執行器模擬器及具有該執行器模擬器的衛星閉環仿真系統的製作方法
2023-05-19 09:21:16 2
專利名稱：執行器模擬器及具有該執行器模擬器的衛星閉環仿真系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於衛星仿真測試技術領域，具體涉及一種執行器模擬器及具有該執行器模擬器的衛星閉環仿真系統。
背景技術：
在衛星前期研製中，一般需要對衛星控制系統進行仿真，從而驗證衛星控制系統的有效性和先進性。執行器作為衛星控制系統的一個重要組成部分，是影響衛星控制系統有效性和先進性的關鍵部件，因此，執行器通常也需要被有效仿真。對執行器進行仿真的裝置稱為執行器模擬器。目前，國內外在做衛星控制系統閉環仿真時，處於整個閉環迴路中的執行器一般按照如下兩種方式進行構造(一)物理仿真即採用實物，將真實的執行器物理器件直接接入衛星控制系統閉環迴路中。由於該種方式採用真實的執行器物理器件，所以仿真成本較高。另外，該種方式對於某類執行器無法適用，使用範圍較窄，例如對於磁力矩器，由於磁力矩器的使用需要結合相應的磁環境才能實現，而物理仿真時，難以對磁環境進行仿真， 因此，磁力矩器無法通過物理仿真的方式直接接入衛星控制系統閉環迴路中。(二)數學仿真即通過計算機根據一定的執行器數學模型生成相應的執行器控制數據。數學仿真的優點是簡單、快速、成本低，但由於數學仿真方法中，仿真輸入的執行器數據格式與執行器真實物理器件輸入的數據格式不同，即該方法沒有實現按真實物理器件的工作模式進行仿真的效果，從而影響了仿真結果的可信度。
發明內容
針對現有技術存在的缺陷，本發明提供一種執行器模擬器，既具有配置靈活、通用性強和可擴展性好的優點，同時，該執行器模擬器輸入的數據格式與實際執行器物理器件在實際衛星控制系統中輸入的數據格式相同，從而有效的提高了仿真可信度。本發明還提供一種具有該執行器模擬器的衛星閉環仿真系統，該衛星閉環仿真系統具有仿真可信度高的優點。本發明所採用的技術方案如下本發明提供一種執行器模擬器，包括仿真伺服器和數據接口轉換器；所述數據接口轉換器用於接收來自星載計算機的控制指令，並將該控制指令的數據格式轉化為模擬控制指令的數據格式，得到所述模擬控制指令，然後將該模擬控制指令發送給所述仿真伺服器；所述仿真伺服器用於接收來自所述數據接口轉換器的模擬控制指令，然後根據所述模擬控制指令和預存的需要仿真的執行器的數學模型進行仿真計算，得到新的控制力信息和新的控制力矩信息，並輸出該新的控制力信息和新的控制力矩信息。優選的，所述控制指令的數據格式為符合CAN協議的數據格式，所述模擬控制指令的數據格式為符合乙太網協議的數據格式。優選的，所述數據接口轉換器包括飛輪數據接口轉換器、磁力矩器數據接口轉換器、推力器數據接口轉換器中的一種或幾種。優選的，所述數據接口轉換器為至少一個；每一個數據接口轉換器用於將屬於同一類執行器的控制指令的數據格式轉化為模擬控制指令的數據格式和/或每一個數據接口轉換器用於將屬於不同類執行器的控制指令的數據格式轉化為模擬控制指令的數據格式。優選的，還包括網絡集線器，所述網絡集線器用於連接所述仿真伺服器和所述數據接口轉換器。優選的，還包括PXI總線測試機，所述PXI總線測試機與所述數據接口轉換器相連接。優選的，所述PXI總線測試機用於接收並顯示所述數據接口轉換器輸入的所述控制指令。優選的，所述仿真伺服器和所述數據接口轉換器通過乙太網連接，所述數據接口轉換器和所述PXI總線測試機通過CAN網連接。本發明還提供一種衛星飛行控制閉環仿真系統，包括上述任一項所述的執行器模擬器。本發明的有益效果如下本發明提供的執行器模擬器，可以同時或分別作為各類執行器的執行器模擬器， 例如飛輪模擬器、磁力矩器模擬器、推力器模擬器，從而具有通用性強和可擴展性好的優點；另外，該執行器模擬器輸入的數據格式與實際執行器物理器件在實際衛星控制系統中輸入的數據格式相同，從而既可以接入衛星控制閉環仿真系統，還有效的提高了仿真可信度。
