蔡安江 蔣周月 郭師虹 薛曉飛

1. 西安建筑科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 西安 710055 2. 西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 西安 710055

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，仿真技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到各行各業(yè)，而半實(shí)物仿真作為其中一個(gè)分支，已廣泛涉及到機(jī)電技術(shù)、液壓技術(shù)、控制技術(shù)及接口技術(shù)等領(lǐng)域。半實(shí)物仿真技術(shù)將具體的研究對(duì)象接入計(jì)算機(jī)仿真回路進(jìn)行試驗(yàn)，因而更接近實(shí)際生產(chǎn)。

系統(tǒng)仿真技術(shù)通過(guò)系統(tǒng)模型試驗(yàn)來(lái)研究系統(tǒng)的運(yùn)行特性，主要分為數(shù)學(xué)仿真、半物理仿真和全物理仿真3種類(lèi)型[1]。半物理仿真，又稱(chēng)半實(shí)物仿真或物理-數(shù)學(xué)仿真，其英文名稱(chēng)國(guó)內(nèi)多用 semi-physical simulation[2-3]表示，而國(guó)外多用 hardware-in-the- loop simulation (HIL)[4-5]表示。半物理仿真將被仿真對(duì)象系統(tǒng)的一部分以實(shí)物或物理模型的方式引入仿真回路，被仿真對(duì)象系統(tǒng)的其余部分以數(shù)學(xué)模型描述，并把它轉(zhuǎn)化為仿真計(jì)算模型，借助于物理效應(yīng)模型，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)學(xué)仿真與物理仿真的聯(lián)合仿真[6]。

半物理仿真的優(yōu)勢(shì)是能夠把數(shù)字仿真的靈活性和物理仿真的精確性相結(jié)合，可以充分發(fā)揮各自的功能[7]。為了將較少的開(kāi)發(fā)時(shí)間、故障成本以及系統(tǒng)模擬的計(jì)算資源應(yīng)用到我國(guó)各項(xiàng)研發(fā)工作中，將半物理仿真技術(shù)推廣到我國(guó)其他各項(xiàng)研究領(lǐng)域具有重要的意義。本文分析了半物理仿真技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了其目前的應(yīng)用對(duì)象和應(yīng)用領(lǐng)域，展望了半物理仿真的發(fā)展趨勢(shì)。

1 半物理仿真國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著仿真技術(shù)的快速發(fā)展，半物理仿真已成為現(xiàn)代工程技術(shù)的重要支柱，在國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域和民用工業(yè)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。

1.1 國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域

在國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域，我國(guó)已經(jīng)建成了多種特點(diǎn)的半物理仿真系統(tǒng)。2010年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的常同立[8]探討了一種驗(yàn)證空間對(duì)接動(dòng)力學(xué)半物理仿真系統(tǒng)仿真結(jié)果真實(shí)性的試驗(yàn)研究方法，該方法具有較強(qiáng)的實(shí)用性，能夠廣泛應(yīng)用于實(shí)際空間對(duì)接中。2014年，深圳航天東方紅海特衛(wèi)星有限公司的杜曉東等人[9]，利用半物理仿真系統(tǒng)驗(yàn)證雙目視覺(jué)引導(dǎo)下的航天器近距離自主交會(huì)接近的特征識(shí)別、位姿解算、導(dǎo)航制導(dǎo)與控制等關(guān)鍵算法。

在軍事系統(tǒng)方面，仿真技術(shù)的應(yīng)用為部隊(duì)指揮、作戰(zhàn)和訓(xùn)練提供了有效工具，為我軍現(xiàn)代化建設(shè)做出了重要貢獻(xiàn)。2010年，北京航天自動(dòng)控制研究所的周志久等人[10]，設(shè)計(jì)了不帶轉(zhuǎn)臺(tái)和帶轉(zhuǎn)臺(tái)的2種半物理仿真系統(tǒng)模擬無(wú)人機(jī)的飛行狀況，且2種半物理仿真系統(tǒng)可以相互關(guān)聯(lián)，能夠?qū)φ麄€(gè)無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性及有效性進(jìn)行完備的驗(yàn)證；2014年，北京理工大學(xué)的范世鵬等人[11]通過(guò)建立激光末制導(dǎo)導(dǎo)彈半物理仿真平臺(tái)，設(shè)計(jì)出末制導(dǎo)段彈道半物理仿真模型，深入研究導(dǎo)引頭入瞳光學(xué)特性和實(shí)時(shí)更新照射環(huán)境特性，創(chuàng)造了更接近于飛行試驗(yàn)的半物理仿真環(huán)境，達(dá)到仿真技術(shù)相似原理的要求。

1.2 民用工業(yè)領(lǐng)域

在民用工業(yè)領(lǐng)域中，半物理仿真運(yùn)用在組合導(dǎo)航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和調(diào)壓系統(tǒng)等方面。

