半物理仿真技術工業(yè)應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

蔡安江 蔣周月 郭師虹 薛曉飛

1. 西安建筑科技大學 機電工程學院, 西安 710055 2. 西安建筑科技大學 土木工程學院, 西安 710055

隨著計算機技術的高速發(fā)展，仿真技術已經(jīng)應用到各行各業(yè)，而半實物仿真作為其中一個分支，已廣泛涉及到機電技術、液壓技術、控制技術及接口技術等領域。半實物仿真技術將具體的研究對象接入計算機仿真回路進行試驗，因而更接近實際生產。

系統(tǒng)仿真技術通過系統(tǒng)模型試驗來研究系統(tǒng)的運行特性，主要分為數(shù)學仿真、半物理仿真和全物理仿真3種類型[1]。半物理仿真，又稱半實物仿真或物理-數(shù)學仿真，其英文名稱國內多用 semi-physical simulation[2-3]表示，而國外多用 hardware-in-the- loop simulation (HIL)[4-5]表示。半物理仿真將被仿真對象系統(tǒng)的一部分以實物或物理模型的方式引入仿真回路，被仿真對象系統(tǒng)的其余部分以數(shù)學模型描述，并把它轉化為仿真計算模型，借助于物理效應模型，實現(xiàn)實時數(shù)學仿真與物理仿真的聯(lián)合仿真[6]。

半物理仿真的優(yōu)勢是能夠把數(shù)字仿真的靈活性和物理仿真的精確性相結合，可以充分發(fā)揮各自的功能[7]。為了將較少的開發(fā)時間、故障成本以及系統(tǒng)模擬的計算資源應用到我國各項研發(fā)工作中，將半物理仿真技術推廣到我國其他各項研究領域具有重要的意義。本文分析了半物理仿真技術在國內外的研究現(xiàn)狀，總結了其目前的應用對象和應用領域，展望了半物理仿真的發(fā)展趨勢。

1 半物理仿真國內應用現(xiàn)狀

隨著仿真技術的快速發(fā)展，半物理仿真已成為現(xiàn)代工程技術的重要支柱，在國防工業(yè)領域和民用工業(yè)領域都有廣泛應用。

1.1 國防工業(yè)領域

在國防工業(yè)領域，我國已經(jīng)建成了多種特點的半物理仿真系統(tǒng)。2010年，哈爾濱工業(yè)大學的常同立[8]探討了一種驗證空間對接動力學半物理仿真系統(tǒng)仿真結果真實性的試驗研究方法，該方法具有較強的實用性，能夠廣泛應用于實際空間對接中。2014年，深圳航天東方紅海特衛(wèi)星有限公司的杜曉東等人[9]，利用半物理仿真系統(tǒng)驗證雙目視覺引導下的航天器近距離自主交會接近的特征識別、位姿解算、導航制導與控制等關鍵算法。

在軍事系統(tǒng)方面，仿真技術的應用為部隊指揮、作戰(zhàn)和訓練提供了有效工具，為我軍現(xiàn)代化建設做出了重要貢獻。2010年，北京航天自動控制研究所的周志久等人[10]，設計了不帶轉臺和帶轉臺的2種半物理仿真系統(tǒng)模擬無人機的飛行狀況，且2種半物理仿真系統(tǒng)可以相互關聯(lián)，能夠對整個無人機飛控系統(tǒng)設計的合理性及有效性進行完備的驗證；2014年，北京理工大學的范世鵬等人[11]通過建立激光末制導導彈半物理仿真平臺，設計出末制導段彈道半物理仿真模型，深入研究導引頭入瞳光學特性和實時更新照射環(huán)境特性，創(chuàng)造了更接近于飛行試驗的半物理仿真環(huán)境，達到仿真技術相似原理的要求。

1.2 民用工業(yè)領域

在民用工業(yè)領域中，半物理仿真運用在組合導航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和調壓系統(tǒng)等方面。

