[科普中國]-控制仿真

簡介控制仿真利用地面仿真設(shè)備來研究飛行器控制系統(tǒng)動態(tài)性能的技術(shù)。仿真設(shè)備由計(jì)算機(jī)和各種物理仿真設(shè)備組成，它能模擬飛行器、控制系統(tǒng)和各種飛行環(huán)境。按照建立模型的性質(zhì)，可把控制系統(tǒng)的仿真分為數(shù)學(xué)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(tǒng)的研制過程中，三種仿真的作用是互相補(bǔ)充的。

這些設(shè)備不僅用來研究控制系統(tǒng)而且能用來訓(xùn)練飛行員和航天員。為了進(jìn)行控制系統(tǒng)的仿真研究，需要建立仿真系統(tǒng)，這就首先要確定系統(tǒng)模型并用仿真計(jì)算機(jī)和各種仿真設(shè)備（如運(yùn)動模擬器，目標(biāo)模擬器和環(huán)境模擬器等）來具體實(shí)現(xiàn)這個(gè)模型。這樣建成的仿真系統(tǒng)可以重復(fù)使用。仿真設(shè)備具有通用性，既便于使用又便于維修，比飛行試驗(yàn)的成本低得多，因而仿真是研究和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的一種有效方法。

數(shù)學(xué)仿真也稱計(jì)算機(jī)仿真，就是在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)描寫系統(tǒng)物理過程的數(shù)學(xué)模型，并在這個(gè)模型上對系統(tǒng)進(jìn)行定量的研究和實(shí)驗(yàn)。這種仿真方法常用于系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)階段和某些不適合做實(shí)物仿真的場合（包括某些故障模式）。它的特點(diǎn)是重復(fù)性好、精度高、靈活性大、使用方便、成本較低、可以是實(shí)時(shí)的、也可以是非實(shí)時(shí)的。數(shù)學(xué)仿真的逼真度和精度取決于仿真計(jì)算機(jī)的精度和數(shù)學(xué)模型的正確性與精確性。

半物理仿真采用部分物理模型和部分?jǐn)?shù)學(xué)模型的仿真。其中物理模型采用控制系統(tǒng)中的實(shí)物，系統(tǒng)本身的動態(tài)過程則采用數(shù)學(xué)模型。半物理仿真系統(tǒng)通常由滿足實(shí)時(shí)性要求的仿真計(jì)算機(jī)、運(yùn)動模擬器（一般采用三軸機(jī)械轉(zhuǎn)臺）、目標(biāo)模擬器、控制臺和部分實(shí)物組成?？刂葡到y(tǒng)電子裝置和敏感器安放在轉(zhuǎn)臺上。

半物理仿真的逼真度較高，所以常用來驗(yàn)證控制系統(tǒng)方案的正確性和可行性，進(jìn)行故障模式的仿真以及對各研制階段的控制系統(tǒng)進(jìn)行閉路動態(tài)驗(yàn)收試驗(yàn)。此外，用航天仿真器來訓(xùn)練航天員和用飛行仿真器來訓(xùn)練飛行員也屬于半物理仿真性質(zhì)，后者更著重于視景模擬和人機(jī)關(guān)系。以仿真計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模型和以航天器計(jì)算機(jī)或控制系統(tǒng)電子線路為實(shí)物的閉路試驗(yàn)，也可認(rèn)為是半物理仿真，這種仿真重點(diǎn)在于檢驗(yàn)控制計(jì)算機(jī)軟件的正確性或研究控制方式中某些功能和參數(shù)。

半物理仿真的逼真度取決于接入的實(shí)物部件的多寡、仿真計(jì)算機(jī)的速度、精度和功能，轉(zhuǎn)臺和各目標(biāo)模擬器的性能。通常對三軸機(jī)械轉(zhuǎn)臺的要求是精度高、轉(zhuǎn)動范圍大、動態(tài)響應(yīng)快和框架布置不妨礙光學(xué)敏感器的視場。半物理仿真技術(shù)是現(xiàn)代控制系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)。

