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硬件循环(HITL)或数字孪生(DT):设计建模到底用哪个?

时间:2021-04-21 作者:Bill Schweber 阅读:
硬件循环(HITL)或数字孪生(DT)哪个更好?这取决于实际应用。决定性因素包括创建各自模型的时间、对模型的信任度以及模拟I/O的复杂性。你对数字孪生、硬件循环以及其他复杂的模型和工具有何看法或经验?
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最近,关于使用“数字孪生”(DT)来加速产品开发、软件调试和解决机电交互问题的讨论很多,其中不免存在炒作和跟风。自几年前“硬件循环”(通常称为HITL或HIL)火热之后,数字孪生又成为的一种类似热门工具。

什么是DT和HITL?与许多此类定义一样,这在某种程度上取决于你询问的对象和来源。一般来说,DT是创建一个仅有软件的模型来控制系统,然后向它提供来自被测控制器的输入和输出,以查看控制器在其应有的功能方面表现如何(图1)。

图1:原理上,数字孪生是整个应用和流程的虚拟模型,可让设计人员通过单个软件工具进行可视化设计和测试。(来源:Wipro Limited)

相反,HITL用来构建内核的软件模型,但是它会与真正的硬件(包括电路和机械组件)连接并直接使用它们来评估控制器的性能(图2)。换句话说,DT几乎全是软件和模型,而HITL顾名思义则带有一些实际电路甚至是机电组件。图2:这个顶层示意图显示出HITL测试系统的关键组件,该系统使用代表性的实时响应、电刺激和功能盒来连接被测单元的所有I/O(此处为汽车电子控制系统)。(来源:add2)

使用汽车发动机及其ECU(电子控制单元)的示例可以进一步解释清楚。对于DT场景,引擎完全作为软件结构进行建模,并且此模型与正在开发的控制器的软件“对话”。相比之下,HITL虽然也是对引擎进行建模,但是现在建模软件将通过实际的电路I/O驱动正在开发的控制器,该控制器也可以看到这些接口。 HITL通常需要一些设备,也就意味着大量的电路(图3)。 DT的优势在于消除了对大多数(如果不是全部)硬件的需求。图3:顾名思义,HITL集成了硬件,既有电子电路也有机电组件。(来源:add2)

HITL系统甚至可以作为标准产品使用,例如高精度和高动态性的三轴和五轴飞行运动模拟器(FMS)系统,用于导弹制导和导引头组件的开发和生产测试(图4)。

图4:HITL系统可作为标准产品使用,例如此飞行运动仿真器系统用于测试导弹制导和导引头组件。(来源:Ideal Aerosmith)

那么,DT和HITL哪个更好?对于此类工程问题,答案很简单:这取决于实际应用。决定性因素包括创建各自模型的时间、对模型的信任度以及模拟I/O的复杂性。如果你上网搜索一下,会发现DT的支持者说HITL是“过时”的东西,已不再需要。但也有HITL支持者声称DT被过度炒作了,并且过分依赖于模型的真实度。其他人则认为,最好的解决方案是两者的结合,使用要谨慎。

不出所料,问题主要是在于模型,而不是方法。我们知道,很难开发出真实模拟世界中的良好数字模型,而且往往是模型最后的10%很难达到高精准度。这其中有很多微妙的未知因素、极端情况、异常、非线性和拐点,而且模型的创建者有很多根本不了解或无法量化的信息。过于依赖模型精度不过是一个经典但仍然有效的格言(“输入的是垃圾,输出的也是垃圾”)的最新体现。

毫无疑问,使用各种模型是绝对必要的,无论是DT还是HITL、Spice、RF软件包,还是COMSOL Multiphysics、Mathworks MATLAB和Simulink,以及ANSYS HFSS等仿真和分析工具。但是对这些模型的完美程度要有现实看法,请始终记住,该模型可以显示三,四个或更多有效数字精度,但是实际精度通常要低很多。如果现实世界中存在没被模型捕捉到的“凸起”,精准度会更低。

你对数字孪生、硬件循环以及其他复杂的模型和工具有何看法或经验?你是感到厌烦、兴奋、不知所措还是其它感受?

(参考原文:Hardware-in-the-loop or digital twin Use one, both, or neither)

责编:Amy Guan

本文为《电子工程专辑》2021年4月刊杂志文 章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅 

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Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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