CN102945001B - 一种伺服作动系统仿真装置及其仿真方法 - Google Patents

Abstract

一种伺服作动系统仿真器及其仿真方法，属于工程仿真技术领域。其特征在于由信号定义操作单元、参数设置及运行控制操作单元、模拟量信号输入单元、RVDT信号输入单元、作动器信号仿真单元、伺服阀信号仿真单元、舵面位置信号仿真单元、故障设置控制单元、系统控制总线和接口适配器组成，信号定义操作单元、参数设置及运行控制操作单元接收用户的操作输入，根据用户的操作选择或参数设置，形成控制作动器信号仿真单元、伺服阀信号仿真单元、舵面位置信号仿真单元的命令及参数，控制接口模板输出飞行控制系统所需的接口信号。本发明具有系统功能完整，结构合理、紧凑，工作可靠，使用方便，具有良好的可扩展性和剪裁性。

Description

一种伺服作动系统仿真装置及其仿真方法

技术领域

本发明涉及一种伺服作动系统仿真器及其仿真方法，特别是涉及由计算机控制的接口模板实现伺服作动系统接口信号及功能仿真，属于工程仿真技术领域。

背景技术

飞行控制系统在现代飞机设计过程中越来越重要，随着电传飞行控制技术和主动控制技术的应用，飞行控制系统已经达到了与飞机的总体、气动、结构和强度同等重要和同步设计的地步，同时，飞行控制系统的安全性和可靠性对于飞机的安全更加重要，为了保证飞行控制系统的安全性和可靠性，重要途径就是在设计的基础上开展地面仿真试验，在地面仿真试验中如何对飞行控制系统进行全面、详细的验证成为飞行控制系统地面试验面临的难题。

传统的验证试验中，需要研制专门用于试验的环境支持设施，尽量能模拟飞行控制系统在飞机上工作时所需的环境条件：如设计专门的试验台架用于支撑和安装伺服作动系统等各组成部件，并为各组成部件的工作提供必要的液压能源和电源，配置必要的控制和测试设备。

飞行控制系统的验证试验中，大部分验证项目与伺服作动系统有关，并在试验验证中使用装机的伺服作动系统，存在以下缺点：

(1)装机的伺服作动系统是在飞行控制系统设计完成后，才能生产提供，不能满足设计研发阶段试验、或者是初制样件阶段试验的需要；

(2)装机的伺服作动系统是对专门的飞行控制系统研制生产的，不具有通用性，在飞行控制系统其它部件状态发生变化后，需要进行适配性更改，甚至是重新加工、生产；

(3)装机的伺服作动系统成本高、周期长；

(4)装机的伺服作动系统依靠人工操作完成，验证测试过程效率低下，周期长。

目前，在飞机的设计研制中，大量地采用数字仿真技术，数字仿真已被证明是开发飞机行之有效的方法，其提供了更快、更高效地开发研制飞机的方式。为了保证飞机研制的周期，加快飞行控制系统试验进度，有必要在飞行控制系统的试验中更多地采用数字仿真技术；另一方面，飞行控制系统验证项目多，而且大量试验需要在初期设计阶段完成，这样就需要一个试验平台，满足边设计边试验的工作流程，以便到地面试验阶段使飞行控制系统达到更高成熟度。为尽量早点开展试验，这也要求使用数字仿真技术为核心的数字化试验技术逐步取代依赖于大量实物试验技术，缩短飞机研制周期，加快研制进度。

发明内容

本发明的目的是设计一种伺服作动系统仿真装置及其仿真方法，通过由计算机控制的接口模板实现伺服作动系统接口信号仿真及功能仿真。

本发明采取的技术方案为：一种伺服作动系统仿真装置包括信号定义操作单元[1]、参数设置及运行控制操作单元[2]、模拟量信号输入单元[3]、RVDT信号输入单元[4]、作动器信号仿真单元[5]、伺服阀信号仿真单元[6]、舵面位置信号仿真单元[7]、系统控制总线[9]和接口适配器[10]；

信号定义操作单元[1]、参数设置及运行控制操作单元[2]、模拟量信号输入单元[3]、RVDT信号输入单元[4]、作动器信号仿真单元[5]、伺服阀信号仿真单元[6]、舵面位置信号仿真单元[7]之间通过系统控制总线[9]进行信息的传输与数据交换；

