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    某型試飛器半實(shí)物仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

    2013-07-03 06:07:22武文峰
    兵器裝備工程學(xué)報(bào) 2013年7期
    關(guān)鍵詞:控計(jì)算機(jī)慣組正確性

    龔 錚,武文峰

    (中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院,河南 洛陽(yáng) 471009)

    某型試飛器是為滿足新型發(fā)動(dòng)機(jī)飛行試驗(yàn)需求而研制的飛行平臺(tái),其飛控系統(tǒng)是試飛器中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性要求高的關(guān)鍵部件之一??刂葡到y(tǒng)的參數(shù)確定需經(jīng)過(guò)計(jì)算、設(shè)計(jì)和測(cè)試等多個(gè)階段,僅僅使用數(shù)學(xué)仿真和動(dòng)態(tài)測(cè)試,不足以保證系統(tǒng)控制性能的正確性。為了降低飛行試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn),提高試驗(yàn)的成功概率,縮短研制周期,針對(duì)飛控系統(tǒng)的半實(shí)物仿真試驗(yàn),對(duì)于試飛器而言,顯得十分必要。

    半實(shí)物仿真將部分實(shí)物部件接入到仿真回路中,取代相應(yīng)部分的數(shù)學(xué)模型[1],能夠克服數(shù)學(xué)模型的不精確以及干擾等因素的影響,更加真實(shí)地反映系統(tǒng)的實(shí)際情況,其仿真結(jié)果具有較高的置信度。本文針對(duì)某型試飛器的飛控系統(tǒng)的半實(shí)物仿真試驗(yàn)需求,設(shè)計(jì)了半實(shí)物仿真系統(tǒng),介紹了系統(tǒng)的調(diào)試步驟,給出仿真結(jié)果,并進(jìn)行了偏差分析。

    1 仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

    某型試飛器采用程控制導(dǎo)方案[2],飛控系統(tǒng)包括三通道控制的飛控計(jì)算機(jī),陀螺和加速度計(jì)構(gòu)成的慣性測(cè)量組件,和四路電動(dòng)舵機(jī)構(gòu)成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

    1.1 系統(tǒng)任務(wù)分析

    半實(shí)物仿真貫穿于試飛器飛控系統(tǒng)研制的全過(guò)程。其任務(wù)包括以下幾點(diǎn):

    1)進(jìn)行飛控系統(tǒng)的性能仿真,以檢查其實(shí)際性能是否滿足系統(tǒng)指標(biāo),為控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)、總體誤差分配提供仿真參考條件;

    2)考核慣性測(cè)量組件、導(dǎo)航軟件和控制算法,以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等各個(gè)分系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)性和匹配性;

    3)進(jìn)行各種狀態(tài)下的拉偏試驗(yàn),考核系統(tǒng)的抗干擾性能和穩(wěn)定性能,檢查各種交叉耦合干擾對(duì)其影響,以達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì),提高系統(tǒng)可靠性的目的,為試飛器的飛行試驗(yàn)成功奠定基礎(chǔ)。

    系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)是構(gòu)造一個(gè)分布式、實(shí)時(shí)、半實(shí)物仿真系統(tǒng),并具有良好的開(kāi)放性和擴(kuò)展性,便于后續(xù)仿真設(shè)備和參試部件的加入。

    1.2 仿真框架設(shè)計(jì)

    在仿真系統(tǒng)中,各個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)均需要運(yùn)行相應(yīng)的仿真軟件以實(shí)現(xiàn)不同的功能任務(wù),同時(shí)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換要保證嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性和同步性。因此,各節(jié)點(diǎn)的異構(gòu)性和數(shù)據(jù)的同步性要求,使得仿真框架變得十分復(fù)雜。

    為了確保整個(gè)系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)、有序地完成仿真任務(wù),并考慮到系統(tǒng)的適應(yīng)性、維護(hù)性、擴(kuò)展性要求,采用分布式設(shè)計(jì)方案。以VMIC 實(shí)時(shí)光纖網(wǎng)絡(luò)為通訊基礎(chǔ),吸收Windows 操作系統(tǒng)消息、事件驅(qū)動(dòng)的先進(jìn)思想,借鑒服務(wù)器/客戶機(jī)(Server/Client)的運(yùn)行機(jī)制,將仿真節(jié)點(diǎn)分為服務(wù)器、客戶機(jī)和監(jiān)聽(tīng)機(jī)三種類型[3]。

