗证;刘晓锋（1979—），男，辽宁凌源人，博士，北京航空航天大
学交通科学与工程学院副教授（通信作者），主要从事系统建模与控制飞行研究。

[中图分类号] C229.29 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2021）49-0082-04 [收稿日期] 2021-04-20
一、引言
飞行控制系统的开发遵循设计—实现—验证的V模式，地面设计与试验主要包括以下步骤：动力学建模、控制器设计、数字仿真验证、控制算法/软件实现、半物理仿真验证[1-3]。

在传统的飞控系统设计中，完成飞行控制律设计和数字仿真验证后，需要根据飞控硬件系统开展机载代码编写、测试。

而目前基于模型的飞控系统开发技术方兴未艾，在飞控工程师基于Matlab/Simulink设计平台完成控制律设计后，可以直接生成机载代码，大幅提升飞控系统研发效率。

与此同时，飞控系统的地面试验验证作为必要的后续测试与验证手段，能够快速确认在飞行控制律的机载实现中是否存在缺陷，成为当前飞控系统快速研发的趋势，也是未来飞控系统研发人员所必须具备的能力。

因此，本文从飞控系统快速设计与验证的角度出发，运用基于模型的工具，引入飞控计算机、三轴转台等硬件，构建地面半物理仿真实验系统开展教学实验。

通过开展飞控系统的半物理仿真验证教学实验[4，5]，增强学生对于飞控系统
开发与验证全流程的理解，锻炼学生的设计验证实践能力。

二、快速原型技术与教学实验平台
快速原型技术是通过将产品研制初期的设计思想和结果快速地转换为能够反映产品主要功能和外观的三维实体模型，快速地设计出符合用户和市场需求的产品。

具体到飞控系统研发，设计人员均采用Simulink对模型进行模块化、图形化的建模，在充分验证模型的正确性后，利用RTW自动生成代码技术，将Simulink模型生成优化的、可移植的代码，并可以根据目标配置生成硬件环境下的可执行程序，之后借助系统验证环境进行半物理仿真验证[6，7]。

将快速原型技术应用到飞控系统教学实验，学生在数字仿真验证后，可快速地将控制器生成实时代码并加载到飞控计算机中开展后续的验证实验，若出现设计不完善或者算法设计不合理的情况，都可以进行快速调整。

半物理仿真实验平台结构框图如图1所示。

实验平台采用“上—下”位机架构，上位机是1台Windows主控计算机，进行控制算法模型及飞行器动力学模型设计、软件运行管理和快速代码生成;下位机由1台实时仿真机和1个飞控计算机组成;实时仿真机主要负责解算飞行器动力学模型;飞控计算机运行实时生成的控制律模型代码;三轴转台模拟飞行器姿态运动。

该半物理仿真平台可以用于控制系统离散化实验、机载代码生成及测试实验、处理器在环仿真实验（PIL）、硬件在环仿真实验（HIL）[8]。

三、半物理仿真实验
在控制律设计完成后，经过了桌面仿真确认，即可开展半物理仿真实验。

半物理仿真实验由控制系统离散化、机载代码生成及测试、处理器在环、硬件在环实验四部分组成。

首先需要将桌面仿真时采用的连续域控制器转化为离散域，同时增加控制器输入/输出接口，然后经
过机载代码自动生成并进行一致性测试后，加载到飞控计算机中开展处理器在环仿真实验，最终应用飞行器动力学模型仿真驱动三轴转台，将接通姿态传感器的飞控计算机固连于转台之上开展硬件在环仿真实验。

实验中各个步骤依托设备如下：
控制系统离散化实验：主控计算机。

代码生成及测试实验：主控计算机+飞控计算机。

处理器在环仿真实验：主控计算机+目标仿真机+飞控板。

硬件在环仿真实验：主控计算机+目标仿真机+飞控板+三轴转台。

（一）控制律离散化实验
在控制系统的纯数字设计与仿真中，一般应用连续域控制器，但是在半物理仿真中，由于需要将控制算法与硬件相结合，所以必须将连续域控制器离散化。

z变换是一种用幂级数表示离散信号的方法[9]，是傅里叶变换的推广，也是拉普拉斯变换的一种变形，是由采样函数的拉普拉斯变换经由代换（T为采样周期）而得。

在实验环节中，学生通过对比离散化前后的系统响应，并以飞控计算机的基本运行方式和涉及的相关原理为背景，有助于开启从书本中的控制系统到真实控制系统设计观念的转变。

（二）机载代码生成实验
控制算法需要通过机载代码生成并下载到飞控计算机中，与传统人工编写代码相比，机载代码简洁方便、节省时间，但一般需要通过实际处理器的运行结果对比来验证代码实现的功能与原模型一致。

本实验环节设置了滚转、俯仰、油门、偏航四个指令输入通道来模拟真实遥控器指令输入。

在飞控系统的相同输入下，对比桌面模型的解算结果与自动生成的代码解算结果，并且通过Matlab/Simulink的Assertion模块自动判断两者输出是否存在差异，即可完成初步的飞行控制律代码实现的校验，确保载入飞控计算机代码的正确性。

此时还应强调根据飞行管理系统的逻辑关系进行遍历，以确保逻辑功能的正常。

（三）处理器在环实验
处理器在环实验是在机载代码生成的实验基础上，将经过验证的机载代码装订到飞控计算机之中，并且将飞控计算机与模型仿真机实时连接，在模型仿真机输出的虚拟传感器信号作用下验证飞控计算机硬件解算是否与设计一致。

