CN113885359B - 一种半实物仿真大气温度模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半实物仿真系统试验技术，公开了一种半实物仿真大气温度模拟方法，包括以下步骤：步骤一：上位机为总温模拟设备发送温度控制指令，所述温度控制指令为待模拟温度；步骤二：总温模拟设备根据温度‑电压曲线，将温度控制指令转换为控制电压，并将控制电压发送至总温测试系统；步骤三：总温测试系统将所述控制电压与参考电压比较，输出模拟温度。本方法主要针大气环境温度的模拟，实现总温传感器的功能。为飞行器在地面半实物仿真中提供实时的、逼真的环境温度的变化情况，从而可以在地面仿真条件下有效验证环境温度变化对飞行器制导控制性能的影响，为此提高了在半实物仿真中对飞行器性能测试的置信度。
Description
技术领域
本发明属于半实物仿真系统试验技术，涉及一种半实物仿真大气温度模拟方法。
背景技术
真实大气环境温度的模拟是飞行器半实物仿真过程中的重要一环。半实物仿真大气温度模拟由总温模拟设备及温度测试系统组成。飞行器行器在空中飞行过程中，需要用真空速进行自动驾驶仪的自导率控制的解算。真空速的计算方程如下：
其中，K为绝热指数，对于空气K＝1.4，R为常数，g为重力加速度。总温传感器可以提高测高精度，不装总温传感器得不到真空速。为此采用总温模拟器设备为气压高度表提供实时的、动态的变化电阻信号。由于以往总温模拟器设备采用的是开关控制电阻值的变化，所以在连续变化的过程中，温度信号不连续，存在突跳的情况。
发明内容
大气温度模拟的准确性直接影响飞行器真空速的修正，从而进一步影响飞行器高度的准确计算。大气温度模拟作为决定飞行器仿真试验的关键因素，为仿真系统提供连续、实时变化的温度值，是满足目前飞行器半实物仿真要求、验证飞行器产品控制系统稳定性和可靠性的必要条件。总温模拟设备根据外部环境温度的变化产生不同的阻值信号，总温测试系统根据该电阻值就可以换算出相应的温度，从而为修正真空速的计算提供必要的依据。
本申请摒弃了以往的设计理念，以铂电阻阻值随环境温度变化的物理原理为依据，开发出了一种新型总温模拟设备的设计方法，可实现对不同高度环境下温度的稳定控制或连续变化。
一种半实物仿真大气温度模拟方法，包括以下步骤：
步骤一：上位机为总温模拟设备发送温度控制指令，所述温度控制指令为待模拟温度；
步骤二：总温模拟设备根据温度-电压曲线，将温度控制指令转换为控制电压后，再将控制电压转换为等效电阻，以等效电阻的形式接于总温测试系统；
步骤三：总温测试系统将接入的总温模拟设备等效电阻所得到的分压与参考电压进行比较，经放大后总温测试系统将输出的电压转换为模拟温度。
进一步，所述总温测试系统包括：惠斯通电桥和电压比较电路；
所述步骤三中，所述总温模拟设备等效电阻接入至惠斯通电桥的其中一支支臂上；所述惠斯通电桥的输出端连接至所述电压比较电路的输入端。
进一步，所述惠斯通电桥包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3和电源Vcc；
所述电阻R1上端与电源Vcc连接，电阻R2上端与电源Vcc连接，
电阻R2下端与电阻R3上端连接，电阻R3下端接地；
电阻R1下端与地之间接入总温模拟设备等效电阻；
电阻R2和R3接点与电压比较电路反相输入端连接；
电阻R1和总温模拟设备等效电阻接点与电压比较电路同相输入端连接。
进一步，所述参考电压为所述控制电压。所述参考电压为R2、R3组成的惠斯通电桥臂中，R3对Vcc的分压。
进一步，所述温度-电压曲线通过以下过程得到：
在总温测试系统两输入端之间接入一系列阻值不同的电阻，测量总温测试系统在不同电阻值输入时对应的温度输出值；测量总温测试系统在不同电阻值接入时两输入端之间的电压值。
根据总温测试系统一系列电阻接入值与温度输出值测试数据，拟合温度-电阻关系曲线；根据总温测试系统一系列电阻接入值与电压测量数据，拟合电压-电阻关系曲线；根据温度-电阻曲线和电压-电阻曲线合成温度-电压关系曲线。
进一步，所述一系列不同电阻值根据总温测试系统的电阻变化范围等间隔划分得到。
进一步，所述步骤二中，还包括：总温模拟设备将控制电压转换为等效电阻接入至总温测试系统。
进一步，所述总温模拟设备采用镜像电流源原理将所述控制电压转换为所述等效电阻。
有益效果
