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回路硬件仿真技术在直升机控制系统中的应用
软、硬件的并行开发方法可以加快设计进程，但在系统整合时常常出现很多问题，而硬件回路仿真能有效解决这些问题，采用该技术可以在开发周期初完成嵌入式仿真。本文以HIL技术在实验性动态直升机系统用嵌入式控制中的为例阐述该技术的特点和方法。align=RIGHT&VSPACE=12&HSPACE=12&ALT="图1:直升机前视图和侧视图。"&& 设计工程师一直在努力缩短新产品开发周期，而软硬件并行开发就是一种比较好的方法。通常这种方法需要多个独立的软硬件开发小组参与，这些小组的工作相互间独立、并行地进行。当原型硬件和嵌入式代码的主要部分实现后，就可以在系统整合阶段将硬件与软件合并起来并开始测试工作。& 在系统整合时经常会发生严重的问题，有些问题甚至会导致软件或硬件的重新设计。在问题成堆发生、成本持续升高或计划拖延太久的情况下，有可能中断设计项目，有时甚至不得不取消项目。因此，人们需要找到更好的方法来解决这些问题。& 回路硬件(hardware-in-the-loop，HIL)仿真被证明是一种有效的解决方法。该技术能确保在开发周期早期就完成嵌入式软件的测试。到系统整合阶段开始时，嵌入式软件测试就要比传统方法做得更彻底更全面。这样可以及早地发现问题，因此降低了解决问题的成本。& 本文所要讨论的就是采用了HIL仿真的一个嵌入式软件开发项目。该项目的目标是开发和测试实验性动态“直升机”系统用的嵌入式控制软件。有了HIL仿真后，人们无需使用除嵌入式处理器及其I/O接口外的任何硬件就能完成该控制器软件的设计和测试。& 随后的实际系统硬件与运行新软件的嵌入式控制器的连接首次便获得成功。在硬件、软件整合阶段唯一要做的额外工作是对一些控制器参数的少量调整，这是由于实际系统硬件与其仿真模型之间毕竟存在差异。& 直升机系统& 本项目需要开发适合Quanser&3自由度(3DOF)直升机的控制器软件。这是一个桌面电磁系统，内含由两个独立电子马达控制的3个旋转轴，每个轴驱动一个推进器。图1是直升机系统及其运动轴的框图。align=RIGHT&VSPACE=12&HSPACE=12&ALT="图2:直升机控制系统。"&& 假设倾斜轴的倾角接近零度，在对两个马达施加相同的高电压后直升机会垂直向上攀升。对两个马达施加不同的电压会使直升机绕倾斜轴旋转。为了使直升机向前移动，首先需要将直升机倾斜到一个非零角度，然后对两个马达同时施加适当的电压来产生向前的推力。& 如图2所示，系统采用的控制具有3个位置编码器输入信号、两个马达电压输出信号，以及用于模式选择与操纵杆控制的用户输入信号。控制通过专门设计的接口卡接收位置编码器输入信号，同时产生模拟输出电压，并通过数模转换器(DAC)驱动那两个马达。为了提供足够大的马达工作电流，DAC的输出需要连接到随后的功率放大器进行放大。& 位置编码器会随时监测每个轴的运动，这些编码器通过光学原理感知旋转运动并产生数字化的角度位置数值。位置编码器将以每360°4096个步距，或0.08789°的量化步距分辨率对这些数值进行量化。每个编码器的输出信号由两个TTL电平组成，即Phase&A和Phase&B，当对应轴反转时输出信号就在这两个高低电平之间来回切换。根据这两个信号之间的相位差可以判断每个轴的运动方向，如图3所示。脉冲频率正比于每个轴的旋转速率。& 直升机控制器的性能指标满足要在一定时间内将前进和上升轴移动到任意一个指定位置，时间一般应控制在10秒以内。此外，直升机控制器的软件必须支持其它一些操作模式。全套控制器操作模式包括：& 关闭模式:align=RIGHT&VSPACE=12&HSPACE=12&ALT="图3:位置编码器输出信号。"