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半实物仿真与航天工程
时间:2019-11-21    评论:0
    来源:航天工程与仿真技术
    作者:王子才(中国工程院院士
    单位:哈尔滨工业大学控制与仿真中心

    一、概述

    仿真技术是以相似原理、模型理论、系统技术、信息技术以及仿真应用领域的有关专业技术为基础,以计算机系统、与应用有关的物理效应设备及仿真器为工具,利用系统模型对实际的或设想的系统进行研究、分析、试验与运行的一门多学科的综合性技术。由于仿真技术在应用上的经济性、安全性、可重复性、无破坏性、不受气候条件限制、不受场地空间限制等优点,仿真技术被广泛应用于航天、航空、航海、电力、化工、核能、通信等诸多领域。以美国为代表的世界发达国家非常重视仿真技术的发展。

    美国陆军导弹司令部的先进仿真中心为美国计划执行署和负责为美国陆军研制并部署战术精确制导导弹和子弹药的项目官员提供半实物仿真支持。先进仿真中心成立至今已研制出十几套半实物仿真设施。这些设施包括由基于特征测量的数学模型作支持的专用信号生成设备和辐射室。它们提供微波、毫米波、红外和可见光频段内的目标特征、干扰和背景场景。在北约《未来安全环境》报告中,仿真技术被视为解决国家危机、地区危机、恐怖主义、武器扩散等安全问题的关键技术之一。

    在我国,仿真技术也受到越来越多的关注。早在上世纪八十年代初由原航天部制定的航天10年发展规划中,仿真技术已经显现出其巨大的工程价值。特别是1991年北京仿真中心成立之后,仿真技术开始大量应用于航天工程。

    回顾仿真技术的发展历程,上世纪60年代仿真技术尚处于萌芽阶段,之后步入快速发展阶段,70年代末提出了半实物仿真技术,90年代初又提出了分布式仿真技术。进入新世纪以来,仿真技术的发展速度明显加快,并行仿真技术、嵌入式仿真技术、云仿真技术相继进入工程应用领域。

图1 仿真技术的发展历程

    二、半实物仿真

    开发半实物仿真系统时,必须牢牢把握以下五个方面:仿真模型、仿真设备、仿真接口、仿真实时性和仿真可信度。

    (一)仿真模型

    在系统建模方面,就半实物仿真而言,包括物理模型和数学模型。一般地,运动体(导弹、卫星、鱼类等)采用数学模型,运动体的制导与控制部分采用真实系统,而真实系统所处的环境采用物理模型,再将各部分联成一个整体。近年来,系统建模技术随着仿真应用范围的拓宽而不断发展,定性系统的建模有Kuiper法以及各类基于模糊理论的方法,离散事件系统及各类并发分布系统的建模有Petri网及Bond图方法,复杂系统的基于Agent的建模仿真方法,此外机理建模及系统辨识法、模糊优化法、人工智能辅助建模法及混合模式的建模法等。无论采用何种建模方法,均需保证模型的等效性、精确性、实时性、异构性、数值解算快速性、分辨率适度性。

    (二)仿真设备

    半实物仿真设备主要包括仿真计算机和各种物理仿真装置。仿真计算机可以是数字计算机、模拟计算机或数-模混合仿真计算机;物理仿真装置通常包括目标仿真器、负载力矩仿真器和三轴飞行转台等设备。
图2是常见的物理仿真装置—飞行转台。

图 2 飞行转台 

    (三)仿真接口

    仿真系统的接口包括设备接口和人-机接口,如图3所示。目前导弹和航天器仿真主要涉及实物系统的连接,其半实物仿真试验有两种情况:一种用于验证系统性能而尽可能多地接入实物的半实物仿真试验;另一种用于检验飞行软件而仅含控制计算机实物的半实物仿真实验。在进行仿真试验时,涉及的信息变换接口主要发生在仿真计算机的输入。对于第一种情况的仿真试验,仿真所引入的接口发生在仿真计算机与导航制导设备的环境仿真设备之间;而对于后一种情况的仿真试验,仿真计算机必须直接与控制计算机相连接,需要模拟导航制导设备的输出信号。

    目前除了一般的D/A、A/D接口之外,主要的信息转换接口有D/A(或D/D)加正弦调制、D/A(或D/D)加脉宽调制、D/A(或D/D)加V/f(或D/f)变换、D/A加V/I变换、D/D变换,其他还有一些地线、阻抗隔离电路和传输电缆。总之,接口连接中不应该引入干扰和畸变。

图3 接口装置

    仿真接口按使用方式也可分为集中式接口与分布式接口,如图4所示。集中式接口有非总线和总线两种工作模式,占用计算机运行时间,并且I/O处理影响模型解算,但是它具有简单易行、成本低的优点;分布式接口有专门I/O处理计算机,管控方便、灵活,但是它采用的是网络通讯,导致网络带宽影响实时性,而且成本高、结构复杂。

