[科普中国]-硬件在环仿真

概述

硬件在环仿真，又称半实物仿真，是将需要仿真的部分系统硬件直接放到仿真回路中的仿真系统，它不仅弥补了纯数字仿真中的许多缺陷，提高了整个模型的置信度，而且可以大大减轻编程的工作量。这种仿真的另一个优势在于它实现了仿真模型和实际系统间的实时数据交互，使仿真结果的验证过程非常直观，大大缩短了产品开发周期。仿真时，电脑与实际硬件通过各种信息通道相连，电脑与实际硬件共同完成仿真工作，并将仿真结果在电脑中进行分析，从而判断硬件的运行情况。2

硬件在环仿真是在物理仿真和数学仿真的基础上发展起来的，它将实际系统的一部分设备与计算机相连，用软件模型对其中不存在或者不便于试验的部分进行仿真，同时保证整个系统的运行。它充分利用计算机建模的简易性，减少了费用；便于对系统的输入进行灵活快捷的变更，在改变参数的同时可以详细观察系统性能的变化；对系统中非重点考察的复杂环节，可直接将其硬件连入仿真系统。

硬件在环仿真的逼真度较高，所以常用来验证控制系统方案的正确性和可行性，进行故障模式的仿真以及对研制阶段的控制系统进行闭环动态验收试验。应用硬件在环仿真使仿真条件更接近于实际情况，更能正确地对设计出的控制器性能进行检验和调试，有利于开发新型控制系统和算法，减少现场调试次数。

由于受计算机性能的限制，最初硬件在环仿真技术主要应用集中在军事领域，通常需要专用的仿真计算机和接口板。随着计算机硬件水平的不断提高，硬件在环仿真逐步在各个领域里都得到了应用，如发动机、车辆、船舶、飞行器等。对于硬件在环仿真中的许多关键性问题，如建模技术和方法、实时计算、实时性分析等，许多人都进行了深入的研究，促进了硬件在环仿真的发展。3

技术建模技术任何系统的硬件在环仿真研究，对系统中的数字部分都要建立合适的数学模型和仿真模型。随着仿真应用范围的不断拓宽，近年来，系统建模理论与方法的研究范围逐渐从定量系统向定性系统拓宽。从建模的方法来看，除了典型的机理建模及系统辨识方法外，近年来正积极发展模糊优化法、人工智能辅助建模方法学及混合模式(multi—paradigm)的建模方法学等。

仿真算法系统的动态特性一般可用微分方程或微分方程组来描述。因此，要在计算机上对系统进行仿真，首先就要确定采用何种求解常微分方程的仿真算法。仿真算法是将系统数学模型转换成仿真模型的一类算法。目前，连续系统与离散系统的非实时串行算法已相当完善，其成果包括处理线性、非线性、刚性等连续系统算法，各类分布参数系统算法，各种随机统计算法及基于系统分割、方法分割和时间分割的部分并行算法。

仿真计算机近10年来，由于计算机技术的飞速发展，通用高性能微机、工作站及并行机已成为仿真机的主流。目前，超大规模的并行计算机、工作站以及高性能微机的运算速度已有很大提高。高性能仿真计算机研究的主要课题包括处理机技术、并行程序设计模型与并行化编译器、支持自动并行化的新的框架与概念、软硬件接口的实时处理能力等。接口系统是硬件在环仿真中数字部分与物理部分之间信息传输的接口，接口要具有可靠的实时性。3

平台dSPACE实时仿真系统dSPACE实时仿真系统是由德国dSPACE公司开发的一套基于MATLAB/Simulink的控制系统开发及半实物仿真软硬件工作平台，实现了和MATLAB/Simulink/RTW的完全无缝连接。dSPACE实时系统拥有实时性强，可靠性高，扩充性好等优点。

dSPACE中的处理器运算性能强大，并且I/0接口十分丰富，用户可根据需要自行组合;软件环境功能强大而又灵活，提供自动生成代码及调试和下载等一系列的功能，在快速控制原型控制仿真方而，dSPACE允许反复修改模型设计，进行离线及实时仿真，可在设计之初就将错误修正，节省设计费用。使用RCP技术，可以在费用和性能之间进行折衷。通过将快速原型硬件系统和所要控制的实际设备相连接，可以反复研究使用不同传感器及驱动机构时系统的性能特征。而且，还可以利用旁路技术将原型控制单元或控制器集成于开发过程中，从而逐步完成从原型控制器到产品型控制器的顺利转换。

在硬件在回路仿真方面，dSPACE平台可以实现对控制器的极限测试，失效测试。

RTLAB实时仿真系统RT-LAB是加拿大名为Opal-RT公司推出的一款工业级的系统实时仿真平台软件包。

该平台能在短时间内以较低的成本建立实时系统动态模型，简化工程系统的设计过程，具有灵活、高效、可测量等优势。

RT -LAB完全集成MATLAB/Simulink和MATRIXx/SystemBuild，已有的动态系RT-LAB所用;采用分布式处理的专业化块设计;且该平台使用户能方便地将目标模型分割为几个子系统，便于并行处理，集成丰富的第三方代码库;提供丰富的应用程序编程接口，便于用户开发自定义应用;使用LabVIEW等工具可以创建定制的功能和测试界而;支持1000余种I/0设备，提供高度优化的硬件实时调度程序。

NI硬件在环仿真平台NI开发的硬件在环仿真平台帮助用户节省了在汽车研发到生产各个阶段耗费的时间和成本。凭借业内领先的I/0、灵活现成的硬件、强大高效的LabVIEW开发环境，用户可以创建各种应用的解决方案。

NI开发了基于PXI实时控制器的硬件在环仿真方案。PXI全称为面向仪器系统的PCI扩展，结合了PCI的电气总线特性和通用计算机强大的功能和高性价比，提供了一种高性能、低成本的虚拟仪器测试方案。

仿真模型建立在PXI实时控制器之中，NI提供FPGA模块以适应更高动态性能和更高精度的模型应用需求。NI硬件在环仿真平台具有开放的软硬件技术架构，可以减少工程师的开发时间、成本和风险。在支持第三方硬件和软件建模工具的同时，NI还提供一系列高性能模拟和数字I/0设备，CAN,LIN和FlexRay总线接口，故障注入硬件等，便于用户高效实现应用。基于开放的工业标准，用户总能将最新的PC技术用在自己的HIL测试系统中。同时，HIL测试系统的可扩展性满足了多种快速变化的需求，以适应新技术发展所带来的测试挑战。1