    1)服務(wù)器。服務(wù)器的主要任務(wù)是管理整個(gè)系統(tǒng)的仿真數(shù)據(jù),負(fù)責(zé)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度和控制;在仿真中產(chǎn)生實(shí)時(shí)同步信號(hào),并監(jiān)控其余節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài),維護(hù)系統(tǒng)的刷新和數(shù)據(jù)的同步。

    2)客戶機(jī)??蛻魴C(jī)響應(yīng)服務(wù)器的同步信號(hào),根據(jù)本節(jié)點(diǎn)的任務(wù)要求,進(jìn)行對(duì)仿真數(shù)據(jù)的生產(chǎn)或消費(fèi)的工作。

    3)監(jiān)聽(tīng)機(jī)。監(jiān)聽(tīng)機(jī)不產(chǎn)生仿真數(shù)據(jù),僅僅根據(jù)仿真運(yùn)行狀態(tài)和節(jié)點(diǎn)任務(wù)要求完成數(shù)據(jù)的消費(fèi),并且不響應(yīng)系統(tǒng)的同步信號(hào)。

    1.3 系統(tǒng)構(gòu)成方案

    根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)需求和參加仿真的設(shè)備數(shù)目,設(shè)計(jì)出半實(shí)物仿真系統(tǒng)的總體方案,圖1 給出了仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。試飛器的飛控計(jì)算機(jī)、慣性測(cè)量組件和電動(dòng)舵機(jī)接入到仿真回路中,使用三軸轉(zhuǎn)臺(tái)模擬試飛器的空間姿態(tài),采用負(fù)載模擬臺(tái)模擬舵機(jī)軸處受到的鉸鏈力矩,采用慣組模擬器來(lái)模擬試飛器的線加速度;同時(shí),采用數(shù)學(xué)仿真模型計(jì)算導(dǎo)彈的空間動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué),用產(chǎn)品接口測(cè)試來(lái)完成系統(tǒng)和飛控計(jì)算機(jī)的通訊。

    該仿真系統(tǒng)中,仿真綜控臺(tái)為服務(wù)器節(jié)點(diǎn),視景仿真為監(jiān)聽(tīng)機(jī)節(jié)點(diǎn),其余節(jié)點(diǎn)均為客戶機(jī)節(jié)點(diǎn)。

    1.4 仿真系統(tǒng)擴(kuò)展

    隨著半實(shí)物仿真試驗(yàn)室的建設(shè),需要在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)充和升級(jí),在改造的同時(shí)保留原有系統(tǒng)的全部功能,并保證其與新加入的系統(tǒng)能夠互聯(lián)并協(xié)同工作,這就要求系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性。

    采用服務(wù)器/客戶機(jī)體系的仿真框架,具有良好的擴(kuò)展性。對(duì)于新加入的節(jié)點(diǎn),只需按照以下步驟,即可完成仿真系統(tǒng)的擴(kuò)展。

    1)安裝VMIC 反射內(nèi)存卡,通過(guò)光纖將其接入實(shí)時(shí)光纖網(wǎng)絡(luò)上,完成新節(jié)點(diǎn)和老節(jié)點(diǎn)的通訊互聯(lián)。

    2)在設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)任務(wù)軟件時(shí),按照客戶機(jī)或監(jiān)聽(tīng)機(jī)的軟件框架進(jìn)行編寫(xiě),使得新節(jié)點(diǎn)能夠響應(yīng)綜控臺(tái)的仿真中斷消息。

    3)根據(jù)新的仿真任務(wù),編寫(xiě)相應(yīng)的試驗(yàn)大綱和方案。修改關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)軟件中的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)配置,使得系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流是閉合的,確保仿真試驗(yàn)的正常進(jìn)行。

    圖1 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

    2 仿真系統(tǒng)調(diào)試試驗(yàn)過(guò)程

    當(dāng)把數(shù)學(xué)仿真模型轉(zhuǎn)換為半實(shí)物仿真模型,并且完成各個(gè)節(jié)點(diǎn)的軟件編寫(xiě)后,即可準(zhǔn)備進(jìn)行仿真試驗(yàn)。在進(jìn)行半實(shí)物仿真試驗(yàn)前,為了防止不當(dāng)操作對(duì)產(chǎn)品造成損壞,保證試驗(yàn)的順利完成,必須按照一定的步驟來(lái)進(jìn)行仿真系統(tǒng)的調(diào)試,調(diào)試過(guò)程應(yīng)當(dāng)遵循從部件到系統(tǒng),從開(kāi)環(huán)到閉環(huán)的基本原則。下面給出仿真系統(tǒng)的調(diào)試試驗(yàn)過(guò)程[4]。

