半實物仿真技術的研究現狀及發展趨勢*

鄭 國 楊鎖昌 張寬橋

(軍械工程學院 石家莊 050003)

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半實物仿真技術的研究現狀及發展趨勢*

鄭 國 楊鎖昌 張寬橋

(軍械工程學院 石家莊 050003)

隨著計算機技術的飛速發展,半實物仿真技術已成為現代工程技術的重要支撐力量,廣泛應用于航天、電工、化工、通信,特別是軍事等領域方面的工程設計研究,成為現代高技術的代表之一。論文介紹了半實物仿真技術發展現狀,并簡要分析了其發展趨勢。

半實物仿真; 仿真平臺; 仿真系統

Class Number TP391.9; V216.7

1 引言

仿真是20世紀40年代末隨著隨著計算機技術的發展而逐步形成的一類試驗研究的新興方法[1]。最初仿真主要應用于航空、航天、原子反應堆等少數領域。此后,由于計算機技術和信息科學的迅猛發展、為仿真技術的應用提供了技術和物質基礎。

隨著系統理論、計算機技術、圖形技術和建模技術的發展,仿真技術得到了快速發展。半實物仿真在各種仿真系統中的置信度最高,具有有效性、可重復性、經濟性、安全性等諸多優點,受到軍事和民用各部門的高度重視[2]。半實物仿真也稱硬件在回路仿真(Hardware in the Loop Simulation,HILS),是武器系統研制過程中必不可少的重要手段之一[3]。半實物仿真是將部分產品實物引入到仿真回路的一種仿真技術,在半實物仿真過程中,部分數學模型精度較高的部分或者難以用實物代替的部分,用數學模型在計算機運行;部分實物或物理模型直接引入到仿真回路,從而提高仿真的置信水平。半實物仿真作為替代真實環境或設備的一種典型方法,不僅提高仿真的可信性,也解決以往存在于系統中的許多復雜建模難題,因此半實物仿真成了主要的發展方向。

以美國為代表的發達國家特別重視半實物仿真的應用,幾乎各軍兵種都建有種類齊全的半實物仿真實驗室。半實物仿真被廣泛應用各種領域,如航空[4]、電工[5]、化工[6]、通信[7]等,最為典型的是在武器裝備研制領域,包括先進的紅外成像制導[8]、大型微米波制導[9]、復合制導[10]、衛星導航信號[11]和雷達對抗[12]等一大批半實物仿真系統。本文介紹了半實物仿真系統的概念、組成以及發展現狀,并對其發展趨勢進行了分析和總結。

2 半實物仿真技術

半實物仿真是將數學模型與物理模型或實物模型相結合進行實驗的過程。半實物仿真對系統中比較簡單的部分或對其規律比較清楚的部分建立數學模型,并在計算機上加以實現;對比較復雜的部分或對其規律尚不清楚的部分,則直接采用物理模型或實物。

一個仿真系統的建立是面向某個系統和問題的[13]。仿真系統的組成取決于所研究的系統問題。仿真系統的一般組成框圖如圖1所示。

2.1 仿真系統軟件

包括系統模型軟件、通用軟件、專用軟件、數據庫。系統模型軟件一般由被仿真系統對象數學模型、仿真算法、系統運行流程等組成。通用軟件包含有計算機操作系統、編程語言、調試運行環境、圖形界面開發程序、通用接口通信程序、數據采集與顯示等。專用軟件包含專用算法、專用接口通信程序。數據庫包括數據庫開發系統和建立的各種設備等。

2.2 仿真系統硬件

仿真系統硬件可分為仿真計算機、接口、連接電纜、非標設備、信號產生于激勵設備、數據采集與記錄顯示設備、通信指揮監控設備、能源動力系統、系統測試設備及各類輔助設備等。

2.3 仿真系統的評估

仿真系統的評估又分為軟件評估和硬件評估。軟件評估包括方法、程序、指標測試方法等;硬件主要是評估測試設備。仿真系統的評估內容主要包括仿真系統及分系統(設備)的指標測試評估,系統的可信性、可靠性、安全性、可維護性等的評估。

2.4 仿真系統的校驗驗證與確認

一般對建立的仿真系統進行評估之后,還要進行系統仿真試驗設計與協調,確定仿真試驗過程,通過系統的仿真試驗對仿真系統進行全面的考核,以確定仿真系統是否能滿足系統仿真試驗要求,是否能夠達到系統仿真試驗目的并具有足夠的可信度[14]。

