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飛控系統(tǒng)半物理仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)探究

2021-03-18 04:33唐鵬張文濤劉曉鋒
教育教學(xué)論壇 2021年49期
關(guān)鍵詞:教學(xué)實(shí)驗(yàn)

唐鵬 張文濤 劉曉鋒

[摘 要] 目前,飛行控制系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)主要以Matlab/Simulink建模仿真為主,傳統(tǒng)手工編碼設(shè)計(jì)控制器軟件的設(shè)計(jì)方法面臨教學(xué)難度大、調(diào)試過(guò)程復(fù)雜等問(wèn)題。基于快速原型技術(shù),引入三軸轉(zhuǎn)臺(tái)、飛控計(jì)算機(jī)等硬件設(shè)備,設(shè)計(jì)了半物理仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)。教學(xué)結(jié)果表明,教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驇椭鷮W(xué)生理解數(shù)學(xué)仿真和實(shí)際飛行之間如操縱指令的延遲、傳感器特性干擾、離散域和連續(xù)域之間的差異,了解飛行器的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)及地面實(shí)驗(yàn)的方法,有利于提高學(xué)生的實(shí)踐能力和綜合解決問(wèn)題的能力。

[關(guān)鍵詞] 飛行控制系統(tǒng);基于模型;半物理仿真;教學(xué)實(shí)驗(yàn)

[基金項(xiàng)目] 2020年度北京航空航天大學(xué)本科生教學(xué)改革項(xiàng)目“飛行器適航技術(shù)專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐”

[作者簡(jiǎn)介] 唐 鵬(1980—),男,北京人,博士,北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)師,主要從事飛行控制與試飛研究;張文濤(1995—),男,河南焦作人,北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院2019級(jí)交通運(yùn)輸工程專(zhuān)業(yè)碩士研究生,研究方向?yàn)闊o(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)半物理仿真和地面驗(yàn)證;劉曉鋒(1979—),男,遼寧凌源人,博士,北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院副教授(通信作者),主要從事系統(tǒng)建模與控制飛行研究。

[中圖分類(lèi)號(hào)] C229.29 ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? [文章編號(hào)] 1674-9324(2021)49-0082-04 ? ?[收稿日期] 2021-04-20

一、引言

飛行控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)遵循設(shè)計(jì)—實(shí)現(xiàn)—驗(yàn)證的V模式,地面設(shè)計(jì)與試驗(yàn)主要包括以下步驟:動(dòng)力學(xué)建模、控制器設(shè)計(jì)、數(shù)字仿真驗(yàn)證、控制算法/軟件實(shí)現(xiàn)、半物理仿真驗(yàn)證[1-3]。在傳統(tǒng)的飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,完成飛行控制律設(shè)計(jì)和數(shù)字仿真驗(yàn)證后,需要根據(jù)飛控硬件系統(tǒng)開(kāi)展機(jī)載代碼編寫(xiě)、測(cè)試。而目前基于模型的飛控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)方興未艾,在飛控工程師基于Matlab/Simulink設(shè)計(jì)平臺(tái)完成控制律設(shè)計(jì)后,可以直接生成機(jī)載代碼,大幅提升飛控系統(tǒng)研發(fā)效率。與此同時(shí),飛控系統(tǒng)的地面試驗(yàn)驗(yàn)證作為必要的后續(xù)測(cè)試與驗(yàn)證手段,能夠快速確認(rèn)在飛行控制律的機(jī)載實(shí)現(xiàn)中是否存在缺陷,成為當(dāng)前飛控系統(tǒng)快速研發(fā)的趨勢(shì),也是未來(lái)飛控系統(tǒng)研發(fā)人員所必須具備的能力。因此,本文從飛控系統(tǒng)快速設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的角度出發(fā),運(yùn)用基于模型的工具,引入飛控計(jì)算機(jī)、三軸轉(zhuǎn)臺(tái)等硬件,構(gòu)建地面半物理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)展教學(xué)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)開(kāi)展飛控系統(tǒng)的半物理仿真驗(yàn)證教學(xué)實(shí)驗(yàn)[4,5],增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于飛控系統(tǒng)

開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證全流程的理解,鍛煉學(xué)生的設(shè)計(jì)驗(yàn)證實(shí)踐能力。

