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

楊 勇， 儲(chǔ)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(cè)試技術(shù)通過(guò)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(jìn)行功能檢測(cè)，該技術(shù)具有靈便程度高、可重復(fù)性強(qiáng)、測(cè)試周期短、經(jīng)濟(jì)性良好等眾多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了傳統(tǒng)測(cè)試中對(duì)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(wú)論是船舶還是海洋平臺(tái)，在海上運(yùn)營(yíng)和作業(yè)時(shí)越來(lái)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(cè)試技術(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的全面測(cè)試十分有必要。

1 硬件在環(huán)仿真測(cè)試技術(shù)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

在硬件在環(huán)仿真測(cè)試技術(shù)中，控制系統(tǒng)連接到由計(jì)算機(jī)模擬的被控對(duì)象上，而模擬的被控對(duì)象將是對(duì)真實(shí)控制對(duì)象的準(zhǔn)確模擬，與真實(shí)的被控對(duì)象有一致的行為與輸入輸出關(guān)系?？刂葡到y(tǒng)可以像控制真實(shí)被控對(duì)象一樣控制模擬被控對(duì)象。硬件在環(huán)仿真測(cè)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(diǎn)[1]，有效避免了它們的缺點(diǎn)。硬件在環(huán)仿真測(cè)試技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)及與傳統(tǒng)技術(shù)的對(duì)比如下：

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

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

目前，硬件在環(huán)仿真測(cè)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(cè)試成為一項(xiàng)重要內(nèi)容。利用硬件在環(huán)仿真測(cè)試技術(shù)可對(duì)各個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模的測(cè)試并取得較好的效果，可減少實(shí)車試驗(yàn)次數(shù)、降低系統(tǒng)開發(fā)費(fèi)用、提高系統(tǒng)開發(fā)效率等。在航空工業(yè)中，測(cè)試各類控制系統(tǒng)成本較高，需花費(fèi)大量人力、物力和財(cái)力，硬件在環(huán)仿真測(cè)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(duì)于船舶行業(yè)而言，采用硬件在環(huán)仿真測(cè)試技術(shù)，控制系統(tǒng)不用連接到真實(shí)環(huán)境，而是連接到硬件在環(huán)模擬器。在測(cè)試中，由于控制系統(tǒng)無(wú)法分辨真實(shí)環(huán)境與HIL仿真模擬器中虛擬環(huán)境之間的差異，被測(cè)的控制系統(tǒng)如同在真實(shí)環(huán)境中工作，通過(guò)模擬各種內(nèi)外界因素，檢測(cè)控制器在各種情況發(fā)生時(shí)的響應(yīng)，并找出設(shè)計(jì)錯(cuò)誤與不足，硬件在環(huán)仿真測(cè)試技術(shù)有助于對(duì)船舶控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，其與傳統(tǒng)測(cè)試的區(qū)別如圖1所示。

圖1 硬件在環(huán)仿真測(cè)試與傳統(tǒng)測(cè)試的區(qū)別

2 硬件在環(huán)仿真測(cè)試技術(shù)關(guān)鍵要點(diǎn)

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(cè)試系統(tǒng)的主要硬件組成部分[2]。硬件系統(tǒng)是整個(gè)硬件在環(huán)仿真測(cè)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(cè)試能否穩(wěn)定運(yùn)行。在進(jìn)行硬件搭建時(shí)需考慮滿足多方面的需求，包括高速運(yùn)算及處理能力、良好的拓展性能、可適應(yīng)性強(qiáng)的輸入/輸出接口設(shè)置[3]、高可靠性和強(qiáng)大的軟件支持功能等。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)需考慮控制邏輯的合理性和使用性，強(qiáng)大的人機(jī)交互界面，數(shù)據(jù)采集、分析和顯示能力，后處理能力等?；诂F(xiàn)代控制理論，對(duì)軟件控制邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)，可避免傳統(tǒng)方法的局限性，具有十分重要的意義。人機(jī)交互界面是軟件設(shè)計(jì)的另一個(gè)核心要點(diǎn)，其構(gòu)建了人機(jī)互動(dòng)的橋梁。在測(cè)試過(guò)程中會(huì)涉及大量的試驗(yàn)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(cè)試虛擬建模技術(shù)是測(cè)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(duì)虛擬建模技術(shù)要求十分嚴(yán)格，測(cè)試目的不同也會(huì)導(dǎo)致虛擬建模時(shí)考慮要點(diǎn)的改變。仿真模型必須能反映系統(tǒng)的時(shí)變性，能正確反饋系統(tǒng)的實(shí)際工作流程，并實(shí)時(shí)地體現(xiàn)其在控制系統(tǒng)作用下運(yùn)行狀態(tài)的改變情況。

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

3.1 運(yùn)動(dòng)控制和動(dòng)力定位系統(tǒng)

為適應(yīng)現(xiàn)代航運(yùn)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(shí)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研發(fā)也面臨巨大挑戰(zhàn)。對(duì)于浮式海洋平臺(tái)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(lái)越惡劣，傳統(tǒng)錨泊式系泊系統(tǒng)已無(wú)法滿足較高的定位要求，動(dòng)力定位系統(tǒng)也越來(lái)越多地布置于海洋平臺(tái)之上。

