使用基于仿真技術(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)試節(jié)約時(shí)間和成本
幾十年來(lái)，將實(shí)時(shí)仿真和物理I/O集成在一起的測(cè)試系統(tǒng)一直都被用于測(cè)試那些帶有嵌入式軟件的機(jī)械控制系統(tǒng)。在這些應(yīng)用中，設(shè)計(jì)者使用數(shù)學(xué)模型來(lái)仿真物理系統(tǒng)部件的動(dòng)態(tài)特性，從而無(wú)需使用完整的系統(tǒng)就可以測(cè)試電子控制單元。設(shè)計(jì)者們?cè)絹?lái)越多地使用這種硬件在環(huán)（Hardware-in-the-loop，HIL）技術(shù)來(lái)開發(fā)復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，并能夠在更短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的質(zhì)量，且成本更低。
圖1. HIL測(cè)試應(yīng)用使用實(shí)時(shí)仿真技術(shù)，通過(guò)在ECU和仿真系統(tǒng)之間建立電子仿真，從而在系統(tǒng)不完整的條件下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的軟件測(cè)試。
機(jī)械測(cè)試應(yīng)用，例如基于測(cè)功機(jī)和伺服液壓系統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)通常使用模型來(lái)完成真實(shí)的和仿真系統(tǒng)部件之間的某些機(jī)械作用。隨著新材料的出現(xiàn)、系統(tǒng)部件之間連接的越發(fā)緊密，以及人們對(duì)可靠性和安全性期望的日趨增高，使得這一領(lǐng)域持續(xù)發(fā)展。在機(jī)械測(cè)試應(yīng)用中使用實(shí)時(shí)的仿真技術(shù)，可以通過(guò)將待測(cè)目標(biāo)的相關(guān)部件分離出來(lái)，并將其余部件通過(guò)模型來(lái)仿真，從而達(dá)到減少成本的目的。
使用實(shí)時(shí)仿真技術(shù)給機(jī)械測(cè)試系統(tǒng)所帶來(lái)的好處，可以參考 來(lái)自歐洲的研究組織Tecnalia的案例。 研究人員開發(fā)了一個(gè)參數(shù)化的建模環(huán)境Dynacar，可以讓用戶很容易地對(duì)他們特定的動(dòng)力總成系統(tǒng)創(chuàng)建模型，他們只需將他們?cè)O(shè)計(jì)的組件虛擬地組裝起來(lái)，并對(duì)每個(gè)組件配置相應(yīng)的參數(shù)。為了在只有一個(gè)真實(shí)組件存在的條件下，實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的測(cè)試，測(cè)試工程師們可以使用實(shí)時(shí)仿真來(lái)替代將所缺失的組件。
真實(shí)的物理組件與實(shí)時(shí)仿真模型，通過(guò)測(cè)功機(jī)和/或伺服液壓系統(tǒng)耦合在一起。使用這種技術(shù)，可以通過(guò)改變參數(shù)配置，從而以一種低成本的方式來(lái)對(duì)組件進(jìn)行測(cè)試。例如，一個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的制造商可以通過(guò)簡(jiǎn)單地切換輪胎、傳動(dòng)裝置和馬達(dá)的組合來(lái)測(cè)試組件的運(yùn)行狀況。
真實(shí)的物理組件與實(shí)時(shí)仿真模型，通過(guò)測(cè)功機(jī)和/或伺服液壓系統(tǒng)耦合在一起。使用這種技術(shù)，可以通過(guò)改變參數(shù)配置，從而以一種低成本的方式來(lái)對(duì)組件進(jìn)行測(cè)試。例如，一個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的制造商可以通過(guò)簡(jiǎn)單地切換輪胎、傳動(dòng)裝置和馬達(dá)的組合來(lái)測(cè)試組件的運(yùn)行狀況。