全物理仿真全部采用物理模型的仿真，又稱實(shí)物模擬。例如航天器的動態(tài)過程用氣浮臺(單軸或三軸)的運(yùn)動來代替，控制系統(tǒng)采用實(shí)物。因?yàn)閷?shí)物是安放在氣浮臺上的，這種方法很適合于研究具有角動量存貯裝置的航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)的三軸耦合，以及研究控制系統(tǒng)與其他分系統(tǒng)在力學(xué)上的動態(tài)關(guān)系。在對航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)進(jìn)行全物理仿真時(shí)，安裝在氣浮臺上的實(shí)物應(yīng)包括姿態(tài)敏感器（見航天器姿態(tài)敏感器）、控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)（見航天器姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)）和遙測遙控裝置和有關(guān)的分系統(tǒng)。目標(biāo)模擬器、環(huán)境模擬器和操作控制臺均設(shè)置在地面上。航天器在空間的運(yùn)動是由氣浮臺來模擬的，所以全物理仿真的逼真度和精度主要取決于氣浮臺的性能。對氣浮臺的要求是空氣軸承的摩擦力矩和渦流力矩小，垂直負(fù)載能力和橫向剛度大，氣浮臺動、靜平衡好。全物理仿真技術(shù)復(fù)雜，一般只在必要時(shí)才采用。

非線性因素影響進(jìn)行非線性效應(yīng)影響的研究，以確定施工控制仿真分析系統(tǒng)?？赡芤鹚魉蔷€性的 主要來源有三個(gè)方面：

梁柱效應(yīng)主塔工作時(shí)處于壓彎狀態(tài)，引起了梁柱效應(yīng)。用梁單元分析時(shí)，可用穩(wěn)定函數(shù)表示的幾 何非線性剛度矩陣或一般的幾何剛度陣計(jì)入這一效應(yīng)。

大位移效應(yīng)由于索塔高達(dá)300.4 m，具有柔性結(jié)構(gòu)特征，外荷載作用下結(jié)構(gòu)變形可能較大，平衡方 程必須建立在變形后的位置上?？梢杂么笪灰苿偠染仃嚮蚧贑R列式的有限位移理論計(jì) 入這一效應(yīng)。

混凝土的徐變特性混凝土的徐變特性研究涉及到徐變系數(shù)和計(jì)算方法。由于規(guī)范給出的徐變系數(shù)計(jì)算方 式以圖形曲線及表格形式出現(xiàn)，不便于計(jì)算機(jī)分析，將其表達(dá)成適于電子計(jì)算機(jī)的公式，計(jì)算方法采用按齡期調(diào)整的有效彈性模量法，其t時(shí)刻的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為

為按齡期調(diào)整的有效彈性模量，其中

為了比較索塔施工控制結(jié)構(gòu)分析中非線性因素的影響程度，選擇兩個(gè)關(guān)鍵施工階段進(jìn) 行比較，模型1為中塔柱合攏前，模型2為索塔完工時(shí)。

下橫梁支架+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(jié)段48、塔肢合攏前的情形(連接位)。分析時(shí)考慮支撐節(jié)段4～節(jié)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(shí)的情形(安裝混凝土節(jié)段68)。該模型見圖。

通過對索塔進(jìn)行非線性分析，得到如下結(jié)論：

a. 由于索塔為混凝土結(jié)構(gòu)，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(yīng)和梁柱 效應(yīng)等對索塔施工過程中的結(jié)構(gòu)內(nèi)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(yīng)。

b.混凝土收縮徐變效應(yīng)對索塔施工過程中的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形影響很大，施工控制仿真 分析必須考慮這一效應(yīng)。由于混凝土收縮徐變模式復(fù)雜，收縮徐變模式多，研究表明：經(jīng)過 初步驗(yàn)證(在濕度較大時(shí))采用JTG D62—2004規(guī)范規(guī)定模式更加符合實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)的 變形。建議施工控制仿真分析中采用JTG D62—2004規(guī)范規(guī)定模式。

