Hardware in the loop

De Viquipèdia
Salta a la navegació Salta a la cerca

Hardware-in-the-loop abreujat HiL és una tècnica de simulació que s'utilitza en el desenvolupament i prova de sistemes integrats complexos de temps real. Simulació HiL proporciona una plataforma efectiva mitjançant l'addició de la complexitat de la planta sota control a la plataforma de prova. La complexitat de la planta sota control s'inclou en la prova i el desenvolupament mitjançant l'addició d'una representació matemàtica de tots els sistemes relacionats amb la dinàmica. Aquestes representacions matemàtiques es coneixen com la "simulació de la planta".

Per què s'utilitza un HIL simulador?[modifica]

En molts casos, la manera més eficaç de desenvolupar-se un sistema arrelat ha de connectar el sistema arrelat a la planta real. En uns altres casos, la simulació HIL és més eficaç. La mètrica d'eficiència de desenvolupament i prova és típicament una fórmula que inclou els factors següents: 1. Cost 2. Duració 3. Seguretat 4. Viabilitat.

El cost de l'aproximat serà una mesura del cost de totes les eines i esforç. La duració del desenvolupament i prova afecta al temps de mercat per a un producte planejat. El factor de seguretat i duració s'equiparen típicament a una mesura de cost. Les condicions específiques que garanteixen l'ús de simulació HIL inclouen el seguir: - Plans de desenvolupament hermètics - Planta alta-càrrega - Primer desenvolupament de factors humans de procés

Funcionament[modifica]

La simulació hardware-in-the-loop ha d'incloure la simulació elèctrica de sensors i actuadors. Aquestes simulacions serveixen d'interfície entre el model de planta i el sistema integrat sota testeig. El valor de cada sensor està controlat pel model de planta i és llegit pel sistema incrustat. De la mateixa manera, el sistema incrustat sota testeig exercita el seu algorisme de control per mitjà dels senyals dels actuadors. Igualment, canvis en els senyals de control provoquen canvis en els valors de les variables en el model de simulació de planta. Per exemple, un sistema HIL de simulació per a desenvolupament de sistema antibloqueig de frens (ABS) pot incloure la representació matemàtica dels següents subsistemes en el model de planta:

  • Elements del xassís com la suspensió, rodes, pneumàtics, alabeig, ullet i capcineig.
  • Característiques de la via per la qual es desplaça el vehicle.
  • Dinàmica del circuit hidràulic de fre.

A més, la simulació maquinari-in-the-loop ha de proveir una interfície de comunicació amb els sistemes de bus de dades. Per exemple, en el cas de l'automoció s'ha de proporcionar la corresponent topologia de bus (CAN, LIN, FlexRay, MOST, etc.).


Millora de la qualitat de les proves[modifica]

L'ús de Hils millora la qualitat de la prova, augmentant l'abast de les proves. Una condició ideal per provar el sistema encastat és provar contra la planta real, però la major part de la planta en temps real s'auto imposa limitacions quant a l'abast de les proves. per exemple, en el cas de la unitat de control del motor següents condicions pot donar lloc a condició de prova perillós per a l'enginyer de proves

- Prova en o més enllà del rang dels paràmetres d'ecus determinat (per exemple, els paràmetres del motor, etc.)
- Proves i verificació del sistema en condicions d'error

en escenaris de prova abans esmentats Hils proporciona el control eficient i el medi ambient segur en l'enginyer de proves o l'aplicació pot centrar-se en la funcionalitat del controlador.

Motiu[modifica]

En molts casos, la forma més efectiva de desenvolupar sistemes incrustats és connectar-los a la planta real. En altres paraules, connectar una centraleta de motor (sistema incrustat) a un motor real (planta real). En altres cas, la simulació HIL és més eficient. El barem que determina d'utilitzar depèn entre altres factors del cost, la durada i de la seguretat. El cost donarà una mesura del cost total de totes les eines i l'esforç requerit. La durada del desenvolupament i testeig determinarà el temps de cicle de producte fins a la seva comercialització. El factor de seguretat i durada estan supeditats al cost econòmic. Així doncs, l'ús de HiLs millora l'abast d'encert dels testos, ja que són més segurs. Una condició ideal per provar el sistema encastat és comparar-lo amb la planta real però aquests tipus de testos poden ser perillosos en alguns casos. Per exemple, en el cas de la unitat de control d'un motor, les proves del sistema en condicions d'error poden donar lloc a situacions de perill per a l'enginyer de proves. En aquests escenaris de prova, HiLs proporciona un control eficient i un lloc segur on l'enginyer de proves i l'aplicacins pot centrar-se en la funcionalitat del controlador. Les condicions en què l'ús de simulació maquinari-in-the-loop és adequat inclouen:

Curts cicles de desenvolupament de programari[modifica]

La planificació de cicles curts de desenvolupament associats a la majoria de projectes en la indústria automotriu, aeroespacial i en programes de defensa no permeten esperar a la disponibilitat del primer prototip per provar del sistema incrustat. És més, en la major part de les planificacions de projecte s'assumeix que la simulació maquinari-in-the-loop s'utilitzarà en paral·lel amb el desenvolupament de la planta. Per exemple, en el moment en què el primer prototip de motor està disponible per a testeig, el 95% del testeig de la centraleta de motor ha estat completat a través de simulació maquinari-in-the-loop. Els cicles de desenvolupament més curts es donen en la indústria aeroespacial i defensa. Programes de desenvolupament d'avions i vehicles militars fan servir en paral·lel PC i HIL simulació per millorar el disseny, testeig i integració.

