Simulacija sa hardverom u petlji

Simulacija sa hardverom u petlji (engl. Hardware-in-the-loop, skaraćeno HIL ili HWIL) je tehnika koja se koristi u razvoju i testiranju kompleksnih ugrađenih sistema (engl. Embeded systems) u realnom vremenu. HIL simulacija predstavlja efikasnu platformu zato što u testiranje dodaje kompleksnost postrojenja koje se kontroliše. Složenost sistema u nekom postrojenju koje je potrebno kontrolisati uključuje se u testiranje i razvoj dodavanjem matematičkog prikaza svih srodnih dinamičkih sistema. Ovi matematički prikazi nazivaju se „simulacije postrojenja". Ugrađeni sistem se ispituje u interakciji sa ovom simulacijom postrojenja.

Simulacija sa hardverom u petlji je uređaj koji matematičkim algoritmima realno oponaša rad postrojenja kao u stvarnom životu i u realnom vremenu, a u cilju njegovog kontrolisanja i/ili testiranja, odnosno predviđanja njegovog ponašanja. 

Kako HIL radi?

Simulacija sa hardverom u petlji uključuje električne emulacije senzora i aktuatora. Ovi električni emulatori deluju kao interfejs između simulacije postrojenja i ugrađenog sistema koji se testira. Vrednost svakog emuliranog električnog senzora je pod kontrolom simulacije postrojenja, a ugrađeni sistem koji se testira očitava te vrednosti čime se stvara povratna veza. Na isti način, ugrađeni sistem koji se testira sprovodi svoje kontrolne algoritme time što na izlaze šalje kontrolne signale aktuatorima. Promene u kontrolnim signalima dovode do promena u vrednostima promenljivih u simulacijama postrojena. 

Primera radi, simulacija sa HIL platformom u razvoju sigurnosnih sistema protiv blokiranja kočnica (engl. anti-lock braking system, ABS) u automobilskoj industriji može imati matematički prikaz za svaki od sledećih podsistema u simulaciji postrojenja:

• Dinamika vozila, kao što je ogibljenje, točkovi, gume, rotacija oko longitudinalne, lateralne i vertikalne ose
• Dinamika hidrauličnih komponenti kočionog sistema
• Karakteristike ponašanja na putu
  

Zašto koristiti Simulaciju sa hardverom u petlji?

U mnogim primerima u praksi, najefektivniji način da se razvije ugrađeni sistem je da se on poveže s realnim, pravim postrojenjem. U drugim slučajevima HIL simulacija je efikasnija. Merilo efikasnosti razvoja i testiranja je obično matematička formula koja obuhvata sledeće faktore: 1. troškovi 2. trajanje 3. bezbednost i 4. izvodljivost.

Troškovi određenog pristupa treba da budu mereni cenom svih alata i napora. Trajanje razvoja i testiranje utiče na vreme potrebno za planiranje pojavljivanja proizvoda na tržištu. Faktor sigurnosti i trajanje razvoja su tipično jednaki meri troškova. Posebni uslovi koji zahtevaju korišćenje HIL simulacije obuhvataju sledeće:

• Poboljšanje kvaliteta testiranja
• Kratki rokovi za razvoj
• Postrojenja sa visokim troškovima eksploatacije
• Ljudski faktori u ranom procesu razvoja
  

Poboljšanje kvaliteta testiranja

Upotrebom hardvera u petlji poboljšava se kvalitet testiranja povećanjem obima testova. U idealnom slučaju, integrisani sistem će biti ispitan u odnosu na stanje u stvarnom postrojenju ili pogonu, ali u najvećem broju slučajeva samo postrojenje nameće ograničenja u pogledu mogućeg obima ispitivanja odnosno testiranja. Na primer, testiranje kontrole jedinice motora (ECU, eng. Engine Control Unit) sa stvarnim agregatom može dovesti do stvaranja sledećih uslova opasnih za rad i život inženjera koji obavljaju testiranja:

• Testiranje i ispitivanje na ili izvan raspona od nekih ECU parametara (na primer, parametri motora itd.)
• Testiranje, ispitivanje i provera sistema u uslovima postojanja kvarova

U gore navedenim scenarijima testiranja, HIL obezbeđuje efikasnu kontrolu i bezbedno okruženje u kojem aplikativni i testni inženjeri mogu da se fokusiraju na funkcionalnosti kontrolera.

