本發(fā)明涉及一種支持快速虛實(shí)互換的運(yùn)載火箭半實(shí)物仿真系統(tǒng)，屬于航天產(chǎn)品系統(tǒng)仿真領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：當(dāng)前我國(guó)航天裝備研制主要依托地面測(cè)試或有限的飛行試驗(yàn)對(duì)裝備的設(shè)計(jì)方案、關(guān)鍵單機(jī)設(shè)備性能、全系統(tǒng)綜合性能進(jìn)行驗(yàn)證與測(cè)試評(píng)估，在一定程度上存在著測(cè)試覆蓋性差、試驗(yàn)成本高、試驗(yàn)周期長(zhǎng)等不足，難以滿足高密度研制與發(fā)射對(duì)研制成本和開(kāi)發(fā)周期的要求。半實(shí)物仿真通過(guò)在系統(tǒng)中接入部分實(shí)物，既可以使部件能在全系統(tǒng)環(huán)境中得到檢驗(yàn)，同時(shí)也能夠提高系統(tǒng)整體性能指標(biāo)的驗(yàn)證的置信度。利用飛行系統(tǒng)半實(shí)物仿真技術(shù)對(duì)型號(hào)技術(shù)難點(diǎn)問(wèn)題開(kāi)展仿真試驗(yàn)分析，對(duì)關(guān)鍵單機(jī)特性和全系統(tǒng)性能指標(biāo)進(jìn)行綜合驗(yàn)證評(píng)估，可以減少實(shí)裝試驗(yàn)次數(shù)，降低研制與試驗(yàn)成本，縮短研制與試驗(yàn)周期，提高型號(hào)設(shè)計(jì)質(zhì)量，避免設(shè)計(jì)方案反復(fù)，有效解決型號(hào)研制進(jìn)度異常緊張等問(wèn)題。開(kāi)展運(yùn)載火箭系統(tǒng)級(jí)半實(shí)物仿真與性能評(píng)估，涉及到飛行動(dòng)力學(xué)、飛行控制、動(dòng)力系統(tǒng)、分離等多專業(yè)分系統(tǒng)，運(yùn)載火箭系統(tǒng)研制呈現(xiàn)出產(chǎn)品化和模塊化的特征，現(xiàn)有的通用半實(shí)物仿真技術(shù)在運(yùn)載火箭研制過(guò)程中遇到新的典型問(wèn)題，具體表現(xiàn)為：1.飛行系統(tǒng)半實(shí)物仿真試驗(yàn)構(gòu)建復(fù)雜通用半實(shí)物仿真技術(shù)中，多關(guān)注于時(shí)鐘同步、跨平臺(tái)運(yùn)行、板卡驅(qū)動(dòng)控制、仿真運(yùn)行調(diào)度等底層技術(shù)，對(duì)于特定的仿真對(duì)象缺乏標(biāo)準(zhǔn)化接口，導(dǎo)致構(gòu)建面向運(yùn)載火箭的系統(tǒng)級(jí)半實(shí)物仿真試驗(yàn)環(huán)境這一過(guò)程十分復(fù)雜，在接口數(shù)據(jù)通信調(diào)試、軟硬件接口匹配等環(huán)節(jié)往往需要消耗大量的時(shí)間和精力，待考核的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)反而耗時(shí)較少。導(dǎo)致此問(wèn)題的根本性原因在于，參數(shù)設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)與仿真模型接口標(biāo)準(zhǔn)不一致。針對(duì)不同考核對(duì)象來(lái)構(gòu)建半實(shí)物仿真試驗(yàn)環(huán)境時(shí)，設(shè)備與模型之間的通信和數(shù)據(jù)交互接口總是需要被重新定義和測(cè)試。2.仿真模型復(fù)用程度不高傳統(tǒng)的半實(shí)物仿真技術(shù)主要應(yīng)用于各類控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與測(cè)試，多關(guān)注于算法和控制程序的考核層面，仿真模型顆粒度也多集中在算法/程序這個(gè)級(jí)別進(jìn)行復(fù)用。而運(yùn)載火箭系統(tǒng)級(jí)飛行性能考核則更關(guān)注于系統(tǒng)整體性能的匹配和優(yōu)化，如考核控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、分離系統(tǒng)等各分系統(tǒng)之間的匹配程度，以及指標(biāo)分配的合理性等，此時(shí)，仿真模型需要與分系統(tǒng)、關(guān)鍵單機(jī)之間進(jìn)行對(duì)應(yīng)。通用半實(shí)物仿真技術(shù)建立的仿真模型復(fù)用程度不高，體現(xiàn)為往往需要對(duì)仿真模型進(jìn)行二次封裝，以便對(duì)模型輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行整合或拆分，實(shí)現(xiàn)其與設(shè)備接口之間的映射關(guān)系。對(duì)于單次半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)施而言，如此操作并無(wú)問(wèn)題，但由于型號(hào)研制對(duì)半實(shí)物仿真試驗(yàn)有著快速構(gòu)建集成、任務(wù)目標(biāo)各異、參試對(duì)象經(jīng)常更換等需求，將帶來(lái)大量的仿真模型二次開(kāi)發(fā)和測(cè)試工作，客觀上降低了半實(shí)物仿真試驗(yàn)工作的效率，阻礙了半實(shí)物仿真技術(shù)對(duì)型號(hào)數(shù)字化研制的促進(jìn)和支撐。因此，有必要按照運(yùn)載火箭產(chǎn)品化、模塊化的研制思路，對(duì)仿真模型體系進(jìn)行重新規(guī)劃和定義，使之如同硬件設(shè)備一般即插即用，提出接口規(guī)范，進(jìn)而增強(qiáng)仿真模型在運(yùn)載火箭半實(shí)物仿真應(yīng)用中的重用程度。