Model de planta fiable i econòmic[modifica]

En molts casos, la planta és més costosa que un simulador fiable en temps real i per això és més recomanable la seva simulació. Per tant, és més econòmic el desenvolupament i testeig connectat a un simulador HIL que a la planta real. Per fabricants de motors, la simulació HIL és part fonamental del cicle de desenvolupament del motor. El desenvolupament de centraletes digitals per a control de motors d'avions és un exemple de reducció de costos a través de simulació HIL. Cada motor pot costar milions d'euros. Per contra, l'ús de simuladors HIL pot reduir a una desena part aquest cost.

Desenvolupament de la interacció usuari-sistema de control[modifica]

La simulació HIL és un pas clau en el procés d'anàlisi de la interacció de l'entorn HIL amb l'usuari, assegurant la consistència del sistema optimitzant l'ergonomia del programari. La tasca de la tecnologia en temps real és prendre dades d'usuaris per testeig de components que tindran una interfície humana. L'alternativa a aquest cas seria l'ús d'un model d'usuari (per exemple, un model de conductor en el cas d'un entorn HIL de vehicle complet).

Possibilitat d'automatització[modifica]

L'entorn HIL és automatitzar. És a dir, el testeig es pot dur a terme sense la presència d'un usuari com seria el cas si el model de planta fora del component real. Per això, el testeig en entorns HIL és consistent, ràpid i eficient. Actualment hi ha diversos sistemes automatitzats amb aquest sistema. El gran avantatge és que podem tenir diverses tasques funcionant al mateix moment i de manera paral·lela. Val a dir també que s'usen diàriament com per exempre en les finestres i icones.

Principis de procés de desenvolupament dels factors humans[modifica]

La simulació del LIS és un pas clau en el procés de desenvolupament dels factors humans. Suposa una forma de garantir la usabilitat i la coherència del sistema mitjançant ergonomia, factors humans de recerca i disseny. Gràcies a la tecnologia de temps real, el factor de desenvolupament humà és la tasca de recopilació de dades d'usabilitat de l'home-en-el-bucle de la prova per als components que tindrà una interfície humana.

Un exemple de les proves d'usabilitat és el desenvolupament de control per senyals elèctrics. Fly-by-wire els controls de vol eliminar els enllaços mecànics entre els controls de vol i el control de les superfícies de les aeronaus. Sensors de comunicar la resposta de vol exigit i després aplicar la força de resposta realista a la "fly-by-wire motors que utilitzen. El comportament de fly-by-wire controls de vol es defineix per algorismes de control. Els canvis en els paràmetres d'algorisme es pot traduir en la resposta de vol més o menys d'una determinada entrada de control de vol. Així mateix, els canvis en els paràmetres de l'algorisme també es pot traduir en la força de resposta més o menys per a una determinada entrada de control de vol. La "correcta" valors dels paràmetres són una mesura subjectiva. Per tant, és important per aconseguir l'aportació de nombrosos home-en-el-proves de bucle per obtenir els valors dels paràmetres òptims.

En el cas de fly-by-wire de vol de desenvolupament, simulació HIL s'utilitza per simular els factors humans. El simulador de vol inclou simulacions de plantes de l'aerodinàmica, l'empenta del motor, les condicions ambientals, la dinàmica de control de vol i més. Prototipus de volar pels controls de vol cable està connectat al simulador dels pilots de proves i avaluar el rendiment de vol determinat diversos paràmetres de l'algorisme.

L'alternativa a la LIS de simulació per als factors humans i el desenvolupament d'usabilitat és posar els controls de vol del prototip en les primeres aeronaus i prototips de prova per a ús durant la prova de vol. Aquest enfocament falla quan mesuring les tres condicions esmentades anteriorment. Cost: Una prova de vol és extremadament costós i per tant l'objectiu és reduir al mínim qualsevol desenvolupament que passa amb la prova de vol. Durada: El desenvolupament dels controls de vol, amb vol de prova s'estendrà la durada d'un programa de desenvolupament d'aeronaus. La simulació amb el LIS, els controls de vol podrà ser desenvolupada molt abans que un avió real disponible. Seguretat: Ús de proves de vol per al desenvolupament dels components crítics, com ara els controls de vol té una implicació major seguretat. En cas d'errors presents en el disseny dels controls de vol del prototip, el resultat podria ser un aterratge d'emergència.

Hardware-in-the-Loop de simulació (LIS) és una tècnica que s'utilitza cada vegada més en el desenvolupament i prova de complexos en temps real de sistemes embeguts. L'objectiu de la simulació del LIS és proporcionar una plataforma eficaç per al desenvolupament i proves en temps real de sistemes embeguts. La Simulació HIL proporciona una plataforma efectiva mitjançant l'addició de la complexitat de la planta sota control a la plataforma de prova.

