VŠB-TU 2005/2006 PROSTŘEDKY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ PŘEKLAD HARDWARE IN THE LOOP SIMULATION Vypracoval: Ha Minh 10. 5. 2006
ANGLICKÝ ORIGINAL What is Hardware-in-the-Loop Simulation? Embedded systems are designed to control complex plants such as land vehicles, satellites, spacecrafts, Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), aircrafts, weapon systems, marine vehicles, and jet engines. They generally require a high level of complexity within the embedded system to manage the complexity of the plant under control. Hardware-in-the-Loop (HIL) simulation is a technique that is used increasingly in the development and test of complex real-time embedded systems. The purpose of HIL simulation is to provide an effective platform for developing and testing real-time embedded systems. HIL simulation provides an effective platform by adding the complexity of the plant under control to the test platform. The complexity of the plant under control is included in test and development by adding a mathematical representation of all related dynamic systems. These mathematical representations are referred to as the plant simulation. For example, an HIL simulation platform for the development of automotive anti-lock braking systems may have mathematical representations for each of the following subsystems in the plant simulation: Vehicle dynamics such as suspension, wheels, tires, roll, pitch and yaw Road characteristics Dynamics of the brake system s hydraulic components An HIL simulation must also include electrical emulation of sensors and actuators. These electrical emulations act as the interface between the plant simulation and the embedded system under test. The value of each electrically emulated sensor is controlled by the plant simulation and is read by the embedded system under test. Likewise, the embedded system under test implements its control algorithms by outputting actuator control signals. Changes in the control signals result in changes to variable values in the plant simulation. Why use Hardware-in-the-Loop Simulation? This question is an important part of understanding real-time technology. To restate the question using a control systems term: Why not connect the embedded system under test to the "real plant," that is the dynamic system being controlled, to perform development and testing? In many cases, the most effective way to develop an embedded system is to connect the embedded system to the real plant. In other cases, HIL simulation is more efficient. The metric of development and test efficiency is typically a formula that includes the following factors: 1. Cost 2. Duration 3. Safety Cost of the approach will be a measure of the cost of all tools and effort. The duration of development and test affects the time-to-market for a planned product. The safety factor and duration are typically equated to a cost measure. Specific conditions that warrant the use of HIL simulation include the following: Tight development schedules High-burden-rate plant Early process human factors development Tight Development Schedules The tight development schedules associated with most new automotive, aerospace and defense programs do not allow embedded system testing to wait for a prototype to be available. In fact, most new development schedules assume that HIL simulation will be used in parallel with the development of the plant. For example, by the time a new automobile engine prototype is made available for control system testing, 95% of the engine controller testing will have been completed using HIL simulation. 2
The aerospace and defense industries are even more likely to impose a tight development schedule. Aircraft and land vehicle development programs are using desktop and HIL simulation to perform design, test, and integration in parallel. Companies such as Gulfstream and United Defense have executed highly efficient and successful programs using the Simulation-Centric process. High-Burden-Rate Plant In many cases, the plant is more expensive than a high fidelity, real-time simulator and therefore has a higher-burden rate. Therefore, it is more economical to develop and test while connected to an HIL simulator than the real plant. For jet engine manufacturers, HIL simulation is a fundamental part of engine development. The development of Full Authority Digital Engine Controllers (FADEC) for aircraft jet engines is an extreme example of a high-burden-rate plant. Each jet engine can cost millions of dollars. In contrast, an HIL simulator designed to test a jet engine manufacturer s complete line of engines may demand merely a tenth of the cost of a single engine. Early Process Human Factors Development HIL simulation is a key step in the process of developing human factors, a method of ensuring usability and system consistency using software ergonomics, human-factors research and design. For real-time technology, human-factors development is the task of