半实物仿真
半实物仿真简介
半实物仿真平台简介2.1组成半实物仿真平台主要由主控计算机、仿真计算机、控制计算机（原型机）、A/D接口、D/A接口及相关能源设备、记录设备等组成，如图1所示。
其中被控对象采用数学仿真，由dSPACE仿真计算机通过软件实现；控制计算机用仿真实物实现，即用dSPACE标准组件作为控制计算机的快速原型机，实现控制计算机功能；仿真计算机通过A/ D、D/A等输入输出口与控制系统实物相互，实现数字控制器与外界设备的信息交换。
输入和输出信息分别从转接口和dSPACE引出，通过记录仪进行记录。
2.2主控计算机主控计算机是整个仿真系统的上位机，采用有多个ISA总线的工控机，安装MATLAB6.5系列软件、dSPACE软件，用于构建控制系统Simulink框图、进行系统参数优化和数字仿真、控制仿真过程、编译下载仿真软件、输入输出仿真结果等。
根据控制系统设计和建模结果，利用MATLAB/Simulink构建系统数字仿真框图，进行数字仿真和控制参数优化。
在数字仿真的基础上，利用dSPACE提供的RTI软件，将被控对象的Simulink框图生成实时代码并自动下载到dSPACE仿真计算机中；将控制器控制方程的Simulink框图生成实时代码并自动下载到dSPACE快速原型机中。
用dSPACE提供的综合试验与测试环境软件ControlDesk、自动实验及参数调整软件MLIB/MTRACE、PC与实时处理器通信软件CLIB 以及实时动画软件RealMotion等实现试制和参数测量。
该软件环境可以方便地实成、下载和试验调试等工作。
2.3仿真计算机用dSPACE标准组件系统DS1005PPC处理器板作为仿真计算机，用以模拟被控对象。
DS1005PPC处理器与主控机之间用光缆连接交换数据。
DS1005PPC板主频480MHz；片内数缓存均为32KwordS；通过32位PHS总16块I/O板，通过ISA总线与主机进行并具有相当强的计算能力。
仿真技术的分类
仿真技术的分类仿真技术是一种基于计算机建模和模拟的技术，用于对现实世界中的各种系统进行模拟和实验。
根据所用模型的类型，仿真技术可以分为物理仿真、计算机仿真（数学仿真）和半实物仿真。
物理仿真是指根据真实系统的物理模型进行模拟，包括物理现象、化学反应等，计算机仿真则是指通过数学模型进行模拟，包括各种算法、数据结构等，而半实物仿真则是将真实系统和计算机系统结合起来进行模拟。
根据所用计算机的类型，仿真技术可以分为模拟仿真、数字仿真和模拟/数字混合仿真。
模拟仿真是指通过模拟电路、模拟器等工具进行模拟，数字仿真则是指通过计算机软件进行数字模拟，而模拟/数字混合仿真则是将两者结合起来进行模拟。
根据仿真对象中的信号流，仿真技术可以分为连续系统仿真、离散系统仿真和连续/离散混合系统仿真。
连续系统仿真是指对连续变化的系统进行模拟，离散系统仿真则是指对离散事件进行模拟，而连续/离散混合系统仿真则是将两者结合起来进行模拟。
根据仿真时间与实际时间的比例关系，仿真技术可以分为实时仿真（仿真时间标尺等于自然时间标尺）、超实时仿真（仿真时间标尺小于自然时间标尺）和亚实时仿真（仿真时间标尺大于自然时间标尺）。
实时仿真是指仿真的时间进度与实际时间保持一致，超实时仿真则是指仿真的时间进度快于实际时间，而亚实时仿真则是指仿真的时间进度慢于实际时间。
此外，根据不同的应用领域，仿真技术还可以分为不同的类型。
例如，在航空航天领域，仿真技术可以用于模拟飞行器的飞行过程、控制系统的设计和优化等；在汽车领域，仿真技术可以用于模拟汽车的行驶过程、动力系统的设计和优化等；在电子领域，仿真技术可以用于模拟电路的运行过程、信号的处理和分析等。
总之，仿真技术是一种广泛应用于各个领域的综合技术，其分类和应用方式因不同的标准和领域而异。
通过仿真的手段可以更深入地了解现实世界的各种系统和现象，从而更好地设计和优化这些系统，为人们的生活和技术的发展带来更多的便利和进步。
半实物仿真技术基础及应用实践
半实物仿真技术基础及应用实践半实物仿真技术，是一种将实物元素与虚拟元素结合的仿真技术。
