محاكاة الأجهزة في الحلقة

📅 آخر تحديث: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

محاكاة الأجهزة في الحلقة ( HIL ) ، والمعروفة أيضًا بالاختصارات المختلفة مثل HiL و HITL و HWIL ، هي تقنية تُستخدم في تطوير واختبار الأنظمة المدمجة المعقدة التي تعمل في الوقت الحقيقي. توفر محاكاة HIL منصة اختبار فعالة من خلال إضافة تعقيد نظام العملية والمشغل، المعروف باسم " النظام" ، إلى منصة الاختبار. يتم تضمين تعقيد النظام الخاضع للتحكم في الاختبار والتطوير من خلال إضافة تمثيل رياضي لجميع الأنظمة الديناميكية ذات الصلة . تُعرف هذه التمثيلات الرياضية باسم "محاكاة النظام". يتفاعل النظام المدمج المراد اختباره مع محاكاة النظام هذه.

كيف يعمل نظام HIL

يجب أن تتضمن محاكاة HIL محاكاة كهربائية لأجهزة الاستشعار والمشغلات. تعمل هذه المحاكاة الكهربائية كواجهة بين محاكاة النظام والنظام المدمج قيد الاختبار . يتم التحكم في قيمة كل مستشعر مُحاكى كهربائيًا بواسطة محاكاة النظام، ويقرأها النظام المدمج قيد الاختبار (التغذية الراجعة). وبالمثل، يُنفذ النظام المدمج قيد الاختبار خوارزميات التحكم الخاصة به عن طريق إخراج إشارات تحكم المشغلات. تؤدي التغييرات في إشارات التحكم إلى تغييرات في قيم المتغيرات في محاكاة النظام.

على سبيل المثال، قد تحتوي منصة محاكاة HIL لتطوير أنظمة الفرامل المانعة للانغلاق للسيارات على تمثيلات رياضية لكل من الأنظمة الفرعية التالية في محاكاة المصنع: [ 1 ]

  • ديناميكيات المركبة ، مثل نظام التعليق والعجلات والإطارات والدوران والميل والانحراف؛
  • ديناميكيات المكونات الهيدروليكية لنظام الفرامل؛
  • خصائص الطريق.

الاستخدامات

في كثير من الحالات، تكون الطريقة الأكثر فعالية لتطوير نظام مضمن هي ربط هذا النظام بالمصنع الحقيقي. وفي حالات أخرى، تكون محاكاة HIL أكثر كفاءة. عادةً ما يكون مقياس كفاءة التطوير والاختبار عبارة عن معادلة تتضمن العوامل التالية: 1. التكلفة 2. المدة 3. السلامة 4. الجدوى

ينبغي أن تكون تكلفة المنهج مقياسًا لتكلفة جميع الأدوات والجهود المبذولة. تؤثر مدة التطوير والاختبار على وقت طرح المنتج المخطط له في السوق. عادةً ما يُعادل عامل الأمان ومدة التطوير مقياسًا للتكلفة. تشمل الشروط المحددة التي تستدعي استخدام محاكاة HIL ما يلي:

  • تحسين جودة الاختبار
  • جداول تطوير ضيقة
  • محطة ذات معدل عبء مرتفع
  • تطوير العوامل البشرية في المراحل المبكرة

تحسين جودة الاختبار

يُحسّن استخدام أنظمة المحاكاة في الحلقة (HILs) جودة الاختبار من خلال توسيع نطاقه. من الناحية المثالية، يُختبر النظام المُدمج في بيئة المصنع الحقيقي، ولكن في أغلب الأحيان يفرض المصنع الحقيقي نفسه قيودًا على نطاق الاختبار. على سبيل المثال، قد يُؤدي اختبار وحدة تحكم المحرك كما لو كانت مصنعًا حقيقيًا إلى خلق ظروف خطيرة لمهندس الاختبار ، وهي:

  • الاختبار عند أو خارج نطاق معلمات وحدة التحكم الإلكترونية المحددة (مثل معلمات المحرك وما إلى ذلك).
  • اختبار النظام والتحقق منه في ظروف الفشل

في سيناريوهات الاختبار المذكورة أعلاه، يوفر نظام HIL التحكم الفعال والبيئة الآمنة حيث يمكن لمهندس الاختبار أو التطبيق التركيز على وظائف وحدة التحكم.

