CN204129455U - 一种水下平台控制的半实物仿真测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水下平台控制的半实物仿真测试系统，包括水上控制系统、水下控制系统和半实物仿真系统，所述半实物仿真系统分别连接水上控制系统和水下控制系统。通过半实物仿真测试系统，对水上控制系统、水下控制系统和半实物仿真系统开展联合试验，以验证平台控制系统的接口、控制算法和控制逻辑，降低研发成本，缩短了开发周期；系统的可扩展性和仿真的实时性得到了极大的提高。

Description

一种水下平台控制的半实物仿真测试系统

技术领域

本实用新型属于仿真系统领域，更具体地，涉及一种水下平台控制的半实物仿真测试系统。

背景技术

水下作业环境复杂，且缺乏必要的观察和通信手段，设备在水下作业时经常处于十分危险的环境中，一旦发生故障，就可能造成十分严重的后果。因此，对水下作业设备的可靠性和稳定性提出了很高的要求。水下作业设备往往十分昂贵，且建造起来需要很长的周期，一般来说，控制系统要比设备本身先行完成，如何对控制系统的结构及接口，控制逻辑、策略及算法进行验证是一个十分重要的问题。

传统的仿真技术仅仅能对系统的软件逻辑进行测试，但是对于控制系统的体系结构、硬件接口及可靠性都缺乏有效的手段进行验证。显然，传统的仿真技术无法满足水下作业设备高可靠性的要求。

目前，常用的半实物仿真系统可以弥补传统仿真技术的某些不足，但是多数情况下没有考虑系统的不稳定性及不确定性影响，抗干扰能力不足，导致在真正应用时效果不佳，且可扩展性不强，后续进行优化空间不大。另外，常用的半实物仿真系统图形化、可视化效果不好，且对各种异常工况缺乏应对措施，不能在线调整。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种水下平台控制的半实物仿真测试系统，适用于水下平台、小车及设备的数学模型的验证以及对控制系统结构及接口、控制逻辑、策略及算法的调试及完善。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种水下平台控制的半实物仿真测试系统，包括水上控制系统、水下控制系统和半实物仿真系统，所述半实物仿真系统分别连接水上控制系统和水下控制系统；

水上控制系统包括水上控制模块及与其相连接的水上信息传输模块，水上控制模块包括显控单元、水上主控单元和操作面板处理单元，水上信息传输模块包括水上交换机和与其相连的水上光端机，水上交换机分别连接显控单元、水上主控单元和操作面板处理单元；

水下控制系统包括水下信息传输模块和水下控制模块，水下信息传输模块包括水下光端机和与其相连的水下交换机，水下光端机与水上光端机通过光纤相连，水下控制模块包括分别连接在水下交换机上的水下主控单元、平台控制单元、小车测量单元、小车控制单元、舱室环境监测单元、进排水控制单元和绞车控制单元；

半实物仿真系统包括水上测试模块和水下测试模块，水上测试模块用来模拟电缆绞车控制器、水上监视系统和水上配电系统，电缆绞车控制器和水上主控单元连接，水上配电系统与操作面板处理单元连接；水下测试模块用来模拟水下传感器、水下监视系统、水下配电系统、小车本体模型、平台本体模型、阀门系统模型和液压绞车模型；进排水控制单元依次连接阀门系统模型和平台本体模型，平台本体模型通过水下传感器将平台本体信息反馈给进排水控制单元；平台控制单元依次连接绞车控制单元、液压绞车模型和平台本体模型，液压绞车模型通过以太网将液压绞车信息反馈给绞车控制单元，平台本体模型通过水下传感器将平台本体信息反馈给平台控制单元；小车控制单元依次连接绞车控制单元、液压绞车模型和小车本体模型，液压绞车模型通过以太网将液压绞车信息反馈给绞车控制单元，小车本体模型通过水下传感器和小车测量单元将小车本体信息反馈给小车控制单元。