模拟量信号输入单元[3]、RVDT信号输入单元[4]、作动器信号仿真单元[5]、伺服阀信号仿真单元[6]和舵面位置信号仿真单元[7]通过通过信号传输总线[11]和接口适配器[10]相连，进行信号的传输，接口适配器[10]还与飞行控制系统之间互联。

进一步地，上述一种伺服作动系统仿真装置还包括故障设置控制单元[8]，故障设置控制单元[8]通过信号传输总线[11]分别和作动器信号仿真单元[5]、伺服阀信号仿真单元[6]和舵面位置信号仿真单元[7]、接口适配器[10]相连。

进一步地，故障设置控制单元[8]和信号定义操作单元[1]、参数设置及运行控制操作单元[2]、模拟量信号输入单元[3]、RVDT信号输入单元[4]、作动器信号仿真单元[5]、伺服阀信号仿真单元[6]、舵面位置信号仿真单元[7]通过系统控制总线[9]进行信息的传输与数据交换。

一种使用伺服作动系统仿真装置进行仿真，包括以下步骤：

步骤1：系统运行开始，按照试验需要完成的任务，确定伺服作动系统仿真器的初始状态；

步骤2：读取逻辑通道定义；

步骤3：按照相关输入定义选择输入信号的类型；

步骤4：判断信号类型；信号分别有：模拟输入、RVDT输入、单步输入、列表输入、函数输入、离散输入；

步骤5：读取输入信号数值；

步骤6：读取通道转换系数和通道转换偏移参数；

步骤7：进行通道参数的转换，形成对应仿真信号的仪器通道的参数；

步骤8：写对应仿真信号的仪器通道，控制仪器通道的输出；

步骤9：读取故障设置状态；

步骤10：按照故障模式进行分类控制；故障模式分别有接通模式、开路模式、短路地模式、短路电源模式

步骤11：驱动控制输出线路；

步骤12：判断是否进行下一个通道或者是下一个循环的操作，如果继续运行，则执行步骤1，否则结束仿真运行。

在伺服作动系统仿真中，执行信号定义操作单元对需要仿真的物理对象信号进行标识并将其定义为逻辑通道，对输出仿真信号转换中的转换系数和偏移参数进行定义，以及选择波形信号或者是离散数据作为仿真控制信号；

执行参数设置及运行控制操作单元读取逻辑通道的定义，根据当前逻辑通道定义及其对应的相关输入的定义选择输入信号，将所选择的输入信号作为对逻辑通道的控制输入；

按照选择的输入信号类型，信号类型分别有模拟输入、RVDT输入、单步输入、列表输入、函数输入和离散输入，得到输入信号的数值，再根据当前逻辑通道转换系数和偏移参数，将对应输入信号的数值进行转换，形成对信号仿真单元中当前逻辑通道的控制参数，写参数到对应当前逻辑通道的仪器通道；

读取故障设置的状态，按照对当前逻辑通道故障状态(接通、开路、短路地和短路电源)的设置，控制输出线路，完成故障状态的设置；

继续下一个逻辑通道或者是下一个循环的仿真控制，直到运行结束。

本发明具有以下优点：

(1)一种伺服作动系统仿真器及其仿真方法，模拟了机载的飞行控制系统操作控制中信号或信息流的产生传输和运行过程，使用方便，功能完整。

(2)结构合理紧凑、工作可靠、采用高可靠性的接口模板，经过优化设计，模块化、标准化和系列化，能适应在严酷电磁与机械环境使用。

(3)良好可扩展性、可剪裁性和可复用性，各仿真单元采用组件模块化设计，可根据需要选配组件模块，实现系统的积木化组合。

(4)由于实现了通用化设计，在功能上相当于原有多个专用设备的功能，大大降低了设备成本。

(5)对用户来说，大大提高了试验测试效率，缩短了试验周期，大大减少了费用。

下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。

附图说明

图1为本发明一种伺服作动系统仿真器结构示意图；

图2为本发明一种伺服作动系统仿真器一个实施例示意图；

图3为本发明一种伺服作动系统信号定义操作界面示意图；

图4为本发明一种伺服作动系统参数设置及运行控制操作界面示意图；

图5为本发明一种伺服作动系统仿真方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作详细说明。

一种伺服作动系统仿真装置，如图1所示，包括信号定义操作单元1、参数设置及运行控制操作单元2、模拟量信号输入单元3、RVDT信号输入单元4、作动器信号仿真单元5、伺服阀信号仿真单元6、舵面位置信号仿真单元7、系统控制总线9和接口适配器10；

