В Российской Федерации разработан комплекс полунатурного моделирования (КПМ) «Ритм», предназначенный для полноценной имитации функционирования будущих авиадвигателей в виртуальной среде. Презентация этой системы прошла в ходе ежегодной конференции «Технологии разработки и отладки сложных технических систем». По заявлению ведущего инженера центра инженерных технологий и моделирования «Экспонента» Михаила Песельника, указанный комплекс уже готов к поставке российским предприятиям авиастроительной отрасли. Благодаря КПМ специалисты авиапрома смогут проанализировать эксплуатационные характеристики агрегатов в разнообразных сценариях, создав модель как самого объекта, так и среды его функционирования. В качестве объекта может выступать не только авиадвигатель, «Ритм» позволяет моделировать любую физическую систему, «которой надо управлять»: турбины, автоматические коробки передач, электрические сети и т.д.

«Оборудование позволяет запустить модель в реальном времени, а затем, используя специализированные интерфейсы, подключить эту систему к остальным аппаратным элементам комплекса или стенда», – пишет портал.

Использование такой системы значительно ускорит разработку силовых установок. Ведь таким образом ученые получат возможность тестирования двигателя в условиях опасных для жизни. Например, специалисты смогут еще на начальном этапе проектирования движка смоделировать ситуации отказов подсистем или аварийную ситуацию еще до изготовления модели или прототипа.

По словам замначальника отдела проектирования систем автоматического управления «ОДК-Авиадвигатель» Игорь Грибков, данный комплекс уже был протестирован на проектировании ПД-14. Ученые смогли проверить работу двигателя в нештатной ситуации. Например, «сердце» Мс-21 прошло через виртуальный разрыв роторов и помпаж. Следующим подопытным, как утверждает Грибков, станет ПД-35.

Справка:

Полунатурное моделирование – это экспериментальный метод исследования боевых возможностей авиационных боевых комплексов и управляемых авиационных средств поражения, при котором в контур математического моделирования боевой задачи включены реальные бортовые системы, авиационные средства поражения, физические имитаторы бортового радиоэлектронного оборудования, экипаж, находящийся в кабине и взаимодействующий с информационно-управляющим полем, а также специализированные средства моделирования, основной задачей которых является имитация внешних физических воздействий на системы комплекса бортового оборудования и вооружения. Схематически этот процесс изображён на рис.1.

Рис. 1. Схема процесса полунатурного моделирования.

Основными задачами полунатурного моделирования являются:

• интеграция комплекса бортового оборудования, его систем и вооружения как единой системы управления с участием экипажа;
• отработка программного обеспечения бортовых ЦВМ самолетов.

Общий вид комплекса полунатурного моделирования для отработки комплекса бортового оборудования и управляемых авиационных средств поражения  фронтового истребителя показан на рис. 2.

Рис. 2. Общий вид комплекса полунатурного моделирования.

Состав оборудования типового комплекса полунатурного моделирования включает в себя:

• макет кабины с органами управления самолетом, пультами и индикаторами;
• коллиматорную или широкоугольную проекционную систему визуализации закабинного пространства;
• бортовые системы комплекса бортового оборудования  и вооружения, взаимодействующие между собой;
• средства моделирования (имитаторы), создающие внешние физические воздействия на сенсоры бортовых систем, оружия и летчика;
• физические имитаторы бортовых систем и вооружения, не входящих в состав штатного оборудования, установленного на комплекс полунатурного моделирования;
• вычислительный центр комплекса полунатурного моделирования, обеспечивающий моделирование динамических режимов полета летательного аппарата и внешней среды.

При моделировании функционирования бортовых систем носителей и управляемых ракет, используются динамические стенды, на которых установлены информационные средства носителя и головки самонаведения ракет. Динамические стенды размещаются в радиобезэховых камерах с имитаторами радиолокационной и оптической внешней обстановки.

В настоящее время развиваются технологии «бесстендового» моделирования. При «бесстендовом» моделировании бортовая РЛС устанавливается неподвижно, нет необходимости в радиобезэховой камере и излучающих сигналы устройствах. Специальный имитатор в вычислительной системе комплекса полунатурного моделирования формирует радиолокационные сигналы путем математических преобразований цифровой копии зондирующего сигнала локатора с учетом его диаграммы направленности.

На рис. 3  представлен способ формирования на входе бортовой РЛС сигналов, отражённых от группы радиоконтрастных воздушных и наземных (морских) целей.

Рис.3. Метод моделирования многоцелевой радиолокационной обстановки.

Вследствие того, что современные самолёты должны применять разные типы оружия классов «воздух – воздух » и «воздух – поверхность», необходимо иметь возможность сопряжения каждого комплекса полунатурного моделирования с разными типами стендов и обеспечить их взаимодействие в реальном масштабе времени.

Эта проблема решена путём создания структуры распределенного в пространстве комплекса полунатурного моделирования для разных типов авиационных боевых комплексов и управляемых авиационных средств поражения и технологии сопряжения их элементов, находящихся на больших расстояниях друг от друга. Структурная схема распределённого  комплекса полунатурного моделирования представлена на рис.4.