本方法主要针大气环境温度的模拟，实现总温传感器的功能。为飞行器在地面半实物仿真中提供实时的、逼真的环境温度的变化情况，从而可以在地面仿真条件下有效验证环境温度变化对飞行器制导控制性能的影响，为此提高了在半实物仿真中对飞行器性能测试的置信度。
附图说明
图1为大气温度模拟及测试系统原理图；
图2为总温模拟设备原理图；
图3为开关量控制方式总温模拟设备大气温度仿真曲线；
图4为新型总温模拟设备大气温度模拟仿真曲线。
具体实施方式
半实物仿真大气温度的模拟方法的实现方式是，首先通过在总温测试系统的输入端接入阻值不同的电阻，测量总温测试系统在不同电阻值接入时对应的温度输出值和电压输出值，形成温度-电阻函数关系及电压-电阻函数关系后，合成温度-电压函数关系形成文档供系统调用；其次，所研制的总温模拟设备输出的等效电阻对应于相应的大气温度下的铂电阻阻值，将该等效电阻接于总温测试系统输入端；总温测试系统内部有惠斯通电桥和放大器电路，总温模拟设备的输出端接在惠斯通电桥的其中一个臂桥上进行分压，将该分压与另一桥臂接点参考电压经比较电路放大后得到输出电压，通过调用温度-电压函数文档确认此时对应的温度。
总温模拟设备的输出电压由运算放大器输出，总温测试系统内部的运算放大器具有很低的输出阻抗及很高的输入阻抗的特性。故总温模拟设备的输出端有很低的输出阻抗，带载能力很强。而总温测试系统的输入端具有很高的输入阻抗，对输入信号的损耗可忽略。故由总温模拟设备输出电压以等效于输入电阻的方案可行。
根据欧姆定律可知，在图1的接口端接入不同电阻，电阻会分得不同电压。如图所示左侧桥臂经Vcc电压后串接R3电阻。接入电阻阻值Rt，其分压变化范围为Vcc*Rt/(Rt+R1)。故只要总温模拟设备输出不同的电压，以等效温度传感器在不同温度环境下的阻值，即可模拟不同高度环境下的温度变化情况。
依据上述设计思想，所研制出的总温模拟设备系统组成原理框图如图2所示。该设备实现以下功能：可模拟在不同高度环境下的温度变化情况、可实现温度的连续变化、经由大气数据测试仪控制，能够迅速响应控制命令。同时也可以在总温模拟设备自身的控制平台上实现单个温度点稳定控制、及连续变化温度的控制。
总温模拟设备的输出端所连接的是总温测试系统。总温测试系统内部接口电路为惠斯通电桥，将总温模拟设备的输出端接在惠斯通电桥的一个桥臂上，总温测试系统内部电路通过桥接电路测出外部接口的电压信号，从而模拟出被测桥臂上的电阻值。将目标温度与输出电压建立起对应的函数关系即可实现温度控制。
总温模拟设备的输出电压由运算放大器输出，总温测试系统内部的运算放大器具有很低的输出阻抗及很高的输入阻抗的特性。故总温模拟设备的输出端有很低的输出阻抗，带载能力很强。而总温测试的输入端具有很高的输入阻抗，对输入信号的损耗可忽略。故由总温模拟设备输出电压以等效于输入电阻的方案可行。
根据欧姆定律可知，在图1的接口端接入不同电阻，电阻会分得不同电压。如图所示左侧桥臂经Vcc电压后串接R3电阻。接入电阻阻值Rt，其分压变化范围为Vcc*Rt/(Rt+R1)。故只要总温模拟设备输出不同的电压，以等效温度传感器在不同温度环境下的阻值，即可模拟不同高度环境下的温度变化情况。
依据上述设计思想，所研制出的总温模拟设备系统组成原理框图如图2所示。该设备实现以下功能：可模拟在不同高度环境下的温度变化情况、可实现温度的连续变化、经由大气数据测试仪控制，能够迅速响应控制命令。同时也可以在总温模拟设备自身的控制平台上实现单个温度点稳定控制、及连续变化温度的控制。
总温模拟设备的研制是大气温度模拟系统的关键。该设备嵌入的LINUX系统集成了高达1G的ARM Cortex A9内核的主机板作为系统主控部分。大气模拟系统上位机通过RS232口给总温模拟设备发送控制指令，进行温度控制(亦可通过触摸屏设定目标温度)。主机板将目标温度解算成对应电压值以ModeBus协议下传至电压控制板，电压控制板利用镜像电流源物理原理将该电压值转换为相对应的等效电阻。同时电压控制板通过AD采样，将总温模拟设备等效电阻所得分压作为反馈值，利用PID控制模块进行调节，使其快速对目标值做出响应，实现闭环控制，令输出值更加稳定，并将实时控制温度传回主机板予以显示。温度模拟功能的实现过程如下：
1)上位机的控制命令通过通讯隔离模块1送给DSP主机板2。
2)DSP主机板2通过总线通讯的方式将总温控制信号送给PID控制模块；
3)PID控制模块3将生成的电压信号经过D/A送给电压输出模块4；
