半仿真试验（共7篇）
半仿真试验 篇1
作为长期在轨运行的一个主要活动机构, 驱动机构在运行过程中会长期受到动态干扰力矩的影响。为了全面考察驱动机构在轨负载工作特性, 并为驱动控制设计提供依据, 需要对驱动机构进行动特性测试。但在地面进行全物理的由驱动机构直接带动太阳电池阵的试验十分困难, 主要是由于地面重力场、气动干扰以及太阳电池阵的柔性特性所致。为真实反映出太阳电池阵柔性特性与驱动机构运转过程的耦合作用, 有必要建立驱动机构半物理仿真试验系统, 闭环实时模拟卫星驱动机构运转过程中太阳电池阵与驱动机构之间的动力学过程。
1 传统驱动机构驱动特性考核方案
1.1 惯量轮模拟负载考核方案
采用惯量轮模拟驱动机构负载, 对驱动机构的运行过程进行数据采集。该方案测试数据比较少, 如不能测试对星体的干扰力矩、不能模拟空间环境干扰力矩等, 而且如果太阳电池阵的构形、大小发生变化, 模拟负载和扭转弹簧需重新设计计算, 适用性不强。
1.2 离线仿真在线加载方案
该试验系统驱动机构负载力矩采用加载电机加载, 加载电机的加载曲线由试验前通过仿真软件计算出的仿真数据构成。该方案的不足之处在于, 不能实时反映出驱动机构的负载力矩变化与驱动机构运行特性的耦合作用。Windows环境下的扭矩加载方式, 其控制精度和实时性均未取得满意效果。
2 闭环半物理仿真方案
本文提出闭环仿真方案中, 驱动机构及驱动器为真实产品, 太阳电池阵作为其负载采用数学模型代替, 系统实时解算出帆板对驱动机构反作用力矩, 并通过加载设备, 实时地加载到驱动机构输出轴上。在考虑帆板质量惯量特性以及柔性特性后, 真实地反映出帆板的柔性及振动对驱动机构的反作用特性。
3 硬件方案
该试验台核心是模拟出帆板对驱动机构的干扰力矩, 以及测量驱动机构在干扰力矩下的工作特性。驱动系统半物理仿真试验台是一个标准的半实物仿真系统, 包含真实产品、测控单元、仿真单元、加载单元和任务管理单元。真实产品包括驱动机构及驱动器, 是卫星型号真实产品;测控单元测量驱动机构电机电流电压、输出转速和力矩以及对卫星壳体的干扰力矩, 并且控制加载单元施加对机构的负载力矩;任务管理计算机选用HP个人工作站;两台实时控制器选用NI公司PXI控制器、信号调理和采集卡;加载电机选用力士乐高精度伺服电机, 扭矩输出精度为±0.01Nm, 满足驱动机构干扰力矩加载要求;角速度测量仪选用海德汉无内置轴承高精度角度编码器, 测量精度±2〞满足角度测量要求, 通过换算获取驱动轴转速。
4 软件架构与数学模型
软件开发基于快速原型设计思想。该系统含两层软件设计, 第一层是任务管理软件, 采用Lab View虚拟仪器技术开发。包含试验管理、状态监视、姿轨控计算机模拟等;第二层是控制模型, 采用MatlabSimulink建模, 可选择第三方原型开发系统进行编译, 生成实时控制程序。本试验台选用了加拿大opal-RT公司开发的RT-LAB分布式实时仿真系统。
柔性太阳电池阵在轨运行对星体的反作用力矩求解, 实际上涉及到作大范围运动柔性结构的耦合动力学问题。变形运动与刚体运动的同时出现及其相互耦合作用是这类作大范围运动柔性结构耦合动力学的主要特征, 这使得其动力学行为与一般简单动力系统有所不同。
在驱动机构半物理仿真试验系统中采用混合坐标法和有限元法对太阳电池阵进行模化, 并用Lagrange方程建立太阳电池阵柔性动力学模型。其中惯性坐标系{B}固定在驱动机构上, 随动坐标系{F}固定在太阳电池阵上。{F}系的原点P在太阳电池阵与驱动机构的法兰面上。
该模型的输入为驱动机构输出轴的角度变化率, 输出为柔性太阳电池阵对驱动机构输出轴的反作用力矩。该项目采用18万线非接触式高精度角度码盘实现角度信号测量, 既保证了角度测量的精度, 又避免了传统轴承式传感器带来的附加扭矩。
5 结语
(1) 驱动机构半物理仿真试验系统动态加载与驱动机构实现闭环控制, 能够实现驱动够驱动柔性负载完成快速捕获、正常跟踪、停转保持和正常归零等典型工况的试验和分析, 并且可以直接在后处理数据库中形成试验报告, 提供驱动机构上升时间、调整时间、超调量、过程角、制动时间、速度稳定度等相关参数。试验系统可用于驱动控制器研制和驱动机构考核。
(2) 试验系统所选用的传感器都较为灵敏、采样频率高、保存数据全面, 可以较为准确的捕获试验全过程各个信号的微小波动。可较为准确的给出总体及GNC分系统关心的驱动机构运动过程对安装形体的动态干扰在和及频谱特性。
(3) 通过对力矩信号的频谱分析, 确认试验系统的动力学解算单元和力矩加载能够实现模拟柔性太阳电池阵的动力学响应。
(4) 可涵盖传统动量轮考核方案和离线仿真在线加载方案。系统可设置为固定加载力矩, 或者调用离线仿真数据文件实现力矩加载。
摘要：卫星帆板驱动系统半物理仿真试验台, 是一套闭环、实时、硬件在回路仿真系统, 用于模拟空间环境下太阳电池阵动力学特性对驱动机构的影响。与传统的惯量轮考核以及离线数据在线加载的考核方式相比, 该系统能够反应驱动机构与太阳电池阵的耦合特性, 该闭环仿真思想在卫星驱动机构试验台上属首次实现。本文给出系统原理、组成、方案以及动力学模型。
关键词：半物理,实时仿真,硬件在回路,卫星太阳电池阵
参考文献
[1]徐峰.对接机构综合试验台半物理仿真原理.载人航天, 2007, 1.
