半实物仿真技术的发展现状

半实物仿真技术的发展现状

刘延斌　金光

(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130022)

摘要　随着国防科技事业不断发展,半实物仿真技术因其具有的诸多优点愈来愈成为科学研究必不可少的手段。本文介绍了半实物仿真技术的现状及关键技术,并对半实物仿真的未来加以分析,最后指出智能、高效、可靠是其发展的方向。

关键词　半实物仿真;仿真技术;系统仿真

1　引 言

仿真技术综合了当代科学技术中多种现代化尖端手段,极大地扩展了人类的视野、时限和能力,在科学技术领域起到了极其重要的作用。近10年来,我国仿真技术得到迅速发展。从应用的广泛程度看,已经从早期的航空、航天、火力发电和核动力发电部门扩展到今天的军事、电子、通信、交通、舰船、冶金、建筑、气象、地质、机械制造、轻工、技术训练等多种行业和部门,其应用已渗透到系统生命周期的全过程。半实物仿真作为仿真技术的一个分支,涉及的领域极广,包括机电技术、液压技术、控制技术、接口技术等。从某种角度上讲,一个国家的半实物仿真技术的发展水平也代表其整体的科技实力。半实物仿真是工程领域内一种应用较为广泛的仿真技术,是计算机仿真回路中接入一些实物进行的试验,因而更接近实际情况。这种仿真试验将对象实体的动态特性通过建立数学模型、编程,在计算机上运行,这是在飞机与导弹控制和制导系统中必须进行的仿真试验。

2　半实物仿真技术

半实物仿真技术又称为硬件在回路仿真,在条件允许的情况下尽可能在仿真系统中接入实物,以取代相应部分的数学模型,这样更接近实际情况,从而得到更确切的信息。这种仿真试验将对象实体的动态特性通过建立数学模型、编程,在

计算机上运行。此外要求有相应的模拟生成传感器测量环境的各种物理效应设备。由于在回路中接入实物,硬件在回路仿真系统必须实时运行,因此半实物仿真系统可以归纳为以下几部分:①仿真计算机系统(动力学模型及程序、数据)与接口;

②环境模拟设备(角运动仿真器、目标特性仿真器、目标运动仿真器、负载仿真器等);③被测实物(传感器、控制计算机、执行机构)。如图1所示:

图1　半实物仿真系统框图

下面以一个典型导弹射频半实物仿真系统来说明半实物仿真系统的工作模式。图2为导弹射频半实物仿真系统的示意图。其中仿真计算机一方面实现导弹和目标的动力学和运动学的数学模型以及一些非实物的数学模型,另一方面控制整个仿真试验。目标模拟器用来仿真被攻击的目标。仿真计算机计算出目标相对导弹的运动(视线角及其速率、距离),将计算结果输入目标仿真

器,并以一定方式控制目标仿真器。仿真计算机通过解导弹的动力学方程,得出姿态角信号。将这些信号传输给角三轴转台的伺服控制系统,在空间实现导弹姿态的变化。安装在三轴转台上面的导弹真实部件(导弹的导引头和陀螺传感器)感受与实际飞行中相同的角运动,并输出相应信号给真实的弹载计算机。弹载计算机按制导、控制规律计算出控制信号,经补偿网络、

放大器等推动真实的控制面作动器。舵机输出轴的转角即相应舵面的偏转角,经电位计或同步器形成电信号,经变换反馈给仿真计算机,使整个回路闭合,形成半实物仿真系统

。

图2　导弹射频半实物仿真系统示意图

2.1　仿真计算机

仿真计算机是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。仿真应用水平的提高是仿真技术发展的先导,仿真中对高性价比的计算机要求是仿真计算机发展的推动力,而微电子技术、计算机技术、软件技术的发展是仿真计算机发展的基础。由于仿真应用在广度和深度上的发展,仿真的计算问题现已覆盖了数值计算、事务处理和逻辑推理,某些复杂的仿真问题(如多武器平台体系对抗仿真)需要综合使用这些处理方法。仿真所用的计算机分布在一个相当

宽的型谱和频谱上,从混合计算机到全数字仿真计算机,从个人计算机、工作站到巨型计算机,从专用仿真机到通用计算机都可用在不同的仿真场合。而异构的多台计算机通过遵循统一的通信标准、规范、协议的高速网络互联构成具有互操作性的分布交互仿真环境,是实现巨大复杂系统仿真的理想系统。2.2　接口设备

仿真计算机输出的驱动信号经接口变换后驱动相应的环境模拟设备,接口设备同时将实物系统的控制输入信号馈入仿真计算机。2.3　目标特性仿真器

在进行导弹仿真时,有两种目标环境:一种是电磁效应,另一种是光学效应。射频目标仿真器用以提供辐射目标及背景的射频信号。而现在比较常用的仿真光学效应目标的仿真器有红外目标仿真器和激光目标仿真器。2.4　运动环境模拟器

