鄭 國 楊鎖昌 張寬橋

(軍械工程學(xué)院 石家莊 050003)

?

半實(shí)物仿真技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢*

鄭 國 楊鎖昌 張寬橋

(軍械工程學(xué)院 石家莊 050003)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,半實(shí)物仿真技術(shù)已成為現(xiàn)代工程技術(shù)的重要支撐力量,廣泛應(yīng)用于航天、電工、化工、通信,特別是軍事等領(lǐng)域方面的工程設(shè)計(jì)研究,成為現(xiàn)代高技術(shù)的代表之一。論文介紹了半實(shí)物仿真技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,并簡要分析了其發(fā)展趨勢。

半實(shí)物仿真; 仿真平臺; 仿真系統(tǒng)

Class Number TP391.9; V216.7

1 引言

仿真是20世紀(jì)40年代末隨著隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的一類試驗(yàn)研究的新興方法[1]。最初仿真主要應(yīng)用于航空、航天、原子反應(yīng)堆等少數(shù)領(lǐng)域。此后,由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息科學(xué)的迅猛發(fā)展、為仿真技術(shù)的應(yīng)用提供了技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。

隨著系統(tǒng)理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形技術(shù)和建模技術(shù)的發(fā)展,仿真技術(shù)得到了快速發(fā)展。半實(shí)物仿真在各種仿真系統(tǒng)中的置信度最高,具有有效性、可重復(fù)性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等諸多優(yōu)點(diǎn),受到軍事和民用各部門的高度重視[2]。半實(shí)物仿真也稱硬件在回路仿真(Hardware in the Loop Simulation,HILS),是武器系統(tǒng)研制過程中必不可少的重要手段之一[3]。半實(shí)物仿真是將部分產(chǎn)品實(shí)物引入到仿真回路的一種仿真技術(shù),在半實(shí)物仿真過程中,部分?jǐn)?shù)學(xué)模型精度較高的部分或者難以用實(shí)物代替的部分,用數(shù)學(xué)模型在計(jì)算機(jī)運(yùn)行;部分實(shí)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(shí)物仿真作為替代真實(shí)環(huán)境或設(shè)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(tǒng)中的許多復(fù)雜建模難題,因此半實(shí)物仿真成了主要的發(fā)展方向。

以美國為代表的發(fā)達(dá)國家特別重視半實(shí)物仿真的應(yīng)用,幾乎各軍兵種都建有種類齊全的半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)室。半實(shí)物仿真被廣泛應(yīng)用各種領(lǐng)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(lǐng)域,包括先進(jìn)的紅外成像制導(dǎo)[8]、大型微米波制導(dǎo)[9]、復(fù)合制導(dǎo)[10]、衛(wèi)星導(dǎo)航信號[11]和雷達(dá)對抗[12]等一大批半實(shí)物仿真系統(tǒng)。本文介紹了半實(shí)物仿真系統(tǒng)的概念、組成以及發(fā)展現(xiàn)狀,并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析和總結(jié)。

2 半實(shí)物仿真技術(shù)

半實(shí)物仿真是將數(shù)學(xué)模型與物理模型或?qū)嵨锬Ｐ拖嘟Y(jié)合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程。半實(shí)物仿真對系統(tǒng)中比較簡單的部分或?qū)ζ湟?guī)律比較清楚的部分建立數(shù)學(xué)模型,并在計(jì)算機(jī)上加以實(shí)現(xiàn);對比較復(fù)雜的部分或?qū)ζ湟?guī)律尚不清楚的部分,則直接采用物理模型或?qū)嵨铩?/p>

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

2.1 仿真系統(tǒng)軟件

包括系統(tǒng)模型軟件、通用軟件、專用軟件、數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)模型軟件一般由被仿真系統(tǒng)對象數(shù)學(xué)模型、仿真算法、系統(tǒng)運(yùn)行流程等組成。通用軟件包含有計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、編程語言、調(diào)試運(yùn)行環(huán)境、圖形界面開發(fā)程序、通用接口通信程序、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫包括數(shù)據(jù)庫開發(fā)系統(tǒng)和建立的各種設(shè)備等。

2.2 仿真系統(tǒng)硬件

仿真系統(tǒng)硬件可分為仿真計(jì)算機(jī)、接口、連接電纜、非標(biāo)設(shè)備、信號產(chǎn)生于激勵設(shè)備、數(shù)據(jù)采集與記錄顯示設(shè)備、通信指揮監(jiān)控設(shè)備、能源動力系統(tǒng)、系統(tǒng)測試設(shè)備及各類輔助設(shè)備等。

