La simulación de hardware en el circuito ( HIL ) , también conocida por varios acrónimos como HiL , HITL y HWIL , es una técnica que se utiliza en el desarrollo y prueba de sistemas integrados complejos en tiempo real . La simulación HIL proporciona una plataforma de prueba eficaz al agregar la complejidad del sistema de proceso-actuador, conocido como planta , a la plataforma de prueba. La complejidad de la planta bajo control se incluye en las pruebas y el desarrollo al agregar una representación matemática de todos los sistemas dinámicos relacionados . Estas representaciones matemáticas se conocen como "simulación de planta". El sistema integrado que se va a probar interactúa con esta simulación de planta.
La simulación HIL debe incluir la emulación eléctrica de sensores y actuadores. Estas emulaciones eléctricas actúan como interfaz entre la simulación de la planta y el sistema integrado en prueba. El valor de cada sensor emulado eléctricamente es controlado por la simulación de la planta y es leído por el sistema integrado en prueba (retroalimentación). Asimismo, el sistema integrado en prueba implementa sus algoritmos de control mediante la emisión de señales de control del actuador. Los cambios en las señales de control dan como resultado cambios en los valores de las variables en la simulación de la planta.
Por ejemplo, una plataforma de simulación HIL para el desarrollo de sistemas de frenos antibloqueo de automóviles puede tener representaciones matemáticas para cada uno de los siguientes subsistemas en la simulación de la planta: [1]
En muchos casos, la forma más eficaz de desarrollar un sistema integrado es conectarlo a la planta real. En otros casos, la simulación HIL es más eficiente. La métrica de la eficiencia del desarrollo y las pruebas suele ser una fórmula que incluye los siguientes factores: 1. Costo 2. Duración 3. Seguridad 4. Viabilidad
El costo del enfoque debe ser una medida del costo de todas las herramientas y el esfuerzo. La duración del desarrollo y las pruebas afectan el tiempo de comercialización de un producto planificado. El factor de seguridad y la duración del desarrollo se equiparan normalmente a una medida de costo. Las condiciones específicas que justifican el uso de la simulación HIL incluyen las siguientes:
El uso de HIL mejora la calidad de las pruebas al aumentar el alcance de las mismas. Lo ideal sería probar un sistema integrado en una planta real, pero la mayoría de las veces la propia planta real impone limitaciones en cuanto al alcance de las pruebas. Por ejemplo, probar una unidad de control de motor como si fuera una planta real puede generar las siguientes condiciones peligrosas para el ingeniero de pruebas:
En los escenarios de prueba mencionados anteriormente, HIL proporciona un control eficiente y un entorno seguro donde el ingeniero de pruebas o aplicaciones puede centrarse en la funcionalidad del controlador.
Los ajustados cronogramas de desarrollo asociados con la mayoría de los nuevos programas de automoción, aeroespacial y defensa no permiten que las pruebas de sistemas integrados esperen a que esté disponible un prototipo. De hecho, la mayoría de los nuevos cronogramas de desarrollo suponen que la simulación HIL se utilizará en paralelo con el desarrollo de la planta. Por ejemplo, cuando un nuevo prototipo de motor de automóvil esté disponible para las pruebas del sistema de control, el 95% de las pruebas del controlador del motor se habrán completado utilizando la simulación HIL [ cita requerida ] .
Es aún más probable que las industrias aeroespacial y de defensa impongan un cronograma de desarrollo estricto. Los programas de desarrollo de aeronaves y vehículos terrestres utilizan simulación de escritorio y de HIL para realizar el diseño, las pruebas y la integración en paralelo.
