一种侵彻过载信息实时处理半实物仿真系统.pdf

本发明的侵彻过载信息实时处理半实物仿真系统结合实际靶试数据还能完成侵彻过程中计算模型的校正，给出侵彻过载系统使用环境边界约束条件。其可以替代费用高、难以进行的实弹试验，避免数学仿真中一些部件难以准确建立数学模型的困难，克服了实弹打靶测试高速侵彻过载的难度和危险性；其仿真侵彻深度与实测侵深的相对误差都在5％以内，此半实物仿真系统能够准确地模拟侵彻过程，并且系统误差小，仿真侵彻深度精度高；其能够实现对硬目标侵彻过载系统的发火可靠性、炸深控制能力、引战配合能力进行评估。

权利要求书
1.  一种侵彻过载信息实时处理半实物仿真系统，其特征在于，包括：发送模 拟信号模块、仿真显示模块和取自真实弹丸上的智能起爆控制模块；
其中，发送模拟信号模块包括：主控单元和DA转换单元；智能起爆控制 模块包括：信号调理单元和智能控制单元；
主控单元，储存弹丸侵彻过载的加速度数据以及装定信息，将弹丸侵彻过 载的加速度数据的时间发送间隔调整成与DA转换单元的电压建立所用时间一 致，并通过USB总线将调整后的弹丸侵彻过载的加速度数据发送给DA转换单 元，并通过SCI或RS232将装定信息发送给智能起爆控制模块的智能控制单元；
其中，弹丸侵彻过载的加速度数据属于离散信号；弹丸侵彻过载的加速度 数据包括在正侵彻和斜侵彻两种侵彻方式下的加速度数据，侵彻对象为单层靶 板和多层靶板；装定信息是指相应弹丸加速度下弹丸起爆时，弹丸到达的单层 靶板的设定深度或多层靶板的设定层数；加速度数据和装定信息存储在主控单 元的侵彻过载数据库中；
DA转换单元，将所接收的加速度数据转换成模拟加速度信号，模拟加速度 信号属于连续信号，并将其发送给信号调理单元；
信号调理单元，对属于连续信号的模拟加速度信号进行滤波处理，消除模 拟加速度信号中的高频噪声，获得侵彻模拟加速度信号，并将其发送给智能控 制单元；
智能控制单元，将所接收的侵彻模拟加速度信号转换成加速度数字信号， 并将加速度数字信号实时与设定阈值电压比较，当达到设定的阈值电压时，将 加速度数字信号调整成真实的加速度数字信号，并根据真实的加速度数字信号 实时计算弹丸的侵彻速度和侵彻深度，将真实的加速度数字信号、侵彻速度和 侵彻深度实时存储并通过SCI或RS232将其发送给仿真显示模块；同时将侵彻 深度和装定信息中单层靶板的设定深度进行比较，当侵彻深度达到单层靶板的 设定深度时，或者侵彻深度达到多层靶板的设定层数所在的深度时，发送起爆 信号给仿真显示模块，并存储该起爆信号；
仿真显示模块，实时显示弹丸侵彻过程中的真实的加速度数字信号、侵彻 速度和侵彻深度，当接收到起爆信号时，显示起爆。

2.  如权利要求1所述的侵彻过载信息实时处理半实物仿真系统，其特征在 于，主控单元中将弹丸侵彻过载的加速度数据的时间发送间隔调整成与DA转 换单元的电压建立时间一致的方式是：
根据时间相似理论，在已知Δt原、M的条件下获得Δt模，即Δt模＝Δt原×M，将 弹丸侵彻过载的加速度数据的时间发送间隔与Δt模调整成一致；
其中，Δt原为弹丸侵彻过载的加速度数据的采样时间间隔，Δt模为DA转换 单元的电压建立所用时间，M称为时间相似常数。

3.  如权利要求2所述的侵彻过载信息实时处理半实物仿真系统，其特征在 于，智能控制单元中将加速度数字信号调整成真实的加速度数字信号的方式是：
将智能控制单元的系统采样时间T除以常数M获得弹丸侵彻过载的加速度 数据的发送时间间隔，该发送时间间隔与弹丸侵彻过载的加速度数据的采样时 间间隔相等，从而实现相似过程Δt模→Δt原的变换，并以该发送时间间隔将真实 的加速度数字信号发送给仿真显示模块，还原真实侵彻过程。

