刍议控制系统数字化仿真技术
时间：2020-12-14 12:01:45 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
【摘要】改革开放以来，我国大力发展高新技术，技术的研发中往往使用仿真技术来完成新技术研发的建模检测，确保新技术的可实行性。而随着高科技的发展，新产品或者新技术的研发越来越复杂，也就要求使用更加精确的仿真技术。本文主要研究控制系统数字化仿真技术对火箭运载器的各种飞行动态的运载体的动力参数进行数字化建模处理。
【关键词】控制系统 数字化仿真技术 火箭运载器
一、前言
近年来，伴随着电子科学技术、超级计算机、高性能复合材料以及合成封装技术快速发展，航天技术的不断突破，航天研发资金不断减少。并且现在的航天器的工作性能、负载、运行状态等都有着很多不同点，在研发航天器时所要求的技术更高，而传统的研发方法已经不能够更加精准、快速、可靠的完成火箭运载器的研发。所以航天技术需要寻求新的、有效的方法，而控制系统数字化仿真技术正符合航天技术的要求。下文主要分析控制系统数字化仿真技术为何广受航天业的喜爱，并简要分析控制系统数字化仿真技术的仿真工艺。
二、控制系统数字化仿真技术的价值
控制系统数字化仿真技术的价值在每一个领域具有相似的价值，即在研究人员在研发新产品或者新技术时，能够更加精确、高效、可控制地完成任务，减少研发过程中的工作量，提高工作效率。控制系统数字化仿真技术是在仿真技术的发展过程中创新使用的仿真方式，取代了传统的模拟机，是仿真技术业的关键技术。而对于航天器行业，控制系统数字化仿真技术能够较快速处理高阶姿态动力学微分方程，而且还解决了小型仿真机内存小、运算速度慢的问题，并实现了小型仿真机的高效、精确的实时仿真模型。在火箭运载器研发过程中，控制系统数字化仿真技术更加获得研发人员的喜爱。
三、控制系统数字化仿真技术的工艺
控制系统数字化仿真技术在航天技术中，主要是对航天器的飞行载体的运动状态进行分析、建立数字模型并半实物实时仿真中实现对航天器的飞行载体的运行状态进行精确控制。下文作者浅要的分析控制系统数字化仿真技术的工艺过程。
（一）数字化仿真技术的建模
控制系统数字化仿真技术在航天器研发过程中主要用于模拟仿真、检测运载器的飞行网络控制的稳定性。
1.控制系统数字化仿真技术建模方法的讨论
火箭运载器的运动系统通过高阶的动力方程表达火箭运载器的运动姿态过程。建立火箭运载器的动力模型是一个庞大、不规则运动的模型，下文主要以火箭运载体的某型号的一个通道的动态动力学方程为例建立模型。这个动力方程包括3阶的刚体、16阶的晃动姿态以及8次弹性震动形态（1次弹性动力学方程由二阶方程式表达，刚体、晃动姿态和弹性震动形态的各个变量的关系是互相偶合）。且目前大部分的大型仿真系统一般都采取简化火箭运载器动力学模型或者简化动力学微分方程的计算的方法建立火箭运载器的仿真模型。实现以上这两种方法的手段主要有以下：1.提高控制系统数字化仿真机的工作性能；2.简化火箭运载器动力学模型，主要采用分模块化、宽频带、精细化计算数据的手段建立模型；3.简化动力学微分方程的计算，一般采取把各个有联系的动力学微分方程独立分开，把各初始值分别代入方程逐步求出和等式右边相同的函数方程；4.同时简化动力学模型和数学方程，在去掉高阶弹性模型时，把8次弹性震动数学方程降至3次的，并省略偶合计算，更加高效的完成实时性仿真，避免处理高频仿真模型[1]。
2.综值法