半仿真试验 篇2
由于受到外场试验消耗、试验保障和研制周期等客观因素的限制,被试系统在进行外场试验前需要进行大量的试验对其功能和性能指标进行验证,而采用半实物仿真试验方式能较好地解决这一问题.在半实物仿真试验中,可通过模拟被试系统需要的各种数据信号,驱动被试系统运行,控制其运行流程,对其性能进行检验,因此半实物仿真试验为进行外场试验提供重要的试验依据,是不可或缺的关键性试验.研制光电模拟器为被试系统光电设备提供模拟目标,对其性能进行考核.以下介绍光电模拟器的设计与实现以及在被试系统半实物仿真试验中的应用.
1 光电模拟器的设计与实现
1.1 硬件设计与实现
为了使光电模拟器具备良好的电磁兼容性和较强的环境适应性,其硬件设备采用工控机平台.硬件组成结构图如图1所示.
光电模拟器主要由主控单元、图像生成卡、图像合成卡、距离仿真卡、方位采集卡和数据总线等部件组成.主控单元通过数据总线向其他各组成部分发送控制命令,各组成部分在回馈主控单元的控制命
令的同时,向主控单元发送中断请求提请主控单元进行处理.图像生成卡用于生成目标图像,它根据主控单元指令生成相应类型的目标模拟图像,通过数据总线将目标模拟图像数据发送到图像合成卡.图像合成卡根据主控单元的命令生成相应类型的背景图像,并将接收到的目标模拟图像同背景图像合成,生成仿真试验需要的模拟视频图像.当模拟目标数据信息达到相应的要求时,距离仿真卡根据主控单元发出的控制指令,生成的被测光电设备所需的激光信号和目标距离信息,发送到被测设备.方位采集卡将采集到的光电设备指向信息发送到主控单元,主控单元对其信息分析处理,控制图像控制卡、图像合成卡和距离仿真卡输出符合仿真试验要求的模拟视频图像信息.
1.2 软件设计与实现
软件的设计、实现是光电模拟器整体设计与实现的核心,采用软件编程驱动硬件的方式实现对被试系统的半实物仿真测试.Visual C++编程平台作为软件开发环境,系统软件设计时直接调用Windows API函数库,采用这种方法可大量节省程序存储空间,应用简洁方便,提高响应速度,满足半实物仿真试验对实时性的要求.
在软件总体设计中,根据被试系统半实物仿真试验的要求和试验步骤将软件分成系统自主工作模块和系统联机工作模块,总体设计流程图如图2所示.
系统启动后会进行设备初始化,对光电模拟器各个部件单元进行加电检查,如发现某个部件单元运行故障,提示操作人员发生故障的部件单元并停止运行等待操作人员的操控命令,供操作人员排查故障.通过设备初始化后,系统调用相应的动态链接库,将需要的目标类型模型、目标背景模型和目标运动类型模型等相关模型调入可执行文件.操作人员根据本次半实物仿真试验的目的和内容进入相应的软件模块.
1.2.1 自主工作模块
自主工作模块用于光电模拟器独立为被试系统光电设备提供各种模拟信号,驱动光电设备独立运行,对光电设备自身性能进行独立考核.自主工作模块软件设计流程图如图3所示.
光电模拟器首先提示操作人员装订进行本次试验的试验参数,如果操作人员未装订参数,光电模拟器会装订默认参数进行试验.参数装订完成后光电模拟器根据试验参数自主生成用于本次试验的模拟目标航路,对其进行实时控制,同时对系统的中断列表进行初始化,启动中断监控程序实时接收中断请求.例如当通过对模拟航路计算得出模拟目标已出现在光电设备的视野范围内的时候,提请发送视频模拟图像中断请求,光电模拟器主控单元会响应中断请求,控制模拟器向光电设备发送模拟视频图像,对其性能进行考核.试验结束后,光电模拟器停止工作,保存数据完毕返回上级程序,准备下一次试验.
1.2.2 联机工作模块
联机工作模块用于光电模拟器同其他半实物仿真试验设备互接,光电模拟器对被试系统光电设备的性能考核纳入到对被试系统整体性能的考核中,实现对被试系统整体功能和性能的检验.联机工作模块软件设计流程图如图4所示.
联机工作模块与自主工作模块的主要区别在于采用联机工作模块是对被试系统整体性能的考核,试验所需要的模拟航路数据量与单独考核相比,所需航路数据量要大得多,如果由光电模拟器自身产生需要占用大量资源,无法保证其他工作按时序完成,影响试验的进度和试验结果的准确性.因此在联机工作模块的设计中,其他半实物仿真试验设备产生模拟航路,光电模拟器对模拟航路等试验数据进行处理,计算出被试系统光电设备的考核结果.
进入联机工作模块后,将光电模拟器同其他半实物仿真试验设备互连,对连接部件单元进行初始化保证互连的准确性.装订用于本次试验参数,实时接收其他半实物仿真试验设备发送的模拟航路数据,并对数据信息进行处理和保存,为光电设备的性能评估做准备.初始化光电模拟器的中断列表,启动中断监控程序准备接收中断请求.接收到其他半实物仿真试验设备提请的发送模拟视频图像的中断请求,光电模拟器响应中断请求,发送模拟视频图像,根据目标模拟视频数据和模拟航路数据对被试系统光电设备的性能进行考核评估,实现对被试系统整体性能的考核评估.在试验结束后,光电模拟器停止工作保存数据,返回上级程序中,准备下一次试验.
2 光电模拟器在半实物仿真试验中的应用
在半实物仿真试验中,光电模拟器主要用于向被试系统光电设备提供模拟视频图像,实时处理试验数据,准确计算出光电设备性能的考核结果.光电模拟器与被试系统结构关系如图5所示.