圖1為本發明實施例二提供的執行器模擬器的結構示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的具體實施方式
進行說明。實施例一本發明實施例提供一種執行器模擬器，包括數據接口轉換器和仿真伺服器；所述數據接口轉換器用於接收來自星載計算機的控制指令，並將該控制指令的數據格式轉化為模擬控制指令的數據格式，得到所述模擬控制指令，然後將該模擬控制指令發送給所述仿真伺服器；所述仿真伺服器用於接收來自所述數據接口轉換器的模擬控制指令，然後根據所述模擬控制指令和預存的需要仿真的執行器的數學模型進行仿真計算，得到新的控制力信息和新的控制力矩信息，並輸出該新的控制力信息和新的控制力矩信息。下面分別介紹數據接口轉換器和仿真伺服器的工作原理(—)數據接口轉換器
本發明提供的數據接口轉換器的主要作用為接收來自星載計算機的控制指令， 並將該控制指令的數據格式轉化為模擬控制指令的數據格式，得到所述模擬控制指令，然後將該模擬控制指令發送給所述仿真伺服器。由於數據接口轉換器直接接收來自星載計算機的控制指令，與實際執行器在實際衛星控制系統中的工作模式相同，從而可以提高仿真可信度。另外，數據接口轉換器接收到的控制指令的數據格式與實際執行器在實際衛星控制系統中接收到的控制指令的數據格式相同，進一步提高了仿真可信度。根據實際需要，數據接口轉換器包括飛輪數據接口轉換器、磁力矩器數據接口轉換器、推力器數據接口轉換器中的一種或幾種。而且，每一個數據接口轉換器用於將屬於同一類執行器的控制指令的數據格式轉化為模擬控制指令的數據格式和/或每一個數據接口轉換器用於將屬於不同類執行器的控制指令的數據格式轉化為模擬控制指令的數據格式。當數據接口轉換器接收到來自星載計算機的控制指令後，需要將控制指令的數據格式轉化為模擬控制指令的數據格式，模擬控制指令的數據格式為仿真計算機可以識別的數據格式，從而仿真伺服器才可以根據模擬控制指令對執行器進行數學仿真。( 二 )仿真計算機本發明實施例提供的仿真伺服器，主要用於接收來自所述數據接口轉換器的模擬控制指令，然後根據所述模擬控制指令和預存的需要仿真的執行器的數學模型進行仿真計算，得到新的控制力信息和新的控制力矩信息，並輸出該新的控制力信息和新的控制力矩 in息O因此，本發明實施例提供的執行器模擬器，包括數據接口轉換器和仿真伺服器， 是一種將物理仿真和數學仿真結合在一起的半物理仿真方式，既能夠真實地模擬各類執行器，例如飛輪、磁力矩器、推力器等在星上的工作，從而提高仿真可信度；另外，還有效地縮短了衛星控制系統的研製周期，極大地減少了衛星控制系統的研製費用。實施例二由於現有實際衛星系統中，星上設備間是通過CAN (Controller Area Network，控制器區域網)總線進行數據通訊的，也就是說，星上執行器輸入的數據格式為符合CAN協議的數據格式類型，因此，本實施例提供的執行器模擬器輸入的數據格式以符合CAN協議的數據格式為例進行說明。但需要說明的是，本發明並不局限於此，當星上設備間採用其他數據格式，例如A類數據格式進行通訊時，本發明提供的執行器模擬器中，其輸入的數據格式也可以進行相應的變化，凡是符合該種構想的情況均在本發明保護範圍之內。