collecting usability data from man-in-the-loop testing for components that will have a human interface. An example of usability testing is the development of fly-by-wire flight controls. Fly-by-wire flight controls eliminate the mechanical linkages between the flight controls and the aircraft control surfaces. Sensors communicate the demanded flight response and then apply realistic force feedback to the fly-bywire controls using motors. The behavior of fly-by-wire flight controls is defined by control algorithms. Changes in algorithm parameters can translate into more or less flight response from a given flight control input. Likewise, changes in the algorithm parameters can also translate into more or less force feedback for a given flight control input. The correct parameter values are a subjective measure. Therefore, it is important to get input from numerous man-in-the-loop tests to obtain optimal parameter values. In the case of fly-by-wire flight controls development, HIL simulation is used to simulate human factors. The flight simulator includes plant simulations of aerodynamics, engine thrust, environmental conditions, flight control dynamics and more. Prototype fly-by-wire flight controls are connected to the simulator and test pilots evaluate flight performance given various algorithm parameters. The alternative to HIL simulation for human factors and usability development is to place prototype flight controls in early aircraft prototypes and test for usability during flight test. This approach fails when mesuring the three conditions listed above. Cost: A flight test is extremely costly and therefore the goal is to minimize any development occurring with flight test. Duration: Developing flight controls with flight test will extend the duration of an aircraft development program. Using HIL simulation, the flight controls may be developed well before a real aircraft is available. Safety: Using flight test for the development of critical components such as flight controls has a major safety implication. Should errors be present in the design of the prototype flight controls, the result could be a crash landing. Given all three criteria listed at the beginning of page, it seems that HIL simulation is, once again, the best option for developing usability and human factors. 3
4
5
6
7
8
ČESKÝ PŘEKLAD 1. Co je Hardware-in-the-Loop simulace? Vestavené zařízení jsou navržené k ovládaní složitého systému jako pozemní vozidla, družice, kosmická plavidla, bezpilotní letadla (UAVS), letadla, systémy zbraní, námořní pravidla, a tryskové motory. Tyto systémy obecně požadují vysokou úroveň složitost, přičemž vestavené zařízení musí zvládat složitost systému. Hardware-in-the-Loop (HIL) simulace je technika, která je užívaná stále více ve vývoji a testu složitých real-time vestavených systémů. Účel HIL simulace je poskytnout efektivní platformu pro vývoj a zkoušení real-time vestavených systémů. HIL simulace poskytne efektivní platformu přidáváním složitosti regulačního obvodu k testovatelné platformě. Složitost regulačního obvodu je obsažená v testu a vývoji přidáváním matematického modelu všech souvisejících dynamických systémů. Tyto matematické modely jsou považovány jako "simulace systému". Například, HIL simulační platforma pro vývoj automobilové brzdové systémy ABS má snad matematické modely pro každý z následujících podsystémů při simulaci regulačního obvodu: Dynamiky motorových vozidel jako zastavení, kola, pneumatiky, otáčení, stoupání a odbočení Jízdní vlastnosti Dynamiky hydraulických součástí brzdové soustavy HIL simulace musí také zahrnout elektrické napodobování senzorů a akčních členů. Tato elektrická napodobování chová jako rozhraní mezi simulačním obvodem a testovaným vestaveným zařízením. Hodnota každého elektricky napodobovaného senzoru je regulována simulačním obvodem a je vstup do testovaného vestaveného zařízení. Podobně, testované vestavené zařízení realizuje jeho algoritmy řízení tvorbou akční řídicích signálů. Změny řídicích signálech mají za následek změny hodnot proměnných při simulaci regulačního obvodu. 2. Proč se používá Hardware-in-the-Loop simulace? Tato otázka je důležitá část pro porozumění real-time technologie. Při formulaci otázky s použitím termíny z oblasti řídicích systémů: Proč nepřipojit testovaný vestavený zařízení ke 9