二、快速原型技術(shù)與教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

快速原型技術(shù)是通過(guò)將產(chǎn)品研制初期的設(shè)計(jì)思想和結(jié)果快速地轉(zhuǎn)換為能夠反映產(chǎn)品主要功能和外觀的三維實(shí)體模型,快速地設(shè)計(jì)出符合用戶(hù)和市場(chǎng)需求的產(chǎn)品。具體到飛控系統(tǒng)研發(fā),設(shè)計(jì)人員均采用Simulink對(duì)模型進(jìn)行模塊化、圖形化的建模,在充分驗(yàn)證模型的正確性后,利用RTW自動(dòng)生成代碼技術(shù),將Simulink模型生成優(yōu)化的、可移植的代碼,并可以根據(jù)目標(biāo)配置生成硬件環(huán)境下的可執(zhí)行程序,之后借助系統(tǒng)驗(yàn)證環(huán)境進(jìn)行半物理仿真驗(yàn)證[6,7]。

將快速原型技術(shù)應(yīng)用到飛控系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn),學(xué)生在數(shù)字仿真驗(yàn)證后,可快速地將控制器生成實(shí)時(shí)代碼并加載到飛控計(jì)算機(jī)中開(kāi)展后續(xù)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),若出現(xiàn)設(shè)計(jì)不完善或者算法設(shè)計(jì)不合理的情況,都可以進(jìn)行快速調(diào)整。半物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用“上—下”位機(jī)架構(gòu),上位機(jī)是1臺(tái)Windows主控計(jì)算機(jī),進(jìn)行控制算法模型及飛行器動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)、軟件運(yùn)行管理和快速代碼生成;下位機(jī)由1臺(tái)實(shí)時(shí)仿真機(jī)和1個(gè)飛控計(jì)算機(jī)組成;實(shí)時(shí)仿真機(jī)主要負(fù)責(zé)解算飛行器動(dòng)力學(xué)模型;飛控計(jì)算機(jī)運(yùn)行實(shí)時(shí)生成的控制律模型代碼;三軸轉(zhuǎn)臺(tái)模擬飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。該半物理仿真平臺(tái)可以用于控制系統(tǒng)離散化實(shí)驗(yàn)、機(jī)載代碼生成及測(cè)試實(shí)驗(yàn)、處理器在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)(PIL)、硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)(HIL)[8]。

三、半物理仿真實(shí)驗(yàn)

在控制律設(shè)計(jì)完成后,經(jīng)過(guò)了桌面仿真確認(rèn),即可開(kāi)展半物理仿真實(shí)驗(yàn)。半物理仿真實(shí)驗(yàn)由控制系統(tǒng)離散化、機(jī)載代碼生成及測(cè)試、處理器在環(huán)、硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)四部分組成。首先需要將桌面仿真時(shí)采用的連續(xù)域控制器轉(zhuǎn)化為離散域,同時(shí)增加控制器輸入/輸出接口,然后經(jīng)過(guò)機(jī)載代碼自動(dòng)生成并進(jìn)行一致性測(cè)試后,加載到飛控計(jì)算機(jī)中開(kāi)展處理器在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn),最終應(yīng)用飛行器動(dòng)力學(xué)模型仿真驅(qū)動(dòng)三軸轉(zhuǎn)臺(tái),將接通姿態(tài)傳感器的飛控計(jì)算機(jī)固連于轉(zhuǎn)臺(tái)之上開(kāi)展硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中各個(gè)步驟依托設(shè)備如下:

控制系統(tǒng)離散化實(shí)驗(yàn):主控計(jì)算機(jī)。

代碼生成及測(cè)試實(shí)驗(yàn):主控計(jì)算機(jī)+飛控計(jì)算機(jī)。

處理器在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn):主控計(jì)算機(jī)+目標(biāo)仿真機(jī)+飛控板。

硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn):主控計(jì)算機(jī)+目標(biāo)仿真機(jī)+飛控板+三軸轉(zhuǎn)臺(tái)。

(一)控制律離散化實(shí)驗(yàn)