具體的，本實施例提供的執行器模擬器中，包括乙太網/CAN數據接口轉換器和仿真計算機。其中，乙太網/CAN數據接口轉換器和仿真計算機通過乙太網連接。如圖2所示，為本實施例提供的執行器模擬器的一種結構示意圖。下面分別介紹乙太網/CAN數據接口轉換器和仿真伺服器的工作原理。(一 )乙太網/CAN數據接口轉換器由於在實際衛星控制系統中，星載計算機向執行器物理器件輸出的控制指令的數據格式為符合CAN協議的控制指令，以下簡稱CAN控制指令，因此，為提高仿真可信度，本發明實施例中，乙太網/CAN數據接口轉換器直接接收來自星載計算機的CAN控制指令，從而提高仿真可信度。
具體的，由於在實際衛星系統中，執行器可以為多類，例如動量輪、磁力矩器、推力器等，因此，本發明實施例中，乙太網/CAN數據接口轉換器接收的來自星載計算機的CAN 控制指令可以為對各類執行器的CAN控制指令，例如對磁力矩器的CAN控制指令、對推力器的CAN控制指令和對飛輪的CAN控制指令等。進一步的，各類CAN控制指令可以發送給同一個乙太網/CAN數據接口轉換器，也可以發送給與執行器對應的乙太網/CAN數據接口轉換器。也就是說，本發明提供的乙太網/CAN數據接口轉換器既可以將屬於同一類執行器的CAN控制指令轉化為乙太網控制指令，也可以將屬於不同類執行器的CAN控制指令轉化為乙太網控制指令。例如星載計算機根據要控制的執行器的類別，得到對磁力矩器的CAN控制指令和對推力器的CAN控制指令，則對磁力矩器的CAN控制指令和對推力器的CAN控制指令可以通過以下兩種方式進行發送(一)只設置一個乙太網/CAN數據接口轉換器，則對磁力矩器的CAN控制指令和對推力器的CAN控制指令均發送給該乙太網/CAN數據接口轉換器， 由該乙太網/CAN數據接口轉換器既將對磁力矩器的CAN控制指令轉化為乙太網控制指令， 同時也將對推力器的CAN控制指令轉化為乙太網控制指令。(二)分別設置磁力矩器乙太網/CAN數據接口轉換器和推力器乙太網/CAN數據接口轉換器，由磁力矩器乙太網/CAN數據接口轉換器將對磁力矩器的CAN控制指令轉化為乙太網控制指令，由推力器乙太網/CAN 數據接口轉換器將對推力器的CAN控制指令轉化為乙太網控制指令，但需要說明的是，磁力矩器乙太網/CAN數據接口轉換器和推力器乙太網/CAN數據接口轉換器的硬體相同，區別僅在於傳輸內容的不同。( 二 )仿真伺服器本實施例提供的仿真伺服器與實施例一提供的仿真伺服器相同，在此不再贅述。需要說明的是，當將本發明實施例提供的執行器模擬器接入衛星控制仿真系統時，乙太網/CAN數據接口轉換器可以直接與星載計算機相連，從而直接接收來自星載計算機的控制指令。另外，當單獨對本發明提供的執行器模擬器進行仿真時，為監控CAN總線數據，乙太網/CAN數據接口轉換器還可以連接PXI總線測試機。具體的，PXI(PCI extensions for Instrumentation)總線測試機通過 CAN 網與乙太網/CAN數據接口轉換器相連，PXI總線測試機用於接收並顯示乙太網/CAN數據接口轉換器輸入的控制指令。因此，本實施例提供的執行器模擬器，包括乙太網/CAN數據接口轉換器和仿真伺服器，其中，乙太網/CAN數據接口轉換器，用於將來自星載計算機的CAN數據轉化為乙太網數據，並將該乙太網數據輸出給仿真計算機，由仿真計算機根據接收到的乙太網數據和預存的執行器數學模型進行數學仿真計算。