信号定义操作单元1、参数设置及运行控制操作单元2、模拟量信号输入单元3、RVDT信号输入单元4、作动器信号仿真单元5、伺服阀信号仿真单元6、舵面位置信号仿真单元7之间通过系统控制总线9进行信息的传输与数据交换；

模拟量信号输入单元3、RVDT信号输入单元4、作动器信号仿真单元5、伺服阀信号仿真单元6和舵面位置信号仿真单元7通过通过信号传输总线11和接口适配器10相连，进行信号的传输，接口适配器10还与飞行控制系统(FCS)之间互联。

为了更好的实施本发明，上述一种伺服作动系统仿真装置还包括故障设置控制单元8，故障设置控制单元8通过信号传输总线11分别和信号仿真单元5、6、7、接口适配器10相连。

为了更好的实施本发明，上述故障设置控制单元8和信号定义操作单元1、参数设置及运行控制操作单元2、模拟量信号输入单元3、RVDT信号输入单元4、作动器信号仿真单元5、伺服阀信号仿真单元6、舵面位置信号仿真单元7通过系统控制总线9进行信息的传输与数据交换。

所述信号定义操作单元1、参数设置及运行控制操作单元采用虚拟操作界面，通过运行在计算机上的应用软件来实现，各个信号输入单元3、4、各个信号仿真单元5～7和故障设置控制单元8通过由计算机控制的接口模板实现，信号定义操作单元1、参数设置及运行控制操作单元2接收用户的操作输入，根据用户的操作选择或参数设置，或者从信号输入单元3、4采集数据，形成控制信号仿真单元的命令及参数，并发送给接口模板，以及按照运行控制模式对故障设置控制单元8进行的设置，控制接口模板输出飞行控制系统所需的接口信号。

信号定义操作单元1采用虚拟操作界面，提供了对需要仿真的物理对象信号的定义，对物理对象信号进行标识将其定义为逻辑通道，与此同时，将逻辑通道与信号仿真单元1所使用的接口模板及其仿真激励通道进行一一对应；

信号定义操作单元1提供了对输出仿真信号转换中的参数定义功能，在信号仿真中，对来自于模拟量信号输入单元3或者是RVDT信号输入单元4的信号，参数设置及运行控制操作单元2按照对信号的转换系数和偏移的定义，对输入信号进行转换后形成对信号仿真单元5～7控制的参数；

所述控制作动器信号仿真单元5、伺服阀信号仿真单元6、舵面位置信号仿真单元7的参数是来自于模拟量信号输入单元3或者是RVDT信号输入单元4的参数，也可以是用户定义的波形信号，还可以是用户定义的离散数据或者是用户设置的参数。

对于输出的仿真信号，信号定义操作单元1还提供了对输出仿真信号的波形定义功能，或者是选择仿真信号是一系列离散的数据，在波形定义中，包含有波形选择、波形周期、波形幅值等参数的设置功能，对用离散数据作为仿真信号时，包含有数据更新率等参数设置功能。

所述设置及运行控制操作单元2采用虚拟操作界面，控制模拟量信号输入单元3、RVDT信号输入单元4、作动器信号仿真单元5、伺服阀信号仿真单元6、舵面位置信号仿真单元7、故障设置控制单元8的运行，按照信号定义操作单元1对辑通道与信号仿真单元5～7所使用的接口模板及其仿真激励通道对应关系，对输出的仿真信号进行控制；

设置及运行控制操作单元2提供有相关输入信号源的选择功能，以便选择模拟量信号输入单元3或者是RVDT信号输入单元4的信号作为对信号仿真单元5～7控制的参数，也可以选择任意一种波形信号或者是一系列离散的数据作为对信号仿真单元控制的参数，还可以是用户设置的参数对信号仿真单元控制；

对于输出到飞行控制系统所需的接口信号还可以设置接通、断开、短路等各种故障，其控制同样由参数设置及运行控制操作单元来实现。

所述模拟量信号输入单元3提供有多路模拟量信号采集功能，用来采集外部输入的模拟量信号，将模拟量信号转换为与其对应的数值；

所述RVDT信号输入单元4提供有多路RVDT信号或LVDT信号采集功能，用来采集外部输入的RVDT信号或LVDT信号，将RVDT信号或LVDT信号转换为与其对应的数值。

