半实物仿真与实时控制
半实物仿真技术在深弹控制系统设计中的应用
半实物仿真技术在深弹控制系统设计中的应用【摘要】在深弹控制系统的设计过程中，引入了半实物仿真技术（HILS），通过其较高置信度的仿真结果，较真实的反映出控制系统的性能并加以改进。
【关键词】半实物仿真；深弹控制系统1.引言深弹是打击潜艇的有效武器之一，价格低廉，可以大量使用、维护使用方便、作战方式灵活，可用于浅水、深水海域的反潜作战，适合直升机和固定翼飞机装载、携带、投放和使用。
国外具有代表性的深弹有北约国家普遍装备的“MK11”，意大利白头鱼雷公司开发的MS500深弹，俄罗斯的“C-3B”无动力深弹以及90П火箭声深弹、短程有动力深弹KAB-500PL。
控制系统是深弹的关键分系统之一，其主要功能是根据深弹搜索与攻击目标过程中的弹道要求控制弹体，使弹体按规定的弹道运动。
对深弹的控制系统进行全弹道数学仿真和半实物仿真，全面评价弹体控制特性以及控制特性，可以为深弹控制系统设计及评价提供有力的决策依据。
随着微机技术的发展和现代控制理论的进步，深弹技术发展到了一个新的阶段，具备自导探测、布放方式多样、精确制导能力的深弹能在现代战争中发挥重要的作用。
作为深弹总体技术中的核心部分，深弹控制系统有着非常重要的地位，其主要功能是根据深弹在投放、搜索、导引过程中的弹道要求控制弹体，是其按期望的弹道运动，无论是布放的准确性或是攻击的快速性、精确性，都跟控制系统的效能息息相关[1]。
在深弹控制系统设计过程中，面临着有两个难题：一是深弹相比较鱼雷等水中兵器，其自身的攻击特性是自导作用距离短、作战距离有限，因此在有限的时间内要求控制系统能快速有效的解算、执行，从而确保打击精度；二是“物美价廉”的深弹，研制经费相对有限，如何能用有限的经费研制出高性能的深弹，是考验设计人员的一个难题。
2.半实物仿真仿真技术仿真技术被引入武器装备研制已经有数十年的历史，在指导设计改进、验证装备性能发挥了重要的作用。
HILS，又名半实物仿真，全称“Hardware In the Loop Simulation”，指在整个仿真回路中包含一部分硬件的仿真。
半实物仿真
Reflective Memory 与其它网络技术比较
Reflective Memory产品是网络解决方案之一，就象 Ethernet,Fast Ethernet或其它网个优势： -提供低数据传输滞后（750ns)的实时通讯； - 易于使用，节点间的距离长（节点间最大距离可达 10KM）； -高性能,提供自动节点旁路选择（ High noise immunity ） 功能。
主机平台支撑：
Windows SunOS 5.7+ HP/UX 10.x+ IBM AIX 4.1+
7.2.2实时网络技术
实时通信网络是用于需要较高实时性要求 的应用领域的专用网络通信技术，一般采 用基于高速网络的共享存储器技术实现。 它除了具有严格的传输确定性和可预测性 外，还具有速度高、通信协议简单、宿主 机负载轻、软硬件平台适应性强、可靠的 传输纠错能力、支持中断信号的传输等特 点。
7.1.4半实物仿真系统的基本组成
专用或通用仿真计算机 系统总控台 实物设备：转台、负载模拟器等 仿真网络
总控台
转台
7.2半实物仿真的支撑技术
7.2.1实时仿真计算机 7.2.2实时网络技术 7.2.3仿真框架技术 7.2.4接口技术
7.2.1实时仿真计算机
Reflective Memory 是能够读、写的存储器； 网络上的每个节点有一个所有数据的本地拷贝； 写入的数据被存储到本地RAM，并且播送到其他节点上； 当访问本地节点时，完成读数据的过程； 网络保证实时的、确定的数据传输； 可以减少软件开发时间和费用
允许长距离连接；
Reflective Memory与其它网络速度比较
RM 100BaseTX
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。
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 研究背景目前，国内外一些高校已经开始尝试在化工工程专业中引入半实物仿真工厂，以提升学生的实践能力和实际操作技能。
在《反应器操作与控制》这门课程中，半实物仿真工厂的应用还相对较少，相关研究也相对不足。
有必要对半实物仿真工厂在《反应器操作与控制》课程中的应用进行深入研究，探讨其对教学效果的影响，以期能够为提升该课程的教学质量提供更多有效的教学手段和解决方案。
1.2 研究目的研究目的是通过探究半实物仿真工厂在《反应器操作与控制》课程中的应用，评估其对学生实际操作技能和理论知识的提升效果。
具体目的包括：一是验证半实物仿真工厂在反应器操作与控制课程中的可行性和有效性，对比传统教学方法的优劣；二是探讨如何结合半实物仿真工厂与课堂理论教学，提高学生的学习兴趣和学习效果；三是通过实践操作评价学生的实际操作能力和问题解决能力，进一步完善课程内容和教学方法；四是为今后教学改革提供实践经验和借鉴，为教学质量的提升和学生综合素质的培养提供有效途径。
通过研究半实物仿真工厂在《反应器操作与控制》课程中的应用效果，旨在为教学实践和未来发展提供理论支持和实践经验，推动教育教学的不断创新和提高。
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意义。
通过研究半实物仿真工厂在该课程中的应用，可以提高学生对反应器操作与控制原理的理解和掌握。
这对于培养学生的实际操作能力和解决实际工程问题的能力是非常重要的。
半实物仿真工厂可以为学生提供一个更接近实际工程实践的学习环境，帮助他们更好地理解和应用课堂所学知识。
研究半实物仿真工厂的应用还可以为教学改革和教学方式创新提供有益的参考，促进教学质量的提升。
通过评价半实物仿真工厂在《反应器操作与控制》课程中的应用效果，可以为今后类似课程的教学改进和教学实践提供宝贵的经验。
对半实物仿真工厂在该课程中的应用进行研究具有重要的理论和实践价值。
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]。
MATLAB／Simulink下实现实时一些方法总结
MATLAB／Simulink下实现实时一些方法总结总结了使用MATLAB/Simulink进行实时仿真时实现实时的几种方法，包括使用Real-time Workshop和编写S函数的方法，同时通过实验检验了C语言S 函数实时模块的功能。
