硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)及其在船舶行業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

楊 勇， 儲云澤， 奚嘯天

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

0 引 言

硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)通過將控制系統(tǒng)連接到硬件在環(huán)(Hardware-in-the-Loop, HIL)仿真模擬器上進行功能檢測，該技術(shù)具有靈便程度高、可重復(fù)性強、測試周期短、經(jīng)濟性良好等眾多優(yōu)點，同時避免了傳統(tǒng)測試中對人員和環(huán)境存在危害的可能性。目前，隨著智能化和信息化的不斷提高，無論是船舶還是海洋平臺，在海上運營和作業(yè)時越來越高度依賴于控制系統(tǒng)，因此，在船舶行業(yè)內(nèi)推廣與應(yīng)用硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)對控制系統(tǒng)的全面測試十分有必要。

1 硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)的特點與優(yōu)勢

在硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)中，控制系統(tǒng)連接到由計算機模擬的被控對象上，而模擬的被控對象將是對真實控制對象的準(zhǔn)確模擬，與真實的被控對象有一致的行為與輸入輸出關(guān)系。控制系統(tǒng)可以像控制真實被控對象一樣控制模擬被控對象。硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)結(jié)合了純物理仿真技術(shù)和純數(shù)字仿真技術(shù)的優(yōu)點[1]，有效避免了它們的缺點。硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)的主要優(yōu)點及與傳統(tǒng)技術(shù)的對比如下：

(1) 物理仿真技術(shù)過程直觀，但是耗時、耗力，所受限制較多，一些特殊或極端的工況無法進行仿真并檢測。相比于物理仿真技術(shù)，采用硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)能夠根據(jù)需求進行建模，并合理簡化，可大幅減輕控制系統(tǒng)開發(fā)和檢測過程中的工作量，提高研發(fā)效率。同時，在系統(tǒng)設(shè)計中可考慮更多的方案，包括極端工況測試等，并可進行重復(fù)性試驗。

(2) 數(shù)字仿真技術(shù)具有周期短、可重復(fù)性強等優(yōu)勢，但是準(zhǔn)確性不夠高，也受數(shù)學(xué)模型復(fù)雜程度和計算機性能的制約。相比于數(shù)字仿真技術(shù)，硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)由于接入了被測控制系統(tǒng)，結(jié)果更加直觀真實，提高了測試結(jié)果的可靠性，克服了數(shù)字仿真技術(shù)進行測試時的結(jié)果穩(wěn)定性和可靠性不高的缺點。

目前，硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)在汽車、航空、航天等領(lǐng)域已經(jīng)得到較為廣泛的應(yīng)用。隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，各類控制系統(tǒng)不斷增加，其研發(fā)與測試成為一項重要內(nèi)容。利用硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)可對各個控制系統(tǒng)進行大規(guī)模的測試并取得較好的效果，可減少實車試驗次數(shù)、降低系統(tǒng)開發(fā)費用、提高系統(tǒng)開發(fā)效率等。在航空工業(yè)中，測試各類控制系統(tǒng)成本較高，需花費大量人力、物力和財力，硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)的應(yīng)用顯著改善這種情況，該技術(shù)成為研發(fā)控制系統(tǒng)中必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

對于船舶行業(yè)而言，采用硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)，控制系統(tǒng)不用連接到真實環(huán)境，而是連接到硬件在環(huán)模擬器。在測試中，由于控制系統(tǒng)無法分辨真實環(huán)境與HIL仿真模擬器中虛擬環(huán)境之間的差異，被測的控制系統(tǒng)如同在真實環(huán)境中工作，通過模擬各種內(nèi)外界因素，檢測控制器在各種情況發(fā)生時的響應(yīng)，并找出設(shè)計錯誤與不足，硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)有助于對船舶控制系統(tǒng)進行系統(tǒng)測試，其與傳統(tǒng)測試的區(qū)別如圖1所示。

