Аппаратно-программное моделирование
Метод, используемый при разработке и тестировании сложных встраиваемых систем реального времени.

Моделирование аппаратного обеспечения (Hardware-in-the-loop , HIL ) , также известное под различными аббревиатурами, такими как HiL , HITL и HWIL , представляет собой метод, который используется при разработке и тестировании сложных встроенных систем реального времени . Моделирование HIL обеспечивает эффективную платформу тестирования , добавляя сложность системы исполнительных механизмов процесса, известной как установка , к тестовой платформе. Сложность контролируемой установки включается в тестирование и разработку путем добавления математического представления всех связанных динамических систем . Эти математические представления называются «моделированием установки». Тестируемая встроенная система взаимодействует с этой имитацией установки.

Как работает HIL

Моделирование HIL должно включать электрическую эмуляцию датчиков и исполнительных механизмов. Эти электрические эмуляции действуют как интерфейс между моделированием установки и встроенной тестируемой системой. Значение каждого электрически эмулируемого датчика контролируется моделированием установки и считывается встроенной тестируемой системой (обратная связь). Аналогично, встроенная тестируемая система реализует свои алгоритмы управления , выдавая сигналы управления исполнительными механизмами. Изменения в сигналах управления приводят к изменениям значений переменных в моделировании установки.

Например, платформа моделирования HIL для разработки автомобильных антиблокировочных тормозных систем может иметь математические представления для каждой из следующих подсистем в моделировании завода: [1]

  • Динамика транспортного средства , такая как подвеска, колеса, шины, крен, тангаж и рыскание;
  • Динамика гидравлических компонентов тормозной системы;
  • Характеристики дороги.

Использует

Во многих случаях наиболее эффективным способом разработки встроенной системы является подключение встроенной системы к реальному заводу. В других случаях более эффективным является HIL-симуляция. Метрика эффективности разработки и тестирования обычно представляет собой формулу, которая включает следующие факторы: 1. Стоимость 2. Продолжительность 3. Безопасность 4. Осуществимость

Стоимость подхода должна быть мерой стоимости всех инструментов и усилий. Продолжительность разработки и тестирования влияет на время выхода на рынок запланированного продукта. Коэффициент безопасности и продолжительность разработки обычно приравниваются к мере стоимости. Конкретные условия, которые оправдывают использование HIL-симуляции, включают следующее:

  • Повышение качества тестирования
  • Плотные графики разработки
  • Высокопроизводительный завод
  • Ранний процесс развития человеческого фактора

Повышение качества тестирования

Использование HIL повышает качество тестирования за счет увеличения объема тестирования. В идеале встроенная система должна тестироваться на реальном заводе, но в большинстве случаев сам реальный завод накладывает ограничения на объем тестирования. Например, тестирование блока управления двигателем в качестве реального завода может создать следующие опасные условия для инженера-испытателя:

  • Тестирование в пределах или за пределами диапазона определенных параметров ЭБУ (например, параметров двигателя и т. д.)
  • Тестирование и проверка системы в условиях отказа

В вышеупомянутых сценариях тестирования HIL обеспечивает эффективное управление и безопасную среду, в которой инженер-испытатель или инженер-прикладник может сосредоточиться на функциональности контроллера.

Плотные графики разработки

Плотные графики разработки, связанные с большинством новых автомобильных, аэрокосмических и оборонных программ, не позволяют тестированию встроенных систем ждать, пока будет доступен прототип. Фактически, большинство новых графиков разработки предполагают, что моделирование HIL будет использоваться параллельно с разработкой установки. Например, к тому времени, когда прототип нового автомобильного двигателя станет доступным для тестирования системы управления, 95% тестирования контроллера двигателя будет завершено с использованием моделирования HIL [ необходима цитата ] .

Аэрокосмическая и оборонная промышленность, скорее всего, будут устанавливать жесткий график разработки. Программы разработки самолетов и наземных транспортных средств используют настольное и полунатурное моделирование для параллельного проектирования, тестирования и интеграции.

Высокопроизводительный завод

Во многих случаях завод стоит дороже, чем высокоточный симулятор реального времени и, следовательно, имеет более высокую скорость нагрузки. Поэтому разрабатывать и тестировать при подключении к симулятору HIL более экономично, чем на реальном заводе. Для производителей реактивных двигателей моделирование HIL является основополагающей частью разработки двигателя. Разработка полнофункциональных цифровых контроллеров двигателей (FADEC) для авиационных реактивных двигателей является экстремальным примером завода с высокой скоростью нагрузки. Каждый реактивный двигатель может стоить миллионы долларов. Напротив, симулятор HIL, разработанный для тестирования полной линейки двигателей производителя реактивных двигателей, может потребовать всего лишь десятую часть стоимости одного двигателя.

