半实物仿真技术概要

飞行模拟转台的技术指标

性能指标：

约束转台角运动静态和动态性能的技术参数。 规范转台在使用、维护方面的功能。

功能要求：

飞行模拟转台性能指标
项目 最大角加速度 最大角速度 转角范围 单位 Rad/s2 Rad/s 度 内框 454 4 ±200 中框 126 3.3 ±150 外框 106 3.3 ±150 备注
半实物仿真概述

半实物仿真技术：



环境模型建立技术：实际上指各种物理环境的建模 技术：包括声、压场、电磁场、光学、空间运动学 和动力学等。 物理模型建立技术：
运动环境：飞行模拟器（转台、平台）视觉环境：视景系统 听觉环境：声场模拟器（鱼雷） 力环境：负载模拟器（舵、发动机） 光学环境：激光、红外、电视目标模拟器 电磁环境：射频目标模拟器（雷达导引头、雷达） 压力环境：大气压（高度计）、水压（深度计）、压力（地 雷）

台体：大的旋转轴系上安装多个小的旋转轴系。 能源系统：PWM功率放大器 速度伺服系统：直流力矩电机或交流力矩电机，测角测速系 统 位置伺服系统：直流力矩电机、测速机、光码盘或圆感应同 步器
线加速度模拟台

性能指标

稳速台：速率

量程：0.1-15g,无级调整。 静态精度：a<1g,△a<5*10-4g;a>1g, △a/a<5*10-4 通道数：3 负载：1－3Kg 最大角速度：250 度/秒 最大角加速度：2000度/s2 最小平滑速度：0.1 度/秒 定位精度：0.01度 频带：6Hz（稳速台15g时，角度幅度±3度，双十）
半实物仿真技术
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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。
的控制器的不同物理构成

控制算法：实现高精度、动态跟踪而采用的各种古典和现
代用数字控制器实现的控制算法

使用要求：满足用户在测试使用维护方面的要求
计算机控制系统的特点

控制算法的多样性

古典：前馈＋PID反馈控制 现代：自适应控制、鲁棒控制、神经网络控制 软界面：曲线、数显 软操作：触摸屏、键盘、鼠标 充分发挥数字测量元件的精度优势 图形监控、通讯 数据记录、处理 测试信号产生
半实物仿真系统

半实物仿真系统中的模型

对象模型与环境模型 ：包括环境效应模型 物理模型与数学模型


尽量多的物理模型 不可实现的数学模型
半实物仿真系统

相似原理与相似方法

相似原理：

几何相似、感觉信息相似、数学相似、逻辑相似 模式相似、模糊相似、组合相似、坐标变换相似

相似方法


实现方法

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）

运算放大器；微处理器（单片机,DSP, 80X86）
驱动元件：对控制电压信号进行变换，为执行机构
提供驱动信号

功率放大器（直流功放，PWM功放）；液压放大器（伺服阀）

执行元件：在动力系统支持下，响应驱动信号，产
生机械运动

直流电机；液压马达（液压缸）

测量元件：反馈元件。将物理量变成电信号及信号
处理。

测速，测角
伺服控制系统

控制元件

舵负载模拟器

技术指标



最大力矩：150 Nm 最大角度：±40 度 力矩梯度：0.1-20 Nm/度 力矩精度： ±1％ 角度精度：0.01度 力矩伺服系统频带：10 Hz(双5指标，力矩梯度8nm/度,) 角度伺服系统频带： 10 Hz(双5指标，角度幅度±3度) 多余力：20％（力矩系统为零指令时，角度在±3度10Hz振 动））


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。
最小平滑速度
位置精度 速度精度 位置系统频响 速度系统频响 负载质量 负载尺寸 三轴不相交度 三轴不垂直度
度/秒
度
±0.05
±0.01 1%
±0.05
±0.01 1% 12 15
±0.05
±0.01 1% 9 10 30～50 0.1-1度双 10
Hz Hz 公斤 cm Mm 角秒
15 20
200*100*150 0.2 12
目标/环境模拟器

分类（按照目标信号的馈入方式）

辐射式（反射式）：寻的制导

辐射信号的物理性质不同：

光学：机械式、平行光管式和复合扩束式 微波/毫米波/声场：阵列式 机械式：通过机械带动辐射源作角运动。 阵列式：射频和声场。 机电混合式：

按照结构


注入式（直入式）：寻的制导、指令制导

按照注入信号的频区分

中注入式、视频注入式和低频注入式

将目标特性直接注入目标探测设备
典型仿真方案
漫反射光 漫反射屏
激光 寻的 导引头
激光器系统
二维定位反射镜
大屏幕实现可见光图像仿真方案
激光目标漫反射仿真方案
典型仿真方案
2 反射镜 1 显示系统
可见光/红外图像转换器 激光模拟光源
3 缩放系统
4 反射镜
舵负载模拟器

