Simulacija sa hardverom u petlji
<s>Simulacija sa hardverom u petlji (engl.</s><s>Hardware-in-the-loop, skaraćeno HIL ili HWIL) je tehnika koja se koristi u razvoju i testiranju kompleksnih ugrađenih sistema (engl.</s><s>Embeded systems) u realnom vremenu.</s><s>HIL simulacija predstavlja efikasnu platformu zato što u testiranje dodaje kompleksnost postrojenja koje se kontroliše.</s><s>Složenost sistema u nekom postrojenju koje je potrebno kontrolisati uključuje se u testiranje i razvoj dodavanjem matematičkog prikaza svih srodnih dinamičkih sistema.</s><s>Ovi matematički prikazi nazivaju se „simulacije postrojenja".</s><s>Ugrađeni sistem se ispituje u interakciji sa ovom simulacijom postrojenja.</s>

<s>Simulacija sa hardverom u petlji je uređaj koji matematičkim algoritmima realno oponaša rad postrojenja kao u stvarnom životu i u realnom vremenu, a u cilju njegovog kontrolisanja i/ili testiranja, odnosno predviđanja njegovog ponašanja.</s>

<s>Kako HIL radi?</s><s>Simulacija sa hardverom u petlji uključuje električne emulacije senzora i aktuatora.</s><s>Ovi električni emulatori deluju kao interfejs između simulacije postrojenja i ugrađenog sistema koji se testira.</s><s>Vrednost svakog emuliranog električnog senzora je pod kontrolom simulacije postrojenja, a ugrađeni sistem koji se testira očitava te vrednosti čime se stvara povratna veza.</s><s>Na isti način, ugrađeni sistem koji se testira sprovodi svoje kontrolne algoritme time što na izlaze šalje kontrolne signale aktuatorima.</s><s>Promene u kontrolnim signalima dovode do promena u vrednostima promenljivih u simulacijama postrojena.</s>

<s>Primera radi, simulacija sa HIL platformom u razvoju sigurnosnih sistema protiv blokiranja kočnica (engl. anti-lock braking system, ABS) u automobilskoj industriji može imati matematički prikaz za svaki od sledećih podsistema u simulaciji postrojenja:
 Dinamika vozila, kao što je ogibljenje, točkovi, gume, rotacija oko longitudinalne, lateralne i vertikalne ose
 Dinamika hidrauličnih komponenti kočionog sistema
 Karakteristike ponašanja na putu</s>

<s>Zašto koristiti Simulaciju sa hardverom u petlji?</s><s>U mnogim primerima u praksi, najefektivniji način da se razvije ugrađeni sistem je da se on poveže s realnim, pravim postrojenjem.</s><s>U drugim slučajevima HIL simulacija je efikasnija.</s><s>Merilo efikasnosti razvoja i testiranja je obično matematička formula koja obuhvata sledeće faktore: 1. troškovi 2. trajanje 3. bezbednost i 4. izvodljivost.</s>

<s>Troškovi određenog pristupa treba da budu mereni cenom svih alata i napora.</s><s>Trajanje razvoja i testiranje utiče na vreme potrebno za planiranje pojavljivanja proizvoda na tržištu.</s><s>Faktor sigurnosti i trajanje razvoja su tipično jednaki meri troškova.</s><s>Posebni uslovi koji zahtevaju korišćenje HIL simulacije obuhvataju sledeće:
 Poboljšanje kvaliteta testiranja
 Kratki rokovi za razvoj
 Postrojenja sa visokim troškovima eksploatacije
 Ljudski faktori u ranom procesu razvoja</s>

<s>Poboljšanje kvaliteta testiranja 
Upotrebom hardvera u petlji poboljšava se kvalitet testiranja povećanjem obima testova.</s><s>U idealnom slučaju, integrisani sistem će biti ispitan u odnosu na stanje u stvarnom postrojenju ili pogonu, ali u najvećem broju slučajeva samo postrojenje nameće ograničenja u pogledu mogućeg obima ispitivanja odnosno testiranja.</s><s>Na primer, testiranje kontrole jedinice motora (ECU, eng. Engine Control Unit)  sa stvarnim agregatom može dovesti do stvaranja sledećih uslova opasnih za rad i život inženjera koji obavljaju testiranja:
 Testiranje i ispitivanje na ili izvan raspona od nekih ECU parametara (na primer, parametri motora itd.)
 Testiranje, ispitivanje i provera sistema u uslovima postojanja kvarova
U gore navedenim scenarijima testiranja, HIL obezbeđuje efikasnu kontrolu i bezbedno okruženje u kojem aplikativni i testni inženjeri mogu da se fokusiraju na funkcionalnosti kontrolera.</s>