优选地，所述半实物仿真系统包括主控计算机、实时仿真机、控制接口服务器、仿真接口服务器、信号调理单元和信号转接单元，主控计算机的输入端连接控制接口服务器，其输出端依次通过仿真接口服务器、实时仿真机、信号调理单元连接在信号转接单元上；所述信号转接单元的输出端连接有控制器，控制器的输出端连接在控制接口服务器上，水上控制模块和水下控制模块在控制器中运行，水上测试模块和水下测试模块在实时仿真机中运行。

优选地，所述半实物仿真系统还包括调试柜，调试柜用于模拟水下配电系统接口。

优选地，所述液压绞车包括一台牵引绞车、多台张力绞车和多台锚泊绞车，张力绞车和锚泊绞车由平台控制单元和绞车控制单元配合控制，牵引绞车由小车控制单元、小车测量单元和绞车控制单元配合控制。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)通过半实物仿真测试系统，对水上控制系统、水下控制系统和半实物仿真系统开展联合试验，以验证平台控制系统的接口、控制算法和控制逻辑，降低研发成本，缩短了开发周期；系统的可扩展性和仿真的实时性得到了极大的提高；

2)半实物仿真测试过程中，结合真实工况，能对水下的环境及各种干扰因素(风、浪、流等)进行真实模拟，由此验证控制系统的可靠性及稳定性，同时提高控制系统的抗干扰能力；

3)主控计算机可以与实时仿真机进行无缝连接，实现平台本体模型、小车本体模型、阀门系统模型、液压绞车模型及其他设备数学模型的设计、自动代码生成、代码下载、图形信号监视、在线调参等功能，仿真界面真实清晰、可视化效果好，并且可以通过在线调参功能模拟平台工作过程中的各种工况及干扰，实现对平台工作环境的更真实模拟。

附图说明

图1是本实用新型的结构框图；

图2为本实用新型中进排水控制半实物仿真测试的结构框图；

图3为本实用新型中平台控制半实物仿真测试的结构框图；

图4为本实用新型中小车控制半实物仿真测试的结构框图；

图5为本实用新型中半实物仿真测试系统的硬件结构框图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1～图5所示，一种水下平台控制的半实物仿真测试系统，包括水上控制系统、水下控制系统和半实物仿真系统，所述半实物仿真系统分别连接水上控制系统和水下控制系统；

水上控制系统包括水上控制模块及与其相连接的水上信息传输模块，水上控制模块包括显控单元、水上主控单元和操作面板处理单元，水上信息传输模块包括水上交换机和与其相连的水上光端机，水上交换机分别连接显控单元、水上主控单元和操作面板处理单元；

水下控制系统包括水下信息传输模块和水下控制模块，水下信息传输模块包括水下光端机和与其相连的水下交换机，水下光端机与水上光端机通过光纤相连，水下控制模块包括分别连接在水下交换机上的水下主控单元、平台控制单元、小车测量单元、小车控制单元、舱室环境监测单元、进排水控制单元和绞车控制单元，水下主控单元、平台控制单元、小车测量单元、小车控制单元、舱室环境监测单元、进排水控制单元和绞车控制单元之间通过以太网相互通信；水上控制系统中的水上主控单元发出控制信号(电信号)，进入水上交换机，之后传入水上光端机中，经过光电转换和合波后，在单模光纤中传输，经水下光端机解波和光电转换后，通过水下交换机传入水下主控单元中，并由水下主控单元发送至平台控制单元、小车测量单元、小车控制单元、舱室环境监测单元、进排水控制单元和绞车控制单元。

