什么是 "硬件在环"？

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04 / 02 / 2025

硬件在环硬件在环测试是预测物理设备如何与控制软件实时交互的直接方法。工程师将实际硬件组件与虚拟模型集成在一起，在大规模制造前对复杂系统进行微调。这种方法有助于及早发现设计缺陷，避免昂贵的返工。项目团队非常欣赏这种精确性和即时反馈，这最终缩短了开发周期。

许多工程团队经常会问，什么是硬件实时仿真hardware-in-the-oop）？HIL 提供了一种先进的方法，无需构建全尺寸原型，即可了解机械系统在不同操作条件下的表现。测试程序更加简化，可重复性更高，有助于降低成本。将真实传感器和执行器集成到模拟测试框架中，还能确保数据的准确性，以便进行全面分析。

什么是硬件在环测试（HIL）？

硬件在环（HIL）测试通常有一个简单明了的解释：它将物理硬件组件与在实时模拟器中运行的虚拟模型连接起来。这种设置可在受控条件下评估真实的系统性能，这对于验证安全性、效率或可靠性指标至关重要。传统的工作台测试可能会暴露出某些问题，但 HIL 能以可重复的方式复制动态市场活动，因此能提供更深入的可视性。开发人员在现场部署前，可通过此类测试来确认控制信号和功率流是否管理得当。

这种方法通常涉及将传感器、执行器甚至整个子组件连接到一个数字域，该数字域旨在反映运行场景。虽然仅靠软件模拟就能指导早期开发，但有形硬件的存在会增加一层真实性，这是纯粹的虚拟方法所无法比拟的。HIL 可帮助您收集不同负载、温度或电压水平下的物理响应数据，而无需建立昂贵的测试台。包括电力电子和汽车在内的许多行业的工程师都非常重视 HIL，因为它可以加快验证进度。

HIL 测试如何验证控制系统

控制系统控制系统通常在多个组件之间表现出复杂的相互作用，如果仅在简化条件下进行测试，很容易出现隐藏故障。HIL 为使用真正的硬件信号测试每个控制回路提供了一个结构化的领域，从而实时捕捉真实的性能数据。这就减少了模糊性，明确了传感器如何响应以及控制器如何根据输入条件调整输出。从 HIL 中获得的准确见解使工程团队能够更有效地完善算法和校准硬件接口。

例如，电动汽车的动力总成控制系统就可以通过 HIL 测试，让电池管理单元、动力总成组件和其他模块像正常运行时一样协同工作。这种集成方法能更好地协调硬件和软件，最大限度地减少量产后的意外故障。大型项目将 HIL 视为一项不可或缺的战略，因为它为每个阶段的性能评估设定了高标准。其结果是一个稳定、协调良好的系统，能够满足或超越合规要求。

HIL 配置的主要类型

企业采用各种 HIL 设置来满足其开发项目的特定需求。一些解决方案侧重于微观层面的组件验证，而另一些则处理整个组件或系统层面的交互。根据预算、测试频率或硬件可用性选择不同的配置。精心策划的 HIL 布局可确保每个部件在正确的条件下进行评估，从而显著提高可靠性和投资回报率。

环内处理器 (PIL)： 这种设置通过将真实处理单元与模拟输入和输出连接起来，验证嵌入式处理器的功能。工程师通常依靠 PIL 来突出时序限制，并确认目标处理器是否能够处理计算需求。它可以准确显示应用代码在真实处理器条件下的表现。
硬件功率在环 (PHIL)：该配置增加了实际功率元件换流器或功率放大器，让团队能够评估负载下的行为。由于电流和电压波形受到真正的电气影响，系统稳定性和安全性变得更加清晰。PHIL 在需要精确电力流表示的微电网和可再生能源项目中尤为常见。
电机 HIL：该选项将电机驱动硬件与机械负载的数字表示连接起来，让您可以测量扭矩响应和其他性能指标。开发团队依靠电机 HIL 来确认速度控制算法是否能在各种条件下正常运行。这种方法可以及早发现机械应力点，从而降低后期维护成本。
汽车 ECU HIL：汽车工程师经常使用 HIL 工作台在没有整车的情况下实时测试电子控制单元。温度、压力或速度等传感器的信号会被模拟，ECU 会像在运行系统中一样做出响应。这种方法可在总装前隔离故障，有助于确认是否符合严格的行业规定。
机械组件 HIL：一些机构通过将特定的机械组件（如液压致动器或齿轮箱）与模拟条件相结合来进行测试。硬件的受力和运动情况与实际运行情况一致，从而实现精确优化。这种配置可突出显示物理磨损和撕裂可能随着时间的推移而发生的变化，从而促使尽早修改设计。