<s>Kratki rokovi za razvoj 
Kratki rokovi za razvoj u u većini novih programa automobilske, vazuhoplovne i odbrambene industrije ne dozvoljavaju da se testiranje ugrađenih sistema odlaže dok prototip ne budu dostupan.</s><s>U stvari, većina novih planova razvoja unapred pretpostavljaju da će se HIL simulacija koristiti paralelno sa razvojem postrojenja ili fabrike.</s><s>Na primer, do trenutka kada prototip novog automobilskog motora bude dostupan za testiranje kontrolnog sistema, 95% testiranja kontrolera tog motora biće završeno pomoću HIL simulacije.</s>

<s>Avionska i odbrambena industrija još su sklonije da nametnu kreće rokove za razvoj.</s><s>Razvojni programi za vazduhoplove i kopnena vozila koriste desktop i HIL simulaciju za obavljanje  projektovanja, testiranja i integracije u isto vreme.</s>

<s>Postrojenja sa visokim troškovima eksploatacije 
U mnogim slučajevima, postrojenje je daleko skuplje od simulatora koji radi u realnom vremenu i sa visokom vernošću simulacije, pa sledstveno tome postrojenje ima visoke troškove eksploatacije.</s><s>U skladu sa tim, ekonomičnije je razvijati i testirati povezujući sistem ili deo sistema sa HIL simulatorom nego sa celim postrojenjem ili fabrikom.</s><s>Za proizvođače mlaznih motora, HIL simulacija je osnovni deo razvoja samog motora.</s><s>Razvoj sveobuhvatnih digitalnih kontrolera motora (engl.</s><s>Full Authority Digital Engine Controllers - FADEC) za vazuhoplove sa mlaznim motorima je ekstremni primer postrojenja sa visokim troškovima eksploatacije.</s><s>Svaki mlazni motor može koštati molione dolara.</s><s>Nasuprot tome, HIL simulator projektovan za testiranje kompletnih serija mlaznih motora i može da zahteva samo desetinu troškova jedanog motora testiranog u realnim uslovima.</s>

<s>Ljudski faktori u ranom procesu razvoja 
HIL simulacija je ključni korak u procesu razvoja gde su uključeni i ljudski faktori, metod koji obezbeđuje upotrebljivost i konzistentnost sistema pomoću ergonomije softvera, istraživanja ljudskih faktora i dizajna.</s><s>U domenu razvoja tehnologija testiranja i simulacije u realnom vremenu, razvoj koji uključuje i ljudske faktore je zadatak prikupljanja podataka o upotrebljivosti sistema na osnovu principa testiranja “čovek-u-petlji” za komponente koje će imati ljudski interfejs.</s>

<s>Primer testiranja upotrebljivosti je razvoj sistema komandi leta aviona (engl. fly-by-wire flight controls).</s><s>Ovaj sistem komandi eliminiše mehaničke veze između kontrole leta i kontrolnih površina aviona.</s><s>Senzori komuniciraju šta je traženi letni odgovor i zatim primenjuju realističnu povratnu silu na kontrolu komande leta aviona pomoću motora.</s><s>Ponašanje komandi leta aviona je definisano kontrolnim algoritmima.</s><s>Promene u parametrima algoritma mogu da rezultuju više ili manje letnog odgovora za datu komandu kontrole letenja.</s><s>Isto tako, promene u parametrima algoritma mogu da rezultuju u više ili manje povratne sile za dati ulaz za kontrolu letenja.</s><s>„Prave” vrednosti parametara su subjektivna mera.</s><s>Zbog toga je važno da se dobije ulazna informacija iz brojnih testiranja tipa “čovek-u-petlji” kako bi se dobile optimalne vrednosti parametara.</s>

<s>U slučaju razvoja kontrole sistema komandi leta, HIL simulacija se koristi da oponaša ljudske faktore.</s><s>Simulator leta obuhvata simulaciju aerodinamike, potiska motora, uslove okruženja, dinamiku kontrole leta i drugo.</s><s>Prototip kontrole sistema komandi leta je povezan sa simulatorom koji testira i procenjuje uspešnost leta pružajući različite parametre iz algoritma.</s>

