技术分享AMESim控制系统测试应用（技术分享AMESim控制系统测试应用）

摘要

目前电子控制单元（ECU）在汽车、航空等领域应用数量持续上升，功能不断增强。为确保最终产品质量，在控制器开发时普遍采用基于模型的设计（Model Based Design，简称MBD）方法，引入多种测试手段，减少控制系统从定义、分析、设计到实现等不同产品周期环节的开发时间及测试成本。在MBD开发环节中规定了MIL/SIL/HIL等多项测试，本文介绍AMESim在控制系统各测试阶段的应用方法。

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前言

传统的产品开发过程中，从需求分析、设计阶段、实现阶段到测试与验证，各模块相对分立，很少协同工作。在任何一个过程出现偏差都会导致产品开发失败，因此开发周期长，且产品质量没有保障。

基于模型的设计方法是一种速度更快、效率更高的产品开发方法。20世纪90年代初，在汽车制造和航空航天领域，产品需要使用大量微处理器单元，因此工程师们发现采用建模与仿真的方法来开发嵌入式系统有着巨大优势；到90年代中期，控制算法仿真技术的发展催生了自动代码生成技术。模型仿真和自动代码生成技术在这些行业得到成功应用，使人们清楚地认识到基于模型的设计方法在嵌入式系统开发中的经济和高效。

基于模型设计的V形开发流程能够实现控制算法以图形化的方式表达复杂逻辑和被控物理对象的全数字化抽象。在架构层面增加代码可读性。通过仿真在功能层面验证设计的正确性，在实施阶段自动生成代码，可以避免了手工代码容易产生的低级错误。代码具有可移植性，部署到实际控制器和多种实时仿真平台进行实时闭环验证，开发调试便利程度都大大增强。因此被广泛应用于航空航天机载控制器、汽车电子、工业控制、机器人等嵌入式产品领域。

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AMESim控制系统开发应用

AMESim是一个多学科领域复杂系统建模仿真分析平台，广泛应用于航空航天、汽车、船舶、工程机械等领域。用户可以使用一系列经过验证的应用库，为产品开发周期的每个阶段生成高保真度的部件级、系统级、整机级被控对象模型，并提供连接到控制系统的功能，以准确预测机、电、热、气、控等多学科的耦合性能及产品的动态响应。

此外，AMESim是一个开放的平台，支持C/C /Fortran/Simulink/Modelica等模型集成；具备建模和实时模型开发环境，支持物理模型集成到各种实时平台，如dSpace，xPC Target，NI LabVIEW real-time，Opal-RT ，RT-Lab，ETAS产品等，并可以使用专用接口和FMI接口与第三方软件建立联合仿真。

AMESim集成仿真和测试，如控制器和机电系统V形开发流程图所示。AMESim帮助控制和软件工程部门开发和验证，用早期虚拟评估取代昂贵耗时的物理测试，验证控制策略，提高最终产品的质量，减少开发时间和成本。

（1）MIL(Model-In-Loops)模型在环测试

在功能设计阶段使用MIL测试，这里的Model是指控制算法模型。利用控制算法模型和被控对象模型进行联合仿真，验证控制系统模型功能规范、策略设计。

（2）SIL(Software-In-Loops)软件在环测试

在代码生成阶段使用SIL测试，这里的Sofeware是指控制算法模型转换成C代码编译之后的软件。利用C代码和被控对象模型进行联合仿真，保证控制系统C代码和其模型实现功能的一致性。

（3）HIL(Hardware-In-Loops)硬件在环测试

在功能测试阶段使用HIL测试，这里的Hardware是指将控制系统C代码刷写到控制器实物中。HIL测试通常会搭建一个混合软件/硬件的测试台架，将真实控制器与实时化的被控对象模型连接，验证完整的系统功能和稳定性。