半实物仿真系统包括水上测试模块和水下测试模块，水上测试模块用来模拟电缆绞车控制器、水上监视系统和水上配电系统，电缆绞车控制器和水上主控单元连接，水上配电系统与操作面板处理单元连接；水下测试模块用来模拟水下传感器、水下监视系统、水下配电系统、小车本体模型、平台本体模型、阀门系统模型和液压绞车模型；进排水控制单元依次连接阀门系统模型和平台本体模型，平台本体模型通过水下传感器将平台本体信息反馈给进排水控制单元；平台控制单元依次连接绞车控制单元、液压绞车模型和平台本体模型，液压绞车模型通过以太网将液压绞车信息反馈给绞车控制单元，平台本体模型通过水下传感器将平台本体信息反馈给平台控制单元；小车控制单元依次连接绞车控制单元、液压绞车模型和小车本体模型，液压绞车模型通过以太网将液压绞车信息反馈给绞车控制单元，小车本体模型通过水下传感器和小车测量单元将小车本体信息反馈给小车控制单元。所述液压绞车包括一台牵引绞车、多台张力绞车和多台锚泊绞车，张力绞车和锚泊绞车由平台控制单元和绞车控制单元配合控制，牵引绞车由小车控制单元、小车测量单元和绞车控制单元配合控制。

所述半实物仿真系统包括主控计算机、实时仿真机、控制接口服务器、仿真接口服务器、信号调理单元和信号转接单元。主控计算机的输入端连接控制接口服务器，其输出端依次通过仿真接口服务器、实时仿真机、信号调理单元连接在信号转接单元上，所述信号转接单元的输出端连接有控制器，控制器的输出端连接在控制接口服务器上，水上控制模块和水下控制模块在控制器中运行，水上测试模块和水下测试模块在实时仿真机中运行。所述半实物仿真系统包含一台调试柜，用来模拟水下配电系统接口。主控计算机用于平台本体模型、小车本体模型、液压绞车模型、阀门系统模型以及其他设备数学模型的设计、开发，并能够生成实时代码，加载到实时仿真机运行，主控计算机同时能够管理实时仿真机，可监视所有模型运行状态及关键信号，并支持在线修改参数；实时仿真机用于完成模型的实时解算，采用CPCI总线，软件运行环境为VxWorks实时操作系统；信号调理单元用于AI/AO、DI/DO、PWM、串口以及总线信号的调理；信号转接单元提供仿真设备与实际设备的接口；调试柜用于供配电系统信号的显示与采集。

水下平台进行半实物仿真试验时，所有的控制器以及控制接口与真实工况完全一致，由此可以实现水下平台工作环境的完全模拟，其工作步骤如下：

1)操作面板处理单元采集操作面板上的指令，并将其发送至水上主控单元，水上主控单元对控制指令进行解析，并将其发送至水下主控单元；

2)水下主控单元对水上主控单元发送的控制指令进行处理，并将其分发至平台控制单元、小车控制单元、小车测量单元、进排水控制单元和绞车控制单元；

3)平台控制单元、小车控制单元、进排水控制单元和绞车控制单元将控制指令发送至主控计算机，由主控计算机将控制信号和平台本体模型、小车本体模型、液压绞车模型、阀门系统模型以及其他设备数学模型加载至实时计算机运行，之后，通过信号调理单元和信号转接单元输出对应的平台模拟状态信息；

4)平台控制单元、小车控制单元、进排水控制单元和绞车控制单元采集并分析平台本体模型、小车本体模型及液压绞车模型的状态信息，并据此生成新的控制指令，重复步骤3)；

5)同时，平台控制单元、小车测量单元、小车控制单元、舱室环境监测单元、进排水控制单元和绞车控制单元将采集到的平台、小车、液压绞车、阀门系统状态发送至水下主控单元，由水下主控单元打包后发送至水上主控单元，最终在操作面板和显控单元上进行显示；

6)重复步骤1)～5)，以实现对平台本体模型、小车本体模型、阀门系统模型的连续控制。

半实物仿真系统的模拟范围包括电缆绞车控制器、水上监视系统、水上配电系统、水下传感器、水下监视系统、水下配电系统、平台本体模型、小车本体模型、液压绞车模型和阀门系统模型；按照功能，可分为平台控制、小车控制、进排水控制、配电控制、监视系统控制以及电缆绞车控制，下面分别对以上功能的半实物仿真试验原理及模拟方式进行说明：