Kratki rokovi za razvoj

Kratki rokovi za razvoj u u većini novih programa automobilske, vazuhoplovne i odbrambene industrije ne dozvoljavaju da se testiranje ugrađenih sistema odlaže dok prototip ne budu dostupan. U stvari, većina novih planova razvoja unapred pretpostavljaju da će se HIL simulacija koristiti paralelno sa razvojem postrojenja ili fabrike. Na primer, do trenutka kada prototip novog automobilskog motora bude dostupan za testiranje kontrolnog sistema, 95% testiranja kontrolera tog motora biće završeno pomoću HIL simulacije.

Avionska i odbrambena industrija još su sklonije da nametnu kreće rokove za razvoj. Razvojni programi za vazduhoplove i kopnena vozila koriste desktop i HIL simulaciju za obavljanje projektovanja, testiranja i integracije u isto vreme.

Postrojenja sa visokim troškovima eksploatacije

U mnogim slučajevima, postrojenje je daleko skuplje od simulatora koji radi u realnom vremenu i sa visokom vernošću simulacije, pa sledstveno tome postrojenje ima visoke troškove eksploatacije. U skladu sa tim, ekonomičnije je razvijati i testirati povezujući sistem ili deo sistema sa HIL simulatorom nego sa celim postrojenjem ili fabrikom. Za proizvođače mlaznih motora, HIL simulacija je osnovni deo razvoja samog motora. Razvoj sveobuhvatnih digitalnih kontrolera motora (engl. Full Authority Digital Engine Controllers - FADEC) za vazuhoplove sa mlaznim motorima je ekstremni primer postrojenja sa visokim troškovima eksploatacije. Svaki mlazni motor može koštati molione dolara. Nasuprot tome, HIL simulator projektovan za testiranje kompletnih serija mlaznih motora i može da zahteva samo desetinu troškova jedanog motora testiranog u realnim uslovima.

Ljudski faktori u ranom procesu razvoja

HIL simulacija je ključni korak u procesu razvoja gde su uključeni i ljudski faktori, metod koji obezbeđuje upotrebljivost i konzistentnost sistema pomoću ergonomije softvera, istraživanja ljudskih faktora i dizajna. U domenu razvoja tehnologija testiranja i simulacije u realnom vremenu, razvoj koji uključuje i ljudske faktore je zadatak prikupljanja podataka o upotrebljivosti sistema na osnovu principa testiranja “čovek-u-petlji” za komponente koje će imati ljudski interfejs.

Primer testiranja upotrebljivosti je razvoj sistema komandi leta aviona (engl. fly-by-wire flight controls). Ovaj sistem komandi eliminiše mehaničke veze između kontrole leta i kontrolnih površina aviona. Senzori komuniciraju šta je traženi letni odgovor i zatim primenjuju realističnu povratnu silu na kontrolu komande leta aviona pomoću motora. Ponašanje komandi leta aviona je definisano kontrolnim algoritmima. Promene u parametrima algoritma mogu da rezultuju više ili manje letnog odgovora za datu komandu kontrole letenja. Isto tako, promene u parametrima algoritma mogu da rezultuju u više ili manje povratne sile za dati ulaz za kontrolu letenja. „Prave” vrednosti parametara su subjektivna mera. Zbog toga je važno da se dobije ulazna informacija iz brojnih testiranja tipa “čovek-u-petlji” kako bi se dobile optimalne vrednosti parametara.

U slučaju razvoja kontrole sistema komandi leta, HIL simulacija se koristi da oponaša ljudske faktore. Simulator leta obuhvata simulaciju aerodinamike, potiska motora, uslove okruženja, dinamiku kontrole leta i drugo. Prototip kontrole sistema komandi leta je povezan sa simulatorom koji testira i procenjuje uspešnost leta pružajući različite parametre iz algoritma.