在導(dǎo)航系統(tǒng)方面，2006年，北京航空航天大學(xué)的曹娟娟等人[12]，提出了1種用于減少 MIMU/GPS/MMC組合導(dǎo)航濾波算法計(jì)算量的快速濾波方法，以提高算法的實(shí)時(shí)性，并利用半物理仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了該算法的有效性和實(shí)時(shí)性。2011年，南京航空航天大學(xué)導(dǎo)航研究中心的于永軍等人[13]設(shè)計(jì)了基于 DSP的半物理仿真系統(tǒng)，并利用其驗(yàn)證了基于一次采樣的四階龍格庫(kù)塔捷聯(lián)算法能有效提高捷聯(lián)解算的實(shí)時(shí)性和導(dǎo)航精度。

在控制系統(tǒng)方面，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的周煥銀等人[14]于2011年通過(guò)半物理仿真平臺(tái)驗(yàn)證了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償器的動(dòng)態(tài)反饋控制算法具有更好的動(dòng)態(tài)性能和較強(qiáng)的抗干擾能力，相比于 PID控制算法，大大提高了系統(tǒng)的魯棒性；2014年，西北工業(yè)大學(xué)的陳俊碩等人[15]，利用半物理仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)速度控制器提高了系統(tǒng)魯棒性。

在為國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域和民用工業(yè)領(lǐng)域服務(wù)的同時(shí)，半物理仿真的應(yīng)用也正不斷向交通、教育、通訊和經(jīng)濟(jì)等多個(gè)領(lǐng)域擴(kuò)展。

2 半物理仿真國(guó)外應(yīng)用現(xiàn)狀

對(duì)模型的實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)，通過(guò)使用硬件作為計(jì)算機(jī)模擬的一部分，可以減少模擬復(fù)雜性及合并因素。半實(shí)物仿真已成功地應(yīng)用于控制、制造等許多領(lǐng)域。

2.1 控制領(lǐng)域

2013年，韓國(guó)的Junoh Jung等人[16]使用狀態(tài)依賴(lài)Riccati方程技術(shù)，對(duì)航天器編隊(duì)飛行姿態(tài)同步控制策略進(jìn)行了分析和研究，并使用半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)問(wèn)題進(jìn)行跟蹤和調(diào)節(jié)；2015年，德國(guó)的J. Paul等人[4]對(duì)微衛(wèi)星的空間對(duì)接與交會(huì)設(shè)計(jì)了半物理仿真系統(tǒng)。2015年，法國(guó)的C.Quérel等人[17]開(kāi)發(fā)了一個(gè)半物理模型預(yù)測(cè)由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的氮氧化物(NOx)的排放量；2016年，埃及的Ahmad M. El-Nagar等人[18]在研究中，用半物理仿真驗(yàn)證了區(qū)間二型模糊比例微分控制器(IT2F-PD)的性能。

2.2 機(jī)械制造領(lǐng)域

2005年，德國(guó)的Stoeppler G等人[19]提出了一種不同類(lèi)型的仿真策略，該方法在機(jī)床的仿真模型中集成了控制硬件；2014年，波蘭的Krzysztof J. Kalin′ski等人[5]開(kāi)發(fā)并真正執(zhí)行了對(duì)柔性工件的主動(dòng)振動(dòng)控制進(jìn)行高速銑削過(guò)程監(jiān)視的方法。

2.3 機(jī)器人領(lǐng)域

在機(jī)器人領(lǐng)域，半實(shí)物仿真已經(jīng)從許多不同的角度應(yīng)用。這些方法包括：機(jī)器人在回路仿真，如使用真實(shí)的和模擬的移動(dòng)機(jī)器人在一個(gè)虛擬的環(huán)境中相互作用[20]?？刂破髟诨芈贩抡妫渲幸粋€(gè)真正的控制單元與機(jī)器人的計(jì)算機(jī)模型交互[21]，以及關(guān)節(jié)在環(huán)仿真，在關(guān)節(jié)上模擬真正的致動(dòng)器上的負(fù)載[22]。

2.4 其他領(lǐng)域

除了集中應(yīng)用于以上領(lǐng)域，半物理仿真還應(yīng)用在了循環(huán)加熱系統(tǒng)[23]、車(chē)輛駕駛員信息系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)[24]、分布式網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)發(fā)[25]及并行隨機(jī)力[26]等方面。半物理仿真可以減少開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本[19]，已被證明是有用的設(shè)計(jì)工具。因此，對(duì)其應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行全方位了解有利于更合理地學(xué)習(xí)借鑒不同領(lǐng)域的半物理仿真。

3 半物理仿真應(yīng)用對(duì)象概況

通過(guò)對(duì)半物理仿真的應(yīng)用進(jìn)行歸納總結(jié)可知，其應(yīng)用對(duì)象主要存在于諸如航空航天[1, 6-9, 27]、無(wú)人機(jī)[11]、組合導(dǎo)航系統(tǒng)[12-13]、控制系統(tǒng)[14-15]及調(diào)壓系統(tǒng)等行業(yè)與領(lǐng)域，如表1所示。

