Аппаратное моделирование в цикле

Аппаратное ( HIL ) моделирование , 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 сложность системы «процесс-исполнительный механизм», известной как установка тестирования, добавляя к тестовой платформе . Сложность управляемой установки учитывается в тестировании и разработке путем добавления математического представления всех связанных динамических систем . Эти математические представления называются «моделированием установки». Встроенная система, подлежащая тестированию, взаимодействует с симуляцией предприятия.

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 симуляцией установки и считывается встроенной тестируемой системой (обратная связь). Аналогично, тестируемая встроенная система реализует свои алгоритмы управления путем выдачи сигналов управления исполнительным механизмом. Изменения сигналов управления приводят к изменениям значений переменных в моделировании установки.

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

Динамика автомобиля , такая как подвеска, колеса, шины, крен, наклон и рыскание;
Динамика гидравлических компонентов тормозной системы;
Характеристики дороги.

Использование

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, включающую следующие факторы: 1. Стоимость 2. Продолжительность 3. Безопасность 4. Технико-экономическое обоснование

Стоимость подхода должна быть мерой стоимости всех инструментов и усилий. Продолжительность разработки и тестирования влияет на время вывода на рынок планируемого продукта. Коэффициент безопасности и продолжительность разработки обычно приравниваются к затратам. Конкретные условия, которые гарантируют использование моделирования HIL, включают следующее:

Повышение качества тестирования
Плотные графики разработки
Тяжелый завод
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 объекте, но в большинстве случаев реальный объект сам по себе накладывает ограничения с точки зрения объема тестирования. Например, испытание блока управления двигателем на реальной установке может создать для инженера-испытателя следующие опасные условия:

Тестирование в диапазоне определенных параметров ЭБУ или за его 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 применению 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 появления прототипа. Фактически, большинство новых графиков разработки предполагают, что моделирование HIL будет использоваться параллельно с разработкой завода. Например, к тому времени, когда прототип нового автомобильного двигателя будет доступен для испытаний системы управления, 95% испытаний контроллера двигателя будет завершено с использованием HIL-моделирования. ^{[ нужна ссылка ]}.

Аэрокосмическая и оборонная промышленность еще более склонны к жестким графикам развития. Программы разработки самолетов и наземных транспортных средств используют настольное моделирование и HIL-моделирование для параллельного проектирования, тестирования и интеграции.

Тяжелый завод

Во многих случаях установка стоит дороже, чем высокоточный симулятор, работающий в режиме реального времени, и поэтому имеет более высокий уровень нагрузки. Таким образом, разработка и тестирование при подключении к симулятору HIL более экономичны, чем на реальном предприятии. Для производителей реактивных двигателей моделирование HIL является фундаментальной частью разработки двигателей. Разработка полнофункциональных цифровых контроллеров двигателя (FADEC) для авиационных реактивных двигателей является крайним примером установки с высокой нагрузкой. Каждый реактивный двигатель может стоить миллионы долларов. Напротив, симулятор HIL, предназначенный для тестирования всей линейки двигателей производителя реактивных двигателей, может потребовать лишь десятую часть стоимости одного двигателя.

Ранний процесс развития человеческого фактора

HIL-моделирование — это ключевой шаг в процессе разработки человеческого фактора, метод обеспечения удобства использования и согласованности системы с использованием эргономики программного обеспечения, исследования и проектирования человеческого фактора. Для технологий реального времени разработка с учетом человеческого фактора — это задача сбора данных об удобстве использования в результате автоматизированного тестирования компонентов, которые будут иметь человеческий интерфейс.