&& 控制器软件以关闭模式启动，此时两个马达上的电压为零。一旦系统离开这个模式，就只能从空(Null)模式再次进入该模式。当从空模式进入关闭模式时，需要控制上升轴缓慢地下降到桌面正上方，然后将马达电压设置为零。& 空模式:& 当从关闭模式转变到该模式时，首选要给马达上电，并控制所有轴到零位置。如果从其它模式转变到空模式，那么只需要将所有轴控制到零位置。零位置是指倾斜轴和前进轴在系统启动位置，而推进组件被抬举到上升方向的水平位置，如图1所示。& 随机模式:& 在10秒时间间隔内为前进和上升轴位移命令产生预定义范围内的一个新随机值，然后由控制器软件将直升机移动到相应的位置。& 自动驾驶模式:& 在这种模式下，由操纵杆产生控制器所需的上升和水平行进命令。通过操纵杆的前后动作控制上升位置，通过左右动作来控制水平位置。控制器通过移动直升机来跟随命令所指定位置。& 手动模式:& 在手动模式下，操纵杆直接产生马达驱动用的电压和与电压差。操纵杆前后动作控制两个马达电压的和，左右运动控制两个马达电压的差。在这种模式下系统特别难以控制，如果任何轴的运动超过了某个位置限制，控制器就会自动切换到空模式。通常，在进入该模式后的几秒钟内可能产生违反限制的问题。& 在确定系统功能和性能要求后，可以进行控制器软件的开发和测试。而仿真技术的应用可以加快直升机控制器软件的开发和测试速度。& 项目规范 为了对嵌入式软件进行HIL仿真测试，需要使用嵌入式处理器及其附属I/O器件。对于许多嵌入式系统来说，这只是整个系统的一小部分，可以在早期开发阶段实现组合。可以创建一个直升机硬件及其与外部交互的仿真，并通过控制器的I/O接口把这个仿真与嵌入式控制器连接起来。嵌入式控制器和直升机仿真就如同实际系统一样工作。& 在复杂的嵌入式产品开发早期，经常需要仿真一个完整系统在预期中的运行。这种利用动态系统仿真工具，如Simulink开发的仿真系统通常不是实时的，但可以作为HIL仿真的基础。某些时候需要对这些仿真系统中包含的模型进行简化和优化，使之适合实时仿真使用。不过在本项目中不需要修改这些模型。& 复杂系统仿真需要用到许多高级的算法，但可以采用专门的软件工具来简化任务：Simulink是MATLAB的一个附件，它可以用来提供以框图为主的图形环境下的动态系统仿真。用Simulink进行仿真的方法是先把“调色板”上的模块拖到绘画区域，然后用代表信号流向的直线把这些模块连接起来。图4就是直升机项目中采用的位置编码模型的Simulink框图，该模型把以弧度表示的角度位置作为其输入信号，并产生Phase&A和Phase&B信号作为其输出。另外，它还输出指示信号，用来指示相应轴到达零位置的时刻。直升机位置编码器不会产生指示信号输出，因此不使用该Simulink模型的输出。& Stateflow是Simulink的一个附件，用以实现有限状态机模型。在这个直升机项目中，Stateflow模型用来实现直升机模式选择逻辑。& Real-Time&Workshop根据Simulink框图产生C代码，其它工具需要使用这些代码来达成编译与执行目标。在本项目中，其它工具包括Real-Time&Windows&Target和xPC&Target。& Real-Time&Windows&Target允许仿真的编译与执行作为PC机Windows系统中的一个实时进程，能与Windows操作系统同时运行。在本项目中，Real-Time&Windows&Target执行的是HIL系统仿真，所用主机正是开发和控制直升机软件的计算机。align=RIGHT&VSPACE=12&HSPACE=12&ALT="图5:直升机和控制器模型。"