芻議控制系統(tǒng)數(shù)字化仿真技術(shù)

黃志立

【摘要】改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)大力發(fā)展高新技術(shù)，技術(shù)的研發(fā)中往往使用仿真技術(shù)來(lái)完成新技術(shù)研發(fā)的建模檢測(cè)，確保新技術(shù)的可實(shí)行性。而隨著高科技的發(fā)展，新產(chǎn)品或者新技術(shù)的研發(fā)越來(lái)越復(fù)雜，也就要求使用更加精確的仿真技術(shù)。本文主要研究控制系統(tǒng)數(shù)字化仿真技術(shù)對(duì)火箭運(yùn)載器的各種飛行動(dòng)態(tài)的運(yùn)載體的動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行數(shù)字化建模處理。

【關(guān)鍵詞】控制系統(tǒng) 數(shù)字化仿真技術(shù) 火箭運(yùn)載器

一、前言

近年來(lái)，伴隨著電子科學(xué)技術(shù)、超級(jí)計(jì)算機(jī)、高性能復(fù)合材料以及合成封裝技術(shù)快速發(fā)展，航天技術(shù)的不斷突破，航天研發(fā)資金不斷減少。并且現(xiàn)在的航天器的工作性能、負(fù)載、運(yùn)行狀態(tài)等都有著很多不同點(diǎn)，在研發(fā)航天器時(shí)所要求的技術(shù)更高，而傳統(tǒng)的研發(fā)方法已經(jīng)不能夠更加精準(zhǔn)、快速、可靠的完成火箭運(yùn)載器的研發(fā)。所以航天技術(shù)需要尋求新的、有效的方法，而控制系統(tǒng)數(shù)字化仿真技術(shù)正符合航天技術(shù)的要求。下文主要分析控制系統(tǒng)數(shù)字化仿真技術(shù)為何廣受航天業(yè)的喜愛(ài)，并簡(jiǎn)要分析控制系統(tǒng)數(shù)字化仿真技術(shù)的仿真工藝。

二、控制系統(tǒng)數(shù)字化仿真技術(shù)的價(jià)值

控制系統(tǒng)數(shù)字化仿真技術(shù)的價(jià)值在每一個(gè)領(lǐng)域具有相似的價(jià)值，即在研究人員在研發(fā)新產(chǎn)品或者新技術(shù)時(shí)，能夠更加精確、高效、可控制地完成任務(wù)，減少研發(fā)過(guò)程中的工作量，提高工作效率?？刂葡到y(tǒng)數(shù)字化仿真技術(shù)是在仿真技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中創(chuàng)新使用的仿真方式，取代了傳統(tǒng)的模擬機(jī)，是仿真技術(shù)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。而對(duì)于航天器行業(yè)，控制系統(tǒng)數(shù)字化仿真技術(shù)能夠較快速處理高階姿態(tài)動(dòng)力學(xué)微分方程，而且還解決了小型仿真機(jī)內(nèi)存小、運(yùn)算速度慢的問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)了小型仿真機(jī)的高效、精確的實(shí)時(shí)仿真模型。在火箭運(yùn)載器研發(fā)過(guò)程中，控制系統(tǒng)數(shù)字化仿真技術(shù)更加獲得研發(fā)人員的喜愛(ài)。

三、控制系統(tǒng)數(shù)字化仿真技術(shù)的工藝

控制系統(tǒng)數(shù)字化仿真技術(shù)在航天技術(shù)中，主要是對(duì)航天器的飛行載體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析、建立數(shù)字模型并半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真中實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器的飛行載體的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行精確控制。下文作者淺要的分析控制系統(tǒng)數(shù)字化仿真技術(shù)的工藝過(guò)程。

（一）數(shù)字化仿真技術(shù)的建模

控制系統(tǒng)數(shù)字化仿真技術(shù)在航天器研發(fā)過(guò)程中主要用于模擬仿真、檢測(cè)運(yùn)載器的飛行網(wǎng)絡(luò)控制的穩(wěn)定性。

