本发明专利技术涉及航空航天领域的控制方法仿真与验证。为提供一种能够支持临近空间飞行器从飞行控制系统设计到实时仿真测试和性能评估的仿真与验证平台，本发明专利技术采取的技术方案是，临近空间飞行器控制方法仿真与验证方法，借助于下列装置实现：仿真主控机，dSPACE实时仿真机，仿真主控机配备有DS817高速串行通讯接口板，通过光纤与dSPACE实时仿真机的DS814高速串行通讯接口板进行通讯，所述方法包括下列步骤：运行的主控软件；性能评估软件是指将整个评估过程分为控制系统效能评估过程与评估确认过程两部分，控制系统效能评估过程通过三个步骤，获得控制系统效能评估所需要的数据。本发明专利技术主要应用于航空航天领域的仿真与验证。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种航空航天领域的控制方法仿真与验证问题。具体地说，是临近空间飞行器控制方法的实时仿真与性能评估验证。特别涉及一种临近空间飞行器控制方法仿真与验证平台。
技术介绍
由于临近空间飞行器特殊的机体/发动机一体化设计和其复杂的飞行环境，对于临近空间飞行器的控制方法仿真研究存在诸多困难。例如，多种不同气动特性飞行器的精确数学模型描述，复杂飞行环境的模拟，气动参数的计算和数据保存，控制方法的性能评估，实时仿真与验证平台的设计等。有关飞行控制系统仿真方面的研究，目前主要开发途径分为C、Fortran语言和 Matlab/Simulink语言两种方式。前者可快速用于实时仿真验证，但程序可读性差，模块通用性不强，不利于开发工作的继承；后者开发迅速，可读性强，易于模块化，但需要后期转化为C语言代码，且各种设置较为复杂。已有的仿真平台多单纯基于Matlab/Simulink设计， 仿真操作复杂，只能进行离线仿真，不具备实时仿真能力，且仿真结果需要人工考察性能是否满足要求，不同控制方法的优劣性难以比较。因此，迫切需要一个能够支持从控制设计到实时仿真测试与性能评估全过程的仿真验证平台。通过对现有技术的检索，并未发现类似专利。特别是针对临近空间飞行器，缺乏专门的仿真平台，提供对其的仿真验证一体化功能。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，提供一种能够支持临近空间飞行器从飞行控制系统设计到实时仿真测试和性能评估的仿真与验证平台，本专利技术采取的技术方案是，，借助于下列装置实现运行有主控软件、性能评估软件的仿真主控机，以及负责实时仿真的dSPACE实时仿真系统，仿真主控机配备有DS817高速串行通讯接口板，通过光纤与dSPACE实时仿真系统的DS814高速串行通讯接口板进行通讯，实现仿真程序的下载和仿真数据的上传功能，所述方法包括下列步骤主控软件实现步骤采用多种技术支撑仿真功能的实现，利用多线程Matlab引擎技术实现对基于Matlab/Simulink开发的仿真模型方法库的支持，同时通过选择需要的模型和控制方法实现离线仿真；利用dSPACE的RTI驱动程序完成仿真程序向C语言代码的自动转换，实现实时代码的下载，并利用Clib编程函数库实现dSPACE实时仿真机内存数据的读取，仿真参数解析技术用于获取C代码程序仿真参数变量与Matlab编写的仿真参数的对应关系，从而可以实时监控仿真数据信息；利用数据库技术将离线仿真数据与实时仿真数据均保存到数据库对应的数据表单中；性能评估软件实现步骤采用多种技术支撑验证功能的实现，利用多线程Matlab 引擎技术实现标称模型仿真与基于不确定模型的蒙特卡罗仿真的自动配置，用于产生评估4所需要的原始数据；利用MySQL建立评估数据库，用于仿真评估数据与评估结果的保存与读取；基于自主研究的性能评估体系，对获得的仿真数据进行处理，提取需要的指标值，通过与评估准则进行比对，得出相应的评估结论；利用MFC开发软件界面，显示评估结果数据、曲线。