Примером юзабилити-тестирования является разработка электродистанционного управления полетом . Дистанционное управление полетом устраняет механические связи между органами управления полетом и поверхностями управления самолетом. Датчики сообщают о требуемой реакции полета, а затем применяют реалистичную обратную связь по усилию к электродистанционному управлению с помощью двигателей. Поведение электродистанционных органов управления полетом определяется алгоритмами управления. Изменения параметров алгоритма могут привести к большей или меньшей реакции полета на данный входной сигнал управления полетом. Аналогично, изменения в параметрах алгоритма также могут привести к большей или меньшей силовой обратной связи для данного входного сигнала управления полетом. «Правильные» значения параметров являются субъективной мерой. Поэтому для получения оптимальных значений параметров важно получать данные от многочисленных непрерывных тестов.

В случае разработки электродистанционного управления полетом моделирование HIL используется для моделирования человеческого фактора. Симулятор полета включает в себя моделирование аэродинамики, тяги двигателя, условий окружающей среды, динамики управления полетом и многого другого. Прототип электродистанционного управления полетом подключается к тренажеру, и летчики-испытатели оценивают летные характеристики с учетом различных параметров алгоритма.

Альтернативой моделированию HIL для человеческого фактора и разработки удобства использования является размещение органов управления полетом прототипа в ранних прототипах самолетов и проверка удобства использования во время летных испытаний . Этот подход не работает при измерении четырех условий, перечисленных выше. Стоимость: летные испытания чрезвычайно дорогостоящи, поэтому цель состоит в том, чтобы свести к минимуму любые изменения, происходящие в ходе летных испытаний. Продолжительность: Разработка средств управления полетом с летными испытаниями продлит продолжительность программы разработки самолета. Используя моделирование HIL, средства управления полетом можно разработать задолго до того, как появится реальный самолет. Безопасность. Использование летных испытаний для разработки критически важных компонентов, таких как средства управления полетом, имеет большое значение для безопасности. Если в конструкции органов управления полетом прототипа будут обнаружены ошибки, результатом может стать аварийная посадка. Осуществимость: может оказаться невозможным исследовать определенные критические моменты времени (например, последовательность действий пользователя с точностью до миллисекунды) с реальными пользователями, управляющими установкой. Аналогично и для проблемных точек в пространстве параметров, которые не могут быть легко достижимы на реальном объекте, но должны быть проверены на рассматриваемом оборудовании.

Использование в различных дисциплинах

Автомобильные системы

В контексте автомобильных приложений «аппаратные системы моделирования предоставляют такое виртуальное средство для проверки и проверки систем». ^[2] Поскольку тесты вождения в автомобиле для оценки производительности и диагностических функций систем управления двигателем часто отнимают много времени, дороги и невоспроизводимы, симуляторы HIL позволяют разработчикам проверять новые аппаратные и программные автомобильные решения, соблюдая требования к качеству и времени выхода на рынок. ограничения . В типичном симуляторе HIL специальный процессор в реальном времени выполняет математические модели, имитирующие динамику двигателя. Кроме того, блок ввода-вывода позволяет подключать датчики и исполнительные механизмы автомобиля (которые обычно имеют высокую степень нелинейности). Наконец, тестируемый электронный блок управления (ЭБУ) подключается к системе и стимулируется набором маневров автомобиля, выполняемых симулятором. На этом этапе моделирование HIL также обеспечивает высокую степень повторяемости на этапе тестирования.

В литературе сообщается о нескольких конкретных приложениях HIL, а для некоторых конкретных целей были созданы упрощенные симуляторы HIL. ^[1]^[3]^[4] Например, при тестировании новой версии программного обеспечения ЭБУ эксперименты могут проводиться в разомкнутом контуре, и поэтому несколько динамических моделей двигателя больше не требуются. Стратегия ограничивается анализом выходных сигналов ЭБУ при возбуждении от управляемых входов. В этом случае система Micro HIL (MHIL) предлагает более простое и экономичное решение. ^[5] Поскольку сложность обработки моделей снижается, полноразмерная система HIL сводится к портативному устройству, состоящему из генератора сигналов, платы ввода-вывода и консоли, содержащей исполнительные механизмы (внешние нагрузки), подключаемые к ECU.