    2.1 接口匹配性試驗(yàn)

    接口匹配性試驗(yàn)主要考核電氣接口適配性,通訊接口正確性,慣組模擬器的準(zhǔn)確性,以及仿真設(shè)備極性等幾個(gè)方面。

    1)電氣接口適配性試驗(yàn)。電氣接口試驗(yàn)主要考核飛控計(jì)算機(jī)與仿真系統(tǒng)之間接口電氣特性的適配性,包括飛控計(jì)算機(jī)的離散輸入輸出信號(hào),舵控模擬信號(hào)等,并檢查產(chǎn)品和仿真設(shè)備的電源供電線路。

    2)通訊接口正確性試驗(yàn)。通訊接口試驗(yàn)主要包括兩方面,一方面是各仿真節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸,即實(shí)時(shí)光纖網(wǎng)絡(luò)的通訊正確性;另一方面是飛控計(jì)算機(jī)和仿真系統(tǒng)之間的串行通訊正確性,包括信號(hào)傳輸、數(shù)據(jù)解碼等。

    3)慣組模擬器性能試驗(yàn)。主要檢查慣組模擬器對(duì)于真實(shí)慣組的模擬性能,包括慣組電氣特性的模擬,加速度計(jì)模型和陀螺模型的準(zhǔn)確性等。

    4)設(shè)真設(shè)備極性匹配性試驗(yàn)。仿真設(shè)備極性主要是指三軸轉(zhuǎn)臺(tái)和負(fù)載模擬臺(tái)的極性。對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)而言,要求轉(zhuǎn)臺(tái)的3 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸與仿真模型中的發(fā)射坐標(biāo)系的定義一致;要求負(fù)載模擬臺(tái)加載的鉸鏈力矩與實(shí)際飛行情況一致。

    2.2 開(kāi)環(huán)跟隨試驗(yàn)

    當(dāng)完成系統(tǒng)接口匹配性試驗(yàn)后,即可進(jìn)行開(kāi)環(huán)跟隨試驗(yàn),主要考核三軸轉(zhuǎn)臺(tái)隨動(dòng)性能,導(dǎo)航解算算法和舵混合策略的正確性等。

    2.2.1 三軸轉(zhuǎn)臺(tái)隨動(dòng)試驗(yàn)

    在慣組參與仿真時(shí),需將其安裝在三軸轉(zhuǎn)臺(tái)。轉(zhuǎn)臺(tái)跟隨指令的性能將會(huì)影響系統(tǒng)的仿真精度。將轉(zhuǎn)臺(tái)加入到仿真系統(tǒng)中,運(yùn)行數(shù)學(xué)閉環(huán)仿真,轉(zhuǎn)臺(tái)控制軟件讀取彈道的姿態(tài)數(shù)據(jù),控制轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng),并將當(dāng)前的轉(zhuǎn)臺(tái)姿態(tài)發(fā)送至實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)對(duì)比轉(zhuǎn)臺(tái)的指令和實(shí)際位置,考核轉(zhuǎn)臺(tái)的跟隨性能。

    2.2.2 考核導(dǎo)航解算算法

    在仿真過(guò)程中,飛控計(jì)算機(jī)中的導(dǎo)航算法根據(jù)收到的慣組信息,解算出試飛器當(dāng)前姿態(tài)和位置,用于控制系統(tǒng)的計(jì)算。因此,必須考核導(dǎo)航算法的解算精度。

    將飛控計(jì)算機(jī)接入到回路,接收慣組模擬器發(fā)出的加計(jì)和陀螺信息,產(chǎn)品接口測(cè)試系統(tǒng)接收并記錄遙測(cè)數(shù)據(jù)。仿真結(jié)束后,通過(guò)對(duì)比遙測(cè)中的導(dǎo)航解算信息和仿真彈道數(shù)據(jù),考核飛控系統(tǒng)的導(dǎo)航算法。

    2.2.3 舵混合策略檢查

    試飛器在飛行過(guò)程中,三通道控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前姿態(tài)和任務(wù)要求計(jì)算出三通道舵控指令,經(jīng)過(guò)舵分配后,控制四路舵面轉(zhuǎn)動(dòng)。負(fù)載臺(tái)通過(guò)角度敏感器采集得到四路舵機(jī)的舵偏角,經(jīng)過(guò)舵混合后得到三路等效舵偏角,供仿真模型進(jìn)行氣動(dòng)插值計(jì)算。因此,必須考核舵混合策略的正確性。

