La simulación de hardware en el bucle ( HIL ) , o HWIL , es una técnica que se utiliza en el desarrollo y prueba de sistemas embebidos complejos en tiempo real . La simulación HIL proporciona una plataforma eficaz al agregar la complejidad de la planta bajo control a la plataforma de prueba. La complejidad de la planta bajo control se incluye en la prueba y el desarrollo agregando una representación matemática de todos los sistemas dinámicos relacionados . Estas representaciones matemáticas se denominan "simulación de planta". El sistema integrado que se va a probar interactúa con esta simulación de planta.
Cómo funciona HIL
Una simulación HIL debe incluir una emulación eléctrica de sensores y actuadores. Estas emulaciones eléctricas actúan como interfaz entre la simulación de la planta y el sistema integrado bajo prueba. El valor de cada sensor emulado eléctricamente es controlado por la simulación de la planta y es leído por el sistema integrado bajo prueba (retroalimentación). Asimismo, el sistema integrado bajo prueba implementa sus algoritmos de control emitiendo señales de control del actuador. Los cambios en las señales de control dan como resultado cambios en los valores de las variables en la simulación de la planta.
Por ejemplo, una plataforma de simulación HIL para el desarrollo de sistemas de frenos antibloqueo automotrices puede tener representaciones matemáticas para cada uno de los siguientes subsistemas en la simulación de la planta: [1]
- Dinámica del vehículo , como suspensión, ruedas, neumáticos, balanceo, cabeceo y guiñada;
- Dinámica de los componentes hidráulicos del sistema de frenos;
- Características de la carretera.
Usos
En muchos casos, la forma más eficaz de desarrollar un sistema integrado es conectar el sistema integrado a la planta real. En otros casos, la simulación HIL es más eficiente. La métrica de eficiencia de desarrollo y prueba es típicamente una fórmula que incluye los siguientes factores: 1. Costo 2. Duración 3. Seguridad 4. Viabilidad
El costo del enfoque debe ser una medida del costo de todas las herramientas y el esfuerzo. La duración del desarrollo y las pruebas afecta el tiempo de comercialización de un producto planificado. El factor de seguridad y la duración del desarrollo suelen equipararse a una medida de costo. Las condiciones específicas que justifican el uso de la simulación HIL incluyen las siguientes:
- Mejora de la calidad de las pruebas
- Programas de desarrollo ajustados
- Planta de alta tasa de carga
- Proceso temprano de desarrollo del factor humano
Mejora de la calidad de las pruebas
El uso de HIL mejora la calidad de las pruebas al aumentar el alcance de las pruebas. Idealmente, un sistema integrado se probaría con la planta real, pero la mayoría de las veces la planta real impone limitaciones en términos del alcance de la prueba. Por ejemplo, probar una unidad de control de motor como una planta real puede crear las siguientes condiciones peligrosas para el ingeniero de pruebas:
- Prueba en o más allá del rango de ciertos parámetros de la ECU (por ejemplo, parámetros del motor, etc.)
- Prueba y verificación del sistema en condiciones de falla
En los escenarios de prueba mencionados anteriormente, HIL proporciona el control eficiente y el entorno seguro donde el ingeniero de pruebas o aplicaciones puede concentrarse en la funcionalidad del controlador.
Programas de desarrollo ajustados
Los ajustados programas de desarrollo asociados con la mayoría de los nuevos programas automotrices, aeroespaciales y de defensa no permiten que las pruebas de sistemas integrados esperen a que un prototipo esté disponible. De hecho, la mayoría de los nuevos programas de desarrollo asumen que la simulación HIL se utilizará en paralelo con el desarrollo de la planta. Por ejemplo, para cuando un nuevo prototipo de motor de automóvil esté disponible para la prueba del sistema de control, el 95% de las pruebas del controlador del motor se habrán completado utilizando la simulación HIL [ cita requerida ] .