需要注意的是，在本实验中需要添加硬件接口模型组成最终的实验导入机载模型。

主要包括遥控器模块、传感器模块、通讯模块、蜂鸣器显示灯模块。

各模塊之间的信号连接、数据类型需要确认无误，最终的机载转代码模型如图2所示。

其中遥控器模块和传感器模块作为操纵指令输入和传感器实测信号输入;算法模块是实验
（二）中验证的控制算法;通讯模块主要是实现仿真机和飞控计算机之间的双向信息传递，即飞控计算机向仿真机发送舵面偏转指令，仿真机向飞控计算机回传由动力学模型解算的传感器信号;蜂鸣器显示灯模块主要用来监测飞控计算机运行状态，包含代码加载过程状态显示、加载完成状态显示、飞控是否解锁状态显示、故障状态显示等。

与机载代码生成测试实验相比，处理器在环实验中机载模型添加了软硬件关系映射及相关硬件模型，进一步验证代码实现的功能。

本实验环节，机载模型通过快速原型技术生成实时代码，加载至在飞控计算机，动力学模型编译后下载到仿真机运行，两者通过串口进行数据传输实现闭环仿真。

学生在实验中可实现飞控计算机引入仿真回路，验证存在一定通讯延迟的条件下，控制算法在实际飞控计算机中实现的控制功能。

（四）硬件在环实验
硬件在环实验是在处理器在环实验的基础上，加入三轴转台模拟飞行器姿态运动，用真实传感器测量的姿态角信号代替仿真机模型解算的信号，将转动运动的传感器特性纳入实验考察的对象之中，这也是工程中经常应用的地面测试手段之一。

实验中引入实际传感器和三轴转台，同时带来了时间延迟、偏差、死区等系统真实特征，能够使学生具有更加真实的研发体验。

若将实验结果与处理器在环结果、数字离散仿真结果进行对比，学生可以分析图3中的示例曲线，尽管三种模式的仿真结果相似，但是与数字离散仿真结果相比，PIL和HIL模式响应超调量微增。

这样能够更加直观地向学生解释半物理仿真中接入了网络通信、转台、传感器等实物，带来了附加的延迟、死区等非线性动力学特征的影响。

同时，HIL模式仿真结果显示，转台静态条件下传感器测量的俯仰角存在小幅初始偏差，这也是MEMS传感器所反映的真实特性。

总之，通过本实验可以更加真实地模拟飞控系统在真实环境下的使用特征，让学生身临其境地体验到飞控系统的运行环境，加深学生对于真实设计中存在的延迟、偏差等影响因素的认知。

四、结语
设计开发了飞控系统半物理仿真实验，主要包含飞控律连续域-离散域转换实验、机载代码生成及测试实验、处理器在环实验、硬件在环实验等。

提升了飞控系统设计教学的生动性，激发了学生的学习兴趣。

通过飞行器控制律模型测试修改、硬件系统调试、结果分析等过程，有利于加深学生对飞行控制器设计—实现—验证整个过程的认识，提升学生实践和综合解决问题的能力，还可以将本系统用于微小型飞行器设计研发，支持学生高效开展课外科技活动。

参考文献
[1]廖新涛.基于快速原型的无人机仿真技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2015.
[2]田传艳，胡军照，刘继奎，等.一种低成本的半实物飞行仿真系统[J].系统仿真学报，2019，31（6）：1123-1127.
[3]曹泽玲.小型无人机制导与控制半物理仿真系统研究与设计[D].南昌：南昌航空大学，2018.
[4]陈聪，金洋，王轩，等.飞机系统虚拟仿真实践教学平台开发[J].实验室研究与探索，2017，36（4）：83-86.
[5]罗喜霜，宋亮，雷玮，等.基于模型的预警无人机飞控系统开发与验证[J].计算机测量与控制，2017，25（12）：283-287.
[6]韩本刚，毛师彬.基于xPC目标的无人机半物理仿真系统设计与实现[J].弹箭与制导学报，2019，39（2）：15-19.
[7]辛国柏，卢京潮，闫建国.一种小型无人机半物理仿真系统实现[J].计算机仿真，2008（6）：66-69.
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[9]周小玲，于育民，王其如.关于z变换的研究及其在解差分方程中的应用[J].数学的实践与认识，2010，40（14）：183-189.
Exploration on Teaching Experiments of Semi-physical Simulation of Flight Control System
TANG Peng， ZHANG Wen-tao， LIU Xiao-feng
（School of Transportation Science and Engineering， Beihang University， Beijing 100191，China）
Abstract： The teaching experiment of flight control is mainly based on Matlab/Simulink modeling and simulation. The traditional design method of manual coding controller software faces the problems of difficult teaching and complex debugging process. Based on rapid prototype technology， hardware devices such as three-axis turntable and flight control computer are introduced to design the semi-physical simulation teaching experiments. The results show that the teaching experiments can help students understand the differences between the mathematical simulation and actual flight， such as the delay of control command， the interference of sensor characteristics， the discrete domain and continuous domain， and understand the aircraft attitude motion and ground experiment methods，which is conducive to improving students’ practical ability and comprehensive problem-solving ability.
Key words： flight control system; model-based; semi-physical simulation; teaching experiments。