所述作动器信号仿真单元5、伺服阀信号仿真单元6、舵面位置信号仿真单元7分别用于模拟作动器、伺服阀和舵面位置传感器的信号；

上述模拟作动器、伺服阀和舵面位置传感器的信号为RVDT或LVDT传感器所产生的信号。

对于由RVDT或LVDT传感器产生位移信号的仿真，要求模拟RVDT传感器的工作，一方面接收由飞行控制系统提供的交流激励信号，将输入的交流激励信号分成A相和B相信号，按照信号定义操作单元和参数设置及运行控制操作单元所设置的参数，分别对交流激励信号进行幅值和相位的参数调整，生成与操作参数一致的A相和B相信号，输出到飞行控制系统。

所述故障设置控制单元8设置有接通、断开、短路等各种故障，可以实现输出到飞行控制系统所需的接口信号故障设置。

实施例

图2为本发明一种伺服作动系统仿真器一个实施例示意图。

本发明的一种伺服作动系统仿真器实施例中，模拟量信号输入单元3采用NationalInstruments Inc公司的NI PXI-6254数据采集板，RVDT信号输入单元4采用NAI公司NAI(North Atlantic Industries Inc.)75LD1-08CF1A板卡，完成对RVDT或LVDT信号采集，作动器信号仿真单元5、伺服阀信号仿真单元6、舵面位置信号仿真单元7采用NI公司的NI PXI-7851R板卡，用于对RVDT或LVDT信号的模拟，产生输出外部激励信号，故障设置控制单元8采用NI公司的NI PXI-2569开关量板卡，上述板卡安装在配置有PXI系统控制总线9的NI PXI-1045机箱中。

本发明的上述特征可作如下变化，但它们都没有偏离本发明的实质。

如模拟量信号输入单元3除采用NI公司的NI PXI-6254数据采集板外，也可以选择NI公司其它型号或其它类型的数据采集板，还可以选择其它公司的数据采集板卡；

RVDT信号输入单元4除采用NAI公司NAI 75LD1-08CF1A板卡外，也可以选择NAI公司其它型号或其它类型的RVDT或LVDT信号采集板，还可以选择其它公司的RVDT或LVDT信号采集板卡；

对于RVDT信号的仿真，除采用NI公司的NI PXI-7851R板卡，可以采用目前市场供应的其它型号或其它类型RVDT信号仿真接口模板，如ATENA公司提供的ATSIM-LVDT 2024接口模板，North Atlantic Industries Inc.公司提供的ModelcPCI-75DL 13U接口模板，Axiomatic Technologies Corporation公司提供的LVDTS-DR-02接口模板，United Electronic Industries Inc.公司提供的DNA/DNR-AI-254接口模板，或者也可以选择其它公司生产的其它型号的RVDT信号仿真接口模板，当然，也可以自行设计研制RVDT信号仿真接口模板。

图3为本发明一种伺服作动系统信号定义操作界面示意图。

本发明的一种伺服作动系统的信号定义操作单元1操作界面的虚拟面板301上提供了逻辑通道定义编辑窗302、仪器通道定义和参数转换窗303、波形定义和离散数据选择窗304，逻辑通道定义编辑窗302中逻辑通道列表显示框305、新增通道信息框306、增加逻辑通道的功能按钮307和删除逻辑通道的功能按钮308，提供了对需要仿真的物理对象信号的定义，对物理对象信号进行标识将其定义为逻辑通道。

仪器通道定义和参数转换窗303中仪器模块选择框309、信号通道选择框310，提供了将逻辑通道与作动器信号仿真单元5、伺服阀信号仿真单元6、舵面位置信号仿真单元7所使用的接口模板及其仿真激励通道进行一一对应定义；

仪器通道定义和参数转换窗303中转换系数框311和转换偏移框312提供了对输出仿真信号转换中的参数定义功能，对来自于模拟量信号输入单元3、RVDT信号输入单元4的信号，按照转换系数输入框311和转换偏移输入框312的定义，对输入信号进行转换后形成对作动器信号仿真单元5、伺服阀信号仿真单元6、舵面位置信号仿真单元7控制的参数。

波形定义和离散数据选择窗304中波形选择框313、幅值输入框314和周期输入框315提供了对输出仿真信号的波形定义功能，而数据更新率输入框316和数据文件信息框317选择仿真信号是一系列离散的数据，在离散数据作为仿真信号时，数据更新按照数据更新率输入框316所输入的参数执行。

信号定义操作单元1的虚拟面板301上还提供了功能按钮：确认318、取消319和返回320，确认318按钮用于对操作结果的确认，当用户完成一系列的定义操作后，使用确认318按钮保存操作的结果，而当用户放弃目前的操作时，使用取消319按钮。