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出并實(shí)現(xiàn)了一種支持快速虛實(shí)互換的半實(shí)物仿真系統(tǒng)，使得設(shè)計(jì)和試驗(yàn)人員能夠快速、可靠、柔性的構(gòu)建運(yùn)載火箭系統(tǒng)級(jí)半實(shí)物仿真試驗(yàn)環(huán)境，高效的為型號(hào)研制服務(wù)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種支持快速虛實(shí)互換的運(yùn)載火箭半實(shí)物仿真方法，該方法包括如下步驟：(1)、建立運(yùn)載火箭系統(tǒng)中實(shí)際設(shè)備相對(duì)應(yīng)的設(shè)備原理模型和設(shè)備接口模型，并存入模型庫(kù)中，所述設(shè)備原理模型用于模擬相應(yīng)的參試設(shè)備的功能，所述設(shè)備接口模型用于實(shí)現(xiàn)仿真模型和參試設(shè)備之間數(shù)據(jù)交互；(2)、根據(jù)運(yùn)載火箭系統(tǒng)具體的測(cè)試任務(wù)，確定待進(jìn)行半實(shí)物仿真測(cè)試的測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)備組成，從模塊庫(kù)中提取待測(cè)系統(tǒng)各設(shè)備對(duì)應(yīng)的設(shè)備原理模型，按照待測(cè)系統(tǒng)物理拓?fù)潢P(guān)系，連接各設(shè)備原理模型，建立待測(cè)系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真模型；(3)、對(duì)待測(cè)系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真模型中各設(shè)備原理模型進(jìn)行參數(shù)配置，并設(shè)置仿真步長(zhǎng)為t＝1/F，F(xiàn)為待進(jìn)行半實(shí)物仿真測(cè)試的測(cè)試系統(tǒng)中所有設(shè)備的通信頻率的最小公倍數(shù)的整數(shù)倍，將待測(cè)系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真模型部署至實(shí)時(shí)仿真機(jī)中，向待測(cè)系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真模型中所有設(shè)備原理模型發(fā)送統(tǒng)一的時(shí)間戳進(jìn)行授時(shí)，各設(shè)備原理模型以該時(shí)間戳為基線，按照仿真步長(zhǎng)進(jìn)行仿真，檢查調(diào)整設(shè)備原理模型的連接關(guān)系和參數(shù)配置，調(diào)試得到正確運(yùn)行的待測(cè)系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真模型；(4)、針對(duì)參試設(shè)備，提取與參試設(shè)備相對(duì)應(yīng)的設(shè)備接口模型，將待測(cè)系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真模型中參試設(shè)備對(duì)應(yīng)的設(shè)備原理模型替換為設(shè)備接口模型，再次部署至實(shí)時(shí)仿真機(jī)中，將與參試設(shè)備接口相對(duì)應(yīng)的I/O板卡插入到實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)，參試設(shè)備與I/O板卡上相應(yīng)的I/O接口進(jìn)行連接，完成虛實(shí)互換，構(gòu)建待測(cè)系統(tǒng)半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)；(5)、向待測(cè)系統(tǒng)半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)中設(shè)備原理模型和設(shè)備接口模型發(fā)送統(tǒng)一的時(shí)間戳進(jìn)行授時(shí)，之后運(yùn)行半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，仿真運(yùn)行開(kāi)始時(shí)刻各設(shè)備原理模型，設(shè)備原理模型以該時(shí)間戳為基線進(jìn)行計(jì)時(shí)，按照仿真步長(zhǎng)進(jìn)行仿真運(yùn)算，設(shè)備接口模型以該時(shí)間戳為基線，按照仿真步長(zhǎng)與參試設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；(6)、設(shè)備接口模型判斷其仿真步長(zhǎng)的倒數(shù)是否為接收到的參試設(shè)備數(shù)據(jù)通信頻率的整數(shù)倍，若非整數(shù)倍，則重新調(diào)整確定待測(cè)系統(tǒng)半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)仿真步長(zhǎng)，使之倒數(shù)為待進(jìn)行半實(shí)物仿真測(cè)試的測(cè)試系統(tǒng)中所有設(shè)備的通信頻率的最小公倍數(shù)的整數(shù)倍；(7)、采用步驟(6)所確定仿真步長(zhǎng)，重新設(shè)置并運(yùn)行待測(cè)系統(tǒng)半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行半實(shí)物仿真。所述設(shè)備原理模型和設(shè)備接口模型與外部交互的接口參數(shù)包括輸入變量、輸出變量、模型參數(shù)、輸入事件、輸出事件、時(shí)間戳和仿真步長(zhǎng)。在每個(gè)仿真周期，當(dāng)前仿真周期后一級(jí)設(shè)備原理模型或者設(shè)備接口模型的輸入變量和輸入事件是上一個(gè)仿真周期前一級(jí)設(shè)備原理模型或者設(shè)備接口模型的輸出變量和輸出事件。