在半实物仿真试验的环境下,光电模拟器产生被试系统光电设备所需的各种数据信号.它控制位置量处理单元实时接收被试光电设备的指向数据信号,根据指向数据计算模拟目标与光电设备的相对位置,当相对位置数据小于光电设备的视场角时,表明目标出现在光电设备的镜头中,此时光电模拟器控制图像处理单元产生目标视频图像,通过图像数据信号输送给被试系统.被试系统通过一系列的控制信号控制光电设备跟踪具有视频背景的模拟目标.当目标模拟视频数据满足一定条件时,光电模拟器控制距离量处理单元接收被试系统的距离数据,对其处理后产生目标距离量模拟数据输送给被试系统供其使用,通过上述过程完成光电设备对模拟目标的跟踪.光电模拟器实时记录指向数据和重要节点时刻相关的试验数据,采用相应规则算法处理试验数据,给出相应考核结果.
3 结 束 语
通过多次参加半实物仿真系统试验结果证明,该设备能够正确模拟被测光电设备所需要的各种数据信号,在特定条件下能够输出符合试验要求的模拟视频图像,并对试验数据进行评估处理,准确给出光电设备的考核结果.此外该设备具有较好人机界面,操作简洁直观,减轻操作人员的工作量.运行结果表明,设备设计合理,性能可靠,完全满足被测光电设备的考核需求.该项目已获国家科技进步二等奖.
摘要：介绍了光电模拟器的设计与实现以及在半实物仿真试验中的应用.在硬件设计上,设备采用工控机平台,以生成考核被试系统光电设备所需要的模拟视频图像为目的,进行设计和实现.在软件设计上采用Visual C++编程环境实施软件设计与开发,完成模拟航路的生成、模拟视频图像的发送和试验数据的处理评估等功能.
关键词：光电模拟器,半实物仿真试验,模拟视频图像,被试系统
参考文献
[1]李红波,石岚.光信号环境模拟系统设计[J].光电技术应用,2009,24(3):12-14.
[2]何江华,郭果敢.计算机仿真与军事应用[M].北京:国防工业出版社,2006.
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[4]马魁勇,于长军,位寅生.基于FPGA的雷达目标模拟器的设计与实现[J].仪器仪表学报,2006(6):870-872.
半实物网络控制系统仿真平台设计 篇3
关键词：网络控制系统,过程控制,以太网,半实物仿真
0 引 言
网络控制系统(NCS)通过工业网络实现控制单元之间的数据交换,研究表明网络控制系统中的随机延迟会恶化控制品质,甚至使控制系统变得不稳定[1]。不少学者利用随机函数模型来近似产生网络中的通信延迟,也出现了TrueTime这样根据网络MAC协议对通信延迟进行机理建模的方法[2]。但它只适用于单级的网络拓扑,而且当网络中的通信节点较多时仿真系统运行效率很低。
近年来,基于MATLAB/Simulink的半实物仿真平台非常多,但是在MATLAB/Simulink平台上搭建半实物仿真系统,其关键之处在于MATLAB/Simulink与硬件实物之间如何接口[3,4]。随着OPC技术的发展,MATLAB中有了专门的OPC工具箱,并且在Simulink模块库中集成了相应的OPC模块,因此本文使用OPC技术建立了MATLAB/Simulink半实物网络控制仿真平台,以校园局域网为通信介质,模拟远程网络控制系统,以实际的液位控制单元为被控对象,仿真条件更接近于实际工程背景。
1 实现方案
实验装置采用甘肃省工业过程先进控制重点实验室紧凑型FESTO液位控制系统。液位控制单元示意图如图1所示,被控对象为B102,被控参数为B102的水位。执行器为水泵P101,测量变送器为模拟式超声波液位传感器,调节器为电机调速器。水泵将水箱B101里的蒸馏水送到B102,水箱B102的水在重力作用下流到水箱B101,为保持水箱B102的水位在设定值,水箱B102上方的超声波液位传感器测得水箱B102水位,并将水位信号传到控制器。
1.1 系统构建
原系统液位控制单元采用现场总线为通信介质进行数据交换,不能满足网络控制系统的实验要求,所以对系统进行了二次开发。将西门子S7-300 PLC通过以太网模块接入到局域网中,作为通信信道,将4～20 mA的液位检测信号线连接至PLC的电流模拟量输入端子通道3上,以电压模拟量输出端子通道2的0～10 v的电压信号来驱动水泵直流电机。
超声波液位传感器(LIC102)测得的液位为4～20 mA的电流信号,此转换为单极性转换,即4～20 mA的信号对应于数字量6 600～27 648,即20.8～300 mm的液位信号对应于数字量6 600～27 648。通过取数值建立方程求解,来建立正确的线性对应关系,这样液位的值为:
其中,N为数字量范围(6 600～28 648)。此对应关系可以在西门子STEP7中使用梯形图逻辑、功能块图或语句表进行编程操作实现。
1.2 基于SIMETIC NET的组网
本仿真平台采用西门子S7-300和CP343-1进行组网。SIMETIC NET工业以太网作为西门子全集成自动化系统中的一个重要组成部分,是工控应用中最为广泛的工业以太网之一。采用工业以太网通讯方式以更真实模拟工业现场网络传输情况。SIMATIC NET工业以太网软件包括SIMATIC NET V6.0和OPC(OLE for Process Control),并且支持对SIMATIC通信网络的通信协议如PROFIBUS和以太网进行访问,在本系统中选择OPC服务器对以太网的访问,OPC服务器随SIMETIC NET软件光盘提供。
硬件组态和网络组态:
步骤一:分别在Station Configuration Editor配置窗口中插入OPC Server和IE General,进行网卡配置和命名站点的命名。
步骤二:在STEP 7 中组态PC Station和PLC站。设置模拟量输入输出属性,编译保存;