在控制系統(tǒng)的純數(shù)字設(shè)計(jì)與仿真中,一般應(yīng)用連續(xù)域控制器,但是在半物理仿真中,由于需要將控制算法與硬件相結(jié)合,所以必須將連續(xù)域控制器離散化。z變換是一種用冪級(jí)數(shù)表示離散信號(hào)的方法[9],是傅里葉變換的推廣,也是拉普拉斯變換的一種變形,是由采樣函數(shù)的拉普拉斯變換經(jīng)由代換(T為采樣周期)而得。在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中,學(xué)生通過(guò)對(duì)比離散化前后的系統(tǒng)響應(yīng),并以飛控計(jì)算機(jī)的基本運(yùn)行方式和涉及的相關(guān)原理為背景,有助于開(kāi)啟從書(shū)本中的控制系統(tǒng)到真實(shí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)觀念的轉(zhuǎn)變。

(二)機(jī)載代碼生成實(shí)驗(yàn)

控制算法需要通過(guò)機(jī)載代碼生成并下載到飛控計(jì)算機(jī)中,與傳統(tǒng)人工編寫(xiě)代碼相比,機(jī)載代碼簡(jiǎn)潔方便、節(jié)省時(shí)間,但一般需要通過(guò)實(shí)際處理器的運(yùn)行結(jié)果對(duì)比來(lái)驗(yàn)證代碼實(shí)現(xiàn)的功能與原模型一致。本實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)置了滾轉(zhuǎn)、俯仰、油門(mén)、偏航四個(gè)指令輸入通道來(lái)模擬真實(shí)遙控器指令輸入。在飛控系統(tǒng)的相同輸入下,對(duì)比桌面模型的解算結(jié)果與自動(dòng)生成的代碼解算結(jié)果,并且通過(guò)Matlab/Simulink的Assertion模塊自動(dòng)判斷兩者輸出是否存在差異,即可完成初步的飛行控制律代碼實(shí)現(xiàn)的校驗(yàn),確保載入飛控計(jì)算機(jī)代碼的正確性。此時(shí)還應(yīng)強(qiáng)調(diào)根據(jù)飛行管理系統(tǒng)的邏輯關(guān)系進(jìn)行遍歷,以確保邏輯功能的正常。

(三)處理器在環(huán)實(shí)驗(yàn)

處理器在環(huán)實(shí)驗(yàn)是在機(jī)載代碼生成的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,將經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的機(jī)載代碼裝訂到飛控計(jì)算機(jī)之中,并且將飛控計(jì)算機(jī)與模型仿真機(jī)實(shí)時(shí)連接,在模型仿真機(jī)輸出的虛擬傳感器信號(hào)作用下驗(yàn)證飛控計(jì)算機(jī)硬件解算是否與設(shè)計(jì)一致。需要注意的是,在本實(shí)驗(yàn)中需要添加硬件接口模型組成最終的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入機(jī)載模型。主要包括遙控器模塊、傳感器模塊、通訊模塊、蜂鳴器顯示燈模塊。各模塊之間的信號(hào)連接、數(shù)據(jù)類(lèi)型需要確認(rèn)無(wú)誤,最終的機(jī)載轉(zhuǎn)代碼模型如圖2所示。其中遙控器模塊和傳感器模塊作為操縱指令輸入和傳感器實(shí)測(cè)信號(hào)輸入;算法模塊是實(shí)驗(yàn)(二)中驗(yàn)證的控制算法;通訊模塊主要是實(shí)現(xiàn)仿真機(jī)和飛控計(jì)算機(jī)之間的雙向信息傳遞,即飛控計(jì)算機(jī)向仿真機(jī)發(fā)送舵面偏轉(zhuǎn)指令,仿真機(jī)向飛控計(jì)算機(jī)回傳由動(dòng)力學(xué)模型解算的傳感器信號(hào);蜂鳴器顯示燈模塊主要用來(lái)監(jiān)測(cè)飛控計(jì)算機(jī)運(yùn)行狀態(tài),包含代碼加載過(guò)程狀態(tài)顯示、加載完成狀態(tài)顯示、飛控是否解鎖狀態(tài)顯示、故障狀態(tài)顯示等。

