半实物仿真技术发展综述

半实物仿真技术发展综述 This model paper was revised by the Standardization Office on December 10, 2020

半实物仿真技术发展综述

1、半实物仿真技术

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。

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

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。物理效应设备实现的技术途径多种多样，方案之一是采用伺服控制回路，通过伺服控制回路控制形成相应的物理量，方案之二是在已储存好的数据库中搜索相应的数据，转化为相应的物理量。

(3)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物理效应设备。接口设备同时将操作人员或实物系统的控制输入信号馈入仿真计算机。

半实物仿真系统原理框图如图1所示。在仿真计算机中通过对动力学系统和环境的数学模型解算，获得系统和环境的各种参数。对半实物仿真系统，这些参数通过物理效应设备生成传感器所需要的测量环境，从而构成完整的闭环仿真系统。物理效应设备是实现仿真系统所需要的中间环节，它的动态特性、静态特性和时间延迟都将对仿真系统的置信度和精度产生影响，应该有严格的相应技术指标要求。

图1 半实物仿真系统原理框图

半实物仿真系统是虚、实结合的系统，它具有以下特点：

(1)建立仿真模型。任何仿真模型的实现，都必须建立被仿真对象实体的数学模型。除建立被仿真实体的数学模型，还应建立环境模型，例如飞行仿真系统中大气环境（气压、气温、阵风、扰动气流等）模型、地理环境（地形、地貌）模型等。

(2)实物的接入与仿真环境的生成。实时仿真系统一般都接入实物系统，例如将发动机仿真系统进行含实物仿真试验。各种物理效应设备将模拟生成实物系统所需要的物理环境，通过物理效应设备和接口使仿真计算机和接入的实物系统构成一个完整的含实物仿真系统。

(3)系统仿真试验。系统仿真试验具有良好的可控性、无破坏性，可多次重复，经济、安全、不受气象条件和场地环境的限制。

(4)系统仿真的应用。系统仿真技术可广泛应用于国防、能源、水利、工业等工程领域和非工程领域，也可广泛应用于产品研制的方案论证、设计分析、生产制造、试验评估、人员训练的全过程。

(5)系统仿真的实时性。仿真计算机从“并行”计算的模拟计算机发展到“串行”计算的数字计算机，其中突出的技术关键是如何保证仿真系统的运行实时性。实时性体现在循环迭代计算的帧周期上，应根据仿真系统内的信息变化速率快慢选定帧周期。联网仿真的网络延迟和物理效应设备的时间延迟都将影响仿真系统的实时性。

半实物仿真工作流程

用户在进行半实物仿真时，一般要经历以下“瀑布式”流程，如图2所示，对实际系统建模，进行纯数学仿真（即数学仿真模型），对模型进行修改，设计定型，将模型中部分数学化的模型用实物代替作实物实时仿真，再修改模型进行仿真，最后确定模型。

完成了数学模型的建立和仿真验证后，用户可以建立半实物实时仿真系统。在Matlab/Simulink系统平台上建立半实物实时仿真系统十分简便，即将原来的用数学方法表达的输入、输出信号模型用实际的I/O板替换，然后对硬件目标进行描述，生成实时代码，将实时代码下载到本地仿真平台上，最后运行模型、进行仿真数据监视并可以在线修改仿真模型的数学部分。

图2 半实物仿真流程

2、主要半实物仿真系统

dSPACE半实物仿真平台

在半实物仿真系统中，由于实物的引入，需要模拟这些部件的真实工作环境和激励信号，还需要以一些专用的物理仿真模型加以实现。半实物仿真作为替代真实环境或设备的一种典型方法,既提高了仿真的逼真性，又解决了以前存在于系统中的许多复杂建模难题，因此半实物仿真成了主要的发展方向。另外，在开发的初期阶段，需要快速地建立控制对象原型及控制器模型，并对整个控制系统进行多次离线的及在线的试验来验证控制系

统软、硬件方案的可行性，这个过程称之为快速控制（RCP）。dSPACE 实时仿真系统为半实物仿真和RCP 的应用提供了一个协调统一的一体化解决途径。dSPACE 是基于MATLAB/Simulink 的控制系统开发及测试的工作平台，实现了和MATLAB/Simulink的无缝连接。dSPACE实时系统拥有高速计算能力的硬件系统，还拥有方便易用的实现代码生成/下载和试验/调试的软件环境。

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 的控制系统在实时环境下的开发及测试工作平台，实现了和MATLAB/Simulink 的无缝连接。dSPACE 实时系统由两大部分组成，一是硬件系统，二是软件环境。其中硬件系统的主要特点是具有高速计算能力，包括处理器和I/O 接口等；软件环境可以方便地实现代码生成/下载和试验调试等工作。dSPACE 具有强大的功能，可以很好地完成控制算法的设计、测试和实现，并为这一套并行工程提供了一个良好的环境。dSPACE 的开发思路是将系统或产品开发诸功能与过程的集成和一体化，即从一个产品的概念设计到数学分析和仿真，从实时仿真实验到实验结果的监控和调节都可以集成到一套平台中来完成。

dSPACE 的软件环境主要由两大部分组成，一部分是实时代码的生成和下载软件RTI （Real-Time Interface），它是连接dSPACE实时系统与MATLAB/Simulink纽带，通过对RTW（Real-Time Workshop）进行扩展，可以实现从Simulink模型到dSPACE 实时硬件代码的自动下载。另一部分为测试软件，其中包含了综合实验与测试环境（软件）ControlDesk、自动试验及参数调整软件MLIB/MTRACE、PC 与实时处理器通信软件CLIB以及实时动画软件RealMotion等。dSPACE实时仿真系统的结构如图3所示。

图3 dSPACE半实物仿真系统框图

dSPACE实时仿真系统具有许多其它仿真系统具有的无法比拟的优点：