3 半實物仿真系統研究現狀

目前,常用的半實物仿真平臺有dSPACE半實物仿真平臺、RT-LAB、xPC半實物仿真平臺和NI半實物仿真平臺等。

dSPACE實時仿真系統是由德國dSPAC公司開發的一套基于Matlab/Simulink的控制系統開發及半實物仿真的軟硬件工作平臺,實現了和Matlab/Simulink/RTW的完全無縫鏈接[15]。dSPACE實時系統擁有具有高速計算能力和的硬件系統,包括處理器、I/O等,還擁有方便易用的實現代碼自動生成/下載和試驗/調試的軟件環境。這樣,在dSPACE強大能力的支持下,可以實現快速控制原型也可以實現半實物仿真[16]。由于dSPACE顯著的優越性,現已廣泛應用于航空、航天、汽車、發動機、電力機車、機器人、驅動及工業控制等領域。

RT-LAB是由加拿大Opal-RT Technologies推出的一套工業級的系統平臺軟件包和仿真器,也是一種全新的基于模型的工程設計測試應用平臺[17]。通過應用這種開放、可擴展的實時軟件和硬件平臺,工程師可以直接將利用Matlab/Simulink或者MATRIXx/SystemBuild建立的動態系統數學模型應用于實時仿真、控制、測試以及其他相關領域。但是,RT-LAB是針對專用設備,運行在專用的實時操作系統,需要手工修改適用于RT-LAB編譯的接口模塊,軟硬件平臺的通用性不夠好。

Matlab是一種面向科學與工程計算的高級語言,它集科學計算、自動控制、信號處理、神經網絡、圖像處理等于一體,具有極高的編程效率。特別是利用Simulink工具箱中豐富的函數庫可以很方便地構建數學模型,并進行非實時的仿真。而xPC目標是Mathworks提供一種用于產品原型開發、測試和配置實時系統的PC機解決途徑[18]。為了提高系統實時仿真的能力,xPC目標采用了宿主機—目標機的技術途徑,兩機通過網卡連接,以TCP/IP協議進行通信。宿主機采用Simulink建模并設置仿真參數,然后通過實時工作間與VC編譯器對模型進行編譯并下載可執行文件到目標機。

NI半實物仿真平臺是美國NI公司推出的基于LABVIEW的實時控制仿真平臺[19]。該平臺主要由三部分構成:CRIO實時控制器、可重配FPGA和I/O模塊構成。CompactRIO的RIO(FPGA)核心內置數據傳輸機制,負責把數據傳到嵌入式處理器以進行實時分析,數據處理,數據記錄或與聯網主機通信。利用LabVIEW FPGA基本的I/O功能,用戶可以直接訪問CompactRIO硬件的每個I/O模塊的輸入輸出電路。所有I/O模塊都包含內置的接口,信號調理,轉換電路(如ADC或DAC),以及可選配的隔離屏蔽。這種設計使得低成本的構架具有開放性,用戶可以訪問到底層的硬件資源。

以上四種半實物仿真平臺都是成熟的分布式、可以用于實時仿真和半實物仿真的平臺,并且都是基于PC機Windows操作系統,具有高度的集成性和模塊化。用戶可以根據需要,在運算速度不同的多處理器之間進行選擇,選用不同的I/O配置,以組成不同的應用系統。相對來說,RT-LAB和xPC側重于工程設計與測試方面,而dSPACE和NI PXI更側重于控制系統開發及測試方面。四種半實物仿真平臺對比如表1所示。

表1 四種半實物仿真平臺對比

半實物仿真技術伴隨著自動化武器系統的研制及計算機技術的發展而迅速發展,特別是由于導彈武器系統的實物試驗其代價昂貴,而半實物仿真技術能為導彈武器的研制試驗提供最優的手段,使在不做任何實物飛行的條件下,可對導彈全系統進行綜合測試。美國、英國、法國、日本和俄羅斯等主要武器生產國非常重視半實物仿真技術的研究和應用。

隨著建模與仿真方法的廣泛應用,美軍在ATACMS、M982、BAT子彈藥、末敏彈等一系列陸軍彈藥導彈型號發展的過程中,逐步建立了隸屬于陸軍航空與導彈司令部和陸軍試驗與評估司令部的完備的制導系統半實物仿真體系,該體系涵蓋了導彈系統從概念提出、演示驗證、工程研制到批量生產、存儲質量監控和延壽、故障分析以及作戰性能分析等過程的全壽命周期。

