chapter 9半实物仿真与实时控制
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。
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。
一种实时射频半实物仿真技术设计与实现
一种实时射频半实物仿真技术设计与实现黄雅峥;魏国华;刘娟【摘要】基于现有的通信建模及分析软件,设计了一种实时可控的射频多辐射源半实物仿真系统.该系统在软件定义无线电架构平台上进行了开发和验证,能产生包括常规通信信号、直序扩频／跳频扩频信号、战术数据链信号、雷达信号、特殊自定义信号等多种信号样式,并能同时输出16路射频信号,每路信号的调制样式、频偏、幅度增益实时可控.实现了从计算机仿真到实时电磁波信号产生的有效结合,从而丰富了测试手段,提高了设备的可靠性和适应能力.同时,该系统具有可移植、可扩展、可升级的特点.%Based on current communication modeling and analyzing software,a real-time RF multi-emitter hardware-in-the-loop simulation system for complex electromagnetic environment is designed. It combines the computer simulation with me real-time electromagnetic waves generating, and the testing method has the advantage to enhance the reliability and adaptability. The system is developed and verified via a setof software defined radio (SDR) based platform.lt can generate signals including normal communication signals, direct sequence spread spectrum ( DSSS) / frequency hopping spread spectmm( FHSS) signals,tactical data-link signals, radar signals and special customized signals. At most 16 signals can be generated simultaneously on this platform,and everysignal's modulation type,frequency offset and amplitude gain can be real-rime controlled by the software. The system can also betransplanted,extended and updated easily-【期刊名称】《计算机技术与发展》【年(卷),期】2012(022)005【总页数】4页(P212-215)【关键词】多辐射源;半实物仿真;实时;软件定义无线电【作者】黄雅峥;魏国华;刘娟【作者单位】工业和信息化部通信信息控制和安全技术重点实验室,浙江嘉兴314033;中国电子科技集团公司第三十六研究所,浙江嘉兴314033;中国电子科技集团公司第三十六研究所,浙江嘉兴314033;工业和信息化部通信信息控制和安全技术重点实验室,浙江嘉兴314033;中国电子科技集团公司第三十六研究所,浙江嘉兴314033【正文语种】中文【中图分类】TP390 引言随着电子设备的大量使用，在有限的频谱资源范围内，无线通信设备以及一些自然界的电磁辐射信号等混合在一起，构成了时域上突发多变、频域上交错混叠、信号样式种类繁多的复杂电磁环境[1，2]。
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。
半实物仿真工厂在《反应器操作与控制》课程中的应用研究
半实物仿真工厂在《反应器操作与控制》课程中的应用研究1. 引言1.1 研究背景《反应器操作与控制》课程是化工类专业中重要的一门课程，涵盖了反应器原理、操作和控制等内容。
而半实物仿真工厂在这门课程中的应用，可以使学生更加直观地了解反应器的工作原理，提升操作和控制的实际能力，加深对课程内容的理解和记忆。