它结合了虚拟现实技术、计算机图形学、人机交互技术等多个学科的知识，旨在模拟真实环境，为用户提供身临其境的体验。
半实物仿真技术的基础是虚拟现实技术。
虚拟现实技术通过计算机生成的图像和声音，为用户创造了一个仿真的虚拟世界。
完全依靠虚拟现实技术存在一些局限性，如缺乏真实感和触感，无法真实模拟物体的质感和重量等。
为克服这些问题，半实物仿真技术引入了实物元素，使用户能够感受到真实的触觉和交互体验。
在半实物仿真技术的应用实践中，存在着广泛的领域和应用。
其中之一是娱乐和游戏领域。
通过使用半实物仿真技术，游戏开发者可以为玩家打造出更加真实的游戏体验，例如使用物理反馈设备模拟武器的震动和力量，或者使用运动捕捉技术追踪玩家的动作实时反馈到虚拟世界中。
除了娱乐和游戏领域，半实物仿真技术也被应用于教育和培训领域。
通过使用半实物仿真技术，教育者可以创造出逼真的场景，使学生能够在安全的环境中进行实践和训练。
在医学教育中，半实物仿真技术可以用于模拟手术操作，使学生能够在模拟器上练习真实的手术技能。
半实物仿真技术还可以应用于产品设计和工程领域。
通过使用半实物仿真技术，设计师和工程师可以在设计过程中进行虚拟测试和验证。
这样可以大大减少实际原型的制作成本和时间，同时提高产品的质量和可靠性。
半实物仿真技术在各个领域中都有广泛的应用。
它不仅可以提供身临其境的体验，还可以大大提升效率和减少成本。
随着技术的不断发展，半实物仿真技术将会在更多的领域中得到应用，并为我们带来更好的体验和效果。
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。
半实物仿真技术在飞行器研制中的应用
半实物仿真技术在飞行器研制中的应用导言随着航空技术的不断发展，飞行器研制的过程变得越来越复杂。
传统的试验方法在成本、时间和安全性方面存在很大的局限性。
因此，半实物仿真技术作为一种重要的辅助手段，在飞行器研制中发挥着重要的作用。
本文将探讨半实物仿真技术在飞行器研制中的应用，并分析其优势和不足之处。
半实物仿真技术概述半实物仿真技术是一种将实物和计算机仿真相结合的技术方法。
它通过建立真实的硬件系统或实物模型，并与仿真软件相连接，使得硬件系统或实物模型能够与虚拟环境进行交互。
半实物仿真技术能够模拟真实环境下的各种情况和事件，为飞行器研制工作提供了高保真度的验证和测试平台。
半实物仿真技术在飞行器研制中的应用1. 飞行器设计验证在飞行器设计的早期阶段，使用半实物仿真技术进行验证是非常重要的。
通过建立飞行器的实物模型，并结合相关的仿真软件，可以对飞行器的各项性能进行分析和评估。
例如，可以通过半实物仿真技术来验证飞行器的气动特性、结构强度和稳定性等。
这样可以大大降低实际试飞带来的风险和成本，同时加快设计迭代的速度。
2. 系统集成测试在飞行器研制的过程中，系统集成测试是一个非常重要的环节。
通过半实物仿真技术，可以将各个子系统进行模拟和集成，以验证整个飞行器系统的性能和可靠性。
这种方法可以提前发现和解决潜在的问题，确保飞行器的正常运行。
半实物仿真技术不仅可以模拟真实的工作环境，还可以模拟各种异常情况和故障，使得系统的测试更加全面和真实。
3. 飞行器操作培训在飞行器研制完成后，飞行操作员的培训是非常重要的。
通过半实物仿真技术，可以将真实的驾驶舱和飞行操作界面进行模拟，并结合相关的控制软件，提供真实的操作体验。
飞行操作员可以通过模拟场景进行训练，熟悉飞行器的各项系统和操作流程，提升其操作技能和应对突发事件的能力。
这种培训方法具有较低的成本和安全风险，同时提高了培训效果。
半实物仿真技术的优势半实物仿真技术在飞行器研制中具有以下一些优势：1.成本效益：相比于传统的实物试验，半实物仿真技术的成本要低得多。
雷达半实物仿真的意义
1.雷达半实物仿真的意义在雷达系统的研制和调试过程中，对雷达性能和指标的测试是一个重要的环节。
如全部采用外场测试，将耗费大量人力、物力、财力，且易受天气状况影响，延长雷达系统研制周期。
作为雷达系统测试的有效手段，近年来雷达信号模拟技术以其灵活性和低成本受到了普遍关注。
雷达半实物仿真是通过包括微电子技术、计算机技术和信号处理技术等在内的各种技术来复现雷达信号的产生、传递等的动态过程。