在導航系統(tǒng)方面，2006年，北京航空航天大學的曹娟娟等人[12]，提出了1種用于減少 MIMU/GPS/MMC組合導航濾波算法計算量的快速濾波方法，以提高算法的實時性，并利用半物理仿真試驗驗證了該算法的有效性和實時性。2011年，南京航空航天大學導航研究中心的于永軍等人[13]設計了基于 DSP的半物理仿真系統(tǒng)，并利用其驗證了基于一次采樣的四階龍格庫塔捷聯(lián)算法能有效提高捷聯(lián)解算的實時性和導航精度。

在控制系統(tǒng)方面，中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室的周煥銀等人[14]于2011年通過半物理仿真平臺驗證了基于神經(jīng)網(wǎng)絡補償器的動態(tài)反饋控制算法具有更好的動態(tài)性能和較強的抗干擾能力，相比于 PID控制算法，大大提高了系統(tǒng)的魯棒性；2014年，西北工業(yè)大學的陳俊碩等人[15]，利用半物理仿真實驗驗證了其設計的永磁同步電機速度控制器提高了系統(tǒng)魯棒性。

在為國防工業(yè)領域和民用工業(yè)領域服務的同時，半物理仿真的應用也正不斷向交通、教育、通訊和經(jīng)濟等多個領域擴展。

2 半物理仿真國外應用現(xiàn)狀

對模型的實現(xiàn)來說，通過使用硬件作為計算機模擬的一部分，可以減少模擬復雜性及合并因素。半實物仿真已成功地應用于控制、制造等許多領域。

2.1 控制領域

2013年，韓國的Junoh Jung等人[16]使用狀態(tài)依賴Riccati方程技術，對航天器編隊飛行姿態(tài)同步控制策略進行了分析和研究，并使用半實物仿真實驗和數(shù)值模擬對問題進行跟蹤和調節(jié)；2015年，德國的J. Paul等人[4]對微衛(wèi)星的空間對接與交會設計了半物理仿真系統(tǒng)。2015年，法國的C.Quérel等人[17]開發(fā)了一個半物理模型預測由柴油發(fā)動機產生的氮氧化物(NOx)的排放量；2016年，埃及的Ahmad M. El-Nagar等人[18]在研究中，用半物理仿真驗證了區(qū)間二型模糊比例微分控制器(IT2F-PD)的性能。

2.2 機械制造領域

2005年，德國的Stoeppler G等人[19]提出了一種不同類型的仿真策略，該方法在機床的仿真模型中集成了控制硬件；2014年，波蘭的Krzysztof J. Kalin′ski等人[5]開發(fā)并真正執(zhí)行了對柔性工件的主動振動控制進行高速銑削過程監(jiān)視的方法。

2.3 機器人領域

在機器人領域，半實物仿真已經(jīng)從許多不同的角度應用。這些方法包括：機器人在回路仿真，如使用真實的和模擬的移動機器人在一個虛擬的環(huán)境中相互作用[20]?？刂破髟诨芈贩抡?，其中一個真正的控制單元與機器人的計算機模型交互[21]，以及關節(jié)在環(huán)仿真，在關節(jié)上模擬真正的致動器上的負載[22]。

2.4 其他領域

除了集中應用于以上領域，半物理仿真還應用在了循環(huán)加熱系統(tǒng)[23]、車輛駕駛員信息系統(tǒng)和報警系統(tǒng)[24]、分布式網(wǎng)絡的開發(fā)[25]及并行隨機力[26]等方面。半物理仿真可以減少開發(fā)時間和成本[19]，已被證明是有用的設計工具。因此，對其應用對象進行全方位了解有利于更合理地學習借鑒不同領域的半物理仿真。

3 半物理仿真應用對象概況

通過對半物理仿真的應用進行歸納總結可知，其應用對象主要存在于諸如航空航天[1, 6-9, 27]、無人機[11]、組合導航系統(tǒng)[12-13]、控制系統(tǒng)[14-15]及調壓系統(tǒng)等行業(yè)與領域，如表1所示。

表1 半物理仿真的應用對象概況

從其應用對象的歸納分析可以看出，當前半物理仿真的應用雖然涉及到社會生產與生活的各個領域與各種機械設備，但絕大多數(shù)半物理仿真的研究還停留在航天器的空間對接以及無人機的飛行控制；距離實現(xiàn)半物理仿真應用至整個社會生產的各個領域是值得未來探索的一項重要的研究內容。