1.控制系統(tǒng)數(shù)字化仿真技術(shù)建模方法的討論

火箭運(yùn)載器的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)高階的動(dòng)力方程表達(dá)火箭運(yùn)載器的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)過(guò)程。建立火箭運(yùn)載器的動(dòng)力模型是一個(gè)龐大、不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的模型，下文主要以火箭運(yùn)載體的某型號(hào)的一個(gè)通道的動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)方程為例建立模型。這個(gè)動(dòng)力方程包括3階的剛體、16階的晃動(dòng)姿態(tài)以及8次彈性震動(dòng)形態(tài)（1次彈性動(dòng)力學(xué)方程由二階方程式表達(dá)，剛體、晃動(dòng)姿態(tài)和彈性震動(dòng)形態(tài)的各個(gè)變量的關(guān)系是互相偶合）。且目前大部分的大型仿真系統(tǒng)一般都采取簡(jiǎn)化火箭運(yùn)載器動(dòng)力學(xué)模型或者簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)微分方程的計(jì)算的方法建立火箭運(yùn)載器的仿真模型。實(shí)現(xiàn)以上這兩種方法的手段主要有以下：1.提高控制系統(tǒng)數(shù)字化仿真機(jī)的工作性能；2.簡(jiǎn)化火箭運(yùn)載器動(dòng)力學(xué)模型，主要采用分模塊化、寬頻帶、精細(xì)化計(jì)算數(shù)據(jù)的手段建立模型；3.簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)微分方程的計(jì)算，一般采取把各個(gè)有聯(lián)系的動(dòng)力學(xué)微分方程獨(dú)立分開(kāi)，把各初始值分別代入方程逐步求出和等式右邊相同的函數(shù)方程；4.同時(shí)簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型和數(shù)學(xué)方程，在去掉高階彈性模型時(shí)，把8次彈性震動(dòng)數(shù)學(xué)方程降至3次的，并省略偶合計(jì)算，更加高效的完成實(shí)時(shí)性仿真，避免處理高頻仿真模型[1]。

2.綜值法

綜值法最大的特點(diǎn)是高效率、精準(zhǔn)地完成數(shù)字化仿真的計(jì)算。綜值法的主要數(shù)學(xué)思維是把原來(lái)高階的二階微分方程降階變成新的一個(gè)微分方程組，并把微分方程組的各變量前的系數(shù)按照一定的方法組成線性矩陣，此法稱(chēng)為綜值矩陣。在把高階微分方程降階的同時(shí)，分析統(tǒng)計(jì)相關(guān)火箭運(yùn)載器各飛行過(guò)程的各變量前系數(shù)以及變化的參數(shù)記錄入綜值矩陣，并對(duì)等鄰時(shí)間點(diǎn)線性矩陣參數(shù)的插入和增量進(jìn)行一定的有效的預(yù)先處理，完成小型數(shù)字化仿真機(jī)的精確仿真計(jì)算尋求正解。

（1）綜值法的降階過(guò)程

綜值矩陣的簡(jiǎn)便、高效算法逐步取代傳統(tǒng)的高斯消元疊加替代法。依據(jù)各火箭運(yùn)載器運(yùn)動(dòng)模型的特點(diǎn)把原火箭運(yùn)載器模型的高階動(dòng)力學(xué)方程都變成只有一階微分方程。

（2）列出綜值矩陣

實(shí)現(xiàn)高階動(dòng)力學(xué)微分方程降階后，數(shù)字化仿真機(jī)再根據(jù)將降階后的一階方程參數(shù)前的系數(shù)按一定的方式列出綜值矩陣，并確定各系數(shù)的位置。以便于仿真機(jī)對(duì)火箭運(yùn)載體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的高效仿真。

（3）預(yù)處理及實(shí)時(shí)處理

預(yù)處理就是使用預(yù)處理的思想，即處理原始數(shù)據(jù)參數(shù)，采用初值插入，建立全部時(shí)間節(jié)點(diǎn)上的運(yùn)動(dòng)波軌的綜值矩陣。其中，第一次插值時(shí)，各時(shí)間節(jié)點(diǎn)波軌方程產(chǎn)生的所有綜值矩陣，按照一定要求進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行放大或縮小分析，且鄰時(shí)節(jié)點(diǎn)有規(guī)則的進(jìn)行間隔插值，詳細(xì)具體分析各參數(shù)，節(jié)省仿真時(shí)間。第二次插值是對(duì)第一次插值進(jìn)一步處理分析參數(shù)數(shù)據(jù)，采集實(shí)時(shí)信息，并控制火箭運(yùn)載器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。實(shí)時(shí)處理過(guò)程就是運(yùn)用預(yù)處理的綜值矩陣對(duì)仿真機(jī)從外部采集的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行線性求解控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信息，并把反饋控制信息給運(yùn)載器，讓運(yùn)載器進(jìn)行下一步的運(yùn)動(dòng)[2]。