目的是对算法进行测试、评定系统功能、测试雷达系统的综合性能等。
雷达半实物仿真在雷达系统研制过程中的不同阶段起着关键作用：1.雷达半实物在系统设计阶段的作用在雷达系统的设计阶段，雷达系统设计的主要任务是确定总体方案、系统指标和各个分系统的指标。
采用传统的方式对系统方案和指标进行验证，不仅准确性较低，而且设计周期会比较长。
采用半实物仿真技术，可以使得对雷达设计性能的评估更加快捷和准确。
2.雷达半实物仿真在样机研制中的作用在样机调试中，采用雷达半实物仿真技术，可以为雷达各个分系统产生雷达目标特性、目标飞行航迹、接收机噪声、干扰、杂波等实验条件，而且可以单独对该分系统的性能和对外接口关系进行测试，大大缩短了系统的研制时间。
3.雷达半实物仿真在交付使用阶段的作用在雷达系统交付使用阶段，雷达半实物仿真不仅可以为检测雷达系统的性能提供方便的评估手段，而且也为用户学习和熟练掌握雷达提供了各种作战环境。
雷达半实物仿真按模拟的频段可分为：射频半实物仿真、中频半实物仿真、视频半实物仿真。
一般情况视频半实物仿真可通过一定的处理过程，转换成雷达中频半实物仿真和雷达半实物仿真。
雷达模拟器就是雷达半实物仿真技术的应用。
本文雷达半实物仿真主要研究雷达模拟器相关。
2.雷达半实物仿真研究状况2.1.国外雷达半实物仿真研究状况从70年代起，雷达半实物仿真技术在发达国家普遍应用。
美国陆军试验鉴定司令部的红石技术中心开发了模拟/试验验收设施（STAF）。
这是一种半实物仿真模拟器，它能对真实的毫米波雷达制导导弹进行无损检测，导弹能在仿真的环境中利用多台计算机为基础的试验场景进行试验。
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。
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
半实物仿真基本原理
半实物仿真基本原理嘿，朋友们！今天咱来唠唠半实物仿真的基本原理。
你说这半实物仿真啊，就好比是一个神奇的魔法盒子。
咱平时生活里不是有好多实际的东西嘛，像各种机器啦、设备啦。
那半实物仿真呢，就是把这些实实在在的玩意儿和虚拟的世界结合起来。
想象一下，就好像你在玩游戏，但是游戏里的一部分是真真实实存在的东西，这多有意思啊！它能让我们在一个相对安全又能控制的环境里，去模拟那些复杂的情况。
比如说，咱可以用它来测试新研发的汽车性能，不用真的把车开到路上冒险，多保险呐！这半实物仿真的好处可多了去了。
它能帮我们省钱啊！不用每次都搞个大工程来试验，就在这个魔法盒子里模拟一下，效果不也挺好嘛。
而且还能省时间呢，不用等各种准备工作都做好了再去实践。
它就像是一个聪明的导演，能安排各种场景和情节。
咱可以让它下雨、下雪、出太阳，想怎么来就怎么来。
这可比现实世界好控制多啦！咱再打个比方，这半实物仿真就像是搭积木。
我们把不同的部分组合起来，搭建成我们想要的样子。
这些部分可能是真实的传感器，也可能是虚拟的模型。
它们一起合作，就能创造出一个逼真的场景。
它可不是随随便便就能弄好的哦，得有专业的知识和技术才行。
就像厨师做菜一样，得知道放多少盐、多少油，才能做出美味的菜肴。
搞半实物仿真的人也得知道怎么调整各种参数，才能让仿真效果达到最好。
那怎么才能做好半实物仿真呢？首先得有好的模型吧，这模型就像是房子的根基，不牢固可不行。
然后还得有精确的测量和数据，这就像是给模型穿上合适的衣服，得合身才行。
咱平时生活中很多地方都能用到半实物仿真呢，航天领域、军事领域、工业领域等等。
它就像一个默默无闻的英雄，在背后为我们的进步和发展贡献着力量。
你说这半实物仿真是不是很神奇？是不是很值得我们去深入了解和研究？反正我觉得是挺有意思的，它给我们带来了太多的便利和可能。
所以啊，咱可不能小瞧了它，得好好利用它，让它为我们的生活和工作带来更多的惊喜和改变！原创不易，请尊重原创，谢谢!。
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
半实物仿真讲座课件
MATLAB
用户 M 文件 ...