研究半实物仿真工厂在《反应器操作与控制》课程中的应用具有重要的意义，对于提高学生的实际操作能力和应用能力具有积极的促进作用。
1.2 研究目的研究目的是探索半实物仿真工厂在《反应器操作与控制》课程中的应用效果，以评估其对学生学习效果和技能提升的影响，进而为教育教学实践提供参考和借鉴。
具体包括以下几个方面：通过观察学生在半实物仿真工厂中的实际操作情况，了解他们对反应器操作与控制理论知识的掌握程度和操作技能的熟练程度；通过实际操作实验，检测学生在半实物仿真工厂中的操作表现，评估其在实际生产场景下的应变能力和解决问题的能力；结合学生的反馈意见和实际应用效果，总结半实物仿真工厂在《反应器操作与控制》课程中的优势和不足之处，为未来的教育教学改进提出建议和措施。
通过本研究，旨在为提高学生学习效果和培养实际操作能力提供理论指导和实践经验。
1.3 研究意义半实物仿真工厂在《反应器操作与控制》课程中的应用研究具有重要的研究意义。
通过对半实物仿真工厂在该课程中的应用研究，可以提高学生的实践能力和操作技能。
通过实际操作仿真设备，学生可以更加直观地理解反应器的工作原理和控制方法，从而加深对课程内容的理解和记忆。
半实物仿真工厂在《反应器操作与控制》课程中的应用研究有助于培养学生的创新精神和问题解决能力。
在仿真工厂中，学生需要面对各种不同的情景和问题，通过自主思考和实践操作找到解决方案，从而培养他们的独立思考能力和解决问题的能力。
研究半实物仿真工厂在《反应器操作与控制》课程中的应用还可以促进教学改革和创新。
传统的课堂教学模式往往难以激发学生的兴趣和学习动力，而仿真工厂的引入可以为教学提供新的途径和方法，丰富教学手段，提高教学效果。
实时半实物网络仿真关键问题探讨
实时半实物网络仿真关键问题探讨摘要：本文在介绍半实物仿真一般原理的基础上，对半实物仿真要解决的关键问题进行了研究，并重点阐述了当前解决方案。
关键词：半实物仿真，包转发，数据截获，实时性一、引言目前在许多网络问题的研究中主要的研究方法主要包括理论分析、现场测试和仿真。
现场测试过程最为直观、测试结果最为可信，但却存在着耗资大、测试过程不可控等缺点。
理论分析方法可以不受任何研究条件的限制，并且分析过程严谨可信，但其有效性依赖于所建立数学模型的正确性，通常只有一些理想或者比较简单的情况下才能起到较好的作用，而当系统非常复杂时，就无法用一些限制性假设来对其进行精确描述。
仿真方法以其经济性和可重复性等优点为科学研究提供了一种重要手段，然而，目前单纯的软件仿真方法还不能完全满足复杂系统研究的实际需求，存在着一些设备功能建模困难、缺乏应用层响应等问题，实时半实物网络仿真的出现对这些问题的解决提供了很大帮助。
半实物网络仿真，即网络的半实物仿真，是半实物仿真技术在网络领域的应用。
半实物网络仿真通过一种手段将真实网络（或网络设备）接入模拟网络中，使它们整合为一个半实物仿真网络进行网络数据流交互。
它不需要模拟网络能直接执行真实应用程序，但必须要能提供外部接口来进行网络数据的转换。
并通过网络（或节点）映射的方式来体现真实网络（或网络设备）在整个仿真回路中的位置。
相比单纯的软件仿真，半实物网络仿真具有验证说服力强、可对实际硬件进行测试、避免建模困难等优点，可以较好地克服采用纯软件仿真方法进行网络仿真研究存在的不足。
然而，要实现网络的半实物仿真还有很多关键问题需要解决。
二、半实物网络仿真基本原理半实物网络仿真不需要模拟网络能直接执行真实应用程序，但必须要能提供外部接口来实现内外部数据的截获、处理和转换。
通常，半实物网络仿真在物理上是由少数实际设备构成，而逻辑上则能组成一定规模的虚拟网络，真实设备通过节点映射方式确定其在逻辑网络中的位置及其“代理”，映射节点作为真实设备参与仿真中介，一方面将真实设备发送来的数据经半实物仿真接口截获、处理和转换后传递到模拟网络中运行，另一方面将目的地为真实设备的数据进行处理和转换后发送至真实主机。
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
实时半实物仿真平台使用说明书