所述实现离线仿真的具体步骤为选择集成的模型方法库中模块进行临近空间飞行器的全回路仿真，其中飞行器模型包括通用的刚体模型、带气推耦合的刚体模型以及带气推耦合的弹性模型，选择不同模型可以充分验证控制方法的控制性能，已集成的控制方法包括传统滑模方法，高阶滑模方法，自适应反步法等一系列非线性控制方法，在以上两核心模块的基础上，仿真平台还加入大气环境模拟模块，模拟包括标准大气模型、重力模型、 风模型在内的各种大气环境，通过飞行器的飞行状态实时计算所处的环境参数，气动参数模块利用计算来的环境参数求取当前状态下的各种飞行器气动参数，同时将气动参数保存到数据库中供以后参考，舵机负载模块和发动机模块模拟飞行器的实际舵机和发动机状态，完成了模型方法的选择，利用多线程Matlab引擎启动后台的Matlab/Simulink进行仿真计算，得到离线仿真结果，保存到仿真数据库中供后期分析处理。所述实现实时仿真的具体步骤为所述实现实时仿真的具体步骤为利用dSPACE 公司提供的实时接口 RTI驱动程序来实现包括输入输出接口及初始化过程的全部设置，并实现从Simulink模型到dSPACE实时硬件C代码的无缝自动下载，编译过程中同时生成配置变量描述TRC文件，提供Simulink仿真程序到实时代码之间的变量信息和变量组合方式的描述，根据配置变量描述TRC文件的语法结构特点，利用文件读取函数逐行读取文件中的信息，通过遍历查找到已知的Simulink仿真变量参数，利用对应信息文件的生成规则在已找到的仿真变量参数段内再进行定位搜索，即可获得对应的dSPACE实时硬C件代码中的变量参数信息。利用dSPACE公司提供的C语言函数库(Clib)编程实现对dSPACE处理器的控制功能，访问处理器内存，并根据解析出来的变量符号名进行寻址首先，需要用应用程序注册函数对dSPACE应用程序进行注册；然后，利用板卡注册函数完成对处理器的板卡选择，即可进行对dSPACE内存的读写操作，利用获取地址函数读取变量内存的地址，并根据该变量的数据类型和位置偏移量计算出其内存地址，之后，利用读写操作函数进行内存的读写操作，即可实现对dSPACE实时仿真中内存数据的读取，并在仿真平台下通过绘图函数绘制实时仿真曲线，仿真曲线绘制使用的采样时间利用多媒体定时器来实现，选择为设定好的仿真步长，仿真完成后，将获得的实时仿真数据保存到数据库中，供后期分析处理。所述实现性能评估的具体步骤为将整个评估过程分为控制系统效能评估过程与评估确认过程两部分，控制系统效能评估过程通过以下三个步骤，获得控制系统效能评估所需要的数据①对模型信息进行分析；②Matlab/Simulink环境下的一次标称模型仿真； ③在标称模型的基础上，依次给定具有不同边界大小的不确定，在Matlab/Simulink环境下进行多次仿真，通过对这些数据的进一步提取与计算，获得评估体系中措施层的各个指标值，比对评估标准计算出评估得分，最后通过加权求和，得到效能评估结果，该结果代表了所评估控制系统的优劣程度，有效性验证过程通过带有随机不确定的模型进行蒙特卡罗仿真，获得各个指标符合评估标准的概率程度，目的是验证控制系统能否在各种不确定存在的情况下，依然保证飞行器安全、稳定飞行，并保持良好的跟踪性能，验证其有效性。所有评估结果通过界面进行显示。本专利技术具有如下技术效果本专利技术集成了丰富的模型库，包括通用刚体模型，带气推耦合的刚体模型和带气推耦合的弹性模型；控制方法库包括比例积分微分方法(PID)、线性二次型调节器最优控制方法(LQR)等传统方法，以及滑模控制、反步控制等新型控制方法。同时，充分利用 dSPACE实时仿真系统计算能力强，无缝连接Matlab的优势，解决了传统数字仿真不能在线调整参数的问题，实现了 Matlab/Simulink仿真程序的快速C代码化和仿真实时性。建立的性能评估软件，弥补了临近空间飞行器控制方法性能评估的空白，可以验证传统方法的有效性，并评估新型方法的适用性和正确性，实现控制方法设计阶段，不同控制方法之间的性能优劣比较，以及最优控制策略的选择。本专利技术的仿真与验证平台，可以加快飞行控制系统的开发速度，提高仿真的真实性和可信度，为飞行控制系统开发节约了成本本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：宗群，吕力，黄福山，田栢苓，曲照伟，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
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