半实物仿真技术

控制界面的直观性
软界面：曲线、数显 软操作：触摸屏、键盘、鼠标
控制精度高
充分发挥数字测量元件的精度优势
功能丰富
图形监控、通讯 数据记录、处理 测试信号产生
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
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
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
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
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
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
飞行模拟转台：
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
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
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））
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
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
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半实物仿真系统
研究生学位课程－－系统建模与仿真
8 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
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
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。
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
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飞行模拟转台的应用
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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）
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
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飞行模拟转台
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
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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
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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
飞行模拟平台
三自由度
航向、姿态和倾斜
六自由度
航向、姿态和倾斜及三个方向的过载（线加 速度）
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伺服控制系统
控制元件
运算放大器 单片机 DSP处理芯片 80x86
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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
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
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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
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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：
功能扩展：测试信号、数据记录、曲线显示
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飞行模拟转台的组成
动力系统 伺服控制系统 机械系统
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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
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
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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。
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飞行模拟转台伺服控制系统
前馈校正 负载 机械系统
校正环节
校正环节
驱动系统
测速系统
相似原理与相似方法
相似原理：
几何相似、感觉信息相似、数wenku.baidu.com相似、逻辑相似
相似方法
模式相似、模糊相似、组合相似、坐标变换相似
实现方法
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
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
物理模拟设备与技术
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
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
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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。
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
动力系统
直流电源
可控硅直流电源 开关稳压电源
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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）
测角系统
转台伺服控制系统原理框图
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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。
功能要求：
规范转台在使用、维护方面的功能。
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铰链力矩：与舵偏角、速度、流体密度攻角等有关
物理实现
线性加载：铰链力矩系数为常数。
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。
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机械系统
立式结构：Y,T 敞开式结构：U 封闭式结构：O
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
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
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
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：
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
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
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
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 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 Hz Hz 公斤 cm Mm 角秒 单位 Rad/s2 Rad/s 度 度/秒 度 内框 454 4 ±200 ±0.05 ±0.01 1% 15 20 中框 126 3.3 ±150 ±0.05 ±0.01 1% 12 15 30～50 200*100*150 0.2 12 外框 106 3.3 ±150 ±0.05 ±0.01 1% 9 10 0.1-1度双 10 备注
惯导器件测试
角度陀螺、速率陀螺、惯性平台等
导引头测试
光学导引头（电视、红外、激光）
武器系统仿真
导弹、制导炸弹、鱼雷、飞机
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
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。