&& xPC&Target允许在PC机上执行仿真，此时PC机的功能如同专门的实时控制器。xPC&Target还提供实时的多任务内核供只有有限硬件资源的嵌入式处理器使用。xPC&Target在本项目中用来在一台独立PC上产生和执行直升机控制器用的实时代码，此时该PC机就用作“嵌入式”控制器。& 仿真开发& 控制器软件开发的第一步是实现对整个直升机控制器系统的仿真，图5给出了仿真的顶层框图。其中两个较大的方框分别表示直升机系统本身和数字控制器，两个较小的带有“操纵杆”和“模式命令”标签的方框向控制器提供用户输入信号。图5中的“直升机”框图包含有直升机动态行为的Simulink模型，如图6所示。从图6可以看到，该模型采用了转移函数、求和函数和积分器等多个Simulink模块。带“有限运动”标签的模块包含有一个受限于向下靠近桌面方向的上升轴运动模型。当被仿真的直升机碰到桌面时，所有3个运动轴的速度都被置为零，因此非常接近实际直升机的行为。从靠近右边的3个量化器可以看出位置编码器的量化效果。& “有限运动”模块代表一个子系统。子系统模块允许在仿真开发期间通过分层图集(hierarchical&sets&of&diagrams)来控制复杂性。子系统间可以进行任意多层的嵌套，类似于函数的嵌套调用。& &[1]&&
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图形仿真技术在计算机自动控制中的应用（毕业论文doc）
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计算机仿真技术应用简介
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计算机仿真技术应用简介
&&& 计算机仿真技术是以多种学科和理论为基础，以计算机及其相应的软件为工具，通过虚拟试验的方法来分析和解决问题的一门综合性技术。计算机仿真（模拟）早期称为蒙特卡罗方法，是一门利用随机数实验求解随机问题的方法。其原理可追溯到1773年法国自然学家G.L.L.Buffon为估计圆周率值所进行的物理实验。根据仿真过程中所采用计算机类型的不同，计算机仿真大致经历了模拟机仿真、模拟－数字混合机仿真和数字机仿真三个大的阶段。20世纪50年代计算机仿真主要采用模拟机；60年代后串行处理数字机逐渐应用到仿真之中，但难以满足航天、化工等大规模复杂系统对仿真时限的要求；到了70年代模拟－数字混合机曾一度应用于飞行仿真、卫星仿真和核反应堆仿真等众多高技术研究领域；80年代后由于并行处理技术的发展，数字机才最终成为计算机仿真的主流。现在，计算机仿真技术已经在机械制造、航空航天、交通运输、船舶工程、经济管理、工程建设、军事模拟以及医疗卫生等领域得到了广泛的应用。
二、计算机仿真的实现
&&& 对于需要研究的对象，计算机一般是不能直接认知和处理的，这就要求为之建立一个既能反映所研究对象的实质，又易于被计算机处理的数学模型。关于研究对象、数学模型和计算机之间的关系，可以用图1来表示。
&&& 数学模型将研究对象的实质抽象出来，计算机再来处理这些经过抽象的数学模型，并通过输出这些模型的相关数据来展现研究对象的某些特质，当然，这种展现可以是三维立体的。由于三维显示更加清晰直观，已为越来越多的研究者所采用。通过对这些输出量的分析，就可以更加清楚的认识研究对象。通过这个关系还可以看出，数学建模的精准程度是决定计算机仿真精度的最关键因素。从模型这个角度出发，可以将计算机仿真的实现分为三个大的步骤：模型的建立、模型的转换和模型的仿真实验。
1．模型的建立
