Аппаратное моделирование - Hardware-in-the-loop simulation
Аппаратно-в-петля ( ЛВЖ ) моделирования , или HWIL , представляет собой метод , который используется в разработке и испытании сложных в режиме реального времени встроенных систем . Моделирование HIL обеспечивает эффективную платформу , добавляя сложность контролируемого предприятия к испытательной платформе. Сложность контролируемого объекта 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 симуляцией завода.
Как работает HIL
Моделирование HIL должно включать электрическую эмуляцию датчиков и исполнительных механизмов. Эти электрические эмуляции действуют как интерфейс между моделированием установки и тестируемой встроенной системой. Значение каждого электрически эмулируемого датчика контролируется моделированием установки и считывается встроенной тестируемой системой (обратная связь). Аналогичным образом, тестируемая встроенная система реализует свои алгоритмы управления путем выдачи сигналов управления исполнительным механизмом. Изменения в управляющих сигналах 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 установки:
- Динамика транспортного средства , такая как подвеска, колеса, шины, крен, тангаж и рыскание;
- Динамика гидравлических компонентов тормозной системы;
- Дорожные характеристики.
Использует
Во многих случаях наиболее эффективным способом разработки встроенной системы является подключение встроенной системы к реальному предприятию. В других случаях моделирование HIL более эффективно. Показатель 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 вывода запланированного продукта на рынок . Коэффициент безопасности и продолжительность разработки обычно приравниваются к показателю затрат. Конкретные условия, которые требуют использования моделирования HIL, включают следующее:
- Повышение качества тестирования
- Жесткие графики разработки
- Установка с высокой нагрузкой
- Ранний процесс развития человеческого фактора
Повышение качества тестирования
Использование HIL повышает качество тестирования за счет увеличения объема тестирования. В идеале встроенная система должна быть протестирована на реальном предприятии, но большую часть времени реальное предприятие само по себе накладывает ограничения с точки зрения объема тестирования. Например, тестирование блока управления двигателем как реальной установки может создать для инженера-испытателя следующие опасные условия:
- Тестирование при определенных параметрах ЭБУ или за их пределами (например, параметры двигателя и т. Д.)
- Тестирование и проверка системы в условиях отказа
В вышеупомянутых сценариях тестирования HIL обеспечивает эффективный контроль и безопасную среду, в которой инженер по тестированию или приложению может сосредоточиться на функциональности контроллера.
Жесткие графики разработки
Жесткие 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 развитием завода. Например, к тому времени, когда новый прототип автомобильного двигателя станет доступным для тестирования системы управления, 95% тестирования контроллера двигателя будет завершено с использованием моделирования HIL.
Аэрокосмическая и оборонная промышленность еще более склонны к жесткому графику разработки. В программах разработки самолетов и наземных транспортных средств используются настольные компьютеры и моделирование HIL для параллельного проектирования, тестирования и интеграции.
Установка с высокой нагрузкой
Во многих случаях установка стоит дороже, чем высокоточный симулятор в реальном времени, и, следовательно, имеет более высокую нагрузку. Следовательно, разработка и тестирование при подключении к симулятору HIL более экономичны, чем реальная установка. Для производителей реактивных двигателей моделирование HIL является фундаментальной частью разработки двигателей. Разработка полнофункциональных цифровых контроллеров двигателей (FADEC) для авиационных реактивных двигателей является ярким примером установки с высокой нагрузкой. Каждый реактивный двигатель может стоить миллионы долларов. Напротив, тренажер HIL, разработанный для тестирования всей линейки двигателей, производимой производителем реактивного двигателя, может потребовать лишь десятую часть стоимости одного двигателя.
Ранний процесс развития человеческого фактора
Моделирование HIL является ключевым этапом в процессе разработки человеческого фактора, метода обеспечения удобства использования и целостности системы с использованием эргономики программного обеспечения, исследования человеческого фактора и проектирования. Для технологий реального времени разработка человеческого фактора - это задача сбора данных об удобстве использования на основе тестирования компонентов, которые будут иметь человеческий интерфейс.
Примером тестирования удобства использования является разработка средств управления полетом по проводам . Электропроводное управление полетом устраняет механические связи между органами управления полетом и поверхностями управления самолетом. Датчики сообщают требуемую реакцию в полете, а затем применяют реалистичную обратную связь по силе к управляющим элементам с помощью двигателей. Поведение дистанционного управления полетом определяется алгоритмами управления. Изменения в параметрах алгоритма могут привести к большей или меньшей реакции полета от заданного входного сигнала управления полетом. Аналогичным образом, изменения в параметрах алгоритма также могут переводиться в более или менее обратную связь по силе для данного входного сигнала управления полетом. «Правильные» значения параметров - это субъективная мера. Таким образом, для получения оптимальных значений параметров важно получить входные данные из многочисленных тестов «человек в цикле».