所述設(shè)備接口模型包括同步模塊，數(shù)據(jù)協(xié)議模塊、通信模塊，其中，同步模塊，查詢?cè)O(shè)備接口模型輸入事件、輸入變量是否有更新內(nèi)容，若有，則將最新的輸入事件、輸入變量置入發(fā)送緩存區(qū)，按照仿真步長(zhǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)協(xié)議模塊；查詢數(shù)據(jù)協(xié)議模塊是否通過(guò)通信模塊獲取到新的設(shè)備數(shù)據(jù)，若有，則將對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)立即置入接收緩存區(qū)，在仿真步長(zhǎng)時(shí)，發(fā)給設(shè)備接口模型的輸出變量或輸出事件；數(shù)據(jù)協(xié)議模塊，接收同步模塊發(fā)送輸入事件、輸入變量，并將按照參試設(shè)備的接口數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換、打包，得到數(shù)據(jù)包，發(fā)送給通信模塊；從通信模塊接收緩沖區(qū)中提取接收數(shù)據(jù)幀，解析數(shù)據(jù)幀，提取參數(shù)，將其轉(zhuǎn)換為輸出變量或者輸出事件，發(fā)送至同步模塊；通信模塊，內(nèi)部封裝可與參試設(shè)備進(jìn)行信號(hào)交互的I/O板卡驅(qū)動(dòng)程序，通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序，將數(shù)據(jù)幀發(fā)送給I/O板卡，通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序讀取外部設(shè)備輸入到I/O板卡的數(shù)據(jù)，發(fā)送至數(shù)據(jù)協(xié)議模塊。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：(1)、本發(fā)明采用標(biāo)準(zhǔn)的模型接口規(guī)范約束設(shè)備原理模型，并通過(guò)采用同樣接口規(guī)范的設(shè)備接口模型連接設(shè)備原理模型，再通過(guò)設(shè)備接口模型實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真模型與實(shí)際設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互，將實(shí)際參試設(shè)備接入至測(cè)試系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真模型中，將測(cè)試系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)能夠快速轉(zhuǎn)化為半實(shí)物仿真系統(tǒng)，從而加快半實(shí)物仿真技術(shù)響應(yīng)型號(hào)研制任務(wù)的速度，解決型號(hào)研制任務(wù)進(jìn)度緊張，與半實(shí)物仿真試驗(yàn)環(huán)境搭建復(fù)雜之間的矛盾；(2)、本發(fā)明系統(tǒng)仿真模型中各級(jí)設(shè)備原理模型采用分布式并行計(jì)算方式，可以有效的提高模型計(jì)算速度，一方面降低了對(duì)實(shí)時(shí)仿真機(jī)的硬件要求，可以通過(guò)并行計(jì)算充分利用現(xiàn)有仿真機(jī)的計(jì)算能力，也就相應(yīng)的降低了半實(shí)物仿真試驗(yàn)的成本，另一方面單位時(shí)間內(nèi)計(jì)算速度越快，意味著可參與計(jì)算的內(nèi)容越多，仿真模擬得越細(xì)致，可有效的提高系統(tǒng)仿真模型精度和準(zhǔn)確性；(3)、本發(fā)明采用統(tǒng)一的時(shí)間戳和仿真步長(zhǎng)協(xié)調(diào)半實(shí)物仿真系統(tǒng)中的設(shè)備原理模型和實(shí)際設(shè)備的同步，保證了半實(shí)物仿真系統(tǒng)時(shí)鐘同步的正確性；(4)、本發(fā)明針對(duì)運(yùn)載火箭產(chǎn)品化、模塊化的特點(diǎn)，將每個(gè)設(shè)備都設(shè)計(jì)相應(yīng)的設(shè)備原理模型和接口設(shè)備模型，并存入模型庫(kù)中，解決了通用半實(shí)物仿真技術(shù)中仿真模型顆粒度小，系統(tǒng)級(jí)復(fù)用程度低的問(wèn)題，能夠?qū)崿F(xiàn)仿真模型與分系統(tǒng)、關(guān)鍵單機(jī)之間的一一映射關(guān)系，使得仿真模型既可以滿足數(shù)字仿真試驗(yàn)需求。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明虛實(shí)互換的半實(shí)物仿真試驗(yàn)構(gòu)建流程；圖2為本發(fā)明設(shè)備原理模型和設(shè)備接口模型接口參數(shù)示意圖；圖3為本發(fā)明設(shè)備原理模型和設(shè)備接口模型計(jì)算過(guò)程；圖4為本發(fā)明設(shè)備原理模型和設(shè)備接口模型定步長(zhǎng)迭代中的事件點(diǎn)處理；圖5為本發(fā)明設(shè)備接口模型建模過(guò)程；圖6為本發(fā)明簡(jiǎn)單系統(tǒng)仿真回路中各模型的計(jì)算過(guò)程；圖7為本發(fā)明實(shí)施例運(yùn)載火箭飛行系統(tǒng)仿真模型；圖8為本發(fā)明實(shí)施例A型慣組的運(yùn)載火箭飛行系統(tǒng)半實(shí)物仿真系統(tǒng)；圖9為本發(fā)明實(shí)施例B型慣組的運(yùn)載火箭飛行系統(tǒng)半實(shí)物仿真系統(tǒng)。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述?？焖偬搶?shí)互換的思路是，定義標(biāo)準(zhǔn)模型接口規(guī)范，在此基礎(chǔ)上，建立虛擬的設(shè)備接口模型來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)與電氣信號(hào)的轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)：1)在完全由數(shù)學(xué)仿真模型構(gòu)成的全數(shù)字仿真回路中，仿真模型間數(shù)據(jù)無(wú)縫交互；2)在全數(shù)字仿真回路中，將對(duì)應(yīng)參試設(shè)備的仿真模型快速替換設(shè)備接口模型，并將參試設(shè)備接入仿真回路的指定接口中，此過(guò)程即為快速虛實(shí)互換。