    (四)仿真实时性

    按仿真时间和实际时间的比例关系分类,仿真可分为实时仿真(仿真时间标尺等于自然时间标尺)、超实时仿真(仿真时间标尺大于自然时间标尺)和亚实时仿真(仿真时间标尺小于自然时间标尺)。半实物仿真属于实时仿真范畴,实时性是其必要前提。例如半实物仿真系统SIMNET,它包括260个仿真器、9个训练场、2个研究场所、以及850个仿真实体,所面临的实时性问题难度极大。

图4 分布式接口

    (五)仿真可信度

    仿真可信度是指由仿真系统与原型系统之间相似性决定的、仿真系统与仿真目的相适应的程度。仿真系统本身是由代替实际系统的模型进行模型运算的仿真软件、产生物理效应的硬件设备、人机接口界面和软硬件接口、通信软件以及开发与使用系统的人构成的复杂系统。其可信度评估研究应该从整个仿真系统角度出发,全方位地进行。随着对仿真可信度评估研究工作的不断深入,仿真系统的评估和管理人员逐渐认识到仿真系统开发的各个阶段都对仿真可信度有重要的影响,因此对仿真系统可信度评估是仿真系统全生命周期中的一项非常重要的工作。

    三、半实物仿真设备

    转台系统是惯性元器件和惯导系统测试与实验的重要设备,也是半实物仿真系统的常用设备之一,如图5所示。

图 5 仿真转台系统

    转台系统主要由下述三个基本部分组成:

    (1)台体转台的台体是机械设计部分,包括基座和轴框架。三轴飞行仿真转台有三个相对转动的框架(外框、中框、内框),三个框架轴相互垂直,分别用来仿真飞行器的航向、俯仰和滚动运动,所以也称为方位框、俯仰框和滚转框,如图6所示。台体各轴上均装有减速齿轮、驱动马达以及角运动敏感元件和高精度导电滑环,被测试件装在与内框轴固联的负载盘或支架上。为了精确地测量转台各个轴的转角,一般都装有刻度盘,有的甚至装有游标刻度盘。为了防止随动系统发生故障而连续旋转,撞坏被试部件,各轴装有限制转角的限位装置。

    减速齿轮装有消除间隙的装置。各种引线通过各轴的中心孔以避免框架转动时发生交叉和牵缠。

图6 仿真转台的支撑系统

    (2)控制柜控制柜内是转台主控装置,用来控制转台台体的运动。控制柜内放置转台的控制器、监控装置和控制计算机等部件。控制计算机集中控制各个相互独立的轴通道,实现转台所有的控制功能。

    (3)动力系统动力系统是提供台体伺服系统专用的动力装置,有两大类:

    一类是电动机伺服驱动;一类是液压伺服驱动。电动机驱动的优点是:电动机可实现连续回转,而摆动式液压马达则不能;液压驱动需要设置液压油源,而电动机驱动则不必。液压系统的优点是:液压马达输出力矩大且功率密度高,在同样功率条件下,液压马达的体积和重量仅为电动机的12%~20%左右,所以适用于大负载仿真转台和小负载但通频带很宽的高频响仿真转台。并且液压马达的调速范围大,可以从最低角速度0.0004°/s无级调到300°/s,其速比范围超过50万倍。因此,对于小负载、低频响的转台,采用电机驱动方案较佳;而对那些大负载、高频响的仿真转台,采用液压驱动为宜。

图7 电动伺服驱动

    四、半实物仿真的应用

    (一)精确打击武器仿真

    为了响应美国陆军导弹司令部关于全陆军在大规模导引头半实物仿真方面的经验和能力来源的要求,各种规模的全数字、混合、导引头半实物和人在回路中的仿真系统应运而生。仿真靠单一或组合利用先进的仿真处理器组合体、红外仿真系统、光电仿真系统和射频仿真系统在实时的动态环境中完成。红外仿真系统为用于面对空、空对空和空对面导弹的红外传感器系统的设计、研制和鉴定提供一种仿真手段,工作在0.2~0.4μm和1.0~1.5μm波段的传感器在目标截获程序中的六自由度由混合计算机控制。光电仿真系统为各种各样的紫外线、可见光和近红外传感器系统的无损仿真提供真实和精确可控的环境。在搜索室内可控照度等级和室外环境条件下的目标时,实际传感器的六自由度由混合计算机控制。光电仿真系统还具有一个热的地形模型,它适应2~14μm的红外频谱区。射频仿真系统提供在面对空、空对空、空对面和面对面作战中的被动、半主动、相干的和非相干的主动、指令、驾束、成像以及对导弹跟踪的导弹系统的导引头半实物仿真。

    (二)火星500项目

    火星500(MARS500)是由俄罗斯组织、多国参与的国际大型试验项目,模拟从飞船发射、飞向火星、登陆火星到返回地球的全过程。该项目的主要目的是探索“人与环境”相互作用,了解长期密闭环境下乘组健康状态及工作能力状况。特别是获取超长时间飞行、无安全自主控制、资源有限、无法实施身体及心理特殊治疗、完成火星表面出舱活动等条件下的相关数据。