综合控制 自动参数优化 试验控制
MLIB/MTRACE
参数读写
获取实时数据
硬件设备驱动
实时处理器
MotionDesk
➢ 实时3-D动画显示 ➢ 支持VRML2格式的3-D素材库 ➢ 图形化视景设计 ➢ 提供与其他dSPACE工具类似的GUI
ControlDesk Display
编译器
➢ DS1103, DS1104, DS1005 和 MicroAutoBox PowerPC C编 译器
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
提供可定制的扩展软件/硬件模块，满足特殊应用需求。
Simsoft仿真管 理软件
第三方数据接口模块 VP/VAPS/Labview等
IO Simulink模块库
VxWorks代码生成
模块
HRT-MP分布式仿 真组件
嵌 matlab 入
G4矢量运算
Simulink支持库
模型管理模块
Gnu或Diab编译器 for x86和PowerPC Vxworks实时内核 （包含TCP/IP) 仿真模型控制模块
➢ 每个CPU最大拥有8MB缓存空间； ➢ 每个系统可拥有256MB~32GB内存空
间；
➢ 小型塔式或卧式机箱 ➢ 实时时钟及中断模块(RCIM)； ➢ 支持种类丰富的IO板卡； ➢ 可选VME I/O系统； ➢ 可选高性能图形显示卡，构成实时
图形计算机；
RedHawk® Linux®
半实物仿真
带宽 传输速率 拓扑结构 通信介质
传输距离
节点数 存储器容量 存储器类型
传输延迟
错误检测/ 纠正
中断传输 支持总线
操作系统
150Mbit/s 16.7MB/s 环（Ring） 同轴电缆，标准光纤， 长距离光纤 标准 300m 长距离 3500m
256 8Mbyte DRAM（SIMM） 0.8us（4bytes） 1.5us（16bytes）
第七章 半实物仿真
主要内容
7.1半实物仿真的概念 7.2半实物仿真的支撑技术 7.3半实物仿真的工程实例
7.1.1半实物仿真的概念
半实物仿真 ，又称为硬件在回路仿真(hardwarein-loop simulation )，是将实物 (控制器)与在计算 机上实现的控制对象的仿真模型联接在一起进行 试验的技术。在这种试验中，控制器的动态特性、 静态特性和非线性因素等都能真实地反映出来， 因此它是一种更接近实际的仿真试验技术。这种 仿真技术可用于修改控制器设计（即在控制器尚 未安装到真实系统中之前，通过半实物仿真来验 证控制器的设计性能，若系统性能指标不满足设 计要求，则可调整控制器的参数，或修改控制器 的设计），同时也广泛用于产品的修改定型、产 品改型和出厂检验等方面。
7.1.2半实物仿真的特点
①只能是实时仿真，即仿真模型的时间标尺和自然 时间标尺相同。
②需要解决控制器与仿真计算机之间的接口问题。 例如，在进行飞行器控制系统的半实物仿真时， 在仿真计算机上解算得出的飞机姿态角、飞行高 度、飞行速度等飞行动力学参数会被飞行控制器 的传感器所感受，因而必须有信号接口或变换装 置。这些装置是三自由度飞行仿真转台、动压－ 静压仿真器、负载力仿真器等。
主机平台支撑：
半实物仿真技术研究及未来前景
性发 展存 在 着更 加 深远 的影 响作 用 ，然 而相 关 方面 依然 存 在 着 诸 多 问题 导致 其 发展 受 到 阻碍 。所 以要从 企业 的层 面 、政 府 的层 面 以及 市 场 的层 面三 方 面入 手 ， 同时加 强 技 术层 面 的发 展和 制度 层面 的发 展 。
ｎ ｄｕ ｓ ｔ ｒ ￣ｆ ｏ ｃ ｕ ｓ 物联网
对 于仿 真 系统 ，其 主要 就 是面 向某 个 研 究 的 问题 建 立 个 系 统 ，其 组 成 与研 究 的系 统 问题 是 直接 的联 系 。一 套 仿真 系 统 ，其组 成框 架 图如 图 １ 所示 。