表1 半物理仿真的應(yīng)用對(duì)象概況

從其應(yīng)用對(duì)象的歸納分析可以看出，當(dāng)前半物理仿真的應(yīng)用雖然涉及到社會(huì)生產(chǎn)與生活的各個(gè)領(lǐng)域與各種機(jī)械設(shè)備，但絕大多數(shù)半物理仿真的研究還停留在航天器的空間對(duì)接以及無(wú)人機(jī)的飛行控制；距離實(shí)現(xiàn)半物理仿真應(yīng)用至整個(gè)社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域是值得未來(lái)探索的一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容。

4 半物理仿真發(fā)展趨勢(shì)

4.1 半物理仿真研究趨勢(shì)

從上述國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀可以看出，半物理仿真技術(shù)在航空航天和武器制導(dǎo)等軍用領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用，而在民用工業(yè)領(lǐng)域，除了組合導(dǎo)航系統(tǒng)方面，目前還未被推廣。軍用技術(shù)轉(zhuǎn)為民用,服務(wù)于國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)已成常態(tài)，也是發(fā)展趨勢(shì)。所以，半物理仿真技術(shù)未來(lái)的發(fā)展和應(yīng)用將在軍、民的工業(yè)領(lǐng)域展開(kāi)，尤其是傳統(tǒng)制造工業(yè)領(lǐng)域。

目前，我國(guó)正大力推廣“中國(guó)制造2025”，并與德國(guó)“工業(yè)4.0”全面對(duì)接。德國(guó)“工業(yè)4.0”是以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命，旨在通過(guò)充分利用“信息物理系統(tǒng)”(Cyber-Physical System)，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型。半物理仿真技術(shù)以其兼具數(shù)字仿真的柔性和物理仿真的精確性的特點(diǎn)，將助力信息物理系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。

從德國(guó)“工業(yè)3.0”的“數(shù)字化”升級(jí)到德國(guó)“工業(yè)4.0”的“智能化”，數(shù)控機(jī)床是基礎(chǔ)。此外，《中國(guó)制造2025》中明確表示要以提升可靠性、精度保持性為重點(diǎn)，開(kāi)發(fā)高檔數(shù)控系統(tǒng)，加快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，加強(qiáng)用戶(hù)工藝驗(yàn)證能力建設(shè)，并且預(yù)期關(guān)鍵工序數(shù)控化率到2025年指標(biāo)達(dá)到64%。如果以半物理仿真作為信息系統(tǒng)，以數(shù)控機(jī)床作為物理系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算過(guò)程和物理進(jìn)程相互影響的反饋循環(huán)，實(shí)現(xiàn)深度融合和實(shí)時(shí)交互，可以增加和擴(kuò)展新的功能。故將半物理仿真應(yīng)用到數(shù)字控制工業(yè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的智能化，是未來(lái)的一大發(fā)展趨勢(shì)，機(jī)械化產(chǎn)品也將從“數(shù)控時(shí)代”向“智能時(shí)代”發(fā)展，從根本上提高產(chǎn)品功能、性能和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

4.2 半物理仿真技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)建模仿真技術(shù)發(fā)展深刻影響著半物理仿真技術(shù)的發(fā)展。一方面，復(fù)雜的多領(lǐng)域系統(tǒng)的半物理仿真技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)仿真在系統(tǒng)研究過(guò)程中的深入應(yīng)用，提出了一系列新的技術(shù)需求。近年來(lái)，針對(duì)半物理仿真技術(shù)的研究也在致力解決這一工程問(wèn)題，其首要前提是對(duì)復(fù)雜多領(lǐng)域系統(tǒng)的統(tǒng)一模型描述。另一方面，裝備系統(tǒng)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，超大規(guī)模的系統(tǒng)仿真計(jì)算需求日益增長(zhǎng)，為充分利用超級(jí)計(jì)算機(jī)和云計(jì)算服務(wù)的強(qiáng)大計(jì)算功能，實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模運(yùn)算，有必要在半物理仿真中實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)模型的自動(dòng)分解和并行化計(jì)算。

世界各國(guó)一直重視半物理仿真，近年來(lái)，在計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展的信息化智能化背景下，半物理仿真已成為現(xiàn)代工程技術(shù)的重要支柱。其在航空航天、機(jī)械、電工、化工、通信，特別是國(guó)防軍事等領(lǐng)域的工程設(shè)計(jì)研究，已成為現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)的代表之一。未來(lái)半物理仿真將向高智能化、全面化和集成化發(fā)展，在工程技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

5 總結(jié)

半物理仿真技術(shù)以其高效率、低成本的特性，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外的航空航天和武器制導(dǎo)等軍事領(lǐng)域。在民用工業(yè)領(lǐng)域也因其逼真度較高，而不斷開(kāi)拓發(fā)展。本文介紹了半物理仿真概念與特點(diǎn)，歸納其國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀，在總結(jié)該技術(shù)應(yīng)用對(duì)象的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)了半物理仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

半物理仿真技術(shù)將在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域朝著高智能化和綜合化發(fā)展，在中國(guó)制造智能轉(zhuǎn)型升級(jí)的過(guò)程中發(fā)揮出更大的積極作用。

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