选择正确的配置取决于项目的性质和所需的物理组件集成程度。一些团队在开发跨越多个领域的大型系统（如电力和车辆控制）时，会配电多种形式的 HIL 结合起来。量身定制的方法可确保范围与细节的平衡结合，从而获得有意义的见解，推动更好的性能。了解这些配置的工程师可以平衡成本和测试深度，加快设计周期和生产准备。

实施 HIL 的步骤

有效的 HIL 实施取决于在稳定的测试域中调整真实硬件和软件模型的有条不紊的过程。每个步骤都能解决潜在的错误源，并确保为高级系统调整收集准确的数据。团队在集成所有组件之前制定明确的计划，从而减少成本超支。以下核心阶段可帮助您实现一致性和彻底验证：

步骤 1：确定系统要求

每个成功的 HIL 项目都有明确的目标。工程师要预先确定控制变量、性能限制和硬件规格。这种方法有助于避免在测试过程中对信号、数据速率和测量范围产生混淆。有条理的需求清单可使项目重点突出，降低范围扩大的风险。

步骤 2：开发精确模型

通过实时仿真工具创建系统或子系统的功能模型，确保虚拟元素反映物理领域。工程师根据已知的性能基准校准这些模型，验证每个参数（如电压电平或流体压力）是否反映真实值。详细的建模减少了后续步骤中的猜测。这一阶段的验证为无缝集成硬件奠定了基础。

步骤 3：整合硬件接口

传感器、执行器或嵌入式控制器等物理组件必须顺利连接到模拟器的 I/O 通道。正确的布线、信号调节和数据同步可防止错误读数或错过市场活动。这一集成过程通常包括稳健的检查表，以确认准确的引脚分配和电压基准。在此过程中的一丝不苟可确保后续测试数据的可信度。

步骤 4：进行初步验证

初步试验确认组合硬件和仿真设置在受控条件下是否符合预期。工程师可能会进行静态负载测试或简单的操作场景，以验证信号定时和数据采集。这些较小的评估有助于在运行高保真场景之前对参数进行微调。现在解决小问题可以在系统全面运行后节省大量精力。

步骤 5：迭代和优化

在第一个验证周期之后，持续改进至关重要。团队会检查日志和性能指标，以控制算法或硬件响应时间为重点，逐步改进。这种迭代方法可以及早发现细微的设计问题，从而提高系统可靠性。每个改进周期都会使项目更接近经过验证、可投入生产的解决方案。

HIL 面临的挑战

实施 HIL 可能会暴露出一些复杂问题，需要专业技术知识、谨慎的预算编制或多个部门之间的密切合作。如果不系统地应对这些挑战，可能会导致进展缓慢，而先见之明可以帮助您减少过程中的摩擦。有些困难源于硬件限制，有些则与组织因素有关。及早发现这些隐患可以大大改善测试结果。

实时同步困难：保持硬件信号与模拟器之间的精确定时至关重要，任何不匹配都会影响数据完整性。工程师通常使用专用的硬件接口和高速协议来处理这个问题，但设置可能很复杂。
硬件供应有限：某些关键组件可能稀缺或昂贵，迫使测试工程师与其他团队共享资源。要使项目按计划进行，就必须进行高效的时间安排和资源管理。
模型保真度问题：高保真模拟需要对机械、电气或热过程进行详细描述，而这些过程的开发可能非常耗时。过度简化这些模型会导致结果不准确。
数据解释的复杂性：如果缺乏系统的分析工具，大量的测试数据会让团队不堪重负。精心选择的软件解决方案和强大的数据记录实践可帮助您将原始输出转化为可操作的见解。
组织沟通方面的差距：控制工程师、硬件专家和项目经理之间的协调对于及时做出决策至关重要。明确的角色和责任可减少工作不协调和错过里程碑。

要应对每项挑战，往往需要将技术升级、流程改进和利益相关者协调结合起来。即使是先进的团队，也会在意外出现新组件或更新规格时遇到挫折。切实可行的应急计划和不断完善最初假设的意愿能使项目保持正常运行。最终，处理这些障碍的应变能力会使整个开发生命周期受益匪浅。

