面向案例化教学的半实物仿真系统设计

半实物仿真平台简介2.1组成半实物仿真平台主要由主控计算机、仿真计算机、控制计算机（原型机）、A/D接口、D/A接口及相关能源设备、记录设备等组成，如图1所示。

其中被控对象采用数学仿真，由dSPACE仿真计算机通过软件实现；控制计算机用仿真实物实现，即用dSPACE标准组件作为控制计算机的快速原型机，实现控制计算机功能；仿真计算机通过A/ D、D/A等输入输出口与控制系统实物相互，实现数字控制器与外界设备的信息交换。

输入和输出信息分别从转接口和dSPACE引出，通过记录仪进行记录。

2.2主控计算机主控计算机是整个仿真系统的上位机，采用有多个ISA总线的工控机，安装MATLAB6.5系列软件、dSPACE软件，用于构建控制系统Simulink框图、进行系统参数优化和数字仿真、控制仿真过程、编译下载仿真软件、输入输出仿真结果等。

根据控制系统设计和建模结果，利用MATLAB/Simulink构建系统数字仿真框图，进行数字仿真和控制参数优化。

在数字仿真的基础上，利用dSPACE提供的RTI软件，将被控对象的Simulink框图生成实时代码并自动下载到dSPACE仿真计算机中；将控制器控制方程的Simulink框图生成实时代码并自动下载到dSPACE快速原型机中。

用dSPACE提供的综合试验与测试环境软件ControlDesk、自动实验及参数调整软件MLIB/MTRACE、PC与实时处理器通信软件CLIB 以及实时动画软件RealMotion等实现试制和参数测量。

该软件环境可以方便地实成、下载和试验调试等工作。

2.3仿真计算机用dSPACE标准组件系统DS1005PPC处理器板作为仿真计算机，用以模拟被控对象。

DS1005PPC处理器与主控机之间用光缆连接交换数据。

DS1005PPC板主频480MHz；片内数缓存均为32KwordS；通过32位PHS总16块I/O板，通过ISA总线与主机进行并具有相当强的计算能力。

半实物仿真技术基础及应用实践半实物仿真技术，是一种将实物元素与虚拟元素结合的仿真技术。

它结合了虚拟现实技术、计算机图形学、人机交互技术等多个学科的知识，旨在模拟真实环境，为用户提供身临其境的体验。

半实物仿真技术的基础是虚拟现实技术。

虚拟现实技术通过计算机生成的图像和声音，为用户创造了一个仿真的虚拟世界。

完全依靠虚拟现实技术存在一些局限性，如缺乏真实感和触感，无法真实模拟物体的质感和重量等。

为克服这些问题，半实物仿真技术引入了实物元素，使用户能够感受到真实的触觉和交互体验。

在半实物仿真技术的应用实践中，存在着广泛的领域和应用。

其中之一是娱乐和游戏领域。

通过使用半实物仿真技术，游戏开发者可以为玩家打造出更加真实的游戏体验，例如使用物理反馈设备模拟武器的震动和力量，或者使用运动捕捉技术追踪玩家的动作实时反馈到虚拟世界中。

除了娱乐和游戏领域，半实物仿真技术也被应用于教育和培训领域。

通过使用半实物仿真技术，教育者可以创造出逼真的场景，使学生能够在安全的环境中进行实践和训练。

在医学教育中，半实物仿真技术可以用于模拟手术操作，使学生能够在模拟器上练习真实的手术技能。

半实物仿真技术还可以应用于产品设计和工程领域。

通过使用半实物仿真技术，设计师和工程师可以在设计过程中进行虚拟测试和验证。

这样可以大大减少实际原型的制作成本和时间，同时提高产品的质量和可靠性。

半实物仿真技术在各个领域中都有广泛的应用。

它不仅可以提供身临其境的体验，还可以大大提升效率和减少成本。

随着技术的不断发展，半实物仿真技术将会在更多的领域中得到应用，并为我们带来更好的体验和效果。

ISSN 1002-4956 CN11-2034/T实验技术与管理Experimental Technology and M a n a g e m e n t第38卷第3期202丨年3月Vol.38 N o.3Mar. 2021D O I:10.16791/j.c n k i.s j g.2021.03.031无人机飞行控制半实物仿真系统设计与实现吕永玺，屈晓波，史静平(西北工业大学自动化学院，陕西省飞行控制与仿真技术重点实验室，陕西西安710072 )摘要：为保证无人机飞行试验的安全性，提升无人机飞控系统设计的可靠性，自主研发了无人机飞行控制半实物仿真系统。

