हार्डवेयर-इन-द-लूप सिमुलेशन

हार्डवेयर-इन-द-लूप (HIL) सिमुलेशन, HWIL, या HITL, एक ऐसी तकनीक है जिसका उपयोग जटिल वास्तविक समय अंतः स्थापित प्रणालियाँ  के विकास और परीक्षण में किया जाता है। एचआईएल सिमुलेशन परीक्षण प्लेटफॉर्म में प्लांट (नियंत्रण सिद्धांत) के रूप में जाने जाने वाले प्रोसेस-एक्चुएटर सिस्टम की जटिलता को जोड़कर एक प्रभावी परीक्षण  प्लेटफ़ॉर्म (कंप्यूटिंग)  प्रदान करता है। नियंत्रणाधीन संयंत्र की जटिलता को सभी संबंधित गतिशील प्रणालियों का एक प्रतिनिधित्व (गणित) जोड़कर परीक्षण और विकास में शामिल किया गया है। इन गणितीय निरूपणों को पादप अनुकरण कहा जाता है। परीक्षण किया जाने वाला एम्बेडेड सिस्टम इस प्लांट सिमुलेशन के साथ इंटरैक्ट करता है।

एचआईएल कैसे काम करता है
एचआईएल सिमुलेशन में सेंसर और एक्चुएटर्स का विद्युत अनुकरण शामिल होना चाहिए। ये विद्युत अनुकरण संयंत्र सिमुलेशन और परीक्षण के तहत एम्बेडेड सिस्टम के बीच इंटरफेस के रूप में कार्य करते हैं। प्रत्येक विद्युत उत्सर्जित सेंसर का मूल्य प्लांट सिमुलेशन द्वारा नियंत्रित किया जाता है और परीक्षण (फीडबैक) के तहत एम्बेडेड सिस्टम द्वारा पढ़ा जाता है। इसी तरह, परीक्षण के तहत एम्बेडेड सिस्टम एक्चुएटर नियंत्रण संकेतों को आउटपुट करके अपने नियंत्रण एल्गोरिदम को कार्यान्वित करता है। नियंत्रण संकेतों में परिवर्तन के परिणामस्वरूप प्लांट सिमुलेशन में परिवर्तनशील मानों में परिवर्तन होता है।

उदाहरण के लिए, एंटी लॉक ब्रेक | ऑटोमोटिव एंटी-लॉक ब्रेकिंग सिस्टम के विकास के लिए एक एचआईएल सिमुलेशन प्लेटफॉर्म में प्लांट सिमुलेशन में निम्नलिखित उप-प्रणालियों में से प्रत्येक के लिए गणितीय प्रतिनिधित्व हो सकता है:
 * वाहन की गतिशीलता, जैसे सस्पेंशन, पहिए, टायर, रोल, पिच और यॉ;
 * ब्रेक सिस्टम के हाइड्रोलिक घटकों की गतिशीलता;
 * सड़क की विशेषताएं.

उपयोग
कई मामलों में, एम्बेडेड सिस्टम विकसित करने का सबसे प्रभावी तरीका एम्बेडेड सिस्टम को वास्तविक संयंत्र से जोड़ना है। अन्य मामलों में, एचआईएल सिमुलेशन अधिक कुशल है। विकास और परीक्षण दक्षता का मीट्रिक आम तौर पर एक सूत्र है जिसमें निम्नलिखित कारक शामिल होते हैं: 1. लागत 2. अवधि 3. सुरक्षा 4. व्यवहार्यता

दृष्टिकोण की लागत सभी उपकरणों और प्रयासों की लागत का माप होनी चाहिए। विकास और परीक्षण की अवधि नियोजित उत्पाद के बाजार में आने के समय को प्रभावित करती है। सुरक्षा कारक और विकास अवधि आम तौर पर लागत माप के बराबर होती है। एचआईएल सिमुलेशन के उपयोग की गारंटी देने वाली विशिष्ट स्थितियों में निम्नलिखित शामिल हैं:
 * परीक्षण की गुणवत्ता बढ़ाना
 * चुस्त विकास कार्यक्रम
 * उच्च-भार-दर संयंत्र
 * प्रारंभिक प्रक्रिया मानव कारक विकास