與機(jī)載代碼生成測(cè)試實(shí)驗(yàn)相比,處理器在環(huán)實(shí)驗(yàn)中機(jī)載模型添加了軟硬件關(guān)系映射及相關(guān)硬件模型,進(jìn)一步驗(yàn)證代碼實(shí)現(xiàn)的功能。本實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),機(jī)載模型通過(guò)快速原型技術(shù)生成實(shí)時(shí)代碼,加載至在飛控計(jì)算機(jī),動(dòng)力學(xué)模型編譯后下載到仿真機(jī)運(yùn)行,兩者通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)閉環(huán)仿真。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中可實(shí)現(xiàn)飛控計(jì)算機(jī)引入仿真回路,驗(yàn)證存在一定通訊延遲的條件下,控制算法在實(shí)際飛控計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)的控制功能。

(四)硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)

硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)是在處理器在環(huán)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,加入三軸轉(zhuǎn)臺(tái)模擬飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng),用真實(shí)傳感器測(cè)量的姿態(tài)角信號(hào)代替仿真機(jī)模型解算的信號(hào),將轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的傳感器特性納入實(shí)驗(yàn)考察的對(duì)象之中,這也是工程中經(jīng)常應(yīng)用的地面測(cè)試手段之一。實(shí)驗(yàn)中引入實(shí)際傳感器和三軸轉(zhuǎn)臺(tái),同時(shí)帶來(lái)了時(shí)間延遲、偏差、死區(qū)等系統(tǒng)真實(shí)特征,能夠使學(xué)生具有更加真實(shí)的研發(fā)體驗(yàn)。若將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與處理器在環(huán)結(jié)果、數(shù)字離散仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,學(xué)生可以分析圖3中的示例曲線(xiàn),盡管三種模式的仿真結(jié)果相似,但是與數(shù)字離散仿真結(jié)果相比,PIL和HIL模式響應(yīng)超調(diào)量微增。這樣能夠更加直觀地向?qū)W生解釋半物理仿真中接入了網(wǎng)絡(luò)通信、轉(zhuǎn)臺(tái)、傳感器等實(shí)物,帶來(lái)了附加的延遲、死區(qū)等非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)特征的影響。同時(shí),HIL模式仿真結(jié)果顯示,轉(zhuǎn)臺(tái)靜態(tài)條件下傳感器測(cè)量的俯仰角存在小幅初始偏差,這也是MEMS傳感器所反映的真實(shí)特性。

總之,通過(guò)本實(shí)驗(yàn)可以更加真實(shí)地模擬飛控系統(tǒng)在真實(shí)環(huán)境下的使用特征,讓學(xué)生身臨其境地體驗(yàn)到飛控系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境,加深學(xué)生對(duì)于真實(shí)設(shè)計(jì)中存在的延遲、偏差等影響因素的認(rèn)知。

四、結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了飛控系統(tǒng)半物理仿真實(shí)驗(yàn),主要包含飛控律連續(xù)域-離散域轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)、機(jī)載代碼生成及測(cè)試實(shí)驗(yàn)、處理器在環(huán)實(shí)驗(yàn)、硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)等。提升了飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)的生動(dòng)性,激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過(guò)飛行器控制律模型測(cè)試修改、硬件系統(tǒng)調(diào)試、結(jié)果分析等過(guò)程,有利于加深學(xué)生對(duì)飛行控制器設(shè)計(jì)—實(shí)現(xiàn)—驗(yàn)證整個(gè)過(guò)程的認(rèn)識(shí),提升學(xué)生實(shí)踐和綜合解決問(wèn)題的能力,還可以將本系統(tǒng)用于微小型飛行器設(shè)計(jì)研發(fā),支持學(xué)生高效開(kāi)展課外科技活動(dòng)。

參考文獻(xiàn)

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Exploration on Teaching Experiments of Semi-physical Simulation of Flight Control System

TANG Peng, ZHANG Wen-tao, LIU Xiao-feng

(School of Transportation Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China)

Abstract: The teaching experiment of flight control is mainly based on Matlab/Simulink modeling and simulation. The traditional design method of manual coding controller software faces the problems of difficult teaching and complex debugging process. Based on rapid prototype technology, hardware devices such as three-axis turntable and flight control computer are introduced to design the semi-physical simulation teaching experiments. The results show that the teaching experiments can help students understand the differences between the mathematical simulation and actual flight, such as the delay of control command, the interference of sensor characteristics, the discrete domain and continuous domain, and understand the aircraft attitude motion and ground experiment methods, which is conducive to improving students’ practical ability and comprehensive problem-solving ability.

Key words: flight control system; model-based; semi-physical simulation; teaching experiments

3450501908260

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