半实物仿真技术的研究现状及发展趋势*

郑 国 杨锁昌 张宽桥

(军械工程学院 石家庄 050003)



半实物仿真技术的研究现状及发展趋势*

郑 国 杨锁昌 张宽桥

(军械工程学院 石家庄 050003)

随着计算机技术的飞速发展,半实物仿真技术已成为现代工程技术的重要支撑力量,广泛应用于航天、电工、化工、通信,特别是军事等领域方面的工程设计研究,成为现代高技术的代表之一。论文介绍了半实物仿真技术发展现状,并简要分析了其发展趋势。

半实物仿真; 仿真平台; 仿真系统

Class Number TP391.9; V216.7

1 引言

仿真是20世纪40年代末随着随着计算机技术的发展而逐步形成的一类试验研究的新兴方法[1]。最初仿真主要应用于航空、航天、原子反应堆等少数领域。此后,由于计算机技术和信息科学的迅猛发展、为仿真技术的应用提供了技术和物质基础。

随着系统理论、计算机技术、图形技术和建模技术的发展,仿真技术得到了快速发展。半实物仿真在各种仿真系统中的置信度最高,具有有效性、可重复性、经济性、安全性等诸多优点,受到军事和民用各部门的高度重视[2]。半实物仿真也称硬件在回路仿真(Hardware in the Loop Simulation,HILS),是武器系统研制过程中必不可少的重要手段之一[3]。半实物仿真是将部分产品实物引入到仿真回路的一种仿真技术,在半实物仿真过程中,部分数学模型精度较高的部分或者难以用实物代替的部分,用数学模型在计算机运行;部分实物或物理模型直接引入到仿真回路,从而提高仿真的置信水平。半实物仿真作为替代真实环境或设备的一种典型方法,不仅提高仿真的可信性,也解决以往存在于系统中的许多复杂建模难题,因此半实物仿真成了主要的发展方向。

以美国为代表的发达国家特别重视半实物仿真的应用,几乎各军兵种都建有种类齐全的半实物仿真实验室。半实物仿真被广泛应用各种领域,如航空[4]、电工[5]、化工[6]、通信[7]等,最为典型的是在武器装备研制领域,包括先进的红外成像制导[8]、大型微米波制导[9]、复合制导[10]、卫星导航信号[11]和雷达对抗[12]等一大批半实物仿真系统。本文介绍了半实物仿真系统的概念、组成以及发展现状,并对其发展趋势进行了分析和总结。

2 半实物仿真技术

半实物仿真是将数学模型与物理模型或实物模型相结合进行实验的过程。半实物仿真对系统中比较简单的部分或对其规律比较清楚的部分建立数学模型,并在计算机上加以实现;对比较复杂的部分或对其规律尚不清楚的部分,则直接采用物理模型或实物。

一个仿真系统的建立是面向某个系统和问题的[13]。仿真系统的组成取决于所研究的系统问题。仿真系统的一般组成框图如图1所示。

2.1 仿真系统软件

包括系统模型软件、通用软件、专用软件、数据库。系统模型软件一般由被仿真系统对象数学模型、仿真算法、系统运行流程等组成。通用软件包含有计算机操作系统、编程语言、调试运行环境、图形界面开发程序、通用接口通信程序、数据采集与显示等。专用软件包含专用算法、专用接口通信程序。数据库包括数据库开发系统和建立的各种设备等。

2.2 仿真系统硬件

仿真系统硬件可分为仿真计算机、接口、连接电缆、非标设备、信号产生于激励设备、数据采集与记录显示设备、通信指挥监控设备、能源动力系统、系统测试设备及各类辅助设备等。

2.3 仿真系统的评估

仿真系统的评估又分为软件评估和硬件评估。软件评估包括方法、程序、指标测试方法等;硬件主要是评估测试设备。仿真系统的评估内容主要包括仿真系统及分系统(设备)的指标测试评估,系统的可信性、可靠性、安全性、可维护性等的评估。

2.4 仿真系统的校验验证与确认

一般对建立的仿真系统进行评估之后,还要进行系统仿真试验设计与协调,确定仿真试验过程,通过系统的仿真试验对仿真系统进行全面的考核,以确定仿真系统是否能满足系统仿真试验要求,是否能够达到系统仿真试验目的并具有足够的可信度[14]。

