一种导弹自动控制原理的虚拟实验教学系统及其使用方法技术方案

本发明专利技术涉及了一种导弹自动控制原理的虚拟实验教学系统及其使用方法，所述系统包括：用户前端和后台服务器；所述用户前端与所述后台服务器通过互联网连接；所述用户前端上设置有与导弹自动控制原理相关的多个虚拟部件，所述虚拟部件包括：虚拟弹体、虚拟三轴转台、虚拟控制柜、虚拟示波器、虚拟信号源、虚拟实验桌和悬浮窗；所述悬浮窗内设置有导弹控制所需的虚拟控制元件。本发明专利技术的系统通过具体元件的模型的单独构建，只需学生根据需要进行组合即可完成不同的实验。成不同的实验。成不同的实验。

【技术实现步骤摘要】
一种导弹自动控制原理的虚拟实验教学系统及其使用方法


[0001]本专利技术涉及实验教学
，特别是涉及一种导弹自动控制原理的虚拟实验教学系统及其使用方法。

技术介绍

[0002]《自动控制原理》课程是一门兼顾理论性与工程性的课程，如何将控制理论在实践中的应用完美地呈现给学生，是每个控制理论的教育工作者所孜孜不倦研究的课题之一，也是控制理论教学的难点之一。目前比较常用的做法是在理论课堂上通过案例法突出控制理论的应用特点，并通过实验课堂加强其理论在实践中的认知以及培养其工程创新能力。但在实际操作时，由于各种客观原因的存在，使得这一由感性到理论，由理论至实践，由实践加深理论的这一过程始终无法形成闭环。主要表现在:
[0003]1.控制理论的工程应用非常之多，特别是导弹、航天等装设备的工程实例又非常庞大，无法在有限的实验室条件下一一展示，这就造成了课堂上所交待的工程背景成了空中楼阁，学生根本无法对其产生最直观的认识。
[0004]2.课上对装设备等工程案例的结合很难把握住度的问题。工程背景讲得多，会涉及到很多飞行器控制、空气动力学、导弹飞行力学等相关知识，学生又会觉得这些知识太难，无从切入，从而失去了研究兴趣；然而工程背景讲得太少，就完全成了一块“背景板”，一样的模型换个“背景板”又是一个案例，失去了探测专业、导弹专业的专业特色。
[0005]3.目前自动控制原理的课内实验的开展形式一般有如下几类：
[0006](1)通过插拔线以模拟运放电路组成的典型环节来进行时域分析。这种实验形式必须要讲清楚模拟电路组成的典型环节的传递函数形式，否则对于学生而言只是一系列的插拔电线操作；而且该类实验仅能对简单控制系统进行时域下的分析研究，与自动控制在装设备中的应用联系不紧密，也难以锻炼对控制系统的设计和校正能力。
[0007](2)通过Matlab/Labview等软件进行的虚拟仿真实验。该类实验可以帮助学员清晰地认识到控制系统中的某一参数对系统性能的影响，并能从时域、根轨迹、频域的角度进行分析，但是该类实验无法体现模型和实物的直观关联，仍然是一种理论上的分析研究。
[0008](3)基于某一控制对象的半实物仿真研究。该类实验可以帮助学员建立起实物和模型的联系，并能将控制算法应用到仿真平台以观测实物的被控量变化，但是该类实验装置成本较高，一般实验室只有一台，很难保证所有学员都能够进行充分的实验研究；而且该类实验方法一般只针对时域分析法，几乎没有使用根轨迹法和频域法来进行分析和验证。
[0009]以上三类实验根据其优缺点，在进行教学时间或采用，虽然看上去在优势互补，但是实际上不同的实验类型其实验对象已经发生了变化，这让学生很难在一个对象上进行深入研究，缺乏知识的连贯性和系统性，而且目前的实验设备、实验案例都和装设备联系不紧密，且实验的充分性需求受到场地大小、设备数量、时间的极大影响。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的是提供一种导弹自动控制原理的虚拟实验教学系统及其使用方法，以提供一种针对同一的实验对象可完成不同的实验的实验教学系统，方便知识的连贯性、系统性的深入学习及研究。
[0011]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0012]本专利技术提供一种导弹自动控制原理的虚拟实验教学系统，所述系统包括：用户前端和后台服务器；所述用户前端与所述后台服务器通过互联网连接；所述用户前端上设置有与导弹自动控制原理相关的多个虚拟部件，所述虚拟部件包括：虚拟弹体、虚拟三轴转台、虚拟控制柜、虚拟示波器、虚拟信号源、虚拟实验桌和悬浮窗；所述悬浮窗内设置有导弹控制所需的虚拟控制元件；所述用户前端用于根据用户指令利用所述虚拟部件搭建控制电路，设置控制参数，并将所述控制电路和所述控制参数发送给所述后台服务器；所述后台服务器上设置有后端计算库，所述后台服务器用于根据所述控制电路和所述控制参数利用后端计算库进行解算，获得解算结果，并将解算结果反馈给所述用户前端。
[0013]可选的，所述虚拟弹体使用基于物理光照的PBR技术构建，虚拟弹体所在的虚拟风洞采用粒子效果碰撞技术构建。
[0014]可选的，所述虚拟弹体作为被控对象时的控制模型包括弹体纵向模型、弹体航向角模型和弹体滚转角模型；
