實時測試技術簡介以及其演變過程

實時測試技術指在一個實時環(huán)境中實現測試應用，主要用于幫助測試系統(tǒng)獲得更高的可靠性和/或確定性。因此，實時測試技術在許多產品和系統(tǒng)的開發(fā)過程中扮演者重要的角色。比如對耐用性，使用壽命有要求以及其它一些需要長期持續(xù)運行或者需要在無人值班的情況下運行的測試系統(tǒng)，這些系統(tǒng)要求實時執(zhí)行平臺提供卓越的可靠性。需要使用實時測試技術的例子還包括環(huán)境試驗單元，測功機，硬件在環(huán)(HIL)仿真器以及其他類似的執(zhí)行閉環(huán)控制的測試系統(tǒng)，這些系統(tǒng)要求實時執(zhí)行平臺具有低抖動確定性。通過研究幾個實時測試(RTT)的應用，我們可以看到它們是如何演變以應對當今測試工程師所面臨的各種挑戰(zhàn)的。

實時測試技術

一個常見的實時測試技術就是利用閉環(huán)控制，自動操縱測試系統(tǒng)中的物理變量，如溫度、位置、扭矩或加速。例如，實現一個環(huán)境測試系統(tǒng)，如壓力艙，測試艙除了需要給待測單元(UUT)提供激勵并查看其響應之外，還必須在達到特定的狀態(tài)時實現以上這些功能。由于倉內的壓力受到諸多因素的影響，如艙漏氣或UUT的特性變化等，測試工程師必須使用一個閉環(huán)控制算法以監(jiān)測壓力傳感器的數值并自動調整壓縮機和安全閥的控制信號，使實時壓力曲線與測試計劃中所要求的一致。要實現這樣的自動控制，閉環(huán)控制系統(tǒng)必須在確定的時間間隔內，檢測系統(tǒng)狀態(tài)并調整控制命令。

圖 1 諸如壓力艙這樣的實時測試系統(tǒng)使用閉環(huán)控制系統(tǒng)以自動實現測試計劃所需的壓力條件。

另一個例子是硬件在環(huán)測試。這一實時測試應用可以更加有效地測試電子控制系統(tǒng)。一個電子控制系統(tǒng)由電子控制單元(ECU)及其所控制的系統(tǒng)或環(huán)境組成。

當測試一個電子控制系統(tǒng)時，由于諸如安全性、系統(tǒng)可實現性或者成本等方面的考慮，可能使得無法在一個完整的系統(tǒng)中執(zhí)行所有所需的測試。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)就無法充分測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模擬被測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)建一個虛擬環(huán)境，保持了系統(tǒng)內的閉環(huán)耦合。為了準確模擬傳感器和執(zhí)行器的交互，測試系統(tǒng)必須在連續(xù)或確定的時間間隔內高確定性的執(zhí)行模型的計算。

圖2 硬件在環(huán)測試(HIL)是一種實時測試技術，它使用軟件來模擬缺失的系統(tǒng)組件從而完成電子控制設備的測試。

實時測試(RTT)系統(tǒng)的演變

隨著產品和系統(tǒng)的復雜性日益增加，測試系統(tǒng)的實現也面臨著更多的挑戰(zhàn)。為了應對這些挑戰(zhàn)，實時測試系統(tǒng)需要將多種功能整合起來，由此產生的系統(tǒng)可以同時滿足多種需求，而這些需求在以往則是分別由多個獨立的實時測試應用來實現的。

這種趨勢可以很好的體現在基于模型的測功機的出現上。通常情況下，測功機測試系統(tǒng)包括一個使用比例-積分-微分(PID)控制算法的實時測試應用，來為UUT產生不同的負載和速度條件。該測試系統(tǒng)將靜態(tài)激勵曲線應用到PID控制器和UUT上，用于執(zhí)行和驗證設備。基于模型的測功機系統(tǒng)是從傳統(tǒng)的測功機演變而來的，它使用模型來執(zhí)行高級控制算法以及生成動態(tài)激勵曲線。

Wineman Technologies公司的工程師使用NI的RTT平臺生產了6輪形式的獨立底盤測功機系統(tǒng)。為了充分測試他們的車輛，測功機需要能夠產生不同的測試條件，使其可以模擬車輛在不同地形上行駛的情況。

例如，基于模型的測功機必須能夠實現以下的狀態(tài)，即兩個輪子在雪地中行駛、一個輪子在泥地中滑行、兩個輪子在松散的礫石中行駛，而另一個輪子則脫離地面。此外，該系統(tǒng)還需要模擬車輛行進時，輪子到輪子間的地形變化。

要實現這個測試系統(tǒng)，工程師們需結合他們實現測功機及HIL仿真器的經驗，創(chuàng)建一個相比傳統(tǒng)的測功機測試系統(tǒng)具有更多特性的測試系統(tǒng)，而這些特性更常見于HIL測試系統(tǒng)。具體來說，他們必須確定性地執(zhí)行復雜模型來提供動態(tài)激勵以產生6個相關的速度/扭矩的曲線以及執(zhí)行高級控制以完成此任務。

實時測試要求的整合也可以體現在歐洲研究機構RobotikerTecnalia的應用中。在他們研究和開發(fā)混合電動汽車(HEV)的動力總成系統(tǒng)的過程中，工程師們使用NI的實時測試平臺建立了一個專門的HIL測試系統(tǒng)。

他們沒有完全對汽車傳感器和執(zhí)行器與ECU的交互進行電力仿真，而是用實際的機電組件取代了動力總成牽引驅動的軟件模型。然后，將這些組件與模擬汽車其它部分的軟件模型相連成閉環(huán)，從而實現更精確和更靈活的測試系統(tǒng)(見圖3)。

圖3. 機械部件被添加到HIL仿真當中，以幫助更有效率的開發(fā)和驗證HEV動力總成系統(tǒng)

由于物理組件被添加到仿真中，因此他們需要為牽引驅動器添加一個負載加載

機制，以便該仿真能夠控制它的負載加載條件。HIL仿真器提供了模擬負載值，通過機械耦合加載到該牽引驅動上。

當實現這個專門的HIL測試系統(tǒng)時，Tecnalia的工程師們需要同時創(chuàng)建一個HIL仿真器和一個基于測功機的負載加載系統(tǒng)，在兩者的協(xié)同工作下，可以提供一個HEV動力總成的機電仿真。

消費者的期望、監(jiān)管機構以及競爭壓力正在推動產品以越來越快的速度實現越來越復雜的功能。隨著企業(yè)試圖在激增的復雜性要求與較短的開發(fā)周期、更高的可靠性要求以及不變的甚至是減少的預算之間尋找平衡，實時測試技術在開發(fā)的進程中的重要作用日益凸顯。