    將飛控和舵機(jī)接入到仿真回路,但依然進(jìn)行開(kāi)環(huán)跟隨試驗(yàn)。仿真結(jié)束后,對(duì)比遙測(cè)數(shù)據(jù)中的三路舵控指令和經(jīng)過(guò)舵混合策略后得到的三路舵偏角,檢查舵混合策略的正確性。

    2.2.4 飛控控制律初步驗(yàn)證

    進(jìn)行全系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)跟隨仿真試驗(yàn)。將采集得到舵偏曲線和數(shù)學(xué)仿真中的舵偏曲線進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)對(duì)比同一種飛行狀態(tài)下,飛控計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)模型的舵控輸出,初步驗(yàn)證飛控計(jì)算機(jī)中控制律的正確性。

    2.3 閉環(huán)試驗(yàn)

    當(dāng)完成接口匹配和開(kāi)環(huán)跟隨試驗(yàn),確定硬件回路和飛控系統(tǒng)的正確性后,即可開(kāi)始進(jìn)行閉環(huán)仿真,包括標(biāo)準(zhǔn)彈道試驗(yàn)和拉偏仿真試驗(yàn)。

    2.3.1 標(biāo)準(zhǔn)彈道試驗(yàn)

    首先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)彈道試驗(yàn),驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的有效性和正確性。在試驗(yàn)時(shí),應(yīng)逐步添加參試部件,首先只進(jìn)行飛控在回路的閉環(huán)仿真,然后,將三軸轉(zhuǎn)臺(tái)和慣性測(cè)量組件接入到仿真回路,最后,再將負(fù)載模擬臺(tái)和舵機(jī)接入回路,完成全系統(tǒng)的閉環(huán)仿真。

    2.3.2 拉偏仿真試驗(yàn)

    試飛器在生產(chǎn)組裝中,彈體和發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的安裝會(huì)存在部分偏差,同時(shí),在實(shí)際飛行過(guò)程中,試飛器會(huì)受到大氣環(huán)境、風(fēng)場(chǎng)等干擾。這些偏差會(huì)使試飛器的偏離預(yù)定的彈道,甚至?xí)绊懓l(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火,造成飛行試驗(yàn)失敗。

    分析實(shí)際飛行中的干擾類型和極限情況,將進(jìn)行多個(gè)類型的拉偏仿真試驗(yàn),考核飛控系統(tǒng)在不同干擾下的控制能力和穩(wěn)定性能[5]。主要內(nèi)容如下:

    1)不同發(fā)射條件??己瞬煌l(fā)射條件下,試飛器的飛行彈道,包括發(fā)射點(diǎn)的經(jīng)緯高,發(fā)射點(diǎn)時(shí)的初始姿態(tài)等。

    2)發(fā)射初始擾動(dòng)。包括發(fā)射過(guò)程中的姿態(tài)偏差、速度偏差,以及分離干擾等。

    3)氣動(dòng)系數(shù)偏差。彈體動(dòng)力學(xué)模型使用的空氣動(dòng)力系數(shù)來(lái)源于風(fēng)洞吹風(fēng)數(shù)據(jù),而在氣動(dòng)力吹風(fēng)過(guò)程和數(shù)據(jù)處理過(guò)程中,不可避免地會(huì)給數(shù)據(jù)帶來(lái)誤差,降低氣動(dòng)數(shù)據(jù)的置信度。因此,有必要對(duì)使用的氣動(dòng)系數(shù)進(jìn)行拉偏,考查在氣動(dòng)計(jì)算存在偏差下的控制性能。

    4)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)偏差。發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)偏差包括發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝角度,推力作用點(diǎn)位置,點(diǎn)火時(shí)間延遲以及推力大小偏差等。

    5)彈體參數(shù)偏差。彈體參數(shù)偏差主要包括彈體的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、以及質(zhì)心安裝位置等。

    6)風(fēng)場(chǎng)環(huán)境偏差。檢驗(yàn)試飛器在風(fēng)場(chǎng)條件下的飛行狀態(tài),包括穩(wěn)定風(fēng)場(chǎng),大氣紊流以及剪切風(fēng)等。

