控制仿真

控制仿真（control simulation）利用地面仿真設備來研究飛行器控制系統動態性能的技術。仿真設備由計算機和各種物理仿真設備組成，它能模擬飛行器、控制系統和各種飛行環境。按照建立模型的性質，可把控制系統的仿真分為數學仿真、半物理仿真和全物理仿真三類。

基本介紹

• 中文名：控制仿真
• 外文名：control simulation
• 學科：航天科學技術
• 見載：《航天科學技術名詞》第一版
• 公布年度：2005
• 技術原理：模擬飛行控制系統和各種飛行環境

簡介

控制仿真利用地面仿真設備來研究飛行器控制系統動態性能的技術。仿真設備由計算機和各種物理仿真設備組成，它能模擬飛行器、控制系統和各種飛行環境。按照建立模型的性質，可把控制系統的仿真分為數學仿真、半物理仿真和全物理仿真三類。全物理仿真最為逼真，但在控制系統的研製過程中，三種仿真的作用是互相補充的。

這些設備不僅用來研究控制系統而且能用來訓練飛行員和航天員。為了進行控制系統的仿真研究，需要建立仿真系統，這就首先要確定系統模型並用仿真計算機和各種仿真設備（如運動模擬器，目標模擬器和環境模擬器等）來具體實現這個模型。這樣建成的仿真系統可以重複使用。仿真設備具有通用性，既便於使用又便於維修，比飛行試驗的成本低得多，因而仿真是研究和設計控制系統的一種有效方法。

數學仿真

也稱計算機仿真，就是在計算機上實現描寫系統物理過程的數學模型，並在這個模型上對系統進行定量的研究和實驗。這種仿真方法常用於系統的方案設計階段和某些不適合做實物仿真的場合（包括某些故障模式）。它的特點是重複性好、精度高、靈活性大、使用方便、成本較低、可以是實時的、也可以是非實時的。數學仿真的逼真度和精度取決於仿真計算機的精度和數學模型的正確性與精確性。

半物理仿真

採用部分物理模型和部分數學模型的仿真。其中物理模型採用控制系統中的實物，系統本身的動態過程則採用數學模型。半物理仿真系統通常由滿足實時性要求的仿真計算機、運動模擬器（一般採用三軸機械轉台）、目標模擬器、控制台和部分實物組成。控制系統電子裝置和敏感器安放在轉台上。

半物理仿真的逼真度較高，所以常用來驗證控制系統方案的正確性和可行性，進行故障模式的仿真以及對各研製階段的控制系統進行閉路動態驗收試驗。此外，用航天仿真器來訓練航天員和用飛行仿真器來訓練飛行員也屬於半物理仿真性質，後者更著重於視景模擬和人機關係。以仿真計算機實現系統模型和以太空飛行器計算機或控制系統電子線路為實物的閉路試驗，也可認為是半物理仿真，這種仿真重點在於檢驗控制計算機軟體的正確性或研究控制方式中某些功能和參數。

半物理仿真的逼真度取決於接入的實物部件的多寡、仿真計算機的速度、精度和功能，轉台和各目標模擬器的性能。通常對三軸機械轉台的要求是精度高、轉動範圍大、動態回響快和框架布置不妨礙光學敏感器的視場。半物理仿真技術是現代控制系統仿真技術的發展重點。

全物理仿真

全部採用物理模型的仿真，又稱實物模擬。例如太空飛行器的動態過程用氣浮台(單軸或三軸)的運動來代替，控制系統採用實物。因為實物是安放在氣浮台上的，這種方法很適合於研究具有角動量存貯裝置的太空飛行器姿態控制系統的三軸耦合，以及研究控制系統與其他分系統在力學上的動態關係。在對太空飛行器姿態控制系統進行全物理仿真時，安裝在氣浮台上的實物應包括姿態敏感器（見太空飛行器姿態敏感器）、控制器執行機構（見太空飛行器姿態控制執行機構）和遙測遙控裝置和有關的分系統。目標模擬器、環境模擬器和操作控制台均設定在地面上。太空飛行器在空間的運動是由氣浮台來模擬的，所以全物理仿真的逼真度和精度主要取決於氣浮台的性能。對氣浮台的要求是空氣軸承的摩擦力矩和渦流力矩小，垂直負載能力和橫向剛度大，氣浮台動、靜平衡好。全物理仿真技術複雜，一般只在必要時才採用。

非線性因素影響

進行非線性效應影響的研究，以確定施工控制仿真分析系統。可能引起索塔非線性的 主要來源有三個方面：

樑柱效應

主塔工作時處於壓彎狀態，引起了樑柱效應。用梁單元分析時，可用穩定函式表示的幾 何非線性剛度矩陣或一般的幾何剛度陣計入這一效應。

大位移效應

由於索塔高達300.4 m，具有柔性結構特徵，外荷載作用下結構變形可能較大，平衡方 程必須建立在變形後的位置上。可以用大位移剛度矩陣或基於CR列式的有限位移理論計 入這一效應。

