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数字孪生和HIL到底应该如何选择?

最近,关于使用“数字双胞胎”技术来加速产品开发,软件调试和解决机电交互问题的讨论很多,数字孪生技术近几年的热捧,正如几年前类似的热门工具的“硬件在环测试”一样(通常称为HITL或HIL)。

什么是数字双胞胎和HITL?一般来说,对于数字双胞胎,您将创建一个软件模型来控制系统,然后为它提供被测控制器的输入和输出,并查看您的控制器在其应有的功能方面的表现如何。

diagram of digital twin virtual model
图1:原则上,数字孪生是整个应用程序和过程的虚拟模型,允许设计人员通过单个软件实体可视化和测试设计。

相反,对于HITL,您可以构建与内核交互并直接使用实际硬件(电路和机械)来评估控制器的性能(图2)。换句话说,DT几乎是所有软件和模型,而HITL顾名思义则具有一些实际电路甚至是机电组件。

diagram of key components of a hardware in the loop test system
图2:此顶层视图显示了HITL测试系统的关键组件,该系统使用具有代表性的实时响应,激励和功能实例来连接HITL测试系统的所有I/O。被测单元(这里是汽车的电子控制系统)。

使用汽车发动机及其ECU(电子控制单元)的示例可以使这一点更加清楚。对于数字孪生场景,您将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”。相反,对于HITL,您是对引擎进行建模,但是现在建模软件将实际的电路I/O连接到正在开发的控制器,然后该控制器将可以与接口实际通信。HITL通常需要机架的设备,这意味着需要大量的电路(图3)。数字孪生的吸引力之一是,它们消除了对大多数(如果不是全部)硬件的需求。

photo of a single rack hardware in the loop simulator
图3顾名思义,HITL集成了硬件,并且在两个词的含义上都是:电子和机电组件。

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套件的开发和生产测试(图4)。

photo of the Ideal Aerosmith 2443H-HR Three-Axis Flight Motion Simulator
图4 HITL系统可作为标准产品应用程序提供,例如用于测试导弹制导和导引组件的飞行运动模拟器系统。

那么,这两个哪个更好?与工程问题几乎总是一样,答案很简单:“取决于具体情况”。它依赖的因素包括创建各自模型的时间,对该模型的置信度以及模拟I/O的复杂性。有部分数字孪生的支持者表示HITL是“过去式”了,并且不再需要,也有HITL的支持者声称数字孪生被过度炒作了,HITL才更忠实于模型。其他人则认为,最好的解决方案是两者的结合,并要谨慎应用。

毫不奇怪,问题主要是关于模型而不是方法。我们知道,很难开发出真实模拟世界中良好的数字模型,而精确度最高的模型则是模型中的最后10%。有很多微妙的未知数,极端情况,异常,非线性,拐点,而且模型的创建者根本不了解或无法量化其中的更多信息。过于依赖模型精度只是经典的但仍然有效的格言“垃圾进,垃圾出”的最新体现。

毫无疑问,绝对有必要使用各种模型,无论它们是数字孪生还是HITL,Spice,RF软件包或仿真和分析工具,例如COMSOL Multiphysics,Mathworks MATLAB和Simulink以及ANSYS HFSS。但是要对这些模型的完善程度保持现实,请始终牢记该模型可以显示三,四个或更多有效数字的精度,但实际精度通常要低得多,如果现实世界中存在模型无法捕获的情况。

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