一
前 已经取 得 了重要 的发展 ，其未来 的发展将 会是如 下几个方 面： （ １ ）环境 特性 仿真 领域 。 由于环 境系 统组成 复杂 ，对 其 进行仿 真研究 ，涉及到力 学 、光 学、声学 、 电磁学 等 ，未 来 环境仿 真技术将 会形成视 觉 、听 觉、触觉 方面 的力 、光 、 电、热 、磁 反馈 等环 境感 知仿 真 ； （ ２ ）分布 交互 仿真 。 由 于 目前人们研 究 问题 时 ，考 虑的 因素相 对而 言 比较全 面 ，即 使 一些与待研 究 问题 只有部 分关联 的因素也 都被考虑 在 内， 如 此数量众 多 的因素， 需要 借助大量 的仿真器 或者是 实物进 行 反 应 ，这 些仿 真器 和 实物 数 量 的增 长 ，必 然会 带 来工 作 量 的增长 ，这 也使得 仿真实验 的效果大 大 降低 ， 因此 ，基于 Ｓ Ｉ ＭＮ Ｅ Ｔ 的异 构性 网络互联 的分 布交 互仿真 技术 必将是 未来 研 究的重 点，进 而指导 半实物仿真 ，降低仿 真工作量 。 ４ 结束语 在信 息化 时代 ， 高科技 技 术 必将促 进 人 类生 活环 境 水 平 不断 提 升 。仿真 技 术作 为 一种高科 技 的定量 分 析技 术 ， 在 对 问题 的分 析 研 究过 程 中 ， 必 将 会 起 着 辅 助 研 究 的作 用 。因 此 ，需 要进 一 步加 大对 其 研 究 ，进而 促 进其 在 改善 人 类生 活 过程 中发 挥更 多 的作 用 。
飞行器半实物仿真系统技术解决方案
飞行器半实物仿真系统技术解决方案
一 概述
在系统/产品的开发过程中，半实物仿真是一个重要的仿真环节。半实物仿 真较纯数学仿真接近实际环境要求，但相对于完全实物仿真而言，又可以以较低 的成本进行。
随着技术的发展，出现了许多支持半实物仿真环境开发的软硬件平台，其中 由德国 dSPACE 公司开发的实时仿真系统提供了快速原型和半实物仿真两方面 应用的统一平台。它是一套基于 MATLAB/Simulink 的控制系统开发及测试的工 作平台，实现了和 MATLAB/Simulink 的完全无缝连接。dSPACE 实时系统拥有 具有高速计算能力的硬件系统，包括处理器、I/O 等，还拥有方便易用的实现代 码生成/下载和试验/调试的软件环境，这样，在 dSPACE 强大能力的支持下，就 可以很好地解决快速控制原型和半实物仿真问题：
数据接口
图 1.1 飞行器半实物仿真系统结构示意图
半实物仿真是纯数学仿真的进一步。为了使半实物仿真平台能够在数学仿真 和半实物仿真之间方便地切换，本系统的设计方案采取如图 1.1 所示的仿真平台 方案。
在图 1.1 所示的仿真平台上，可以进行如下仿真。 （1）半实物仿真
其仿真原理是：仿真平台按指定运动规律对飞行器动力学进行仿真，产生并 输出姿态运动参数、位置参数；飞行器姿态运动参数，包括姿态角、姿态角速率 及角加速度，输出给控制柜，控制柜控制电动转台产生相应的运动，以模拟飞行 器的姿态运动；此外，仿真平台还要输出飞行器位置信息给 GPS 模拟器，由 GPS 模拟器模拟飞行器的位置信息；安装在电动转台上的惯性组件敏感转台的运动， 相当于敏感飞行器的姿态信息；飞行控制器调试平台从惯性组件接收飞行器的姿 态信息，从 GPS 模拟器接收飞行器的位置信息，通过控制算法的解算，输出相 应控制指令；控制指令输入给舵机模拟器，由舵机模拟器产生输出舵面偏转指令； 仿真平台根据多面偏转指令，对飞行器动力学进行解算，仿真飞行器的飞行控制； 同时，在仿真中，测试验证平台接入到半实物仿真回路中，对飞行器的运动参数 进行实时动态显示。 （2）性能测试试验
半实物仿真技术
物理实现
用弹簧模拟。