جداول تطوير ضيقة

لا تسمح جداول التطوير الضيقة المرتبطة بمعظم برامج السيارات والفضاء والدفاع الجديدة بتأجيل اختبار الأنظمة المدمجة إلى حين توفر نموذج أولي. في الواقع، تفترض معظم جداول التطوير الجديدة استخدام محاكاة HIL بالتوازي مع تطوير المصنع. على سبيل المثال، بحلول الوقت الذي يصبح فيه نموذج أولي لمحرك سيارة جديد متاحًا لاختبار نظام التحكم، يكون 95% من اختبار وحدة تحكم المحرك قد اكتمل باستخدام محاكاة HIL .

من المرجح أن تفرض صناعات الطيران والدفاع جدولاً زمنياً ضيقاً للتطوير. وتستخدم برامج تطوير الطائرات والمركبات البرية برامج المحاكاة المكتبية وبرامج المحاكاة في الحلقة (HIL) لتنفيذ التصميم والاختبار والتكامل بالتوازي.

محطة ذات معدل عبء مرتفع

في كثير من الحالات، يكون المصنع أكثر تكلفة من جهاز محاكاة عالي الدقة يعمل في الوقت الفعلي، وبالتالي يكون معدل عبئه أعلى. لذلك، يُعدّ تطويره واختباره أثناء اتصاله بجهاز محاكاة HIL أكثر اقتصادية من المصنع الحقيقي. بالنسبة لمصنّعي محركات الطائرات النفاثة، تُشكّل محاكاة HIL جزءًا أساسيًا من تطوير المحرك. ويُعدّ تطوير وحدات التحكم الرقمية الكاملة للمحركات ( FADEC ) لمحركات الطائرات النفاثة مثالًا صارخًا على المصنع ذي معدل العبء العالي. إذ قد تصل تكلفة كل محرك نفاث إلى ملايين الدولارات. في المقابل، قد لا تتجاوز تكلفة جهاز محاكاة HIL المصمم لاختبار خط إنتاج كامل لمحركات الطائرات النفاثة عُشر تكلفة محرك واحد.

تطوير العوامل البشرية في المراحل المبكرة

تُعدّ محاكاة HIL خطوةً أساسيةً في عملية تطوير العوامل البشرية، وهي منهجيةٌ لضمان سهولة الاستخدام واتساق النظام باستخدام هندسة البرمجيات، وبحوث العوامل البشرية، والتصميم. بالنسبة لتقنيات الوقت الحقيقي، يتمثل تطوير العوامل البشرية في جمع بيانات سهولة الاستخدام من خلال اختبارات التفاعل البشري للمكونات التي ستتضمن واجهةً بشرية.

من أمثلة اختبارات سهولة الاستخدام تطوير أنظمة التحكم الإلكتروني في الطيران . تعمل هذه الأنظمة على إلغاء الوصلات الميكانيكية بين أدوات التحكم في الطيران وأسطح التحكم في الطائرة. إذ تقوم المستشعرات بنقل استجابة الطيران المطلوبة، ثم تُطبّق ردود فعل واقعية للقوة على أنظمة التحكم الإلكتروني باستخدام المحركات. ويُحدد سلوك هذه الأنظمة بواسطة خوارزميات التحكم. ويمكن أن تُترجم التغييرات في معلمات الخوارزمية إلى استجابة طيران أكبر أو أقل من مدخلات التحكم المُعطاة. وبالمثل، يمكن أن تُترجم هذه التغييرات أيضًا إلى ردود فعل قوة أكبر أو أقل لنفس مدخلات التحكم. وتُعدّ قيم المعلمات "الصحيحة" معيارًا نسبيًا، لذا من المهم الحصول على مدخلات من العديد من الاختبارات التي يُجريها الإنسان في حلقة التحكم للوصول إلى القيم المثلى للمعلمات.

في تطوير أنظمة التحكم الإلكتروني في الطيران، تُستخدم محاكاة HIL لمحاكاة العوامل البشرية. يتضمن جهاز محاكاة الطيران محاكاةً لديناميكيات الهواء، وقوة دفع المحرك، والظروف البيئية، وديناميكيات التحكم في الطيران، وغيرها. يتم توصيل نماذج أولية لأنظمة التحكم الإلكتروني في الطيران بجهاز المحاكاة، ويقوم طيارو الاختبار بتقييم أداء الطيران بناءً على معايير خوارزمية متنوعة.