步骤三:完成PC站组态后,即可在NetPro窗口点击功能按钮栏中下载按钮将组态下载到PC站中。下载完成后,可以打开Station Configuration Editor窗口检查组件状态。OPC Server插槽Conn一栏一定要有连接图标,此项说明连接激活,如图2所示。
步骤四:OPC Scout中建立变量与调试
利用OPC Scout进行OPC Server 和PLC 的数据通讯测试。定义的条目(Item)须嵌入到OPC Scout 中。如果“Quality”显示“good”,则OPC Server 与PLC 的S7 连接已经建立,可对标签变量进行读写操作,如图3所示。
1.3 MATLAB中OPC数据通讯的封装设计
MATLAB7.0以上的软件中有OPC工具箱,可以进行OPC的设置,集成了OPC toolbox模块子库,其中包括:OPC read block、OPC write block、OPC Configuration和OPC Quality Parts。使用OPC Toolbox中的函数和模块,可以获取OPC实时数据直接放入MATLAB和Simulink中,还可以把MATLAB和Simulink中的数据写入OPC服务器中。
打开Simulink,找到OPC toolbox模块子库。将其中的OPC read block,OPC write block,OPC Configuration三个模块拖至新的模型窗口中。双击OPC Configuration,在configure OPC clients/Add/Select 中选择添加OPC Server,设置OPC read block,OPC write block模块属性并添加变量连接。
OPC Read模块读到的是当前液位实际值,连接的变量为MREAL80。控制变量由OPC Write模块写出,连接的变量为QW2,利用OPC工具箱搭建平台成功。
2 平台测试
为测试平台的有效性,本文采用三种控制算法进行仿真:比例控制、比例积分微分控制、模糊控制,液位期望值为100mm。其中比例控制仿真框图如图4所示,100为比例控制的系数,液位控制结果如图5所示。用Z-N法进行整定得到系统的PID控制参数,控制效果如图6所示。采用文献[5]中模糊控制方法,控制效果如图7所示。由于液位控制单元可以近似为典型的一阶系统,所以单纯比例控制也可使系统稳定,不过超调量比较大,比例积分微分控制和模糊控制的效果稍微好一些,但控制效果总体不理想,原因就是此仿真平台中存在网络时延、丢包等因素恶化了控制品质。
对液位控制单元进行拟和曲线建模后进行Smith预估补偿控制克服时延,控制效果如图8所示,控制效果得到改善,但由于网络传输时延为随机时延,控制算法仍需要进一步改善。本文的下一步工作就是在此半实物仿真平台的基础上,采用先进控制算法来克服网络时延、丢包等因素对系统的影响。
3 结束语
本文基于OPC技术、以校园局域网为通信介质,以PCS液位控制单元为控制对象,搭建了半实物NCS实验平台,实现了对象模型与控制软件的实时数据通信。在实验平台上对几种控制算法的控制效果及控制效果产生的差异进行了实验研究。实验结果表明,该平台可以有效地检验实际控制器性能,分析时延与丢包对系统控制性能带来的影响,对控制算法与控制系统的设计与改善也有指导作用,为后续研究奠定了基础。
参考文献
[1]Walsh G C,Ye H,Bushnell L.Stability analysis of networked controlsystems[J].IEEE Transaction on Control Systems Technology,2002,10(3):438-446.
[2]王俊杰,孙君曼.基于True Time的网络化控制系统仿真平台的构建[J].郑州轻工业学院学报,2010,25(3):79-82.
[3]张奇智,曹永灿.基于OPC技术网络控制系统仿真平台[J].传感器世界,2005(8):25-29.
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半仿真试验 篇4
卫星导航系统工作的真实信号环境是相当复杂的,除了系统信号外,还存在多种其他信号或噪声干扰,具体的干扰模式、干扰类型以及干扰要素因地而异。GPS系统的应用现状[1,2,3]和导航系统建设实际表明,针对导航系统的有意、无意干扰越来越严重,干扰类型及组合方式越来越复杂,各接收机及接收终端抗干扰能力是导航系统建设必须研究的方向之一[4],干扰信号模拟技术作为抗干扰测试的重要手段越来越被重视,而基于半实物仿真[5]的复杂信号生成技术为复杂干扰信号模拟生成提供了有效的实现途径。
1系统组成及工作原理
自定义复杂信号仿真系统由ADS干扰仿真计算机、矢量信号发生器、矢量信号分析仪和矢量分析计算机4个功能单元组成。
ADS干扰仿真计算机用于在ADS仿真系统下建立干扰仿真模型,并模拟生成干扰仿真信源数据,通过GPIB转接线传输至矢量信号发生器中。矢量信号发生器将依据仿真信源数据自动生成射频干扰信号,通过射频同轴电缆将干扰信号送至矢量信号分析仪信号输入端口,矢量信号分析仪与矢量信号分析软件共同完成对干扰信号的解调分析。
抗干扰研究中,以往针对干扰模式的研究较为简单,近年来提出“复杂干扰模式”概念。虽然复杂干扰模式的具体指标定义上没有一个统一的定量描述,但对于内涵有较为统一的认识,就是以各种单一干扰样式为基础,形成各种组合、时变干扰样式,对接收端形成干扰。如单频、窄带、脉冲和宽带等干扰信号,并通过空域、时域的不同组合形成复杂的干扰模式。
其中,调制信号作为典型且最为复杂的干扰类型之一,调制干扰可以用一个通用的数学模型表达,如式(1)所示[6]:
式中,m、pk(t)、F[·]、s
如果有M个干扰信号叠加,其数学模型为:
式(2)中各参数物理涵义同式(1)。自定义复杂信号的产生将基于上述数学模型在ADS仿真系统中加以实现。
2半实物仿真硬件平台搭建
