实时测试技术的演变进程 测功机, 仿真器, 可靠性, 技术, 硬件

Bazinga

实时测试技术涉及到使用实时环境来实现测试应用，它主要用于在测试系统中实现更高的可靠性和/或确定性。因此，它们在现今的许多产品和系统的开发中都发挥着重要的作用。
实时测试技术的应用案例包括持续时间、生命周期测试系统以及可长时间运行或允许操作人员离开很长时间的其他测试系统，因此就需要由实时运行平台提供极高的可靠性。其中还包括环境测试单元、测功机、硬件在环（HIL）仿真器以及使用闭环控制运行的类似测试系统，后者需要实时运行平台的低时间抖动确定性。通过分析几种实时测试（RTT）应用，我们可以看到它们是如何发展，以满足当前测试工程师所面临的难题的。
实时测试技术
一种常见的实时测试技术是使用闭环控制来自动操作测试系统中的某个物理变量，例如，温度、位置、转矩或加速度。
例如，在实现某种环境测试系统（如压力室）时，测试室除了对被测单元（UUT）提供激励信号并监测其响应之外，还必须达到指定的状态。因为室压受到许多变量的影响，例如室泄漏或UUT特性的变化，所以测试工程师使用一种闭环控制算法来监测压力传感器的值并自动调整压缩机和安全阀命令信号，以跟踪由测试方案指定的压力特性曲线。要实现这种自动控制，闭环控制器会测量系统的状态并调整在确定性时间间隔处施加给它的命令。


图1 RTT系统（例如这种压力室）使用闭环控制来自动实现测试方案所需要的压力条件

另一个例子是硬件在环测试，它是一种用于更有效地测试电子控制系统的实时测试应用。电子控制系统包括电子控制单元（ECU）和它所控制的系统或环境。


图2 硬件在环（HIL）测试是一种实时测试技术，它通过对缺失的系统部件进行软件仿真来测试电子控制设备
在测试电子控制系统时，安全性、系统可用性或成本等考虑因素，使得我们不可能使用完整的系统来执行所有想要的测试。但是，ECU和系统其余部分之间的闭HIL仿真是一种实时测试技术，它使用系统其余部分的软件模型来仿真在被测控制单元和系统其余部分之间的传感器和传动器交互。这就为ECU创建了一种虚拟环境，保留了系统内部的闭环耦合。为了精确地仿真传感器和传动器交互，测试系统必须在一致的或确定性的时间间隔处确定性地执行模型计算。

RTT系统的演变进程
随着产品和系统复杂性的增加，测试的挑战性也在增强。为了应对这些难题，实时测试系统正在进行融合，由此而产生的测试系统类似之前在不同实时测试应用中出现的多种需求的组合。
从基于模型的测功机的出现就可以看出上述趋势。通常，测功机测试系统包括一套实时测试应用，使用比例-积分-微分（PID）控制算法来为被测单元产生变化的负载和速度条件。测试系统将对PID控制器和被测单元应用静态的激励特性曲线，以执行和验证该设备。基于模型的测功机系统是由传统测功机演变而来的，它使用模型来实现高级控制算法，并为测试系统生成动态激励特性曲线。
Wineman Technologies(www.winemantech.com)的工程师利用美国国家仪器有限公司的RTT平台，以6轮独立底盘测功机的形式实现了一套这样的系统。为了充分地测试他们的车辆，测功机需要能够产生测试条件，来仿真在各种不同地形上车辆的操控。
例如，基于模型的测功机必须能够实现这样的情况：两个轮子在雪地中行驶，一个轮子在泥浆中滑动，两个轮子在松散的沙砾上滚动，而另一个轮子则离开地面。此外，当车辆在进行这些操作时，系统还必须仿真轮子在不同地形之间的转换。
要实现这样的测试系统，工程师必须将他们建造测功机和HIL仿真器的经验结合起来，创建一套带有附加功能的传统测功机测试系统，而这些附加功能在HIL测试系统中更为常见。具体而言，他们增加了能确定性地执行复杂模型的功能，以便能够生成6个相关的速度/转矩特性曲线的动态激励并实现完成上述任务所需要的高级控制。
欧洲研究机构Robotiker-Tecnalia（www.robotiker.es）的一项应用也体现了实时测试需求的这种融合。在他们研究和开发混合电动车（HEV）的动力传动系统时，工程师们使用NI实时测试平台创建了一套专用的HIL测试系统。
他们并没有使用ECU对车辆的传感器和传动器交互提供完整的电气仿真，而是将动力传动系统的牵引驱动软件模型替换为实际的机电部件。然后，他们将机电部件与仿真车辆其余部分的软件模型连接成环路，以实现更为准确和灵活的测试系统（如图3所示）。


图3 在HIL仿真中增加了机械部件，以提供更高效的HEV动力传动系统开发和验证
因为在仿真中增加了物理部件，所以他们需要为牵引驱动增加加载机制，以便仿真能够掌控它的加载情况。HIL仿真器为加载机制控制器提供了仿真的负载值，而控制器则通过机械耦合向牵引驱动施加物理负载。
在实现这种专用的HIL测试系统时，Tecnalia公司的工程师不得不同时创建一个HIL仿真器和一套基于测功机的加载系统，并使它们协同工作来提供HEV动力传动系统的机电仿真。
消费者预期、监管部门和竞争压力都正在以加快的步伐将产品推向新的复杂度。当各公司在这种复杂度激增和更短的开发周期、更高的可靠性要求和固定或收缩的预算之间努力保持平衡的时候，实时测试技术就在开发过程中发挥着越来越重要的作用。