2.3 仿真系統(tǒng)的評估

仿真系統(tǒng)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(biāo)測試方法等;硬件主要是評估測試設(shè)備。仿真系統(tǒng)的評估內(nèi)容主要包括仿真系統(tǒng)及分系統(tǒng)(設(shè)備)的指標(biāo)測試評估,系統(tǒng)的可信性、可靠性、安全性、可維護(hù)性等的評估。

2.4 仿真系統(tǒng)的校驗(yàn)驗(yàn)證與確認(rèn)

一般對建立的仿真系統(tǒng)進(jìn)行評估之后,還要進(jìn)行系統(tǒng)仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)與協(xié)調(diào),確定仿真試驗(yàn)過程,通過系統(tǒng)的仿真試驗(yàn)對仿真系統(tǒng)進(jìn)行全面的考核,以確定仿真系統(tǒng)是否能滿足系統(tǒng)仿真試驗(yàn)要求,是否能夠達(dá)到系統(tǒng)仿真試驗(yàn)?zāi)康牟⒕哂凶銐虻目尚哦萚14]。

3 半實(shí)物仿真系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

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

dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是由德國dSPAC公司開發(fā)的一套基于Matlab/Simulink的控制系統(tǒng)開發(fā)及半實(shí)物仿真的軟硬件工作平臺,實(shí)現(xiàn)了和Matlab/Simulink/RTW的完全無縫鏈接[15]。dSPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng)擁有具有高速計(jì)算能力和的硬件系統(tǒng),包括處理器、I/O等,還擁有方便易用的實(shí)現(xiàn)代碼自動生成/下載和試驗(yàn)/調(diào)試的軟件環(huán)境。這樣,在dSPACE強(qiáng)大能力的支持下,可以實(shí)現(xiàn)快速控制原型也可以實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真[16]。由于dSPACE顯著的優(yōu)越性,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、發(fā)動機(jī)、電力機(jī)車、機(jī)器人、驅(qū)動及工業(yè)控制等領(lǐng)域。

RT-LAB是由加拿大Opal-RT Technologies推出的一套工業(yè)級的系統(tǒng)平臺軟件包和仿真器,也是一種全新的基于模型的工程設(shè)計(jì)測試應(yīng)用平臺[17]。通過應(yīng)用這種開放、可擴(kuò)展的實(shí)時(shí)軟件和硬件平臺,工程師可以直接將利用Matlab/Simulink或者M(jìn)ATRIXx/SystemBuild建立的動態(tài)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于實(shí)時(shí)仿真、控制、測試以及其他相關(guān)領(lǐng)域。但是,RT-LAB是針對專用設(shè)備,運(yùn)行在專用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),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(xué)與工程計(jì)算的高級語言,它集科學(xué)計(jì)算、自動控制、信號處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、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(shù)庫可以很方便地構(gòu)建數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)行非實(shí)時(shí)的仿真。而xPC目標(biāo)是Mathworks提供一種用于產(chǎn)品原型開發(fā)、測試和配置實(shí)時(shí)系統(tǒng)的PC機(jī)解決途徑[18]。為了提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真的能力,xPC目標(biāo)采用了宿主機(jī)—目標(biāo)機(jī)的技術(shù)途徑,兩機(jī)通過網(wǎng)卡連接,以TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信。宿主機(jī)采用Simulink建模并設(shè)置仿真參數(shù),然后通過實(shí)時(shí)工作間與VC編譯器對模型進(jìn)行編譯并下載可執(zhí)行文件到目標(biāo)機(jī)。

NI半實(shí)物仿真平臺是美國NI公司推出的基于LABVIEW的實(shí)時(shí)控制仿真平臺[19]。該平臺主要由三部分構(gòu)成:CRIO實(shí)時(shí)控制器、可重配FPGA和I/O模塊構(gòu)成。CompactRIO的RIO(FPGA)核心內(nèi)置數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制,負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)傳到嵌入式處理器以進(jìn)行實(shí)時(shí)分析,數(shù)據(jù)處理,數(shù)據(jù)記錄或與聯(lián)網(wǎng)主機(jī)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(nèi)置的接口,信號調(diào)理,轉(zhuǎn)換電路(如ADC或DAC),以及可選配的隔離屏蔽。這種設(shè)計(jì)使得低成本的構(gòu)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(shí)物仿真平臺都是成熟的分布式、可以用于實(shí)時(shí)仿真和半實(shí)物仿真的平臺,并且都是基于PC機(jī)Windows操作系統(tǒng),具有高度的集成性和模塊化。用戶可以根據(jù)需要,在運(yùn)算速度不同的多處理器之間進(jìn)行選擇,選用不同的I/O配置,以組成不同的應(yīng)用系統(tǒng)。相對來說,RT-LAB和xPC側(cè)重于工程設(shè)計(jì)與測試方面,而dSPACE和NI PXI更側(cè)重于控制系統(tǒng)開發(fā)及測試方面。四種半實(shí)物仿真平臺對比如表1所示。

