Hardware-in-the-loop là gì?

Tổng Quan

Hardware-in-the-loop (HIL) là một loại mô phỏng thời gian thực sử dụng phần cứng để mô phỏng vòng điều khiển. Sử dụng mô phỏng HIL để thử nghiệm thiết kế bộ điều khiển. Mô phỏng HIL cho thấy đáp ứng của bộ điều khiển, trong thời gian thực, với các kích thích ảo thực tế. Bạn cũng có thể sử dụng HIL để xác định xem mô hình hệ thống vật lý (nhà máy) của bạn có hợp lệ không.

Trong mô phỏng HIL, bạn sử dụng máy tính thời gian thực làm đại diện ảo cho mô hình nhà máy và phiên bản thực của bộ điều khiển của bạn. Hình vẽ cho thấy một thiết lập mô phỏng HIL điển hình. Máy tính để bàn (phần cứng phát triển) chứa mô hình có khả năng thời gian thực của bộ điều khiển và nhà máy. Phần cứng phát triển cũng chứa một giao diện để điều khiển đầu vào ảo cho nhà máy. Phần cứng bộ điều khiển chứa phần mềm điều khiển được tạo từ mô hình bộ điều khiển. Bộ xử lý thời gian thực (phần cứng đích) chứa mã cho hệ thống vật lý được tạo từ mô hình nhà máy.

HIL hoạt động như thế nào?

Một mô phỏng HIL phải bao gồm mô phỏng điện của các cảm biến và cơ cấu chấp hành. Các mô phỏng điện này hoạt động như giao diện giữa mô phỏng thiết bị và hệ thống nhúng được thử nghiệm. Giá trị của mỗi cảm biến mô phỏng điện được điều khiển bởi mô phỏng thiết bị và được đọc bởi hệ thống nhúng được thử nghiệm (phản hồi). Tương tự, hệ thống nhúng được thử nghiệm thực hiện các thuật toán điều khiển của nó bằng cách xuất ra các tín hiệu điều khiển bộ truyền động. Thay đổi tín hiệu điều khiển dẫn đến thay đổi giá trị biến trong mô phỏng thiết bị.

Ví dụ, một nền tảng mô phỏng HIL để phát triển hệ thống chống bó cứng ô tô có thể có các biểu diễn toán học cho từng hệ thống con sau trong mô phỏng thiết bị

  • Động lực học của xe, chẳng hạn như hệ thống treo, bánh xe, lốp xe, cuộn, độ dốc và trệch;
  • Động lực học của hệ thống phanh Linh kiện thủy lực;
  • Đặc điểm đường.

Sử dụng

Trong nhiều trường hợp, cách hiệu quả nhất để phát triển hệ thống nhúng là kết nối hệ thống nhúng với nhà máy thực. Trong các trường hợp khác, mô phỏng HIL hiệu quả hơn. Chỉ số phát triển và hiệu quả thử nghiệm thường là một công thức bao gồm các yếu tố sau:

1. Chi phí
2. Thời lượng
3. An toàn
4. Tính khả thi

Chi phí của phương pháp nên được đo lường bằng chi phí của tất cả các công cụ và nỗ lực. Thời gian phát triển và thử nghiệm ảnh hưởng đến thời gian đưa ra thị trường cho một sản phẩm theo kế hoạch. Hệ số an toàn và thời gian phát triển thường tương đương với thước đo chi phí. Các điều kiện cụ thể đảm bảo việc sử dụng mô phỏng HIL bao gồm:

  • Nâng cao chất lượng kiểm tra
  • Lịch trình phát triển chặt chẽ
  • Nhà máy có gánh nặng cao
  • Phát triển yếu tố con người sớm

Nâng cao chất lượng kiểm tra

Việc sử dụng HiLs giúp tăng cường chất lượng thử nghiệm bằng cách tăng phạm vi thử nghiệm. Lý tưởng nhất, một hệ thống nhúng sẽ được thử nghiệm đối với nhà máy thực, nhưng hầu hết thời gian, nhà máy thực sự tự đặt ra những hạn chế về phạm vi thử nghiệm. Ví dụ: thử nghiệm bộ điều khiển động cơ như một nhà máy thực sự có thể tạo ra các điều kiện nguy hiểm sau đây cho kỹ sư kiểm tra:

  • Kiểm tra tại hoặc vượt quá phạm vi của các tham số ECU nhất định (ví dụ: Thông số động cơ, v.v.)
  • Kiểm tra và xác minh hệ thống ở điều kiện lỗi
  • Trong các kịch bản thử nghiệm được đề cập ở trên, HIL cung cấp điều khiển hiệu quả và môi trường an toàn nơi kỹ sư kiểm tra hoặc ứng dụng có thể tập trung vào chức năng của bộ điều khiển.