结合准确的无人机6自由度非线性数学模型和x P C实时系统模块模拟生成无人机飞行状态信息，根据地面站控制指令、传感器故障模注人指令解算获得不同飞行模式和飞行状态下的舵面偏转量，实现了实时系统闭环反馈控制，并驱动舵面偏转检验控制系统的响应速度。

该系统不仅能验证飞控系统的逻辑性和实时性，而且借助虚拟现实技术和航迹地图显示，具备在线整定控制律参数的功能。

该系统模块化程度高，相关硬件和软件对无人机平台和飞控计算机通用性广，依据多平台实验和多架次试飞的实验流程实用性强，为无人机飞控系统开发提供了切实可行、高效可靠的途径。

关键词：飞行控制；实时系统；虚拟现实；在线调参；故障注人中图分类号：V249文献标识码：A文章编号：1002-4956(2021)03-0153-05Design and realization of hardware-in-the-loop simulationsystem for UAV flight controlLYU Yongxi,〇U Xiaobo,SHI Jingping(S h a a n x i P r o v i n c e K e y L a b o r a t o r y o f Flight Control a n d S i m u lation T e c h n o l o g y, S c h o o l o f A u t o m a t i o n,N o r t h w e s t e r n Polytechnical University, X i'a n 710072, C h i n a)Abstract: T o e n s u r e the safety o f U A V flight test a n d i m p r o v e the reliability o f U A V flight control s y s t e m design,the U A V flight control h a r d w a r e-i n-t h e-l o o p s i m u l a t i o n s y s t e m is i n d e p e n d e n t l y d e v e l o p e d.T h e flight statei n f o r m a t i o n o f U A V is g e n e r a t e d b y c o m b i n i n g the a c c u r a t e 6-D O F n o n l i n e a r m a t h e m a t i c a l m o d e l o f U A V a n dx P C real-time s y s t e m m o d u l e. A c c o r d i n g to the g r o u n d station control c o m m a n d a n d s e n s o r fault m o d e injectionc o m m a n d, the deflection o f the control surfaces u nde r different flight m o d e s a n d flight states c a n b e obtained. T h ec l o s e d-l o o p f e ed b a c k control o f the real-time s y s t e m is realized, a n d the control surfaces are d r i v e n to test ther e s p o n s e s p e e d o f the control s y s t e m. T h e s y s t e m c a n not o n l y verify the logic a n d real-time p e r f o r m a n c e o f theflight control s y s t e m,b u t also h a s the function o f onli n e t u n i n g control l a w p a r a m e t e r s w i t h the h e l p o f virtualreality t e c h n o l o g y a n d track m a p display. T h e s y s t e m h a s a h i g h d e g r e e o f m o d u l a r i z a t i o n, a n d the related h a r d w a r ea n d s o f t w a r e are w i d e l y u s e d for the U A V p l a t f o r m a n d flight control c o m p u t e r.A c c o r d i n g to the e x p e r i m e n t a lp r o c e s s o f m a n y p l a t f o r m e x p e r i m e n t s a n d flight tests, the s y s t e m is practical, efficient a n d reliable for thed e v e l o p m e n t o f U A V flight control s y s t e m.Key words: flight control; real t i m e s y s t e m; virtual reality; o n line p a r a m e t e r a d j u s t m e n t; fault injection随着信息技术的发展和社会需求的增长，无人机 目标侦查与打击[4_5]等领域。

dsp类半实物仿真课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解DSP（数字信号处理）的基本原理，掌握半实物仿真的基本概念。