如圖1所示，本發(fā)明提出一種支持快速虛實(shí)互換的運(yùn)載火箭半實(shí)物仿真方法，在數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，通過(guò)引入設(shè)備接口模型，構(gòu)建半實(shí)物仿真系統(tǒng)，具體包括如下步驟：(1)、建立運(yùn)載火箭系統(tǒng)中實(shí)際設(shè)備相對(duì)應(yīng)的設(shè)備原理模型和設(shè)備接口模型并存入模型庫(kù)中，所述設(shè)備原理模型用于模擬相應(yīng)的設(shè)備功能，所述設(shè)備接口模型是仿真模型和實(shí)物設(shè)備之間的橋梁，用于實(shí)現(xiàn)仿真模型和參試設(shè)備之間數(shù)據(jù)交互，將仿真模型的數(shù)據(jù)按照參試設(shè)備對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)協(xié)議編幀，并將驅(qū)動(dòng)與參試設(shè)備硬件接口對(duì)應(yīng)的I/O板卡將其轉(zhuǎn)化為電氣I/O信號(hào)，發(fā)送到參試設(shè)備，或者驅(qū)動(dòng)與參試設(shè)備硬件接口對(duì)應(yīng)的I/O板卡將參試設(shè)備發(fā)送電氣I/O信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)，按照參試設(shè)備對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)協(xié)議解幀，得到仿真模型所需要的數(shù)據(jù)；(2)、根據(jù)運(yùn)載火箭系統(tǒng)具體的測(cè)試任務(wù)，確定待進(jìn)行半實(shí)物仿真測(cè)試的測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)備組成，從模塊庫(kù)中提取待測(cè)系統(tǒng)各設(shè)備對(duì)應(yīng)的設(shè)備原理模型，按照待測(cè)系統(tǒng)物理拓?fù)潢P(guān)系，連接各設(shè)備原理模型，建立待測(cè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)仿真模型，前一級(jí)的模型輸出與后一級(jí)模型輸入變量的個(gè)數(shù)、名稱和類型匹配；(3)、對(duì)各設(shè)備原理模型進(jìn)行參數(shù)配置，并設(shè)置仿真步長(zhǎng)為t＝1/F，F(xiàn)為待進(jìn)行半實(shí)物仿真測(cè)試的測(cè)試系統(tǒng)中所有設(shè)備的通信頻率的最小公倍數(shù)的整數(shù)倍，將系統(tǒng)仿真模型部署至實(shí)時(shí)仿真機(jī)中，向系統(tǒng)仿真模型中所有設(shè)備原理模型發(fā)送統(tǒng)一的時(shí)間戳進(jìn)行授時(shí)，各設(shè)備原理模型以該時(shí)間戳為基線，按照仿真步長(zhǎng)進(jìn)行仿真，檢查調(diào)整設(shè)備原理模型的連接關(guān)系和參數(shù)配置，調(diào)試得到正確運(yùn)行的系統(tǒng)仿真模型；(4)、針對(duì)參試設(shè)備，提取與參試設(shè)備相對(duì)應(yīng)的設(shè)備接口模型，將系統(tǒng)仿真模型中參試設(shè)備對(duì)應(yīng)的設(shè)備原理模型替換為設(shè)備接口模型，再次將系統(tǒng)仿真模型部署至實(shí)時(shí)仿真機(jī)中，將參試設(shè)備與實(shí)時(shí)仿真機(jī)的I/O板卡上相應(yīng)的I/O接口進(jìn)行連接，完成虛實(shí)互換，構(gòu)建待試半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)；(5)、參試設(shè)備加電，向系統(tǒng)仿真模型中設(shè)備原理模型和設(shè)備接口模型發(fā)送統(tǒng)一的時(shí)間戳進(jìn)行授時(shí)，運(yùn)行半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)備原理模型以該時(shí)間戳為基線，按照仿真步長(zhǎng)進(jìn)行仿真，設(shè)備接口模型以該時(shí)間戳為基線，按照仿真步長(zhǎng)與參試設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；(6)、設(shè)備接口模型判斷其仿真步長(zhǎng)的倒數(shù)是否為接收到的參試設(shè)備數(shù)據(jù)通信頻率的整數(shù)倍，若非整數(shù)倍，則重新調(diào)整確定待測(cè)系統(tǒng)半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)仿真步長(zhǎng)，使之倒數(shù)為參試設(shè)備通信頻率保持整數(shù)倍；檢查仿真與設(shè)備通信同步交互的目的在于，只有在同步狀態(tài)下，半實(shí)物仿真系統(tǒng)才能夠正確控制設(shè)備運(yùn)行或者捕獲設(shè)備所有數(shù)據(jù)，在非同步狀態(tài)時(shí)，可能遺漏或延時(shí)采集設(shè)備數(shù)據(jù)，延時(shí)發(fā)送控制指令，這都將直接影響半實(shí)物仿真試驗(yàn)結(jié)論。(7)、采用步驟(6)所確定仿真步長(zhǎng)，重新設(shè)置并運(yùn)行半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行半實(shí)物仿真。為了模塊的通用性，實(shí)現(xiàn)快速虛實(shí)互換，為設(shè)備原理模型和設(shè)備接口模型必須有統(tǒng)一的接口，各模塊在統(tǒng)一的仿真步長(zhǎng)上進(jìn)行通信，便于數(shù)學(xué)仿真模型之間，以及數(shù)學(xué)模型和設(shè)備接口模型之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和集成。