1.平台控制

平台控制由平台控制单元和绞车控制单元配合完成，实际上是通过对张力绞车和锚泊绞车进行控制，实现对平台深度和姿态的控制，平台控制的原理如下：

参照图3，张力绞车和锚泊绞车的控制模式为双闭环控制。外环由平台控制单元进行控制，内环由绞车控制单元进行控制。平台控制单元对水下主控单元发送的平台控制指令和模拟水下传感器反馈的平台深度、姿态信息进行综合分析后，将绞车控制指令发送至绞车控制单元，由绞车控制单元将张力/锚泊绞车控制指令加载至实时仿真机中的液压绞车模型，开始进行张力绞车和锚泊绞车的控制，液压绞车模型会将实时的速度、张力、行程、阀芯开度信息反馈至绞车控制单元，使其完成内闭环控制。同时，将绞车运动的效果加载至平台本体模型，由模拟水下传感器输出平台本体的深度、姿态信息，作为外闭环的反馈信号。

2.小车控制

小车控制由小车控制单元、小车测量单元、和绞车控制单元配合完成，实际上是通过对牵引绞车进行控制，实现对小车速度和行程的控制，小车控制的原理如下：

参照图4，牵引绞车的控制模式同样为双闭环控制。外环由小车控制单元进行控制，内环由绞车控制单元进行控制。小车控制单元对由水下主控单元发送的小车控制指令和模拟水下传感器反馈的小车速度、行程信息进行综合分析后，将绞车控制指令发送至绞车控制单元，由绞车控制单元将牵引绞车控制指令加载至实时仿真机中的液压绞车模型，开始进行牵引绞车的控制，液压绞车模型会将实时的速度、张力、行程、阀芯开度信息反馈至绞车控制单元，使其完成内闭环控制。同时，将牵引绞车运动的效果加载至小车本体模型，模拟水下传感器输出机械测速装置脉冲和加速度信号，由小车测量单元解算为小车本体的速度和行程信息后，作为外闭环的反馈信号。

3.进排水控制

进排水控制主要由进排水控制单元完成闭环控制，实际上是通过对阀门系统进行控制，实现对平台的进排水操作，进排水控制的原理如下：

参照图2，阀门系统由进排水控制单元进行闭环控制，进排水控制单元对水下主控单元发送的进排水控制指令和模拟水下传感器反馈的平台深度、姿态信息进行综合分析后，将阀门控制指令加载至实时仿真机中的阀门系统模型，阀门系统开始模拟进水，之后阀门系统的进排水动作加载至平台本体模型，由模拟水下传感器输出平台深度、姿态信息，作为反馈信号。

4.配电控制：

配电系统包括水上配电系统和水下配电系统。水上配电系统由操作面板处理单元进行控制，水下配电系统由进排水控制单元进行控制。模拟配电控制时，需通过一台调试柜辅助完成，操作面板处理单元和进排水控制单元对水上、水下配电系统所发出的控制指令通过主控计算机下载至实时仿真机中运行，之后通过信号调理单元和信号转接单元输出，在调试柜上进行显示。反之，调试柜上的操作可以反馈至操作面板处理单元和进排水控制单元，最终在显控单元上进行显示。

5.监视系统控制：

监视系统包括水上监视系统和水下监视系统，水上监视系统与水上主控单元进行串口通信，水下监视系统由小车测量单元通过DI/DO信号进行控制。

6.电缆绞车控制：

电缆绞车控制实际上是水上主控单元通过串口采集电缆绞车控制器反馈的电缆绞车信息(包括缆长、速度等)，并发送至显控单元，进行显示。

7.半实物仿真系统

水下平台半实物仿真试验的核心是半实物仿真系统，现对半实物仿真系统的工作原理做如下阐述：

参归图5，控制器发出的控制指令经控制接口服务器发送至主控计算机，主控计算机完成平台本体模型、小车本体模型、液压绞车模型、阀门系统模型以及其他设备数学模型的设计、开发，生成实时代码并通过仿真接口服务器加载到实时仿真计算机中运行，同时可用仿真接口服务器监视模型运行状态及关键信号，并可在线修改参数。实时仿真机用来模拟图5中虚线框内所述内容，包括：平台本体模型、小车本体模型、阀门系统模型、液压绞车模型、水下传感器、水下监视系统、水下配电系统、电缆绞车控制器、水上监视系统和水上配电系统。最后，实时仿真机中的模拟参数通过信号调理单元和信号转接单元反馈至控制器中，以辅助控制器完成闭环控制，特别的，配电系统控制试验需要调试柜来辅助完成。