矢量信号发生器为自定义复杂干扰信号仿真系统的主要硬件设备,其具体配置决定了仿真系统的干扰信号产生能力。选用ESG系列矢量信号发生器E4438C作为干扰信号产生的硬件平台。
ESG系列矢量信号发生器E4438C是Agilient公司为满足设计和开发下一代无线电通信系统的需要,开发的新款矢量信号发生器。它提供了一批用于3G和新兴通信格式的基于标准的接收机和元件测试软件,以简化信号配置过程,有高达6 GHz的频率范围。在利用外I/Q输入时,可达160 MHz的射频调制带宽;利用内部基带发生器时,有80 MHz的射频调制带宽。同时还有320 Mbytes基带存储器,以建立比上一代产品更长、更复杂的波形;同时,E4438C具备6 Gbytes的非易失性存储器用于存储波形和仪器状态,减少了波形建立时间,提高了使用效率。
矢量信号分析仪为自定义复杂干扰信号仿真系统的指标验证硬件设备,选用Agilent公司的矢量信号分析仪89600S完成干扰的解调验证功能。
干扰仿真计算机可使用GPIB转接线或者标准网线与矢量信号发生器连接,以便将ADS仿真生成的信源文件下载到矢量信号发生器的任意波信号发生器中。可使用Agilent公司提供的接口库管理模块(Agilent IO Libraries Suite)对连接是否成功进行验证。
矢量信号发生器RF输出口与矢量信号分析仪信号输入口间采用射频同轴电缆连接。
89600S矢量信号分析仪机箱前面板没有监控信息显示功能,通过配套计算机的上的VSA软件进行管理,仪器和计算机之间采用1 394火线进行连接。
3建模与仿真设计
在ADS仿真系统中建立一个自定义的复杂信号,该复杂信号由以下信号组成:
信号1:中心频率:1 GHz,调制方式:QPSK,码速率1 Msps,功率:10 dBm。
信号2:中心频率:1.01 GHz,调制方式:DQPSK调制,码速率:1 Msps,功率:10 dBm。
信号3:中心频率:1.02 GHz,调制方式:π/4DQPSK调制,码速率:1 Msps,功率:10 dBm。
VSA896001Sink为89600S矢量信号分析仪的在ADS中的驱动模块,仿真计算机中同时装有89600S的矢量信号分析软件VSA,可以直接对ADS仿真系统生成的调制信号进行解调分析。QPSK、DQPSK、π/4DQPSK三路不同调制方式信号的频谱、星座图及EVM等分析如图1(a)、图1(b)和图1(c)所示。
可以看出,ADS仿真系统中搭建的QPSK、DQPSK和π/4DQPSK调制信号模型,成功地生成了3种调制信号,并在VSA软件中得到了很好的解调。
将已搭建好的以上3种调制信号仿真模型,使用合路器模块SummerRF进行合路输出,再利用信号类型转换模块TimeToCx及CxToRect转换成I、Q调制信号,送入矢量信号发生器的CMESGE4438CSink驱动模块中。
在信号类型转换前,加入矢量信号分析模块VSA896001Sink,对合路出来的复杂信号的频谱进行预观测,观测结果如图1(d)所示。3路射频调制信号的中心频率分别为1 000 MHz、1 010 MHz和1 020 MHz,其调制方式从左至右依次为QPSK、DQPSK和π/4DQPSK调制。至此,在ADS仿真系统中成功搭建了自定义复杂信号模型,并完成了仿真设计。
4半实物仿真流程设计
将在ADS仿真系统中建立的仿真模型生成的信源文件通过计算机串口或网口送入矢量信号发生器,由矢量信号发生器产生自定义的复杂信号,输入矢量信号分析仪进行解调测量。
使用GPIB转接线或标准网线连接干扰仿真计算机和矢量信号发生器,使用Agilent连接管理软件Agilent IO Libraries Suite验证连接成功后,运行ADS仿真器,便可将自定义复杂信号模型的信源文件下载到矢量信号发生器的任意波信号发生器中。
ADS接口模块CMESGE4438CSink为ESG系列矢量信号发生器的驱动模块,在CMESGE4438CSink模块中,可设置码流起始位和结束位、信号的幅度和载频频率、采样时钟速率、触发信号、信源文件的下载方式、下载位置、信号源的射频输出及调制输出开关等。
在CMESGE4438CSink驱动模块中设置完毕后,不需要对矢量信号发生器进行额外操作,运行ADS仿真器,即可驱动矢量信号发生器E4438C中的基带及射频功能模块完成自定义复杂干扰信号的产生与输出。
5测试验证
依据图1搭建自定义复杂信号生成半实物仿真系统真实测试环境。
5.1单一干扰测试验证
使用干扰仿真计算机在ADS仿真系统下逐一发送QPSK、DQPSK和π/4DQPSK调制信号,送入矢量信号分析仪。
使用矢量分析计算机与矢量信号分析仪对矢量信号发生器产生的单一调制信号进行解调分析,如图2所示。该分析结果同ADS之间软件解调的结果具有较好的一致性,从而验证了半实物仿真系统生成单一调制信号的可行性。
5.2组合干扰测试验证
使用干扰仿真计算机在ADS仿真系统下发送QPSK、DQPSK和π/4DQPSK等3种调制的组合干扰信号,经过E4438C调试生成后,送入矢量信号分析仪。
对于矢量信号发生器产生出来的自定义复杂信号,由于各调制信号频带相距很近,无法进行良好的解调,使用矢量信号分析仪测量其频谱如图3所示。
图3中可以观测到该实际产生的复杂信号与设计阶段的仿真合路频谱(图1(d))基本一致,由此验证了ADS软件与矢量信号发生器产生自定义复杂信号的可行性。
进一步的组合干扰的测试验证,需要在频域、时域和码域等诸多领域进行综合验证分析,进而给出组合后的复杂干扰中的每种干扰类型的信号特征相比与单一干扰类型的信号特征有无发生畸变。
6结束语
基于半实物仿真的自定义复杂信号生成的设计方法,其“自定义性”由于ADS软件的强大仿真功能而得到了很好的拓展。该方法可广泛应用于各种复杂干扰信号源设计、半实物仿真设计和系统测试环境模拟等领域。在“中国伽利略测试场”项目研发中,使用该方法设计的干扰源功能强大、使用灵活、性能优良、拓展性强。
