實(shí)時(shí)測(cè)試技術(shù)簡(jiǎn)介以及其演變過(guò)程

實(shí)時(shí)測(cè)試技術(shù)指在一個(gè)實(shí)時(shí)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)測(cè)試應(yīng)用，主要用于幫助測(cè)試系統(tǒng)獲得更高的可靠性和/或確定性。因此，實(shí)時(shí)測(cè)試技術(shù)在許多產(chǎn)品和系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中扮演者重要的角色。比如對(duì)耐用性，使用壽命有要求以及其它一些需要長(zhǎng)期持續(xù)運(yùn)行或者需要在無(wú)人值班的情況下運(yùn)行的測(cè)試系統(tǒng)，這些系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)執(zhí)行平臺(tái)提供卓越的可靠性。需要使用實(shí)時(shí)測(cè)試技術(shù)的例子還包括環(huán)境試驗(yàn)單元，測(cè)功機(jī)，硬件在環(huán)(HIL)仿真器以及其他類(lèi)似的執(zhí)行閉環(huán)控制的測(cè)試系統(tǒng)，這些系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)執(zhí)行平臺(tái)具有低抖動(dòng)確定性。通過(guò)研究幾個(gè)實(shí)時(shí)測(cè)試(RTT)的應(yīng)用，我們可以看到它們是如何演變以應(yīng)對(duì)當(dāng)今測(cè)試工程師所面臨的各種挑戰(zhàn)的。

實(shí)時(shí)測(cè)試技術(shù)

一個(gè)常見(jiàn)的實(shí)時(shí)測(cè)試技術(shù)就是利用閉環(huán)控制，自動(dòng)操縱測(cè)試系統(tǒng)中的物理變量，如溫度、位置、扭矩或加速。例如，實(shí)現(xiàn)一個(gè)環(huán)境測(cè)試系統(tǒng)，如壓力艙，測(cè)試艙除了需要給待測(cè)單元(UUT)提供激勵(lì)并查看其響應(yīng)之外，還必須在達(dá)到特定的狀態(tài)時(shí)實(shí)現(xiàn)以上這些功能。由于倉(cāng)內(nèi)的壓力受到諸多因素的影響，如艙漏氣或UUT的特性變化等，測(cè)試工程師必須使用一個(gè)閉環(huán)控制算法以監(jiān)測(cè)壓力傳感器的數(shù)值并自動(dòng)調(diào)整壓縮機(jī)和安全閥的控制信號(hào)，使實(shí)時(shí)壓力曲線(xiàn)與測(cè)試計(jì)劃中所要求的一致。要實(shí)現(xiàn)這樣的自動(dòng)控制，閉環(huán)控制系統(tǒng)必須在確定的時(shí)間間隔內(nèi)，檢測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)并調(diào)整控制命令。

圖 1 諸如壓力艙這樣的實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)使用閉環(huán)控制系統(tǒng)以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)測(cè)試計(jì)劃所需的壓力條件。

另一個(gè)例子是硬件在環(huán)測(cè)試。這一實(shí)時(shí)測(cè)試應(yīng)用可以更加有效地測(cè)試電子控制系統(tǒng)。一個(gè)電子控制系統(tǒng)由電子控制單元(ECU)及其所控制的系統(tǒng)或環(huán)境組成。

當(dāng)測(cè)試一個(gè)電子控制系統(tǒng)時(shí)，由于諸如安全性、系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)性或者成本等方面的考慮，可能使得無(wú)法在一個(gè)完整的系統(tǒng)中執(zhí)行所有所需的測(cè)試。然而，由于ECU和系統(tǒng)的其它部分之間的閉環(huán)耦合，使得我們不使用完整系統(tǒng)就無(wú)法充分測(cè)試電子控制單元的性能。

硬件在環(huán)仿真使用了代表該系統(tǒng)的其他部分的軟件模型來(lái)模擬被測(cè)試的控制單元和系統(tǒng)的其余部分之間的傳感器和執(zhí)行器的交互。它可以為ECU創(chuàng)建一個(gè)虛擬環(huán)境，保持了系統(tǒng)內(nèi)的閉環(huán)耦合。為了準(zhǔn)確模擬傳感器和執(zhí)行器的交互，測(cè)試系統(tǒng)必須在連續(xù)或確定的時(shí)間間隔內(nèi)高確定性的執(zhí)行模型的計(jì)算。

圖2 硬件在環(huán)測(cè)試(HIL)是一種實(shí)時(shí)測(cè)試技術(shù)，它使用軟件來(lái)模擬缺失的系統(tǒng)組件從而完成電子控制設(shè)備的測(cè)試。

實(shí)時(shí)測(cè)試(RTT)系統(tǒng)的演變

隨著產(chǎn)品和系統(tǒng)的復(fù)雜性日益增加，測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)也面臨著更多的挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)需要將多種功能整合起來(lái)，由此產(chǎn)生的系統(tǒng)可以同時(shí)滿(mǎn)足多種需求，而這些需求在以往則是分別由多個(gè)獨(dú)立的實(shí)時(shí)測(cè)試應(yīng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