運(yùn)載火箭等航天飛行器的系統(tǒng)級(jí)綜合性能仿真數(shù)學(xué)模型一般具有微分-代數(shù)混合、連續(xù)-離散混合的特征，因此，設(shè)備原理模型采用顯式表達(dá)的微分-代數(shù)混合，連續(xù)-離散混合的數(shù)學(xué)模型對(duì)設(shè)備功能進(jìn)行模擬，在一個(gè)仿真步長(zhǎng)內(nèi)，根據(jù)輸入變量和輸入事件，進(jìn)行事件處理、積分計(jì)算和代數(shù)計(jì)算得到結(jié)果，所述數(shù)學(xué)模型的數(shù)學(xué)范式如下：式中各符號(hào)含義如下表：通過(guò)上表可以看出，設(shè)備原理模型與外部交互的接口參數(shù)應(yīng)包括輸入/輸出變量、模型參數(shù)、輸入/輸出事件、時(shí)間戳和仿真步長(zhǎng)，如圖2所示，具體為：輸入變量：模型計(jì)算時(shí)所依賴的輸入型變量，輸入變量可隨時(shí)間變化。輸出變量：模型計(jì)算結(jié)果，向外傳遞。模型參數(shù)：模型計(jì)算時(shí)所依賴的輸入型參數(shù)，參數(shù)在仿真過(guò)程中始終保持不變。輸入事件：指外部某狀態(tài)變化，導(dǎo)致本模型發(fā)生瞬態(tài)變化，或者為輸入變量發(fā)生了非連續(xù)的變化，外部以輸入事件的形式通知模型，模型發(fā)現(xiàn)輸入事件時(shí)，應(yīng)采用非連續(xù)積分的方式進(jìn)行計(jì)算；輸出事件：指本模型發(fā)現(xiàn)某狀態(tài)變化，將導(dǎo)致外部系統(tǒng)發(fā)生瞬態(tài)變化，模型計(jì)算得出的非連續(xù)值，也以輸出事件的形式向告知外部；。時(shí)間戳：當(dāng)前計(jì)算的邏輯時(shí)刻。相對(duì)于仿真零時(shí)刻開(kāi)始計(jì)時(shí)。仿真步長(zhǎng)：仿真一次的時(shí)間跨度。考慮設(shè)備模型為了與硬件設(shè)備同步，總是以固定頻率進(jìn)行采樣或輸出，因此，設(shè)備原理模型計(jì)算采用定步長(zhǎng)算法進(jìn)行計(jì)算。設(shè)備原理模型的計(jì)算過(guò)程如圖3所示，主要為：(1)、初始化：對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行初始化，并對(duì)初值狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置和計(jì)算。根據(jù)給定的初始參數(shù)作為輸入，結(jié)合模型間應(yīng)滿足的初始條件，計(jì)算得到初始輸出。對(duì)單個(gè)設(shè)備原理模型而言，初始化過(guò)程僅計(jì)算一次。因此，若仿真要求全局平衡初值化(也稱全局配平問(wèn)題，即全局所有輸入輸出均滿足初始約束關(guān)系)，那么要求仿真調(diào)度框架對(duì)中立仿真模型進(jìn)行合理調(diào)度。(2)、仿真迭代：在一個(gè)步長(zhǎng)內(nèi)，根據(jù)輸入變量和輸入事件，進(jìn)行事件處理、積分計(jì)算和代數(shù)計(jì)算，完成模塊對(duì)應(yīng)設(shè)備的功能，并輸出計(jì)算結(jié)果，包括輸出時(shí)間和輸出變量。由于設(shè)備原理模型表達(dá)的數(shù)學(xué)系統(tǒng)均為顯式系統(tǒng)，不涉及非線性迭代計(jì)算問(wèn)題，因此仿真迭代僅指計(jì)算步的推進(jìn)過(guò)程。(3)、終止：停止計(jì)算。同樣，任何事件均只能在步長(zhǎng)點(diǎn)上處理，如圖4所示，具體為，發(fā)生在(ti-1,ti]區(qū)間的內(nèi)事件統(tǒng)一在ti時(shí)刻進(jìn)行處理。在這種事件處理方式下，事件出現(xiàn)時(shí)，并不馬上處理，而是等到最近的下一仿真步長(zhǎng)到來(lái)時(shí)刻統(tǒng)一處理，反映到結(jié)果上，事件對(duì)應(yīng)的變量拐點(diǎn)時(shí)刻，與實(shí)際真實(shí)拐點(diǎn)時(shí)刻間存在一個(gè)仿真步長(zhǎng)內(nèi)的偏差。設(shè)備接口模型的接口參數(shù)也包括輸入變量、輸出變量、模型參數(shù)、輸入事件、輸出事件、時(shí)間戳和仿真步長(zhǎng)，其輸入接口與前一級(jí)設(shè)備原理模型的輸出接口在參數(shù)個(gè)數(shù)、參數(shù)數(shù)據(jù)類型上必須匹配，系統(tǒng)可以利用數(shù)據(jù)字典以及數(shù)據(jù)類型匹配方法，對(duì)仿真模型接口匹配性約束進(jìn)行檢查，以保障快速替換的可靠性。設(shè)備接口模型包括接口模塊，數(shù)據(jù)協(xié)議模塊、通信模塊。同步模塊，查詢?cè)O(shè)備接口模型輸入事件、輸入變量是否有更新內(nèi)容，若有，則將最新的輸入事件、輸入變量立即置入發(fā)送緩存區(qū)，在仿真步長(zhǎng)時(shí)，發(fā)給數(shù)據(jù)協(xié)議模塊；不間斷的查詢數(shù)據(jù)協(xié)議模塊是否通過(guò)通信模塊獲取到新的設(shè)備數(shù)據(jù)，若有，則將對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)立即置入接收緩存區(qū)，按照仿真步長(zhǎng)，發(fā)送給設(shè)備接口模型的輸出變量或輸出事件；數(shù)據(jù)協(xié)議模塊，按照仿真步長(zhǎng)，將輸入事件、輸入變量按照參試設(shè)備的接口數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換、打包，得到數(shù)據(jù)包，發(fā)送給通信模塊；從通信模塊接收緩沖區(qū)中提取接收數(shù)據(jù)幀，解析數(shù)據(jù)幀，提取參數(shù)，將其轉(zhuǎn)換為輸出變量或者輸出事件，按照仿真步長(zhǎng)，發(fā)送至同步模塊；通信模塊，內(nèi)部封裝可與參試設(shè)備進(jìn)行信號(hào)交互的I/O板卡驅(qū)動(dòng)程序，通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序，將數(shù)據(jù)幀發(fā)送給I/O板卡，通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序讀取外部參試設(shè)備輸入到I/O板卡的數(shù)據(jù)，發(fā)送至數(shù)據(jù)協(xié)議模塊。