Lịch trình phát triển chặt chẽ

Lịch trình phát triển chặt chẽ liên quan đến hầu hết các chương trình ô tô, hàng không vũ trụ và quốc phòng mới không cho phép thử nghiệm hệ thống nhúng để chờ đợi một nguyên mẫu có sẵn. Trên thực tế, hầu hết các lịch trình phát triển mới đều cho rằng mô phỏng HIL sẽ được sử dụng song song với sự phát triển của nhà máy. Ví dụ, vào thời điểm một nguyên mẫu động cơ ô tô mới được cung cấp để thử nghiệm hệ thống điều khiển, 95% thử nghiệm bộ điều khiển động cơ sẽ được hoàn thành bằng mô phỏng HIL [cần dẫn nguồn].

Các ngành công nghiệp hàng không vũ trụ và quốc phòng thậm chí có nhiều khả năng áp đặt một lịch trình phát triển chặt chẽ. Các chương trình phát triển máy bay và phương tiện mặt đất đang sử dụng mô phỏng máy tính để bàn và HIL để thực hiện thiết kế, thử nghiệm và tích hợp song song.

Mô phỏng Hardware-in-the-Loop

Mô phỏng Hardware-in-the-loop (HIL) được đặc trưng bởi việc vận hành các thành phần thực kết hợp với các thành phần mô phỏng theo thời gian thực. Thường, phần cứng và phần mềm của hệ điều khiển là hệ thống thực như được dùng trong dây chuyền sản xuất. Quá trình được điều khiển (bao gồm các cơ cấu chấp hành, các quá trình vật lý và các cảm biến) có thể bao gồm cả các thành phần được mô phỏng hoặc các thành phần thực, như thấy ở hình 3(a). Nói chung, thường kết hợp thực hiện các trường hợp nêu trên. Thông thường, một số cơ cấu chấp hành là thực còn quá trình và các bộ cảm biến chỉ là mô phỏng. Lý do là cơ cấu chấp hành và phần cứng điều khiển thường là một hệ thống tích hợp con hoặc do cơ cấu chấp hành rất khó được mô hình hoá chính xác và mô phỏng trong khoảng thời gian thực. (Để kết hợp sử dụng các cảm biến thực cùng với


HÌNH 1: Phân loại của các phương pháp mô phỏng theo tốc độ và các ví dụ ứng dụng


HÌNH 2: Phân loại mô phỏng thời gian thực

Quá trình mô phỏng đòi hỏi phải cố gắng thực sự bởi đầu vào cảm biến vật lý không tồn tại mà phải được tạo ra một cách nhân tạo). Để thay đổi hoặc tái thiết kế một số chức năng của phần cứng hoặc phần mềm điều khiển, thiết bị phân dòng có thể được nối với phần cứng điều khiển cơ bản. Do vậy các bộ mô phỏng hardware-in-the-loop cũng bao gồm các chức năng điều khiển được mô phỏng riêng.

Nói chung, những ưu điểm của mô phỏng hardware-in-the-loop là:

  • Thiết kế và thử nghiệm phần cứng, phần mềm điều khiển mà không cần vận hành một quá trình thực nào (“chuyển lĩnh vực xử lý vào phòng thí nghiệm”);
  • Thử nghiệm phần cứng và phần mềm điều khiển ở điều kiện môi trường tới hạn trong phòng thí nghiệm (ví dụ, nhiệt độ cao/thấp, gia tốc lớn và các cú sốc cơ học, thiết bị kích thích, tính tương thích điện từ);
  • Thử nghiệm các tác động của lỗi và tình trạng không mong đợi của cơ cấu chấp hành, cảm biến và máy tính trên toàn bộ hệ thống;
  • Vận hành và thử nghiệm các điều kiện vận hành tới hạn và nguy hiểm;
  • Các thử nghiệm có thể lặp lại thường xuyên ;
  • Vận hành dễ dàng với các giao diện người-máy khác nhau (bộ điều khiển cho buồng tập lái máy bay); và
  • Tiết kiệm chi phí và thời gian.

HÌNH 3: Mô phỏng thời gian thực:
Cấu trúc lai. (a) Mô phỏng Hardware-in-the-loop; (b) tạo mẫu điều khiển

Một thử thách tiếp cận dựa trên nền tảng

ADT cung cấp giải pháp phần cứng và phần mềm toàn diện giúp bạn bắt đầu nhanh chóng với phần mềm dựa trên cấu hình và I/O mô-đun. Thay vì sử dụng một giải pháp chung với các tính năng và I/O tốn kém không liên quan đến thử nghiệm của bạn, các giải pháp ADT được điều chỉnh theo ứng dụng cụ thể của bạn. Bạn có quyền tự do tùy chỉnh phần cứng và phần mềm để giải thích các tín hiệu không chuẩn và mở rộng số lượng I/O khi cần.

Nguồn: wikipedia, Linhkienbandan.com

This post is also available in: enEnglish

Chia sẻ bài đăng này



Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *