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【摘 要】简要介绍了飞行控制系统半实物仿真平台设计框架及思路，包括建立基于MATLAB/simulink飞行仿真模型的实时仿真系统、模拟座舱及仪表系统、简易视景系统等，充分发挥硬件在回路仿真测试系统软硬件结合的特点，缩短系统研发周期，提高系统可靠性。
【关键词】半实物仿真 飞行控制 实时性 MATLAB/simulink
1 引言
仿真技术综合了当代科学技术中多种现代化专业手段，在科学技术领域起到了极其重要的作用。半实物仿真技术是所有仿真技术中仿真置信度很高的一类，它的应用不仅局限于理论研究，更多被工程设计、开发测试使用，从早期的航空、航天逐步扩展到今天的军事、电子、通信、交通、舰船等多种行业。计算机技术的快速发展使得半实物仿真的核心——实时仿真计算机的运算能力得到极大提升，从传统的纯数字仿真逐步向人在环半实物仿真领域扩展。
传统物理试验或飞行试验验证直观、真实，但是费时费力，且验证不充分，一旦失败则会造成较大的经济损失，甚至发生严重的事故。纯数字仿真简单易懂，但难以模拟试验件的复杂特性，仿真精度不高。半实物仿真结合了实物试验和数字仿真的优点，将系统中的部分实物引入到计算机仿真系统中，既可以在实验室条件下对试验件进行各种状态下的测试验证，又可以保证试验测试的可靠性和安全性。国内外的飞机或飞机部件的供应商在飞机的研发测试中大都应用了半实物仿真技术。
本文旨在浅述通用的飞行控制系统半实物仿真平台设计思路，为以后试验设计提供基础。
2 系统设计
本文飞行控制系统半实物仿真平台采用一体化设计，是基于MATLAB/simulink飞行仿真模型的实时仿真系统。飞行控制系统半实物仿真平台的基本架构如图1所示。系统可分为5个子系统：
（1） 实时仿真系统：为系统的主体部分，完成实时仿真和信号转换功能，包括仿真主计算机（上位机）、实时仿真计算机（下位机）、信号转化换算机、信号调理机箱、接线盒及附件（包括工作台、机柜、电源、电缆等）。主要进行飞机模型实时解算，信号实时转换及传递。
（2） 综合控制台：由仿真测试计算机和仿真测试控制软件组成，完成实时仿真过程中数据显示、曲线绘制和数据管理等功能，一般放置在近试验人员的测控间，方便试验人员实时分析及监控数据。
（3） 模拟座舱及仪表系统：是仿真中用户和系统进行交互的设备，使系统支持人在回路的飞行仿真试验，驾驶员可通过驾驶盘（杆）、脚蹬、油门等对飞机进行操纵控制，并通过虚拟仪表显示，对飞机的参数进行监控。
（4） 实时网络通讯系统：为系统的通讯设备，包括以太网和反射内存网两种网络，系统中对实时性要求不高的部分采用以太网传输；实时性要求较高的部分采用光纤反射内存网通讯。
（5） 简易视景系统：模拟飞机座舱外的景象，给座舱内的驾驶员以足够的视场角的景象显示。简易视景系统一般由图形生成子系统、投影子系统、音响子系统组成，能接收来自实时仿真计算机传递的飞行数据，并进行3D显示。
2.1 实时仿真系统。实时仿真系统为整个半物理仿真平台的主体部分。本系统构建引入分布式布局思想，设计一对多的分布式模式。采用RTW-xPC作为实时仿真的框架。在半物理仿真系统中，飞机无法以物理部件的形式出现，为保证实时性飞机模型需要运行在实时仿真目标机上。飞控系统中其他部件的实现方式均有物理和数字两种方式。当缺少该部件时可借助实时操作系统保证部件模型仿真的实时性，将运行该代码的仿真目标计算机代替真实部件在半物理仿真系统中的位置。物理信号和数字信号之间的转换以及物理部件在系统中的接口均通过信号转化计算机实现。