Es incluso más probable que las industrias aeroespacial y de defensa impongan un calendario de desarrollo ajustado. Los programas de desarrollo de aeronaves y vehículos terrestres utilizan simulación de escritorio y HIL para realizar el diseño, la prueba y la integración en paralelo.
Planta de alta tasa de carga
En muchos casos, la planta es más cara que un simulador en tiempo real de alta fidelidad y, por lo tanto, tiene una tasa de carga más alta. Por lo tanto, es más económico desarrollar y probar mientras está conectado a un simulador HIL que la planta real. Para los fabricantes de motores a reacción, la simulación HIL es una parte fundamental del desarrollo de motores. El desarrollo de controladores digitales de motor de autoridad total (FADEC) para motores a reacción de aviones es un ejemplo extremo de una planta de alta tasa de carga. Cada motor a reacción puede costar millones de dólares. Por el contrario, un simulador HIL diseñado para probar la línea completa de motores de un fabricante de motores a reacción puede exigir solo una décima parte del costo de un solo motor.
Proceso temprano de desarrollo de factores humanos.
La simulación HIL es un paso clave en el proceso de desarrollo de factores humanos, un método para garantizar la usabilidad y la consistencia del sistema mediante la ergonomía del software, la investigación y el diseño de factores humanos. En el caso de la tecnología en tiempo real, el desarrollo de factores humanos es la tarea de recopilar datos de usabilidad a partir de pruebas man-in-the-loop para componentes que tendrán una interfaz humana.
Un ejemplo de pruebas de usabilidad es el desarrollo de controles de vuelo fly-by-wire . Los controles de vuelo fly-by-wire eliminan los vínculos mecánicos entre los controles de vuelo y las superficies de control de la aeronave. Los sensores comunican la respuesta de vuelo exigida y luego aplican una retroalimentación de fuerza realista a los controles de vuelo por cable mediante motores. El comportamiento de los controles de vuelo fly-by-wire se define mediante algoritmos de control. Los cambios en los parámetros del algoritmo pueden traducirse en más o menos respuesta de vuelo a partir de una entrada de control de vuelo determinada. Asimismo, los cambios en los parámetros del algoritmo también pueden traducirse en más o menos retroalimentación de fuerza para una determinada entrada de control de vuelo. Los valores "correctos" de los parámetros son una medida subjetiva. Por lo tanto, es importante obtener información de numerosas pruebas man-in-the-loop para obtener valores de parámetros óptimos.
En el caso del desarrollo de controles de vuelo fly-by-wire, la simulación HIL se utiliza para simular factores humanos. El simulador de vuelo incluye simulaciones de planta de aerodinámica, empuje del motor, condiciones ambientales, dinámica de control de vuelo y más. Los controles de vuelo prototipo fly-by-wire están conectados al simulador y los pilotos de prueba evalúan el rendimiento del vuelo dados varios parámetros de algoritmo.
La alternativa a la simulación HIL para los factores humanos y el desarrollo de la usabilidad es colocar controles de vuelo de prototipos en los primeros prototipos de aeronaves y probar la usabilidad durante la prueba de vuelo . Este enfoque falla al medir las cuatro condiciones enumeradas anteriormente. Costo: una prueba de vuelo es extremadamente costosa y, por lo tanto, el objetivo es minimizar cualquier desarrollo que ocurra con la prueba de vuelo. Duración: El desarrollo de controles de vuelo con prueba de vuelo extenderá la duración de un programa de desarrollo de aeronaves. Utilizando la simulación HIL, los controles de vuelo pueden desarrollarse mucho antes de que esté disponible una aeronave real. Seguridad: el uso de pruebas de vuelo para el desarrollo de componentes críticos como los controles de vuelo tiene una implicación importante en la seguridad. Si hubiera errores en el diseño de los controles de vuelo del prototipo, el resultado podría ser un aterrizaje forzoso. Viabilidad: Puede que no sea posible explorar ciertos tiempos críticos (por ejemplo, secuencias de acciones del usuario con precisión de milisegundos) con usuarios reales que operan una planta. Del mismo modo, para puntos problemáticos en el espacio de parámetros que pueden no ser fácilmente accesibles con una planta real, pero deben probarse con el hardware en cuestión.