表1 四種半實(shí)物仿真平臺對比

半實(shí)物仿真技術(shù)伴隨著自動化武器系統(tǒng)的研制及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展,特別是由于導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的實(shí)物試驗(yàn)其代價(jià)昂貴,而半實(shí)物仿真技術(shù)能為導(dǎo)彈武器的研制試驗(yàn)提供最優(yōu)的手段,使在不做任何實(shí)物飛行的條件下,可對導(dǎo)彈全系統(tǒng)進(jìn)行綜合測試。美國、英國、法國、日本和俄羅斯等主要武器生產(chǎn)國非常重視半實(shí)物仿真技術(shù)的研究和應(yīng)用。

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

目前,美國導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的大型軍工企業(yè)和各軍兵種都建設(shè)并發(fā)展了自己完整、復(fù)雜和先進(jìn)的仿真系統(tǒng),而且也都投入了大量資金來建設(shè)導(dǎo)彈系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)室,如著名的美國陸軍導(dǎo)彈司令部在紅石基地的高級仿真實(shí)驗(yàn)室[20]。根據(jù)美國對“愛國者”、“羅蘭特”、“針刺”三種型號的統(tǒng)計(jì),采用仿真技術(shù)后,試驗(yàn)周期可縮短30%～40%,節(jié)約實(shí)彈數(shù)43.6%。

國內(nèi)對于半實(shí)物仿真技術(shù)的研究起步相對較晚,但發(fā)展較為迅速。銀河高性能仿真平臺YH-AStar是國防科大計(jì)算機(jī)學(xué)院繼銀河仿真Ⅰ型機(jī)、銀河仿真Ⅱ型機(jī)、銀河超級小型仿真機(jī)之后推出的第四代仿真機(jī)系列產(chǎn)品。它以一體化建模仿真軟件YHSIM為核心,以通用計(jì)算機(jī)、Windows NT/2000操作系統(tǒng)和專用I/O系統(tǒng)為基礎(chǔ),構(gòu)成了可適用于不同規(guī)模連續(xù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真和平實(shí)物仿真的具有不同型號、不同檔次的仿真機(jī)系列產(chǎn)品[21]。在全國許多單位得到了成功的應(yīng)用,為長征系列火箭、多種型號導(dǎo)彈的研制作出了貢獻(xiàn)。

4 半實(shí)物仿真的發(fā)展趨勢

4.1 環(huán)境特性仿真技術(shù)

環(huán)境仿真包括動力學(xué)、電磁、水聲、光學(xué)環(huán)境仿真,視覺、聽覺、動感、力反饋等環(huán)境感知仿真以及虛擬戰(zhàn)場環(huán)境的綜合仿真。美軍在環(huán)境仿真方面逐步建立了各種完善的數(shù)據(jù)庫和模型庫,用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立了虛擬仿真環(huán)境。美國國防部高級研究計(jì)劃局DARPA已設(shè)立“綜合環(huán)境計(jì)劃”,正在研究用于平臺級仿真的大氣與海洋的數(shù)據(jù)系統(tǒng),以滿足分布交互仿真的需要。

4.2 虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種高度逼真地模擬人在自然環(huán)境中視、聽、動等行為的人機(jī)界面技術(shù)。它使仿真系統(tǒng)的人機(jī)交互方式虛擬化,人可以通過形體動作與其他仿真實(shí)體交互并產(chǎn)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(xiàn)實(shí)技術(shù)具有“沉浸”和“交互”兩種基本特性?！俺两碧匦砸笥?jì)算機(jī)所創(chuàng)造的三維虛擬環(huán)境能使“參與者”獲得全身心置于虛擬世界的真實(shí)體驗(yàn)?！敖换ァ碧匦詣t要求參與者能通過使用專用設(shè)備,以自然的方式對虛擬環(huán)境中的實(shí)體進(jìn)行交互考察、通訊和操作。隨著國外虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的蓬勃發(fā)展,以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在分布交互仿真中的成功應(yīng)用,虛擬仿真的概念及其應(yīng)用己成為國內(nèi)仿真界的熱門話題。

4.3 分布交互仿真

在20世紀(jì)80年代后期,根據(jù)在使用SIMNET中所積累的經(jīng)驗(yàn),認(rèn)為在作戰(zhàn)想定中應(yīng)使敵方數(shù)量多于己方,因此仿真器的數(shù)量大大增加了,于是在SIMNET基礎(chǔ)上發(fā)展了異構(gòu)性網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的分布交互仿真(DIS)技術(shù)[23]。SIMNET中的許多原則,如對象/事件結(jié)構(gòu)、仿真節(jié)點(diǎn)的自治性、采用DR(Dead Reckoning)算法降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等都成為今天DIS的基礎(chǔ)。DIS在美國的研究和發(fā)展很快,1992年3月在第六屆DIS研討會上,美國陸軍仿真訓(xùn)練裝備司令部(Simulation,Training and Instrumentation Command,STRICOM)提出了DIS的結(jié)構(gòu),并著手制定DIS協(xié)議。

