Системный подход к полунатурному моделированию и быстрому прототипированию с использованием КПМ РИТМ
В современной практике отдельные части сложных инженерных систем разрабатывают распределенные команды, которые могут быть не очень хорошо скоординированы между собой. У разрозненных групп инженеров может не быть в наличии оборудования, которое нужно испытывать по отдельности и во взаимодействии с другими частями системы.
Сложность самой системы и проблемы кооперации неизбежно вносят ошибки в процесс разработки. При этом сроки разработки никто не отменяет, как и тот факт, что механизм должен работать как единое целое. Решить эту проблему помогает полунатурное моделирование на комплексах реального времени.
Рис. 1. Схема устройства сложной системы.
Представим, что авиационный двигатель разрабатывается одной компанией, а система автоматического управления (САУ) двигателем — другой фирмой. Ваша компания — разработчик двигателей, и разработчик САУ пришел к вам на сдачу этапа и хочет испытывать систему управления на натурном стенде. Если что-то пойдет не так, то двигатель может быть сломан, и это принесет огромные убытки.
Другой сценарий: ваша компания — разработчик САУ, и есть электромотор, которым вы должны управлять. Но самого электромотора нет в наличии: его или не купили, или еще не разработали, или уже сломали. При этом ваши сроки по разработке остаются прежними, и система управления должна заработать по план-графику проекта.
Третий вариант развития событий. Ваша компания — разработчик САУ, и есть электромотор, которым вы должны управлять. Вы разработали блок управления, приехали на испытания и обнаружили, что в динамике, то есть во взаимодействии двух подсистем, есть проблемы. Нужно возвращаться домой на доработку аппаратного или программного обеспечения, а это занимает много времени.
Но весь этот цикл разработки можно сократить и выявить проблемы на ранних этапах. Решение этих и еще многих похожих проблем — технология полунатурного моделирования (HIL, или Hardware-in-the-Loop). Сама технология не нова, более того, в некоторых направлениях разработки авиационной и военной техники уже поставлены задачи:
снизить количество натурных и летных испытаний с 85% до 50%,
увеличить количество полунатурных испытаний с 10% до 30%,
вклад испытаний на математических моделях поднять с 5% до 20%.
Нужно больше моделировать и испытывать системы на стендах полунатурного моделирования. Это удобнее и эффективнее при разработке сложных технических систем.
Рис. 2. Схема работы по технологии полунатурного моделирования.
Технология полунатурного моделирования основана на замене отдельных подсистем на их модели, работающие в реальном времени. Эти модели обмениваются данными с другими подсистемами по тем же интерфейсам, по которым общаются реальные подсистемы. Контроллеры или агрегаты работают в том же режиме, что и обычно, а перед инженером открываются широкие возможности для разработки и испытаний.
Рис. 3. Программно-аппаратная технологическая база для полунатурного моделирования.
Три компонента лежат в основе этой технологии:
инструмент для построения и отладки системных моделей,
операционная система реального времени (ОСРВ),
промышленный компьютер с разнообразными интерфейсами информационного обмена.
Расскажем подробнее о каждом из этих компонентов.
Моделирование
Для моделирования задействуем программные пакеты, такие, как Simulink или Engee.
Расскажем для тех, кто ещё не знает, что такое Engee: это современная российская платформа для разработки сложных технических систем. Она предоставляет готовое окружение для анализа данных, инженерных расчетов и разработки специального прикладного ПО, как и в среде MATLAB. Также в Engee встроена среда визуального моделирования, похожая на Simulink или Amesim. Среда позволяет с помощью привычных блок-схем строить математические модели алгоритмов управления и сложных физических систем, а затем проводить полунатурное тестирование или генерировать код из них для дальнейшей интеграции на встраиваемых платформах.
Для моделирования подобные среды незаменимы, так как они позволяют работать над моделями любой сложности и произвольной иерархии для самых разных прикладных областей (алгоритмы, авиация, робототехника, механика, гидравлика, пневматика, приводы, энергетика, силовая электроника и др.). Можно моделировать линейные, нелинейные, дискретные, непрерывные, гибридные и многочастотные системы. Встроены решения для систем управления, обработки сигналов, систем связи и других областей с применением системного инжиниринга.
Модельно-ориентированное проектирование (МОП) — это подход к разработке сложных систем, в центре которого находятся математические модели. Эти модели являются:
программной спецификацией на систему,
источником новых требований для системы и ответов на вопросы «что-если»,
средством выявления ошибок,
основой для автоматической генерации кода для встраиваемых систем.
Рис. 4. Этапы модельно-ориентированного проектирования.
Реальное время
Полунатурное моделирование должно проходить в реальном времени.