目录1. AppSIM简介 (1)1.1. 产品简介 (1)1.2. 产品特点 (1)2. 安装AppSIM (3)2.1. 系统运行环境需求 (3)2.2. 操作系统配置需求 (3)2.3. 安装软件 (4)2.4. 其他安装细节问题 (7)3. 使用AppSIM (12)3.1. 启动AppSIM (12)3.2. 使用Demo模型 (13)3.2.1. 新建工程 (13)3.2.2. 工程文件夹结构 (14)3.2.3. 模型参数设置 (15)3.2.4. 编辑模型 (18)3.2.5. 构建可执行程序 (19)3.2.5.1. 模型分割 (20)3.2.5.2. 将模型转为C代码 (22)3.2.5.3. 上传代码到QNX (23)3.2.5.4. 在QNX上编译代码和链接 (24)3.2.6. 开始模型仿真 (25)3.2.7. 停止模型仿真 (26)3.2.8. 在线调参 (27)3.2.9. 清理模型 (29)4. 其他功能 (30)4.1. 文件夹操作 (30)4.1.1. 新建文件夹 (30)4.1.2. 删除文件夹 (32)4.1.3. 重命名文件夹 (32)4.1.4. 剪切、复制、粘贴文件夹 (33)4.2. 文件操作 (33)4.2.1. 新建模型文件 (33)4.2.2. 删除文件 (35)4.2.3. 重命名文件 (35)4.2.4. 剪切、复制、粘贴文件 (35)4.2.5. 打开模型主工作界面 (36)4.3. 输出窗口 (36)4.4. 在线调参窗口 (37)4.5. License信息窗口 (37)5. 其他常见问题 (40)5.1. 文件夹结构命名规范 (40)5.2. 编辑模型错误处理 (40)5.3. 模型分割错误处理 (40)5.4. 模型转为C代码错误处理 (40)5.5. 上传C代码错误处理 (40)5.6. 编译模型C代码错误处理 (41)5.7. 运行模型错误处理 (41)5.8. 停止运行模型错误处理 (41)5.9. 清理模型错误处理 (41)5.10. 在线调参错误处理 (41)5.11. 如何给系统升级 (41)1. AppSIM简介1.1. 产品简介AppSIM是一套实施数字与模拟混合的高性能实时仿真工业级系统平台，可以帮助工程师直接将MATLAB/Simulink下建立的动态系统数学模型应用于实时仿真、控制、测试以及其它相关领域。
半实物仿真与实时控制
行，不能脱离该环境
Friday, 2010-10- 8, 23:20:59
Slide <#> (of 42)9章：半实物仿真与实时控制 薛定宇、陈阳泉《基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用》清华大学出版社，2010
Friday, 2010-10- 8, 23:20:59
Slide <#> (of 42)9章：半实物仿真与实时控制 薛定宇、陈阳泉《基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用》清华大学出版社，2010
Simulation菜单支持的仿真状态
正常仿真模式 Normal：
➢ 默认方式，Simulink正常模式
实时工具嵌入式代码生成器(Real-Time Workshop Embedded Coder)：
➢ 可以用来开发嵌入式操作系统的C语言程序
Real-Time Windows Target和xPC Windows Targets
➢ Simulink描述的控制器直接通过输入、输出卡
Friday, 2010-10- 8, 23:20:59
薛定宇、陈阳泉著 基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与
应用(第2版)，清华大学出版社，2010
第9章 半实物仿真与实时控制
薛定宇
东北大学信息学院
Friday, 2010-10- 8, 23:20:59
Slide <#> (of 42)9章：半实物仿真与实时控制 薛定宇、陈阳泉《基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用》清华大学出版社，2010
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：
机械臂控制系统仿真实验设计
机械臂控制系统仿真实验设计赵海滨;于清文;刘冲;陆志国;颜世玉【摘要】利用Matlab/Simulink软件设计机械臂控制系统仿真实验,包括机械臂模型、轨迹规划、逆动力学控制和运动学.以两自由度机械臂为研究对象,根据动力学方程建立机械臂模型.采用5阶多项式进行轨迹规划,并采用逆动力学进行机械臂的控制.通过运动学获取各个关节的位置坐标,动态的显示机械臂的运动过程.该仿真实验能够加深学生对机器人动力学、运动学和控制等理论的理解,有利于培养学生的实际编程能力,激发学生的学习热情.【期刊名称】《实验室研究与探索》【年(卷),期】2018(037)011【总页数】5页(P100-104)【关键词】机械臂;轨迹规划;逆动力学控制;运动学;Matlab仿真【作者】赵海滨;于清文;刘冲;陆志国;颜世玉【作者单位】东北大学机械工程与自动化学院,沈阳110819;东北大学机械工程与自动化学院,沈阳110819;东北大学机械工程与自动化学院,沈阳110819;东北大学机械工程与自动化学院,沈阳110819;东北大学机械工程与自动化学院,沈阳110819【正文语种】中文【中图分类】TP2420 引言机器人是一门跨专业，高度综合的新兴学科[1]，无论在基础理论方面还是在实践应用方面发展速度都非常快。