設(shè)備接口模型是指通過(guò)C/C++編程的方式建立半實(shí)物仿真所需要的信號(hào)轉(zhuǎn)化模型，本質(zhì)上是對(duì)設(shè)備接口驅(qū)動(dòng)按一定規(guī)范形式進(jìn)行封裝，使得其能夠與仿真模型接口進(jìn)行無(wú)縫對(duì)接，將仿真模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電氣I/O信號(hào)，通過(guò)I/O板卡與參試硬件設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)。如圖5所示，建立設(shè)備接口模型的方法流程為：步驟1，封裝可與參試設(shè)備進(jìn)行信號(hào)交互的I/O板卡驅(qū)動(dòng)為通信模塊；步驟2，將參試設(shè)備通信協(xié)議封裝為數(shù)據(jù)協(xié)議模塊；步驟3、選擇復(fù)制系統(tǒng)仿真模型中用于模擬參試設(shè)備的仿真模型；步驟4、保持該仿真模型的所有接口參數(shù)不變；步驟5，將仿真模型的輸入、輸出編程為同步模塊，并將設(shè)備接口模型的輸入變量綁定至I/O板卡的輸出通道上，將輸出變量綁定至I/O板卡的輸入通道上；步驟6，設(shè)備接口建模完成后，生成面向?qū)崟r(shí)仿真機(jī)的目標(biāo)代碼；步驟7，編譯調(diào)試設(shè)備接口模型，保障其可靠性和實(shí)時(shí)性；步驟8，設(shè)備接口模型入庫(kù)管理，半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)將從模型庫(kù)中提取可用的設(shè)備接口模型。系統(tǒng)仿真模型中各級(jí)設(shè)備原理模型之間并行計(jì)算，各級(jí)設(shè)備原理模型在仿真步長(zhǎng)時(shí)刻接收前一級(jí)設(shè)備原理模型上一個(gè)仿真周期內(nèi)計(jì)算得到的輸出變量和輸出事件，用于本仿真周期本級(jí)設(shè)備原理模型計(jì)算。所以，設(shè)備原理模型計(jì)算時(shí)，當(dāng)前時(shí)刻的值，均基于上一時(shí)刻各變量值計(jì)算得出，即：這種計(jì)算模式，導(dǎo)致了與墻鐘時(shí)間中“差一步”的問(wèn)題，即當(dāng)前時(shí)刻的自變量的變化并沒(méi)有立即反應(yīng)到相關(guān)約束的因變量上，而是存在一個(gè)步長(zhǎng)的延時(shí)。圖6給出了該模式下的一個(gè)計(jì)算過(guò)程示例。假設(shè)由模型A、B、C構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)的系統(tǒng)仿真模型，那么系統(tǒng)仿真模型在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，仿真0時(shí)刻，A、B、C根據(jù)設(shè)置的模型參數(shù)值進(jìn)行初始化計(jì)算，分別得出A0、B0、C0；仿真推進(jìn)一個(gè)步長(zhǎng)至t1時(shí)刻，A模型計(jì)算A1的值時(shí)依賴于C模型的輸出，即，應(yīng)使用C1計(jì)算得出A1，而C模型計(jì)算C1又依賴于B1，B1依賴于A1，形成了循環(huán)，因此，A1計(jì)算時(shí)采用C模型上一時(shí)刻的輸出C0進(jìn)行計(jì)算，避免循環(huán)依賴，此即為“差一步”計(jì)算模式，同理，B1、C1的計(jì)算也為如此，后續(xù)t2～tn的仿真周期內(nèi)均為如此。對(duì)半實(shí)物仿真而言，當(dāng)步長(zhǎng)小于10毫秒時(shí)，中立仿真模型的事件處理方式和“差一步”計(jì)算模式會(huì)對(duì)仿真結(jié)果的負(fù)面影響可以忽略不計(jì)，原因在于，宏觀而言，運(yùn)載火箭系統(tǒng)是一個(gè)典型的連續(xù)系統(tǒng)，只在部段間分離、發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)等若干時(shí)刻會(huì)產(chǎn)生離散事件，由此可知，其一，事件并非高頻率的出現(xiàn)，10毫秒內(nèi)對(duì)模型對(duì)事件作出反應(yīng)，不會(huì)對(duì)飛行仿真產(chǎn)生影響；其二，飛行參數(shù)通常為連續(xù)變化，只有發(fā)生分離、關(guān)機(jī)等事件才可能會(huì)突變，連續(xù)變化的飛行參數(shù)在10毫秒內(nèi)近似相等。為了使半實(shí)物放置系統(tǒng)通用性更強(qiáng)，采用跨平臺(tái)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)仿真模型在Windows環(huán)境中運(yùn)行前，采用MinGW工具將模型編譯為可執(zhí)行程序或動(dòng)態(tài)庫(kù)；模型在Linux環(huán)境中運(yùn)行前，下發(fā)至實(shí)時(shí)仿真機(jī)中并使用GCC工具編譯，這樣，可使得虛實(shí)互換前/后的系統(tǒng)仿真模型在Windows和Linux系統(tǒng)中均可運(yùn)行?？缙脚_(tái)編譯保障了系統(tǒng)仿真模型在開(kāi)發(fā)和應(yīng)用時(shí)的一致性。