3.控制系統(tǒng)數(shù)字化仿真技術(shù)的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

控制系統(tǒng)數(shù)字化仿真技術(shù)的主要硬件平臺(tái)主要以MOTOROLA 900R小型數(shù)字化仿真機(jī)器作為的數(shù)字化仿真設(shè)備，仿真機(jī)包含兩塊A/D板和4塊D/A板。而軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)主要使用U nix+ VM Eexec軟件。火箭運(yùn)載器的控制系統(tǒng)數(shù)字化仿真主要靠VM Eexec來(lái)完成實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的操作控制，借助DeltaPro 程序語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)模型的數(shù)字化。DeltaPro開(kāi)發(fā)語(yǔ)言在火箭運(yùn)載器數(shù)字化仿真中使用更加簡(jiǎn)便、高效、靈活。

4.控制系統(tǒng)數(shù)字化仿真建模的檢測(cè)

控制系統(tǒng)數(shù)字化仿真建模的檢測(cè)主要依靠DELTA 900R的一個(gè)中央處理器目標(biāo)板存放數(shù)字化自控穩(wěn)定設(shè)備。火箭運(yùn)載器數(shù)字化建模中的CPU與檢測(cè)機(jī)的CPU相互獨(dú)立工作，形成一個(gè)閉合的穩(wěn)定自控系統(tǒng)。并使用1254動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析機(jī)精確地檢測(cè)火箭運(yùn)載器模型的對(duì)數(shù)幅相頻特性。

四、控制系統(tǒng)數(shù)字化仿真技術(shù)的特點(diǎn)

航天事業(yè)的工作一般注重研發(fā)的火箭運(yùn)載器的精確控制使用。這就意味著火箭運(yùn)載器研發(fā)必須要做到盡善盡美的完成火箭運(yùn)載器的各部分，并組裝成品?？刂葡到y(tǒng)數(shù)字化仿真技術(shù)正因?yàn)槠涞奶攸c(diǎn)受到航天業(yè)的青睞?？刂葡到y(tǒng)數(shù)字化仿真技術(shù)建模的精確性，讓火箭的研發(fā)更能夠精確完成?？刂葡到y(tǒng)數(shù)字化仿真在解算建模動(dòng)力學(xué)高階（高達(dá)七八十階）微分方程采取綜值法，僅2ms左右的幀時(shí)就能夠輕松完成；其的解算精確度按照頻率的幅值算，僅僅只有1dB且相位誤差小于2b；其身形雖小但卻能夠在沒(méi)有簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型時(shí)完成所有大型的火箭運(yùn)載器的建模。而且控制系統(tǒng)數(shù)字化仿真技術(shù)的使用是多方面的，如：能夠單獨(dú)完成不同運(yùn)載器、階級(jí)次數(shù)不一、運(yùn)動(dòng)軌跡不同的模型；可以檢驗(yàn)所建的火箭運(yùn)載器的動(dòng)力學(xué)模型；處理無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的仿真等。它的多功能作用也讓它在仿真機(jī)界大受稱(chēng)贊[3]。

五、總結(jié)

綜上，控制系統(tǒng)數(shù)字化仿真技術(shù)是較高級(jí)的仿真技術(shù)。在火箭運(yùn)載器研發(fā)中，控制系統(tǒng)數(shù)字化仿真技術(shù)能夠精確、高效的完成動(dòng)力學(xué)建模，模擬的完成對(duì)火箭運(yùn)載器的穩(wěn)定性控制，讓航天業(yè)更好的發(fā)展?？刂葡到y(tǒng)數(shù)字化仿真技術(shù)在處理問(wèn)題時(shí)，主要采用綜值法，不管火箭運(yùn)載器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如何都可以高效地完成仿真。

參考文獻(xiàn)

[1]王健.控制系統(tǒng)數(shù)字化仿真技術(shù)[J].上海航天，2010（08）：62-64.

[2]孫兆偉，曹喜濱.航天器數(shù)字化設(shè)計(jì)與系統(tǒng)仿真技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2009（11）：40-44.endprint