圖1 硬件在環(huán)仿真測試與傳統(tǒng)測試的區(qū)別

2 硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)關(guān)鍵要點

2.1 硬件搭建

系統(tǒng)仿真模型硬件載體、監(jiān)控硬件、接口硬件等是硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)的主要硬件組成部分[2]。硬件系統(tǒng)是整個硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)的基石，其搭建的合理性與性能配置直接關(guān)系到后期硬件在環(huán)仿真測試能否穩(wěn)定運行。在進行硬件搭建時需考慮滿足多方面的需求，包括高速運算及處理能力、良好的拓展性能、可適應(yīng)性強的輸入/輸出接口設(shè)置[3]、高可靠性和強大的軟件支持功能等。

2.2 軟件設(shè)計

硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的軟件設(shè)計需考慮控制邏輯的合理性和使用性，強大的人機交互界面，數(shù)據(jù)采集、分析和顯示能力，后處理能力等。基于現(xiàn)代控制理論，對軟件控制邏輯進行設(shè)計，可避免傳統(tǒng)方法的局限性，具有十分重要的意義。人機交互界面是軟件設(shè)計的另一個核心要點，其構(gòu)建了人機互動的橋梁。在測試過程中會涉及大量的試驗數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)的采集分析及后處理能力至關(guān)重要。

2.3 虛擬建模

硬件在環(huán)仿真測試虛擬建模技術(shù)是測試系統(tǒng)開發(fā)中十分重要的環(huán)節(jié)之一，與一般仿真技術(shù)僅起到演示的作用不同，其對虛擬建模技術(shù)要求十分嚴(yán)格，測試目的不同也會導(dǎo)致虛擬建模時考慮要點的改變。仿真模型必須能反映系統(tǒng)的時變性，能正確反饋系統(tǒng)的實際工作流程，并實時地體現(xiàn)其在控制系統(tǒng)作用下運行狀態(tài)的改變情況。

3 硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)在船舶行業(yè)中的應(yīng)用

3.1 運動控制和動力定位系統(tǒng)

為適應(yīng)現(xiàn)代航運業(yè)發(fā)展的需求，新造船舶正不斷向高航速、大噸位發(fā)展，同時隨著海上交通，特別是內(nèi)河水上交通船舶數(shù)量的增加，船舶運動控制系統(tǒng)的研發(fā)也面臨巨大挑戰(zhàn)。對于浮式海洋平臺而言，隨著近海油氣資源的不斷匱乏，其作業(yè)水深也不斷增加，所面臨的風(fēng)、浪、流等環(huán)境條件越來越惡劣，傳統(tǒng)錨泊式系泊系統(tǒng)已無法滿足較高的定位要求，動力定位系統(tǒng)也越來越多地布置于海洋平臺之上。

沈智鵬等[4]設(shè)計了一套針對船舶運動控制的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，并對其進行測試，測試結(jié)果良好，為實驗室環(huán)境下開發(fā)和測試船舶運動控制系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。李向陽等[5]利用硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)，設(shè)計了一款HIL船舶模擬器，該模擬器可以模擬船舶的運動狀況，以配合硬件在環(huán)仿真測試工作的開展。李精明[6]開發(fā)了一套教學(xué)用途的船舶液壓舵機硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對舵機工作過程的模擬，很好地滿足了教學(xué)需求。趙廣偉[7]將硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)應(yīng)用于舵機設(shè)備樣機的性能驗證中，取得了不錯的效果，同時利用該技術(shù)參數(shù)改變的便捷性，節(jié)約了開發(fā)時間和成本。杜玉龍[8]基于硬件在環(huán)仿真技術(shù)設(shè)計了動力定位控制系統(tǒng)模擬器，構(gòu)建了運動與環(huán)境模塊，為實現(xiàn)下一步的測試奠定基礎(chǔ)。

3.2 電力推進系統(tǒng)

船舶電力推進系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)推進系統(tǒng)，能夠起到降低能源消耗、減少環(huán)境污染等作用，特別是伴隨著電子技術(shù)的發(fā)展與進步，船用電力推進系統(tǒng)得到越來越多的關(guān)注，其控制系統(tǒng)的設(shè)計也更加重要。