應(yīng)用本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真系統(tǒng)快速構(gòu)建能力，增強(qiáng)半實(shí)物仿真模型復(fù)用能力，大幅提升半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建的效率，可靠性和柔性，增強(qiáng)半實(shí)物仿真技術(shù)響應(yīng)型號(hào)研制任務(wù)的速度，增強(qiáng)其對(duì)型號(hào)研制的支撐作用，達(dá)到降本增效的目的。同時(shí)，本發(fā)明技術(shù)具有通用特點(diǎn)，不僅適用于運(yùn)載火箭研制任務(wù)，也可在其他航天飛行器型號(hào)研制中進(jìn)行應(yīng)用，進(jìn)一步提升總體參數(shù)驗(yàn)證與綜合性能評(píng)估能力，加強(qiáng)總體控制專業(yè)研究實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，加?qiáng)基于仿真的系統(tǒng)級(jí)性能測(cè)試與評(píng)估能力。實(shí)施例：以運(yùn)載火箭飛行系統(tǒng)仿真為例，通過(guò)半實(shí)物仿真驗(yàn)證A、B兩種不同型號(hào)的慣組特性。首先利用模型庫(kù)查詢是否包括試驗(yàn)所需的模型，包括箭機(jī)模型、伺服模型、彈體模型、慣組模型、A型慣組接口模型、B型慣組接口模型，若缺少模型，則進(jìn)行模型開(kāi)發(fā)并入庫(kù)；對(duì)慣組而言，必須安裝在多軸轉(zhuǎn)臺(tái)上，由轉(zhuǎn)臺(tái)模擬姿態(tài)，才能進(jìn)行慣組測(cè)試，因此，慣組原理模型對(duì)應(yīng)的設(shè)備為一套由多軸轉(zhuǎn)臺(tái)+慣組設(shè)備構(gòu)成的組合裝置，即，慣組設(shè)備原理模型對(duì)應(yīng)為多軸轉(zhuǎn)臺(tái)+慣組設(shè)備；然后，利用模型庫(kù)構(gòu)建一套運(yùn)載火箭飛行系統(tǒng)仿真模型，如圖7所示；針對(duì)A型慣組測(cè)試時(shí)，利用A型慣組接口模型替換原慣組模型，系統(tǒng)仿真模型其他部分保持不變，并通過(guò)反射內(nèi)存線纜將實(shí)時(shí)仿真機(jī)信號(hào)輸出給多軸轉(zhuǎn)臺(tái)，通過(guò)串口線纜將A型慣組信號(hào)輸入給實(shí)時(shí)仿真機(jī)，快速搭建構(gòu)成面向A型慣組測(cè)試的運(yùn)載火箭飛行系統(tǒng)半實(shí)物仿真系統(tǒng)，如圖8所示；同理，針對(duì)1553B接口的B型慣組，亦可快速構(gòu)建對(duì)應(yīng)的半實(shí)物仿真系統(tǒng)，如圖9所示。具體步驟如下：(1)建立慣組的設(shè)備原理模型和設(shè)備接口模型當(dāng)模型庫(kù)中尚無(wú)存在慣組設(shè)備原理模型時(shí)，需要按照慣組功能，建立原理模型。慣組是箭上的敏感器件，主要功能是實(shí)時(shí)測(cè)量運(yùn)載火箭的加速度，并將其輸出給飛行控制器。因此，慣組仿真原理模型可為一組方程，如同真實(shí)慣組總會(huì)有測(cè)量誤差一樣，對(duì)彈體動(dòng)力學(xué)計(jì)算得出的角速度進(jìn)行誤差處理，得出模擬的測(cè)量值給箭機(jī)模型，在半實(shí)物仿真待測(cè)慣組放置于轉(zhuǎn)臺(tái)上，由彈體動(dòng)力學(xué)仿真驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，慣組隨著實(shí)時(shí)測(cè)量并將其傳給箭機(jī)模型，通過(guò)此過(guò)程來(lái)考察慣組的功能和性能。慣組模型的數(shù)學(xué)表達(dá)如下：其中，ωx(t+1)、ωy(t+1)、ωz(t+1)、Wx(t+1)、Wy(t+1)、Wz(t+1)為輸出變量，用于模擬慣組實(shí)際達(dá)到的加速度；Kgx、Kgy、Kgz、D0x、D0y、D0z、Dxx、Dxy、Dxz、Dyx、Dyy、Dyz、Dzx、Dzy、Dzz、Kax、Kay、Kaz、K0x、K0y、K0zExx、Eyy、Ezz、Exy、Exz、Eyx、Eyz、Ezx、Ezy、K2x、K2y、K2z、g為模型參數(shù)。ωxt、ωyt、ωzt、Wxt、Wyt、Wzt為輸入變量，用于模擬要求慣組達(dá)到的加速度。A型慣組為串口通信方式，其設(shè)備接口模型內(nèi)容包括：(1.1)、同步模塊，查詢?chǔ)豿t、ωyt、ωzt、Wxt、Wyt、Wzt是否更新，若更新，將新的輸入變量存入發(fā)送緩存區(qū)，在仿真步長(zhǎng)時(shí)刻發(fā)給數(shù)據(jù)協(xié)議模塊；不間斷的查詢數(shù)據(jù)協(xié)議模塊是否通過(guò)通信模塊獲取到新的ωx(t+1)、ωy(t+1)、ωz(t+1)、Wx(t+1)、Wy(t+1)、Wz(t+1)，若有，則將對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)立即置入接收緩存區(qū)，在仿真步長(zhǎng)時(shí)，發(fā)給設(shè)備接口模型的輸出變量；并將設(shè)備接口模型輸入變量ωxt、ωyt、ωzt、Wxt、Wyt、Wzt綁定至反射內(nèi)存卡的0X1～0X5六個(gè)連續(xù)地址上，將輸出變量ωx(t+1)、ωy(t+1)、ωz(t+1)、Wx(t+1)、Wy(t+1)、Wz(t+1)綁定至串口卡COM1通道上。(1.2)、數(shù)據(jù)協(xié)議模塊，按照仿真步長(zhǎng)，將ωxt、ωyt、ωzt、Wxt、Wyt、Wzt按照轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)據(jù)協(xié)議打包，發(fā)送給通信模塊；從通信模塊接收數(shù)據(jù)幀，按A型慣組數(shù)據(jù)協(xié)議解析得到ωx(t+1)、ωy(t+1)、ωz(t+1)、Wx(t+1)、Wy(t+1)、Wz(t+1)，按照仿真步長(zhǎng)，發(fā)送至同步模塊。轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)據(jù)協(xié)議格式如下：序號(hào)內(nèi)容長(zhǎng)度類型1ωxt字節(jié)Uchar2ωyt字節(jié)Uchar3ωzt字節(jié)Uchar4Wxt字節(jié)Uchar5Wyt字節(jié)Uchar6Wzt字節(jié)UcharA型慣組數(shù)據(jù)協(xié)議格式如下：序號(hào)內(nèi)容長(zhǎng)度類型1類型標(biāo)識(shí)字節(jié)Uchar2消息序號(hào)字節(jié)Uchar3消息值字節(jié)Uchar4和校驗(yàn)字節(jié)Uchar(1.3)、通信模塊，封裝反射內(nèi)存板卡驅(qū)動(dòng)程序，將ωxt、ωyt、ωzt、Wxt、Wyt、Wzt打包得到數(shù)據(jù)幀發(fā)送給反射內(nèi)存卡；封裝串口板卡驅(qū)動(dòng)程序，通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序讀取A型慣組輸入到串口卡的數(shù)據(jù)ωx(t+1)、ωy(t+1)、ωz(t+1)、Wx(t+1)、Wy(t+1)、Wz(t+1)，發(fā)送至數(shù)據(jù)協(xié)議模塊。B型慣組為1553B通信方式，其設(shè)備接口模型與A型慣組的設(shè)備接口模型類似，區(qū)別在于數(shù)據(jù)協(xié)議格式和接口形式，即數(shù)組幀解析的算法不同和接口驅(qū)動(dòng)不同。慣組的原理模型和設(shè)備接口模型開(kāi)發(fā)后，納入模型庫(kù)進(jìn)行管理。(2)、根據(jù)慣組測(cè)試這一具體任務(wù)要求，構(gòu)建一套運(yùn)載火箭飛行系統(tǒng)仿真模型，該模型由箭機(jī)模型、伺服模型、彈體動(dòng)力學(xué)模型和上述慣組原理模型構(gòu)成，各原理模型間的輸入輸出關(guān)系如圖7所示。(3)、對(duì)各原理模型進(jìn)行參數(shù)配置，其中，慣組原理模型參數(shù)值為Kgx、Kgy、Kgz、D0x、D0y、D0z、Dxx、Dxy、Dxz、Dyx、Dyy、Dyz、Dzx、Dzy、Dzz、Kax、Kay、Kaz、K0x、K0y、K0zExx、Eyy、Ezz、Exy、Exz、Eyx、Eyz、Ezx、Ezy、K2x、K2y、K2z、g。對(duì)所有原理模型發(fā)送統(tǒng)一UTC時(shí)間18:00:00授時(shí)，仿真運(yùn)行開(kāi)始時(shí)刻，各設(shè)備原理模型以該時(shí)間戳為基線進(jìn)行計(jì)時(shí)。由于A型慣組采用固定通信機(jī)制，通信頻率為F1，轉(zhuǎn)臺(tái)采用輪詢機(jī)制，通信頻率為F2，二者公倍數(shù)為200Hz，因此仿真步長(zhǎng)設(shè)置為5毫秒。設(shè)置完成后，將模型部署至實(shí)時(shí)仿真機(jī)中，并運(yùn)行飛行系統(tǒng)仿真模型，將仿真結(jié)果與飛行設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，對(duì)比彈體動(dòng)力學(xué)原理模型的計(jì)算結(jié)果是否與之飛行軌跡數(shù)據(jù)一致，以此判定飛行系統(tǒng)仿真模型是否構(gòu)建正確。(4)針對(duì)A型慣組參試需求，從模型庫(kù)中提取A型慣組設(shè)備接口模型，并將其替換掉飛行系統(tǒng)仿真模型中的慣組原理模型，再次將模型部署至實(shí)時(shí)仿真機(jī)中。將實(shí)時(shí)仿真機(jī)中的反射內(nèi)存卡通過(guò)反射內(nèi)存線纜與轉(zhuǎn)臺(tái)連接，將串口卡的COM1接口與A型慣組連接。完成虛實(shí)互換，構(gòu)建面向A型慣組測(cè)試的半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖8所示。(5)向半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)中各設(shè)備原理模型和設(shè)備接口模型發(fā)送統(tǒng)一的時(shí)間戳進(jìn)行授時(shí)，設(shè)備原理模型以該時(shí)間戳為基線，按照仿真步長(zhǎng)5毫秒進(jìn)行仿真，慣組設(shè)備接口模型以該時(shí)間戳為基線，按照仿真步長(zhǎng)5毫秒驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行，并從A型慣組中收取數(shù)據(jù)。(6)檢查半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)是否與A型慣組之間同步交互。檢查方法為：觀測(cè)慣組設(shè)備接口模型的輸出變量更新頻率，此即為A型慣組的數(shù)據(jù)輸出頻率RF1，若200Hz為RF1的整數(shù)倍，則認(rèn)為同步。假定起初設(shè)定的仿真步長(zhǎng)誤輸入為51毫秒，則可通過(guò)此方法檢測(cè)并修正仿真步長(zhǎng)為5毫秒。同理，檢查半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)是否與轉(zhuǎn)臺(tái)之間同步交互，觀測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)輸入值更新頻率RF2，檢查200Hz是否為RF2的整數(shù)倍。(7)、采用步驟(6)所確定仿真步長(zhǎng)，重新設(shè)置并運(yùn)行半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)A型慣組進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試完A型慣組后，繼續(xù)測(cè)試B型慣組，具體操作如下：(1)、清除轉(zhuǎn)臺(tái)、A型慣組與實(shí)時(shí)仿真機(jī)的連接，并將B型慣組放置于轉(zhuǎn)臺(tái)上。(2)、重復(fù)上述操作的(4)～(7)。本發(fā)明未詳細(xì)說(shuō)明部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識(shí)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3