En muchos casos, la planta es más cara que un simulador de alta fidelidad en tiempo real y, por lo tanto, tiene una tasa de carga más alta. Por lo tanto, es más económico desarrollar y probar mientras está conectado a un simulador HIL que la planta real. Para los fabricantes de motores a reacción, la simulación HIL es una parte fundamental del desarrollo del motor. El desarrollo de controladores digitales de motor de autoridad total (FADEC) para motores a reacción de aeronaves es un ejemplo extremo de una planta con una tasa de carga alta. Cada motor a reacción puede costar millones de dólares. En cambio, un simulador HIL diseñado para probar la línea completa de motores de un fabricante de motores a reacción puede demandar apenas una décima parte del costo de un solo motor.
La simulación HIL es un paso clave en el proceso de desarrollo de factores humanos, un método para garantizar la usabilidad y la consistencia del sistema mediante la ergonomía del software, la investigación y el diseño de factores humanos. En el caso de la tecnología en tiempo real, el desarrollo de factores humanos es la tarea de recopilar datos de usabilidad a partir de pruebas de interacción humana para componentes que tendrán una interfaz humana.
Un ejemplo de pruebas de usabilidad es el desarrollo de controles de vuelo fly-by-wire . Los controles de vuelo fly-by-wire eliminan los vínculos mecánicos entre los controles de vuelo y las superficies de control de la aeronave. Los sensores comunican la respuesta de vuelo demandada y luego aplican una retroalimentación de fuerza realista a los controles fly-by-wire utilizando motores. El comportamiento de los controles de vuelo fly-by-wire está definido por algoritmos de control. Los cambios en los parámetros del algoritmo pueden traducirse en una mayor o menor respuesta de vuelo a partir de una entrada de control de vuelo dada. Del mismo modo, los cambios en los parámetros del algoritmo también pueden traducirse en una mayor o menor retroalimentación de fuerza para una entrada de control de vuelo dada. Los valores de los parámetros "correctos" son una medida subjetiva. Por lo tanto, es importante obtener información de numerosas pruebas man-in-the-loop para obtener valores de parámetros óptimos.
En el caso del desarrollo de controles de vuelo fly-by-wire, se utiliza la simulación HIL para simular los factores humanos. El simulador de vuelo incluye simulaciones de la planta de aerodinámica, empuje del motor, condiciones ambientales, dinámica de control de vuelo y más. Los prototipos de controles de vuelo fly-by-wire están conectados al simulador y los pilotos de prueba evalúan el rendimiento del vuelo según varios parámetros del algoritmo.
La alternativa a la simulación HIL para el desarrollo de factores humanos y usabilidad es colocar controles de vuelo prototipos en prototipos de aeronaves tempranas y probar la usabilidad durante la prueba de vuelo . Este enfoque falla cuando se miden las cuatro condiciones enumeradas anteriormente. Costo: una prueba de vuelo es extremadamente costosa y, por lo tanto, el objetivo es minimizar cualquier desarrollo que ocurra con la prueba de vuelo. Duración: desarrollar controles de vuelo con pruebas de vuelo extenderá la duración de un programa de desarrollo de aeronaves. Usando simulación HIL, los controles de vuelo pueden desarrollarse mucho antes de que una aeronave real esté disponible. Seguridad: usar pruebas de vuelo para el desarrollo de componentes críticos como controles de vuelo tiene una implicación de seguridad importante. Si hay errores presentes en el diseño de los controles de vuelo prototipo, el resultado podría ser un aterrizaje forzoso. Viabilidad: puede que no sea posible explorar ciertos tiempos críticos (por ejemplo, secuencias de acciones del usuario con precisión de milisegundos) con usuarios reales operando una planta. Lo mismo ocurre con los puntos problemáticos en el espacio de parámetros que pueden no ser fácilmente accesibles con una planta real pero que deben probarse contra el hardware en cuestión.