&& 对于所研究的对象或问题，首先需要根据仿真所要达到的目的抽象出一个确定的系统，并且要给出这个系统的边界条件和约束条件。在这之后，需要利用各种相关学科的知识，把所抽象出来的系统用数学的表达式描述出来，描述的内容，就是所谓的“数学模型”。这个模型是进行计算机仿真的核心。
&&& 系统的数学模型根据时间关系可划分为静态模型、连续时间动态模型、离散时间动态模型和混合时间动态模型；根据系统的状态描述和变化方式可划分为连续变量系统模型和离散事件系统模型。对于数学建模的一些问题，西安交通大学的胡峰等人在《动态系统计算机仿真技术综述（Ⅰ）——仿真模型》中有较为详细的论述。
2．模型的转换
&&& 所谓模型的转换，即是对上一步抽象出来的数学表达式通过各种适当的算法和计算机语言转换成为计算机能够处理的形式，这种形式所表现的内容，就是所谓的“仿真模型”。这个模型是进行计算机仿真的关键。实现这一过程，既可以自行开发一个新的系统，也可以运用现在市场上已有的仿真软件，如铸造过程就常用MAGMAsoft软件来进行仿真。
3．模型的仿真实验
&&& 将上一步得到的仿真模型载入计算机，按照预先设置的实验方案来运行仿真模型，得到一系列的仿真结果，这就是所谓的“模型的仿真实验”。
&& 具备了上面的条件之后，仿真实验是一个很容易的事情。但是，应该如何来评价这个仿真的结果呢？这就需要来分析仿真实验的可靠性。胡峰等人在《动态系统计算机仿真技术综述（Ⅱ）——仿真结果分析》一文中提出了检验仿真结果可靠性的两种方法：置信通道法和仿真过程的反向验证法，可供参考。
三、计算机仿真在机械行业中的应用
1．计算机仿真在复杂机械加工过程研究方面的应用
&&& 机械加工过程，是机械行业进行生产的基础。利用计算机仿真，有助于发现其机理，为提高机械加工性能提供理论支持。如磨削方面，吉林大学的王龙山教授等提出了依赖于时间变化的描述磨削过程的各个数学模型，通过计算机模拟可以预测和估计磨削行为和磨削质量，为磨削过程优化、智能控制、虚拟磨削创造了必要的前提。李国发博士等研究了变进给磨削过程磨削功率的模型，利用计算机仿真得到能够应用于实际磨削过程的最佳磨削方案。还有山东大学机械工程学院的王霖等研究了磨削温度场的计算机仿真系统，实现了对磨削温度场的预测及优化，为研究各加工参数对磨削温度场的影响提供了理论依据。铣削方面，同济大学机械工程系的李沪曾教授等建立了多齿端铣切削过程动力学模型，开发了切削振动仿真的微机通用软件，采用数字仿真方法研究了平面端铣切削振动的原理和条件。佳木斯大学的任福君教授等研究了电火花切割多轴加工复杂曲面的计算机图形仿真技术；上海交通大学的楼乐明博士等建立了电火花加工的工艺仿真系统，实现了加工效果的预测、加工参数的优化。挤压成型方面，上海交通大学的储灿东博士建立了连续挤压的计算机仿真模型，并通过模拟实验得出了连续挤压全过程的应力场、应变场和温度场。
2．计算机仿真在汽车制造研究方面的应用
&&& 汽车制造是机械行业的一个重要组成部分。它有很多实验课题，难度大、实地成本高，计算机仿真技术的引入，有效的缓解了这一方面的问题。如发动机方面，装甲兵工程学院机械系的毕小平教授等建立了多缸柴油机起动过程的计算机仿真模型，其仿真结果与实际测量值比较吻合，可用于多缸柴油机的起动性能仿真。江苏理工大学的蔡忆昔实现了对进气管内气体流动的动态仿真，直观描述了瞬态过程，为多缸发动机换气过程的研究提供了有效的方法。汽车流场方面，华东理工大学信息学院的吕明忠博士等成功的模拟出了汽车尾流场的气流分离和拖曳涡现象，建立了两种车型的汽车外流场空气动力学模型，并进行了仿真实验，取得了满意结果。碰撞实验方面，浙江大学动力机械及车辆工程研究所的詹樟松博士根据汽车碰撞的事故形态与乘员伤害之间的规律，建立了乘员动力学响应的数学模型，并开发出了相应的仿真软件，该系统可部分代替实车碰撞实验进行汽车被动安全性能的研究。其他方面，例如，汽车工程学院的熊坚对汽车的制动过程进行了仿真研究，一汽大众汽车有限公司的姚革等通过仿真研究了汽车转向的轻便性问题等。