परीक्षण की गुणवत्ता बढ़ाना
एचआईएल का उपयोग परीक्षण के दायरे को बढ़ाकर परीक्षण की गुणवत्ता को बढ़ाता है। आदर्श रूप से, एक एम्बेडेड सिस्टम का परीक्षण वास्तविक संयंत्र के विरुद्ध किया जाएगा, लेकिन अधिकांश समय वास्तविक संयंत्र स्वयं परीक्षण के दायरे के संदर्भ में सीमाएं लगाता है। उदाहरण के लिए, किसी इंजन नियंत्रण इकाई को वास्तविक संयंत्र के रूप में परीक्षण करने से परीक्षण इंजीनियर के लिए निम्नलिखित खतरनाक स्थितियाँ पैदा हो सकती हैं: उपर्युक्त परीक्षण परिदृश्यों में, एचआईएल कुशल नियंत्रण और सुरक्षित वातावरण प्रदान करता है जहां परीक्षण या एप्लिकेशन इंजीनियर नियंत्रक की कार्यक्षमता पर ध्यान केंद्रित कर सकते हैं।
 * कुछ ईसीयू मापदंडों (जैसे इंजन पैरामीटर आदि) की सीमा पर या उससे परे परीक्षण
 * विफलता की स्थिति में सिस्टम का परीक्षण और सत्यापन

तंग विकास कार्यक्रम
अधिकांश नए ऑटोमोटिव, एयरोस्पेस और रक्षा कार्यक्रमों से जुड़े तंग विकास कार्यक्रम एम्बेडेड सिस्टम परीक्षण को प्रोटोटाइप उपलब्ध होने की प्रतीक्षा करने की अनुमति नहीं देते हैं। वास्तव में, अधिकांश नए विकास कार्यक्रम यह मानते हैं कि एचआईएल सिमुलेशन का उपयोग संयंत्र के विकास के समानांतर किया जाएगा। उदाहरण के लिए, जब तक एक नया आंतरिक दहन इंजन प्रोटोटाइप नियंत्रण प्रणाली परीक्षण के लिए उपलब्ध कराया जाता है, तब तक एचआईएल सिमुलेशन का उपयोग करके इंजन नियंत्रक परीक्षण का 95% पूरा हो चुका होगा।.

एयरोस्पेस और रक्षा उद्योगों पर सख्त विकास कार्यक्रम लागू करने की और भी अधिक संभावना है। विमान और भूमि वाहन विकास कार्यक्रम समानांतर में डिजाइन, परीक्षण और एकीकरण करने के लिए डेस्कटॉप और एचआईएल सिमुलेशन का उपयोग कर रहे हैं।

उच्च-भार-दर संयंत्र
कई मामलों में, संयंत्र उच्च निष्ठा, वास्तविक समय सिम्युलेटर की तुलना में अधिक महंगा है और इसलिए इसकी बोझ दर अधिक है। इसलिए, वास्तविक संयंत्र की तुलना में एचआईएल सिम्युलेटर से जुड़े रहते हुए इसे विकसित करना और परीक्षण करना अधिक किफायती है। जेट इंजन निर्माताओं के लिए, एचआईएल सिमुलेशन इंजन विकास का एक मूलभूत हिस्सा है। विमान जेट इंजनों के लिए पूर्ण प्राधिकरण डिजिटल इंजन नियंत्रकों (एफएडीईसी) का विकास उच्च-भार-दर संयंत्र का एक चरम उदाहरण है। प्रत्येक जेट इंजन की कीमत लाखों डॉलर हो सकती है। इसके विपरीत, जेट इंजन निर्माता के इंजनों की पूरी श्रृंखला का परीक्षण करने के लिए डिज़ाइन किया गया एक एचआईएल सिम्युलेटर एक इंजन की लागत का केवल दसवां हिस्सा मांग सकता है।