图4为本发明一种伺服作动系统参数设置及运行控制操作界面示意图。

本发明的一种伺服作动系统的参数设置及运行控制操作单元2操作界面的虚拟面板401上提供了逻辑通道查看选择框402、仪器模块查看选择框403、信号通道查看选择框404、相关输入查看选择框405、故障设置查看选择框406、转换系数查看选择框407、转换偏移查看选择框408、输出设置查看选择框409，此外，在参数设置及运行控制操作单元2操作界面的虚拟面板401上还提供了功能按钮：运行410、停止411和返回412；

运行410按钮用于对模拟量信号输入单元3、RVDT信号输入单元4、作动器信号仿真单元5、伺服阀信号仿真单元6、舵面位置信号仿真单元7、故障设置控制单元8的运行控制，根据相关输入查看选择框405中对信号源的选择，从相应的输入获得数据，按照转换系数查看选择框407和转换偏移查看选择框408的参数对来自输入的数据进行转换，再根据逻辑通道查看选择框402、仪器模块查看选择框403、信号通道查看选择框404对输出仿真信号的定义，向输出的仿真信号的仪器通道写命令参数，控制其输出信号，同时，根据故障设置查看选择框406的状态对输出线路进行状态设置，控制其输出的状态，输出设置查看选择框409只有在相关输入查看选择框405中选择了单步操作时才有效，用于单步输出中对仿真信号的控制。

停止411按钮用于停止当前的运行，使用返回412按钮结束目前的操作。

一种使用伺服作动系统仿真装置进行仿真的方法，其流程示意图如图5所示，包括以下步骤：

步骤1：系统运行开始，按照试验需要完成的任务，确定伺服作动系统仿真器的初始状态；

步骤2：读取逻辑通道定义；

步骤3：按照相关输入定义选择输入信号的类型；

步骤4：判断信号类型；信号分别有：模拟输入、RVDT输入、单步输入、列表输入、函数输入、离散输入

步骤5：读取输入信号数值；

步骤6：读取通道转换系数和通道转换偏移参数；

步骤7：进行通道参数的转换，形成对应仿真信号的仪器通道的参数；

步骤8：写对应仿真信号的仪器通道，控制仪器通道的输出；

步骤9：读取故障设置状态；

步骤10：按照故障模式进行分类控制；故障模式分别有接通模式、开路模式、短路地模式、短路电源模式

步骤11：驱动控制输出线路；

步骤12：判断是否进行下一个通道或者是下一个循环的操作，如果继续运行，则执行步骤1，否则结束仿真运行。

Claims (3)

1.一种伺服作动系统仿真装置，其特征在于：包括信号定义操作单元[1]、参数设置及运行控制操作单元[2]、模拟量信号输入单元[3]、RVDT信号输入单元[4]、作动器信号仿真单元[5]、伺服阀信号仿真单元[6]、舵面位置信号仿真单元[7]、系统控制总线[9]和接口适配器[10]； 

信号定义操作单元[1]、参数设置及运行控制操作单元[2]、模拟量信号输入单元[3]、RVDT信号输入单元[4]、作动器信号仿真单元[5]、伺服阀信号仿真单元[6]、舵面位置信号仿真单元[7]之间通过系统控制总线[9]进行信息的传输与数据交换； 

模拟量信号输入单元[3]、RVDT信号输入单元[4]、作动器信号仿真单元[5]、伺服阀信号仿真单元[6]和舵面位置信号仿真单元[7]通过信号传输总线[11]和接口适配器[10]相连，进行信号的传输，接口适配器[10]还与飞行控制系统之间互联。 

2.根据权利要求1所述的伺服作动系统仿真装置，其特征在于：还包括故障设置控制单元[8]，故障设置控制单元[8]通过信号传输总线[11]分别和作动器信号仿真单元[5]、伺服阀信号仿真单元[6]和舵面位置信号仿真单元[7]、接口适配器[10]相连。 

3.根据权利要求2所述的伺服作动系统仿真装置，其特征在于：故障设置控制单元[8]和信号定义操作单元[1]、参数设置及运行控制操作单元[2]、模拟量信号输入单元[3]、RVDT信号输入单元[4]、作动器信号仿真单元[5]、伺服阀信号仿真单元[6]、舵面位置信号仿真单元[7]通过系统控制总线[9]进行信息的传输与数据交换。