這種趨勢(shì)可以很好的體現(xiàn)在基于模型的測(cè)功機(jī)的出現(xiàn)上。通常情況下，測(cè)功機(jī)測(cè)試系統(tǒng)包括一個(gè)使用比例-積分-微分(PID)控制算法的實(shí)時(shí)測(cè)試應(yīng)用，來(lái)為UUT產(chǎn)生不同的負(fù)載和速度條件。該測(cè)試系統(tǒng)將靜態(tài)激勵(lì)曲線(xiàn)應(yīng)用到PID控制器和UUT上，用于執(zhí)行和驗(yàn)證設(shè)備?；谀Ｐ偷臏y(cè)功機(jī)系統(tǒng)是從傳統(tǒng)的測(cè)功機(jī)演變而來(lái)的，它使用模型來(lái)執(zhí)行高級(jí)控制算法以及生成動(dòng)態(tài)激勵(lì)曲線(xiàn)。

Wineman Technologies公司的工程師使用NI的RTT平臺(tái)生產(chǎn)了6輪形式的獨(dú)立底盤(pán)測(cè)功機(jī)系統(tǒng)。為了充分測(cè)試他們的車(chē)輛，測(cè)功機(jī)需要能夠產(chǎn)生不同的測(cè)試條件，使其可以模擬車(chē)輛在不同地形上行駛的情況。

例如，基于模型的測(cè)功機(jī)必須能夠?qū)崿F(xiàn)以下的狀態(tài)，即兩個(gè)輪子在雪地中行駛、一個(gè)輪子在泥地中滑行、兩個(gè)輪子在松散的礫石中行駛，而另一個(gè)輪子則脫離地面。此外，該系統(tǒng)還需要模擬車(chē)輛行進(jìn)時(shí)，輪子到輪子間的地形變化。

要實(shí)現(xiàn)這個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，工程師們需結(jié)合他們實(shí)現(xiàn)測(cè)功機(jī)及HIL仿真器的經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)建一個(gè)相比傳統(tǒng)的測(cè)功機(jī)測(cè)試系統(tǒng)具有更多特性的測(cè)試系統(tǒng)，而這些特性更常見(jiàn)于HIL測(cè)試系統(tǒng)。具體來(lái)說(shuō)，他們必須確定性地執(zhí)行復(fù)雜模型來(lái)提供動(dòng)態(tài)激勵(lì)以產(chǎn)生6個(gè)相關(guān)的速度/扭矩的曲線(xiàn)以及執(zhí)行高級(jí)控制以完成此任務(wù)。

實(shí)時(shí)測(cè)試要求的整合也可以體現(xiàn)在歐洲研究機(jī)構(gòu)RobotikerTecnalia的應(yīng)用中。在他們研究和開(kāi)發(fā)混合電動(dòng)汽車(chē)(HEV)的動(dòng)力總成系統(tǒng)的過(guò)程中，工程師們使用NI的實(shí)時(shí)測(cè)試平臺(tái)建立了一個(gè)專(zhuān)門(mén)的HIL測(cè)試系統(tǒng)。

他們沒(méi)有完全對(duì)汽車(chē)傳感器和執(zhí)行器與ECU的交互進(jìn)行電力仿真，而是用實(shí)際的機(jī)電組件取代了動(dòng)力總成牽引驅(qū)動(dòng)的軟件模型。然后，將這些組件與模擬汽車(chē)其它部分的軟件模型相連成閉環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)更精確和更靈活的測(cè)試系統(tǒng)(見(jiàn)圖3)。

圖3. 機(jī)械部件被添加到HIL仿真當(dāng)中，以幫助更有效率的開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證HEV動(dòng)力總成系統(tǒng)

由于物理組件被添加到仿真中，因此他們需要為牽引驅(qū)動(dòng)器添加一個(gè)負(fù)載加載

機(jī)制，以便該仿真能夠控制它的負(fù)載加載條件。HIL仿真器提供了模擬負(fù)載值，通過(guò)機(jī)械耦合加載到該牽引驅(qū)動(dòng)上。

當(dāng)實(shí)現(xiàn)這個(gè)專(zhuān)門(mén)的HIL測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，Tecnalia的工程師們需要同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)HIL仿真器和一個(gè)基于測(cè)功機(jī)的負(fù)載加載系統(tǒng)，在兩者的協(xié)同工作下，可以提供一個(gè)HEV動(dòng)力總成的機(jī)電仿真。

消費(fèi)者的期望、監(jiān)管機(jī)構(gòu)以及競(jìng)爭(zhēng)壓力正在推動(dòng)產(chǎn)品以越來(lái)越快的速度實(shí)現(xiàn)越來(lái)越復(fù)雜的功能。隨著企業(yè)試圖在激增的復(fù)雜性要求與較短的開(kāi)發(fā)周期、更高的可靠性要求以及不變的甚至是減少的預(yù)算之間尋找平衡，實(shí)時(shí)測(cè)試技術(shù)在開(kāi)發(fā)的進(jìn)程中的重要作用日益凸顯。