يُعدّ وضع نماذج أولية لأنظمة التحكم في الطيران في نماذج أولية للطائرات واختبار سهولة استخدامها أثناء اختبار الطيران بديلاً لمحاكاة HIL في مجال العوامل البشرية وتطوير سهولة الاستخدام . إلا أن هذا النهج يفشل عند قياس الشروط الأربعة المذكورة أعلاه. التكلفة: يُعدّ اختبار الطيران مكلفًا للغاية، ولذلك يهدف إلى تقليل أي تطوير يتم بالتزامن معه. المدة: سيؤدي تطوير أنظمة التحكم في الطيران بالتزامن مع اختبار الطيران إلى إطالة مدة برنامج تطوير الطائرة. باستخدام محاكاة HIL، يمكن تطوير أنظمة التحكم في الطيران قبل توفر طائرة حقيقية بفترة طويلة. السلامة: يُعدّ استخدام اختبار الطيران لتطوير المكونات الحيوية، مثل أنظمة التحكم في الطيران، ذا أهمية بالغة للسلامة. ففي حال وجود أخطاء في تصميم نماذج أنظمة التحكم في الطيران الأولية، قد يؤدي ذلك إلى هبوط اضطراري. الجدوى: قد لا يكون من الممكن استكشاف بعض التوقيتات الحرجة (مثل تسلسل إجراءات المستخدم بدقة أجزاء من الألف من الثانية) مع مستخدمين حقيقيين يُشغّلون الطائرة. وينطبق الأمر نفسه على النقاط الإشكالية في فضاء المعلمات التي قد لا يُمكن الوصول إليها بسهولة باستخدام طائرة حقيقية، ولكن يجب اختبارها على الأجهزة المعنية.

الاستخدام في مختلف التخصصات

أنظمة السيارات

في سياق تطبيقات السيارات، توفر أنظمة محاكاة الأجهزة في الحلقة (HIL) مركبة افتراضية للتحقق من صحة الأنظمة والتحقق من أدائها. [ 2 ] ونظرًا لأن اختبارات القيادة داخل المركبة لتقييم أداء ووظائف تشخيص أنظمة إدارة المحرك غالبًا ما تكون مُستهلكة للوقت ومكلفة وغير قابلة للتكرار، فإن محاكيات HIL تُمكّن المطورين من التحقق من صحة حلول الأجهزة والبرامج الجديدة للسيارات، مع مراعاة متطلبات الجودة وقيود وقت طرح المنتج في السوق . في محاكي HIL نموذجي، يقوم معالج مخصص يعمل في الوقت الحقيقي بتنفيذ نماذج رياضية تُحاكي ديناميكيات المحرك. بالإضافة إلى ذلك، تسمح وحدة الإدخال/الإخراج بتوصيل مستشعرات ومحركات المركبة (التي عادةً ما تُظهر درجة عالية من اللاخطية). وأخيرًا، يتم توصيل وحدة التحكم الإلكترونية (ECU) قيد الاختبار بالنظام وتحفيزها من خلال مجموعة من مناورات المركبة التي يُنفذها المحاكي. عند هذه النقطة، توفر محاكاة HIL أيضًا درجة عالية من التكرار أثناء مرحلة الاختبار.

في الأدبيات، تم الإبلاغ عن العديد من التطبيقات الخاصة بتقنية المحاكاة في الحلقة (HIL)، كما تم بناء محاكيات HIL مبسطة وفقًا لأهداف محددة. [ 1 ] [ 3 ] [ 4 ] عند اختبار إصدار جديد من برنامج وحدة التحكم الإلكترونية (ECU)، على سبيل المثال، يمكن إجراء التجارب في حلقة مفتوحة، وبالتالي لم تعد هناك حاجة إلى العديد من نماذج ديناميكيات المحرك. تقتصر هذه الاستراتيجية على تحليل مخرجات وحدة التحكم الإلكترونية عند تحفيزها بمدخلات مُتحكم بها. في هذه الحالة، يوفر نظام المحاكاة في الحلقة المصغر (MHIL) حلاً أبسط وأكثر اقتصادية. [ 5 ] نظرًا لتبسيط معالجة النماذج، يتم اختزال نظام HIL كامل الحجم إلى جهاز محمول يتكون من مولد إشارة ، ولوحة إدخال/إخراج ، ووحدة تحكم تحتوي على المشغلات (الأحمال الخارجية) المراد توصيلها بوحدة التحكم الإلكترونية.