Alternativa HIL simulaciji za ljudske faktore i razvoj upotrebljivosti je postavljanje prototipa kontrole leta u rane prototipe letelica i testiranje upotrebljivosti tokom probnog leta. Ovaj pristup ne zadovoljava četiri ranije navedena uslova. Troškovi: Cena probnog leta je veoma visoka i iz tog razloga cilj je smanjiti svaki oblik razvoja koji se obavlja putem probnog leta. Trajanje: Razvoj kontrole leta putem probnih letova produžiće trajanje programa razvoja aviona. Koristeći HIL simulaciju, kontrole leta mogu se razviti i pre nego što je pravi avion dostupan. Bezbednost: Korišćenje probnog leta za razvoj kritičnih komponenti kao što su kontrole leta ima velike sigurnosne implikacije. Ukoliko se pojave greške u projektu prototipa sistema kontrole leta, rezultat bi mogao biti prinudno sletanje ili avionska nesreća. Izvodljivost: Možda neće biti moguće istražiti neke proračune u kritičnim vremenskim tačkama (na primer, sekvence akcije korisnika sa preciznošću u milisekundama) sa realnim korisnicima koji rade u postrojenju. Isto tako, za problematične tačke u parametrima prostora koji ne mogu biti lako dostupni sa realnim postrojenjem moraju se testirati u odnosu na hardver koji je fokus testiranja.

Korišćenje u različitim sistemima

Automobilski sistemi

U kontekstu automobilskih aplikacija “sistema za simulaciju sa hardverom u petlji pružaju virtuelna vozila za validaciju i verifikaciju sistema”. Pošto su probne vožnje na vozilu za procenu performansi i dijagnostikovanje funkcionalnosti sistema za upravljanje motorom često veoma dugotrajane, skupe i ne mogu se ponavljati, HIL simulatori omogućavaju razvojnim timovima (programerima i inženjerima) da potvrde ispravnost novih hardverskih i softverskih rešenja za automobilske sisteme, poštujući pri tome zahteve ispunjavanja kvaliteta i kratkih rokovaza izbacivanje proizvoda na tržište. U tipičnom HIL simulatoru, posebno projektovani procesor za simulacije u realnom vremenu izvršava matematičke modele koji oponašaju dinamiku motora u realnom vremenu. Pored toga, ulazno-izlazna jedinica omogućava povezivanje senzora i aktuatora vozila (gde je obično prisutan visok stepen nelinearnosti). I na kraju, elektronska jedinica za kontrolu (eng. Electronic Control Unit, ECU) koja se testira priključena je na sistem i stimulisana nizom manevara vozila izvršenih od strane simulatora. U ovoj pogledu, HIL simulacija takođe omogućava i visok stepen ponovljivosti testiranja.

U postojećoj literaturi spominje senekoliko specifičnih HIL aplikacija i pojednostavljenih HIL simulatora koji su izrađeniu skladu saspecifičnim potrebama. Kada se, na primer, testira novi softver za ECU, eksperimenti se mogu vršiti u otvorenoj petlji i iz tog razloga nekoliko dinamičkih modela motora više nije potrebno. Ova strategija testiranja je ograničena na analizu ECU izlaza kada ih pobuđuju kontrolisani inputi. U ovom slučaju, Mikro HIL sistem (MHIL) nudi jednostavnije i ekonomičnije rešenje. Budući da je složenost procesiranja modela umanjena, klasični HIL sistem za testiranja može da se smanji u formu prenosnog uređaja koji čine signalni generator, ploča sa ulazima i izlazima i konzola na kojoj se nalaze aktuatori (spoljašnji potrošači) koji bi trebalo da budu spojeni na ECU.

Energetska elektronika

Simulacija hardevera u petlji za sisteme energetske elektronike predstavlja sledeći kvantni skok u evoluciji HIL tehnologija. Mogućnost da se i sistemi energetske elektronike projektuju i automatski testiraju putem HIL simulacija, skratiće razvojni ciklus, povećati efikasnost, poboljšati pouzdanost i sigurnost tih sistema u raznim oblicima njihove primene. Zaista, energetska elektronika predstavlja ključnu tehnologiju koja omogućava razvoj hibridnih električnih vozila, električnih vozila, vetrogeneratora promenljive brzine, solarnih fotonaponskih sistema, sistema za automatizaciju industrijskih procesa, električnih vozova itd.

Postoje najmanje tri jaka razloga za korišćenje simulacija hardvera u petlji u okviru energetske elektronike:

• skraćivanje razvojnog ciklusa,
• potreba za opsežnim testiranjem kontrolnog hardvera i softvera kako bi se zadovoljili zahtevi i zahtevi u pogledu sigurnosti i kvaliteta,
• potreba za sprečavanjem skupih i opasnih kvarova ili propusta.

