Программно-аппаратное моделирование
Программно-аппаратное моделирование (ПАМ) представляет собой метод, который используется в разработке и испытании сложных встроенных систем реального времени. ПАМ обеспечивает эффективную платформу, при помощи добавления сложной системы управления для тестирования платформы. Сложная система управления присутствует на этапе тестирования и разработки, так как добавлено математическое представление всех связанных динамических систем. Это математическое представление называют «Программное моделирование». Встроенная система взаимодействует с этим программным моделированием и позволяет тестировать ее.
Как ПАМ работает[править]
ПАМ включает в себя электрически эмулируемые датчики и приводы. Они выступают в качестве интерфейса между инструментом моделирования и встроенной тестируемой системой. Значение каждого датчика контролируется программной средой и считывается тестируемой системой. Также, встроенная тестируемая система осуществляет свои алгоритмы с помощью сигналов, подаваемых на привод. Изменения в этих сигналах приведут к изменениям в значениях нашей программной среды.
Например, ПАМ может быть использовано в разработки автомобильной АБС, которая может иметь математическое представление для каждой подсистемы:
- Динамика автомобиля, например подвеска, колесные диски, шины, крен, передачи и рыскание;
- Динамика гидравлических компонентов тормозной системы;
- Дорожные характеристики
Почему следует использовать Программно-аппаратное моделирование?[править]
Во многих случаях, самым эффективным способом разработки встроенной системы является подключение ее к реальной модели. В остальных случаях, ПАМ будет более эффективным. Метрика разработки и эффективность тестирования зависит от следующих факторов:
- Стоимость
- Срок действия
- Безопасность
- Выполнимость
Стоимость подхода должна регулироваться стоимостью всех инструментов и усилий. Продолжительность разработки и тестирования влияет на время выхода продукта. Коэффициент безопасности и продолжительность разработки напрямую влияют на стоимость продукта. Целесообразно использовать ПАМ, когда нам нужно повысить качество тестирования, уменьшить влияние человеческого фактора, мы имеем плотный график разработки или высокая стоимость на реальные испытания.
Повышение качества тестирования[править]
Использование ПАМ повышает качество тестирования, увеличивая объем тестируемых процессов. В идеале, встроенная система будет тестироваться реальными процессами, которые, как правило, сами накладывают ограничения в плане объёма тестируемых данных. Например, тестирование блока управления двигателем, как настоящий процесс может создать следующие опасные условия для инженера-испытателя:
- Тестирование на уровне или за пределами диапазона определенных параметров ECU (параметры двигателя и т. д.)
- Тестирование и проверка системы при условиях сбоя
В вышеупомянутых испытаниях, ПАМ обеспечивает эффективный контроль и безопасную среду, где инженер-испытатель или приложение может сосредоточиться на функциональности устройства.
Плотный график разработки[править]
Плотный график разработки, связанный с большинством новых автомобильных, аэрокосмических и оборонных программ не позволяет встроенным программам ожидать появления прототипов. На самом деле предполагается, что ПАМ будет использоваться параллельно с развитием процессов. Например, к тому времени когда новый прототип автомобильного двигателя будет доступен для тестирования системы управления, 95 % тестирования устройства будет завершено с помощью ПАМ. Аэрокосмическая и оборонная промышленности, еще больше заинтересованы в плотном графике. Программы развития самолетов и наземных транспортных средств используют настольные приложения и ПАМ для проектирования дизайна, тестирования и интеграции параллельно.
Высокая стоимость на реальные испытания[править]
Во многих случаях реальные испытания стоят дороже высококачественного воспроизведения процесса в режиме реального времени. Таким образом, более экономично для разработки и тестирования-подключение к ПА симулятору, чем реальные испытания процесса. Для производителей реактивных двигателей, ПАМ является фундаментальной частью развития двигателя. Развитие Электронно-цифровой системы управления двигателем (ЭСУД) для реактивных двигателей самолетов является ярким примером большой экономии при использовании ПАМ, так как каждый реактивный двигатель может стоить миллионы долларов. В противовес этому, симулятор ПАМ предназначен для проверки полной линейки реактивных двигателей производителя, и может потребовать лишь десятую часть стоимости одного двигателя.