综值法最大的特点是高效率、精准地完成数字化仿真的计算。综值法的主要数学思维是把原来高阶的二阶微分方程降阶变成新的一个微分方程组，并把微分方程组的各变量前的系数按照一定的方法组成线性矩阵，此法称为综值矩阵。在把高阶微分方程降阶的同时，分析统计相关火箭运载器各飞行过程的各变量前系数以及变化的参数记录入综值矩阵，并对等邻时间点线性矩阵参数的插入和增量进行一定的有效的预先处理，完成小型数字化仿真机的精确仿真计算寻求正解。
（1）综值法的降阶过程
综值矩阵的简便、高效算法逐步取代传统的高斯消元叠加替代法。依据各火箭运载器运动模型的特点把原火箭运载器模型的高阶动力学方程都变成只有一阶微分方程。
（2）列出综值矩阵
实现高阶动力学微分方程降阶后，数字化仿真机再根据将降阶后的一阶方程参数前的系数按一定的方式列出综值矩阵，并确定各系数的位置。以便于仿真机对火箭运载体运动姿态的高效仿真。
（3）预处理及实时处理
预处理就是使用预处理的思想，即处理原始数据参数，采用初值插入，建立全部时间节点上的运动波轨的综值矩阵。其中，第一次插值时，各时间节点波轨方程产生的所有综值矩阵，按照一定要求进行检验，对一些参数进行放大或缩小分析，且邻时节点有规则的进行间隔插值，详细具体分析各参数，节省仿真时间。第二次插值是对第一次插值进一步处理分析参数数据，采集实时信息，并控制火箭运载器的运动状态。实时处理过程就是运用预处理的综值矩阵对仿真机从外部采集的输入数据进行线性求解控制系统的动态信息，并把反馈控制信息给运载器，让运载器进行下一步的运动[2]。
3.控制系统数字化仿真技术的软件开发平台
控制系统数字化仿真技术的主要硬件平台主要以MOTOROLA 900R小型数字化仿真机器作为的数字化仿真设备，仿真机包含两块A/D板和4块D/A板。而软件开发平台主要使用U nix+ VM Eexec软件。火箭运载器的控制系统数字化仿真主要靠VM Eexec来完成实时仿真系统的操作控制，借助DeltaPro 程序语言实现模型的数字化。DeltaPro开发语言在火箭运载器数字化仿真中使用更加简便、高效、灵活。
4.控制系统数字化仿真建模的检测
控制系统数字化仿真建模的检测主要依靠DELTA 900R的一个中央处理器目标板存放数字化自控稳定设备。火箭运载器数字化建模中的CPU与检测机的CPU相互独立工作，形成一个闭合的稳定自控系统。并使用1254动态数据分析机精确地检测火箭运载器模型的对数幅相频特性。
四、控制系统数字化仿真技术的特点
航天事业的工作一般注重研发的火箭运载器的精确控制使用。这就意味着火箭运载器研发必须要做到尽善尽美的完成火箭运载器的各部分，并组装成品。控制系统数字化仿真技术正因为其的特点受到航天业的青睐。控制系统数字化仿真技术建模的精确性，让火箭的研发更能够精确完成。控制系统数字化仿真在解算建模动力学高阶（高达七八十阶）微分方程采取综值法，仅2ms左右的帧时就能够轻松完成；其的解算精确度按照频率的幅值算，仅仅只有1dB且相位误差小于2b；其身形虽小但却能够在没有简化动力学模型时完成所有大型的火箭运载器的建模。而且控制系统数字化仿真技术的使用是多方面的，如：能够单独完成不同运载器、阶级次数不一、运动轨迹不同的模型；可以检验所建的火箭运载器的动力学模型；处理无规则运动的仿真等。它的多功能作用也让它在仿真机界大受称赞[3]。
五、总结
综上，控制系统数字化仿真技术是较高级的仿真技术。在火箭运载器研发中，控制系统数字化仿真技术能够精确、高效的完成动力学建模，模拟的完成对火箭运载器的稳定性控制，让航天业更好的发展。控制系统数字化仿真技术在处理问题时，主要采用综值法，不管火箭运载器的运动状态如何都可以高效地完成仿真。
参考文献
[1]王健.控制系统数字化仿真技术[J].上海航天，2010（08）：62-64.
[2]孙兆伟，曹喜滨.航天器数字化设计与系统仿真技术[J].航空制造技术，2009（11）：40-44.