2. 学生能够描述DSP类半实物仿真系统的组成及其工作原理。

3. 学生能够运用所学的DSP理论知识，分析并解决实际问题。

技能目标：1. 学生能够运用相关软件工具进行DSP类半实物仿真实验，包括搭建仿真模型、编写程序代码和调试程序。

2. 学生能够设计简单的DSP类半实物仿真实验方案，并对实验结果进行分析和评价。

3. 学生能够通过半实物仿真实验，提高实际操作能力和团队协作能力。

情感态度价值观目标：1. 学生能够培养对数字信号处理及半实物仿真的兴趣，提高学习积极性。

2. 学生能够认识到半实物仿真技术在工程实践中的应用价值，增强社会责任感和创新意识。

3. 学生能够在实验过程中，培养严谨的科学态度、良好的实验习惯和团队合作精神。

课程性质：本课程为实践性较强的课程，以理论为基础，侧重于培养学生的实际操作能力和创新思维。

学生特点：学生已具备一定的数字信号处理理论基础，具有较强的学习能力和动手能力，但对实际工程应用尚缺乏了解。

教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，提高学生的实际操作能力和问题分析解决能力。

通过课程学习，使学生能够将理论知识应用于实际工程实践中。

二、教学内容1. 数字信号处理基本原理回顾：包括采样定理、傅里叶变换、Z变换等基础知识。

- 教材章节：第一章至第三章2. 半实物仿真概念与原理：介绍半实物仿真的定义、分类、应用场景及基本原理。

- 教材章节：第四章3. DSP类半实物仿真系统组成：分析DSP芯片、仿真器、接口电路、实验箱等组成部分。

- 教材章节：第五章4. DSP类半实物仿真实验软件工具：学习使用相关软件工具（如MATLAB/Simulink、CCS等）进行仿真实验。

- 教材章节：第六章5. 搭建仿真模型与编写程序代码：通过实例讲解，让学生学会搭建仿真模型，编写程序代码。

以“智能制造”为主攻方向，为我国发展成现代化工业强国描绘了清晰的路线[1]。

工业自动化是推动工业4.0的重要前提之一，也是必要因素，而工业自动化主要体现在机械制造和电气工程领域，导致众多机械和电气相关厂商纷纷开展了智能制造方面的研究。

目前全球众多优秀制造企业都开展了数字化工厂建设的实践。

FANUC公司实现了机器人和伺服电机生产过程的高度自动化和智能化；施耐德电气实现了电气开关制造和包装过程的全自动化。

国内也涌现出海尔、美的、东莞劲胜、尚品宅配等智能工厂建设的样板，如海尔佛山滚筒洗衣机工厂、尚品宅配实现了从款式设计到构造尺寸的全方位个性定制等。

但目前数字化工厂仍存在较多缺点[2]：（1）盲目购买自动化设备和自动化产线。

认为推进智能工厂就是自动化和机器人化；（2）尚未实现设备数据的自动采集和车间联网，导致依然存在大量信息化孤岛和自动化孤岛；（3）尚未具备快速建厂的技术条件，使得工厂建设过程周期漫长。

究其原因，数字化制造工厂系统复杂，工厂的完善仍需要较长时间。

而目前数字化工厂所存在的共性缺陷中、不能快速建厂是其最致命的缺陷，这是数字化工厂高度智能化导致工厂建设漫长与产品为抢占市场需要缩短上市周期之间的矛盾。

缩短智能工厂开发周期对提高产品市场占有率具有重要意义。

1 半实物虚拟仿真系统整体设计目前，市场上已有的工业机器人由于应用场景的不同，种类很多，其特点也是各有千秋。

本文拟设计一种基于工业机器人的半实物虚拟仿真系统，通过对市场同类产品的特点分析，在系统控制方面进行了优化设计；在末端夹具方面创新设计了一种通用型多功能抓手[3]；在软件仿真和测试环节，该研究采用了Visual C++、CAD和DH模型进行开发。

目前项目已经具备了数字化工厂虚拟互联调试的基础技术，已经可以通过仿真环境下物理的PLC[4]、HMI等自动化设备的结合，完成对PLC程序和机器人程序的联合调试，在施工前即可实现设计和程序的提前验证，具有了虚拟互联调试的基本框架系统。