Ранний процесс развития человеческого фактора

Моделирование HIL является ключевым шагом в процессе разработки человеческих факторов, метода обеспечения удобства использования и согласованности системы с использованием эргономики программного обеспечения, исследования и проектирования человеческих факторов. Для технологий реального времени разработка человеческих факторов является задачей сбора данных об удобстве использования в ходе тестирования человеком-в-контуре для компонентов, которые будут иметь человеческий интерфейс.

Примером тестирования удобства использования является разработка управления полетом по проводам . Управление полетом по проводам устраняет механические связи между управлением полетом и поверхностями управления самолетом. Датчики сообщают требуемую реакцию полета, а затем применяют реалистичную обратную связь по усилию к управлению полетом по проводам с помощью двигателей. Поведение управления полетом по проводам определяется алгоритмами управления. Изменения параметров алгоритма могут привести к большему или меньшему отклику полета от заданного входа управления полетом. Аналогично, изменения параметров алгоритма также могут привести к большему или меньшему обратному усилию для заданного входа управления полетом. «Правильные» значения параметров являются субъективной мерой. Поэтому важно получить входные данные из многочисленных тестов «человек в контуре», чтобы получить оптимальные значения параметров.

В случае разработки систем управления полетом с помощью электродистанционной системы (fly-by-wire) для имитации человеческого фактора используется моделирование HIL. Симулятор полета включает в себя моделирование аэродинамики, тяги двигателя, условий окружающей среды, динамики управления полетом и т. д. Прототипы систем управления полетом с помощью электродистанционной системы подключаются к симулятору, и летчики-испытатели оценивают летные характеристики с учетом различных параметров алгоритма.

Альтернативой HIL-моделированию для человеческого фактора и разработки удобства использования является размещение прототипов органов управления полетом в ранних прототипах самолетов и тестирование удобства использования во время летных испытаний . Этот подход не работает при измерении четырех условий, перечисленных выше. Стоимость: летные испытания чрезвычайно дороги, и поэтому цель состоит в том, чтобы свести к минимуму любые разработки, происходящие во время летных испытаний. Продолжительность: разработка органов управления полетом с летными испытаниями увеличит продолжительность программы разработки самолета. Используя HIL-моделирование, органы управления полетом могут быть разработаны задолго до того, как будет доступен реальный самолет. Безопасность: использование летных испытаний для разработки критических компонентов, таких как органы управления полетом, имеет серьезные последствия для безопасности. Если в конструкции прототипа органов управления полетом присутствуют ошибки, результатом может стать аварийная посадка. Осуществимость: может оказаться невозможным исследовать определенные критические временные интервалы (например, последовательности действий пользователя с точностью до миллисекунды) с реальными пользователями, управляющими заводом. Аналогично для проблемных точек в пространстве параметров, которые могут быть нелегко достигнуты с помощью реального завода, но должны быть протестированы на рассматриваемом оборудовании.

Использование в различных дисциплинах

Автомобильные системы

В контексте автомобильных приложений «Системы аппаратного моделирования в контуре предоставляют такое виртуальное транспортное средство для проверки и верификации систем». [2] Поскольку внутриавтомобильные испытания для оценки производительности и диагностических функций систем управления двигателем часто требуют много времени, являются дорогостоящими и невоспроизводимыми, симуляторы HIL позволяют разработчикам проверять новые аппаратные и программные решения для автомобилей, соблюдая требования к качеству и ограничения по времени выхода на рынок . В типичном симуляторе HIL выделенный процессор в реальном времени выполняет математические модели, которые эмулируют динамику двигателя. Кроме того, блок ввода-вывода позволяет подключать датчики и исполнительные механизмы автомобиля (которые обычно имеют высокую степень нелинейности). Наконец, испытываемый электронный блок управления (ЭБУ) подключается к системе и стимулируется набором маневров автомобиля, выполняемых симулятором. На этом этапе симуляция HIL также обеспечивает высокую степень повторяемости на этапе тестирования.

В литературе сообщается о нескольких конкретных приложениях HIL, и упрощенные симуляторы HIL были созданы в соответствии с некоторыми конкретными целями. [1] [3] [4] Например, при тестировании новой версии программного обеспечения ECU эксперименты могут проводиться в открытом контуре, и поэтому несколько динамических моделей двигателя больше не требуются. Стратегия ограничивается анализом выходных сигналов ECU при возбуждении контролируемыми входными сигналами. В этом случае система Micro HIL (MHIL) предлагает более простое и экономичное решение. [5] Поскольку сложность обработки моделей сбрасывается, полноразмерная система HIL сводится к портативному устройству, состоящему из генератора сигналов, платы ввода/вывода и консоли, содержащей исполнительные механизмы (внешние нагрузки), которые должны быть подключены к ECU.

Радар

Моделирование HIL для радиолокационных систем произошло от радиолокационного глушения. Системы цифровой радиочастотной памяти (DRFM) обычно используются для создания ложных целей, чтобы сбить с толку радар на поле боя, но эти же системы могут имитировать цель в лаборатории. Такая конфигурация позволяет проводить тестирование и оценку радиолокационной системы, уменьшая необходимость в летных испытаниях (для бортовых радиолокационных систем) и полевых испытаниях (для поисковых или следящих радаров), и может дать раннее указание на восприимчивость радара к методам радиоэлектронной борьбы (EW).