Uso en varias disciplinas.
Sistemas automotrices
En el contexto de las aplicaciones automotrices, "los sistemas de simulación de hardware en el circuito proporcionan un vehículo virtual para la validación y verificación de sistemas". [2] Dado que las pruebas de conducción en vehículos para evaluar el rendimiento y las funciones de diagnóstico de los sistemas de gestión del motor a menudo requieren mucho tiempo, son caras y no se pueden reproducir, los simuladores HIL permiten a los desarrolladores validar nuevas soluciones de hardware y software para la automoción, respetando los requisitos de calidad y el tiempo de ejecución. -restricciones de mercado . En un simulador de HIL típico, un procesador dedicado en tiempo real ejecuta modelos matemáticos que emulan la dinámica del motor. Además, una unidad de E / S permite la conexión de sensores y actuadores del vehículo (que suelen presentar un alto grado de no linealidad). Finalmente, la Unidad de Control Electrónico (ECU) bajo prueba es conectada al sistema y estimulada por un conjunto de maniobras del vehículo ejecutadas por el simulador. En este punto, la simulación HIL también ofrece un alto grado de repetibilidad durante la fase de prueba.
En la literatura, se informan varias aplicaciones específicas de HIL y se construyeron simuladores HIL simplificados de acuerdo con algún propósito específico. [1] [3] [4] Cuando se prueba una nueva versión de software de la ECU, por ejemplo, se pueden realizar experimentos en bucle abierto y, por lo tanto, ya no se requieren varios modelos dinámicos de motor. La estrategia se limita al análisis de las salidas de la ECU cuando se excitan mediante entradas controladas. En este caso, un sistema Micro HIL (MHIL) ofrece una solución más sencilla y económica. [5] Dado que se elimina la complejidad del procesamiento de los modelos, un sistema HIL de tamaño completo se reduce a un dispositivo portátil compuesto por un generador de señales, una placa de E / S y una consola que contiene los actuadores (cargas externas) que se conectarán a la ECU.
Radar
La simulación HIL para sistemas de radar ha evolucionado a partir de la interferencia de radar. Los sistemas de memoria de radiofrecuencia digital (DRFM) se utilizan normalmente para crear objetivos falsos para confundir al radar en el campo de batalla, pero estos mismos sistemas pueden simular un objetivo en el laboratorio. Esta configuración permite la prueba y evaluación del sistema de radar, reduciendo la necesidad de pruebas de vuelo (para sistemas de radar aerotransportados) y pruebas de campo (para radares de búsqueda o seguimiento), y puede dar una indicación temprana de la susceptibilidad del radar a la electrónica. técnicas de guerra (EW).
Robótica
Las técnicas de simulación HIL se han aplicado recientemente a la generación automática de controladores complejos para robots. Un robot usa su propio hardware real para extraer datos de sensaciones y actuación, luego usa estos datos para inferir una simulación física (auto-modelo) que contiene aspectos como su propia morfología, así como características del entorno. En este contexto, se han propuesto algoritmos como Back-to-Reality [6] (BTR) y Estimation Exploration [7] (EEA).