参考文献
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半仿真试验 篇5
高速铁路建设中, 一般选择在试验段 (或先导段、先行段) 上对GSM-R系统的性能进行现场测试, 有力保障GSM-R系统的可靠运行。然而现场试验需要投入大量人力、物力, 而且存在试验时间较为有限, 环境限制因素较多, 参数 (如基站高度、发射功率、移动速度等) 不易调整, 劳动强度大, 电波传播环境无法精确控制和重复等不足。
高速铁路无线通信系统半实物仿真将计算机仿真与硬件试验相结合, 采用信道仿真设备模拟高速铁路现场的电波传播环境, 而GSM-R网络、终端则与高速铁路现场尽可能保持一致, 从而实现在实验室环境开展高速铁路GSM-R性能测试。半实物仿真准确性高, 为实时仿真, 可以进行设备测试, 与现场试验相比, 实施成本低, 能够方便设定系统参数, 可以保证测试的完备性;仿真环境透明、可控, 而且能够精确重复, 目前已在航天航空、武器设计、机械制造、电力等诸多领域广泛应用。
1 半实物仿真
高速铁路无线通信系统半实物仿真平台以信道仿真仪为核心 (见图1) , 由QoS测试软件、移动终端、GSM-R网络、固定用户接入交换系统 (FAS) 、车站台、Abis接口监测系统及射频配件和射频电缆构成。除信道仿真仪以外, 其他设备均与高速铁路现场保持一致。信道仿真仪能够模拟高速铁路各种典型场景 (如高架桥、路堑、平原、丘陵) 、移动速度、覆盖电平、噪声和干扰强度的各种无线信道, 具有多个并行的仿真通道, 其参数均可以独立设定。QoS测试软件可以对不同信道环境下的各项QoS指标进行测试。Abis接口监测系统对整个通信过程中Abis接口信令进行记录和统计分析, 并可以直观地显示上、下行接收电平 (RXLEV) 、接收质量 (RXQUAL) 和越区切换进程。
2 高速铁路无线通信系统半实物仿真平台功能
2.1 高速铁路无线信道特性分析
列车运行速度的提高会导致信道衰落速度的加快, 要保证通信的可靠性, 需要合理确定接收机的最小可用接收电平。铁道部GSM-R规范中规定98%的地点覆盖电平高于-92 dBm, 这一电平在350 km/h及以上高速铁路上的性能如何, 是目前关注较多的问题。高速铁路无线通信系统半实物仿真平台可方便地设定各种移动速度 (如250, 350, 420 km/h) 与接收电平, 并对系统性能进行仿真。通过各种仿真条件下, 对Abis接口监测数据进行统计处理, 可以分析接收电平与接收质量、速度之间的关系等, 为确定350 km/h及以上高速铁路的最小可用接收电平提供数据支持和验证。
仿真实验绘制了列车运行速度为350 km/h时, 当下行接收电平分别为-72, -82, -92 dBm时, 下行接收质量RXQUAL的分布 (见图2) 。由图2可知, 随着接收电平的下降, 接收质量会发生一定程度的下降。在-92 dBm时, RXQUAL小于3的概率约为0.933 8, 基本可以满足通信质量要求。
2.2 高速铁路QoS指标测试
由仿真平台模拟高速铁路各种无线信道环境, QoS测试系统控制移动终端进行GSM-R话音业务、电路域数据和分组域数据的QoS指标进行测试 (见表1) 。测试完全按照铁道部QoS测试规范进行。
QoS指标测试可以用于分析高速铁路周边环境、移动速度、覆盖电平、噪声干扰等对各项QoS指标的影响, 对高速铁路GSM-R系统在各种条件下的性能进行准确分析评估, 为保障GSM-R系统安全、可靠、稳定运行, 合理进行GSM-R网络设计与优化提供支撑。
表1对移动速度为80, 160, 350 km/h, 接收电平为50 dBm, 无同频干扰条件下话音业务呼叫建立时间进行了比较。由表1可知, 随着移动速度的提高, 呼叫建立时间的最大值、最小值和平均值都有一定程度的增加, 但较为有限。
2.3 越区切换模拟
越区切换是GSM-R移动性管理的重要内容, 当高速列车以350 km/h运行时, 以现有3 km的基站间距考虑, 每分钟大约发生2次越区切换, 越区切换相当频繁。保证高速铁路越区切换的可靠性是当前GSM-R需要解决的重要问题之一。
越区切换见图3。平台可以独立、实时地对各基站的信号加以控制, 模拟列车运行过程中处于不同位置时, 各个基站场强的变化规律, 从而实现在各种无线信道环境下对越区切换的仿真。依托平台, 可以研究切换参数 (如信号电平切换门限、信号质量切换门限、切换容限、平均窗口等) 对切换性能的影响, 为合理配置参数, 避免乒乓效应, 提高切换成功率提供技术支持。
2.4 设备高速适应性测试
仿真平台可以在实验室环境下对GSM-R通信设备 (如车载8 W模块, 手持移动终端等) 的高速适应性进行测试。仿真平台可以方便地设定各种测试环境, 从而保证测试的完备性。此外, 仿真平台能够实现对仿真的精确控制与重复, 可以方便地进行故障排查与定位和性能比较。目前已有多家设备厂商在仿真平台上对设备的高速性进行了测试, 根据测试结果有针对性地对设备进行优化设计, 提高设备的高速适应性 (如多普勒校正技术) 。
3 结束语
高速铁路无线通信系统半实物仿真虽然不可能完全替代现场测试, 但在高速铁路无线通信技术研究、QoS分析、越区切换性能优化、设备研发等领域能够发挥较大作用, 对于确保高速铁路GSM-R系统的可靠运行具有十分重要的意义。
参考文献
半仿真试验 篇6
激光制导武器大多采用激光半主动制导方式,对攻击目标实施精确打击.激光有源欺骗干扰是对抗激光半主动制导武器的主要对抗手段.半主动激光制导武器的模拟设备对激光有源欺骗干扰效果的评估具有重要价值.
1 激光制导模拟装置
激光制导模拟装置主要由激光目标指示模拟器和激光导引头模拟器2部分组成.激光目标指示模拟器用于产生激光制导过程中的激光指示信号;激光导引头模拟器用于接收处理激光指示回波信号.