Postavlja se pitanje zašto su sistemi energetske elektronike toliko različiti ako se ima u vidu da se HIL tehnologije već decenijama koriste u avionskoj i automobilskoj industriji. Sistemi energetske elektronike su klasa dinamičkih sistema koji ispoljavaju ekstremno brzu dinamiku zbog visoke frekvencije rada prekidača  (npr. IGBT, MOSFET, IGCT, diode itd.).

Simulacije u realnom vremenu tranzistorskih prekidača zahtevaju procesore čije zahteve u pogledu  brzine i latencije ne mogu da ispune standardni personalni računari. Proizvođači HIL sistema taj problem su rešili primenom FPGA/SOC platformi koje su i do 100 puta brže od tradicionalnih račuanrskih metoda izračunavanja, čime se postiže visoka rezolucija HIL sistema neophodna za simulacije u domenu energetske elektronike.

Radar

Simulacije hardvera u petlji za radarske sisteme razvile su se iz sistema za ometanje radara. Sistemi digitalne radiofrekvencijske memorije (eng. Digital Radio Frequency Memory, DRFM) tipično se koriste za kreiranje lažnog cilja kako bi zbunili radare na bojnom polju, ali ti isti sistemi mogu simulirati i metu u laboratoriji. Ova konfiguracija omogućava testiranje i evaluaciju radarskog sistema, smanjuje potrebu za probnim letovima sa prototipovima radarskih sistema (za radarske sisteme koji se montiraju u avione) i terenskim testovima (za radare čija je namena pretraživanje ili praćenje meta), a može dati i ranu indikaciju osetljivosti i ranjivosti radara na različite tehnike elektronskog ratovanja (engl. Electronic warfare (EW) techniques).

Robotika

Tehnike za simulaciju hardvera u petlji odnedavno se primenjuju za automatsko generisanje složenih kontrolera za robote. Robot koristi svoj pravi hardver za izdvajanje podataka sa senzora i kontrolnih signala, a zatim koristi ove podatke da zaključi fizičku simulaciju (samo-model) koji sadrži aspekte kao što su sopstvena morfologija, kao i karakteristika okruženja. Algoritmi kao što su povratak u realnost (eng. Back-to-Reality, (BTR) i procena istraživanja; eng. Estimation Exploration EEA) predložene su u ovom kontekstu.

Energetski sistemi

U nekoliko poslednjih godina, HIL u energetskim sistemima korišćen je za verifikaciju stabilnosti, operacije i tolerancije kvarova velikih elektroenergetskih sistema i električnih mreža. Postojeća generacija procesnih platformi u realnom vremenu imaju sposobnost da modeluju energetske sisteme velikih razmera u realnom vremenu. Ovo uključuje sisteme sa više od 10.000 povezanih generatora, opterećenja, uređaja za korekciju faktora snage i mrežnih interkonecija. Ovi tipovi platformi za simulaciju omogućavaju procenu i testiranje energetskih sistema velikih razmera u realistično imitiranom okruženju. Štaviše, HIL za energetske sisteme je korićen za istraživanje integracije distributivnih resursa, naredne generacije SCADA sistema i upravljanje energijom jedinica i statičkih sinhronizovanih kompenzatora uređaja.

Pomorski sistemi

U pomoskom inženjerstvu, kontrolsni sistemi i mehaničke strukture su uglavnom projektovane paralelno. Testiranje sistema kontrole moguće je tek nakon integracije. Kao rezultat pronađene su mnoge greške i otkriveno je da moraju biti rešene tokom puštanja u rad sa rizicima telesnih povreda, oštećenja opeme i kašnjenja. Kako bi se smanile ove greške, HIL simulacija dobija na značaju. Ovo se ogleda u usvajanju HIL silmulacije po pravilima od strane sertifikaciong tela i asocijacije Det Norske Veritas.

Spoljašnje veze

• Kontrola testiranja hardverom u petlji cHIL “HIL Hardware Arhivirano 2016-06-14 na Wayback Machine-u”
• O hardveru u petlji “Hardware In the Loop”
• Uvod u simulacije hardvera u petlji “Introduction to Hardware-in-the-Loop Simulation”