硬件在环的主要优势

项目牵头人对以下方面的一致成果和可衡量收益表示赞赏 HIL 测试提供。由于能及早发现问题，通常能加快产品上市的速度，同时也能减少最后一刻出现的意外，从而更好地管理预算。添加或替换硬件组件的灵活性使实时诊断和迭代改进成为可能。仔细研究这些优势，就会发现为什么 HIL 是一种实用的方法。

加强安全测试： 将实际硬件置于受控测试循环中，避免了现场评估的风险。重大危险或故障可在安全的环境中发现。
缩短开发周期： 来自真实硬件的迭代反馈缩短了每个测试阶段的时间，从而缩短了发布时间。这种效率有助于您更有效地应对设计变更。
降低总体成本： 及早发现设计缺陷，避免后期返工，因为返工会消耗大量资源。消除过多的物理原型也能节省预算。
对最终产品更有信心： HIL 可显示详细的性能数据，从而对控制算法和机械行为进行可靠的验证。利益相关者信任由真实硬件交互支持的结果。
加强团队协作： 由于 HIL 设置提供了透明的洞察力，工程师、操作员甚至财务经理都能对测试结果保持一致。这种一致性可推动项目取得更加协调的成果。

投资 HIL 的企业通常将其视为一种战略资产，而不是孤立的测试工具。在精确条件下连接硬件和软件的能力有助于深入了解每个子系统。围绕共享数据的协作可加快决策速度，同时确保符合行业标准。随着时间的推移，这些优势会不断叠加，从而带来更有效的增长。

新兴技术的 HIL 趋势

自主系统和可再生能源的新发展将 HIL 置于先进产品开发的中心。工程师们正在将机器学习算法集成到仿真环路中，以便根据真实的传感器反馈进行预测。这种转变提高了测试覆盖率，有助于在异常升级为重大故障之前发现它们。零排放交通解决方案的需求日益增长，这也与 HIL 的作用相吻合，可以大规模改进电池、电机和充电系统。

基于云的平台现在提供远程协作功能，分布在各地的团队可以同时运行大量的 HIL 仿真。这项技术可适应更广泛的测试场景，加快产品上市时间。硬件与人工智能驱动的分析技术之间的协同作用得到了增强，从而完善了控制系统校准，提高了效率。许多公司将这些 HIL 先进技术视为开发新收入来源的机会，同时最大限度地降低整体风险。

硬件在环促进了要求高可靠性和峰值性能的多个领域的稳健系统开发。该流程将测试平台中的真实和虚拟元素连接起来，可快速显示潜在问题，并为具有成本效益的修复措施铺平道路。工程师和项目利益相关者依靠其准确的结果来指导产品部署的重要决策。如果采用明确的计划和可扩展的方法，HIL 将成为提高质量和效率的关键驱动力。

各行各业的工程师和创新者都在利用实时仿真来加速开发、降低风险，并突破可能的极限。在 OPAL-RT我们拥有数十年的专业经验和创新激情，能够提供业内最开放、可扩展和高性能的仿真解决方案。从硬件在环测试到基于人工智能的云仿真，我们的平台让您能够放心地进行设计、测试和验证。

关于 HIL 测试的常见问题

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HIL 是 Hardware-in-the-Loop 的缩写。它是一种将物理硬件组件集成到模拟测试框架中的技术，可确保复杂系统的精确测试。

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[av_toggle title='硬件软件在环测试与软件在环不同吗？' tags=" custom_id=" av_uid='av-maic4fqz' sc_version='1.0′]
软件在环（SIL）测试只关注虚拟模型，而 HIL 则增加了实际硬件组件，以获得更深入的见解。HIL 中真实硬件的存在捕捉到了物理行为和独特的性能因素，而 SIL 可能会忽略这些因素。

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由于缺陷被及早发现，避免了在最后一刻修改设计，因此预算更加稳定。更少的原型和返工周期也能为项目节省大量资金。

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[av_toggle title='高压或工业应用中的 HIL 测试可以扩展吗？ tags=" custom_id=" av_uid='av-maic64nt' sc_version='1.0′]
是的。许多平台支持更高的额定功率、专用 I/O 板和专用放大器，以满足工业需求，同时保持实时性能。

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[av_toggle title='为什么团队会问什么是汽车硬件在环测试？ tags=" custom_id=" av_uid='av-maic6x4t' sc_version='1.0′]

工程师需要一种可靠的方法，在实际车辆组装之前验证电子控制单元、动力系统和安全功能。HIL 将软件和硬件暴露在真实的传感器输入下，在现实条件下揭示潜在的问题。

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