3 半实物仿真系统研究现状

目前,常用的半实物仿真平台有dSPACE半实物仿真平台、RT-LAB、xPC半实物仿真平台和NI半实物仿真平台等。

dSPACE实时仿真系统是由德国dSPAC公司开发的一套基于Matlab/Simulink的控制系统开发及半实物仿真的软硬件工作平台,实现了和Matlab/Simulink/RTW的完全无缝链接[15]。dSPACE实时系统拥有具有高速计算能力和的硬件系统,包括处理器、I/O等,还拥有方便易用的实现代码自动生成/下载和试验/调试的软件环境。这样,在dSPACE强大能力的支持下,可以实现快速控制原型也可以实现半实物仿真[16]。由于dSPACE显著的优越性,现已广泛应用于航空、航天、汽车、发动机、电力机车、机器人、驱动及工业控制等领域。

RT-LAB是由加拿大Opal-RT Technologies推出的一套工业级的系统平台软件包和仿真器,也是一种全新的基于模型的工程设计测试应用平台[17]。通过应用这种开放、可扩展的实时软件和硬件平台,工程师可以直接将利用Matlab/Simulink或者MATRIXx/SystemBuild建立的动态系统数学模型应用于实时仿真、控制、测试以及其他相关领域。但是,RT-LAB是针对专用设备,运行在专用的实时操作系统,需要手工修改适用于RT-LAB编译的接口模块,软硬件平台的通用性不够好。

Matlab是一种面向科学与工程计算的高级语言,它集科学计算、自动控制、信号处理、神经网络、图像处理等于一体,具有极高的编程效率。特别是利用Simulink工具箱中丰富的函数库可以很方便地构建数学模型,并进行非实时的仿真。而xPC目标是Mathworks提供一种用于产品原型开发、测试和配置实时系统的PC机解决途径[18]。为了提高系统实时仿真的能力,xPC目标采用了宿主机—目标机的技术途径,两机通过网卡连接,以TCP/IP协议进行通信。宿主机采用Simulink建模并设置仿真参数,然后通过实时工作间与VC编译器对模型进行编译并下载可执行文件到目标机。

NI半实物仿真平台是美国NI公司推出的基于LABVIEW的实时控制仿真平台[19]。该平台主要由三部分构成:CRIO实时控制器、可重配FPGA和I/O模块构成。CompactRIO的RIO(FPGA)核心内置数据传输机制,负责把数据传到嵌入式处理器以进行实时分析,数据处理,数据记录或与联网主机通信。利用LabVIEW FPGA基本的I/O功能,用户可以直接访问CompactRIO硬件的每个I/O模块的输入输出电路。所有I/O模块都包含内置的接口,信号调理,转换电路(如ADC或DAC),以及可选配的隔离屏蔽。这种设计使得低成本的构架具有开放性,用户可以访问到底层的硬件资源。

以上四种半实物仿真平台都是成熟的分布式、可以用于实时仿真和半实物仿真的平台,并且都是基于PC机Windows操作系统,具有高度的集成性和模块化。用户可以根据需要,在运算速度不同的多处理器之间进行选择,选用不同的I/O配置,以组成不同的应用系统。相对来说,RT-LAB和xPC侧重于工程设计与测试方面,而dSPACE和NI PXI更侧重于控制系统开发及测试方面。四种半实物仿真平台对比如表1所示。

表1 四种半实物仿真平台对比

半实物仿真技术伴随着自动化武器系统的研制及计算机技术的发展而迅速发展,特别是由于导弹武器系统的实物试验其代价昂贵,而半实物仿真技术能为导弹武器的研制试验提供最优的手段,使在不做任何实物飞行的条件下,可对导弹全系统进行综合测试。美国、英国、法国、日本和俄罗斯等主要武器生产国非常重视半实物仿真技术的研究和应用。

随着建模与仿真方法的广泛应用,美军在ATACMS、M982、BAT子弹药、末敏弹等一系列陆军弹药导弹型号发展的过程中,逐步建立了隶属于陆军航空与导弹司令部和陆军试验与评估司令部的完备的制导系统半实物仿真体系,该体系涵盖了导弹系统从概念提出、演示验证、工程研制到批量生产、存储质量监控和延寿、故障分析以及作战性能分析等过程的全寿命周期。