Sistemas de poder
En los últimos años, HIL para sistemas de energía se ha utilizado para verificar la estabilidad, operación y tolerancia a fallas de redes eléctricas a gran escala . Las plataformas de procesamiento en tiempo real de la generación actual tienen la capacidad de modelar sistemas de energía a gran escala en tiempo real. Esto incluye sistemas con más de 10,000 buses con generadores asociados, cargas, dispositivos de corrección del factor de potencia e interconexiones de red. [8] Estos tipos de plataformas de simulación permiten la evaluación y prueba de sistemas de energía a gran escala en un entorno emulado realista. Además, HIL para sistemas de energía se ha utilizado para investigar la integración de recursos distribuidos, sistemas SCADA de próxima generación y unidades de administración de energía , y dispositivos compensadores síncronos estáticos . [9]
Sistemas costa afuera
En la ingeniería marina y en alta mar, los sistemas de control y las estructuras mecánicas generalmente se diseñan en paralelo. La prueba de los sistemas de control solo es posible después de la integración. Como resultado, se encuentran muchos errores que deben resolverse durante la puesta en servicio, con el riesgo de lesiones personales, daños en el equipo y retrasos. Para reducir estos errores, la simulación HIL está ganando una atención generalizada. [10] Esto se refleja en la adopción de la simulación HIL en las reglas de Det Norske Veritas . [11]
Referencias
- ^ a b T. Hwang, J. Rohl, K. Park, J. Hwang, KH Lee, K. Lee, S.-J. Lee y Y.-J. Kim, "Desarrollo de sistemas HIL para sistemas de control de frenos activos", Conferencia conjunta internacional SICE-ICASE , 2006.
- ^ S.Raman, N. Sivashankar, W. Milam, W. Stuart y S. Nabi, "Diseño e implementación de simuladores HIL para el desarrollo de software del sistema de control del tren motriz", Actas de la American Control Conference , 1999.
- ^ A. Cebi, L. Guvenc, M. Demirci, C. Karadeniz, K. Kanar y E. Guraslan, "Un sistema de prueba de hardware en el bucle de unidad de control electrónico de motor portátil de bajo costo", Actas de la Simposio internacional de IEEE sobre electrónica industrial , 2005.
- ^ J. Du, Y. Wang, C. Yang y H. Wang, "Enfoque de simulación de hardware en el bucle para probar el controlador del sistema de turbocompresor secuencial", Actas de la Conferencia Internacional IEEE sobre Automatización y Logística , 2007.
- ^ A. Palladino, G. Fiengo, F. Giovagnini y D. Lanzo, "A Micro Hardware-In-the-Loop Test System", IEEE European Control Conference , 2009.
- ^ Zagal, JC, Ruiz-del-Solar, J., Vallejos, P. (2004) Regreso a la realidad: cruzando la brecha de la realidad en la robótica evolutiva. En IAV 2004: Actas del 5to Simposio de IFAC sobre vehículos autónomos inteligentes, Elsevier Science Publishers BV
- ^ Bongard, JC, Lipson, H. (2004) "Una vez más hacia la brecha: ajuste automático de la simulación de robot utilizando un algoritmo evolutivo inverso", Actas de la Novena Int. Jornada de Vida Artificial (ALIFE IX)
- ^ "Simulador de estabilidad transitoria en tiempo real ePHASORsim" (PDF) . Consultado el 23 de noviembre de 2013 .
- ^ Al-Hammouri, AT; Nordstrom, L .; Chenine, M .; Vanfretti, L .; Honeth, N .; Leelaruji, R. (22 de julio de 2012). "Virtualización de unidades de medida fasoriales sincronizadas dentro de simuladores en tiempo real para aplicaciones de redes inteligentes" . Junta General de la Sociedad de Energía y Energía, 2012 IEEE : 1–7. doi : 10.1109 / PESGM.2012.6344949 . ISBN 978-1-4673-2729-9. S2CID 10605905 .
- ^ Johansen, TA; Fossen, TI; Vik, B. (2005). Pruebas de hardware en el bucle de sistemas DP . Conferencia de DP. Houston.
- ^ DNV. Reglas para la clasificación de buques, Parte 7 Cap. 1 Sec. 7 I. Verificación mejorada del sistema - SiO, 2010
enlaces externos
- Introducción a la simulación de hardware en el bucle .