因此，本實施例提供的執行器模擬器，具有以下優點(一)執行器模擬器輸入的數據格式與實際衛星系統中執行器物理器件輸入的數據格式相同，從而提高了仿真可信度。(二)本發明實施例提供的執行器模擬器，結合了數學仿真和物理仿真的優點，從而進一步提高了仿真可信度。(三)本發明實施例提供的執行器模擬器中，乙太網/CAN數據接口轉換器可以對多種執行器控制指令的數據格式進行轉換， 具有通用性強、配置靈活的優點。另外，本發明還提供一種應用上述執行器模擬器的衛星閉環仿真系統，具有仿真可信度高的優點。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種執行器模擬器，其特徵在於，包括仿真伺服器和數據接口轉換器；所述數據接口轉換器用於接收來自星載計算機的控制指令，並將該控制指令的數據格式轉化為模擬控制指令的數據格式，得到所述模擬控制指令，然後將該模擬控制指令發送給所述仿真伺服器；所述仿真伺服器用於接收來自所述數據接口轉換器的模擬控制指令，然後根據所述模擬控制指令和預存的需要仿真的執行器的數學模型進行仿真計算，得到新的控制力信息和新的控制力矩信息，並輸出該新的控制力信息和新的控制力矩信息。
2.根據權利要求1所述的執行器模擬器，其特徵在於，所述控制指令的數據格式為符合CAN協議的數據格式，所述模擬控制指令的數據格式為符合乙太網協議的數據格式。
3.根據權利要求1所述的執行器模擬器，其特徵在於，所述數據接口轉換器包括飛輪數據接口轉換器、磁力矩器數據接口轉換器、推力器數據接口轉換器中的一種或幾種。
4.根據權利要求1所述的執行器模擬器，其特徵在於，所述數據接口轉換器為至少一個；每一個數據接口轉換器用於將屬於同一類執行器的控制指令的數據格式轉化為模擬控制指令的數據格式和/或每一個數據接口轉換器用於將屬於不同類執行器的控制指令的數據格式轉化為模擬控制指令的數據格式。
5.根據權利要求1所述的執行器模擬器，其特徵在於，還包括網絡集線器，所述網絡集線器用於連接所述仿真伺服器和所述數據接口轉換器。
6.根據權利要求1所述的執行器模擬器，其特徵在於，還包括PXI總線測試機，所述 PXI總線測試機與所述數據接口轉換器相連接。
7.根據權利要求6所述的執行器模擬器，其特徵在於，所述PXI總線測試機用於接收並顯示所述數據接口轉換器輸入的所述控制指令。
8.根據權利要求7所述的執行器模擬器，其特徵在於，所述仿真伺服器和所述數據接口轉換器通過乙太網連接，所述數據接口轉換器和所述PXI總線測試機通過CAN網連接。
9.一種衛星飛行控制閉環仿真系統，其特徵在於，包括權利要求1-8任一項所述的執行器模擬器。
全文摘要
本發明提供一種執行器模擬器，包括仿真伺服器和數據接口轉換器，其中，數據接口轉換器用於接收來自星載計算機的控制指令，並將該控制指令的數據格式轉化為模擬控制指令的數據格式，得到所述模擬控制指令，然後將該模擬控制指令發送給所述仿真伺服器。因此，本發明提供的執行器模擬器，可以同時或分別作為各類執行器的執行器模擬器，例如飛輪模擬器、磁力矩器模擬器、推力器模擬器，從而具有通用性強和可擴展性好的優點；另外，該執行器模擬器輸入的數據格式與實際執行器物理器件在實際衛星控制系統中輸入的數據格式相同，從而既可以接入衛星控制閉環仿真系統，還有效的提高了仿真可信度。
文檔編號G05B17/02GK102436186SQ20111036327
公開日2012年5月2日 申請日期2011年11月16日 優先權日2011年11月16日
發明者黨朝輝, 唐生勇, 張育林, 楊雪榕, 王兆魁, 範麗, 谷振豐, 項軍華 申請人:清華大學