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AMESim控制系统开发解决方案

AMESim平台能够建立精确的被控对象模型，提供专用接口与Simulink、LabVIEW、PLC等控制系统开发软件实现数据交互，进而协助控制器完成整个研发周期的测试与验证。AMESim软件在控制器MBD开发环节支持的MIL/SIL/HIL测试方法如图所示：

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基于Simulink相关接口的控制系统开发

AMESim提供多种方式来实现与Simulink的数据交互，为Simulink控制系统开发提供被控对象模型。

MIL测试中Simulink基于传递函数的方框图建立控制算法模型，AMESim建立高精度被控对象模型。通过SL2AMECosim或AME2SLCosim联合仿真接口实现模型间数据交互，进行控制系统的功能设计。

SIL测试中Simulink利用Simulink Coder模块将控制算法模型自动生成C代码。利用SL2AME模型交换接口，在AMESim中导入Simulink控制代码，直接在AMESim中生成SIL环境，完成对控制代码的验证。

HIL测试中Simulink利用Embedded Coder将C代码写入真实控制器中，AMESim经模型简化或分布式处理后将被控对象模型以S-function的形式导出至Simulink，同时生成供实时仿真调用的文件；Simulink集成该S-function并调用MATLAB Coder、Simulink Coder和Visual Studio将完整模型编译下载到实时仿真目标机。控制器与实时仿真目标机通过I/O接口进行通信，进行全面深入的功能测试、故障测试及极限工况测试，并辅助工程师对测试结果分析验证、故障再现，从而提高测试验证及分析的手段。

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基于NI相关接口的控制系统开发

AMESim为美国国家仪器公司（NI）的两款软件LabVIEW和VeriStand的提供了专用接口。

LabVIEW是一种图形化编程环境，用于开发自动化研究、验证和生产测试系统，其LabVIEW Real-Time模块可用于创建和部署实时分布式测试、监测和控制系统应用程序。AMESim中LabVIEWcomsim是一个实时兼容联合仿真接口，通过此接口可以将LabVIEW开发的控制模型与被控对象模型进行MIL/SIL测试，还能将实时化的被控对象模型导出至LabVIEW Real-Time创建的实时仿真平台进行HIL测试。

VeriStand是一款实时测试管理软件，可用于运行模型模拟，探测模型信号、设置激励文件和模型参数等。AMESim具有VeriStand联合仿真接口，可将被控对象模型利用固定步长求解器生成的实时化模型导入VeriStand中，与实时仿真机和待测控制器相连，从而在此实验管理软件中进行自动化测试。

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基于自动化接口的控制系统开发

AMESim提供Automation Connect接口工具。此接口能够将目前西门子旗下的PLC编程环境和数字化仿真软件连接起来。应用这个工具可以使AMESim模型连接到各种真实或虚拟的PLC控制器，从而实现控制系统测试。Automation Connect和AMESim的接口可以实现两大类应用：

（1）硬件在环，使得AMESim直接和PLC实物连接；

（2）软件在环，使得AMESim和PLC的仿真逻辑连接。

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基于FMI接口的控制系统开发

AMESim提供FMI (Functional Mock-up Interface)接口，用来实现可执行的并且可被调用的FMU（Functional Mock-up Unit）及相关内容，FMI定义了两种接口标准，分别用于模型交换（Model Exchange）和联合仿真（Co-Simulation）。AMESim模型可以通过FMU导出到兼容的实时目标。目前此接口支持部分实时仿真目标机。

应用FMI接口支持HIL测试的流程如下：

（1）利用Simcenter Amesim创建并简化被控对象系统仿真模型；

（2）导出为一个2.0“源代码FMU”；

（3）在不同实时仿真环境下编译并运行FMU。

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总结

在产品开发过程中使用MBD方法的V形开发流程结合AMESim仿真分析平台进行模型在环测试、软件在环测试、硬件在环测试，以控制系统和被控对象模型为中心，实现控制系统反复验证、测试和迭代，节省验证和确认费用、降低解决缺陷的成本，满足控制器的多样化及快速响应需求。

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