激光导引头主要分为2种工作体制,一种是风标式,采用“继电器”式的导引方式;另一种是陀螺式,采用比例导引方式.
激光导引头模拟器就是依据激光导引头的工作原理而研制的一种测试评估设备.它的功能与真实的激光导引头基本相同,利用二维转台模拟陀螺,实现搜索及跟踪功能.同时增加了量化的干扰效果检测功能,同激光目标指示模拟器(含激光器和编码器)一起,模拟半主动激光制导武器,实现对激光有源欺骗干扰效果评估检测.
激光导引头模拟器主要由导引头、二维伺服转台、摄像头及显控部分等组成.导引头安装在二维转台上,利用二维转台在方位和俯仰方向转动,实现导引头对目标的搜索、跟踪.设备组成框图如图1.
设备工作时首先设置导引头编码,使之与激光目标指示模拟器的编码相同.当激光目标指示模拟器照射目标处于导引头视场之内,并且目标回波能量高于导引头的灵敏度时,导引头对接收到的回波信号进行误差提取和编码相关处理,如果回波信号编码与设置编码相同,则误差信号通过信号变换送至转台控制器,驱动二维转台转向激光照射目标,形成对目标的跟踪.
当干扰激光与指示激光的回波信号同时被导引头接收时,如果干扰有效,导引头将跟踪干扰激光所照射的假目标.
摄像头、视频采集卡和微机组成的显控装置,主要用于动态跟踪过程的显示及功能设置等.
导引头主要由光学接收系统、四象限光电探测器、信号处理电路及信息处理器等部分组成,其工作原理如图2所示.
激光目标指示模拟器照射目标后,其漫反射回波通过光学接收系统汇聚到四象限光电探测器上,在离焦放置的四象限探测器光敏面上形成光斑,经光电转换后送给信号处理电路,解算出光斑中心与光轴在水平和俯仰方向上的角偏差量,送给信息处理器.信息处理器根据提取的预设编码,对信号处理器送来的激光脉冲信号在时序上进行相关处理,只有与预设编码相关的激光脉冲信号的误差信号才能输出至二维转台控制器.
2 激光有源欺骗设备的干扰效果检测
2.1测试方法
测试方法如下:
(1)首先应根据激光制导模拟装置的技术参数确定激光制导模拟设备与攻击目标之间的布设距离,根据激光对抗设备的典型作战使用方式合理布设假目标,布设方案见图3.
(2)不实施干扰的情况下,验证激光制导模拟设备对真目标的锁定情况;
(3)实施激光有源欺骗干扰,验证激光制导模拟设备对假目标的锁定、跟踪情况;
(4)逐步移动假目标至较远位置,重复(2)、(3)项试验,直至找出假目标离真目标最远的有效干扰位置R;
(5)对上述试验数据进行处理,给出评估结论.
2.2干扰效果评估方法
方法一:基于导引头跟踪图像的人工评估方法.
这种评估方法需要在显示器上显示模拟导引头锁定目标的跟踪视频图像.在干扰过程中,观察视频图像上的被跟踪目标的变化,看它是否跟踪假目标,若跟踪假目标则评估为干扰有效,否则视为干扰无效.因此该评估方法的评估准则为:
(1) 干扰有效:模拟导引头由跟踪真目标,转而稳定跟踪假目标;
(2) 干扰无效:模拟导引头一直正常跟踪真目标,或干扰中虽然丢失真目标,过一定时间后,又恢复对真目标的跟踪.
方法二:基于目标空域特征的干扰效果评估方法.
目标在空域上的特征就是干扰前后目标空间位置的偏差,见图4.将干扰后模拟导引头锁定的目标称为假目标,如果假目标的位置与真目标位置最大偏差小于导弹的爆炸半径,那么就没有起到干扰作用,否则认为起到了干扰作用.
设实验过程中,假目标和真目标间的最大有效布设距离(即干扰有效的假目标与真目标的最大距离,该数据可在实验中确定)为R1,目标与导引头之间的距离为S1,设导弹末制导距离为S2.实战中,假目标与真目标的最大有效布设距离为R2,则可求得
R2=R1(S2/S1) (1)
设导弹的爆炸半径为Rb,则引入评估参数
k=R2-Rb (2)
通过上文分析,可知当k≤0时没有干扰效果,否则有干扰效果,且k越大干扰效果越好.
2.3有效干扰空域范围评估
漫反射假目标反射的激光能量遵循余弦分布规律,在漫反射假目标的法线方向的能量分布最大,对单一漫反射假目标来说,当威胁从不同的方向进入时,所受的干扰效果不尽相同,尤其是选择自然地物假目标时,干扰效果更是不尽相同,因此,采用半实物方法对假目标进行有效干扰空域范围评估,对干扰设备的战术使用、假目标的阵地布设,具有重要的意义.
有效干扰空域范围评估主要是在方位上确定有效干扰范围,可采用2.2节介绍的方法,通过不断旋转假目标的布设方位,确定假目标的方位有效干扰范围.设假目标法向左右两侧的有效干扰范围角度为θ1、θ2,假目标的方位有效干扰范围为θ1+θ2.引入评估参数
k=(θ1+θ2)/180 (3)
则有0
3 结束语
本文论述了激光有源欺骗干扰半实物仿真方法,仿真评估并不能完全取代打靶试验,但是用仿真方法却可以大大减少打靶试验的次数.反过来,打靶试验可以校正仿真,进一步提高仿真的可信度,两者相互促进.
摘要：介绍了激光制导模拟装置组成及工作原理,依据激光角度欺骗干扰设备的作战模式,提出了基于半实物仿真的激光角度欺骗干扰效果评估方法,确立了评估准则.该方法为激光角度欺骗干扰设备的作战使用提供了评价依据.
关键词：角度欺骗,导引头,半实物仿真,评估方法
参考文献
[1]杨宝庆,陈勇.激光角度欺骗干扰效果评估方法研究[J].光电技术应用,2005,20(4):63-66.
[2]高卫.对光电制导系统干扰效果的评估方法[J].弹道学报,2005,17(3):53-59.