越来越多的高等学校面向高年级本科生和低年级研究生开设机器人学等机器人领域的相关课程，并对课程的改革进行了研究[2-4]。
机器人课程的教学包括理论教学和实验教学[5-7]。
由于资金和设备等原因，各个高校往往以理论教学为主，对实验教学不够重视。
在机器人课程的理论教学中存在大量的公式推导和微分方程等，对于学生比较抽象、复杂和难以理解。
因此，采用Matlab/Simulink软件进行机器人的仿真和控制实验非常必要。
在机器人的教材中，机器人动力学部分的公式推导均以两自由度机械臂为例，本文也以两自由度机械臂为研究对象。
根据机械臂的动力学方程，采用Matlab/Simulink软件建立机械臂仿真模型，采用五阶多项式进行轨迹规划，并采用逆动力学进行机械臂的控制。
半实物仿真——精选推荐
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。
半实物仿真系统的实时性分析
3本课题受863-409项目资助。
姚新宇,1999年5月于国防科技大学获得工学博士学位,研究领域主要包括实时仿真系统、联网仿真系统的设计与集成。
黄柯棣,教授,博士生导师,主要研究领域为仿真机软件与仿真算法、DIS 和H LA 、仿真可视化与虚拟现实技术等。
收稿日期:1999-01-04 第16卷 第4期计 算 机 仿 真1999年10月 半实物仿真系统的实时性分析3姚新宇 黄柯棣 (长沙国防科技大学自动控制系,410073)摘要 该文从半实物仿真的实时约束条件出发,首先从机器时间的物理机理上研究其数学模型,接着分析机器时间的软件实现,即时间函数的特性,然后又回到半实物仿真系统上,分析半实物仿真系统的时间模型特点,最后给出三个指标来定量描述半实物仿真系统的实时性能。
关键词 机器时间 半实物仿真 实时仿真1 导言半实物仿真系统的应用在我国已有很长的历史了,其间历经了“模拟计算机→数模混合计算机→专用仿真计算机→通用数字仿真计算机”的发展变化。
这些仿真系统,尤其是80年代末90年代初国产的银河仿真Ⅰ型机和银河仿真Ⅱ型机系统的广泛应用为我国的航天、航空及兵器装备的研制立下了汗马功劳。
以导弹系统半实物仿真为例,典型系统组成包括仿真计算机(主要为银河系列仿真计算机)和主控计算机组成的双机结构,加上接口板和实物(包括转台、目标模拟器、弹上计算机、控制网络和舵机等)。
其中,仿真计算机主要完成仿真模型的动力学解算,主控计算机完成对仿真计算机的数据加载,实时数据显示记录和仿真管理,仿真计算机通过A/D 和D/A 接口与实物构成闭环,实物主要包括难以建模的部分或需要检验的物理部件。
半实物仿真的一个显著特点是“硬件在回路”,这强调了仿真的实时性,因此对半实物仿真的实时性分析是半实物仿真的重要研究课题。
仿真的实时性分析包括实时仿真算法、仿真系统的时序分析、时间同步分析以及时间延迟和补偿。
实时仿真算法主要是实时积分算法、快速函数插值计算等,这些方面的研究已经比较成熟了。
一种实时射频半实物仿真技术设计与实现
线 电架构平 台上 进行 了开发 和验证 ， 能产 生包括 常规 通 信信 号 、 序扩 频／ 直 跳频 扩 频信 号 、 战术 数 据 链信 号 、 达信 号 、 雷 特
殊 自定义信 号等 多种信 号样 式 ， 能 同时输 出 １ 并 ６路射频 信号 ， 信号 的调 制样 式 、 每路 频偏 、 度增 益 实时 可控 。实 现 了从 幅
黄 雅 峥 ， 国华 刘 娟 魏 ， ’
（． １ 工业 和信 息化部 通信 信 息控制 和安 全技 术重 点 实验 室 ， 江 嘉兴 ３４ ３ ； 浙 １０ ３ ２ 中 国电子 科技 集 团公 司第三 十六研 究所 ， ． 浙江 嘉兴 ３４ ３ ） １０３
摘
要 ： 于现有 的通 信建模 及分 析软件 ， 基 设计 了一 种实 时可 控 的射 频 多 辐射 源半 实 物仿 真 系 统 。该 系 统在 软 件定 义 无