经仿真测试表明，在对时间精度要求不是很高的过程进行实时仿真和分析时，可以得到较好的效果。
标签：实时；MATLAB/Simulink；Real-time Workshop；S函数1 概述仿真技术由于能省去了实物系统实现过程中的繁琐步骤，对问题的解决有着良好的针对性，因此给科研和试验提供了很大的便利[1-3]。
但另一方面，仿真由于对模型的依赖性，其结果并很难完全反映实际情况。
因此，为了得到更接近实际情况的结果，可采用将数学模型与物理模型或实物相结合半实物仿真[1，2]。
半实物仿真系统既包含虚拟对象，又包含实物对象，因此更真实地反映实际系统的动、静态特性和非线性因素。
由于有实物的接入，半实物仿真对实时性有着较高的要求。
Matlab/Smulink在控制理论研究中是一个很优秀的仿真软件，可方便地对控制算法或控制对象进行建模和仿真实验[2-8]。
在仿真情况下，仿真运行的时间取决于仿真机的运行速度和模型的复杂程度等因素，因此Matlab/Smulink模型运行的时间可能远小于实际过程的运行时间。
但在半实物仿真中，实物对象的实际执行时间与模型仿真时间可能不一致，因此有必要使Simulink虚拟模型与外部连接的硬件运行同步，实现实时仿真，以获得接近实际情况的实验结果。
要用Matlab/Smulink进行实时仿真，可以利用自带的Real-Time Workshop和Real-Time Windows Target、xPC Target等工具，也可编写能进行实时仿真的应用程序，灵活地实现实时[4-9]。
本文将针对在Matlab/Smulink环境下的实时仿真、控制，探讨和总结一些实现实时的方法。
基于RTX的制导控制半实物仿真系统设计
第４５卷第６期２０２３年１２月指挥控制与仿真ＣｏｍｍａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ＆ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＶｏｌ ４５㊀Ｎｏ ６Ｄｅｃ ２０２３文章编号：１６７３⁃３８１９（２０２３）０６⁃０１４１⁃０５基于ＲＴＸ的制导控制半实物仿真系统设计∗陈俊杰，吴盘龙，何㊀山，姚文典（南京理工大学，江苏南京㊀２１００９４）摘㊀要：制导控制半实物仿真系统在制导武器的研制中发挥着重要作用，是验证导弹制导控制系统设计和软件设计正确性的重要途径㊂传统的Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统实时性较差，给半实物仿真试验带来诸多不确定因素，采用Ｗｉｎｄｏｗｓ＋ＲＴＸ的方案，完成了半实物仿真系统的软硬件设计，通过共享内存实现Ｗｉｎｄｏｗｓ进程和ＲＴＸ进程之间的通信，保证数据传输准确性和系统实时性㊂导弹制导控制半实物仿真试验结果表明：所设计的半实物仿真系统合理，并且实时性好㊁可靠性高㊁通用性强㊂关键词：半实物仿真系统；导弹制导控制；ＲＴＸ；实时性；准确性中图分类号：ＴＪ７６２；ＴＰ３９１ ９㊀㊀㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀㊀㊀ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３⁃３８１９．２０２３．０６．０２１Ｄｅｓｉｇｎｏｆｓｅｍｉ⁃ｐｈｙｓｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｆｏｒｇｕｉｄａｎｃｅａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｂａｓｅｄｏｎＲＴＸＣＨＥＮＪｕｎｊｉｅ，ＷＵＰａｎｌｏｎｇ，ＨＥＳｈａｎ，ＹＡＯＷｅｎｄｉａｎ（ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｇｕｉｄａｎｃｅａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｅｍｉｐｈｙｓｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｐｌａｙｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｇｕｉｄｅｄｗｅａｐｏｎｓ，ａｎｄｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｗａｙｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆｍｉｓｓｉｌｅｇｕｉｄａｎｃｅａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎ．ＴｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＷｉｎｄｏｗｓｏｐｅｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｈａｓｐｏｏｒｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｗｈｉｃｈｂｒｉｎｇｓｍａｎｙｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｉｅｓｔｏｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｉｎｔｈｅｌｏｏｐｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｕｓｅｓｔｈｅＷｉｎｄｏｗｓ＋ＲＴＸｓｃｈｅｍｅｔｏｃｏｍｐｌｅｔｅｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｉｎｔｈｅｌｏｏｐｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｒｏｕｇｈｓｈａｒｅｄｍｅｍｏｒｙ，ｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎＷｉｎｄｏｗｓｐｒｏｃｅｓｓｅｓａｎｄＲＴＸｐｒｏｃｅｓｓｅｓｉｓｒｅａｌｉｚｅｄｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｎｄｔｈｅｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｆｉｎａｌｍｉｓｓｉｌｅｇｕｉｄａｎｃｅａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｅｍｉｐｈｙｓｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｓｅｍｉｐｈｙｓｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓｒｅａｓｏｎａｂｌｅ，ａｎｄｈａｓｇｏｏｄｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｈｉｇｈｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄｓｔｒｏｎｇｕｎｉｖｅｒｓａｌｉｔｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｍｉ⁃ｐｈｙｓｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ；ｍｉｓｓｉｌｅｇｕｉｄａｎｃｅｃｏｎｔｒｏｌ；ＲＴＸ；ｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅ；ａｃｃｕｒａｃｙ㊀收稿日期：２０２２⁃１２⁃２０修回日期：２０２３⁃０３⁃０１∗基金项目：上海航天科技创新基金（ＳＡＳＴ２０２１－０２７，ＳＡＳＴ２０２１－０５６）作者简介：陈俊杰（１９９９ ），男，硕士研究生，研究方向为飞行器制导控制系统仿真㊂吴盘龙（１９７８ ），男，博导，研究员㊂㊀㊀对于导弹制导控制系统仿真，半实物仿真是除了导弹发射试验外，可以验证导弹制导控制系统设计正确性的唯一方式㊂相较纯数字仿真，半实物仿真通过在仿真闭环回路中接入物理设备［１⁃３］，仿真数据更加接近实际，是导弹制导控制系统研制过程中必需环节㊂半实物仿真平台可以实现半实物物理设备连接㊁数据检测㊁信号传输㊁仿真过程控制㊁制导模型仿真验证等功能［４⁃６］㊂随着导弹制导技术的发展，半实物仿真平台对实时性㊁通用性㊁可靠性及可扩展性要求越来越高㊂操作系统㊁半实物仿真系统必须满足高实时性，目前多采用ＲＴＸ㊁ｄＳＰＡＣＥ㊁ＦｒｅｅＲＴＯＳ㊁ＲＴ⁃Ｌａｂ，Ｓｐｅｅｄｇｏａｔ等其他实时操作系统㊂ｄＳｐａｃｅ是一种实时仿真系统，是一套基于ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的控制系统开发及半实物仿真的软硬件工作平台㊂多应用于微处理器的Ｆｒｅ⁃ｅＲＴＯＳ实时操作系统，是一个轻量级的操作系统㊂ＲＴ⁃Ｌａｂ实时操作系统是一种用于动力与电气工程领域的科学仪器，是一套工业级的系统实时仿真平台软件包㊂Ｓｐｅｅｄｇｏａｔ实时系统中ＳｉｍｕｌｉｎｋＲｅａｌ⁃Ｔｉｍｅ工具箱与Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ兼容最好，仿真操作均在Ｍａｔｌａｂ中进行㊂基于本文的设计方案，工业控制计算机工作在Ｗｉｎｄｏｗｓ系统下，ＲＴＸ实时子系统是Ｗｉｎｄｏｗｓ系统的扩展子系统，可以充分利用Ｗｉｎｄｏｗｓ系统下各种资源㊁ＡＰＩ函数等，方便针对硬件实时驱动㊁人机交互界面等方面进行开发㊂文献［７⁃８］分别介绍了导弹半实物仿真的三维场景构建和导引头半实物模型构建，但均未搭建一套完整的导弹制导控制半实物仿真系统㊂本文根据目前飞行器制导控制技术［９⁃１１］和半实物仿真装备研究现况与进展，设计一套基于ＲＴＸ的导弹制导控制半实物仿真系统，满足了半实物仿真系统高实时性㊁高通用性㊁高扩展性的要求，且通过了制导武器半实物仿真试验可信度评估［１２⁃１３］，在保留Ｗｉｎｄｏｗｓ系统优势的基础上，通过引进ＲＴＸ实时子系统，解决了Ｗｉｎｄｏｗｓ系统实时性较弱的问题㊂１４２㊀陈俊杰，等：基于ＲＴＸ的制导控制半实物仿真系统设计第４５卷１㊀ＲＴＸ系统简介ＲＴＸ实时系统是Ｗｉｎｄｏｗｓ系统下的一个实时扩展子系统，也是一个基于软件的硬实时解决方案㊂它通过对ＩＲＱ㊁Ｉ／Ｏ㊁系统内存等的精确控制，确保实时任务的可靠性㊁数据传输的准确性㊂ＲＴＸ实时子系统还支持３０ｋＨｚ的持续中断触发速度，平均延迟小于１μｓ㊂ＲＴＸ实时子系统与Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统之间可以实现全面兼容，并且可以充分保留Ｗｉｎｄｏｗｓ系统的各种资源，其中包括Ｗｉｎｄｏｗｓ系统下大量标准的ＡＰＩ函数㊁Ｗｉｎｄｏｗｓ系统的内存管理机制等㊂作为Ｗｉｎｄｏｗｓ系统下的一个实时扩展系统，ＲＴＸ不会对Ｗｉｎｄｏｗｓ系统下的架构作任何封装和修改㊂ＲＴＸ实时子系统拥有精确高速的任务调度器，其最多支持１０００个独立的进程㊂ＲＴＸ实时子系统拥有１２８个优先级，并且针对线程切换时间具有严格要求，可以满足几乎所有用户的编程需要㊂ＲＴＸ实时子系统同时也是软件开发解决方案，可以将包括Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００㊁ＷｉｎｄｏｗｓＸＰ等各版本系统拓展到时间控制领域，使得上述各版本系统转为实时操作系统㊂因此基于ＲＴＸ实时子系统拓展的ＲＴＯＳ，不仅可以实现对实时性要求高的任务开发，也可以实现非实时性任务开发㊂２㊀ＲＴＸ与Ｗｉｎｄｏｗｓ数据交互机制半实物仿真需要真实硬件参与制导控制解算回路，半实物仿真平台需要可操作性㊁通用性，更需要保证半实物仿真平台的高实时性，以保证半实物仿真系统的可靠性，进而检验导弹制导系统设计结果和软件设计的正确性㊂实时仿真软件中采用共享内存交互机制，能够高速且准确实现ＲＴＸ与Ｗｉｎｄｏｗｓ之间的数据交互，并且满足上述所有要求㊂共享内存是进程间共享数据的最快的方法，一个进程向共享内存池写入数据，共享内存池的所有进程均拥有读权限㊂根据仿真数据交互需求，本文介绍的半实物仿真系统需要提供两片共享内存池，该半实物仿真系统中共享内存的数据交互工作流程如图１所示㊂图１㊀数据交互流程图Ｆｉｇ １㊀Ｄａｔａｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｆｌｏｗｃｈａｒｔ㊀㊀在仿真流程开始前，Ｗｉｎ３２进程读取仿真各初始参数后，需要传输给ＲＴＳＳ进程，此时Ｗｉｎ３２进程需要创建第一片共享内存池，同时拥有写权限，ＲＴＳＳ进程仅拥有读权限㊂在仿真流程开始后，ＲＴＳＳ进程收到控制组合模拟单元解算数据，需要上传至Ｗｉｎ３２进程，Ｗｉｎ３２进程通过光纤上传至工作站的监控软件㊂此时ＲＴＳＳ进程需要创建第二片共享内存池，拥有写权利，Ｗｉｎ３２进程仅拥有读权利㊂３㊀半实物仿真系统设计基于ＲＴＸ的制导控制半实物仿真系统结构如图２所示㊂半实物仿真系统主要由工作站㊁工业控制计算机㊁控制组合模拟单元组成㊂第６期指挥控制与仿真１４３㊀图２㊀基于ＲＴＸ的制导控制半实物仿真系统结构Ｆｉｇ ２㊀ＢａｓｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＲＴＸ⁃ｂａｓｅｄｈａｒｄｗａｒｅ⁃ｉｎ⁃ｔｈｅ⁃ｌｏｏｐｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｆｏｒｇｕｉｄａｎｃｅａｎｄｃｏｎｔｒｏｌ３ １㊀半实物仿真系统硬件设计３ １ １㊀工作站工作站主要负责数据采集㊁显示㊁控制组合模拟单元软件调试㊁上传，数据处理与分析㊂工作站通过ＲＳ４２２串口与控制组合模拟单元连接，实现控制组合模拟单元软件调试与上传，并接收控制组合模拟单元按周期发送的实时仿真数据并上传到地面监控软件，实现数据采集和显示㊂光纤通信模块主要完成工作站与工业控制计算机之间的光纤通信㊂工作站和工业控制计算机分别搭载ＶＭＩＰＭＣ⁃５５６５反射内存实时网卡，并通过光纤连接，构成ＶＭＩＣ实时网络㊂３ １ ２㊀工业控制计算机工业控制计算机主要用于硬件接口模拟和为飞控算法的运行提供实时运行环境，可实现在ＲＴＸ环境下进行制导姿控算法计算㊂工业控制计算机的串口通信模块负责半实物仿真过程中与控制组合模拟单元的数据交互，通过４路ＲＳ４２２串口与控制组合模拟单元的串口卡相连，其中１路串口负责仿真指令发送与接收，其余３路串口分别负责将ＧＰＳ㊁ＩＭＵ㊁装订数据发送至控制组合模拟单元㊂工业控制计算机中１５５３Ｂ通信模块实现与控制组合模拟单元之间飞控数据交互，其中工业控制计算机作为ＢＣ（工控机），控制组合模拟单元作为ＲＴ（弹载计算机）㊂工业控制计算机搭载的时钟同步模块主要负责接收同步时钟信号；模拟量输入／输出模块模拟实际舵偏的采集及舵偏指令的下发；数字量输入／输出模块作为备用接口，便于二次开发㊂３ １ ３㊀控制组合模拟单元控制组合模拟单元主要提供嵌入式的软硬件运行环境，该单元带有开关量输入／输出模块㊁模拟量输入／输出模块㊁时钟同步模块㊁１５５３Ｂ通讯模块㊁ＲＳ４２２串口通信模块㊂控制组合模拟单元搭载的ＲＳ４２２串口通信模块共搭载８路串口，其中１路串口与工作站连接，用于实现控制组合模拟单元软件调试与上传；４路串口与工业控制计算机连接，１路串口用于接收与发送仿真相关指令，３路串口分别用于接收工业控制计算机发送的ＧＰＳ㊁ＩＭＵ㊁装订数据；１路串口发送１ｋＨｚ时钟信号，用于时钟同步㊂３ ２㊀半实物仿真软件设计半实物仿真软件是仿真系统的核心部分，系统软件结构先进性㊁可靠性㊁功能完备性是半实物仿真系统成败的关键㊂该半实物仿真系统软件主要包括工作站搭载的地面监控软件㊁工业控制计算机搭载的实时仿真软件及控制组合模拟单元搭载的导航㊁制导与控制仿真软件㊂工作站搭载的地面监控软件主要完成控制组合模拟单元软件上传㊁数据采集㊁数据显示与数据存储㊂工业控制计算机搭载的实时仿真软件包括了弹道仿真软件及通信管理软件㊂弹道仿真软件基于ＲＴＸ环境下开发，进行实时飞控计算；通信管理软件是基于Ｗｉｎｄｏｗｓ环境下开发的人机交互界面，完成Ｉ／Ｏ卡参数设定㊁诸元装订㊁仿真指令下发等功能㊂工业控制计算机是在Ｗｉｎｄｏｗｓ和ＲＴＸ实时操作系统环境下完成实时仿真软件开发，Ｗｉｎｄｏｗｓ环境下的任务和ＲＴＸ环境下的任务可以通过共享内存共享数据，使用Ｗｉｎｄｏｗｓ和ＲＴＸ的架构既可以拥有Ｗｉｎｄｏｗｓ环境下的特性，也提高了系统的实时性㊂控制组合模拟单元搭载的导航㊁制导与控制仿真软件具有上电初始化及自检㊁数据上传和下载㊁数据固化㊁内存单元读取和回传等功能㊂３ ３㊀半实物仿真试验流程设计基于ＲＴＸ的制导控制半实物仿真系统试验流程主要包括：１）工作站上的监控界面打开光纤通信模块，发送试验开始指令；２）在工业控制计算机的实时仿真软件进行串口号以及波特率的设置，然后进行系统通信自检；３）自检成功后，地面监控软件向控制组合模拟单元发送向内存写入固件指令；４）控制组合模拟单元收到指令后将待写固件写入１４４㊀陈俊杰，等：基于ＲＴＸ的制导控制半实物仿真系统设计第４５卷对应内存，等待工业控制计算机发送仿真初始条件；５）工业控制计算机的实时仿真软件加载工况，将ＧＰＳ㊁ＩＭＵ㊁装订数据分别通过串口２㊁３㊁４发送给控制组合模拟单元；６）控制组合模拟单元进行模型解算，并实时向工业控制计算机传输仿真数据；７）工业控制计算机将接收到的数据通过光纤通信模块传输给监控界面㊂４㊀半实物仿真系统试验验证为验证半实物仿真系统的性能，按照该仿真试验流程进行场景验证，试验主要包括对数据传输实时性㊁数据可靠性㊁半实物仿真试验流程正确性进行验证㊂４ １㊀系统实时性验证表１的测试数据可以得出，多个实时性能指标ＲＴＳＳ线程明显优于Ｗｉｎ３２线程㊂作者利用ＲＴＳＳ工作线程来完成仿真，可以获得较好的实时性能，满足实时仿真对实时性的要求㊂本文设计的半实物仿真系统中加入了导弹制导控制６ＤｏＦ模型㊁调度流程等，需要对半实物仿真系统的实时性进行性能测试㊂在运行导弹制导控制半实物仿真系统后，对系统的延迟情况进行了２０ｍｓ的测试㊂表２的测试数据表明，基于ＲＴＸ的制导控制半实物仿真系统在加入了导弹制导控制模型后仍具有良好的实时性㊂表１㊀ＲＴＳＳ进程性能测试（ＣＰＵ满负荷下）Ｔａｂ １㊀ＲＴＳＳｐｒｏｃｅｓｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔｅｓｔｓ（ｕｎｄｅｒｆｕｌｌＣＰＵｌｏａｄ）测试环境切换时间／ｕｓ高优先级抢先时间／ｕｓ信号量交替延迟时间／ｕｓ异常处理等待时间／ｕｓＷｉｎ３２４７００５０００５１６ ７１１ ８ＲＴＳＳ０ １７０ ７５１ ３６２ ８０㊀表２㊀系统延迟测试结果Ｔａｂ ２㊀Ｓｙｓｔｅｍｄｅｌａｙｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓ系统最大延迟／ｕｓ最小延迟／ｕｓ平均延迟／ｕｓ采样次数运行内容ＲＴＸ７７１４１２５７８次模型解算线程ＲＴＸ９６１４１２５７２次数据通讯线程ＲＴＸ５８１４１２５７６次管理线程㊀４ ２㊀半实物仿真数据传输正确性验证作者需要通过工业控制计算机对控制组合模拟单元进行诸元装订，实时仿真软件中Ｗｉｎ３２进程通过读取本地文件初始诸元参数，再通过共享内存下传到图３㊀地面监控软件数据与控制组合模拟单元数据对比Ｆｉｇ ３㊀Ｄａｔａｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｇｒｏｕｎｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｃｏｍｂｉｎｅｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｕｎｉｔ在半实物仿真过程中，ＲＴＳＳ进程通过定时器以５ｍｓ为周期，将惯导和导引头数据通过ＲＳ４２２串口下传到控制组合模拟单元进行模型解算，然后控制组合模拟单元通过ＲＳ４２２串口将模型解算数据上传至实时仿真软件中ＲＴＳＳ进程，ＲＴＳＳ进程再通过共享内存上第６期指挥控制与仿真１４５㊀传至Ｗｉｎ３２进程，Ｗｉｎ３２进程通过ＶＭＩＣ光纤通信模块上传至工作站中地面监控软件，完成实时仿真数据监控㊂图３中蓝线表示地面监控软件通过光纤通信模块接收ＲＴＳＳ进程发送的模型解算数据，红线表示控制组合模拟单元发送至工业控制计算机中ＲＴＳＳ进程的数据㊂通过对比可以得到结论：地面监控软件接收的数据与控制组合模拟单元遥测输出的数据相同，半实物仿真系统数据传输没有误差，该半实物仿真系统可靠性和数据传输准确性高㊂综上所述，本文所介绍的半实物仿真系统设计合理，且具有高实时性㊁高准确性㊁高可靠性㊂５㊀结束语本文主要介绍了基于ＲＴＸ的制导控制半实物仿真系统的基本原理与系统组成，通过详细描述半实物仿真系统的组成及工作原理，并且根据场景验证，基于ＲＴＸ的制导控制半实物仿真平台可实现控制组合模拟单元软件上传㊁实时控制导弹制导半实物仿真指令下发㊁实时监控仿真过程中导弹各参数等功能㊂测试结果表明该半实物仿真系统是正确且合理的㊂参考文献：［１］㊀杨宝庆，马杰，姚郁．飞行器半实物仿真装备研究进展与展望［Ｊ］．宇航学报，２０２０，４１（６）：６５７⁃６６５．ＹＡＮＧＢＱ，ＭＡＪ，ＹＡＯＹ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓａｎｄｐｒｏｓ⁃ｐｅｃｔｓｏｆｆｌｉｇｈｔｖｅｈｉｃｌｅｓｉｍｕｌａｔｏｒｓｆｏｒＨＷＩＬｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，２０２０，４１（６）：６５７⁃６６５．［２］㊀朱亚芬，夏丰领．空空导弹制导半实物仿真视景仿真技术研究［Ｊ］．计算机仿真，２０１９，３６（３）：８３⁃８６．ＺＨＵＹＦ，ＸＩＡＦＬ．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＡＡＭＶｉｓｕａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢａｓｅｄｏｎＨＩＬ［Ｊ］．ＣｏｍｐｕｔｅｒＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ，２０１９，３６（３）：８３⁃８６．［３］㊀高云阁，马建伟．旋转导弹控制器模型设计的半实物仿真［Ｊ］．测控技术，２０１８，３７（１０）：１４３⁃１４７．ＧＡＯＹＧ，ＭＡＪＷ．Ｈａｒｄｗａｒｅ⁃ｉｎ⁃ｔｈｅ⁃Ｌｏｏｐｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｓｐｉｎｎｉｎｇｍｉｓｓｉｌｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｍｏｄｅｌｄｅｓｉｇｎ［Ｊ］．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆ＣｏｎｔｒｏｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１８，３７（１０）：１４３⁃１４７．［４］㊀肖冰，刘维国．多模复合制导系统半实物仿真技术应用研究［Ｊ］．计算机仿真，２０１９，３６（１２）：１⁃４，４００ＸＩＡＯＢ，ＬＩＵＷＧ．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｈａｒｄｗａｒｅ⁃ｉｎ⁃ｔｈｅ⁃ｌｏｏｐｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｍｕｌｔｉｍｏｄｅｃｏｍｐｏｕｎｄｇｕｉｄａｎｃｅｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＣｏｍｐｕｔｅｒＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ，２０１９，３６（１２）：１⁃４，４００．［５］㊀王超磊，杜渐，石建华．红外成像制导防空导弹半实物仿真方法研究［Ｊ］．上海航天，２０１９，３６（４）：６５⁃７０．ＷＡＮＧＣＬ，ＤＵＪ，ＳＨＩＪＨ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｈａｒｄｗａｒｅ⁃ｉｎ⁃ｔｈｅ⁃ｌｏｏｐｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔｆｏｒｉｎｆｒａｒｅｄｉｍａｇｉｎｇｇｕｉｄａｎｃｅａｉｒｄｅｆｅｎｓｅｍｉｓｓｉｌｅ［Ｊ］．ＡｅｒｏｓｐａｃｅＳｈａｎｇｈａｉ，２０１９，３６（４）：６５⁃７０．［６］㊀张宇辛，崔连虎．基于地面坐标系偏置法的导弹制导半实物仿真目标模拟能力拓展方法［Ｊ］．战术导弹技术，２０２０（２）：７４⁃８２．ＺＨＡＮＧＹＸ，ＣＵＩＬＨ．Ｔａｒｇｅｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｂｉｌｉｔｙｅｘｐａｎｓｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｎｍｉｓｓｉｌｅｇｕｉｄａｎｃｅｈａｒｄｗａｒｅ⁃ｉｎ⁃ｔｈｅ⁃ｌｏｏｐｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｇｒｏｕｎｄｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍｂｉａｓｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．ＴａｃｔｉｃａｌＭｉｓｓｉｌｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２０（２）：７４⁃８２．［７］㊀姜智，闫智强，成高，等．基于导弹半实物仿真的三维场景构建［Ｊ］．电子设计工程，２０２０，２８（１５）：８３⁃８７．ＪＩＡＮＧＺ，ＹＡＮＺＱ，ＣＨＥＮＧＧ，ｅｔａｌ．３Ｄｓｃｅｎｅｃｏｎ⁃ｓｔｒｕｃｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｍｉｓｓｉｌｅｓｅｍｉ⁃ｐｈｙｓｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｅ⁃ｌｅｃｔｒｏｎｉｃＤｅｓｉｇｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０２０，２８（１５）：８３⁃８７．［８］㊀宋卫东，马宁，李建华，等．导引头抗有源投掷式诱饵干扰半实物仿真［Ｊ］．制导与引信，２０２２，４３（２）：２５⁃３１．ＳＯＮＧＷＤ，ＭＡＮ，ＬＩＪＨ，ｅｔａｌ．Ｈａｒｄｗａｒｅ⁃ｉｎ⁃ｌｏｏｐｓｉｍ⁃ｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｓｅｅｋｅｒａｇａｉｎｓｔａｃｔｉｖｅｃａｓｔｄｅｃｏｙｊａｍｍｉｎｇ［Ｊ］．Ｇｕｉｄａｎｃｅ＆Ｆｕｚｅ，２０２２，４３（２）：２５⁃３１．［９］㊀ＺＨＯＵＷＢ，ＺＨＡＮＧＣＸ，ＷＡＮＧＳＹ，ｅｔａｌ．Ｄｅｓｉｇｎａｎｄａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｏｆｈａｒｄｗａｒｅ⁃ｉｎ⁃ｔｈｅ⁃ｌｏｏｐｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｆｏｒｓｔｒａｐｄｏｗｎｓｅｍｉ⁃ａｃｔｉｖｅｌａｓｅｒｓｅｅｋｅｒ［Ｊ］．ＩＯＰＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＳｅｒｉｅｓ：ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０２０，７９３（１）：０１２０６５．［１０］ＷＵＨＬ，ＣＡＩＭＸ，ＨＥＺＫ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｆｌｉｇｈｔｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｈａｒｄｗａｒｅ⁃ｉｎ⁃ｔｈｅ⁃ｌｏｏｐｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｎｉｈａｒｄｗａｒｅｐｌａｔｆｏｒｍｆｏｒｕｎｍａｎｎｅｄａｅｒｉａｌｖｅｈｉｃｌｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｙｓｉｃｓ：ＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＳｅｒｉｅｓ，２０２２，２３６６（１）：０１２０５１．［１１］ＳＩＮＨＡＡ，ＫＵＭＡＲＳＲ，ＭＵＫＨＥＲＪＥＥＤ．Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｇｕｉｄａｎｃｅａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｄｅｓｉｇｎｆｏｒｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｉｎ⁃ｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ［Ｊ］．ＡｅｒｏｓｐａｃｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２２（１２０）：１０７２６２．［１２］豆建斌，王小兵，单斌，等．制导武器半实物仿真试验可信度评估研究［Ｊ］．系统仿真学报，２０１７，２９（１２）：３０２３⁃３０２９．ＤＯＵＪＢ，ＷＡＮＧＸＢ，ＳＨＡＮＢ，ｅｔａｌ．Ｃｒｅｄｉｂｉｌｉｔｙｅｖａｌｕ⁃ａｔｉｏｎｏｆｈａｒｄｗａｒｅ⁃ｉｎ⁃ｔｈｅ⁃ｌｏｏｐｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔｆｏｒｇｕｉｄｅｄｗｅａｐｏｎｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｙｓｔｅｍＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ，２０１７，２９（１２）：３０２３⁃３０２９．［１３］刘聪，张洋．激光制导武器半实物仿真系统的分析与实现［Ｊ］．电子制作，２０２１（２）：３１⁃３２，２４．ＬＩＵＣ，ＺＨＡＮＧＹ．Ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｈａｒｄ⁃ｗａｒｅ⁃ｉｎ⁃ｔｈｅ⁃ｌｏｏｐｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｆｏｒｌａｓｅｒｇｕｉｄｅｄｗｅａｐｏｎｓ［Ｊ］．ＰｒａｃｔｉｃａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０２１（２）：３１⁃３２，２４．（责任编辑：胡前进）。
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。
CosiWorks-RT实时半实物仿真平台
半实物仿真
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。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。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。
硬件接口