运动环境模拟器包括目标运动仿真器和角运动仿真器(三轴转台),用以模拟被攻击目标相对导弹等的相对运动。而目标运动仿真器主要用于模拟相对运动中的主运动,角运动仿真器由伺服系统控制的框架系统组成。框架系统有三个框架

(分别为内、中、外框)。内框架通过外框、中框及

其自身的转动使其具有三个角运动的自由度。通

过这三个框架的合成运动,使内框架复现弹体在空间的角运动。仿真计算机可输出欧拉角、角速度和角加速度信号给三轴转台的伺服系统,使框架复现弹体的姿态角、角速度和角加速度。三轴转台的驱动元件有电动机和液压马达两大类,相应的驱动方式为电动驱动和液压驱动。电动驱动的优点是能源简单、结构简单、安全性高。液压驱动的优点是液压马达在与电动机相同体积和重量条件下具有更高的功率和较小的惯性。所以液压三轴转台有很好的动态特性。但不利因素是需要有液压源和管路,如果采用高压油源,则安全性

差。三轴转台的伺服系统因为要复现导弹的短周期运动,所以要求有较大的频带宽度。这是因为转台伺服系统的幅值畸变和相移会使整个仿真系统动态特性恶化,甚至丧失稳定。这对导弹系统的仿真尤为突出,因为有的导弹在飞行中绕纵轴旋转。如果转台框架不能精确复现导弹的旋转,将无法保证仿真的精度。

3　半实物仿真发展现状

仿真方法的应用最早可追溯到1773年,法国自然学家用仿真方法做物理实验估计π值。1876年美国统计学家第一次用仿真方法做随机数实验。1908年W.S.G osset用仿真方法证明了“t分布法”。20世纪40年代初美国开始了飞行模拟器的设计。1966年美国麻省理工学院的林肯实验室开始研制头盔式显示器。1983年美国的先进防御研究项目署开始开发实用的虚拟战场,设计出SIMN ET系统。1989年形成了约260个地面装甲仿真器及通迅网络、指挥所和数据处理设

,结点分布在美国和德国的11个城市。1989年北欧制定“欧几里德计划”,将仿真技术作为11项优先合作发展的项目之一。1992年美国提出22项国家关键技术,仿真技术列第16项;提出21项国防关键技术,仿真技术列第6项。20世纪90年代美国进行了“扩展的防空仿真系统”(EADSIM)计划,该系统用于攻防体系对抗研究的作战仿真系统。近年来美国更加重视仿真,将发展“合成仿真环境”作为国际科技发展的7个科技推动领域之一。因此可以说仿真技术是科学实验的有效手段,对科学技术的发展起到了巨大的推动作用。而半实物仿真技术自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。美国人非常重视这方面的研究和应用,把模拟和仿真技术看作是降低导弹防御和战术导弹武器系统生命周期费用的切实可行的手段,并且在制导武器系统的开发方面应用模拟和仿真技术已经有很长的历史,认为系统仿真是武器研制成功的关键。美国大多数主要的航天和国防承包商都有一个或多个半实物仿真试验室,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。在国内,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。20世纪80年代我国建设了一批高水平、大规模的半实物仿真系统,如射频制导导弹半实物仿真系统、红外制导导弹半实物仿真系统、歼击机工程飞行模拟器、歼击机半实物仿真系统、驱逐舰半实物仿真系统等。这些半实物仿真系统在武器型号研制中发挥了重大作用。20世纪90年代我国开始对分布交互仿真、虚拟现实等先进仿真技术及其应用进行研究,开展了较大规模的复杂系统仿真,由单个武器平台的性能仿真发展为多武器平台在作战环境下的对抗仿真。

3.1　运动环境模拟技术

半实物仿真都需要运动环境模拟器,具体包括角运动模拟器和目标运动模拟器,角运动仿真器用于复现被测实物(如导弹、航天器)本身的短周期运动,目标运动模拟器用于模拟被测实物相对目标的运动。目前角运动仿真器较为常用的转台为二轴或三轴。为实现精确模拟,需要解决以下几项关键技术:①低惯量、高刚度的框架材料和结构;②高功率、低惯量的电动或液压马达;③高频响、高线性度、低滞后的伺服阀;④高频响、高精度、超低速的高性能数字控制方法及多轴运动耦合的解耦技术等。据文献记载,美国生产的S-458R-5SE型红外/激光仿真器可以给被测设备提供47600NM的转动扭矩;S-593R-5E型仿真器的内三轴(实现飞行运动仿真)和内目标转轴可以实现连续转动,负载重115Kg,横滚/俯仰/方位内三轴的最大加速度为8000/4000/4000°/s2,伺服带宽为40/30/30Hz,而其定位精度为2″。目