飞行仿真模型是实时仿真系统的核心。在仿真主计算机的MATLAB/simulink环境下完成飞控系统离线和实时仿真模型的搭建，并运行在实时仿真计算机内。模型所模拟的部件要与真实物理部件的参数一致，是对物理部件的分析、抽象而建立，是真实系统的近似模型。在Matlab/Simulink环境下搭建模型，运用了模块化的设计思想，便于今后对模型的修改和完善，提高系统的通用性。
2.2 模拟座舱及仪表系统。模拟座舱及仪表系统是半物理仿真平台中的人机交互设备。模拟座舱采用虚拟现实技术模拟生成飞机在空中的飞行环境条件，使仿真人员具有身临其境的“真实”感觉。仪表系统从实时网络上接收实时仿真计算机发送来的飞机位置、姿态等信息，向驾驶员反馈飞机的实时操纵状态和飞机飞行状态，另一方面采样驾驶盘（杆）、脚蹬、油门的输出信号。当驾驶员操纵时，反映设备状态的模拟量输出就发生改变，模拟信号经过采样滤波处理后，输出给实时网络。
虚拟仪表软件开发平台主要采用GL Studio，它可以创建实时的、三维的、照片级的互动图形界面。GL Studio生成的C++和Open GL源代码可以单独运行，也可以嵌入其他视景软件中使用，且能够方便的被其他目标优化平台使用。
2.3 简易视景系统。简易视景系统一般由视景计算机、投影系统、音响系统和视景管理软件组成。由专门的视景软件配合硬件在视景柱幕上生成3D景象。音响系统一般包括音响计算机、功放等，模拟飞机飞行中的各种声音，包括那飞机起飞着陆及正常飞行的气流声、发动机声、起落架收放声等。
3 结论
本文提供了一种通用且实时可靠的飞行控制系统半物理仿真平台设计手段。平台采用一体化设计原则，可以在线调参、实时查看试验及飞行效果，极大地提高了试验效率。
参考文献：
[1] 银凯科技.飞行控制集成仿真测试系统方案[R]. 北京：银凯科技，2012.9.
【关键词】半实物仿真 飞行控制 实时性 MATLAB/simulink
1 引言
仿真技术综合了当代科学技术中多种现代化专业手段，在科学技术领域起到了极其重要的作用。半实物仿真技术是所有仿真技术中仿真置信度很高的一类，它的应用不仅局限于理论研究，更多被工程设计、开发测试使用，从早期的航空、航天逐步扩展到今天的军事、电子、通信、交通、舰船等多种行业。计算机技术的快速发展使得半实物仿真的核心——实时仿真计算机的运算能力得到极大提升，从传统的纯数字仿真逐步向人在环半实物仿真领域扩展。
传统物理试验或飞行试验验证直观、真实，但是费时费力，且验证不充分，一旦失败则会造成较大的经济损失，甚至发生严重的事故。纯数字仿真简单易懂，但难以模拟试验件的复杂特性，仿真精度不高。半实物仿真结合了实物试验和数字仿真的优点，将系统中的部分实物引入到计算机仿真系统中，既可以在实验室条件下对试验件进行各种状态下的测试验证，又可以保证试验测试的可靠性和安全性。国内外的飞机或飞机部件的供应商在飞机的研发测试中大都应用了半实物仿真技术。
本文旨在浅述通用的飞行控制系统半实物仿真平台设计思路，为以后试验设计提供基础。
2 系统设计
本文飞行控制系统半实物仿真平台采用一体化设计，是基于MATLAB/simulink飞行仿真模型的实时仿真系统。飞行控制系统半实物仿真平台的基本架构如图1所示。系统可分为5个子系统：