प्रारंभिक प्रक्रिया मानवीय कारक विकास
एचआईएल सिमुलेशन मानव कारकों को विकसित करने की प्रक्रिया में एक महत्वपूर्ण कदम है, जो सॉफ्टवेयर एर्गोनॉमिक्स, मानव-कारक अनुसंधान और डिजाइन का उपयोग करके प्रयोज्यता और सिस्टम स्थिरता सुनिश्चित करने की एक विधि है। वास्तविक समय प्रौद्योगिकी के लिए, मानव-कारक विकास उन घटकों के लिए मैन-इन-द-लूप परीक्षण से प्रयोज्य डेटा एकत्र करने का कार्य है जिनमें मानव इंटरफ़ेस होगा।

प्रयोज्य परीक्षण का एक उदाहरण विमान उड़ान नियंत्रण प्रणाली#फ्लाई-बाय-वायर नियंत्रण प्रणाली|फ्लाई-बाय-वायर विमान उड़ान नियंत्रण प्रणाली का विकास है। फ्लाई-बाय-वायर उड़ान नियंत्रण उड़ान नियंत्रण और विमान नियंत्रण सतहों के बीच यांत्रिक संबंधों को समाप्त कर देता है। सेंसर मांग की गई उड़ान प्रतिक्रिया को संप्रेषित करते हैं और फिर मोटरों का उपयोग करके फ्लाई-बाय-वायर नियंत्रण पर यथार्थवादी बल प्रतिक्रिया लागू करते हैं। फ्लाई-बाय-वायर उड़ान नियंत्रण का व्यवहार नियंत्रण एल्गोरिदम द्वारा परिभाषित किया गया है। एल्गोरिदम मापदंडों में परिवर्तन किसी दिए गए उड़ान नियंत्रण इनपुट से अधिक या कम उड़ान प्रतिक्रिया में तब्दील हो सकता है। इसी तरह, एल्गोरिदम मापदंडों में परिवर्तन भी किसी दिए गए उड़ान नियंत्रण इनपुट के लिए अधिक या कम बल प्रतिक्रिया में तब्दील हो सकता है। "सही" पैरामीटर मान एक व्यक्तिपरक माप हैं। इसलिए, इष्टतम पैरामीटर मान प्राप्त करने के लिए कई मैन-इन-द-लूप परीक्षणों से इनपुट प्राप्त करना महत्वपूर्ण है।

फ्लाई-बाय-वायर उड़ान नियंत्रण विकास के मामले में, मानव कारकों का अनुकरण करने के लिए एचआईएल सिमुलेशन का उपयोग किया जाता है। उड़ान सिम्युलेटर में वायुगतिकी, इंजन जोर, पर्यावरण की स्थिति, उड़ान नियंत्रण गतिशीलता और बहुत कुछ के संयंत्र सिमुलेशन शामिल हैं। प्रोटोटाइप फ्लाई-बाय-वायर उड़ान नियंत्रण सिम्युलेटर से जुड़े होते हैं और परीक्षण पायलट विभिन्न एल्गोरिदम मापदंडों को देखते हुए उड़ान प्रदर्शन का मूल्यांकन करते हैं।

मानवीय कारकों और प्रयोज्य विकास के लिए एचआईएल सिमुलेशन का विकल्प प्रारंभिक विमान प्रोटोटाइप में प्रोटोटाइप उड़ान नियंत्रण रखना और उड़ान परीक्षण के दौरान प्रयोज्यता के लिए परीक्षण करना है। ऊपर सूचीबद्ध चार स्थितियों को मापते समय यह दृष्टिकोण विफल हो जाता है। लागत: उड़ान परीक्षण बेहद महंगा है और इसलिए लक्ष्य उड़ान परीक्षण के साथ होने वाले किसी भी विकास को कम करना है। अवधि: उड़ान परीक्षण के साथ उड़ान नियंत्रण विकसित करने से विमान विकास कार्यक्रम की अवधि बढ़ जाएगी। एचआईएल सिमुलेशन का उपयोग करके, वास्तविक विमान उपलब्ध होने से पहले उड़ान नियंत्रण विकसित किया जा सकता है। सुरक्षा: उड़ान नियंत्रण जैसे महत्वपूर्ण घटकों के विकास के लिए उड़ान परीक्षण का उपयोग करना एक प्रमुख सुरक्षा निहितार्थ है। यदि प्रोटोटाइप उड़ान नियंत्रण के डिज़ाइन में त्रुटियाँ मौजूद हों, तो परिणाम क्रैश लैंडिंग हो सकता है। व्यवहार्यता: किसी संयंत्र का संचालन करने वाले वास्तविक उपयोगकर्ताओं के साथ कुछ महत्वपूर्ण समय (उदाहरण के लिए मिलीसेकंड परिशुद्धता के साथ उपयोगकर्ता कार्यों के अनुक्रम) का पता लगाना संभव नहीं हो सकता है। इसी तरह पैरामीटर स्पेस में समस्याग्रस्त बिंदुओं के लिए जो वास्तविक संयंत्र के साथ आसानी से उपलब्ध नहीं हो सकते हैं लेकिन प्रश्न में हार्डवेयर के खिलाफ परीक्षण किया जाना चाहिए।