4 半物理仿真發(fā)展趨勢

4.1 半物理仿真研究趨勢

從上述國內外應用現(xiàn)狀可以看出，半物理仿真技術在航空航天和武器制導等軍用領域已被廣泛應用，而在民用工業(yè)領域，除了組合導航系統(tǒng)方面，目前還未被推廣。軍用技術轉為民用,服務于國家經(jīng)濟建設已成常態(tài)，也是發(fā)展趨勢。所以，半物理仿真技術未來的發(fā)展和應用將在軍、民的工業(yè)領域展開，尤其是傳統(tǒng)制造工業(yè)領域。

目前，我國正大力推廣“中國制造2025”，并與德國“工業(yè)4.0”全面對接。德國“工業(yè)4.0”是以智能制造為主導的第四次工業(yè)革命，旨在通過充分利用“信息物理系統(tǒng)”(Cyber-Physical System)，將制造業(yè)向智能化轉型。半物理仿真技術以其兼具數(shù)字仿真的柔性和物理仿真的精確性的特點，將助力信息物理系統(tǒng)的推廣應用。

從德國“工業(yè)3.0”的“數(shù)字化”升級到德國“工業(yè)4.0”的“智能化”，數(shù)控機床是基礎。此外，《中國制造2025》中明確表示要以提升可靠性、精度保持性為重點，開發(fā)高檔數(shù)控系統(tǒng)，加快實現(xiàn)產業(yè)化，加強用戶工藝驗證能力建設，并且預期關鍵工序數(shù)控化率到2025年指標達到64%。如果以半物理仿真作為信息系統(tǒng)，以數(shù)控機床作為物理系統(tǒng)，通過計算過程和物理進程相互影響的反饋循環(huán)，實現(xiàn)深度融合和實時交互，可以增加和擴展新的功能。故將半物理仿真應用到數(shù)字控制工業(yè)領域，實現(xiàn)數(shù)控機床的智能化，是未來的一大發(fā)展趨勢，機械化產品也將從“數(shù)控時代”向“智能時代”發(fā)展，從根本上提高產品功能、性能和市場競爭力。

4.2 半物理仿真技術發(fā)展趨勢

控制系統(tǒng)結構和計算機建模仿真技術發(fā)展深刻影響著半物理仿真技術的發(fā)展。一方面，復雜的多領域系統(tǒng)的半物理仿真技術隨著計算機仿真在系統(tǒng)研究過程中的深入應用，提出了一系列新的技術需求。近年來，針對半物理仿真技術的研究也在致力解決這一工程問題，其首要前提是對復雜多領域系統(tǒng)的統(tǒng)一模型描述。另一方面，裝備系統(tǒng)規(guī)模逐漸擴大，超大規(guī)模的系統(tǒng)仿真計算需求日益增長，為充分利用超級計算機和云計算服務的強大計算功能，實現(xiàn)超大規(guī)模運算，有必要在半物理仿真中實現(xiàn)對系統(tǒng)模型的自動分解和并行化計算。

世界各國一直重視半物理仿真，近年來，在計算機技術飛速發(fā)展的信息化智能化背景下，半物理仿真已成為現(xiàn)代工程技術的重要支柱。其在航空航天、機械、電工、化工、通信，特別是國防軍事等領域的工程設計研究，已成為現(xiàn)代高科技產業(yè)的代表之一。未來半物理仿真將向高智能化、全面化和集成化發(fā)展，在工程技術領域發(fā)揮更大的作用。

5 總結

半物理仿真技術以其高效率、低成本的特性，廣泛應用于國內外的航空航天和武器制導等軍事領域。在民用工業(yè)領域也因其逼真度較高，而不斷開拓發(fā)展。本文介紹了半物理仿真概念與特點，歸納其國內外應用現(xiàn)狀，在總結該技術應用對象的基礎上預測了半物理仿真技術的發(fā)展趨勢。

半物理仿真技術將在現(xiàn)代工業(yè)領域朝著高智能化和綜合化發(fā)展，在中國制造智能轉型升級的過程中發(fā)揮出更大的積極作用。

參 考 文 獻

[1] 張新邦. 航天器半物理仿真應用研究[J]. 航天控制, 2015, 33(1): 77-83. (Zhang Xinbang. The Research on Application of Hardware in the Loop Simulation for Spacecraft[J]. Aerospace Control, 2015, 33(1): 77-83.)