4.  如权利要求1所述的侵彻过载信息实时处理半实物仿真系统，其特征在 于，DA转换单元的电压建立时间为10ms。

说明书一种侵彻过载信息实时处理半实物仿真系统
技术领域
本发明属于侵彻技术领域，尤其涉及一种侵彻过载信息实时处理半实物仿 真系统。
背景技术
传统高速侵彻的性能评估是通过实弹打靶试验来进行，这种方式能够真实 反映出侵彻过载系统的作用效果。然而，侵彻过载系统实际应用的外部环境的 不确定性，弹目交会条件的随机性，不能在实弹打靶考核中反映。并且由于实 弹打靶测试侵彻过载系统费用较高，因此利用计算机对硬目标侵彻进行半实物 仿真是当前较为经济有效的一种方法。
半实物仿真(硬件在回路仿真)是在系统的仿真回路中接入控制器、执行 机构或传感器等部分实物以取代相应数学模型的仿真。半实物仿真是介于数学 仿真和物理仿真之间的一种仿真技术，比单纯的数学仿真具有更高的可信度和 准确度，更接近于最终系统，同时又兼具数学仿真的分析能力和可控的柔性变 形能力，克服了物理仿真费用高、不易修改系统参数的缺点，具有更高真实度 的可能性，是仿真技术中置信水平最高的一种仿真方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种侵彻过载信息实时处理半实物仿真系统， 其高速、真实的反映出弹丸侵彻过程，为高速侵彻的性能评估提供了准确的数 据。
本发明的侵彻过载信息实时处理半实物仿真系统，其包括：发送模拟信号 模块、仿真显示模块和取自真实弹丸上的智能起爆控制模块；
其中，发送模拟信号模块包括：主控单元和DA转换单元；智能起爆控制 模块包括：信号调理单元和智能控制单元；
主控单元，储存弹丸侵彻过载的加速度数据以及装定信息，将弹丸侵彻过 载的加速度数据的时间发送间隔调整成与DA转换单元的电压建立所用时间一 致，并通过USB总线将调整后的弹丸侵彻过载的加速度数据发送给DA转换单 元，并通过SCI或RS232将装定信息发送给智能起爆控制模块的智能控制单元；
其中，弹丸侵彻过载的加速度数据属于离散信号；弹丸侵彻过载的加速度 数据包括在正侵彻和斜侵彻两种侵彻方式下的加速度数据，侵彻对象为单层靶 板和多层靶板；装定信息是指相应弹丸加速度下弹丸起爆时，弹丸到达的单层 靶板的设定深度或多层靶板的设定层数；加速度数据和装定信息存储在主控单 元的侵彻过载数据库中；
DA转换单元，将所接收的加速度数据转换成模拟加速度信号，模拟加速度 信号属于连续信号，并将其发送给信号调理单元；
信号调理单元，对属于连续信号的模拟加速度信号进行滤波处理，消除模 拟加速度信号中的高频噪声，获得侵彻模拟加速度信号，并将其发送给智能控 制单元；
智能控制单元，将所接收的侵彻模拟加速度信号转换成加速度数字信号， 并将加速度数字信号实时与设定阈值电压比较，当达到设定的阈值电压时，将 加速度数字信号调整成真实的加速度数字信号，并根据真实的加速度数字信号 实时计算弹丸的侵彻速度和侵彻深度，将真实的加速度数字信号、侵彻速度和 侵彻深度实时存储并通过SCI或RS232将其发送给仿真显示模块；同时将侵彻 深度和装定信息中单层靶板的设定深度进行比较，当侵彻深度达到单层靶板的 设定深度时，或者侵彻深度达到多层靶板的设定层数所在的深度时，发送起爆 信号给仿真显示模块，并存储该起爆信号；
仿真显示模块，实时显示弹丸侵彻过程中的真实的加速度数字信号、侵彻 速度和侵彻深度，当接收到起爆信号时，显示起爆。
进一步的，主控单元中将弹丸侵彻过载的加速度数据的时间发送间隔调整 成与DA转换单元的电压建立时间一致的方式是：
根据时间相似理论，在已知Δt原、M的条件下获得Δt模，即Δt模＝Δt原×M，将 弹丸侵彻过载的加速度数据的时间发送间隔与Δt模调整成一致；
其中，Δt原为弹丸侵彻过载的加速度数据的采样时间间隔，Δt模为DA转换 单元的电压建立所用时间，M称为时间相似常数。
进一步的，智能控制单元中将加速度数字信号调整成真实的加速度数字信 号的方式是：