رادار

تطورت محاكاة الأنظمة الرادارية باستخدام تقنية المحاكاة في الحلقة (HIL) من التشويش الراداري. تُستخدم أنظمة ذاكرة الترددات الراديوية الرقمية (DRFM) عادةً لإنشاء أهداف وهمية لتضليل الرادار في ساحة المعركة، ولكن يمكن لهذه الأنظمة نفسها محاكاة هدف في المختبر. يتيح هذا التكوين اختبار وتقييم نظام الرادار، مما يقلل الحاجة إلى التجارب الجوية (لأنظمة الرادار المحمولة جواً) والاختبارات الميدانية (لرادارات البحث أو التتبع)، ويمكن أن يوفر مؤشراً مبكراً على مدى تأثر الرادار بتقنيات الحرب الإلكترونية .

الروبوتات

طُبقت تقنيات محاكاة HIL مؤخرًا على التوليد التلقائي لوحدات تحكم معقدة للروبوتات. يستخدم الروبوت مكوناته المادية الحقيقية لاستخراج بيانات الإحساس والتشغيل، ثم يستخدم هذه البيانات لاستنتاج محاكاة فيزيائية (نموذج ذاتي) تتضمن جوانب مثل بنيته وخصائص البيئة المحيطة. وقد طُرحت خوارزميات مثل العودة إلى الواقع [ 6 ] (BTR) واستكشاف التقدير [ 7 ] (EEA) في هذا السياق.

أنظمة الطاقة

في السنوات الأخيرة، استُخدمت تقنية المحاكاة في الحلقة (HIL) لأنظمة الطاقة للتحقق من استقرار وتشغيل وتحمل الأعطال في الشبكات الكهربائية واسعة النطاق . تتمتع منصات المعالجة الآنية من الجيل الحالي بالقدرة على نمذجة أنظمة الطاقة واسعة النطاق في الوقت الفعلي. ويشمل ذلك الأنظمة التي تضم أكثر من 10000 ناقل مع المولدات والأحمال وأجهزة تصحيح معامل القدرة ووصلات الشبكة المرتبطة بها. [ 8 ] تُمكّن هذه الأنواع من منصات المحاكاة من تقييم واختبار أنظمة الطاقة واسعة النطاق في بيئة محاكاة واقعية. علاوة على ذلك، استُخدمت تقنية المحاكاة في الحلقة (HIL) لأنظمة الطاقة لدراسة تكامل الموارد الموزعة، وأنظمة SCADA من الجيل التالي، ووحدات إدارة الطاقة ، وأجهزة التعويض التزامنية الثابتة . [ 9 ]

أنظمة بحرية

في هندسة المنشآت البحرية، تُصمَّم أنظمة التحكم والهياكل الميكانيكية عادةً بشكل متوازٍ. ولا يُمكن اختبار أنظمة التحكم إلا بعد دمجها. ونتيجةً لذلك، تُكتشف العديد من الأخطاء التي يجب حلّها أثناء التشغيل، مما يُعرِّض الأفراد لمخاطر الإصابات وتلف المعدات والتأخير. وللحدّ من هذه الأخطاء، تحظى محاكاة HIL باهتمام واسع النطاق. [ 10 ] ويتجلى ذلك في اعتماد محاكاة HIL في قواعد Det Norske Veritas . [ 11 ]

توجيه الصواريخ والتحكم بها

تتيح محاكاة بيانات التغذية الراجعة من أجهزة الاستشعار لأنظمة توجيه الصواريخ للمطورين محاكاة مستشعرات الوضع وتسجيل بيانات أنظمة توجيه الدفع وأجهزة التحكم الديناميكية الهوائية لاختبار خوارزميات التحكم الخاصة بهم في المختبر. كما يتيح توفير ظروف عطل لأجهزة استشعار نظام التحكم في الصواريخ مراقبة كيفية استجابة أنظمة التوجيه لتلك الأعطال. ويمكن من خلال هذه التقنية مراقبة مرونة النظام وتحسينها لاحقًا. [ 12 ] [ 13 ]