[2] Wang Xiaoxiao, Wang Xicheng, Wang Ye, et al. A Novel Faraday Effect Based Semi-physical Simulation Method for Bandwidth of Fiber-optic Gyroscope[J]. Optik, 2014, 125(3): 1358-1360.

[3] Li Ye, Pang Yongjie, Zhang Lei, et al. Semi-physical Simulation of AUV Pipeline Tracking[J]. Journal of Central South University, 2012, 19(9): 2468- 2476.

[4] Paul J, Dettmann A, Girault B, et al. Inveritas: A Facility for Hardware-in-the-loop Long Distance Movement Simulation for Rendezvous and Capture of Satellites and Other Autonomous Objects[J]. Acta Astronautica, 2015, 116: 1-24.

[5] Kaliński K J, Galewski M A. Vibration Surveillance Supported by Hardware-in-the-Loop Simulation in Milling Flexible Workpieces[J]. Mechatronics, 2014, 24(8): 1071-1082.

[6] 常同立，叢大成，葉正茂等. 空間對接地面半物理仿真臺系統(tǒng)仿真研究[J]. 航空學報, 2007, 28(4): 975-982. (Chang Tongli, Cong Dacheng, Ye Zhengmao, et al. Simulation on HIL Ground Experiment Simulator for On-orbit Docking[J]. Acta Aeronautica Et Astronautica Sinica, 2007, 28(4): 975-982.)

[7] 延皓，葉正茂，叢大成等.空間對接半物理仿真原型試驗系統(tǒng)[J]. 機械工程學報, 2007, 43(9): 51-59. (Yan Hao, Ye Zhengmao, Cong Dacheng, et al. Space Docking Hybrid Simulation Prototype Experiment System[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2007, 43(9): 51-59.)

[8] 常同立. 基于沖擊碰撞模型的空間對接半物理仿真真實性驗證方法[J]. 振動與沖擊, 2010, 29(1): 22-26. (Chang Tongli. A Verification Method for Authenticity of HIL Simulation Based on A Vibro-impact Model[J]. Journal of Vibration and Shock, 2010, 29(1): 22-26.)

[9] 杜曉東，高學海，徐文福等. 基于雙目視覺的空間近距離交會半物理仿真系統(tǒng)[J]. 儀器儀表學報, 2014, 35(6): 1282-1291. (Du Xiaodong, Gao Xuehai, Xu Wenfu, et al. Semi-physical Simulation System for Close-range Rendezvous Based on Binocular Vision[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2014, 35(6): 1282-1291.)

[10] 周志久，韋閩峰. 無人機飛行控制仿真系統(tǒng)研究[J]. 航天控制, 2010, 28(1): 64-69. (Zhou Zhijiu, Wei Minfeng. Research on Flight Control Simulation System of UAV[J]. Aerospace Control, 2010, 28(1): 64-69.)

[11] 范世鵬，林德福，路宇龍等. 激光制導武器半實物仿真系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]. 紅外與激光工程, 2014, 43(2): 394-397. (Fan Shipeng, Lin Defu, Lu Yulong, et al. Design and Achievement of Hardware-in-the-loop Simulation System for Guided Shell Based on Laser Semi-active Seeker[J]. Infrared and Laser Engineering, 2014, 43(2): 394-397.)

[12] 曹娟娟，房建成，盛蔚. 一種組合導航系統(tǒng)快速濾波方法及半物理仿真[J]. 北京航空航天大學學報, 2006, 32(11): 1281-1285. (Cao Juanjuan, Fang Jiancheng, Sheng Wei. Fast Data Fusion Method for Integrated Navigation System and Hardware in Loop Simulation[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2006, 32(11): 1281-1285.)