控制仿真平臺軟件設(shè)計(jì)機(jī)電設(shè)備控制仿真平臺軟件設(shè)計(jì)同樣包含上位機(jī)和下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。1

上位機(jī)機(jī)電設(shè)備仿真界面設(shè)計(jì)上位機(jī)機(jī)電設(shè)備仿真界面采用工業(yè)組態(tài)軟件MCUS來完成。利用MCUS的設(shè)備窗口完成上位機(jī)與下位機(jī)通信設(shè)置、數(shù)據(jù)和命令交換。在MCUS的用戶窗口，采用圖形對象、圖元對象、圖符對象實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的仿真界面設(shè)計(jì)，經(jīng)變量連接，可以完成機(jī)電設(shè)備的仿真運(yùn)行。在MCUS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫可以設(shè)置機(jī)電設(shè)備的變量；在運(yùn)行策略里進(jìn)行腳本程序的編寫。

下位機(jī)嵌入式控制器軟件設(shè)計(jì)下位機(jī)采用Keil MDK C語言進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的變量數(shù)據(jù)交換，從而在下位機(jī)嵌入式控制器的IO口端子通過高低電平(開關(guān)量和模擬量)表現(xiàn)其工作狀態(tài)。具體包括2部分的內(nèi)容。

(1)通信模塊。通信模塊包括3部分：

①與上位機(jī)觸摸屏或PC機(jī)基于MODBUS通信協(xié)議的通信程序，所編寫的通信程序能夠完成MODBUS常用的功能命令，也可根據(jù)需要進(jìn)行添加;

②與級聯(lián)的控制模塊相連的通信程序（為了統(tǒng)一起見，也采用MODBUS協(xié)議完成控制板級聯(lián)程序），主控制器為主，其他級聯(lián)模塊為從;

③第2路RS485作為自由口，以備與其他通信協(xié)議的模塊相連，例如可用作讀取伺服驅(qū)動器內(nèi)部寄存器。

(2)數(shù)據(jù)交換模塊。數(shù)據(jù)交換模塊負(fù)責(zé)解釋觸摸屏或PC機(jī)上虛擬機(jī)電設(shè)備的命令和數(shù)據(jù)，與下位機(jī)控制的變量實(shí)現(xiàn)連接，然后將對應(yīng)的輸入輸出數(shù)據(jù)表現(xiàn)在下位機(jī)控制器的IO端口上。

我國在世界首創(chuàng)三飛行器控制仿真系統(tǒng)據(jù)有關(guān)專家介紹，航空兵空戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練從天空走進(jìn)仿真系統(tǒng)，是當(dāng)今世界科學(xué)練兵，經(jīng)濟(jì)練兵的方向。在實(shí)現(xiàn)了飛行技術(shù)模擬訓(xùn)練以后，各發(fā)達(dá)國家便開始攻克戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練仿真系統(tǒng)。但由于目標(biāo)機(jī)、攻擊機(jī)、空——空導(dǎo)彈共存于同一系統(tǒng)的技術(shù)復(fù)雜，難度極大而久攻未克，目前戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練處于地面演練和空中打槍靶階段，經(jīng)濟(jì)代價(jià)高，危險(xiǎn)性大。1986年全軍下達(dá)了這一重點(diǎn)課題后，一航院迅速組織了多學(xué)科、多專業(yè)結(jié)合的攻關(guān)隊(duì)伍，經(jīng)6年艱苦攻關(guān)，突破了一系列重大難關(guān)，研制成功了三飛行器控制仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)于1992年11月13日通過空軍鑒定。軍內(nèi)外專家認(rèn)為，這一系統(tǒng)在世界上首次將目標(biāo)機(jī)、攻擊機(jī)和導(dǎo)彈等空戰(zhàn)三要素共溶于同一仿真系統(tǒng)中，整體技術(shù)達(dá)到國際90年代先進(jìn)水平。經(jīng)中國科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所對美、英、法、日、前蘇聯(lián)等國仿真研究資料進(jìn)行聯(lián)機(jī)檢索，表明我國此項(xiàng)研究成果屬世界首創(chuàng)。