沈智鵬等[4]設(shè)計(jì)了一套針對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)控制的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果良好，為實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下開發(fā)和測(cè)試船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。李向陽(yáng)等[5]利用硬件在環(huán)仿真測(cè)試技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款HIL船舶模擬器，該模擬器可以模擬船舶的運(yùn)動(dòng)狀況，以配合硬件在環(huán)仿真測(cè)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(jī)硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)舵機(jī)工作過(guò)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(cè)試技術(shù)應(yīng)用于舵機(jī)設(shè)備樣機(jī)的性能驗(yàn)證中，取得了不錯(cuò)的效果，同時(shí)利用該技術(shù)參數(shù)改變的便捷性，節(jié)約了開發(fā)時(shí)間和成本。杜玉龍[8]基于硬件在環(huán)仿真技術(shù)設(shè)計(jì)了動(dòng)力定位控制系統(tǒng)模擬器，構(gòu)建了運(yùn)動(dòng)與環(huán)境模塊，為實(shí)現(xiàn)下一步的測(cè)試奠定基礎(chǔ)。

3.2 電力推進(jìn)系統(tǒng)

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)推進(jìn)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(jìn)步，船用電力推進(jìn)系統(tǒng)得到越來(lái)越多的關(guān)注，其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也更加重要。

劉峰[9]以某救生船的電力推進(jìn)系統(tǒng)為研究對(duì)象，利用硬件在環(huán)技術(shù)構(gòu)建仿真平臺(tái)，對(duì)該救生船的電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)，并尋求較優(yōu)的船機(jī)槳匹配策略。羅成漢[10]基于硬件在環(huán)仿真測(cè)試技術(shù)，搭建電力推進(jìn)系統(tǒng)平臺(tái)，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(hào)處理器通信程序，并將該程序應(yīng)用到船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真測(cè)試中。林治國(guó)[12]搭建了全面的船舶電力推進(jìn)硬件在環(huán)仿真測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)的性能進(jìn)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(jī)

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

考慮到船用柴油機(jī)尺寸大及傳統(tǒng)試驗(yàn)成本高等問(wèn)題，楊永文等[13]考慮應(yīng)用硬件在環(huán)仿真測(cè)試技術(shù)于船用柴油機(jī)的開發(fā)中，對(duì)模型仿真技術(shù)進(jìn)行研究，結(jié)合充排法和平均值法建立船用柴油機(jī)仿真模型，并驗(yàn)證該模型的可靠性。楊建國(guó)等[14]基于硬件在環(huán)技術(shù)，對(duì)船用柴油機(jī)的電控排氣閥系統(tǒng)進(jìn)行性能研究，測(cè)量其相關(guān)信號(hào)，得到電控單元控制策略，為進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。張俊深等[15]對(duì)基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的船舶柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的介紹，包括硬件搭建與軟件設(shè)計(jì)，并利用硬件在環(huán)仿真測(cè)試技術(shù)驗(yàn)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(jì)相關(guān)柴油機(jī)模型，同時(shí)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(yàn)證該硬件在環(huán)仿真測(cè)試的可行性。徐敏航等[17]設(shè)計(jì)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(cè)試系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明，該測(cè)試系統(tǒng)能夠很好地滿足測(cè)試需要。

3.4 其他船用控制系統(tǒng)

曹云鵬[18]針對(duì)船用液化石油氣發(fā)動(dòng)機(jī)噴射控制系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究工作，通過(guò)硬件在環(huán)仿真測(cè)試技術(shù)，對(duì)船用液化石油氣發(fā)動(dòng)機(jī)噴射控制系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，提高了檢測(cè)效率。王世耀[19]將硬件在環(huán)仿真測(cè)試技術(shù)引入到船舶振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)中，構(gòu)建控制器硬件在環(huán)仿真臺(tái)架模型，并檢驗(yàn)了模型的有效性。

4 結(jié)論與建議

(1) 硬件在環(huán)仿真測(cè)試技術(shù)結(jié)合物理仿真測(cè)試技術(shù)和數(shù)字仿真測(cè)試技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，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(lái)越高，更新?lián)Q代也日益加快，綜合考慮測(cè)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(cè)試技術(shù)的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。

(2) 當(dāng)前無(wú)論是船舶還是海洋平臺(tái)，正常運(yùn)營(yíng)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(cè)試技術(shù)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試十分有意義。目前在國(guó)內(nèi)船舶行業(yè)中，硬件在環(huán)仿真測(cè)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(shí)際應(yīng)用程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

(3) 硬件在環(huán)仿真測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用可為船舶和海洋平臺(tái)的控制系統(tǒng)提供保障，相對(duì)于船舶與海洋工程平臺(tái)龐大的系統(tǒng)組成而言，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)的研究與應(yīng)用對(duì)象較為單一，主要集中于船用柴油機(jī)系統(tǒng)、船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)等幾個(gè)方面，針對(duì)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。