随动加载：铰链力矩系数为非线性函数。需用仿真机实时根据相关 参数进行插值计算，然后施加到舵轴，是被动加载。
用力矩伺服系统。液压伺服、气动伺服、电动伺服加载。
被动加载的技术关键：
负载模拟器与舵机互为负载，相互影响； 加载力矩是根据舵偏角等计算出的，理论上存在延迟； 由于上述原因，理论上存在多余力。 高度的动态特性：伺服系统性能要高于舵机的性能。
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
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。
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
半实物仿真系统
组成
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。
舵负载模拟器
abb公司核电半实物仿真
abb公司核电半实物仿真ABB公司核电半实物仿真ABB公司是全球领先的电力和自动化技术供应商，致力于为各行各业提供先进的解决方案。
核电是一种清洁、可持续的能源形式，在全球范围内得到广泛应用。
ABB公司在核电领域有着丰富的经验和技术实力，为核电站的运行和管理提供全方位的支持。
核电站是复杂的工程系统，涉及到核反应堆、蒸汽发生器、蒸汽涡轮发电机组等多个关键设备。
为了确保核电站的安全运行，ABB公司开发了核电半实物仿真技术，通过模拟真实核电站的运行情况，帮助人们更好地理解和掌握核电站的运行原理和操作方式。
核电半实物仿真是通过计算机软件和硬件系统，将核电站的各个部分进行精确的模拟和虚拟化。
通过这种仿真技术，人们可以在虚拟环境中进行各种操作和实验，而不需要真实投入大量资源和风险。
这种仿真系统可以模拟核反应堆的工作过程、蒸汽发生器的运行状况，甚至可以模拟各种可能的事故情况，帮助人们了解和应对各种突发事件。
核电半实物仿真技术的核心是仿真软件和仿真平台。
ABB公司开发的仿真软件可以根据用户需求，对核电站的各个部分进行精确的建模和模拟。
这些软件可以模拟核反应堆的物理过程、蒸汽发生器的热力特性、蒸汽涡轮发电机组的发电效率等。
通过这些仿真软件，人们可以观察和分析核电站的运行情况，优化操作方式，提高发电效率。
除了仿真软件，核电半实物仿真还需要一个仿真平台来支持。
这个平台可以是一个真实的控制室，也可以是一个虚拟的控制室。
在这个仿真平台上，人们可以通过各种控制设备和显示屏，对核电站进行操作和监控。
通过这个仿真平台，人们可以实时了解核电站的运行状况，及时发现和解决问题。
核电半实物仿真的好处是显而易见的。
首先，它能够提供一个安全的环境，让人们进行各种操作和实验，而不需要真实投入大量资源和风险。
其次，它可以帮助人们更好地理解和掌握核电站的运行原理和操作方式，提高工作效率。
最重要的是，它可以帮助人们预测和应对各种可能的事故情况，提高核电站的安全性和稳定性。
半实物仿真技术发展综述
半实物仿真技术发展综述1、半实物仿真技术1.1半实物仿真系统定义半实物仿真，又称为硬件在回路中的仿真(Hardware in the Loop Simulation)，是指在仿真实验系统的仿真回路中接入部分实物的实时仿真。
实时性是进行半实物仿真的必要前提。
半实物仿真同其它类型的仿真方法相比具有经济地实现更高真实度的可能性。
从系统的观点来看，半实物仿真允许在系统中接入部分实物，意味着可以把部分实物放在系统中进行考察，从而使部件能在满足系统整体性能指标的环境中得到检验，因此半实物仿真是提高系统设计的可靠性和研制质量的必要手段。
1.2 半实物仿真的先进性及其特点半实物仿真技术自20世纪60年代问世直到目前美国研制航天飞机，始终盛行不衰。