En el contexto de las aplicaciones automotrices, "los sistemas de simulación de hardware en el circuito proporcionan un vehículo virtual para la validación y verificación de sistemas". [2] Dado que las pruebas de conducción en el vehículo para evaluar el rendimiento y las funcionalidades de diagnóstico de los sistemas de gestión del motor suelen requerir mucho tiempo, son caras y no son reproducibles, los simuladores HIL permiten a los desarrolladores validar nuevas soluciones de hardware y software para la automoción, respetando los requisitos de calidad y las restricciones de tiempo de comercialización . En un simulador HIL típico, un procesador dedicado en tiempo real ejecuta modelos matemáticos que emulan la dinámica del motor. Además, una unidad de E/S permite la conexión de sensores y actuadores del vehículo (que suelen presentar un alto grado de no linealidad). Finalmente, la unidad de control electrónico (ECU) bajo prueba se conecta al sistema y se estimula mediante un conjunto de maniobras del vehículo ejecutadas por el simulador. En este punto, la simulación HIL también ofrece un alto grado de repetibilidad durante la fase de prueba.
En la literatura, se informan varias aplicaciones específicas de HIL y se construyeron simuladores HIL simplificados de acuerdo con algún propósito específico. [1] [3] [4] Al probar una nueva versión de software de ECU, por ejemplo, los experimentos se pueden realizar en bucle abierto y, por lo tanto, ya no se requieren varios modelos dinámicos de motor. La estrategia se restringe al análisis de las salidas de la ECU cuando se excitan con entradas controladas. En este caso, un sistema Micro HIL (MHIL) ofrece una solución más simple y económica. [5] Dado que se elimina la complejidad del procesamiento de los modelos, un sistema HIL de tamaño completo se reduce a un dispositivo portátil compuesto por un generador de señales, una placa de E/S y una consola que contiene los actuadores (cargas externas) que se conectarán a la ECU.
La simulación HIL para sistemas de radar ha evolucionado a partir de la interferencia de radar. Los sistemas de memoria de radiofrecuencia digital (DRFM) se utilizan normalmente para crear objetivos falsos con el fin de confundir al radar en el campo de batalla, pero estos mismos sistemas pueden simular un objetivo en el laboratorio. Esta configuración permite la prueba y evaluación del sistema de radar, lo que reduce la necesidad de realizar pruebas de vuelo (para sistemas de radar aerotransportados) y pruebas de campo (para radares de búsqueda o seguimiento), y puede proporcionar una indicación temprana de la susceptibilidad del radar a las técnicas de guerra electrónica (EW).
Recientemente se han aplicado técnicas de simulación HIL a la generación automática de controladores complejos para robots. Un robot utiliza su propio hardware real para extraer datos de sensaciones y actuación, y luego utiliza estos datos para inferir una simulación física (automodelo) que contiene aspectos como su propia morfología y características del entorno. En este contexto se han propuesto algoritmos como Back-to-Reality [6] (BTR) y Estimation Exploration [7] (EEA).
En los últimos años, HIL para sistemas de energía se ha utilizado para verificar la estabilidad, el funcionamiento y la tolerancia a fallas de redes eléctricas de gran escala . Las plataformas de procesamiento en tiempo real de la generación actual tienen la capacidad de modelar sistemas de energía a gran escala en tiempo real. Esto incluye sistemas con más de 10,000 buses con generadores asociados, cargas, dispositivos de corrección del factor de potencia e interconexiones de red. [8] Este tipo de plataformas de simulación permiten la evaluación y prueba de sistemas de energía a gran escala en un entorno emulado realista. Además, HIL para sistemas de energía se ha utilizado para investigar la integración de recursos distribuidos, sistemas SCADA de próxima generación y unidades de administración de energía , y dispositivos compensadores síncronos estáticos . [9]
En la ingeniería marina y offshore, los sistemas de control y las estructuras mecánicas generalmente se diseñan en paralelo. La prueba de los sistemas de control solo es posible después de la integración. Como resultado, se encuentran muchos errores que deben resolverse durante la puesta en servicio, con los riesgos de lesiones personales, daños en el equipo y demoras. Para reducir estos errores, la simulación HIL está ganando una amplia atención. [10] Esto se refleja en la adopción de la simulación HIL en las reglas de Det Norske Veritas . [11]