[0015]所述弹体纵向模型、所述弹体航向角模型和所述弹体滚转角模型分别为虚拟弹体的俯仰角控制、航向角控制和滚转角控制的传递函数。
[0016]可选的，所述虚拟控制元件基于吸附技术构建；
[0017]所述虚拟控制元件包括综控机、液压舵机、电动舵机、功率放大器、反馈电位计、惯导、气压高度表、雷达高度表、测速电机、比例电路、积分电路、微分电路和延迟环节。
[0018]可选的，所述综控机包括比较环节和控制律运算环节，所述比较环节为比较运算的传递函数，所述控制律运算环节为控制律运算的传递函数。
[0019]一种导弹自动控制原理的虚拟实验教学系统的使用方法，所述使用方法包括：
[0020]将悬浮窗内的单个虚拟控制元件拖拽至虚拟实验桌或虚拟三轴转台上，并进行电路连接，形成元件观测电路；
[0021]对所述元件观测电路进行观测，获得第一观测结果；
[0022]将悬浮窗内的多个虚拟控制元件拖拽至虚拟实验桌上或导弹里，并进行电路连接，形成组合回路；
[0023]对所述组合回路进行观测，获得第二观测结果；
[0024]调整所述组合回路中的各虚拟控制元件的参数，观察第二观测结果的变化。
[0025]可选的，第一观测结果和所述第二观测结果均为阶跃响应曲线、根轨迹图、伯德图和奈奎斯特图中的至少一个。
[0026]可选的，所述组合回路包括：舵回路、姿态角回路和高度控制回路；
[0027]所述舵回路包括：液压舵回路、电动舵回路和带扰动的电动舵回路；
[0028]所述姿态角回路包括：俯仰角回路、航向角回路、带扰动的航向角回路和倾斜角回路。
[0029]可选的，所述液压舵回路包括：液压舵机、比较环节、功率放大器、反馈电位计、虚
拟示波器和虚拟信号源；
[0030]所述电动舵回路包括：电动舵机、比较环节、功率放大器、反馈电位计、虚拟示波器和虚拟信号源；电动舵回路中的虚拟信号源用于产生电动舵回路的输入信号；
[0031]带扰动的电动舵回路包括：电动舵机、比较环节、功率放大器、反馈电位计、虚拟示波器和虚拟信号源，带扰动的电动舵回路中的虚拟信号源用于产生电动舵回路的输入信号和干扰信号。
[0032]可选的，所述俯仰角回路包括：两个比较环节、比例电路、功率放大器、液压舵机、弹体纵向模型、积分电路、反馈电位计和惯导；
[0033]所述航向角回路包括：两个比较环节、比例电路、功率放大器、液压舵机、弹体航向角模型、积分电路、反馈电位计和惯导；
[0034]所述带扰动的航向角回路包括：两个比较环节、比例电路、功率放大器、液压舵机、虚拟信号源、弹体航向角模型、积分电路、反馈电位计和惯导；带扰动的航向角本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种导弹自动控制原理的虚拟实验教学系统，其特征在于，所述系统包括：用户前端和后台服务器；所述用户前端与所述后台服务器通过互联网连接；所述用户前端上设置有与导弹自动控制原理相关的多个虚拟部件，所述虚拟部件包括：虚拟弹体、虚拟三轴转台、虚拟控制柜、虚拟示波器、虚拟信号源、虚拟实验桌和悬浮窗；所述悬浮窗内设置有导弹控制所需的虚拟控制元件；所述用户前端用于根据用户指令利用所述虚拟部件搭建控制电路，设置控制参数，并将所述控制电路和所述控制参数发送给所述后台服务器；所述后台服务器上设置有后端计算库，所述后台服务器用于根据所述控制电路和所述控制参数利用后端计算库进行解算，获得解算结果，并将解算结果反馈给所述用户前端。2.根据权利要求1所述的导弹自动控制原理的虚拟实验教学系统，其特征在于，所述虚拟弹体使用基于物理光照的PBR技术构建，虚拟弹体所在的虚拟风洞采用粒子效果碰撞技术构建。3.根据权利要求1或2所述的导弹自动控制原理的虚拟实验教学系统，其特征在于，所述虚拟弹体作为被控对象时的控制模型包括弹体纵向模型、弹体航向角模型和弹体滚转角模型；所述弹体纵向模型、所述弹体航向角模型和所述弹体滚转角模型分别为虚拟弹体的俯仰角控制、航向角控制和滚转角控制的传递函数。4.根据权利要求1所述的导弹自动控制原理的虚拟实验教学系统，其特征在于，所述虚拟控制元件基于吸附技术构建；所述虚拟控制元件包括综控机、液压舵机、电动舵机、功率放大器、反馈电位计、惯导、气压高度表、雷达高度表、测速电机、比例电路、积分电路、微分电路和延迟环节。5.根据权利要求4所述的导弹自动控制原理的虚拟实验教学系统，其特征在于，所述综控机包括比较环节和控制律运算环节，所述比较环节为比较运算的传递函数，所述控制律运算环节为控制律运算的传递函数。6.一种导弹自动控制原理的虚拟实验教学系统的使用方法，其特征在于，所述使用方法包括：将悬浮窗内的单个虚拟控制元件拖拽至虚拟实验桌或虚拟三轴转台上，并进行电路连接，形成元件观测电路；对所述元件观测电路进行观测，获得第一观测结果；将悬浮窗内的多个虚拟控制元件拖拽至虚...

【专利技术属性】
技术研发人员：王玲玲，梁勇，闫实，冯世如，梁地，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军航空大学，
类型：发明
国别省市：