本实用新型通过半实物仿真系统对水下平台工况进行真实模拟，以验证平台控制系统的接口、控制算法和控制逻辑，降低研发成本，缩短了开发周期；实时仿真机采用CPCI总线，提高了系统的可扩展性，采用VxWorks操作系统，大大提高了仿真的实时性；主控计算机可以与实时仿真机进行无缝连接，实现算法模型设计、自动代码生成、代码下载、图形信号监视、在线调参等功能，仿真界面真实清晰、可视化效果好，并且可以通过在线调参功能模拟平台工作过程中的各种工况及干扰，实现对平台工作环境的更真实模拟。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种水下平台控制的半实物仿真测试系统，其特征在于：包括水上控制系统、水下控制系统和半实物仿真系统，所述半实物仿真系统分别连接水上控制系统和水下控制系统；

水上控制系统包括水上控制模块及与其相连接的水上信息传输模块，水上控制模块包括显控单元、水上主控单元和操作面板处理单元，水上信息传输模块包括水上交换机和与其相连的水上光端机，水上交换机分别连接显控单元、水上主控单元和操作面板处理单元；

水下控制系统包括水下信息传输模块和水下控制模块，水下信息传输模块包括水下光端机和与其相连的水下交换机，水下光端机与水上光端机通过光纤相连，水下控制模块包括分别连接在水下交换机上的水下主控单元、平台控制单元、小车测量单元、小车控制单元、舱室环境监测单元、进排水控制单元和绞车控制单元；

半实物仿真系统包括水上测试模块和水下测试模块，水上测试模块用来模拟电缆绞车控制器、水上监视系统和水上配电系统，电缆绞车控制器和水上主控单元连接，水上配电系统与操作面板处理单元连接；水下测试模块用来模拟水下传感器、水下监视系统、水下配电系统、小车本体模型、平台本体模型、阀门系统模型和液压绞车模型；进排水控制单元依次连接阀门系统模型和平台本体模型，平台本体模型通过水下传感器将平台本体信息反馈给进排水控制单元；平台控制单元依次连接绞车控制单元、液压绞车模型和平台本体模型，液压绞车模型通过以太网将液压绞车信息反馈给绞车控制单元，平台本体模型通过水下传感器将平台本体信息反馈给平台控制单元；小车控制单元依次连接绞车控制单元、液压绞车模型和小车本体模型，液压绞车模型通过以太网将液压绞车信息反馈给绞车控制单元，小车本体模型通过水下传感器和小车测量单元将小车本体信息反馈给小车控制单元。

2.根据权利要求1所述的一种水下平台控制的半实物仿真测试系统，其特征在于：所述半实物仿真系统包括主控计算机、实时仿真机、控制接口服务器、仿真接口服务器、信号调理单元和信号转接单元；主控计算机的输入端连接控制接口服务器，其输出端依次通过仿真接口服务器、实时仿真机、信号调理单元连接在信号转接单元上；所述信号转接单元的输出端连接有控制器，控制器的输出端连接在控制接口服务器上，水上控制模块和水下控制模块在控制器中运行，水上测试模块和水下测试模块在实时仿真机中运行。

3.根据权利要求2所述的一种水下平台控制的半实物仿真测试系统，其特征在于：所述半实物仿真系统还包括调试柜，调试柜用于模拟水下配电系统接口。

4.根据权利要求1所述的一种水下平台控制的半实物仿真测试系统，其特征在于：所述液压绞车包括一台牵引绞车、多台张力绞车和多台锚泊绞车，张力绞车和锚泊绞车由平台控制单元和绞车控制单元配合控制，牵引绞车由小车控制单元、小车测量单元和绞车控制单元配合控制。