5 結(jié)語

隨著現(xiàn)代控制理論、數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)以及精密儀器制造技術(shù)等關(guān)鍵理論和技術(shù)的發(fā)展,半實(shí)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(fā)展,以滿足越來越復(fù)雜的仿真試驗(yàn)要求。半實(shí)物仿真作為仿真技術(shù)的重要代表之一,其經(jīng)濟(jì)效益和軍事效益日益凸顯,在武器系統(tǒng)研究、軍事裝備訓(xùn)練等重要方面有著舉足輕重的作用。未來,半實(shí)物仿真將越來越智能化和綜合化,且必將在工程領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

[1] 廖英,梁加紅.實(shí)時(shí)仿真理論與支撐技術(shù)[M].長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2002:10.

[2] 劉延斌,金光.半實(shí)物仿真技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].光機(jī)電信息,2003(1):27-32.

[3] 符文星,孫力,于云峰,等.導(dǎo)彈武器系統(tǒng)分布式半實(shí)物仿真系統(tǒng)研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2009,21(19):6073-6076.

[4] 楊奕飛,謝勇.?；鵖頻段航天測控半實(shí)物仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].航天控制,2010,28(5):58-63.

[5] 章潔.列車通信網(wǎng)絡(luò)一致性測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].杭州:浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文,2013:49.

[6] 高興泉,郭爽.化工反應(yīng)過程半實(shí)物仿真系統(tǒng)[J].化工中間體,2015,2:27-28.

[7] Shen Erjian, Zhang Tao, Song jingyan. Design and application of serial communication in satellite semi-physical simulation[C]//4th IEEE International Conference on Computer Science and Information Technology, Chengdu, China,2011:836-840.

[8] 謝燕武.紅外成像尋的導(dǎo)彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2013,21(2):394-395,420.

[9] 丁勇,肖澤龍,許建中,等.毫米波交流輻射計(jì)半實(shí)物仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].兵工學(xué)報(bào),2015,36(10):1867-1874.

[10] 朱曉勤,張翔,朱克煒,等.多模復(fù)合制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2013,33(5):71-74.

[11] 郭淑霞,董中要,高穎.衛(wèi)星導(dǎo)航接收端抗干擾性能測試平臺構(gòu)建方法[J].2013,42(8):2150-2155.

[12] 高慧英.復(fù)雜電磁環(huán)境雷達(dá)對抗系統(tǒng)仿真試驗(yàn)[J].艦船科學(xué)技術(shù),2011,33(6):51-55.

[13] 單家元,孟秀云,丁艷,等.半實(shí)物仿真[M].北京:國防工業(yè)出版社,2013:9-11.

[14] 王恒林,曹建國.仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2003:66.

[15] Lapusan C, Maties V, Balan R, et al. Rapid control prototyping using matlab and dSPACE application for a planar parallel robot[C]//2008 IEEE International Conference on Automation, Quality and Testing, Robotics,2008,2:361-364.

[16] 王松輝.基于dSPACE的無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真研究[D].南京:南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008:5-19.

[17] 常曉飛,符文星,閆杰.基于RT-LAB的某型導(dǎo)彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2009,21(18):5720-5723.

[18] 譚揚(yáng).可逆式機(jī)組半實(shí)物仿真平臺硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢:華中科技大學(xué),2013:6-12.

[19] Vincenzo D C, Roberto D S, Fabrizio M. Hardware in the Loop Simulation of a FPGA-based Speed and Position Observer for non-Salient Permanent Magnet Synchronous Motors[C]//The 33rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society,2007,11:5-8.

[20] 叢敏,劉全.美國陸軍導(dǎo)彈司令部的半實(shí)物仿真[J].飛航導(dǎo)彈,1998(6):28-32.

[21] 單勇.實(shí)時(shí)半實(shí)物仿真平臺關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2010:8-20.

[22] 張晨,劉博.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用研究[J].數(shù)學(xué)技術(shù)與應(yīng)用,2015,1(1):46-50.

[23] 石小林,欒文博.基于HLA的載人航天器飛行任務(wù)仿真平臺研究與實(shí)現(xiàn)[J].航天器環(huán)境工程,2016,33(1):28-34.

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(dǎo)彈武器系統(tǒng)建模與仿真。楊鎖昌,男,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向:精確制導(dǎo)理論與技術(shù)。張寬橋,男,博士研究生,研究方式:精確制導(dǎo)理論與技術(shù)。

TP391.9; V216.7

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.003