Проработка процессов под человека[править]
Моделирование ПАМ — ключевой шаг в процессе обработки человеческих факторов, метода обеспечивающего удобство пользования и эргономики программного обеспечения. Для технологии в реальном времени разработка человеческих факторов — задача сбора данных об удобстве пользования для человека, в процессе тестирования будущего интерфейса.
Пример тестирования удобства пользования — разработка дистанционных средств управления полетом. Дистанционные средства управления полетом устраняют механические связи между средствами управления и приборами регулирования самолета. Датчики получают данные в реальном времени о настоящих параметрах и затем регулируют их до заданных, используя двигатели, дистанционно. Поведение ЭДСУ полетом определено алгоритмами управления. Изменения в параметрах алгоритма могут привести к большим или незначительным изменениям параметров полета, чем тем что ожидались при введении данных. Аналогично, изменения в параметрах алгоритма могут также привести к большим или незначительным изменениям в силовых параметрах, в отличие от тех что ожидались при их задании. Корректные значения параметров — субъективная мера. Поэтому, важно провести много тестов, чтобы получить оптимальные их значения.
В случае средств управления полетом, ПАМ используется, чтобы моделировать человеческие факторы. Средство моделирования полета включает в себя моделирование аэродинамики, толчка механизма, условий окружающей среды, динамики управления полетом и т. д. Средства управления полетом соединены со средством моделирования, и летчики-испытатели оценивают производительность полета, с различными параметры алгоритма.
Альтернатива ПАМ для человеческого фактора и разработки удобства пользования должна совмещать прототипные средства управления полетом самолета и тест для удобства пользования во время летного испытания. Этот подход перестал работать при измерении трех упомянутых выше условий.
Стоимость: Летное испытание чрезвычайно дорогостоящее, и поэтому цель состоит в том, чтобы минимизировать любую разработку, происходящую с этим испытанием.
Продолжительность: Разработка средств управления полетом с летным испытанием расширит продолжительность программы создания самолета. При помощи моделирования ПАМ могут быть разработаны средства управления полетом задолго до того, как реальный самолет станет доступен. Безопасность: При помощи летного испытания для проработки критических моментов, ПАМ имеет на фоне живого тестирования непревзойденный плюс, а именно — полную безопасность. Если ошибки присутствуют в проекте прототипных средств управления полетом, результатом могла бы быть аварийная посадка. Выполнимость: Может быть невозможно исследовать определенные критические ситуации (например, последовательности пользовательских действий с точностью до миллисекунды) с настоящими пользователями, управляющими устройством(проектом). Аналогично для проблематичных точек в пространстве параметров, которое может быть не легко достижимым с реальным устройством, но должно быть протестировано чтобы быть уверенными в реальных параметрах рассматриваемого объекта.
ПАМ в Автомобильных Системах[править]
В контексте применения в автомобильной промышленности «Программно-аппаратные моделируемые системы, обеспечивают такую виртуальную машину для валидации и верификации систем.»[1] Поскольку в автомобиле, при вождении, тестирование для оценки производительности и диагностики функциональных возможностей системы управления двигателем часто долго, дорого и не воспроизводимо, ПАМ позволяет разработчикам проверить новое оборудование и программное обеспечение автомобиля, соблюдая требования к качеству и ограничения времени выхода на рынок. В типичном ПАМ динамика двигателя эмулирована от математических моделей, выполненных выделенным процессором в реальном времени. Кроме того, устройство ввода/вывода позволяет подключать датчики автомобиля и приводы (в которых, как правило, присутствует высокая степень нелинейности). Наконец, Электронный Блок Управления (ECU) в условиях тестирования, подключен к системе и стимулируется рядом маневров транспортного средства, выполненных симулятором. В этот момент, ПАМ также предлагает высокую степень выполнимости в процессе тестирования.