<s>Alternativa HIL simulaciji za ljudske faktore i razvoj upotrebljivosti je postavljanje prototipa kontrole leta u rane prototipe letelica i testiranje upotrebljivosti tokom probnog leta.</s><s>Ovaj pristup ne zadovoljava četiri ranije navedena uslova.</s><s>Troškovi: Cena probnog leta je veoma visoka i iz tog razloga cilj je smanjiti svaki oblik razvoja koji se obavlja putem probnog leta.</s><s>Trajanje: Razvoj kontrole leta putem probnih letova produžiće trajanje programa razvoja aviona.</s><s>Koristeći HIL simulaciju, kontrole leta mogu se razviti i pre nego što je pravi avion dostupan.</s><s>Bezbednost: Korišćenje probnog leta za razvoj kritičnih komponenti kao što su kontrole leta ima velike sigurnosne implikacije.</s><s>Ukoliko se pojave greške u projektu prototipa sistema kontrole leta, rezultat bi mogao biti prinudno sletanje ili avionska nesreća.</s><s>Izvodljivost: Možda neće biti moguće istražiti neke proračune u kritičnim vremenskim tačkama (na primer, sekvence akcije korisnika sa preciznošću u milisekundama) sa realnim korisnicima koji rade u postrojenju.</s><s>Isto tako, za problematične tačke u parametrima prostora koji ne mogu biti lako dostupni sa realnim postrojenjem moraju se testirati u odnosu na hardver koji je fokus testiranja.</s>

<s>Korišćenje u različitim sistemima</s>

<s>Automobilski sistemi 
U kontekstu automobilskih aplikacija “sistema za simulaciju sa hardverom u petlji pružaju virtuelna vozila za validaciju i verifikaciju sistema”.</s><s>Pošto su probne vožnje na vozilu za procenu performansi i dijagnostikovanje funkcionalnosti sistema za upravljanje motorom često veoma dugotrajane, skupe i  ne mogu se ponavljati, HIL simulatori omogućavaju razvojnim timovima (programerima i inženjerima) da potvrde ispravnost novih hardverskih i softverskih rešenja za automobilske sisteme, poštujući pri tome zahteve ispunjavanja kvaliteta i kratkih rokovaza izbacivanje proizvoda na tržište.</s><s>U tipičnom HIL simulatoru, posebno projektovani procesor za simulacije u realnom vremenu izvršava matematičke modele koji oponašaju dinamiku motora u realnom vremenu.</s><s>Pored toga, ulazno-izlazna jedinica omogućava povezivanje senzora i aktuatora vozila (gde je obično prisutan visok stepen nelinearnosti).</s><s>I na kraju, elektronska jedinica za kontrolu (eng. Electronic Control Unit, ECU) koja se testira priključena je na sistem i stimulisana  nizom manevara vozila izvršenih od strane simulatora.</s><s>U ovoj pogledu, HIL simulacija takođe omogućava i visok stepen ponovljivosti testiranja.</s>

<s>U postojećoj literaturi spominje senekoliko specifičnih HIL aplikacija i pojednostavljenih HIL simulatora koji su izrađeniu skladu saspecifičnim potrebama.</s><s>Kada se, na primer, testira novi softver za ECU, eksperimenti se mogu vršiti u otvorenoj petlji i iz tog razloga nekoliko dinamičkih modela motora više nije potrebno.</s><s>Ova strategija testiranja je ograničena na analizu ECU izlaza kada ih pobuđuju kontrolisani inputi.</s><s>U ovom slučaju, Mikro HIL sistem (MHIL) nudi jednostavnije i ekonomičnije rešenje.</s><s>Budući da je složenost procesiranja modela umanjena, klasični HIL sistem za testiranja može da se smanji u formu prenosnog uređaja koji čine signalni generator, ploča sa ulazima i izlazima i konzola na kojoj se nalaze aktuatori (spoljašnji potrošači) koji bi trebalo da budu spojeni na ECU.</s>

<s>Energetska elektronika 
Simulacija hardevera u petlji za sisteme energetske elektronike predstavlja sledeći kvantni skok u evoluciji HIL tehnologija.</s><s>Mogućnost da se i sistemi energetske elektronike projektuju i automatski testiraju putem HIL simulacija, skratiće razvojni ciklus, povećati efikasnost, poboljšati pouzdanost i sigurnost tih sistema u raznim oblicima njihove primene.</s><s>Zaista, energetska elektronika predstavlja ključnu tehnologiju koja omogućava razvoj hibridnih električnih vozila, električnih vozila, vetrogeneratora promenljive brzine, solarnih fotonaponskih sistema, sistema za automatizaciju industrijskih procesa, električnih vozova itd.</s>

