半物理仿真是利用仿真模型替代一部分物理实物，并与其它实物构成实时回路的一种系统实时仿真方法，这种系统实时仿真方法可以缩短研制周期、降低试验成本、减少试验危险，早期主要应用在武器的研发和验证方面。随着计算机控制技术的发展和模拟系统的广泛集成，半物理模拟的应用越来越受到企业的重视，在航天、航空、能源、汽车、机器人、核电等领域得到了广泛的认可。本文以EPB HIL(电子驻车制动硬件在环)系统以同元软控半物理仿真系统解决方案为例。

半物理仿真系统

在现实生活中，产品控制系统包括两部分：控制器和被控对象，如驻车制动控制器和卡钳总成、电机控制器和电机、自动驾驶域控制器和汽车。在开发控制器时，可能有两种情况需要半物理仿真系统：

1. 新控制器产品的软件研发一般以模型设计为基础，软件原型的研发速度一般快于硬件。此时，需要高性能的实时机来模拟控制器硬件，运行控制器模型生成的代码，使软件能够作用于实际控制对象，从而进行早期快速控制原型验证，从而提高研发效率。该方案是半物理仿真系统的应用，称为快速控制原型(Rapid Control Prototype, RCP)。

2. 为了验证控制系统的功能和性能，如果控制器软件不完善，很可能是因为控制器软件不完善(如果存在bug)被控对象失控，造成财产损失甚至人员伤亡。对被控对象进行物理建模，并在高性能实时机上生成实时代码，作为虚拟被控对象与实际控制器形成闭环进行验证。该方案是半物理仿真系统的另一种应用，称为环硬件(Hardware In the Loop, HIL)。

图1半物理仿真系统

HIL系统

硬件在环系统(简称)HIL由被测控制器组成 实时机 实时模型 上位机软件”以及其它配件组成的半物理仿真系统，以实时机运行实时模型来模拟被控对象的运行状态，将被测控制器与实时机连接，对被测控制器进行基于需求的、系统性的测试。HIL系统架构如下图所示：

图2HIL系统架构

1.被测控制器和实时机通过实时机实时通过I/O连接，实时I/O负责实时机与被测控制器之间的数字、模拟和CAN双向传类型信号的双向传输；

2.实时机包含信号调理模块，I/O通过信号调理模块调整板等辅助设备，模拟实际工况所需的信号；

3.被控对象的实时模型是被控对象的实时模型，通常需要将C代码编译成可执行文件并部署到实时机中；

4.人机交互界面和自动化测试均为上位机软件，可通过API通过组态界面可视化访问实时机中被控对象实时模型的变量存储区域。此外，自动化测试软件可以根据设计的测试策略进行批量测试，将不同的测试用例数据引入被控对象实时模型的变量区域，驱动模型模拟，获得分析和生成报告的测试结果。

目前市面上HIL系统解决方案供应商主要是欧洲和美国。在这种情况下，同源软控多领域统一建模平台的研发MWorks.Sysplorer以及相关工具链，为客户提供了一套定位方案。接下来，我们将介绍具体的应用场景。

EPB HIL系统应用场景

EPB是Electronic Parking Brake本案例基于控制器 搭建实时机EPB HIL展示同元软控半物理仿真系统方案的应用场景。

图3EPB HIL系统框图

EPB系统

电子驻车制动系统以卡钳式EPB最具代表性，广泛应用于乘用车。它利用线控技术在驾驶过程中临时制动（Auto Hold）停车后的功能和长期制动（Parking Brake）将功能集成在一起，通过电子控制实现停车制动。EPB该系统通过一个机械装置去除了普通机械驻车制动系统的手柄或踏板等机械装置EPB控制器开关(即电子驻车按钮)通常设计为按钮P）控制驻车制动器，实现驻车制动的电子控制。

图4电子驻车制动系统

电子驻车制动系统的功能主要通过电力传动来实现，卡钳由自己的控制器发出指令来驱动。其主要信号交互由电子驻车按钮、双控制EPB由控制器、加速度传感器（控制器内部）、轮速传感器（车轮附件）和执行机构（电机、制动卡钳等）组成。轮速传感器负责收集车轮速度，然后通过控制器计算速度，通过控制器计算加速度传感器传输的加速度信号。在制动过程中，电子驻车制动控制单元收到电子驻车按钮传输的停车信号后，将速度和坡度输入相应的控制策略计算，并将相应的信号输出到执行机构完成制动动作。