Тестирование в реальном времени — это исследование функционирования системы (или её компонентов) в реальных рабочих условиях:
при заданной частоте дискретизации;
с эффектами, возникающими при работе с реальным оборудованием и интерфейсами;
с учетом синхронизации различных выполняющихся задач.
Тестирование в реальном времени применяется для быстрого прототипирования алгоритма управления (Rapid Prototyping), полунатурного моделирования объекта управления (HIL), а также для создания стендов и тренажеров.
Основа работы системы реального времени — понятие детерминизма, то есть вызова расчета нашего алгоритма в строго определенные моменты времени.
Один из ключевых ингредиентов системы реального времени — это целевой вычислитель с ОСРВ, которая позволяет выполнять требуемые задачи и расчеты в темпе тестируемого реального объекта.
Понятие «жесткое реальное время» означает, что каждый шаг расчета начинается в строго определенный момент времени и гарантированно завершается до начала следующего шага.
Рис. 5. Работа в режиме жесткого реального времени.
Планировщик ОСРВ помогает пользователю настроить сценарий на тот случай, если время выполнения задачи не уложилось в шаг расчета.
Операционные системы общего назначения, такие, как Windows или Linux, не являются ОСРВ и и не могут гарантировать выполнение алгоритма в жестком реальном времени. Для построения моделей в жестком реальном времени нужно использовать специализированные ОС, например, ОСРВ РИТМ.Реальное время.
КПМ РИТМ
Третий компонент для полунатурного моделирования, КПМ РИТМ — это промышленный компьютер, в котором подобраны и разработаны программные и аппаратные компоненты для гарантированной работы моделей и интерфейсов в режиме жесткого реального времени.
Рис. 6. Возможности КПМ РИТМ.
КПМ РИТМ — это российское программно-аппаратное решение, объединяющее в себе три компонента:
ОС жесткого реального времени с вытесняющей многозадачностью;
пакет интеграции для сред моделирования для автоматического запуска моделей в реальном времени под управлением операционной системы РИТМ.РВ;
специализированное оборудование, обеспечивающее работу КПМ РИТМ, и интерфейсы для связи с внешним миром.
Российская компания РИТМ занимается разработкой всех этих трех компонентов, включая сам компьютер реального времени, платы ввода-вывода и соответствующую поддержку в средах моделирования. ОСРВ РИТМ.Реальное время включена в реестр российского ПО.
Быстрое прототипирование
Рис. 7. Схема работы по технологии быстрого прототипирования.
Когда нужно применять быстрое прототипирование? Частый случай: у вас уже есть алгоритмы, но их не на чем проверять (например, целевая платформа, то есть блок управления или контроллер, еще недоступны). Еще один вариант: у вас есть алгоритмы, и есть, на чем проверять их, но вам нужно ждать, чтобы программист реализовал ваш алгоритм.
Быстрое прототипирование — это внесение изменений в поведение вашего алгоритма управления и исследование работы алгоритма с использованием реального железа. Вы берете алгоритм управления, который только что разработали, загружаете на систему реального времени и подключаетесь к реальному объекту управления.
Из модели, содержащей алгоритмы управления, автоматически генерируется код, который затем переносится на компьютер реального времени. Входные данные при этом могут как генерироваться самой моделью, так и приходить извне — от подключенных плат ввода-вывода. Компьютер реального времени с работающим алгоритмом подключен жгутами проводов к реальному объекту управления.
«Быстрым» прототипирование называется потому, что от фазы внесения изменений в алгоритм инженер сразу переходит к фазе проверки алгоритма на реальном железе — и обратно, совершая таким образом быстрые итерации. Этот метод тестирования полезен и в том случае, когда целевого процессора у вас пока нет или вы еще не решили, какой процессор выбрать. Вы можете разрабатывать и проверять алгоритмы управления здесь и сейчас, не дожидаясь того момента, когда целевая платформа станет доступна. Все это заметно сокращает цикл разработки систем управления.
Давайте подытожим пользу от быстрого прототипирования алгоритмов управления.
Быстрое прототипирование позволяет тестировать алгоритмы управления с подключением к реальному оборудованию и объекту управления «в железе», отрабатывая детали, которые могут быть недоступны во время симуляции. При этом от вас не требуется овладевать навыками низкоуровневого программирования.
Вы можете вносить изменения в алгоритм и быстро тестировать влияние изменений на реальном объекте за счет автоматической генерации кода и загрузки и запуска модели на компьютере реального времени в один клик мыши.
Вы можете разрабатывать и проверять алгоритмы управления, вне зависимости от поставщика оборудования или программиста.
Быстрое прототипирование позволяет на ранних стадиях изучать работу вашей системы с использованием реального оборудования и настоящего объекта управления. Это повышает уверенность в том, что конечная система будет корректно работать в окончательной реализации, и позволяет осуществлять верификацию системы, наиболее приближенную к реальным условиям.