Радар

Моделирование HIL для радиолокационных систем произошло от создания 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. Такая конфигурация позволяет проводить испытания и оценку радиолокационной системы, уменьшая необходимость летных испытаний (для бортовых радиолокационных систем) и полевых испытаний (для радаров поиска или сопровождения), а также может дать раннее указание на чувствительность радара к электронным воздействиям. 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 об ощущениях и срабатываниях, а затем использует эти данные для построения физической симуляции (собственной модели), содержащей такие аспекты, как его собственная морфология, а также характеристики окружающей среды. Алгоритмы, такие как возвращение к реальности ^[6] (BTR) и оценочная разведка ^[7] (ЕЭЗ) были предложены в этом контексте.

Энергетические системы

В последние годы HIL для энергетических систем использовался для проверки стабильности, работы и отказоустойчивости крупных электрических сетей . Платформы обработки данных текущего поколения способны моделировать крупномасштабные энергосистемы в режиме реального времени. Сюда входят системы с более чем 10 000 шинами с соответствующими генераторами, нагрузками, устройствами коррекции коэффициента мощности и сетевыми соединениями. ^[8] Эти типы платформ моделирования позволяют оценивать и тестировать крупномасштабные энергосистемы в реалистичной моделируемой среде. Кроме того, HIL для энергосистем использовался для исследования интеграции распределенных ресурсов, систем SCADA нового поколения и блоков управления питанием , а также статического синхронного компенсатора . устройств ^[9]

Морские системы

В морской и морской технике системы управления и механические конструкции обычно проектируются параллельно. Тестирование систем управления возможно только после интеграции. В результате обнаруживается множество ошибок, которые приходится устранять при вводе в эксплуатацию, что сопряжено с риском травмирования персонала, повреждения оборудования и задержек. Чтобы уменьшить эти ошибки, широкое внимание уделяется моделированию HIL. ^[10] Это отражено в принятии моделирования HIL в правилах Det Norske Veritas . ^[11]

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Т. Хван, Дж. Рол, К. Парк, Дж. Хван, К. Х. Ли, К. Ли, С.-Дж. Ли и Ю.-Дж. Ким, «Разработка систем HIL для активного управления торможением». Системы», Международная совместная конференция SICE-ICASE , 2006 г.
^ С.Раман, Н. Сивашанкар, В. Милам, В. Стюарт и С. Наби, «Проектирование и реализация симуляторов HIL для разработки программного обеспечения системы управления трансмиссией», Труды Американской конференции по управлению , 1999.
^ А. Чеби, Л. Гувенц, М. Демирчи, К. Карадениз, К. Канар и Э. Гураслан, «Недорогая портативная система непрерывного тестирования аппаратного обеспечения электронного блока управления двигателем», Труды Международный симпозиум IEEE по промышленной электронике , 2005 г.
^ Дж. Ду, Ю. Ван, К. Ян и Х. Ван, «Подход аппаратного моделирования к тестированию контроллера системы последовательного турбонаддува», Труды Международной конференции IEEE по автоматизации и логистике , 2007.
^ А. Палладино, Дж. Фиенго, Ф. Джованьини и Д. Ланцо, «Система непрерывного тестирования микрооборудования», Европейская конференция по управлению IEEE , 2009.
^ Загал, Дж. К., Руис-дель-Солар, Дж., Вальехос, П. (2004) Возвращение к реальности: преодоление разрыва в реальности в эволюционной робототехнике. В IAV 2004: Материалы 5-го симпозиума IFAC по интеллектуальным автономным транспортным средствам, Elsevier Science Publishers BV.
^ Бонгард, Дж. К., Липсон, Х. (2004) «Еще раз к нарушению: автоматическая настройка моделирования роботов с использованием обратного эволюционного алгоритма», Труды девятого межд. Конференция по искусственной жизни (ALIFE IX)
^ «Имитатор переходной устойчивости ePHASORsim в реальном времени» (PDF) . Проверено 23 ноября 2013 г.
^ Аль-Хаммури, Арканзас; Нордстрем, Л.; Шенин, М.; Ванфретти, Л.; Хонет, Н.; Лиларуджи, Р. (22 июля 2012 г.). «Виртуализация синхронизированных векторных измерительных блоков в симуляторах реального времени для приложений интеллектуальных сетей» . Общее собрание Общества энергетики и энергетики IEEE , 2012 г. Общее собрание Общества энергетики и энергетики, IEEE, 2012 г. стр. 1–7. дои : 10.1109/PESGM.2012.6344949 . ISBN 978-1-4673-2729-9 . S2CID 10605905 .
^ Йохансен, Т.А.; Фоссен, Техас; Вик, Б. (2005). Аппаратное тестирование систем DP . Конференция ДП. Хьюстон.
^ ДНВ. Правила классификации судов, Часть 7 Гл 1 Раздел 7 I. Расширенная проверка системы - SiO, 2010 г.