混凝土的徐變特性

混凝土的徐變特性研究涉及到徐變係數和計算方法。由於規範給出的徐變係數計算方 式以圖形曲線及表格形式出現，不便於計算機分析，將其表達成適於電子計算機的公式，計算方法採用按齡期調整的有效彈性模量法，其t時刻的應力應變關係為

為按齡期調整的有效彈性模量，其中

為了比較索塔施工控制結構分析中非線性因素的影響程度，選擇兩個關鍵施工階段進 行比較，模型1為中塔柱合攏前，模型2為索塔完工時。

下橫樑支架+貝雷架分析模型正立面圖

(1)模型1——最大單懸臂

此模型考慮了中塔柱混凝土節段48、塔肢合攏前的情形(連線位)。分析時考慮支撐節段4～節段10 的影響。該模型見圖。

(2)模型2——全塔模型

此模型考慮了索塔完成時的情形(安裝混凝土節段68)。該模型見圖。

通過對索塔進行非線性分析，得到如下結論：

a. 由於索塔為混凝土結構，剛度較大，施工過程中主要承受豎向荷載，因此幾何非線性效應和樑柱 效應等對索塔施工過程中的結構內力和變形影響很小，施工控制仿真分析可不考慮這兩種效應。

b.混凝土收縮徐變效應對索塔施工過程中的結構內力和變形影響很大，施工控制仿真 分析必須考慮這一效應。由於混凝土收縮徐變模式複雜，收縮徐變模式多，研究表明：經過 初步驗證(在濕度較大時)採用JTG D62—2004規範規定模式更加符合實際混凝土結構的 變形。建議施工控制仿真分析中採用JTG D62—2004規範規定模式。

控制仿真平台軟體設計

機電設備控制仿真平台軟體設計同樣包含上位機和下位機軟體設計。

上位機機電設備仿真界面設計

上位機機電設備仿真界面採用工業組態軟體MCUS來完成。利用MCUS的設備視窗完成上位機與下位機通信設定、數據和命令交換。在MCUS的用戶視窗，採用圖形對象、圖元對象、圖符對象實現機電設備的仿真界面設計，經變數連線，可以完成機電設備的仿真運行。在MCUS的實時資料庫可以設定機電設備的變數；在運行策略里進行腳本程式的編寫。

下位機嵌入式控制器軟體設計

下位機採用Keil MDK C語言進行設計，主要實現上下位機的變數數據交換，從而在下位機嵌入式控制器的IO口端子通過高低電平(開關量和模擬量)表現其工作狀態。具體包括2部分的內容。

(1)通信模組。通信模組包括3部分：

①與上位機觸控螢幕或PC機基於MODBUS通信協定的通信程式，所編寫的通信程式能夠完成MODBUS常用的功能命令，也可根據需要進行添加;

②與級聯的控制模組相連的通信程式（為了統一起見，也採用MODBUS協定完成控制板級聯程式），主控制器為主，其他級聯模組為從;

③第2路RS485作為自由口，以備與其他通信協定的模組相連，例如可用作讀取伺服驅動器內部暫存器。

(2)數據交換模組。數據交換模組負責解釋觸控螢幕或PC機上虛擬機電設備的命令和數據，與下位機控制的變數實現連線，然後將對應的輸入輸出數據表現在下位機控制器的IO連線埠上。

我國在世界首創三飛行器控制仿真系統

據有關專家介紹，航空兵空戰戰術訓練從天空走進仿真系統，是當今世界科學練兵，經濟練兵的方向。在實現了飛行技術模擬訓練以後，各已開發國家便開始攻克戰術訓練仿真系統。但由於目標機、攻擊機、空——空飛彈共存於同一系統的技術複雜，難度極大而久攻未克，目前戰術訓練處於地面演練和空中打槍靶階段，經濟代價高，危險性大。1986年全軍下達了這一重點課題後，一航院迅速組織了多學科、多專業結合的攻關隊伍，經6年艱苦攻關，突破了一系列重大難關，研製成功了三飛行器控制仿真系統。該系統於1992年11月13日通過空軍鑑定。軍內外專家認為，這一系統在世界上首次將目標機、攻擊機和飛彈等空戰三要素共溶於同一仿真系統中，整體技術達到國際90年代先進水平。經中國科學技術情報研究所對美、英、法、日、前蘇聯等國仿真研究資料進行在線上檢索，表明我國此項研究成果屬世界首創。