Стенд для быстрого прототипирования универсальный и легко переконфигурируется под другой проект.
Эта методика существенно сокращает цикл разработки систем управления.
Полунатурное моделирование
Рис. 8. Схема работы по технологии полунатурного моделирования.
Когда применяется эта технология? У вас есть уже готовый блок управления, но использовать реальный объект управления невозможно, потому что у вас еще нет реального объекта либо проводить натурные испытания крайне дорого. Или же нецелесообразно проводить их, например, потому, что ваши алгоритмы еще недостаточно отточены, чтобы подключать реальный объект управления, так как это может быть опасно для людей и оборудования и может привести к разрушению объекта.
В этих случаях поможет технология тестирования в режиме Hardware-in-the-Loop, или полунатурное моделирование. Вам понадобится специальный компьютер с ОСРВ, который будет имитировать реальный объект. При этом алгоритмы управления работают в целевом вычислителе, или электронном блоке управления, подключенном к такому симулятору посредством интерфейсов ввода-вывода.
Модель может быть реализована как на одной системе реального времени, так и на нескольких системах, связанных интерфейсами. При этом вы сами решаете, как разбить вашу систему на компоненты. Например, для системы управления силовым агрегатом автомобиля на одной машине может быть реализована модель коробки передач, на другой — модель двигателя или одной из подсистем двигателя, на третьей — модель динамики автомобиля и так далее. Можно тестировать сценарии отказов и аварий без риска повредить реальное дорогостоящее оборудование.
Разные варианты применения тестирования в реальном времени можно задействовать совместно, а также модифицировать и даже называть иначе в зависимости от вашей конкретной области применения. Полунатурное моделирование существенно сокращает циклы разработки и испытаний систем и повышает надежность разрабатываемой системы.
Стендовое исполнение КПМ РИТМ
КПМ РИТМ может поставляться в разных форм-факторах: от мобильного и лабораторного (настольного) до стендового. Стенд конфигурируется под специфику работы с конкретным оборудованием и включает согласование интерфейсов по питанию, уровням сигналов и подключениям. Различные варианты исполнения стенда позволяют гибко адаптироваться к задачам конкретного проекта.
Рис. 9. Варианты конфигурации стенда КПМ РИТМ.
Давайте подытожим пользу от полунатурного моделирования.
Оно позволяет запускать модель объекта управления в реальном времени с подключением блока управления и внешней аппаратуры, чтобы получить полноценную имитацию объекта управления.
Полунатурное моделирование может применяться в широком спектре задач, включая создание симуляторов различных условий эксплуатации, тренажеров для обучения персонала, например пилотов или технологов, и создания полунатурных испытательных стендов для отладки системы управления.
Можно проводить тестирование, когда реальный объект еще недоступен или испытания на нем слишком опасны.
Время на стенде с реальным объектом может стоить дорого или сам стенд может находиться далеко — в таких ситуациях полунатурное моделирование помогает удешевлять испытания.
Полунатурное моделирование — это воспроизводимые, повторяемые тесты, не зависящие от износа объекта управления или внешних факторов.
Методика позволяет проверить проверить алгоритмы управления в условиях, которые трудно достижимы или вообще недостижимы с реальным объектом — например, различные отказные состояния и аварийные режимы.
Полунатурное моделирование осуществляет систематическое, полноценное тестирование системы и заметно сокращает циклы разработки и испытаний систем и повышает надежность разрабатываемой системы.
Итог
Системный подход и полунатурное моделирование позволяет существенно ускорять решение самых разных задач с неограниченным количеством сценариев. На КПМ РИТМ можно:
осуществлять полунатурное моделирование;
разрабатывать систему управления;
быстро прототипировать алгоритмы в связке с реальным железом и запускать алгоритмы в режиме жесткого реального времени;
настраивать параметры системы управления для достижения желаемых характеристик переходных процессов;
мониторить и записывать сигналы.
Это ключ к качественной и эффективной разработке сложных инженерных решений.
Спасибо, что прочитали!
Ждем вопросы и пожелания в комментариях!
Ещё мы писали про имитационное моделирование в электроэнергетике с помощью КПМ РИТМ.
О том, как использовать ПЛИС в полунатурных стендах и стендовых испытаниях без единой строчки кода, можно прочитать здесь.
А ещё можно посмотреть наш вебинар про моделирование силовой электроники и прототипирование систем управления в реальном времени на КПМ РИТМ.
Для получения дополнительной информации обратитесь к тематическим разделам на сайтах Экспоненты и КПМ РИТМ. Подписывайтесь на телеграм-каналы https://t.me/exponenta_ru и https://t.me/engee_com