"skutečnému regulačnímu obvodu," který je regulovaný dynamický systém, abychom zlepšili vývoj a testování? V mnoha případech, nejefektivnější cesta, jak vyvinout vestavený zařízení, je připojit vestavený zařízení ke skutečnému regulačnímu obvodu. V dalších případech, HIL simulace je účinnější. Měřítko efektivity vývoje a testu je známý vzorec, který zahrnuje následující faktory: 1. Cena 2. Doba trvání 3. Bezpečnost Cena přístupu bude míra z ceny všech nástrojů a úsilí. Doba trvání vývoje a testu ovlivní time-to-market pro plánovaný produkt. Faktor bezpečnosti a doba trvání jsou srovnatelné se spočítanou cenou. Specifické podmínky, které jsou záruka použití HIL simulace, zahrnují následující: Pevné vývojové plány Vysoká stupeň podstaty systému Dřívější proces vývoje způsobeného lidskými potřebami Pevné vývojové plány Pevné vývojové plány spojené s většinou nových automobilových, kosmických a obranných programů nedovolí testování vestaveného zařízení čekat až je prototyp k dispozici. Ve skutečnosti, většina nových vývojových plánů předpokládá, že HIL simulace bude používána paralelně s vývojem systému. Například, než nový automobilový prototyp motoru je výroben pro testování řídicího systému, 95% testování řídicí jednotky motoru by mělo být dokončené použitím HIL simulace. Kosmická a obranná průmyslová odvětví jsou dokonce nucena dodržet pevné vývojové plány. Vývojové programy letadel a pozemních vozidel jsou používány s pomocí osobního počítače a HIL simulace ke uskutečnění návrhu, testování, a integrace souběžně. Společnosti jako Gulfstream a United Defense vykonaly vysoce účinné a úspěšné programy s použitím Simulation-Centric process. 10
Vysoká stupeň podstaty systému V mnoha případech, systém je dražší než kvalitní reprodukce, real-time simulátor a proto má vyšší stupeň podstaty. Proto, je ekonomičtější vyvinout a testovat s pomocí HIL simulátora než skutečný systém. Pro výrobce tryskových motorů, HIL simulace je základní část při vývoji motoru. Vývoj digitální řídicí jednotky motoru (FADEC) pro letecké proudové motory je extrémní příklad vysoké stupně podstaty systému. Každý proudový motor může stát miliony dolarů. Přitom HIL simulátor navržený k tomu, aby testoval výrobní linku tryskových motorů, může stát pouze desetinu ceny jednoho motoru. Dřívější proces vývoje způsobeného lidskými potřebami HIL simulace je klíčový krok v procesu rozvoje lidských potřeb, metoda zajištění použitelnosti a konzistence systému s užitím softwarové ergonomie, výzkum a design za účelem splnit lidské potřeby. Pro real-time technologii, vývoj způsobený lidskými potřebami je úkol sbírat použitelnosti dat z man-in-the-loop testu pro součásti, které budou mít lidské rozhraní. Příklad testu použitelnosti je vývoj řízení letu fly-by-wire. řízení letu fly-by-wire vyloučí mechanická zapojení mezi řízením letu a leteckými řídicími plochami. Senzory komunikací zjistí požadovanou letovou odezvu a pak aplikují realistickou silovou zpětnou odezvu k systému řízení motorů fly-by-wire. Chování letového řízení fly-by-wire je definováno algoritmy řízení. Změny v parametru algoritmu lze vysvětlit jako více nebo méně silová odezva od vstupu daného letového řízení. Podobně, změny parametrů algoritmu mohou také vysvětlit jako více nebo méně silová zpětná odezva pro vstup daného letového řízení. "Správné" hodnoty parametru jsou subjektivní míra. Proto, je důležité dostat vstup z velkého počtu testu man-in-the-loop k získání optimální hodnoty parametru. V případě vývoje řízení letu fly-by-wire, HIL simulace je užívána k simulování lidské činnosti. Letový simulátor zahrnuje simulace aerodynamiky, motorový tah, okolní prostředí, dynamika letového řízení a více. Model letového řízení fly-by-wire je připojen k simulátorovi a testovaní piloti vyhodnotí průběh letu zadáváním různých parametrů algoritmu. Alternativa HIL simulace pro lidské činnosti a použitelnost vývoje je umístit model řízení letu do dřívějších leteckých modelů a testovat použitelnost během letové zkoušky. Tento přístup selže, když se změřují tři podmínky uvedená výše. 11
Cena: Letová zkouška je extrémně drahá a proto cíl je minimalizovat jakýkoliv vývoj vyskytující s letovou zkouškou. Doba trvání: Vývoj řízení letu s letovou zkouškou bude prodlužovat dobu trvání leteckého vývojového programu. Používání HIL simulace, řízení letu může být vyvinuté značně dříve než je skutečné letadlo k dispozici. Bezpečnost: Používání letové zkoušky pro vývoj kritických součástí jako řízení letu má hlavní význam spočívající ve bezpečnosti. Chyby, vyskytují během testu modelu letové řízení, mohly by vést v reálu k havárií. Všechna tři uvedená kritéria na začátku stránky se zdají, že HIL simulace je, ještě jednou, nejlepší volba pro vývoj lidských činností. 3. Metoda Hardware in the loop Hardware-in-the-loop (HIL) simulace představuje velmi efektivní a účinnou techniku pro testování na systémové úrovni. Používá se nejčastěji ve vývoji a testování vestavených systémů, kdy tyto systémy nemohou být testovány snadno a opakovaně v jejich pracovním prostředí. HIL simulace vyžaduje realizaci real-time simulace, která modeluje část systému ve stadiu testování (SUT) a všechnny její významné interakce s okolím. Simulační proces monitoruje výstupní signály z SUT a vhodně přivede uměle vygenerované vstupní signály do SUT. Výstupní signály ze SUT obvykle obsahují příkazy pro akčního člena a měřitelné informace pro operátora. Vstupy do SUT mohou obsahovat signály ze senzorů a příkazy od operátora. Výstupy z vestaveného systému slouží jako vstupy pro simulaci a simulační proces generuje výstupy, které následně vstupují do vestaveného systému. vstupní signál Testovaný systém - SUT (skutečný hardware) výstupní signál výstupní signál Real-time simulátor (PC, software, ) vstupní signál Obr. Bloková schéma HIL simulace 12
