半实物仿真，又称为硬件在回路中的仿真（Hardware in the Loop Simulation），是指在仿真实验系统的仿真回路中接入部分实物的实时仿真。半实物仿真相比其他类型仿真具有实现更高真实性的可能性，是置信度水平最高的一种仿真方法。

1.半实物仿真的特点

半实物仿真具有以下特点：

（1）在回路中接入实物，必须实时运行，即仿真模型的时间标尺和自然时间标尺相同。

（2）有些系统很难建立准确的数学模型，利用实物直接参与测试，可避免准确建模的难度。

（3）从系统的观点来看，利用半实物仿真，检验系统各设备的功能和性能，将更直接和有效，因此半实物仿真是提高系统设计的可靠性和研制质量的必要手段。

2.半实物仿真的任务

半实物仿真包括以下几个任务：

（1）根据任务目标和对象特性，确定仿真目标和仿真系统总体方案。

·根据系统组成，对仿真目标进行功能划分和系统分析。

·根据仿真目标，针对每个部件，分析其性能，确定其仿真需求及哪些可以和能够进行半实物仿真。

·按照系统工作原理，确定仿真相似关系和实现方法。

·确定半实物仿真系统组成，论证和分解半实物仿真系统和分系统指标。

·制定半实物仿真系统的信号流程、通信协议和试验方法。

（2）建立系统的数学模型并适当优化。

·针对每个分系统，按照其工作原理进行机理建模。

·按照系统工作原理，进行系统信号流程和回路整合。

（3）构建半实物仿真系统，进行仿真设备的采购、研制、安装、调试、验收等。

·根据仿真分系统和设备指标，进行仿真设备采购或研制。

·进行仿真设备的安装、调试和验收。

·采用标准信号进行系统立案试验。

·开展系统集成，进行仿真系统精度和置信水平分析。

（4）选择实时算法，合理选择仿真帧时间。

·根据仿真对象和精度要求以及仿真计算机的情况，选择仿真算法，确定仿真步长，先进行试算，最终根据仿真结果确定。

（5）建立仿真模型。

·使各参试设备处于正常的工作状态。

·根据数学仿真计算结果及仿真设备的性能，构造正确的指令生成算法。

·根据相似关系，推导各设备驱动信号的生成算法。

·根据系统工作原理，保证正确的信号通路及极性。

（6）利用专用或通用计算机语言编制正确的实时仿真软件。

·仿真系统和仿真对象的时序和逻辑控制。

·气候、背景、干扰等环境模型的实时结算。(www.daowen.com)

·转台及其他设备的驱动指令的形成。

·仿真对象和仿真设备有关信号的采集。

（7）开展仿真试验，进行数据收集和仿真过程记录。

·根据试验方案，编制仿真辅助程序。

·确定仿真试验条件，开展仿真试验。

·进行数据收集和仿真过程记录。

（8）检验模型。

·设计模型内容包括通过设备自检、理论推导、信号通路测量及观测设备反馈值来验证。

·通过数学仿真进行所选帧时间合理性的校核。

·进行实时仿真软件的校核。

·对全部仿真模型进行校核。

（9）仿真试验总结。

·收集整理仿真数据，进行数据分析。

·撰写试验报告，给出试验结论。

3.半实物仿真系统原理及组成

半实物仿真系统是采用仿真设备为被测对象构建物理环境，并与物理模型和数学模型一起开展仿真试验的系统。半实物仿真系统属于实时仿真系统，把实物利用计算机接口嵌入软件环境中，并要求系统的软件和硬件都要实时运行，从而模拟整个系统的运行状态。

半实物仿真系统一般由六个部分组成：仿真计算机、物理效应设备、参试实物、仿真设备、接口设备、支持服务系统。在仿真计算机中通过对动力学系统和环境数学模型的解算，获得系统和环境的各种参数。对半实物仿真系统，这些参数通过物理效应设备生成传感器所需要的测量环境，从而构成完整的闭环仿真系统。物理效应设备是实现仿真系统所需要的中间环节，它的动态特性、静态特性和时间延迟都将对仿真系统的置信度和精度产生影响，应该有严格的相应技术指标要求。半实物仿真系统原理框图如图2-97所示。

图2-97　半实物仿真系统原理框图

（1）仿真计算机。

仿真计算机是实时仿真系统的核心部分，它运行实体对象和仿真环境的数学模型和程序。一般来说，采用层次化、模块化的建模法，将模块化程序划分为不同的速率块，在仿真计算机中按速率块实时调度运行。对于复杂的大型仿真系统，可用多台计算机联网实时运行。

（2）物理效应设备。

物理效应设备的作用是模拟复现真实世界的物理环境，形成仿真环境或称为虚拟环境。物理效应设备实现的技术途径多种多样，方案之一是采用伺服控制回路，通过伺服控制回路控制形成相应的物理量，方案之二是在已储存好的数据库中搜索相应的数据，转化为相应的物理量。

（3）参试实物。

参试实物包括被测实物部件及陪测实物部件。

（4）仿真设备。

除仿真计算机外的模拟仿真设备，其既非仿真计算机中的数学模型，也不是被测的实物部件，一般是实物部件的功能裁剪设备或功能模拟设备，包括各种目标模拟器、座舱模拟器、GPS 模拟器等。

（5）接口设备。

接口设备包括模拟量接口、数字量接口、实时数字通信系统等。仿真计算机输出的驱动信号经接口变换后驱动相应的物理效应设备。接口设备同时将操作人员或实物系统的控制输入信号馈入仿真计算机。

（6）支持服务系统。

支持服务系统包括如显示、记录、文档处理等事后处理应用软件系统。