控制器

简化控制器的输入是由加速度传感器信号计算的车速和路面坡度EPB控制器开关状态、制动踏板、油门踏板状态等，将汽车质量和路面摩擦系数设计为标定量，输出为制动扭矩。汽车行业常用的控制器包括Infineon系列、NXP系列和STM32系列等，本案选择STM32F407开发控制策略EPB HIL系统中的ECU控制器。

图5STM32F407控制板

实时模型

同元软控自主研发多领域统一建模软件MWorks.Sysplorer，擅长被控对象的建模和模拟，具有以下优点：

1.建立的模型具有所见即所得的特点

2.图形化和文本同步建模能力不仅支持模块组件的拖动和连接，还支持模块组件的拖动和连接Modelica在编辑图形界面和文本内容时，文本语言建模始终保持同步；(图9)

3.机理建模物理模型时，MWorks.Sysplorer非因果隐式微分代数方程可以直接（DAE）对常微分方程进行高精度求解（ODE）更不用说；目前，同元软控开发的求解器已应用于国际知名工业软件公司里卡多的仿真软件IGNITE中；（图6）

4.MWorks.Sysplorer支持物理模型高效实时代码生成

5.建立在环中的物理模型（MIL）以及环中的硬件（HIL）具有一致性的环境功能性能。(图7)

图6里卡多IGNITE软件采用MWorks求解器

图7同一工况下MIL结果与HIL结果一致（MIL线条被HIL线条覆盖）

基于MWorks.Sysplorer构建EPB HIL实时模型包括汽车质量块、驱动模块、摩擦模块、速度传感器、电机、齿轮、旋转机械结构和平动机械结构。模型参数包括汽车质量、斜坡角度、路面摩擦系数、驱动力和驱动时间。模型的输入是制动扭矩，由电机驱动旋转机械结构，然后通过旋转旋转推动齿轮动作，实现车辆的制动。模型的输出包括速度传感器收集到的速度、汽车质量和斜坡角度(0在平坦的道路上°）这些值将与路面摩擦系数输出到控制器中。

图8EPB HIL实时模型系统被控对象

图9EPB HIL实时模型系统被控对象Modelica文本

案例演示strng>

本案例如图10所示，演示车辆上坡通过EPB系统制动的过程。被控对象实时模型运行在实时机里，控制器与被控对象实时模型通过CAN通信进行实时数据交互。

图10 汽车运动场景示意

实时机中被控对象实时模型可通过任意设定参数来模拟汽车质量、坡度、路面摩擦系数和驱动力及其时间随机组合的场景，并通过CAN通信将当前场景下的实时数据发送给控制器，利用STM32F407开发板的按键模拟电子驻车按钮，当按钮被按下时，控制器通过CAN通信发出制动扭矩给到实时机中的EPB系统被控对象实时模型，被控对象实时模型会根据制动扭矩结合路面坡度和摩擦力计算整车的减速度，产生相应的制动动作。

图11 驻车制动系统半物理仿真平台

如图11所示在其中一种场景下进行了仿真演示，该场景下的参数配置如下：汽车质量为1200kg、坡度为-30°（坡度负为上坡）、路面摩擦系数为0.8、驱动力为10000N、驱动力持续时间为5s。

从可行性、安全性、和研发总成本等方面考虑，以HIL系统为代表的半物理仿真系统可减少被控对象在实际场景下的测试次数，缩短开发时间和降低成本的同时提高控制器的软件质量，降低产品应用的风险，该系统方案可推广应用于航空、航天、汽车、工业控制、电力电子、核动力及家电等行业控制器开发与验证过程中。

在此基础上，可以进一步实现为其他控制器提供HIL系统解决方案，包括以下方面：

1. 汽车电动转向系统控制器的硬件在环方案：量化在不同车速下电动助力对驾驶员手感的影响，验证系统有效时控制策略的正确性、实现极端工况的模拟，确保系统失效时会采取安全措施。

2. 无人机飞控硬件在环方案：在无人机飞行试验前使无人机操作员提前熟悉操作技巧、验证飞行算法的稳定性、降低试验飞行时坠毁情况发生的概率，是无人机飞行试验前强有力的可视化测试手段。

3. PHIL方案：PHIL是针对功率级电力电子系统的HIL系统解决方案，它将大功率的实验转为信号级的实验，既能保证实验时人员的安全性，又能够减少实验时带来的器件损毁，因此基于半物理仿真的低电压穿越测试可以作为配合实物测试的有效试验手段。