4)电压输出模块4再将等效电阻值的电压信号通过A/D送给PID控制模块3，PID控制模块3再送给DSP主机板2，DSP主机板2最终送给显示模块。
图3和图4分别为开关量控制方式总温模拟设备大气温度仿真曲线、新型总温模拟设备大气温度仿真曲线。红色线为理论总温值，黑色线为总温测试系统送出的总温变化值。可以明显看到，采用镜像电流源物理原理控制电阻值的新型总温模拟设备相较于传统开关量控制电阻值的方式，大气温度仿真结果明显是光滑连续清晰的，实现了对不同高度环境下温度的连续变化和稳定控制。
依据本专利发明的大气温度模拟方法所研制的总温模拟设备取代了传统开关量控制方式，彻底解决了温度突跳不连续的难题。该设备现已投入使用，实现了飞行试验过程中大气模拟温度的稳定控制或连续变化，为飞行器可信的温度及高度模拟提供了强有力的支撑。
Claims (8)
1.一种半实物仿真大气温度模拟方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤一：上位机为总温模拟设备发送温度控制指令，所述温度控制指令为待模拟温度；
步骤二：总温模拟设备根据温度-电压曲线，将温度控制指令转换为控制电压，并将控制电压发送至总温测试系统；总温模拟设备嵌入的LINUX系统集成了高达1G的ARM CortexA9内核的主机板作为系统主控部分；大气模拟系统上位机通过RS232口给总温模拟设备发送控制指令，进行温度控制；主机板将目标温度解算成对应电压值以ModeBus协议下传至电压控制板，电压控制板利用镜像电流源物理原理将该电压值转换为相对应的等效电阻；同时电压控制板通过AD采样，将总温模拟设备等效电阻所得分压作为反馈值，利用PID控制模块进行调节，使其快速对目标值做出响应，实现闭环控制，令输出值更加稳定，并将实时控制温度传回主机板予以显示；温度模拟功能的实现过程如下：1)上位机的控制命令通过通讯隔离模块送给DSP主机板；2)DSP主机板通过总线通讯的方式将总温控制信号送给PID控制模块；3)PID控制模块将生成的电压信号经过D/A送给电压输出模块；4)电压输出模块再将等效电阻值的电压信号通过A/D送给PID控制模块，PID控制模块再送给DSP主机板，DSP主机板2最终送给显示模块；
步骤三：总温测试系统将所述控制电压与参考电压比较，输出模拟温度。
2.根据权利要求1所述的一种半实物仿真大气温度模拟方法，其特征在于：所述总温测试系统包括：惠斯通电桥和电压比较电路；
所述步骤三中，所述控制电压输入至惠斯通电桥的其中一支支臂上；所述惠斯通电桥的输出端连接至所述电压比较电路的输入端。
3.根据权利要求2所述的一种半实物仿真大气温度模拟方法，其特征在于：所述惠斯通电桥包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3和电源Vcc；
所述电阻R1上端与电源Vcc连接，电阻R2上端与电源Vcc连接，
电阻R2下端与电阻R3上端连接，电阻R3下端接地；
电阻R1下端与地之间接入输入控制电压；
电阻R2与R3接点与电压比较电路反相输入端连接；
电压比较电路同相输入端与参考电压连接。
4.根据权利要求3所述的一种半实物仿真大气温度模拟方法，其特征在于：所述参考电压为所述控制电压。
5.根据权利要求1所述的一种半实物仿真大气温度模拟方法，其特征在于：所述温度-电压曲线通过以下过程得到：
对总温测试系统两输入端之间输入一系列不同的电阻值，测量总温测试系统在不同电阻值输入时对应的温度输出值；
且在总温测试系统两输入端之间接入不同电阻值时测量两输入端之间的电压值；
根据总温测试系统一系列电阻输入值与温度输出值测试数据，拟合温度-电阻曲线；
根据总温测试系统一系列电阻输入值与电压测量数据，拟合电压-电阻曲线；
根据温度-电阻曲线和电压-电阻曲线合成温度-电压曲线。
6.根据权利要求5所述的一种半实物仿真大气温度模拟方法，其特征在于：所述一系列不同电阻值根据总温测试系统的电阻变化范围等间隔划分得到。
7.根据权利要求1所述的一种半实物仿真大气温度模拟方法，其特征在于：所述步骤二中，还包括：总温模拟设备将控制电压转换为模拟电压信号发送至总温测试系统。
8.根据权利要求7所述的一种半实物仿真大气温度模拟方法，其特征在于：所述总温模拟设备通过镜像电流源输出所述模拟电压信号。
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