半实物仿真技术飞行控制课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2019/12/25,飞行器工程系 单家元博士,#,研究生学位课程系统建模与仿真,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,1,8,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,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士18 半实物仿真技,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,2,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。,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士2半实物仿真概述概,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,3,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,）,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士3半实物仿真概述半,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,4,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,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士4半实物仿真概述半,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,5,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。,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士5半实物仿真系统组,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,6,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,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士6半实物仿真系统半,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,7,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,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,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士7半实物仿真系统相,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,8,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,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士8物理模拟设备与技,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,9,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,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士9飞行模拟器飞行模,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,10,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,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士10飞行模拟器分类,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,11,三自由度,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）,飞行模拟平台,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士11三自由度飞行模,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,12,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士12,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,13,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士13,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,14,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士14,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,15,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士15,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,16,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,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士16飞行模拟转台用,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,17,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士17,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,18,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士18,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,19,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士19,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,20,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士20,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,21,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。,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士21飞行模拟转台的,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,22,飞行模拟转台伺服控制系统,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士22飞行模拟转台伺,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,23,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。,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士23飞行模拟转台的,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,24,飞行模拟转台性能指标,项目,单位,内框,中框,外框,备注,最大角加速度,Rad/s,2,454,126,106,最大角速度,Rad/s,4,3.3,3.3,转角范围,度,200,150,150,最小平滑速度,度,/,秒,0.05,0.05,0.05,位置精度,度,0.01,0.01,0.01,速度精度,1%,1%,1%,位置系统频响,Hz,15,12,9,0.1-1,度双,10,速度系统频响,Hz,20,15,10,负载质量,公斤,30,50,负载尺寸,cm,200*100*150,三轴不相交度,Mm,0.2,三轴不垂直度,角秒,12,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士24飞行模拟转台性,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,25,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,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士25飞行模拟转台功,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,26,飞行模拟转台的组成,动力系统,伺服控制系统,机械系统,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士26飞行模拟转台的,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,27,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,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士27动力系统液压能,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,28,动力系统,直流电源,可控硅直流电源,开关稳压电源,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士28动力系统直流电,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,29,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,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士29伺服控制系统控,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,30,伺服控制系统,控制元件,运算放大器,单片机,DSP,处理芯片,80x86,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士30伺服控制系统控,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,31,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,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士31伺服控制系统驱,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,32,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,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士32伺服控制系统执,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,33,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,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士33伺服控制系统测,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,34,机械系统,立式结构：,Y,T,敞开式结构：,U,封闭式结构：,O,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士34机械系统立式结,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,35,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,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士35计算机控制系统,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,36,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,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,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士36计算机控制系统,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,37,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,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士37计算机控制系统,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,38,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,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,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士38飞行模拟转台的,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,39,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,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。,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士39舵负载模拟器物,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,40,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：,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士40舵负载模拟器随,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,41,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）,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士41舵负载模拟器技,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,42,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。,关键技术,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。,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士42线加速度模拟台,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,43,线加速度模拟台,系统组成,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,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士43线加速度模拟台,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,44,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：,a1g,a1g, a/a5*10,-4,随动台：位置,通道数：,3,负载：,1,3Kg,最大角速度：,250,度,/,秒,最大角加速度：,2000,度,/s,2,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）,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士44线加速度模拟台,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,45,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,环境特性,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,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士45目标/环境模拟,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,46,目标,/,环境模拟器,运动特性模拟,转台：相对运动原理。,物理特性模拟,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,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。,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士46目标/环境模拟,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,47,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,按照结构,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：,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,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士47目标/环境模拟,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,48,典型仿真方案,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,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士48典型仿真方案大,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,49,典型仿真方案,光学耦合方案,可见光,/,红外图像转换器,激光模拟光源,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士49典型仿真方案光,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,50,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。,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士50仿真计算机技术,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,51,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,中国：国防科大的,YH-F1,YH-F2,通用机：,美国：,VAX,小型计算机,/ALPHA,工作站,中国：海鹰,HY-F1,，亚星,YHSimustation,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士51仿真计算机技术,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,52,仿真计算机技术,软件支持环境,操作系统,通用操作系统：,Windows NT,，,VMS,，,UNIX,实时操作系统：,PowerMAXOS,仿真环境,分离环境：,Matrix,Matlab,C,C+,一体化环境：,Night Star,YHSIM,HYSIM,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士52仿真计算机技术,2024/9/4,飞行器工程系 单家元博士,53,仿真计算机技术,接口技术：,VME,PC,总线,A/D,D/A,：,12,位，,14,位高精度转换器,DIO,：带隔离的开关量输入输出，可直接驱动继电器,D/D,：,16,位并行，双向（一对一）,实时网络：多结点,SBS,：星型。广播内存,VMIC,：环型。发射内存,2023/9/10飞行器工程系 单家元博士53仿真计算机技术,