面向案例化教学的半实物仿真系统设计近年来，随着教育模式的不断创新和发展，半实物仿真技术逐渐受到广泛关注和应用。

半实物仿真系统是一种将虚拟现实技术和实物装备相结合的教学工具，通过模拟真实环境和场景，使学生能够亲身参与实践操作，提高学习效果。

面向案例化教学的半实物仿真系统设计，可以更好地满足学生的学习需求，提高学习能力和综合素质。

一、半实物仿真系统的概念和特点1. 真实性：半实物仿真系统通过虚拟现实技术和实物装备相结合，能够模拟真实的环境和场景，使学生能够在真实的情境中进行学习。

2. 可操作性：半实物仿真系统的实物装备可触摸、可操作、可拆卸，学生可以模拟真实操作进行学习。

3. 安全性：半实物仿真系统提供一个安全的学习环境，学生在模拟操作过程中不会受到伤害。

4. 可重复性：半实物仿真系统可以重复使用，学生可以多次进行操作练习，提高学习效果。

5. 可控性：半实物仿真系统能够通过虚拟现实技术灵活调整环境和场景，以适应不同的教学需求。

面向案例化教学的半实物仿真系统设计的目的是将实际问题和案例应用于教学中，使学生能够在解决实际问题的过程中提高分析和解决问题的能力。

下面介绍几个面向案例化教学的半实物仿真系统设计的关键点。

1. 系统构架设计半实物仿真系统的系统构架设计包括硬件和软件两部分。

硬件方面，需要选择适合教学需求的实物装备和虚拟现实设备，如模拟操作面板和头盔式虚拟现实设备。

软件方面，需要设计可交互的界面和实时模拟引擎，以实现学生和系统的交互。

2. 案例选择和设计面向案例化教学的半实物仿真系统的关键在于案例的选择和设计。

案例选择要与教学目标和学科内容相匹配，使学生能够在解决实际问题中学习相关知识和技能。

案例设计要符合学生的学习能力和兴趣，能够激发学生的学习积极性和探索欲望。

3. 环境和场景模拟半实物仿真系统通过虚拟现实技术可以模拟各种环境和场景，如工厂生产线、医院手术室等。

环境和场景模拟可以提高学生的沉浸感和参与感，使学生能够更好地理解和应用学习内容。

半实物仿真在化工单元操作教学中的应用1. 引言在化工领域的教学中，传统的教学模式往往存在着一些问题，比如实验设备成本高昂、操作过程中存在安全隐患等。

半实物仿真技术在化工单元操作教学中得到了广泛的应用。

本文将对半实物仿真在化工单元操作教学中的应用进行深入探讨，并结合个人观点和理解进行分析。

2. 半实物仿真技术的概念和特点2.1 半实物仿真技术的定义半实物仿真技术是一种通过计算机模拟实验仪器和设备，再通过实际操作来完成实验的一种教学技术。

2.2 半实物仿真技术的特点- 通过计算机模拟实验，可以大大降低实验设备的成本。

- 操作过程更加安全，避免了操作中的安全隐患。

- 可以模拟真实工业现场的操作环境，使学生更加贴近实际工作场景。

3. 半实物仿真在化工单元操作教学中的应用3.1 在分离技术实验中的应用在化工领域的分离技术实验中，学生需要掌握各种分离技术的原理和操作方法。

半实物仿真技术可以模拟各种分离技术的操作过程，让学生在虚拟环境中进行实验操作，从而更好地掌握相关技能。

3.2 在反应工程实验中的应用在反应工程实验中，学生需要进行各种化学反应操作。

半实物仿真技术可以模拟各种化学反应的操作过程，并结合实际的反应动力学和热力学参数，让学生在虚拟环境中进行实验操作，从而更好地理解反应原理和反应机理。

3.3 在安全操作技术实验中的应用在化工领域的实际操作中，安全是首要考虑的因素。

半实物仿真技术可以模拟各种操作中可能出现的安全隐患，让学生在虚拟环境中进行操作，从而更好地培养学生的安全意识和应急处理能力。

4. 个人观点和理解我对半实物仿真在化工单元操作教学中的应用持积极的态度。

在我看来，半实物仿真技术不仅可以降低教学成本、提高操作安全性，更重要的是可以让学生在虚拟环境中进行实验操作，提高他们的实际操作能力和应变能力。

通过这种方式，学生可以更好地掌握化工技术，为将来的工作做好充分的准备。

5. 结语本文对半实物仿真在化工单元操作教学中的应用进行了全面评估，深入探讨了其在分离技术、反应工程、安全操作技术实验中的应用，同时结合个人观点和理解进行了分析。

FADEC半实物仿真平台测控系统设计陈盛【摘要】在航空发动机控制系统的研制过程中,利用半实物仿真环境开展控制系统集成试验,可在逼近真实台架试车的条件下,验证控制系统各项功能性能.在某型半实物仿真设备建设过程中,分析了设备实际需求,引入了Ethercat工业以太网技术实施测控系统构建,并完成设备建设.该平台投用后,用于多个项目研制,缩短了项目开发周期,节约了研制经费,降低了开发风险.%In the process of designing the aero-engine Fadec system, using closed-loop simulation environment to develop integration test can validate FADEC' s functions and performances, due to the environment is accordant with real engine test conditions. This paper proposes facility construct process of a closed-loop simulation equipment, analyzing the actual demand of equipment, inducting Ethercatto implement the measurement and control system, a kind of Industrial Ethernet technology. The closed-loop simulation equipment has be used to develop a plurality of FADECs, after it been achieved. The closed-loop simulation test is beneficial to Shorten development cycle, save experiment cost and reduce development risk.【期刊名称】《微型电脑应用》【年(卷),期】2012(028)012【总页数】3页(P32-34)【关键词】航空发动机数控系统;半实物仿真;Ethercat【作者】陈盛【作者单位】上海交大,上海,200240【正文语种】中文【中图分类】TP150 引言航空发动机控制系统，是决定航空发动机性能的一个关键功能系统，在航空发动机发展中占据了十分重要的地位。