    7)沖擊干擾偏差??己嗽囷w器控制系統(tǒng)在受到各種沖擊干擾下的控制性能,沖擊干擾類型包括分離沖擊擾動(dòng),發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火沖擊擾動(dòng)等。

    3 仿真結(jié)果及偏差分析

    下面給出同一種仿真狀態(tài)下,半實(shí)物仿真與數(shù)字仿真的仿真結(jié)果對(duì)比曲線圖,驗(yàn)證該半實(shí)物仿真系統(tǒng)的有效性和正確性,并對(duì)仿真對(duì)比結(jié)果進(jìn)行初步分析。

    3.1 仿真結(jié)果

    下面給出試飛器半實(shí)物仿真與數(shù)字仿真的仿真結(jié)果對(duì)比。圖2、圖3、圖4 分別為攻角、側(cè)滑角與滾轉(zhuǎn)角變化的仿真結(jié)果對(duì)比曲線。圖5、圖6、圖7 為三通道舵偏角變化的仿真結(jié)果對(duì)比曲線。

    圖2 攻角仿真對(duì)比

    圖3 側(cè)滑角仿真對(duì)比

    圖4 滾轉(zhuǎn)角仿真對(duì)比

    圖5 滾轉(zhuǎn)舵偏角仿真對(duì)比

    圖6 偏航舵偏角仿真對(duì)比

    圖7 俯仰舵偏角仿真對(duì)比

    如圖2-圖7 所示,數(shù)字仿真和半實(shí)物仿真的仿真曲線基本一致。仿真結(jié)果表明該半實(shí)物仿真系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

    3.2 偏差分析

    通過(guò)初步的定性分析,半實(shí)物仿真和數(shù)學(xué)仿真的差異主要是由以下幾部分引起[6]:

    1)電氣噪聲。在仿真系統(tǒng)中,由于系統(tǒng)零電位和電氣信號(hào)噪聲的存在,會(huì)造成半實(shí)物仿真和數(shù)學(xué)仿真之間存在差異,可通過(guò)改進(jìn)調(diào)理電路等方法進(jìn)行改進(jìn)。

    2)轉(zhuǎn)臺(tái)跟隨和慣導(dǎo)漂移。在仿真中,三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的跟隨差異和慣導(dǎo)測(cè)量組件的漂移,會(huì)使得飛控導(dǎo)航算法計(jì)算出的姿態(tài)和位置信息與彈道仿真的結(jié)果不同,繼而使得控制指令存在差異。這兩部分造成偏差,可以通過(guò)提高轉(zhuǎn)臺(tái)性能和重新校對(duì)慣導(dǎo)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)降低。

    3)舵機(jī)帶載情況下的性能下降。由于真實(shí)舵機(jī)在仿真過(guò)程中,受到負(fù)載臺(tái)加載的鉸鏈力矩,使得舵機(jī)性能下降,造成實(shí)際舵偏角與舵控指令存在差異。

    對(duì)仿真差異的初步分析,只是定性地給出了可能引起偏差的幾個(gè)因素,但如果要定量的確定該因素造成的偏差量級(jí),還需要進(jìn)行逐個(gè)部件的接入試驗(yàn),以及更加深入的數(shù)據(jù)分析和計(jì)算。

    4 結(jié)束語(yǔ)

    本文通過(guò)對(duì)仿真任務(wù)的分析,設(shè)計(jì)了仿真框架體系,給出了系統(tǒng)方案和后續(xù)擴(kuò)展方法;然后詳細(xì)說(shuō)明了仿真試驗(yàn)的試驗(yàn)步驟;最后通過(guò)系統(tǒng)閉環(huán)仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性和正確性,目前該系統(tǒng)已交付使用。

    通過(guò)仿真試驗(yàn),對(duì)本仿真系統(tǒng)可得出以下結(jié)論:某型試飛器的半實(shí)物試驗(yàn),是檢驗(yàn)試飛器飛控部件和評(píng)估控制性能的有效手段。經(jīng)過(guò)驗(yàn)收測(cè)試,系統(tǒng)功能和指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。采用服務(wù)器、客戶機(jī)和監(jiān)聽(tīng)機(jī)形式的仿真框架體系設(shè)計(jì),使得整個(gè)系統(tǒng)易于升級(jí)和維護(hù),便于后續(xù)仿真節(jié)點(diǎn)的陸續(xù)加入。本文給出的系統(tǒng)調(diào)試步驟,對(duì)于類似仿真系統(tǒng)的建立,具有一定的工程參考價(jià)值。

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