Робототехника

Методы моделирования HIL недавно были применены для автоматического создания сложных контроллеров для роботов. Робот использует свое собственное реальное оборудование для извлечения данных ощущений и приведения в действие, затем использует эти данные для вывода физической симуляции (самомодели), содержащей такие аспекты, как его собственная морфология, а также характеристики окружающей среды. В этом контексте были предложены такие алгоритмы, как Back-to-Reality [6] (BTR) и Estimation Exploration [7] (EEA).

Энергетические системы

В последние годы HIL для энергосистем использовался для проверки стабильности, работы и отказоустойчивости крупных электрических сетей . Текущее поколение платформ обработки в реальном времени имеет возможность моделировать крупные энергосистемы в реальном времени. Это включает в себя системы с более чем 10 000 шин с соответствующими генераторами, нагрузками, устройствами коррекции коэффициента мощности и сетевыми соединениями. [8] Эти типы платформ моделирования позволяют оценивать и тестировать крупные энергосистемы в реалистичной эмулируемой среде. Более того, HIL для энергосистем использовался для исследования интеграции распределенных ресурсов, систем SCADA следующего поколения и блоков управления питанием , а также статических синхронных компенсаторов . [9]

Оффшорные системы

В оффшорной и морской инженерии системы управления и механические конструкции обычно проектируются параллельно. Тестирование систем управления возможно только после интеграции. В результате обнаруживается много ошибок, которые приходится устранять во время ввода в эксплуатацию, с рисками получения травм персоналом, повреждения оборудования и задержек. Для уменьшения этих ошибок широкое внимание привлекает HIL-симуляция. [10] Это отражено в принятии HIL-симуляции в правилах Det Norske Veritas . [11]

Ссылки

  1. ^ ab T. Hwang, J. Rohl, K. Park, J. Hwang, KH Lee, K. Lee, S.-J. Lee и Y.-J. Kim, «Разработка систем HIL для активных систем управления тормозами», Международная совместная конференция SICE-ICASE , 2006.
  2. ^ С. Раман, Н. Сивашанкар, В. Милам, В. Стюарт и С. Наби, «Проектирование и реализация программно-аппаратных симуляторов для разработки программного обеспечения систем управления силовыми агрегатами», Труды Американской конференции по управлению , 1999.
  3. ^ А. Себи, Л. Гювенч, М. Демирджи, К. Карадениз, К. Канар и Э. Гураслан, «Недорогая портативная система аппаратного тестирования электронного блока управления двигателем», Труды Международного симпозиума IEEE по промышленной электронике , 2005.
  4. ^ J. Du, Y. Wang, C. Yang и H. Wang, «Подход к тестированию контроллера последовательной системы турбонаддува с использованием аппаратно-программного моделирования», Труды Международной конференции IEEE по автоматизации и логистике , 2007.
  5. ^ А. Палладино, Дж. Фиенго, Ф. Джованини и Д. Ланцо, «Система тестирования микроаппаратных средств в контуре», Европейская конференция по управлению IEEE , 2009.
  6. ^ Загал, Дж. К., Руис-дель-Солар, Дж., Вальехос, П. (2004) Возвращение к реальности: преодоление разрыва реальности в эволюционной робототехнике. В IAV 2004: Труды 5-го симпозиума IFAC по интеллектуальным автономным транспортным средствам, Elsevier Science Publishers BV
  7. ^ Бонгард, Дж. К., Липсон, Х. (2004) «Еще раз в прорыв: автоматизированная настройка моделирования робота с использованием обратного эволюционного алгоритма», Труды Девятой международной конференции по искусственной жизни (ALIFE IX)
  8. ^ "ePHASORsim Real-Time Transient Stability Simulator" (PDF) . Получено 23 ноября 2013 г.
  9. ^ Аль-Хаммури, AT; Нордстром, Л.; Ченин, М.; Ванфретти, Л.; Хонет, Н.; Лиларуджи, Р. (22 июля 2012 г.). «Виртуализация синхронизированных векторных измерительных единиц в симуляторах реального времени для приложений интеллектуальных сетей». 2012 IEEE Power and Energy Society General Meeting . Power and Energy Society General Meeting, 2012 IEEE. стр.  1– 7. doi :10.1109/PESGM.2012.6344949. ISBN 978-1-4673-2729-9. S2CID  10605905.
  10. ^ Йохансен, ТА; Фоссен, ТИ; Вик, Б. (2005). Аппаратно-программное тестирование систем DP . Конференция DP. Хьюстон.
  11. ^ DNV. Правила классификации судов, Часть 7 Гл. 1 Раздел 7 I. Расширенная проверка системы - SiO, 2010
  • Введение в аппаратно-программное моделирование.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Моделирование_аппаратного_контура&oldid=1238597343"