實(shí)時(shí)的仿真還用于開發(fā)更安全的土木結(jié)構(gòu)的機(jī)械測(cè)試當(dāng)中。由于土木結(jié)構(gòu)的整體尺寸很大，對(duì)新設(shè)計(jì)方法的測(cè)試可能會(huì)成本很高。在機(jī)械測(cè)試中，測(cè)試臺(tái)必須要比待測(cè)試件的尺寸大得多，所以你可以想象在測(cè)試一個(gè)新的房屋設(shè)計(jì)時(shí)所需的測(cè)試臺(tái)尺寸。包括里海大學(xué)、內(nèi)華達(dá)大學(xué)里諾分校，以及美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校等研究機(jī)構(gòu)都使用實(shí)時(shí)的仿真部件來(lái)補(bǔ)充建筑物框架中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件。
對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)的軟件仿真模型所施加的激勵(lì)，將會(huì)告知硬件對(duì)于待測(cè)組件施以什么樣的加載力。同樣，位于待測(cè)部件上的傳感器通過(guò)諸如 NI SC Express等設(shè)備將測(cè)得的信息反饋給模型。這樣，只需測(cè)試的就只是建筑模型的一部分，而不是整個(gè)建筑機(jī)構(gòu)，可以將測(cè)試的工作量大大降低。此外，結(jié)構(gòu)中的一個(gè)部件可以分離出來(lái)，從而避免對(duì)結(jié)構(gòu)中的其它無(wú)需關(guān)注的部分造成不必要的疲勞損傷。
對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)的軟件仿真模型所施加的激勵(lì)，將會(huì)告知硬件對(duì)于待測(cè)組件施以什么樣的加載力。同樣，位于待測(cè)部件上的傳感器通過(guò)諸如 NI SC Express等設(shè)備將測(cè)得的信息反饋給模型。這樣，只需測(cè)試的就只是建筑模型的一部分，而不是整個(gè)建筑機(jī)構(gòu)，可以將測(cè)試的工作量大大降低。此外，結(jié)構(gòu)中的一個(gè)部件可以分離出來(lái)，從而避免對(duì)結(jié)構(gòu)中的其它無(wú)需關(guān)注的部分造成不必要的疲勞損傷。
圖2.一個(gè)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)為執(zhí)行器控制環(huán)路提供加載目標(biāo)，從而為待測(cè)單元?jiǎng)?chuàng)造機(jī)械仿真模型環(huán)境。
HIL測(cè)試應(yīng)用中，仿真是用來(lái)精確地表示電子信號(hào)的交互，而在實(shí)時(shí)機(jī)械仿真中，仿真是用來(lái)表示待測(cè)的機(jī)械組件和仿真的機(jī)械模型（位移、速度、力）之間的物理作用。前者為待測(cè)單元提供一個(gè)電子信號(hào)，表征仿真的系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)；后者則會(huì)通過(guò)模型計(jì)算出一個(gè)力值，并使用一個(gè)閉環(huán)控制算法來(lái)將這一作用力施加在待測(cè)單元上。
圖3. 在此范例中，使用傳感器反饋來(lái)提供機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閉環(huán)控制，將實(shí)時(shí)仿真和待測(cè)物理組件耦合在一起。
HIL測(cè)試應(yīng)用中，仿真是用來(lái)精確地表示電子信號(hào)的交互，而在實(shí)時(shí)機(jī)械仿真中，仿真是用來(lái)表示待測(cè)的機(jī)械組件和仿真的機(jī)械模型（位移、速度、力）之間的物理作用。前者為待測(cè)單元提供一個(gè)電子信號(hào)，表征仿真的系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)；后者則會(huì)通過(guò)模型計(jì)算出一個(gè)力值，并使用一個(gè)閉環(huán)控制算法來(lái)將這一作用力施加在待測(cè)單元上。
– Shea Clymer
Shea Clymer是National Instruments公司結(jié)構(gòu)和物理測(cè)試的產(chǎn)品市場(chǎng)部經(jīng)理，主要負(fù)責(zé)伺服液壓結(jié)構(gòu)測(cè)試領(lǐng)域。在之前的研發(fā)經(jīng)歷中，他參與開發(fā)了PXI Express集成信號(hào)調(diào)理產(chǎn)品中的SC Express產(chǎn)品家族。
– Chris Washington