HIL simulace hardware a software Pro realizace HIL simulacie, potřebujeme vhodný výpočetní a I/O hardware, právě tak jako software k vykonávání simulační modelování a I/O operace v reálném čase. Hardware pro simulace Hardware použitý v HIL simulaci musí zahrnovat: Počítačový systém schopný vykonávat požadavky simulace ve reálném čase Zařízení na simulačním počítači (nebo na připojeném hostitelském počítači), které umožňuje operátorovi ukládat, analyzovat a zobrazovat data získaná během simulace Nastavení I/O rozhraní mezi simulačním počítačem a testovaným systémem. Real-time požadavky pro simulační počítač závisí na charakteristikách testovaného systému a jeho pracovního prostředí, například na: I/O obnovovacích rychlostech testovaného systému a I/O datových přenosových rychlostech šířce pásma (bandwidth) dynamického systému složeného ze SUTu a jeho prostředí složitosti elementů SUTu a pracovního prostředí modelovaného v simulačním software. I/O zařízení Existují různé kategorie I/O zařízení, které jsou používány ve vestavených systémech. V HIL simulaci, I/O zařízení musím být nainstalovaný v simulačním počítači připojeném ke každému sledovanému I/O portu testovaného systému. I/O rozhraní jsou dostupné z několika zdrojů, které podporují typy signálu, jako: analogový (D/A a A/D převodníky) diskrétní digitální (TTL nebo rozdílový) sériový (RS-232, RS-422) real-time datová sběrnice (MIL-STD-1553, CAN, nebo ARINC-429) přístrojová sběrnice (např. IEEE-488) 13
síť (např. Ethenet) přístrojový simulátor (pro simulování LVDT převodník, termoelektrické články, apod). Pro testovaný systém s nízkými I/O rychlostmi a simulovaným prostředím, který není moc složitý, obyčejný PC běžící pod non real-time operačním systémem jako Windows NT je schopný provést platnou a užitečnou HIL simulaci. Pro složitý testovaný systém s vysokou I/O rychlostí, je výkonný počítačový systém nezbytný. V těchto aplikacích, potřebujeme více než jen standardní rychlost CPU. Simulační počítač musí také mít přesně stanovený a opakovatelný real-time výpočetní výkon. Výkonné systémy aktualizuje všechny simulační modely a vykonávají I/O operace ve přesných intervalech řadově několika mikrosekund. Simulační počítač musí poskytnout software na systémové úrovni, který podporuje real-time výpočty a nedovolí, aby byl vykonávaný kód zablokovaný na nevhodné cestě. Většina běžných operačních systémů poskytuje pouze dostačující real-time výpočetní výkon pro HIL simulaci s nízkou I/O rychlostí, což je třeba v některých případech použít RTOS nebo vyhrazený real-time softwarové prostředí na simulačním počítači. Požadavky na počítačový systém pro výkonnou real-time simulaci zahrnují: výkonnou výpočetní jednotku podporu zpracování v reálném čase vysokou přenosovou rychlost podporu různých variant I/O zařízení. Software pro simulace Software pro simulaci obsahuje sekce kódu, který vykonává potřebné úkoly během real-time simulace. Základní schéma software pro simulaci je na obr 2. Ze blokového schématu je patrné, že software pro HIL simulace lze rozdělit na tři základní části: inicializace software a externího hardware pro simulace dynamické systém, který zahrnuje I/O zpracování simulačního modelu, a integrování stavových proměnných přerušení práce simulačního software a externího hardware. 14
Na spodní vrstvy dynamického systému je intervalový časovač, který se musí zastavit dřív než začne další úkol. Délka tohoto intervalu, známý jako simulační doba (simulation frame time), je kritický parametr pro HIL simulaci. Simulační doba (frame time) musí být krátká dost na to, aby udržovala simulační model přesný a stabilní. Současně musí být zároveň dost dlouhá, aby mohla tolerovat nejhorší časový případ na dokončení všechny výpočty a I/O operace v dynamickém regulačním obvodě. Kratší simulační doba požaduje vyšší výkon simulačního počítačového hardwareu. Eventuálně, kratší simulační doba může požadovat zjednodušení simulačních modelů tak, že jejich výpočty mohou být dokončeny v čase, který je k dispozici. Pokud se simulační doba prodlouží, sníží se přesnost simulace. V jistém bodu se integrační algoritmus stává nestabilní. Následující vzorec je odhad pro stanovení maximální přijatelné simulační doby pro simulační režim: τ s h 20 kde je τ s nejkratší časová konstanta (v sekundách) simulovaného dynamického systému a h je simulační doba (v sekundách). Jakmile je h zvětšený nad rozsahem daným vzorcem, přesnost simulace začne snížit a posléze se regulační obvod stane nestabilní. 15
Inicializace Spustění simulace a hardware Čtení ze vstupních zařízení Vyhodnocení simulačního modelu Poslání do výstupních zařízení Dynamický systém Konec? Ano Ne Integrování stavových proměnných Čekání dokud nezačne další simulační doba Ukončení Vypnutí simulace a hardware Obr. Bloková schéma simulačního software 16