车辆综合半实物仿真平台解决方案车辆综合电子电气系统涉及到电子、总线、控制、人机交互等多个领域，功能复杂，研制难度大，研制单位往往缺乏系统级的验证平台。

本方案依托国内外先进的开发工具（Tesis、Altia）以及自主研发的软硬件系统（HiGale），采用基于模型的设计理念，构建了车辆综合半实物仿真实验室，能够高效的解决用户复杂的电子系统仿真和测试的问题。

平台技术挑战为车辆综合电子系统提供半实物仿真验证环境，以适应不同型号不同研制周期的综合电子系统设计验证、功能验证及性能测试的需要。

平台建设的主要挑战如下：• 完整实现虚拟车辆动力传动系统、控制系统、车辆电器及防护系统四大系统的实时模型•通过真实物理信号实现虚拟车辆系统与综电系统的信号交换•系统具备故障注入功能，实现综电系统的故障注入测试及诊断功能测试•实现系统的友好人机交互、自动测试以及虚拟车辆运动三维及乘员视景•实现车际通讯指挥控制的仿真测试平台解决方案车辆综合半实物仿真平台按功能可划分为仿真控制中心、虚拟车辆、信号适配及故障注入系统、人在环系统四大部分。

在以上四大系统开发建设中，包含了很多先进的工具、开发流程及恒润多年积累的核心技术，主要包括：高性能仿真机系统、定制的硬件系统、定制模型开发、先进的人机交互终端解决方案、三维视景软件、实验管理系统软件等。

•仿真控制中心仿真控制中心为半实物仿真平台的管理中心，负责提供人机交互界面、电源管理、系统管理及仿真过程管理，可将仿真数据生成三维实时动画软件，并通过显示设备给予实验人员真实被控系统运动情况显示。

•虚拟车辆虚拟车辆为仿真平台的核心，提供基于实时仿真计算机系统的动力系统、武器系统、电器系统、防护系统、环境系统的实时模型，并连接各种真实电器设备，包括控制开关、电控单元及各类执行设备，为电子控制系统提供了闭环测试环境、各类负载及显示环境。

♦虚拟实时仿真系统虚拟实时仿真系统采用了国外仿真机和恒润自主研发的实时仿真机HiGale。

“半实物仿真交互式”教学在《化工设备安全技术》课程中的实践与探索摘要：本文针对原来的《化工设备安全技术》课程实践教学过程存在“三缺”难点、实践教学质量难以得到保证等问题，依托学院建设的药品生产半实物仿真工厂，开展了“半实物仿真交互式”教学在《化工设备安全技术》课程中的实践与探索。

结果表明，这种教学改革模式充分提升了学生学习积极性，锻炼了学生实操能力和解决问题的能力，取得了良好成效。

关键词：半实物仿真工厂；化工设备安全技术；实践教学；课程改革在现代化工生产中，因为生产的连续化和自动化、生产装置的大型化、控制系统的复杂程度越来越高，而且很多生产过程具有易燃易爆、有毒有害、高温高压、有腐蚀性等危险性，医药化工类院校在实践教学中很难开展实际生产中的开车、停车、故障处理等操控练习。

相关的实践教学质量难以得到保证。

为切实有效解决医药化工类课程实践教学目前存在的问题，金华职业技术学院制药学院建设了药品生产半实物仿真工厂，将信息技术和实训设施深度融合，构建具有感知性、沉浸性、交互性、构想性、智能性的虚拟仿真实训教学场所，搭建以实带虚、以虚助实、虚实结合的虚拟仿真实训系统，配置相应的虚拟仿真实训设备，有效解决实训教学过程中的“三高三难”痛点和难点。

1药品生产半实物仿真工厂介绍半实物仿真工厂是利用OTS（Operating Training System）仿真技术模拟生产实际中工艺流程、生产操作、故障处理和应急操作等环节，结合DCS软件操作，可以实现接近真实场景的培训装置。

该技术将控制器（实物）与在电脑或网络上的控制对象的仿真模型联接在一起进行试验，即半为虚拟对象，半为实物对象，因此称为“半实物仿真工厂”。

2021年7月，金华职业技术学院制药学院药品生产技术半实物仿真工厂建设完成。

仿真工厂主要由包含多个化工生产设备的“工厂”和中控室两部分组成。

通过各种设备相连的数字化温湿度、压力、气液系统流量控制等系统，师生在中控室通过电脑的虚拟仿真软件来控制整个药品生产的操作。