将智能控制单元的系统采样时间T除以常数M获得弹丸侵彻过载的加速度 数据的发送时间间隔，该发送时间间隔与弹丸侵彻过载的加速度数据的采样时 间间隔相等，从而实现相似过程Δt模→Δt原的变换，并以该发送时间间隔将真实 的加速度数字信号发送给仿真显示模块，还原真实侵彻过程。
进一步的，DA转换单元的电压建立时间为10ms。
有益效果：
本发明可以替代费用高、难以进行的实弹试验，避免数学仿真中一些部件 难以准确建立数学模型的困难，克服了实弹打靶测试高速侵彻过载的难度和危 险性；
本发明的仿真侵彻深度与实测侵深的相对误差都在5％以内，此半实物仿真 系统能够准确地模拟侵彻过程，并且系统误差小，仿真侵彻深度精度高；
本发明能够实现对硬目标侵彻过载系统的发火可靠性、炸深控制能力、引 战配合能力进行评估；
本发明结合实际靶试数据还能完成侵彻过程中计算模型的校正，给出侵彻 过载系统使用环境边界约束条件。
附图说明
图1为本发明的侵彻过载信息实时处理半实物仿真系统原理图；
图2为本发明的侵彻过载信息实时处理半实物仿真系统的发送模拟信号模 块流程图；
图3为本发明的侵彻过载信息实时处理半实物仿真系统的智能起爆控制模 块流程图；
图4为本发明的侵彻过载信息实时处理半实物仿真系统的仿真显示模块流 程图。
具体实施方式
如图1所示，一种侵彻过载信息实时处理半实物仿真系统，其特征在于， 包括：发送模拟信号模块、仿真显示模块和取自真实弹丸上的智能起爆控制模 块；；
其中，发送模拟信号模块包括：主控单元和DA转换单元；智能起爆控制 模块包括：信号调理单元和智能控制单元；仿真显示模块是本发明的侵彻过载 信息实时处理半实物仿真系统的显示设备；
主控单元，储存弹丸侵彻过载的加速度数据以及装定信息，将弹丸侵彻过 载的加速度数据的时间发送间隔调整成与DA转换单元的电压建立时间间隔一 致，并通过USB总线将调整后的弹丸侵彻过载的加速度数据发送给DA转换单 元，并将装定信息发送给智能起爆控制模块的智能控制单元；
其中，弹丸侵彻过载的加速度数据属于离散信号；弹丸侵彻过载的加速度 数据包括在正侵彻和斜侵彻两种侵彻方式下的加速度数据，侵彻对象为单层靶 板和多层靶板下的加速度数据；装定信息是指相应弹丸加速度下弹丸起爆时， 弹丸到达的单层靶板的设定深度或多层靶板的设定层数；加速度数据和装定信 息存储在主控单元的侵彻过载数据库中；
DA转换单元，将调整后的加速度数据转换成模拟加速度信号，模拟加速度 信号属于连续信号，并将其发送给信号调理单元；
由于DA转换单元的输出电压范围为0-10V，输入信号不能为负数，因此需 要对实测的加速度信号进行处理使其数据点全部非负；而且DA转换模块的输 出电压建立时间较大(约100us)，如果将真实的侵彻加速度数字信号(时间间 隔2us)直接发送给DA转换单元，必然不能模拟侵彻过程，因此需要将真实的 侵彻加速度数字信号进行适当的处理，使其与DA转换速率相匹配。
相似理论是系统仿真学科最重要的基础理论之一，经济有效的系统仿真之 所以能取代昂贵、过慢、过快或目前不可能实现的真实系统试验，就是以相似 论作为其理论基础。相似论中的时间关系相似是半实物仿真系统必须实现的最 重要的相似关系，根据时间相似理论，令(Δt原为侵彻过载数据库中弹 丸侵彻过载的加速度数据的采样时间间隔，Δt模为DA转换单元的输出电压建 立时间)，即Δt原×M＝Δt模，M称为时间相似常数，此时仿真系统的时间与真实 侵彻采样过程的时间相似，侵彻过载数据库中弹丸侵彻过载的加速度数据的时 间间隔与DA转换单元的电压建立时间一致。效果较佳的，DA转换单元的电压 建立时间为10ms时其输出的模拟加速度信号较真实。
信号调理单元，对属于连续信号的模拟加速度信号进行滤波处理，消除模 拟加速度信号中的高频噪声，获得侵彻模拟加速度信号，并将其发送给智能控 制单元；