随动加载系统组成

机械系统：


同轴加载方式：小力矩，一体式台体。力矩马达、摆动油缸或力 矩电机。 连杆加载方式：大力矩，分体台体。液压缸。

能源动力系统：液压、气动、电动 伺服控制系统：


力矩伺服控制：伺服阀＋液压马达、液压缸；功率放大器＋力矩 电机。力矩传感器。 位置伺服控制：电位计、光码盘、测速机。 模拟控制与数字控制：
飞行模拟器分类

飞行模拟平台：

功能：模拟飞行器姿态和过载 用途：飞行训练模拟器 功能：模拟飞行器姿态 用途：惯性器件、导引头等制导控制部件的 测试与仿真

飞行模拟转台：

飞行模拟平台

三自由度

航向、姿态和倾斜 航向、姿态和倾斜及三个方向的过载（线加 速度）

六自由度

飞行模拟转台
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

可维修性：电路及控制软件模块化、驱动元件和测量元件
可检测


可视性：台体外观、控制柜外观、软件外观
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

时间与逻辑相似 几何相似：空间几何关系相似（六个自由度） 环境相似：力学、光学、电磁
物理模拟设备与技术

飞行模拟器 舵负载模拟器 线加速度模拟器 目标/环境模拟器

红外 激光 雷达 电视 声场
飞行模拟器

飞行模拟器分类 飞行模拟转台的工作原理 飞行模拟转台的技术指标 飞行模拟转台的组成 分析模拟转台的计算机控制
伺服控制系统

测量元件

速度：测速机 位置：

电位计： 光码盘：编码器 园感应同步器：旋转 变压器
机械系统

立式结构：Y,T 敞开式结构：U 封闭式结构：O
计算机控制系统

特点：通过测角系统与控制器的数字化，实现高精度的跟踪
控制

结构形式：采用不同处理器、实现不同功能要求，而形成


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。

随动台：位置



目标/环境模拟器

目标特性

运动特性：用相对运动（角运动）模拟 物理特性：激光、红外（点/成像）、电视、 雷达、声场 背景特性：大气、阳光、地形、天气、海洋 对信号传输的影响 干扰特性：与目标物理特性对应的假目标、 干扰信号

环境特性


目标/环境模拟器


中国：国防科大的YH-F1,YH-F2 美国：VAX小型计算机/ALPHA工作站 中国：海鹰HY-F1，亚星YHSimustation
运动特性模拟

转台：相对运动原理。 红外点光源/干扰光源：光斑、能量可控。 激光光源：能量、光斑大小、编码可控 电视/红外成像：图形工作站、图形显示系统


物理特性模拟


可见光：正头、背投；屏幕、球面 红外转换；电阻丝、红外CRT

射频/声场：阵列式多源。无线电波/声波在空间合 成。每个阵元的信号功率、作用时间可控。
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。

控制界面的直观性


控制精度高


功能丰富

计算机控制系统的结构形式

分布式控制：多处理机（单片机或DSP）各自负责独立控
制通道。

集中式控制：由一个处理器（小型机、PC）承担所有控
制通道的控制任务

集散式控制：采用上下位机结构的分级控制方式

PC+单片机（或DSP）：串口、并口 PC+PC：并口、网卡 PC+总线嵌入式处理器：总线
线加速度模拟台

物理模型：质心直线运动加速度。 物理实现：

常值：离心加速度模拟线加速度 随动：离心加速度在加速度计敏感轴上进行分解，控制分解 角度。 稳速技术：保持常值离心加速度。需进行静态和动态补偿。 角度伺服：动态环境下的角度控制。

关键技术

线加速度模拟台

系统组成

5 场镜
6 变焦镜头
8 观测系统 6 望远光学系统
光学耦合方案
仿真计算机技术

仿真主机：数字计算机 软件支持环境：编辑、编译和实时运行 接口技术：A/D,D/A,D/D,DIO,实时网络。
仿真计算机技术

仿真主机

专用机：

美国：

ADI公司的AD10,AD100和AD/RTS620; 并行计算机公司CCC的Maxion,Power Hawk,NightHawk
运算放大器 单片机 DSP处理芯片 80x86
伺服控制系统

驱动元件


直流功率放大器＋伺 服阀 PWM功率放大器


功率开关元件：1GBT 电流闭环PID控制： 100A 输出电压：150V 开关频率：1－20 KHz
伺服控制系统

执行元件


液压马达－低速大扭 转径向柱塞马达 直流力矩电机－稀土 电磁力矩
飞行模拟转台的应用

惯导器件测试

角度陀螺、速率陀螺、惯性平台等 光学导引头（电视、红外、激光）

导引头测试


武器系统仿真

导弹、制导炸弹、鱼雷、飞机
舵负载模拟器

物理模型（负载力矩）：舵受到的流体动力。是舵输出力矩的反 作用力矩。包括惯性力矩、阻尼力矩和铰链力矩。

铰链力矩：与舵偏角、速度、流体密度攻角等有关 线性加载：铰链力矩系数为常数。

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。
飞行模拟转台伺服控制系统
前馈校正 负载 校正环节 1 校正环节 驱动系统 机械系统
测速系统
测角系统
转台伺服控制系统原理框图