实时半实物仿真系统最显著的特点就是与外部硬件相结合的系统。具有完全的硬件接口兼容性是衡量一个半实物仿真平台的标尺，体现半实物仿真平台的“价值”。
CosiWorks-RT支持AFDX、1553B、ARINC429、MIL1394B、CAN、串口、模拟量、数字量、PWM、RTD、旋变等多种I/O接口；同时CosiWorks-RT引擎能够访问CustomDevice资源库和系统资源的运行组件。此接口的使用为新增硬件接口创建支持，用户可以通过此接口创建自己的硬件接口驱动程序，将生成的驱动程序加载到CustomDevice资源库当中，CosiWorks-RT将自动加载CustomDevice资源库当中的自定义设备到系统当中。
建模环境
CosiWorks-RT支持市面上主流的图形建模工具以及代码建模开发工具所生成的模型库的导入。包括MathWorks, Inc.的Simulink®软件、ITI的SimulationX、Maplesoft的MapleSim、Gamma Technologies Inc.的GT-POWER，YHSIM以及其他编程环境所创建并编译的函数或模型代码。
2.建模阶段，包括仿真系统描述、建立系统数学模型及仿真数学模型；
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。
无刷直流电机半实物实时仿真及测试
第22卷第4期 2018年4月电机与控制学报E le c tric M achines and C ontrolVol.22 No.4Apr.2018无刷直流电机半实物实时仿真及测试高瑾，徐秋霞，董召强(上海大学自动化系，上海200072)摘要:研究提高无刷直流电机（BLDCM)通用性的方法，基于电机和逆变器H IL建模的原理，设计硬件在环（H IL)实时仿真实验。
采用标么化建模方法，避免由于仿真电机的更换所造成的数据溢出；建立电机H IL模型，使用实物电机中的非理想反电势波形，模拟实物电机的输出；建立逆变器H IL模型，增加续流和关断过程，适用于多种运行状态；最后，搭建了电机参数实时发送上位机平台，方便电机参数的修改和实时加载，防止定点数重复计算，提高建模效率。
将H IL平台与全实物实验平台进行了实验对比，结果表明，H I L实时平台能准确仿真出不同反电势波形的BLDCM在不同控制方式下的运行过程，在实时性、通用性和精度方面符合需求。
关键词：无刷直流电机;硬件在环实时仿真；标幺化建模；多种运行状态；非理想反电势D O I:10.15938/j.emc.2018.04.002中图分类号:TM 351 文献标志码:A 文章编号：1007-449X(2018)04-0008-08Real-time simulation and test for brusliless DC motorwith hardware-in-the-loopGAO Jin,XU Qiu-xia,DONG Zhao-cjiang(School of Automation，Shanghai University，Shanghai 200072 )Abstract:Based on the principle of motor and inverter HIL modeling，the simulation of a brushless DCmotor (BLDCM)with a hardware in the loop (H IL)is studied to improve the versatility.Firstly，themetliodology of per-unit modeling that avoids data overflow caused by the change of m universality of tlie model.Secondly，non-ideal back electromotive force (EMF)shapes of physical motorwas employed in t he real-time BLDCM model to simulate the output of the physical motor.Next，the inverter HIL model，considering the freewheeling and shuting down process，was suitable for all types of operation conditions.Fin/ly，a platform for delivering parameters was created to modify th and change real-time load online conveniently，which avoid the repeated fixed point computation of parameters and improves modeling paring the HIL platform and full physical experiment platformunder same conditions，the results s how that the HIL platform can simulate different types of operations ofBLDCM witli diferent k inds of back EMF waveforms and thus meet the requirements in terms of realtime，versatility and accuracy.Keywords：brushless DC motor；hardware in the loop;per-unit modeling;a variety of operational status;non-ideal back EMF收稿日期％2016 -07-30基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）（2012AA110801)作者简介：高瑾（1972—），男，博士，副教授，研究方向为电机及其控制、电力电子技术;徐秋霞（1991 一），女，硕士研究生，研究方向为电机半实物实时仿真；董召强（1993—)，男，硕士研究生，研究方向为电机半实物实时仿真。