目前,美国导弹武器系统的大型军工企业和各军兵种都建设并发展了自己完整、复杂和先进的仿真系统,而且也都投入了大量资金来建设导弹系统的仿真实验室,如著名的美国陆军导弹司令部在红石基地的高级仿真实验室[20]。根据美国对“爱国者”、“罗兰特”、“针刺”三种型号的统计,采用仿真技术后,试验周期可缩短30%～40%,节约实弹数43.6%。

国内对于半实物仿真技术的研究起步相对较晚,但发展较为迅速。银河高性能仿真平台YH-AStar是国防科大计算机学院继银河仿真Ⅰ型机、银河仿真Ⅱ型机、银河超级小型仿真机之后推出的第四代仿真机系列产品。它以一体化建模仿真软件YHSIM为核心,以通用计算机、Windows NT/2000操作系统和专用I/O系统为基础,构成了可适用于不同规模连续系统数学仿真和平实物仿真的具有不同型号、不同档次的仿真机系列产品[21]。在全国许多单位得到了成功的应用,为长征系列火箭、多种型号导弹的研制作出了贡献。

4 半实物仿真的发展趋势

4.1 环境特性仿真技术

环境仿真包括动力学、电磁、水声、光学环境仿真,视觉、听觉、动感、力反馈等环境感知仿真以及虚拟战场环境的综合仿真。美军在环境仿真方面逐步建立了各种完善的数据库和模型库,用虚拟现实技术建立了虚拟仿真环境。美国国防部高级研究计划局DARPA已设立“综合环境计划”,正在研究用于平台级仿真的大气与海洋的数据系统,以满足分布交互仿真的需要。

4.2 虚拟现实仿真技术

虚拟现实技术是一种高度逼真地模拟人在自然环境中视、听、动等行为的人机界面技术。它使仿真系统的人机交互方式虚拟化,人可以通过形体动作与其他仿真实体交互并产生沉浸感,从而使人真正成为仿真回路中的一部分[22]。虚拟现实技术具有“沉浸”和“交互”两种基本特性。“沉浸”特性要求计算机所创造的三维虚拟环境能使“参与者”获得全身心置于虚拟世界的真实体验。“交互”特性则要求参与者能通过使用专用设备,以自然的方式对虚拟环境中的实体进行交互考察、通讯和操作。随着国外虚拟现实技术的蓬勃发展,以及虚拟现实技术在分布交互仿真中的成功应用,虚拟仿真的概念及其应用己成为国内仿真界的热门话题。

4.3 分布交互仿真

在20世纪80年代后期,根据在使用SIMNET中所积累的经验,认为在作战想定中应使敌方数量多于己方,因此仿真器的数量大大增加了,于是在SIMNET基础上发展了异构性网络互联的分布交互仿真(DIS)技术[23]。SIMNET中的许多原则,如对象/事件结构、仿真节点的自治性、采用DR(Dead Reckoning)算法降低网络负载等都成为今天DIS的基础。DIS在美国的研究和发展很快,1992年3月在第六届DIS研讨会上,美国陆军仿真训练装备司令部(Simulation,Training and Instrumentation Command,STRICOM)提出了DIS的结构,并着手制定DIS协议。

5 结语

随着现代控制理论、数字计算机技术以及精密仪器制造技术等关键理论和技术的发展,半实物仿真平台向着灵敏度、高精度、宽频响和更加易用的方向发展,以满足越来越复杂的仿真试验要求。半实物仿真作为仿真技术的重要代表之一,其经济效益和军事效益日益凸显,在武器系统研究、军事装备训练等重要方面有着举足轻重的作用。未来,半实物仿真将越来越智能化和综合化,且必将在工程领域发挥更大的作用。

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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

郑国,男,硕士研究生,研究方向:导弹武器系统建模与仿真。杨锁昌,男,教授,博士生导师,研究方向:精确制导理论与技术。张宽桥,男,博士研究生,研究方式:精确制导理论与技术。

TP391.9; V216.7

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.003