智能控制单元，将调整后的侵彻模拟加速度信号转换成加速度数字信号， 实时与设定的阈值加速度(即阈值电压)比较，当加速度达到设定的阈值电压 时，将加速度数字信号调整成真实的加速度数字信号，并根据真实的加速度数 字信号实时计算弹丸的侵彻速度和侵彻深度，将真实的加速度数字信号、侵彻 速度和侵彻深度实时存储并发送给仿真显示模块；同时将侵彻深度和装定信息 进行比较，当侵彻深度达到设定深度时，发送起爆信号给仿真显示模块，并存 储该起爆信号；
仿真显示模块，实时显示弹丸侵彻过程中的真实的加速度数字信号、侵彻 速度和侵彻深度，当接收到起爆信号时，显示起爆。
并将智能控制单元的系统采样时间T除以常数M获得弹丸侵彻过载的加速 度数据的发送时间间隔，该发送时间间隔与弹丸侵彻过载的加速度数据的采样 时间间隔相等，从而实现相似过程Δt模→Δt原的变换，并以该发送时间间隔将真 实的加速度数字信号发送给仿真显示模块，还原真实侵彻过程。
本发明的高速侵彻过载信息实时处理半实物仿真系统，为简化系统设计， 统一各模块之间的数据通信速率，采用了USB(Universal Serial Bus)总线和SCI (Serial Communication Interface)两种通信方式。主控单元和DA转换单元之间 采用USB总线；主控单元通过SCI(RS232)将装定信息发送给智能控制单元； 智能控制单元将侵彻加速度、速度、侵深和起爆信号通过SCI(RS232)实时发 送给仿真显示模块。
如图2至图4所示，本发明的侵彻过载信息实时处理半实物仿真系统，其 仿真测试总流程为：系统上电后，用户操作“侵彻过载信息实时处理半实物仿 真系统软件”将侵彻过载数据库中的侵彻加速度数据发送给DA转换单元，同 时将装定信息发送给智能起爆控制模块的智能控制单元；DA转换单元将侵彻加 速度数据转换成模拟加速度信号，并将其发送给信号调理单元，同时发送的还 有侵彻加速度数据结束标志。信号调理单元滤波消除模拟加速度信号中的高频 噪声，并将滤波后的侵彻加速度数据发送给智能控制单元；智能控制单元高速 采集模拟加速度信号，实时与设定的阈值加速度(即阈值电压)比较；当加速 度达到设定的阈值电压时，实时计算弹丸的侵彻速度和侵彻深度，将真实的加 速度数字信号、侵彻速度和侵彻深度实时存储并发送给仿真显示模块；同时将 侵彻深度和装定信息进行比较，当侵彻深度达到设定深度时，发送起爆信号给 仿真显示模块，并存储该起爆信号。仿真显示模块实时显示弹丸侵彻过程中的 侵彻加速度、速度、侵彻深度和起爆信号。
本发明的侵彻过载信息实时处理半实物仿真系统，具体操作流程如下：
(1)分别连接串口线和USB至电脑的串口和USB接口，连接电源线；
(2)侵彻过载信息实时处理半实物仿真实验箱上电，电源指示灯亮(红色)， 等待LED1灯亮(绿色)，表明此时半实物仿真系统各模块准备就绪；
(3)运行“侵彻过载信息实时处理半实物仿真系统.EXE”软件，等待片刻 进入密码校验窗口，输入密码后，系统显示主窗口；
(4)在“系统设置”中选择侵彻过载数据库中的仿真数据，即侵彻加速度 曲线；
(5)选择“打开通讯端口”完成计算机与半实物仿真系统的通讯连接，以 便发送子模块能接收半实物仿真系统上传的数据；
(6)选择“启动仿真系统”开始半实物仿真过程，此时发送子模块将数据 库中的仿真数据发送给半实物仿真系统，LED2灯亮，表明数据发送成功，否则 需要重新上电发送数据；
(7)在发送子模块中实时显示侵彻加速度曲线和侵彻深度曲线，仿真完毕 后，LED3指示灯亮，表明数据发送完成，此时可关闭系统。
运行此仿真系统，对比不同侵彻初速度下采集到的侵彻加速度与实测加速 度及仿真侵彻位移，弹丸侵彻半无限厚混凝土仿真数据如表1所示。
表1


当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情 况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但 这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。