水下航行器半实物仿真系统虚拟仪器开发
摘 要: 虚拟仪器是计算机技术同仪器技术有机结合产生的全新概念的仪器, 实现了将计算机硬件资源、仪器与测控系统硬 件资源和虚拟仪器软件资源三者的有效结合。该文以水下航行器半实物仿真系统为开发平台, 研究虚拟仪器技术在半实物 仿真控制系统中的应用。该文详细介绍了虚拟仪器集成开发技术, 说明了应用对象 - 水下航行器半实物仿真控制系统的 组成以及本系统所采用的反射内存实时网络实现高速实时通信的技术, 并由此设计完成了基于 L abVIEW 的水下航行器半 实物仿真系统虚拟仪器开发。开发结果表明, 采用该虚拟仪器平台于半实物仿真系统中, 其强大的人机交互功能可直观、高 效、实时地完成仿真信号的检测和监测, 能够智能化地实现实时半实物仿真系统的数据测控。
关键词: 半实物仿真; 虚拟仪器; 反射内存; 数据采集
1 引言
半实物仿真把数字模型、实体模型 (物理效应模型 )和系 统的实际设备 ( 实物 )联系在一起运转, 除了提高系统研制质 量外, 可使无法准确建立模型的实物直接进入仿真回路, 通过模型和实物之间的切换, 进一步校准数学模型, 直接检验制导控制系统各部分功能。因此, 实时半实物仿真技术一直是水下航行器系统仿真要着力解决的一项关键技术。
半实物仿真系统伴随着现代科学技术的飞速发展和人们对其认识的不断深入, 其软件和硬件水平进一步得到了发展。在全数字仿真的今天, 仿真更为智能、高效。在半实物仿真中, 信号的检测和处理、数据的显示和储存、性能参数的评价、过程的控制等, 是一个比较复杂且非常重要的环节。
使用传统仪器仪表测控的仿真实验平台一般都是独立手动操作, 不可避免地受到仪器本身固有特性的制约, 不适应复杂高效的场合, 其局限性非常明显。而虚拟仪器则克服了传统仪器的这些缺点, 它把仪器的全部功能块都放在计算机上来实现, 在计算机上插上数据采集卡, 用软件在屏幕上生成仪器面板, 用软件来进行信号分析与处理, 以各种形式输出检测结果。总之, 使用虚拟仪器技术在水下航行器半实物仿真系统中, 能够充分利用计算机软件技术和强大的显示处理功能, 实现系统中各结点的仿真数据通信和显示功能, 提高 结点传输的可靠性, 减少信息传输的模拟干扰, 从而开发出 一种全新的基于PC机的高效、高可靠性的半实物仿真系统开发平台。
2 水下航行器实时控制半实物仿真系统
由于将实体模型和系统的实际设备加入系统中, 故半实物仿真又称硬件在回路中仿真。半实物仿真是水下武器系统研制过程中的重要步骤, 是时间约束非常强的过程, 是高精度的硬实时系统, 可以减少控制器数字建模的误差。
2. 1 水下航行器控制半实物仿真系统组成
水下航行器控制半实物仿真系统主要由仿真计算机、三维显示设备、仿真试验接口控制台、696三轴转台及水压仿真器等组成。如图 1所示。
图 1 水下航行器控制半实物仿真系统连接图
在此半实物系统中, 仿真主计算机承担了全部数学模型求解的任务, 包括水下航行器动力学、运动学、目标运动学,
采用的是 H ost- T arget结构, 由宿主机 ( H ost Com puter) 和目 标计算机 ( T arge t Compu ter) 组成; 三维显示设备以形象、直观的形式反映水下航行器半实物仿真的仿真过程; 三轴转台根据仿真计算机数值解算结果模拟水下航行器航行姿态运动; 水压仿真器则为系统的深度模拟器; 而仿真试验接口控制台则为此半实物仿真系统中的枢纽设备, 用于将仿真机与外围仿真设备、实物及仿真设备之间作相应的连接; 在不同的仿真设备间完成正常的信号传输和通讯, 保证仿真系统的正常工作, 对仿真系统中各主要仿真设备的工作状态进行检测及监测。
仿真试验接口控制台的硬件系统主要由控制台、工业控制计算机等组成, 它可以对转台、水压仿真器、舵负载模拟器及仿真计算机的信息进行测量和显示, 包括对主要仿真设备信号 ( 水压仿真器深度信号、转台航向角位置信号、转台航向角速度信号、转台俯仰角位置信号、转台俯仰角速度信号、转 台横滚角位置信号、转台横滚角速度信号 ) 进行数据采集, 以 及对各个过程进行实时状态的检测; 对所采集的信号进行储存、分析与处理, 完成人机交互的功能。
2. 2 半实物仿真实时反射内存网
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