[13] 于永軍，劉建業(yè)，熊智等. 高動態(tài)載體高精度捷聯(lián)慣導算法[J]. 中國慣性技術學報, 2011, 19(2): 136-139. (Yu Yongjun, Liu Jianye, Xiong Zhi, et al. High-precision SINS Algorithm for High Dynamic Carriers[J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 2011, 19(2): 136-139.)

[14] 周煥銀，劉開周，封錫盛. 基于神經(jīng)網(wǎng)絡的自主水下機器人動態(tài)反饋控制[J]. 電機與控制學報, 2011, 15(7): 87-93. (Zhou Huanyin, Liu Kaizhou, Feng Xisheng. Dynamic Feedback Control Based on ANN Compensation Controller for AUV Motions[J]. Electric Machines and Control, 2011, 15(7): 87-93.)

[15] 陳俊碩，劉景林，張穎. 永磁同步電機新型矢量控制[J]. 西安電子科技大學學報(自然科學版), 2014, 41(4): 40-48. (Chen Junshuo, Liu Jinglin, Zhang Ying. New Vector Control of the Permanent Magnet Synchronous Motor[J]. Journal of Xidian University (Natural Science), 2014, 41(4): 40-48.)

[16] Jung J, Park S, Kim S, et al. Hardware-in-the-Loop Simulations of Spacecraft Attitude Synchronization Using the State-Dependent Riccati Equation Technique[J]. Advances in Space Research, 2013, 51(3): 434-449.

[17] Quérel C, Grondin O, Letellier C. Semi-physical Mean-value NOx Model for Diesel Engine Control[J]. Control Engineering Practice, 2015, 40: 27-44.

[18] El-Nagar A M, El-Bardini M. Hardware-in-the-loop Simulation of Interval Type-2 Fuzzy PD Controller for Uncertain Nonlinear System Using Low Cost Microcontroller[J]. Applied Mathematical Modelling, 2016, 40(3): 2346-2355.

[19] Stoeppler G, Menzel T, Douglas S. Hardware-in-the-loop Simulation of Machine Tools and Manufacturing Systems[J]. Computing & Control Engineering, 2005, 16(1): 10-15.

[20] Hu X. Applying Robot-in-the-loop-simulation to Mobile Robot Systems[C] // International Conference on Advanced Robotics Icar, 2005: 506-513.

[21] Cyril X, Jaar G, St-Pierre J. Advanced Space Robotics Simulation for Training and Operations[J]. American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2000: 1-6.

[22] Temeltas H, Gokasan M, Bogosyan S, et al. Hardware in the Loop Simulation of Robot Manipulators Through Internet in Mechatronics Education[C]// Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, 2002, 4:2617-2622.

[23] Gamberi M, Manzini R, Regattieri A. Simulator for Building Hydronic Heating Systems Using the Newton-Raphson Algorithm[J]. Energy and Buildings, 2009, 41(8): 848-855.

[24] Gietelink O J, Ploeg J, De Schutter B, et al. Development of a Driver Information and Warning System with Vehicle Hardware-in-the-loop Simulations[J]. Mechatronics, 2009, 19(7): 1091-1104.

[25] Ersal T, Brudnak M, Salvi A, et al. Development and Model-based Transparency Analysis of an Internet- distributed Hardware-in-the-loop Simulation Platform[J]. Mechatronics, 2011, 21(1): 22-29.

[26] Mancini T, Mari F, Massini A, et al. Anytime System Level Verification Via Parallel Random Exhaustive Hardware in the Loop Simulation[J]. Microprocessors and Microsystems, 2016, 41(C): 12-28.

[27] 余波，朱紀洪，范勇等. 飛行控制系統(tǒng)大閉環(huán)半物理仿真研究[J]. 航天控制, 2010, 28(2): 51-58. (Yu Bo, Zhu Jihong, Fan Yong, et al. Research on Large-scale Hardware-in-closed-loop Simulation of Flight Control System[J]. Aerospace Control, 2010, 28(2): 51-58.)