隨著系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得越來越復(fù)雜，依靠原型來確定系統(tǒng)性能是否滿足設(shè)計(jì)需求的風(fēng)險也變的復(fù)雜：在需要啟動測試時，原型可能成本高昂，操作風(fēng)險大，甚至不可用或不完整。因此，越來越多的工程團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)過程的早期就使用仿真和其他測試技術(shù)，此時錯誤更易于修復(fù)，且成本更低。

Simulink Test 提供了一個集成框架，使您可以在整個設(shè)計(jì)過程（從桌面仿真到硬件測試）中執(zhí)行自動化、可重復(fù)的測試（圖 1）。

圖 1：通過桌面和硬件在環(huán)仿真進(jìn)行可重復(fù)系統(tǒng)測試的框架。

我們將使用一個顫振抑制示例來演示這種工作框架。

顫振抑制系統(tǒng)測試目標(biāo)和設(shè)置

顫振是由作用在機(jī)翼上的空氣動力引起的振動。這種現(xiàn)象可以導(dǎo)致機(jī)翼振動，嚴(yán)重時會導(dǎo)致機(jī)翼損壞?？刂祁澱竦囊环N方法是使用控制表面并試圖抑制振動。

我們的顫振抑制系統(tǒng)有三個輸入：所需的角度（度）、速度（馬赫）和海拔高度（英尺）。它的單一輸出是機(jī)翼的測量偏差（弧度）。

我們需要根據(jù)兩個設(shè)計(jì)需求測試系統(tǒng)：

系統(tǒng)在施加擾動的兩秒內(nèi)將顫振抑制在 0.005 弧度以內(nèi)

顫振隨時間呈指數(shù)衰減 — 具體而言，系統(tǒng)具有正阻尼比

系統(tǒng)需要在各種操作條件下滿足這些需求，以最大限度地減少在現(xiàn)場部署或投入生產(chǎn)時的意外行為。

圖 2 顯示了我們的顫振抑制系統(tǒng)的 Simulink模型。

圖 2：飛機(jī)顫振抑制系統(tǒng)模型。

在這個模型中，我們將在三秒鐘后引入擾動，然后測試控制器是否能夠抑制各種馬赫和海拔高度點(diǎn)的顫振。

要執(zhí)行測試，我們需要具備以下條件：

可以在仿真的每個時間步長監(jiān)控顫振的測試環(huán)境

記錄數(shù)據(jù)以確定顫振是否隨時間呈指數(shù)衰減的能力

依托各種馬赫和海拔高度值進(jìn)行迭代的能力

設(shè)置測試框架測試序列模塊

控制設(shè)計(jì)工程師有時會創(chuàng)建兩個獨(dú)立的模型，一個用于測試的基礎(chǔ)模型，另一個用于布置。確?；A(chǔ)模型和布置的模型等效具有一定難度。此外，根據(jù)測試任務(wù)，可能需要自定義輸入或記錄其他數(shù)據(jù)，這些會更改基礎(chǔ)模型。

Simulink 提供了兩個工具，使我們能夠避免此版本控制問題：測試框架和測試序列模塊。測試框架是一個與被測系統(tǒng)模塊關(guān)聯(lián)的模型。它有單獨(dú)的模型工作區(qū)和配置集，但仍然存在于主模型中。它有效地為我們提供了一個沙盒來測試我們的設(shè)計(jì)，而不會改變或破壞基礎(chǔ)模型。

要在 Simulink 中從頭開始創(chuàng)建測試框架，我們只需右鍵單擊子系統(tǒng)，或者從工具條中選擇Analysis（分析），然后在選擇Test Harness（測試框架）后，選擇Create Test Harness（創(chuàng)建測試框架）。隨后，以交互方式配置新測試框架（圖 3）。

圖 3：Simulink 中的測試框架對話框。

測試序列模塊（圖 4 中紅框表示）使用 MATLAB作為動作語言（圖 5）。它允許您在評估被測組件時有條件地在測試步驟之間轉(zhuǎn)換。您可以使用條件邏輯、時序算子（例如 before 和 after）和事件算子（例如hasChanged 和 hasChangedFrom）。

圖 4：測試序列模塊（紅框）和數(shù)據(jù)記錄（藍(lán)框）的測試框架模型。

圖 5：支持 MATLAB 動作語言的測試序列。

第一個需求規(guī)定顫振應(yīng)以施加初始擾動的兩秒內(nèi)被抑制。我們合并了一個測試序列模塊來實(shí)施這個測試用例。我們將期望設(shè)置為 0 弧度，并在五秒后計(jì)算每個時間步長下的誤差。使用verify函數(shù)記錄每個時間步長是否滿足條件。

為了計(jì)算阻尼比，我們使用圖 4 中藍(lán)框內(nèi)的 To Workspace（到工作區(qū)）和 File Scope（文件范圍）將數(shù)據(jù)以仿真和實(shí)時方式記錄下來。

創(chuàng)建和運(yùn)行桌面仿真

被測系統(tǒng)有兩個輸入：馬赫和海拔高度。需求定義系統(tǒng)應(yīng)在各種操作條件下進(jìn)行測試。我們可以使用 Simulink Test Manager 創(chuàng)建各種條件下的自動化測試用例。測試用例使我們能夠在不同的輸入條件下自動測試這兩個需求，并生成有關(guān)它們是通過還是失敗的報告。當(dāng)設(shè)計(jì)的更改時，可以重新運(yùn)行這個測試用例。

使用 Test Manager，我們可以為顫振抑制系統(tǒng)新建一個測試框架，添加測試目的描述，并將其鏈接到需求。最后，我們使用腳本迭代為馬赫和海拔高度指定了一些操作條件（圖 6）。