В случае разработки электронного управления полетом, HIL-симуляция используется для имитации человеческого фактора. Симулятор полета включает в себя моделирование аэродинамики, тяги двигателя, условий окружающей среды, динамики управления полетом и многое другое. Электронные средства управления полетом прототипа подключены к симулятору, и летчики-испытатели оценивают летные характеристики с учетом различных параметров алгоритма.
Альтернативой HIL-моделированию для развития человеческого фактора и удобства использования является размещение прототипа управления полетом в ранних прототипах самолета и проверка удобства использования во время летных испытаний . Этот подход не работает при измерении четырех перечисленных выше условий. Стоимость: летные испытания чрезвычайно дороги, и поэтому цель состоит в том, чтобы свести к минимуму любые изменения, возникающие при летных испытаниях. Продолжительность: разработка средств управления полетом с помощью летных испытаний увеличит продолжительность программы разработки самолета. Используя моделирование HIL, элементы управления полетом могут быть разработаны задолго до того, как станет доступен настоящий самолет. Безопасность: использование летных испытаний для разработки критических компонентов, таких как органы управления полетом, имеет большое значение для безопасности. Если в конструкции органов управления полетом прототипа присутствуют ошибки, результатом может быть аварийная посадка. Осуществимость: может оказаться невозможным исследовать определенные критические моменты времени (например, последовательность действий пользователя с точностью до миллисекунды) с реальными пользователями, работающими на предприятии. То же самое и для проблемных точек в пространстве параметров, которые могут быть нелегко доступны с реальной установкой, но должны быть проверены на соответствующем оборудовании.
Использование в различных дисциплинах
Автомобильные системы
В контексте автомобильных приложений «Аппаратные системы моделирования обеспечивают такое виртуальное средство для валидации и верификации систем». Поскольку автомобильные тесты на вождение для оценки производительности и диагностических функций систем управления двигателем часто занимают много времени, дороги и невоспроизводимы, 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 специальный процессор реального времени выполняет математические модели, имитирующие динамику двигателя. Кроме того, блок ввода-вывода позволяет подключать автомобильные датчики и исполнительные механизмы (которые обычно имеют высокую степень нелинейности). Наконец, тестируемый электронный блок управления (ЭБУ) подключается к системе и стимулируется набором маневров транспортного средства, выполняемых симулятором. На этом этапе моделирование HIL также обеспечивает высокую степень повторяемости на этапе тестирования.
В литературе сообщается о нескольких конкретных приложениях HIL, и упрощенные симуляторы HIL были построены в соответствии с некоторыми конкретными целями. Например, при тестировании новой версии программного обеспечения ЭБУ эксперименты можно проводить в разомкнутом контуре, и поэтому несколько динамических моделей двигателя больше не требуются. Стратегия ограничивается анализом выходов ЭБУ при возбуждении управляемыми входами. В этом случае система Micro HIL (MHIL) предлагает более простое и экономичное решение. Поскольку сложность обработки моделей снижается, полноразмерная система HIL превращается в портативное устройство, состоящее из генератора сигналов, платы ввода-вывода и консоли, содержащей исполнительные механизмы (внешние нагрузки), которые должны быть подключены к ЭБУ.
Радар
Моделирование HIL для радиолокационных систем развилось из радиолокационных помех. 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. Эта конфигурация позволяет проводить испытания и оценку радиолокационной системы, уменьшая необходимость в летных испытаниях (для бортовых радиолокационных систем) и полевых испытаниях (для поисковых или отслеживающих радиолокаторов) и может дать раннее указание на восприимчивость радиолокатора к электронным помехам. методы ведения войны (РЭБ).
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 срабатывания, а 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 (BTR) и Estimation Exploration (EEA).
Энергетические системы
В последние годы HIL для энергосистем использовался для проверки стабильности, работы и отказоустойчивости крупных электрических сетей . Платформы обработки в реальном времени текущего поколения могут моделировать крупномасштабные энергосистемы в реальном времени. Сюда входят системы с более чем 10 000 шин с соответствующими генераторами, нагрузками, устройствами коррекции коэффициента мощности и сетевыми соединениями. Эти типы платформ моделирования позволяют оценивать и тестировать крупномасштабные энергосистемы в реалистичной эмулируемой среде. Более того, HIL для энергетических систем использовался для исследования интеграции распределенных ресурсов, систем SCADA следующего поколения и блоков управления питанием , а также устройств статических синхронных компенсаторов .
Оффшорные системы
В морском и морском строительстве системы управления и механические конструкции обычно проектируются параллельно. Тестирование систем управления возможно только после интеграции. В результате обнаруживается множество ошибок, которые необходимо устранить во время ввода в эксплуатацию, с риском получения травм, повреждения оборудования и задержек. Чтобы уменьшить эти ошибки, широкое внимание уделяется моделированию HIL. Это отражено в применении моделирования HIL в правилах Det Norske Veritas .