劉峰[9]以某救生船的電力推進系統(tǒng)為研究對象，利用硬件在環(huán)技術(shù)構(gòu)建仿真平臺，對該救生船的電力推進系統(tǒng)進行硬件在環(huán)仿真試驗，并尋求較優(yōu)的船機槳匹配策略。羅成漢[10]基于硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)，搭建電力推進系統(tǒng)平臺，研究了螺旋槳負(fù)載模擬技術(shù)及監(jiān)控技術(shù)。吳金才等[11]開發(fā)了數(shù)字信號處理器通信程序，并將該程序應(yīng)用到船舶電力推進系統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真測試中。林治國[12]搭建了全面的船舶電力推進硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的性能進行參數(shù)研究，包括控制方式的變化及螺旋槳參數(shù)的改變等。

3.3 船用柴油機

船用柴油機的各類控制系統(tǒng)可有效改善柴油機的排放性能，提高運行中的可靠性，利用硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)對其控制系統(tǒng)進行測試有助于開發(fā)研制和故障排除。

考慮到船用柴油機尺寸大及傳統(tǒng)試驗成本高等問題，楊永文等[13]考慮應(yīng)用硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)于船用柴油機的開發(fā)中，對模型仿真技術(shù)進行研究，結(jié)合充排法和平均值法建立船用柴油機仿真模型，并驗證該模型的可靠性。楊建國等[14]基于硬件在環(huán)技術(shù)，對船用柴油機的電控排氣閥系統(tǒng)進行性能研究，測量其相關(guān)信號，得到電控單元控制策略，為進一步研究奠定了基礎(chǔ)。張俊深等[15]對基于數(shù)字信號處理技術(shù)的船舶柴油發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)進行詳細(xì)的介紹，包括硬件搭建與軟件設(shè)計，并利用硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)驗證其可靠性。湯經(jīng)緯[16]基于硬件在環(huán)仿真技術(shù)，設(shè)計相關(guān)柴油機模型，同時將電子調(diào)速液壓執(zhí)行器和快速原型控制器接入仿真系統(tǒng)，驗證該硬件在環(huán)仿真測試的可行性。徐敏航等[17]設(shè)計并開發(fā)船舶電站系統(tǒng)仿真模型，并基于此搭建硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明，該測試系統(tǒng)能夠很好地滿足測試需要。

3.4 其他船用控制系統(tǒng)

曹云鵬[18]針對船用液化石油氣發(fā)動機噴射控制系統(tǒng)進行了大量研究工作，通過硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)，對船用液化石油氣發(fā)動機噴射控制系統(tǒng)進行檢測，提高了檢測效率。王世耀[19]將硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)引入到船舶振動主動控制系統(tǒng)的開發(fā)中，構(gòu)建控制器硬件在環(huán)仿真臺架模型，并檢驗了模型的有效性。

4 結(jié)論與建議

(1) 硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)結(jié)合物理仿真測試技術(shù)和數(shù)字仿真測試技術(shù)的優(yōu)點，應(yīng)用形式靈活多樣。隨著工業(yè)技術(shù)日新月異的發(fā)展，控制系統(tǒng)的電子化、信息化程度越來越高，更新?lián)Q代也日益加快，綜合考慮測試準(zhǔn)確性、研發(fā)周期性、投入成本性等各要素，硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)的應(yīng)用會越來越廣泛。

(2) 當(dāng)前無論是船舶還是海洋平臺，正常運營與作業(yè)高度依賴于各類控制系統(tǒng)，利用硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)對控制系統(tǒng)進行測試十分有意義。目前在國內(nèi)船舶行業(yè)中，硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)的研究還主要集中于高校和科研院所中，在船舶業(yè)界的推廣度和實際應(yīng)用程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

(3) 硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)的應(yīng)用可為船舶和海洋平臺的控制系統(tǒng)提供保障，相對于船舶與海洋工程平臺龐大的系統(tǒng)組成而言，該技術(shù)在國內(nèi)的研究與應(yīng)用對象較為單一，主要集中于船用柴油機系統(tǒng)、船舶運動控制系統(tǒng)、船舶電力推進系統(tǒng)等幾個方面，針對其在更多相關(guān)方面的研究并在行業(yè)內(nèi)推廣開展具有重大的意義。