美国大多数国防项目承包商都有一个或多个半实物仿真实验室，这些实验室代表了当前世界先进水平。
其先进性体现在：(1) 有高速高精度的仿真机；(2) 有先进完备的环境模拟设备。
国内半实物仿真技术在导弹制导、火箭控制、卫星姿态控制等应用研究方面也达到了较高水平。
半实物仿真的特点是：(3) 在回路中接入实物，必须实时运行，即仿真模型的时间标尺和自然时间标尺相同。
(4) 需要解决控制器与仿真计算机之间的接口问题。
(5) 半实物仿真的实验结果比数学仿真更接近实际1.3半实物仿真系统的基本组成与原理半实物仿真系统属于实时仿真系统。
它是一种硬件在环实时技术，把实物利用计算机接口嵌入到软件环境中去，并要求系统的软件和硬件都要实时运行，从而模拟整个系统的运行状态，如图2所示。
实时系统由以下几部分组成。
(1)仿真计算机仿真计算机是实时仿真系统的核心部分，它运行实体对象和仿真环境的数学模型和程序。
一般来说，采用层次化、模块化的建模法，将模块化程序划分为不同的速率块，在仿真计算机中按速率块实时调度运行。
对于复杂的大型仿真系统，可用多台计算机联网实时运行。
(2)物理效应设备物理效应设备的作用是模拟复现真实世界的物理环境，形成仿真环境或称为虚拟环境。
用ADS进行功率放大器设计及线性化半实物仿真
用ADS进行功率放大器设计及线性化半实物仿真ADS（Advanced Design System）是一种电磁仿真和电路设计软件，具有强大的功能和广泛的应用。
在功率放大器设计及其线性化方面，ADS可以帮助设计师优化电路性能、提高功率放大器的线性度，并进行半实物（semi-realistic）仿真以验证设计。
在进行功率放大器设计时，首先需要确定设计规格和要求，例如输出功率、频率范围、增益、线性度等。
接下来，设计师可以采用ADS软件中的微波设计流程，根据设计要求选择合适的放大器类型和拓扑结构。
一种常用的功率放大器类型是Class A放大器，其具有较高的线性度和增益，但效率较低。
通过ADS软件，可以设计和优化Class A放大器的输入输出匹配电路、偏置电路和放大单元等部分。
在微波设计中，ADS提供了各种模型和组件，例如理想变压器、微带线、电感、集总电容等，可以直接嵌入电路设计中，加速设计过程。
除此之外，ADS还提供了各种优化和优化技术，例如基于遗传算法的优化、基于最小二乘法的优化、对角优化等。
可以利用这些优化方法对放大器进行参数调整，以满足设计规格和性能要求。
在设计完成后，可以进行半实物仿真来验证设计。
半实物仿真是指在ADC软件中通过代入实际元器件的参数，以获得更真实的仿真结果。
例如，可以将ADS中的理想电感替换为实际电感，以考虑实际元器件的线性度、非线性特性等因素。
在半实物仿真中，可以使用信号发生器产生信号，并将其输入到功率放大器中。
通过ADS中的网络分析器和信号源，可以观察到功率放大器的频率响应、增益、线性度等性能指标。
通过调整电路设计和参数，可以优化功率放大器的性能。
通过使用ADS软件进行功率放大器设计和线性化的半实物仿真，设计师可以更好地理解和评估功率放大器的性能，并在设计阶段进行优化。
这种方法将大大加快设计周期，并提高广播、通信、雷达等领域中功率放大器设计的成功率和可靠性。
半实物仿真总结
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
dSPACE实时仿真系统介绍
2010-06-11 15:24:04 来源：与非网
关键字：dSPACE实时仿真系统硬件在回路
dSPACE简介
dSPACE实时仿真系统是由德国dSPACE公司开发的一套基于MATLAB/Simulink的控制系统开发及半实物仿真的软硬件工作平台，实现了和MATLAB/Simulink/RTW的完全无缝连接。
dSPACE实时系统拥有实时性强，可靠性高，扩充性好等优点。