    试验开始于北京时间2010年6月3日,结束于北京时间2011年11月4日。试验设计时间520天,前250天模拟飞往火星、中间30天登陆火星、最后240天返回地球。进入模拟试验舱后,所有生活用品、人员将彻底与外界隔绝。参加试验的乘组由5名男性和1名女性志愿者组成。实验设施位于莫斯科俄罗斯科学院生物医学问题研究所(IBMP)。实验舱的设计充分考虑到乘组在长期狭小环境中工作、生活及安全保障的需求,共计550平方米,由生活舱、医疗舱、公共活动舱、火星着陆舱模拟器、轻型充气火星表面模拟舱等五部分组成,如图8所示。

图8 火星500项目

    (三)模拟驾驶与格斗培训

    一般来说,飞行模拟器由如下几个部分组成:主计算机系统、视景系统、运动与操纵负荷系统、仪表系统和音响系统等,如图9所示。飞行模拟器力求实现一种与真实飞行完全一样的环境,其座舱的布局及其中的仪表设备与真实飞机驾驶舱内部严格一致,运动系统用于产生加速度、颠簸等感觉,透过座舱前的风挡玻璃,飞行员可以看到模拟器视景系统实时地生成蓝天、白云、山川、机场跑道等景物,音响系统伴随着当时的飞行情况准确地模拟出各种音响效果,飞行员通过驾驶杆、方向舵及其他设备的输入均可得到与操纵真实飞机一样的力反馈,使飞行员产生高度的沉浸感,从而达到良好的训练效果。

    飞行模拟器不仅可以使飞行员做正常飞行程序的训练,更为重要的是,它可以真实地模拟发动机空中失火、控制飞行操纵系统失效、落地时轮胎爆裂等特殊情况。飞行员可以在模拟器上训练,果断正确地处理以上这些用传统飞行训练难以或根本无法实现的、但真实飞行中又很可能发生的特殊情况。不但如此,用飞行模拟器对飞行员训练完全在室内进行,不受场地、气候等条件的限制,大大降低了飞行训练的人力、物力消耗,有很高的安全性。因此,飞行模拟器已经成为当今飞行员训练不可替代的高效手段。

图9飞行模拟器

    (四)电站设备仿真

    电站发电机组的设备庞大,系统复杂。因此对设备研究、系统试验、参数校正、运行安全性与经济性分析、运行值班员培训等在实际发电机组上直接进行,或是很困难,或根本不可能。利用仿真技术的特点,在模型上进行试验研究,在仿真机上培训运行值班员,则上述问题可迎刃而解。

    电站仿真机从使用目的和仿真范围考虑,可分为6种类型:部分任务型仿真机、基本原理型仿真机、通用型仿真机、全范围仿真机、精确复制型仿真机和基于CRT的仿真机。电站仿真机提供了一个连续的实时运行环境。它真实地仿真了整个电站的运行工况,如图10所示。实现在多种工况下的机组启动、停机和正常运行的监视及操作。全部操作结果(无论是正确操作还是错误操作)都与实际电站的反应一致。

图10 电站仿真机

    正常或异常状态下的全部参数在相应的仪表、CRT及记录仪表等设备上显示和记录。当参数达到或超过极限时,与实际电站一样,报警或逻辑联锁保护动作。

    提供机组在不同运行条件下,分析和改进操作方式并进行优化的试验条件。提供正确的故障、事故现象仿真,以提高机组运行人员正确判断、处理各种故障及事故的应急能力,并为进一步改进操作方式和制定反事故对策提供手段。对机组的控制系统进行仿真试验和控制系统的参数设定。

    对岗位运行人员、技术管理人员定期轮训上岗或晋升前考核,提供反映运行人员实际操作能力和分析判断能力的手段。

    五、半实物仿真的未来

    半实物仿真系统伴随着科技的飞速发展和人们对其认识的不断深入,其软硬件水平将进一步提高,从而在航天、航空等领域发挥更大作用。例如,在飞行器处于高超声速飞行状态时,其结构、飞行特性、控制特性等都会发生巨大变化,这些变化极大地阻碍了高超声速飞行器的研制,利用半实物仿真技术对高超飞行器的上述特性进行模拟,将有利于加快高超飞行器的研制速度;至少50%的航天器故障、66%的火星探测器失败以及部分月球探测器失败是由于空间环境对航天器各种电磁干扰造成的,利用半实物仿真技术,可以在地面对航天器在空间环境中的运行状态进行测试,尽可能消除航天器存在的隐患;载人航天工程要求航天员能够在失重环境下进行外太空科学试验、航天器操控等,利用半实物仿真技术,可以在地面对航天器的整个飞行过程进行模拟,从而对航天员进行各种针对性训练。

图11半实物仿真技术的未来应用

    未来20年,半实物仿真技术面临着新的挑战,同时也给我们带来了机遇。相信20年后,我国仿真技术将在航天工程、深空探测等领域跻身世界前列。

    作者简介:王子才

    1957年毕业于哈尔滨工业大学,现任哈尔滨工业大学控制与仿真中心教授、博士生导师。是我国控制与仿真系统领域的专家,先后荣获国家科技进步二等奖、三等奖及省部一等奖;发表论文110余篇、著作6部;为我国航天领域培养了一大批优秀的博士和硕士研究生。2001年当选为中国工程院院士。
标签:半实物航天
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