ऑटोमोटिव सिस्टम
ऑटोमोटिव अनुप्रयोगों के संदर्भ में हार्डवेयर-इन-द-लूप सिमुलेशन सिस्टम सिस्टम सत्यापन और सत्यापन के लिए ऐसा आभासी वाहन प्रदान करता है। चूंकि इंजन नियंत्रण इकाई के प्रदर्शन और नैदानिक ​​कार्यप्रणाली के मूल्यांकन के लिए वाहन में ड्राइविंग परीक्षण अक्सर समय लेने वाले, महंगे और प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य नहीं होते हैं, एचआईएल सिमुलेटर डेवलपर्स को गुणवत्ता आवश्यकताओं और समय-समय पर बाजार प्रतिबंधों का सम्मान करते हुए नए हार्डवेयर और सॉफ्टवेयर ऑटोमोटिव समाधानों को मान्य करने की अनुमति देते हैं।. एक विशिष्ट एचआईएल सिम्युलेटर में, एक समर्पित वास्तविक समय प्रोसेसर गणितीय मॉडल निष्पादित करता है जो इंजन गतिशीलता का अनुकरण करता है। इसके अलावा, एक I/O इकाई वाहन सेंसर और एक्चुएटर्स (जो आमतौर पर उच्च स्तर की गैर-रैखिकता प्रस्तुत करते हैं) के कनेक्शन की अनुमति देती है। अंत में, परीक्षण के तहत इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रण इकाई (ईसीयू) को सिस्टम से जोड़ा जाता है और सिम्युलेटर द्वारा निष्पादित वाहन युद्धाभ्यास के एक सेट द्वारा उत्तेजित किया जाता है। इस बिंदु पर, एचआईएल सिमुलेशन परीक्षण चरण के दौरान उच्च स्तर की पुनरावृत्ति भी प्रदान करता है।

साहित्य में, कई एचआईएल विशिष्ट अनुप्रयोगों की सूचना दी गई है और कुछ विशिष्ट उद्देश्य के अनुसार सरलीकृत एचआईएल सिमुलेटर बनाए गए थे। उदाहरण के लिए, नए ईसीयू सॉफ़्टवेयर रिलीज़ का परीक्षण करते समय, प्रयोग खुले लूप में किए जा सकते हैं और इसलिए कई इंजन डायनेमिक मॉडल की अब आवश्यकता नहीं है। नियंत्रित इनपुट द्वारा उत्साहित होने पर रणनीति ईसीयू आउटपुट के विश्लेषण तक ही सीमित है। इस मामले में, माइक्रो एचआईएल सिस्टम (एमएचआईएल) एक सरल और अधिक किफायती समाधान प्रदान करता है। चूंकि मॉडल प्रसंस्करण की जटिलता को खत्म कर दिया गया है, एक पूर्ण आकार के एचआईएल सिस्टम को एक पोर्टेबल डिवाइस में बदल दिया गया है जो एक सिग्नल जनरेटर, एक आई/ओ बोर्ड और ईसीयू से जुड़े एक्चुएटर्स (बाहरी भार) वाले एक कंसोल से बना है।