（1） 实时仿真系统：为系统的主体部分，完成实时仿真和信号转换功能，包括仿真主计算机（上位机）、实时仿真计算机（下位机）、信号转化换算机、信号调理机箱、接线盒及附件（包括工作台、机柜、电源、电缆等）。主要进行飞机模型实时解算，信号实时转换及传递。
（2） 综合控制台：由仿真测试计算机和仿真测试控制软件组成，完成实时仿真过程中数据显示、曲线绘制和数据管理等功能，一般放置在近试验人员的测控间，方便试验人员实时分析及监控数据。
（3） 模拟座舱及仪表系统：是仿真中用户和系统进行交互的设备，使系统支持人在回路的飞行仿真试验，驾驶员可通过驾驶盘（杆）、脚蹬、油门等对飞机进行操纵控制，并通过虚拟仪表显示，对飞机的参数进行监控。
（4） 实时网络通讯系统：为系统的通讯设备，包括以太网和反射内存网两种网络，系统中对实时性要求不高的部分采用以太网传输；实时性要求较高的部分采用光纤反射内存网通讯。
（5） 简易视景系统：模拟飞机座舱外的景象，给座舱内的驾驶员以足够的视场角的景象显示。简易视景系统一般由图形生成子系统、投影子系统、音响子系统组成，能接收来自实时仿真计算机传递的飞行数据，并进行3D显示。
2.1 实时仿真系统。实时仿真系统为整个半物理仿真平台的主体部分。本系统构建引入分布式布局思想，设计一对多的分布式模式。采用RTW-xPC作为实时仿真的框架。在半物理仿真系统中，飞机无法以物理部件的形式出现，为保证实时性飞机模型需要运行在实时仿真目标机上。飞控系统中其他部件的实现方式均有物理和数字两种方式。当缺少该部件时可借助实时操作系统保证部件模型仿真的实时性，将运行该代码的仿真目标计算机代替真实部件在半物理仿真系统中的位置。物理信号和数字信号之间的转换以及物理部件在系统中的接口均通过信号转化计算机实现。
飞行仿真模型是实时仿真系统的核心。在仿真主计算机的MATLAB/simulink环境下完成飞控系统离线和实时仿真模型的搭建，并运行在实时仿真计算机内。模型所模拟的部件要与真实物理部件的参数一致，是对物理部件的分析、抽象而建立，是真实系统的近似模型。在Matlab/Simulink环境下搭建模型，运用了模块化的设计思想，便于今后对模型的修改和完善，提高系统的通用性。
2.2 模拟座舱及仪表系统。模拟座舱及仪表系统是半物理仿真平台中的人机交互设备。模拟座舱采用虚拟现实技术模拟生成飞机在空中的飞行环境条件，使仿真人员具有身临其境的“真实”感觉。仪表系统从实时网络上接收实时仿真计算机发送来的飞机位置、姿态等信息，向驾驶员反馈飞机的实时操纵状态和飞机飞行状态，另一方面采样驾驶盘（杆）、脚蹬、油门的输出信号。当驾驶员操纵时，反映设备状态的模拟量输出就发生改变，模拟信号经过采样滤波处理后，输出给实时网络。
虚拟仪表软件开发平台主要采用GL Studio，它可以创建实时的、三维的、照片级的互动图形界面。GL Studio生成的C++和Open GL源代码可以单独运行，也可以嵌入其他视景软件中使用，且能够方便的被其他目标优化平台使用。
2.3 简易视景系统。简易视景系统一般由视景计算机、投影系统、音响系统和视景管理软件组成。由专门的视景软件配合硬件在视景柱幕上生成3D景象。音响系统一般包括音响计算机、功放等，模拟飞机飞行中的各种声音，包括那飞机起飞着陆及正常飞行的气流声、发动机声、起落架收放声等。
3 结论
本文提供了一种通用且实时可靠的飞行控制系统半物理仿真平台设计手段。平台采用一体化设计原则，可以在线调参、实时查看试验及飞行效果，极大地提高了试验效率。
参考文献：
[1] 银凯科技.飞行控制集成仿真测试系统方案[R]. 北京：银凯科技，2012.9.