Внешние ссылки

Введение в аппаратное моделирование .

[brake-1] Jump up to: ^а ^б Т. Хван, Дж. Рол, К. Парк, Дж. Хван, К. Х. Ли, К. Ли, С.-Дж. Ли и Ю.-Дж. Ким, «Разработка систем HIL для активного управления торможением». Системы», Международная совместная конференция SICE-ICASE , 2006 г.

[powertrain-2] С.Раман, Н. Сивашанкар, В. Милам, В. Стюарт и С. Наби, «Проектирование и реализация симуляторов HIL для разработки программного обеспечения системы управления трансмиссией», Труды Американской конференции по управлению , 1999.

[3] А. Чеби, Л. Гувенц, М. Демирчи, К. Карадениз, К. Канар и Э. Гураслан, «Недорогая портативная система непрерывного тестирования аппаратного обеспечения электронного блока управления двигателем», Труды Международный симпозиум IEEE по промышленной электронике , 2005 г.

[4] Дж. Ду, Ю. Ван, К. Ян и Х. Ван, «Подход аппаратного моделирования к тестированию контроллера системы последовательного турбонаддува», Труды Международной конференции IEEE по автоматизации и логистике , 2007.

[palladino-5] А. Палладино, Дж. Фиенго, Ф. Джованьини и Д. Ланцо, «Система непрерывного тестирования микрооборудования», Европейская конференция по управлению IEEE , 2009.

[6] Загал, Дж. К., Руис-дель-Солар, Дж., Вальехос, П. (2004) Возвращение к реальности: преодоление разрыва в реальности в эволюционной робототехнике. В IAV 2004: Материалы 5-го симпозиума IFAC по интеллектуальным автономным транспортным средствам, Elsevier Science Publishers BV.

[7] Бонгард, Дж. К., Липсон, Х. (2004) «Еще раз к нарушению: автоматическая настройка моделирования роботов с использованием обратного эволюционного алгоритма», Труды девятого межд. Конференция по искусственной жизни (ALIFE IX)

[8] «Имитатор переходной устойчивости ePHASORsim в реальном времени» (PDF) . Проверено 23 ноября 2013 г.

[9] Аль-Хаммури, Арканзас; Нордстрем, Л.; Шенин, М.; Ванфретти, Л.; Хонет, Н.; Лиларуджи, Р. (22 июля 2012 г.). «Виртуализация синхронизированных векторных измерительных блоков в симуляторах реального времени для приложений интеллектуальных сетей» . Общее собрание Общества энергетики и энергетики IEEE , 2012 г. Общее собрание Общества энергетики и энергетики, IEEE, 2012 г. стр. 1–7. дои : 10.1109/PESGM.2012.6344949 . ISBN 978-1-4673-2729-9 . S2CID 10605905 .

[10] Йохансен, Т.А.; Фоссен, Техас; Вик, Б. (2005). Аппаратное тестирование систем DP . Конференция ДП. Хьюстон.

[11] ДНВ. Правила классификации судов, Часть 7 Гл 1 Раздел 7 I. Расширенная проверка системы - SiO, 2010 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]