HIL en Sistemes d'Automoció[modifica]

En el context d'aplicacions d'automoció sistemes HIL de simulació, proporcionen a un vehicle virtual una eina de validació i verificació. Com en els exàmens de conducció de vehicles per avaluar el comportament i diagnosticar funcionalitats de sistemes de gestió del motor són sovint lents, cars i no reproduïbles, els simuladors HIL permeten als desenvolupadors validar el nou maquinari i solucions de programari d'automoció, que respecti les exigències de qualitat i restriccions de temps de sortida al mercat. En un típic simulador HIL, la dinàmica del motor és emulada a partir de models matemàtics i executada per un processador dedicat en temps real. A més, una unitat d'entrada / sortida permet la connexió de sensors i actuadors del vehicle (que solen presentar un alt grau de no linealitat). Finalment, la Unitat de Control Electrònica (ECU) sota prova és connectat al sistema i estimulat per una sèrie de maniobres del vehicles realitzades pel simulador. En aquest punt, la simulació HIL també ofereix un alt grau de repetibilitat durant la fase de prova.

En els llibres, certes aplicacions específiques HIL són explicades i simplifiquen els simuladors HIL que es van construir d'acord amb algun propòsit específic. Quan es prova una nova versió de programari d'ECU, per exemple, els experiments es poden realitzar en llaç obert i per tant a diversos motor dels models dinàmics ja no són necessaris. L'estratègia es limita a l'anàlisi dels resultats d'ECUs quan està excitat per les entrades. En aquest cas, un sistema de MicroHIL (MHIL) ofereix una solució més simple i més econòmica. Des de la complexitat dels models de processament és un objecte petit, un sistema HIL es redueix a la mida d'un dispositiu portàtil compost d'un generador de senyal, una E / S, i una consola que conté els actuadors per a ser connectat a la centraleta.

HIL en robòtica[modifica]

Tècniques de simulació HIL s'han vingut aplicant a la generació automàtica de control d'elements complexos per als robots. Un robot utilitza el seu propi maquinari real per extreure les dades de la sensació i l'actuació, a continuació, utilitza aquestes dades per a inferir una simulació física (auto-model) que conté aspectes com la seva pròpia morfologia, així com les característiques del medi ambient.

HIL en electrònica de potència[modifica]

La simulació de hardware-in-the-Loop per sistemes d'electrònica de potència és el següent salt quàntic en l'evolució de les tecnologies de HIL. La capacitat de dissenyar i automàticament provar sistemes electrònics de potència amb simulacions HIL, permet reduir el cicle de desenvolupament, augmentar l'eficiència, millorar la fiabilitat i seguretat d'aquests sistemes per a un gran nombre d'aplicacions.

Tres raons de pes per l'ús de la simulació HIL:

  • Reducció del cicle de desenvolupament.
  • La demanda de provar a fons el control de maquinari i programari per tal de complir amb els requisits de seguretat i qualitat.
  • Necessitat d'evitar fracassos costosos i perillosos.

La pregunta és: per què són tan diferents els sistemes d'electrònica de potència, quan es té en compte que el HIL s'ha utilitzat en aplicacions aeroespacials i d'automoció durant dècades els sistemes? Els sistemes d'energia de potència són una classe de sistemes dinàmics molt ràpids a causa de l'acció d'alta freqüència de commutació dels "interruptors" de l'electrònica de potència (per exemple, IGBT, MOSFET, IGCT, díodes, etc.). Simulacions en temps real de les transicions de commutació requereixen velocitats de processador digital i latències que no poden ser satisfetes amb els sistemes informàtics disponibles en el mercat, ni tan sols amb els processadors més ràpids, motiu pel qual és molt difícil d'aconseguir HILs d'alta resolució per a l'electrònica de potència.

Exemples reals[modifica]

Seat va desenvolupar HIL, el nou sistema de simulació de ECUs: HIl és un simulador de comportament electronic de les centraletes desenvolupades per Seat, que simula a la perfecció cada àpex electrònic, especialment el comportament del control d'estabilitat (ESP).

Objectius en temps real, I/O[modifica]

La majoria d'usos de sistemes de Hardware-In-the-Loop incrustaven ordinadors per detenir els models en temps real. La raó per a això és desacoblar la computació en temps real del sistema de Hardware-In-the-Loop des del PC amfitrió. El PC amb un sistema operatiu de MS-Windows® no és en temps real. Hi ha alguns venedors de Hardware-In-the-Loop que utilitzen maquinari de PC per a la plataforma run-time i acompleixen això executant un sistema operatiu en temps real de PC (RTOS) com QNX®. Els ordinadors incrustats, àlies els objectius es comuniquen amb l'un a l'altre i l'I/O del sistema mitjançant un bús de dades. Aquest bús pot ser VME, PCI, PXI, o patentat. Per a l'I/O analògic, s'utilitzen amplificadors operacionals.

Enllaços externs[modifica]

A continuació tenim uns enllaços que ens poden anar molt bé a l'hora de visualitzar i entendre correctament l'explicació.