ПАМ в Силовой Электронике[править]
Программно-аппаратное моделирование для систем силовой электроники является следующим шагом в эволюции ПАМ технологий. Способность проектировать и автоматически тестировать системы силовой электроники с помощью ПАМ позволяет снизить время разработки, увеличить эффективность, улучшить надежность и безопасность этих систем. В самом деле, силовая электроника является высокоэффективной технологией для гибридных электрических транспортных средств, электрических транспортных средств, ветровых турбин с переменной скоростью, солнечных батарей, промышленной автоматизации, электрических поездов и т. д. Есть по крайней мере три причины использовать ПАМ для силовой электроники:
- использование ПАМ сокращает цикл разработки
- дает возможность широко испытывать управление оборудования и программное обеспечение в целях удовлетворения требованиям безопасности и качества
- позволяет предотвращать дорогостоящие и опасные дефекты.
Вопрос в том, почему системы силовой электроники настолько разные, учитывая что ПАМ было использовано в аэрокосмической и автомобильной промышленности десятилетиями? Дело в том, что системы силовой электроники представляют собой класс динамических систем, которые обладают чрезвычайно быстрой динамикой из-за высокочастотной коммутации действий выключателей силовой электроники (например, транзисторы, тиристор с интегрированным управлением, диоды и др.). Моделирование переключения модуляции в режиме реального времени требует высокую цифровую скорость процессора и задержки, которые действительно могут быть выполнены вне-шельфа компьютерных систем и технологий FPGA/CPU платформ, делая его в 100 раз быстрее, чем традиционные вычислительные методы добиваясь высокой разрешаюшей способности ПАМ для силовой электроники.
ПАМ в Радарах[править]
ПАМ для моделирования радарных систем произошли от радиолокационных помех. Цифровое запоминающее устройство радиочастот (DRFM) обычно используются для создания ложных целей, чтобы запутать радар на поле боя, но эти же системы могут имитировать цель в лаборатории. Эта конфигурация позволяет проводить тестирование и оценку радарных систем, снижая потребность в летных трассах (для бортовых систем) и в полевых испытаниях (для поиска или слежения радаров), и может определить восприимчивость радара к радиоэлектронной борьбе.
ПАМ в Робототехнике[править]
Методы ПАМ были недавно применены для автоматической генерации сложных контроллеров для роботов. Робот использует собственные аппаратные средства для извлечения показателей датчиков, а затем использует эти данные, чтобы вывести физическую симуляцию, содержащую такие аспекты, как собственную морфологию, а также характеристики окружающей среды. Алгоритмы, такие как возвращение к реальности и оценка исследования были предложены в данном контексте.
ПАМ для Энергосистем[править]
В последние годы, ПАМ для энергосистем было использовано для проверки стабильности, эксплуатации и отказоустойчивости крупномасштабных электрических сетей. Платформы обработки текущего поколения имеют возможность моделировать крупномасштабные энергетические системы в режиме реального времени. Это включает в себя системы с более чем 10000 автобусами с связанными генераторами, грузами, устройствами корректирующие коэффициент мощности и сетевые соединения. Эти платформы позволяют оценивать крупномасштабные энергетические системы в реалистичной среде эмулятора. Кроме того, ПАМ для энергосистем был использован для исследования интеграции распределенных ресурсов, систем следующего поколения SCADA и мощностью блоков управления, а также статических синхронных компенсаторов устройств.
См. также[править]
Источники[править]
- ↑ S.Raman, N. Sivashankar, W. Milam, W. Stuart, and S. Nabi, «Design and Implementation of HIL Simulators for Powertrain Control System Software Development», Proceedings of the American Control Conference,1999.