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｂａ ｅ ｎ ｃ ｒｅ ｔｃ ｍｍｕ ｉ ａ ｏ ｄ ｌ ｇ ａ ｄ ａ ａ ｙ ｉ ｇ ｓ ｆｗａ ｅ， ｅ ｌ ｉ ｌ － ｍｉｔｒｈ ｄ ｒ —ｉ —ｔｅ ｏ ｐ ｓｍｕ ｓ ｒ ｃ ： ｓ ｄ ｏ ｕ ｒ ｎ ｏ ｎ ｃ ｔ ｎ ｍｏ ｅ ｉ ｎ ｉ ｎ ｎ ｌ ｚｎ ｏ ｔ ｒ ａｒ ａ －ｔ ｍｅ ＲＦ ｍｕ ｔ ｅ ｔｅ ａ ｗａ ｅ ｎ ｈ －ｌ ｏ ｉ － ｉ ｒ ｌｔ ｎ ｓ ｓｅ ｆ ｒｃ ｍｐ ｅ ｌｃ ｒ ｍ ａ ｎ ｔ ｎ ｉ ｎ ｎ ｓ ｄ ｓｇ ｅ Ｉ ｏ ａｉ ｙ ｔ ｍ ｏ ｏ ｏ ｌｘ ｅｅ ｔ ｏ ｇ ｅ ｃ ｅ ｖｒ ｍｅ ｔｉ ｅ ｉ ｎ ｄ． ｔｃ ｍｂ ｎ ｓ ｔ ｅ ｃ ｍｐ ｔｒ ｓ ｉ ｏ ｉ ｅ ｈ ｏ ｕ ｉ ｌ ｔ ｎ ｗｉ ｅ ｒ ａ — ｍｅ ｅ ｅ ｔｏ ｇ ｅ ｍｕ ａ ｏ ｔ ｔ ｅ ｌ ｔ ｉ ｈ ｈ ｉ ｌ ｃｒ ｍａ － ｎ ｔ ｖ ｓｇ ｎ ｒ ｔｎ ａ ｄ ｔ ｅ ｔｓ ｎ ｔ ｏ ａ ｅ ａ ｖ ｔｇ ｏ ｅ ｈ ｎ ｅ ｔ ｅ ｒ ｌａ ｉ ｔ ｄ ａ ａ ｔｂ ｌｔ Ｔｈ ｙ ｔｍ ｓｄ ｖ ｌ ｐ ｄ ａ ｄ ｅｉ ｗａ ｅ ｅ ｅ ａ ｇ， ｎ ｅ ｔ ｇ ｍｅ ｄ ｈ ｓｔ ｄ ａ ａ ｅ ｔ ｎ ａ ｃ ｅｉ ｂ ｌ ｙ ａ ｄ ｐａ ｉ ｙ． ｅ ｓ ｓｅ ｉ ｅ ｅｏ ｅ ｃ ｉ ｈ ｉ ｈ ｈ ｎ ｈ ｉ ｎ ｉ ｎ
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。
系统仿真与应用学科
系统仿真与应用学科一、学科简介系统仿真与应用学科是在控制科学与工程一级学科下自主设置的博士学科。
系统仿真与应用是一个XX的交叉学科，是以相似理论为基础理论，以相似技术和计算技术为技术基础的一门综合性学科，是由系统的模型与建模技术、系统仿真、系统模型校验与验证技术共同组成的一门新型的实验科学，仿真技术已成为现代工业的先导。
XX大学人工智能与机器人研究所是本学科的主要依托单位。
XX省系统仿真学会、中国系统仿真学会教育与科普工作委员会挂靠在本单位。
中国系统仿真学XX事、教育与科普工作委员会副主任薛定宇教授是本学科学术带头人。
本学科梯队结构合理，科研方向先进，研究项目较多，并有国际合作课题。
并完成了多项国家和企业重大科研项目，取得良好的经济效益和社会效益。
二、培养目标系统仿真与应用学科博士的培养目标是为国家培养系统仿真领域的高层次研究开发人才，具体目标有：1.护中国共产党的领导，拥护社会主义，热爱祖国，遵纪守法，品德优良，学风正派；2.本学科上掌握坚实宽广的理论基础和系统深入的专门知识；3.具有独立从事科学研究工作的能力。
4.在本学科领域取得一定的创造性成果。
三、学习年限与学分要求全日制攻读博士学位，学习年限原则上为3年；在职攻读博士学位，学习年限原则上为4年，但无论全日制还是在职攻读博士学位，保留学籍时间不超过6年。
学分要求：最低10学分。
四、研究方向1．工业过程的建模与仿真本方向主要以复杂工业过程为背景，采用专家系统、神经网络、遗传算法等智能方法，在现场实践中进行建模和仿真的应用研究。
2．控制系统仿真与计算机辅助设计应用MATLAB语言及相关计算机工具对控制系统的仿真算法与控制器设计算法等进行研究，研究领域包括PID控制器设计、最优控制、分数阶控制、基于网络的控制系统仿真等。
3．虚拟现实与应用虚拟现实技术应用先进的图像图形技术，为系统仿真过程提供交互式方法，丰富参与者的沉浸感与想象力，本研究方向侧重于虚拟现实软件开发及其应用研究。
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控制系统计算机辅助设计—MATLAB 薛定宇 著《控制系统计算机辅助设计 语言与应用》第二版， 2006 语言与应用》第二版，清华大学出版社 CAI课件开发：鄂大志 、薛定宇 课件开发： 课件开发
控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用 东北大学信息学院
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在球杆系统中， 是输出信号， 在球杆系统中，杆的位置 是输出信号，电机 为控制信号，需要设计一个控制器， 的电压 为控制信号，需要设计一个控制器，由 预期位置 和检测到的实际位置 之间的误差信 号 来计算控制信号 。钢球在连杆 BC 上起滑动变阻器的作用，其位置 上起滑动变阻器的作用， 可以通过电 阻的值直接检测出来。 阻的值直接检测出来。
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9.2.3 Quanser 旋转运动控制系列 实验受控对象简介
• 旋转倒立摆
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• 平面倒立摆
• 回转仪
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• 平面连杆机器人
• 柔性臂
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9.1.2 dSPACE 模块组
目前在教学和一般科学实验方面比较流行的dSPACE 目前在教学和一般科学实验方面比较流行的dSPACE ,它们是典型的智能化 部件是 ACE 1103 和 ACE1104 ,它们是典型的智能化 单板系统， DS1104、 单板系统，包括 DSP 硬件控制板 DS1103 和 DS1104、 Desk、 实时控制软件 Control Desk、实时接口 RTI 和实时 MTRACE/MLIB，使用较为方便。其中， 数据采集接口 MTRACE/MLIB，使用较为方便。其中， 总线接口， 处理器， DS1104 采用 PCI 总线接口，PowerPC 处理器，具有 很高的处理性能及性能价格比，是理想的控制系统设 很高的处理性能及性能价格比， 计入门级产品。 计入门级产品。
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9.2 Quanser 简介与常用模块
9.2.1 Quanser 简介
Quanser 产品包括加拿大 Quanser 公司研 发的控制实验用的各种受控对象装置、 发的控制实验用的各种受控对象装置、与 MATLAB/Simulink 或 NI 公司 LabView 等接 口板卡和实时控制软件 WinCon 等，可以用类 似于 SPACE 的方式进行半实物仿真与实时控 制研究。 制研究。
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以旋转运动控制系列中的球杆系统为例， 介绍了其建模方法与 Simulink 模型搭建方 法，进行了系统的仿真研究，并分别介绍 了由 Quanser 控制器及 dSPACE 控制器对 其实时控制的方法及控制效果。
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单板系统 主要面向快速原型设计用户；其本身 主要面向快速原型设计用户；
就是一个完整的实时仿真系统， 就是一个完整的实时仿真系统，DSP 和 I/O 全部 集成于同一板上。 集成于同一板上。
标准组件系统 把处理器板，I/O 板分开，并提 把处理器板， 板分开，
球杆系统的数学模型
• 受控对象模型
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• 球杆系统控制模型
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9.3.2 Quanser 实时控制实验
• 实时控制 Simulink 框图
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电机拖动系统的数学模型
• 电机仿真模型
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推导出电机电压信号
与夹角 之间的传递函数描述
• 电机拖动仿真模型
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倒立摆系统的简要描述： 倒立摆系统的简要描述：
旋转倒立摆实验中，在水平面上用一个直流电机 旋转倒立摆实验中， 来驱动一个刚性臂的一端， 来驱动一个刚性臂的一端，臂的另一端装有一个自 由度的转轴由电机控制。 由度的转轴由电机控制。在这个转轴上安装一个摆 杆。通过控制旋转臂的运动来保持摆杆处于垂直倒 立状态。 立状态。 平面倒立摆则将一根长摆杆安装在一含有两个自 由度的接头上， 由度的接头上，这样摆杆就可以沿两个方向自由摆 摆杆的摆角通过传感器测量。 动，摆杆的摆角通过传感器测量。将这个机构装于 自由度机器人的末端就构成了平面倒立摆系统。 2 自由度机器人的末端就构成了平面倒立摆系统。
供多个系列和品种， 供多个系列和品种，允许用户根据特定需求随意 组装，可以使用多块处理器板、 多种) 组装，可以使用多块处理器板、多块 (多种)I/O 使系统运算速度、 板，使系统运算速度、内存和 I/O 能力均可大大 扩展，从而可以满足复杂的应用。 扩展，从而可以满足复杂的应用。
特定应用装置 如汽车、火车、飞机等低空系统 如汽车、火车、
• 球杆系统实物图
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球杆系统的控制原理: 球杆系统的控制原理: 通过电机带动连杆 CD，调整
夹角 ，从而调整横杆 BC 的水平夹角 ，使得小球能 快速稳定地静止在指定的位置。连杆 AB 为固定的支撑 臂。
• 球杆系统示意图
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9.2.2 Quanser 常用模块介绍
Quanser 系列产品提供了 MultiQ 板卡或其 他形式的接口板卡，带有数模转换器输入(DAC)、 他形式的接口板卡，带有数模转换器输入(DAC)、 模数转换器输出( 电机编码输入(ENC)等 模数转换器输出(ADC) 、电机编码输入(ENC)等 输入输出接口，可以直接将计算机与受控对象连 输入输出接口， 接起来，形成闭环控制结构。 接起来，形成闭环控制结构。 WinCon 是在 Windows 环境下实现实时控制 的应用程序， 的应用程序，该程序可以启动由 Simulink 模型 生成的代码， 生成的代码，向 MultiQ 板卡发送命令或从板卡 采集数据，达到实时控制的目的。 采集数据，达到实时控制的目的。
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主要内容
dSPACE 简介与常用模块 Quanser 简介与常用模块 半实物仿真与实时控制实例
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9.1 dSPACE 简介与常用模块
9.1.1 dSPACE 简介
dSPACE (digital Signal Processing And Control Engineering) 实时仿真系统 是由德国 dSPACE 公司开发的一套和 可以“无缝连接” MATLAB/Simulink 可以“无缝连接”的控制 系 统开发及测试的工作平台。 统开发及测试的工作平台。
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9.3.3 dSPACE 实时控制实验
• dSPACE 使用的 Simulink 框图
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9.4
本章要点简介
给出了半实物仿真的概念，综述了目前与 MATLAB/Simulink 可以无缝连接的两大主 流半实物仿真软硬件系统，即 dSPACE与 dSPACE与 Quanser 产品，并介绍了和实时控制相关的 模块，还简述了可以搭建实时控制实验的 Quanser 受控对象旋转运动控制实验系列装 置。
的特殊开发环境。 的特殊开发环境。
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dSPACE 实时系统具有很多其他仿真系统所不能比 拟的特点，例如其组合性与灵活性强、快速性与实时 拟的特点，例如其组合性与灵活性强、 性好、可靠性高， 性好、可靠性高，可与 MATLAB/Simulink 无缝连 接，更方便地从非实时分析设计过渡到实时分析设 计。 巨大的优越性， 由于 dSPACE 巨大的优越性，现已广泛应用于航 空 航天、汽车、发动机、电力机车、机器人、 航天、汽车、发动机、电力机车、机器人、驱动及工 业控制等领域。越来越多的工厂、 业控制等领域。越来越多的工厂、学校及研究部门开 解决实际问题。 始用 dSPACE 解决实际问题。
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9.3
半实物仿真与实时控制 实例
受控对象的数学描述与仿真研究 Quanser 实时控制实验 dSPACE 实时控制实验
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129.3.1 受控对源自的数学描述与 仿真研究