圖 6：在測試管理器界面中使用 MATLAB 腳本為不同的馬赫和海拔高度值設(shè)置迭代。

我們現(xiàn)在將使用此測試自動化工作流程來測試我們的兩項(xiàng)需求。第一項(xiàng)需求已使用測試序列模塊予以處理。重新調(diào)用 verify 函數(shù)。如果驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)在任何時候出現(xiàn)失敗，則整體測試將失敗。

對于第二項(xiàng)需求，我們添加了模塊來記錄仿真數(shù)據(jù)。我們需要對測量的角度進(jìn)行一些數(shù)據(jù)分析，以確定測試是通過還是失敗。通過在每次運(yùn)行仿真后執(zhí)行 cleanup 回調(diào)函數(shù)可完成這項(xiàng)分析（圖 7）。我們可以利用以前的數(shù)據(jù)分析工作來進(jìn)行指數(shù)擬合，并根據(jù)擬合參數(shù)聲明通過或失敗。

圖 7：在測試管理器界面中為自定義標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置cleanup回調(diào)函數(shù)。

從現(xiàn)在開始，測試將根據(jù)我們指定的操作條件自動檢查我們的系統(tǒng)。我們可以在 Results and Artifacts 窗格中看到測試結(jié)果（圖 8）。我們可以檢查 verify 語句的輸出，確定未評估測試標(biāo)準(zhǔn)、評估通過及評估失敗的時間。此外，我們可以可視化記錄的指定和測量角度數(shù)據(jù)。

圖 8：verify語句的輸出（需求 1）。

系統(tǒng)在仿真中通過了所有測試，但讓我們仔細(xì)研究以確保滿足需求。顫振應(yīng)以施加擾動的兩秒內(nèi)為界的需求。鑒于擾動在仿真中施加了三秒，預(yù)期 verify 語句在仿真的前五秒未經(jīng)測試。從那以后，我們可以看到測試通過了。

測量角度數(shù)據(jù)表明，顫振不僅是有界的，而且是衰減的，這符合第二個需求（圖 9）。

圖9：測量角度輸出。

實(shí)時測試

我們現(xiàn)在準(zhǔn)備使用硬件在環(huán) (HIL) 仿真來測試硬件。HIL 的目標(biāo)是實(shí)時仿真被控對象模型動態(tài)，同時與將在實(shí)際使用的嵌入式控制器連接。為了進(jìn)行 HIL，我們將運(yùn)行 Simulink 的筆記本電腦、Speedgoat 實(shí)時仿真機(jī)以及嵌入式控制器通過模擬和數(shù)字 I/O 進(jìn)行連接連接（圖 10）。

圖10：測試硬件：Windows PC（紅）、Speedgoat目標(biāo)（藍(lán)）和嵌入式控制器（綠）。

在筆記本電腦上，我們從模型中生成 C 代碼并將其編譯為實(shí)時應(yīng)用。該應(yīng)用可通過以太網(wǎng)連接下載到 Speedgoat 實(shí)時目標(biāo)計(jì)算機(jī)。生成的代碼包括被控對象模型動態(tài)、與控制器通信所需的 I/O驅(qū)動程序以及包含 verify 函數(shù)的測試評估模塊。

仿真與實(shí)時測試之間的關(guān)鍵區(qū)別在于我們刪除了仿真控制系統(tǒng)并使用在嵌入式處理器上布置的控制系統(tǒng)。然后，我們可以在其實(shí)際工作頻率下測試已布置的控制系統(tǒng)及其輸入和輸出。

我們現(xiàn)在將使用測試管理器創(chuàng)建實(shí)時測試（圖 11）。

圖11：設(shè)置實(shí)時測試的Test Manager界面。

在實(shí)時測試中，我們構(gòu)建與之前一樣的環(huán)境，外加一個被測系統(tǒng)環(huán)境 Target Computer（目標(biāo)計(jì)算機(jī)）。測試將允許在實(shí)時仿真機(jī)中。

我們將在與以前相同的各種操作條件下測試需求，并且對測量的角度進(jìn)行相同的數(shù)據(jù)分析，以確定測試是通過還是失敗。我們可以在測試管理器中查看測試結(jié)果（圖 12）。

圖 12：實(shí)時測試結(jié)果。

我們發(fā)現(xiàn)某些測試條件下的實(shí)時測試失敗了。如圖 12 和圖 13 所示，verify 語句在各個點(diǎn)處失敗，并且測量的角度不會衰減，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

圖13：來自實(shí)時測試的測量角度輸出。

是什么差異導(dǎo)致仿真中通過，而 HIL 測試時失敗？

測試失敗有多種原因，這些原因凸顯了使用硬件進(jìn)行測試的重要性。首先，在仿真模型中，使用雙精度值作為接口直接連接控制器和被控對象。實(shí)時仿真與生產(chǎn)控制器之間的連接通過數(shù)字和模擬信號建立，因此，由于量化誤差，我們在接口中立即失去精度。其次，仿真測試沒有考慮實(shí)際系統(tǒng)中存在的實(shí)際延遲。第三，在仿真中測試的控制設(shè)計(jì)可能未在生產(chǎn)控制器中正確實(shí)施。

盡管這些測試沒有通過，但我們?nèi)杂泄ぷ饕觯覀冃枰獎?chuàng)建一份報告發(fā)送給同事。我們要使用測試管理器中的報告生成器創(chuàng)建一個報告，記錄執(zhí)行測試的人員、測試標(biāo)準(zhǔn)、需求的鏈接以及結(jié)果摘要。

隨著系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展，我們可以使用測試管理器和我們已經(jīng)創(chuàng)建的測試來自動執(zhí)行迭代測試并為這些測試生成報告。