<s>Postoje najmanje tri jaka razloga za korišćenje simulacija hardvera u petlji u okviru energetske elektronike:
 skraćivanje razvojnog ciklusa,
 potreba za opsežnim testiranjem kontrolnog hardvera i softvera kako bi se zadovoljili zahtevi i zahtevi u pogledu sigurnosti i kvaliteta,
 potreba za sprečavanjem skupih i opasnih kvarova ili propusta.</s><s>Postavlja se pitanje zašto su sistemi energetske elektronike toliko različiti ako se ima u vidu da se HIL tehnologije već decenijama koriste u avionskoj i automobilskoj industriji.</s><s>Sistemi energetske elektronike su klasa dinamičkih sistema koji ispoljavaju ekstremno brzu dinamiku zbog visoke frekvencije rada prekidača  (npr. IGBT, MOSFET, IGCT, diode itd.).</s>

<s>Simulacije u realnom vremenu tranzistorskih prekidača zahtevaju procesore čije zahteve u pogledu  brzine i latencije ne mogu da ispune standardni personalni računari.</s><s>Proizvođači HIL sistema taj problem su rešili primenom FPGA/SOC platformi koje su i do 100 puta brže od tradicionalnih račuanrskih metoda izračunavanja, čime se postiže visoka rezolucija HIL sistema neophodna za simulacije u domenu energetske elektronike.</s>

<s>Radar 
Simulacije hardvera u petlji za radarske sisteme razvile su se iz sistema za ometanje radara.</s><s>Sistemi digitalne radiofrekvencijske memorije (eng. Digital Radio Frequency Memory, DRFM) tipično se koriste za kreiranje lažnog cilja kako bi zbunili radare na bojnom polju, ali ti isti sistemi mogu simulirati i metu u laboratoriji.</s><s>Ova konfiguracija omogućava testiranje i evaluaciju radarskog sistema, smanjuje potrebu za probnim letovima sa prototipovima radarskih sistema (za radarske sisteme koji se montiraju u avione) i terenskim testovima (za radare čija je namena pretraživanje ili praćenje meta), a može dati i ranu indikaciju osetljivosti i ranjivosti radara na različite tehnike elektronskog ratovanja (engl.</s><s>Electronic warfare (EW) techniques).</s>

<s>Robotika 
Tehnike za simulaciju hardvera u petlji odnedavno se primenjuju za automatsko generisanje složenih kontrolera za robote.</s><s>Robot koristi svoj pravi hardver za izdvajanje podataka sa senzora i kontrolnih signala, a zatim koristi ove podatke da zaključi fizičku simulaciju (samo-model) koji sadrži aspekte kao što su sopstvena morfologija, kao i karakteristika okruženja.</s><s>Algoritmi kao što su povratak u realnost (eng. Back-to-Reality, (BTR) i procena istraživanja; eng. Estimation Exploration EEA) predložene su u ovom kontekstu.</s>

<s>Energetski sistemi 
U nekoliko poslednjih godina, HIL u energetskim sistemima korišćen je za verifikaciju stabilnosti, operacije i tolerancije kvarova velikih elektroenergetskih sistema i električnih mreža.</s><s>Postojeća generacija procesnih platformi u realnom vremenu imaju sposobnost da modeluju energetske sisteme velikih razmera u realnom vremenu.</s><s>Ovo uključuje sisteme sa više od 10.000 povezanih generatora, opterećenja, uređaja za korekciju faktora snage i mrežnih interkonecija.</s><s>Ovi tipovi platformi za simulaciju omogućavaju procenu i testiranje energetskih sistema velikih razmera u realistično imitiranom okruženju.</s><s>Štaviše, HIL za energetske sisteme je korićen za istraživanje integracije distributivnih resursa, naredne generacije SCADA sistema i upravljanje energijom jedinica i statičkih sinhronizovanih kompenzatora uređaja.</s>

<s>Pomorski sistemi 
U pomoskom inženjerstvu, kontrolsni sistemi i mehaničke strukture su uglavnom projektovane paralelno.</s><s>Testiranje sistema kontrole moguće je tek nakon integracije.</s><s>Kao rezultat pronađene su mnoge greške i otkriveno je da moraju biti rešene tokom puštanja u rad sa rizicima telesnih povreda, oštećenja opeme i kašnjenja.</s><s>Kako bi se smanile ove greške, HIL simulacija dobija na značaju.</s><s>Ovo se ogleda u usvajanju HIL silmulacije po pravilima od strane sertifikaciong tela i asocijacije Det Norske Veritas.</s>

<s>Reference</s>

<s>Spoljašnje veze 
 Kontrola testiranja hardverom u petlji cHIL “HIL Hardware”
 O hardveru u petlji  “Hardware In the Loop”
 Uvod u simulacije hardvera u petlji “Introduction to Hardware-in-the-Loop Simulation”</s>

<s>Računarstvo</s>