Рис.4. Распределённый комплекс полунатурного моделирования.

Для любознательных

Полунатурное моделирование (в международной практике — HIL, Hardware-in-the-Loop) применяется для тестирования и отладки реальной аппаратуры, датчиков или блоков управления в виртуальной программной среде, имитирующей внешние условия. Этот метод незаменим, когда натурные испытания проводить слишком дорого, опасно или физически невозможно на ранних этапах разработки. 

Ключевые области применения

• Авиация и ракетно-космическая техника
  • • Бортовые системы: Испытания автопилотов, систем навигации, наведения ракет и бортовых радиолокационных комплексов.
    • Динамика полета: Имитация угловых движений летательного аппарата на специальных динамических стендах для проверки работы рулевых приводов.
    • Беспилотники: Отладка полетных контроллеров БПЛА в виртуальных ветровых и высотных условиях. 

• Автомобильная промышленность (Автопром)
  • • Блоки управления (ECU): Тестирование систем ABS, ESP, подушек безопасности и электронных блоков управления двигателем.
    • Беспилотный транспорт: Проверка алгоритмов искусственного интеллекта и лидаров (камер, радаров) на виртуальном полигоне с симуляцией пешеходов и дорожного трафика. [1]

• Энергетика и интеллектуальные сети (Smart Grid)
  • • Релейная защита: Проверка работы физических терминалов релейной защиты (РЗА) и противоаварийной автоматики при симуляции коротких замыканий в энергосистеме.
    • Генерация: Настройка систем управления турбинами ТЭЦ, АЭС или инверторами ветряных и солнечных электростанций. 

• Военная техника и ВВТ
  • • Оптико-электронные комплексы: Испытания высокоточных лазерных и тепловизионных систем прицеливания в условиях искусственных оптических помех.
    • Тренажеры: Создание комплексных симуляторов для обучения пилотов, танкистов и операторов ПВО с использованием реальных пультов управления. 

• Железнодорожный транспорт и судостроение
  • • Безопасность движения: Тестирование автоматических систем торможения поездов и диспетчерского контроля.
    • Судовая автоматика: Настройка систем динамического позиционирования кораблей, удерживающих судно в заданной точке при шторме.

• Промышленная автоматизация и робототехника
  • ЧПУ и манипуляторы: Отладка промышленных контроллеров (ПЛК), управляющих сложными конвейерными линиями и роботами-манипуляторами.

Как применяется полунатурное моделирование для тестирования электронных систем автомобиля

История автомобилестроения началась 29 января 1886 года, когда Карл Бенц представил представил миру первый коммерческий автомобиль — Benz Patent-Motorwagen. За прошедшие годы требования к автомобилям значительно возросли: теперь важны безопасность, экологичность, экономичность и комфорт. Современные автомобили представляют собой сложные комплексы программных и аппаратных компонентов, состоящие из множества электронных блоков управления (ЭБУ), каждый из которых контролирует определенную систему, будь то двигатель, тормоза, климат контроль или мультимедийная система.

Традиционные подходы к тестированию автомобильных блоков управления путем испытаний физических образцов стали неэффективными и дорогостоящими. Решением возникшей проблемы стала технология Hardware-in-the-Loop-моделирования, позволяющая проводить испытания автомобильных систем виртуально еще на стадии их проектирования.

Автор: Technische Hochschule Ingolstadt Источник: www.thi.de

Суть HIL-тестирования заключается в создании цифрового двойника реальной системы. Вместо того чтобы строить дорогостоящий прототип автомобиля с двигателем, трансмиссией и ходовой частью, инженеры подключают реальный физический контроллер например, блок управления двигателем к мощному вычислительному комплексу. Именно поэтому HIL-тестирование в русскоязычной среде именуется как полунатурное в связи с использованием комбинированной системы, состоящей из натурного компонента (аппаратного контроллера) и искусственного окружения (программной симуляции). Этот комплекс в реальном времени имитирует все процессы, которые происходили бы в настоящем двигателе: вращение коленвала, работу форсунок, показания датчиков кислорода и детонации. Контроллер думает, что управляет реальным агрегатом, и посылает команды, которые симулятор интерпретирует и изменяет условия симуляции.

Автор: National Instruments Источник: www.ni.com

Помимо очевидной экономии на создании бесчисленных прототипов, HIL-тестирование позволяет воссоздавать критические и жизненно опасные сценарии бесчисленное количество раз, добиваясь идеально слаженной работы всех систем автомобиля. Особую актуальность это приобретает при разработке систем помощи водителю (ADAS) и элементов автономного управления, где тестирование обязано охватывать тысячи потенциально опасных ситуаций, которые просто невозможно безопасно воссоздать в реальном мире.

HIL-тестирование применяется не только в автопроме, но и в аэрокосмической отрасли (для симуляции полетов и испытаний оборудования), энергетике (для тестирования защитных систем) и промышленной автоматизации (для отладки систем управления). В целом технология HIL-моделирования ускоряет и удешевляет разработку любых управляющих систем и аппаратных комплексов.