राडार
रडार प्रणालियों के लिए एचआईएल सिमुलेशन रडार-जैमिंग से विकसित हुआ है। डिजिटल रेडियो फ्रीक्वेंसी मेमोरी (DRFM) सिस्टम का उपयोग आमतौर पर युद्ध के मैदान में रडार को भ्रमित करने के लिए झूठे लक्ष्य बनाने के लिए किया जाता है, लेकिन ये वही सिस्टम प्रयोगशाला में किसी लक्ष्य का अनुकरण कर सकते हैं। यह कॉन्फ़िगरेशन रडार प्रणाली के परीक्षण और मूल्यांकन की अनुमति देता है, जिससे उड़ान परीक्षणों (हवाई रडार प्रणालियों के लिए) और क्षेत्र परीक्षणों (खोज या ट्रैकिंग रडार के लिए) की आवश्यकता कम हो जाती है, और इलेक्ट्रानिक युद्ध लिए रडार की संवेदनशीलता का प्रारंभिक संकेत दे सकता है। युद्ध (ईडब्ल्यू) तकनीकें।

रोबोटिक्स
एचआईएल सिमुलेशन की तकनीकों को हाल ही में रोबोटों के लिए जटिल नियंत्रकों की स्वचालित पीढ़ी पर लागू किया गया है। एक रोबोट संवेदना और सक्रियण डेटा निकालने के लिए अपने स्वयं के वास्तविक हार्डवेयर का उपयोग करता है, फिर इस डेटा का उपयोग एक भौतिक सिमुलेशन (स्व-मॉडल) का अनुमान लगाने के लिए करता है जिसमें उसके स्वयं के आकारिकी के साथ-साथ पर्यावरण की विशेषताओं जैसे पहलू शामिल होते हैं। बैक-टू-रियलिटी जैसे एल्गोरिदम (बीटीआर) और अनुमान अन्वेषण (ईईए) इस संदर्भ में प्रस्तावित किया गया है।

विद्युत प्रणालियाँ
हाल के वर्षों में, बिजली प्रणालियों के लिए एचआईएल का उपयोग बड़े पैमाने पर विद्युत ग्रिडों की स्थिरता, संचालन और दोष सहनशीलता को सत्यापित करने के लिए किया गया है। वर्तमान पीढ़ी के वास्तविक समय प्रसंस्करण प्लेटफार्मों में वास्तविक समय में बड़े पैमाने पर बिजली प्रणालियों को मॉडल करने की क्षमता है। इसमें संबंधित जनरेटर, लोड, पावर-फैक्टर सुधार उपकरण और नेटवर्क इंटरकनेक्शन के साथ 10,000 से अधिक बसों वाले सिस्टम शामिल हैं। इस प्रकार के सिमुलेशन प्लेटफ़ॉर्म यथार्थवादी अनुकरणीय वातावरण में बड़े पैमाने पर बिजली प्रणालियों के मूल्यांकन और परीक्षण को सक्षम बनाते हैं। इसके अलावा, बिजली प्रणालियों के लिए HIL का उपयोग वितरित संसाधनों, अगली पीढ़ी के SCADA सिस्टम और पावर प्रबंधन इकाई और STATCOM उपकरणों के एकीकरण की जांच के लिए किया गया है।

ऑफशोर सिस्टम
अपतटीय और समुद्री इंजीनियरिंग में, नियंत्रण प्रणाली और यांत्रिक संरचनाएं आम तौर पर समानांतर में डिजाइन की जाती हैं। नियंत्रण प्रणालियों का परीक्षण एकीकरण के बाद ही संभव है। परिणामस्वरूप, कई त्रुटियाँ पाई जाती हैं जिन्हें कमीशनिंग के दौरान हल करना पड़ता है, जिसमें व्यक्तिगत चोटों, क्षतिग्रस्त उपकरणों और देरी का जोखिम होता है। इन त्रुटियों को कम करने के लिए, एचआईएल सिमुलेशन व्यापक ध्यान आकर्षित कर रहा है। यह नॉर्वेजियन वेरिटास नियमों में एचआईएल सिमुलेशन को अपनाने से परिलक्षित होता है।

बाहरी संबंध

 * Introduction to Hardware-in-the-Loop Simulation.