3．计算机仿真在齿轮设计方面的应用
&& 齿轮是机械产品的主要基础部件，对其进行仿真研究具有重要意义，很多的科研工作者在这方面做了相关的研究。如太原理工大学的庞桂兵等采用Visual Lisp语言从几何角度讨论了任意端面齿形的齿轮建模及其传动仿真，山东矿业学院的张广军等利用计算机仿真研究了圆弧针齿行星传动的动力学问题，南京航空航天大学机电工程学院的曾英等通过计算机仿真探讨了主动齿轮与刀具齿数差、齿数比、模数等主要参数对正交面齿轮传动接触点的影响。计算机仿真在齿轮泵的齿轮的设计与制造中，也有着重要的应用。
4．计算机仿真在故障诊断方面的应用
&&& 故障诊断是机械研究中的一个重要领域，以往的研究主要是对经验的汇集和小规模的工况模拟实验，其局限性较大。计算机仿真技术的介入，使我们提高了故障机理研究、故障定量分析和对故障进行预测和诊断的能力。北京机械工业学院机械工程系的张胜等利用计算机仿真的方法计算了不平衡转子上关键点的振动烈度，与试验台测试数据基本一致，为进一步对旋转机械故障作精确诊断奠定了基础。福建农业大学机电工程系的黄键教授用计算机仿真代替故障定位法来对电喷发动机进行故障诊断，取得了良好的效果。
5．计算机仿真在疲劳寿命判断方面的应用
&&& 在机械的运行中，疲劳问题不可避免。为了研究疲劳问题，往往要做大量的疲劳实验，这不仅耗时、耗费、需要大量的人力、物力，而且对于有些复杂的问题，目前还无法在试验机上实现。计算机仿真技术为解决这一问题提供了新的疲劳试验研究途径。东北大学机械工程与学院的王雷博士等利用调质45钢的单轴试验数据和正火45钢的多轴拉扭试验数据建立的仿真模型，能够比较精确的预测单轴疲劳和多轴疲劳的寿命。郭浩等将随机离散仿真方法运用于模拟材料性能变化的全过程，通过仿真统计出其寿命的分布，预测精度较高。武汉科技大学的郭宏等利用线性相关原理实现了机械零件寿命判定的计算机仿真，这种方法计算工作量较小，判定准确性较高。
6．计算机仿真在机械制造其他领域中的应用
&&& 除了上面所提到的，计算机仿真还在机械行业的其他领域之中有着广泛的应用。例如应用于刀具设计、微钻头设计、渗碳层浓度分布、含间隙机构、空调制冷系统的研制和包装机械的开发等等。
四、计算机仿真的发展方向
&&& 随着计算机应用技术和网络技术的发展，计算机仿真技术也在不断的发展之中。如利用网络技术实现异地仿真、应用虚拟现实技术进行的虚拟制造等。
1．网络化仿真 &&&& 现在已经开发出来的仿真系统，多数不能相互兼容，可移植性差，实现共享困难。较之于开发的高成本和长时间，实在物未尽其用。解决这些问题，第一就是采用兼容性好的计算机语言编写仿真系统，第二就是采用网络化技术实现仿真系统共享。尤其是后者，在将来的仿真系统开发中有着重要地位。实现仿真系统的网络共享，既可以在一定程度上避免重复开发以节约社会资源，又可以通过适当收费以补偿部分开发成本。
2．虚拟制造技术
&&& 计算机仿真技术发展的另一大方向就是在虚拟制造技术领域的深入应用。虚拟制造技术是20世纪90年代发展起来的一种先进制造技术。它利用计算机仿真技术与虚拟现实技术，在计算机上实现从产品设计到产品出厂以及企业各级过程的管理与控制等制造的本质。这使得制造技术不再主要依靠经验，并可以实现对制造的全方位预测，为机械制造领域开辟了一个广阔的新天地。
五、结束语
&&& 计算机仿真技术只是当今发展起来的众多新技术中的一种，根据需要还可以将更多的新技术拿来为我所用。有引进与创新，才有机械行业的发展。
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