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。
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。
某雷达侦察装备半实物仿真试验系统实时性应用研究
（ ｉａＳ ｉ Ｒｅ ｅ ｒｈ ａ ｄＤｅ ｅｏ ｍｅ ｔ ａ ｅ ，Ｂ ｉ ｎ １ ０ ９ ） Ｃｈｎ ｈ ｐ ｓ ａ ｃ ｎ ｖ ｌ ｐ ｎ ｄ ｍｙ ｅ ｉｇ ０ １ ２ Ａｃ ｊ
模 块 发 送 的仿 真 试 验 数 据 ， 于 试 验 评 估 。 用
所述 的雷达侦察装备半实物仿真试验 系统包含控制与 显示计算机 ， 剧情产 生计算 机 ， 间服务计 算机 ， 时 电磁 传播
解 算计算机 ， 路径 解算计 算机 ， 频 信号 控制计 算机 ， 多 射 接 口适 配计 算 机 ， 据 录取 计 算 机 等 功 能 计 算 机 ， 些 功 能 计 数 这
离 Ｒ 处 以速 度 Ｖ 横 向运 动 时 ， 一 个 仿 真 更 新 周 期 即平 台 在 航迹解算 步长 丁内 ， 位移变化 △ 角 为
△ —ＶＴ ／ ｅ Ｒ
５ 雷 达 侦 察 装 备 半 实 物 仿 真 试 验 系统 组成
某 雷达 侦察 装备 半 实物仿 真 试验 系统 由雷 达 侦察装
一
节点 ， 总的数 据延 迟影 响小 ， 对 且节点故 障或掉电不影 响整
个 网络 运 行 。
２ ）时 间 同步 精 度
收 稿 日期 ：０ ２年 ２月 １ 日， 回 日期 ：０ ２年 ３ １ 日 ２１ ０ 修 ２１ 月 ４ 作者 简 介 ： 磊 ， ， 程 师 ， 究 方 向 ： 达 、 缪 男 工 研 雷 电子 战 系 统 及 仿 真 。
能 力 等 项 目 的 进 行 动 态 试 验 ［ 。 由 于 试 验 回 路 中 包 含 实 ２ ］ 物 ， 要 在 确 定 的 物理 系统 时 间 内完 成相 应 的 仿 真 功 能 ， 需 仿 真 模 型 的时 间推 进 必 须 与 物 理 系 统 的 时 间 推 进 同 步 ， 即必
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行，不能脱离该环境
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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
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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
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9.1.2 独立程序的自动生成
Simulink仿真模型可以转换为可执行文件， 可以脱离MATLAB/Simulink运行 必须使用定步长仿真算法，不能用变步长
Tools | Real-Time Workshop | Build Model
➢ 可以生成exe文件，脱离MATLAB语言可以运行 ➢ 仿真结果将生成后缀为mat的透明文件，存储仿真
➢ DOS(4GW) Real-Time Target：DOS下目标程序
➢ RTW Embedded Coder：嵌入式操作系统的程序
“硬件在回路”(hardware-in-the-loop，HIL) 的仿真，又称为半实物仿真
快速原型设计技术(rapid prototyping的自动生成 ➢ 实时仿真与目标计算机仿真 ➢ 基于xPC Target的半实物仿真方法
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真模式
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例：Van der Pol方程仿真
原始模型：c9mvdp1.mdl，定步长设置
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9.1.1 半实物仿真简介
实时工具 (Real-Time Workshop，RTW）：
➢ 由Simulink的框图生成优化语言(如C和Ada)代码 ➢ 控制与快速原型设计所需的代码
例：c8fstr1.mdl模型的实时化
修改算法为定步长0.001s
➢ 生成新的c9fstr1.mdl，PreLoadFcn设置成
➢ 脱离MATLAB运行
➢ 仿真结束后，将结果传递到MATLAB ➢ Accelerator仿真模式
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RTW的地位与作用
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9.1.3 实时仿真与目标计算机仿真
主机(host):运行MATLAB/Simulink的计算机 目标计算机(target):实际运行Simulink所生成 的可执行文件的计算机 通过RS232接口或TCP/IP协议与主机相连， 共同完成实时仿真任务 允许主机和目标计算机使用同一计算机 Real-Time Windows Target的安装
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9.1 Simulink仿真的实时工具RTW
半实物仿真指的是仿真系统中部分为实物， 部分为数值仿真代码组成的仿真模式
加速仿真模式 Accelerator：
➢ 自动将Simulink模型生成.mexw32可执行文件
外部仿真模式 External：
➢ 允许在没有安装MATLAB的机器上直接运行， ➢ 由Tools | Real-Time Workshop | Build model命令
自动生成可执行代码
“硬件在回路”和“处理器在回路”的仿
第9章 半实物仿真与实时控制
搭建起数字仿真与实时控制之间桥梁 半实物仿真工具
➢ dSPACE, Quanser+WinCon, NIAT+FlexControl
主要内容
➢ Simulink仿真的实时工具RTW ➢ 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 ➢ 基于NIAT的低成本半实物仿真简介