半仿真试验 篇7
近年来, 国内外学者应用控制理论在汽车半主动悬架系统的研究方面做了大量的工作。研究表明, 采用不同的控制策略和数学模型, 所获得的悬架特性是不一样的, 因此研究不同的控制策略与悬架特性对应的关系是半主动悬架研究的一个重要方面[1—3]。本文基于模糊控制策略, 在Matlab/Simulink软件环境下开发一种空气悬架系统的模糊控制器, 并仿真研究该半主动悬架系统的动态特性, 以验证控制算法的有效性, 并为模糊控制半主动空气悬架系统的研究提供参照。
1系统模型的建立
汽车是一个复杂的振动系统。在研究垂直方向上的振动对汽车平顺性的影响时, 可将汽车简化为两自由度的线性振动分析模型[4]。建模时, 将车厢、底盘和载荷等近似处理为只有质量而无弹性的刚体;忽略轮胎变形过程中的阻尼, 用线性弹簧代替弹性轮胎。1/4汽车空气悬架力学模型如图1所示。
该模型的动力学微分方程如式 (1) 、式 (2) 所示。
式中, kt代表轮胎径向刚度;k为空气弹簧刚度 (对于半主动悬架其值可调, 对于被动悬架其值固定) ;c为减振器阻尼系数;m1、m2分别代表非簧载质量和簧载质量, q, z1, z2分别表示路面激励、非簧载质量位移以及簧载质量位移。
根据式 (1) 、式 (2) , 在Matlab/Simulink里建立系统的动力学模型, 如图2所示。
2模糊控制器的设计
模糊控制器的设计主要包括模糊输入输出变量及其论域的确定、模糊控制规则的确定、模糊化和解模糊化方法的确定等内容[5]。
本文选用了双输入单输出的模糊控制器。由于车身的振动加速度是评价汽车平顺性的最主要的指标之一, 选取参考输入加速度的均方根值与响应加速度的均方根值的偏差e及其变化率ec作为模糊控制器的输入量, 以空气悬架系统空气弹簧刚度的变化u作为模糊控制器的输出变量。输入输出变量均取7个语言值, 即正大 (PB) 、正中 (PM) 、正小 (PS) 、零 (ZE) 、负小 (NS) 、负中 (NM) 、负大 (NB) , 共49条控制规则。输入变量和输出变量的模糊子集均采用三角形隶属函数。隶属函数论域均取[-3, 3]。
若用E、EC和U分别代表控制器输入的误差和误差变化率的模糊集合以及输出的模糊集合, 所设计的模糊控制器的控制规则如表1所示。
本文的模糊推理和去模糊化方法均采用min-max重心法。
3模糊控制系统仿真与分析
3.1路面模型的建立
作为车辆振动输入的路面不平度, 主要采用路面功率谱密度描述其统计特性。产生随机路面不平度时间轮廓 (路面粗糙度) 常有两种方法, 即由白噪声通过一个积分器产生或由白噪声通过一阶滤波来模拟。本文采用第二种方法, 即滤波白噪声随机路面输入, 其时域模型可描述为[6]
式 (3) 中, q (t) 为车轮所受的路面随机激励;α为路面不平度系数;v为汽车前进速度;w (t) 为高斯分布的白噪声。
设车辆以v=50 km/h的速度驶过B级路面, 取路面不平度系数为0.130 3。在Simulink里, 得到图3所示路面仿真模型。
3.2悬架系统的参数及仿真模型
针对某型客车, 利用Matlab/Simulink和Fuzzy工具箱对建立的模糊控制悬架模型进行仿真。所用车型的相关参数为:非簧载质量m1=468 kg;簧载质量m2=3 490 kg;轮胎刚度Kt =3 000 (kN·m-1) ;阻尼器系数c=7 400 (N·m·s-1) ;空气弹簧的工作刚度可通过调节节流孔面积的大小, 使其在50 (kN·m-1) —110 (kN·m-1) 之间变化, 以适应不同路况。模糊控制悬架系统模型, 如图4所示。
3.3仿真结果及分析
结合所建模型, 参考国际标准ISO 2631人体对振动反应的“疲劳-工效降低界限”, 选取参考车身加速度均方根值0.5 (m·s-2) 为设定值, 对所建模糊控制半主动悬架模型和被动悬架模型进行对比仿真, 仿真时忽略空气弹簧的时滞影响[7]。
图5、图6和图7分别为半主动悬架和被动悬架在同一时间段、相同工况下轮胎动载荷、车身垂向加速度响应的均方根值和悬架动挠度的比较。
由图5、图6和图7可见, 当路面激励为白噪声信号时, 模糊控制半主动悬架汽车的车身垂直加速度明显小于被动悬架;悬架动扰度变化并不明显;轮胎动载荷与被动悬架的变化幅度基本一致。
4结论
本文对基于模糊控制的某型客车半主动悬架系统进行了仿真研究。研究结论表明, 与被动悬架相比较, 基于模糊控制的半主动悬架能有效降低车身垂向加速度, 在一定程度上提高汽车的行驶平顺性, 但在减小轮胎动载荷及悬架动挠度方面效果不明显。因此, 模糊控制方法有待与其它控制方法组合后对悬架系统进行联合控制, 以取得更佳的振动控制效果。
参考文献
[1]赵开林.汽车半主动悬架模糊控制研究.南昌:华东交通大学, 2007
[2]张孝祖, 乐巍, 陈龙.阻尼模糊控制在车辆半主动悬架中的应用.农业机械学报, 2004;35 (2) :5—8
[3]吴九山.车辆半主动悬架模糊PID控制仿真及实验研究.南京:南京林业大学, 2008
[4]余志生.汽车理论 (第5版) .北京:机械工业出版社, 2009
[5]李士勇.模糊控制.神经控制和智能控制论.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2004
[6]檀润华, 陈鹰, 路甬祥.路面对汽车激励的时域模型建立及计算机仿真.中国公路学报, 1998;11 (3) :96—102