dSPACE硬件系统中的处理器具有高速的计算能力，并配备了丰富的I/O支持，用户可以根据需要进行组合；软件环境的功能强大且使用方便，包括实现代码自动生成/下载和试验/调试的整套工具。
dSPACE软硬件目前已经成为进行快速控制原型验证和半实物仿真的首选实时平台。
实现快速控制原型和硬件在回路仿真
RCP(Rapid Control Prototyping)—快速控制原型
要实现快速控制原型，必须有集成良好便于使用的建模、设计、离线仿真、实时开发及测试工具。
dSPACE 实时系统允许反复修改模型设计北京汉阳，进行离线及实时仿真。
这样，就可以将错误及不当之处消除于设计初期，使设计修改费用减至最小。
使用 RCP 技术，可以在费用和性能之间进行折衷；在最终产品硬件投产之前，仔细研究诸如离散化及采样频率等的影响、算法的性能等问题。
通过将快速原型硬件系统与所要控制的实际设备相连，可以反复研究使用不同传感器及驱动机构时系统的性能特征。
而且，还可以利用旁路（ BYPASS ）技术将原型电控单元（ ECU ： Electronic Control Unit ）或控制
器集成于开发过程中，从而逐步完成从原型控制器到产品型控制器的顺利转换。
RCP 的关键是代码的自动生成和下载，只需鼠标轻轻一点，就可以完成设计的修改。
HILS(Hardware-in-the-Loop Simulation)—半实物仿真
当新型控制系统设计结束，并已制成产品型控制器，需要在闭环下对其进行详细测试。
但由于种种原因如：极限测试、失效测试，或在真实环境中测试费用较昂贵等nc.qoos.ipi，使测试难以进行，例如：在积雪覆盖的路面上进行汽车防抱死装置（ ABS ）控制器的小摩擦测试就只能在冬季有雪的天气进行；有时为了缩短开发周期，甚至希望在控制器运行环境不存在的情况下（如：控制对象与控制器并行开发），对其进行测试。
dSPACE 实时仿真系统的 HIL 仿真将助您解决这一问题。
dSPACE开发流程
开发人员在进行控制系统开发时，常常需要同时面临许多难以解决的问题，而开发的时间却要求愈来愈紧迫。
因此，只有高度集成的系统才能满足这一切要求， dSPACE 系统设计不仅仅是进行控制方案的设计和离线仿真，还包括实时快速控制原型、已验证的设计向产品型控制器的转换和硬件在回路测试。
dSPACE 为 RCP 和 HILS 提供了一套计算机辅助控制系统设计的工具 -CDP （ Control Development Package ）。
CDP 主要基于下列工具：MathWorks 公司 Simulink ：用来进行基于方框图的离线仿真
MathWorks 公司 Real-Time-Workshop: 用来从方框图生成 C 代码
dSPACE 公司 Real-Time Interface (RTI): 用来产生与硬件系统相关的代码，使代码可以在单处理器 / 多处理器目标系统中运行
dSPACE 系列软件工具：用来对闭环试验进行交互操作(自动/手动)
利用 CDP ，可以完成从系统建模、分析、离线仿真直到实时仿真的全过程，可使开发人员全神贯注于控制方案的构思而不必再在琐碎的杂务上花费相当多的时间，从而可以大大缩短开发周期。
dSPACE系统特点
dSPACE 系统具有高度的集成性和模块性版权所有，允许用户根据需求来组建用户系统，无论是软件还是硬件， dSPACE 都提供了多项选择。
dSPACE 拥有单板系统及组件系统以及众多的 I/O 接口模板，可以满足大多数工程应用。
dSPACE 系统基于图形开发界面，免去了开发人员手工编程调试的繁杂而又易于出错的工作。
dSPACE 产品包括软件和硬件两部分，其主要软件有 RTI 、 ControlDesk 、 TargetLink 等。