مراجع

  1. 1 2 T. Hwang, J. Rohl, K. Park, J. Hwang, KH Lee, K. Lee, S.-J. Lee, and Y.-J. Kim, “تطوير أنظمة HIL لأنظمة التحكم النشط في الفرامل”، المؤتمر الدولي المشترك SICE-ICASE ، 2006.
  2. ↑ 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.
  3. ↑ أ. سيبي، ل. جوفينك، م. ديميرسي، ج. كارادينيز، ك. كانار، و إ. جوراسلان، "نظام اختبار منخفض التكلفة وقابل للنقل لوحدة التحكم الإلكترونية للمحرك مع الأجهزة في الحلقة"، وقائع الندوة الدولية لـ IEEE حول الإلكترونيات الصناعية ، 2005.
  4. ↑ J. Du, Y. Wang, C. Yang, and H. Wang, “Hardware-in-the-loop simulation approach to testing controller of sequential turbochargening system”, Proceedings of the IEEE International Conference on Automation and Logistics , 2007.
  5. ↑ أ. بالادينو، ج. فيينجو، ف. جيوفانيني، و د. لانزو، "نظام اختبار الأجهزة الدقيقة في الحلقة"، مؤتمر IEEE الأوروبي للتحكم ، 2009.
  6. ↑ زاغال، جيه سي، رويز-ديل-سولار، جيه، فاليخوس، بي. (2004) العودة إلى الواقع: عبور فجوة الواقع في الروبوتات التطورية. في IAV 2004: وقائع الندوة الخامسة للاتحاد الدولي للتحكم الآلي حول المركبات الذكية ذاتية القيادة، دار نشر إلسيفير للعلوم BV
  7. ↑ بونغارد، جي سي، ليبسون، إتش. (2004) "مرة أخرى إلى المعركة: الضبط الآلي لمحاكاة الروبوت باستخدام خوارزمية تطورية عكسية"، وقائع المؤتمر الدولي التاسع حول الحياة الاصطناعية (ALIFE IX)
  8. ↑ "محاكي استقرار النظام العابر في الوقت الحقيقي ePHASORsim" (ملف PDF) . مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 26 أغسطس 2014. تم الاطلاع عليه بتاريخ 23 نوفمبر 2013 .
  9. ↑ الحموري، أ. ت.؛ نوردستروم، ل.؛ شينين، م.؛ فانفريتي، ل.؛ هونيث، ن.؛ ليلاروجي، ر. (22 يوليو 2012). "محاكاة افتراضية لوحدات قياس الطور المتزامنة ضمن محاكيات الوقت الحقيقي لتطبيقات الشبكة الذكية" . الاجتماع العام لجمعية الطاقة والكهرباء التابعة لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات لعام 2012. الاجتماع العام لجمعية الطاقة والكهرباء، معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات، 2012. الصفحات 1-7 . doi : 10.1109/PESGM.2012.6344949 . ISBN  978-1-4673-2729-9. S2CID 10605905 . 
  10. ↑ جوهانسن، تي إيه؛ فوسن، تي آي؛ فيك، بي. (2005). اختبار أنظمة DP باستخدام الأجهزة في الحلقة . مؤتمر DP. هيوستن.
  11. ↑ DNV. قواعد تصنيف السفن، الجزء 7 الفصل 1 القسم 7 أولاً: التحقق المحسن من النظام - SiO، 2010
  12. ↑ سيوريس، جورج م. (2004). أنظمة توجيه الصواريخ والتحكم بها (الطبعة الأولى، 2004 ). نيويورك، نيويورك: دار نشر سبرينغر. ISBN  978-1-4419-1835-2.{{cite book}}: CS1 maint: publisher location ( link )
  13. ↑ ستيوارت، إلوود سي؛ سميث، جيرالد إل. (1959-04-01). "توليف أنظمة توجيه الصواريخ المثلى باستخدام المدخلات الإحصائية" . مذكرة ناسا : 62 - عبر خادم التقارير الفنية التابع لناسا (NTRS).