目前,美國導彈武器系統的大型軍工企業和各軍兵種都建設并發展了自己完整、復雜和先進的仿真系統,而且也都投入了大量資金來建設導彈系統的仿真實驗室,如著名的美國陸軍導彈司令部在紅石基地的高級仿真實驗室[20]。根據美國對“愛國者”、“羅蘭特”、“針刺”三種型號的統計,采用仿真技術后,試驗周期可縮短30%～40%,節約實彈數43.6%。

國內對于半實物仿真技術的研究起步相對較晚,但發展較為迅速。銀河高性能仿真平臺YH-AStar是國防科大計算機學院繼銀河仿真Ⅰ型機、銀河仿真Ⅱ型機、銀河超級小型仿真機之后推出的第四代仿真機系列產品。它以一體化建模仿真軟件YHSIM為核心,以通用計算機、Windows NT/2000操作系統和專用I/O系統為基礎,構成了可適用于不同規模連續系統數學仿真和平實物仿真的具有不同型號、不同檔次的仿真機系列產品[21]。在全國許多單位得到了成功的應用,為長征系列火箭、多種型號導彈的研制作出了貢獻。

4 半實物仿真的發展趨勢

4.1 環境特性仿真技術

環境仿真包括動力學、電磁、水聲、光學環境仿真,視覺、聽覺、動感、力反饋等環境感知仿真以及虛擬戰場環境的綜合仿真。美軍在環境仿真方面逐步建立了各種完善的數據庫和模型庫,用虛擬現實技術建立了虛擬仿真環境。美國國防部高級研究計劃局DARPA已設立“綜合環境計劃”,正在研究用于平臺級仿真的大氣與海洋的數據系統,以滿足分布交互仿真的需要。

4.2 虛擬現實仿真技術

虛擬現實技術是一種高度逼真地模擬人在自然環境中視、聽、動等行為的人機界面技術。它使仿真系統的人機交互方式虛擬化,人可以通過形體動作與其他仿真實體交互并產生沉浸感,從而使人真正成為仿真回路中的一部分[22]。虛擬現實技術具有“沉浸”和“交互”兩種基本特性。“沉浸”特性要求計算機所創造的三維虛擬環境能使“參與者”獲得全身心置于虛擬世界的真實體驗。“交互”特性則要求參與者能通過使用專用設備,以自然的方式對虛擬環境中的實體進行交互考察、通訊和操作。隨著國外虛擬現實技術的蓬勃發展,以及虛擬現實技術在分布交互仿真中的成功應用,虛擬仿真的概念及其應用己成為國內仿真界的熱門話題。

4.3 分布交互仿真

在20世紀80年代后期,根據在使用SIMNET中所積累的經驗,認為在作戰想定中應使敵方數量多于己方,因此仿真器的數量大大增加了,于是在SIMNET基礎上發展了異構性網絡互聯的分布交互仿真(DIS)技術[23]。SIMNET中的許多原則,如對象/事件結構、仿真節點的自治性、采用DR(Dead Reckoning)算法降低網絡負載等都成為今天DIS的基礎。DIS在美國的研究和發展很快,1992年3月在第六屆DIS研討會上,美國陸軍仿真訓練裝備司令部(Simulation,Training and Instrumentation Command,STRICOM)提出了DIS的結構,并著手制定DIS協議。

5 結語

隨著現代控制理論、數字計算機技術以及精密儀器制造技術等關鍵理論和技術的發展,半實物仿真平臺向著靈敏度、高精度、寬頻響和更加易用的方向發展,以滿足越來越復雜的仿真試驗要求。半實物仿真作為仿真技術的重要代表之一,其經濟效益和軍事效益日益凸顯,在武器系統研究、軍事裝備訓練等重要方面有著舉足輕重的作用。未來,半實物仿真將越來越智能化和綜合化,且必將在工程領域發揮更大的作用。

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Situation and Development of Hardware-in-the-loop Simulation

ZHENG Guo YANG Suochang ZHANG Kuanqiao

(Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003)

With the rapid development of computer technology, hardware-in-the-loop simulation technology has become an important support of modern power engineering technology. As a modern high-tech representative, it is widely used in aerospace, electrician, chemical, communications, especially in military and other fields of engineering design. This article describes the situation of the hard-in-the-loop simulation technology, and also analyzes its development prospects.

hardware-in-the-loop simulation, simulation platform, simulation system

2016年5月3日,

2016年6月27日

鄭國,男,碩士研究生,研究方向:導彈武器系統建模與仿真。楊鎖昌,男,教授,博士生導師,研究方向:精確制導理論與技術。張寬橋,男,博士研究生,研究方式:精確制導理論與技術。

TP391.9; V216.7

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.003