安全、系統(tǒng)生存能力以及進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間，通過(guò)仿真與模擬的結(jié)合而日益得到滿足。
當(dāng)構(gòu)建一個(gè)控制系統(tǒng)以前要求您先確定其工作方式，這似乎是一對(duì)矛盾，但它卻代表著一種相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。幾年前--當(dāng)該行業(yè)還不成熟時(shí)--您可能會(huì)先制造一個(gè)原型樣機(jī)、然后試驗(yàn)、修改、再試驗(yàn)。今天，人們一般已經(jīng)不再采用這種方式，這其中有以下3個(gè)主要原因。
首先，構(gòu)建原型是一件既費(fèi)時(shí)又費(fèi)錢的事。以今天日益加快的開(kāi)發(fā)速度以及對(duì)更短的進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)間的要求，制造商們很少能有使用這種費(fèi)時(shí)技術(shù)的奢侈。
其次，也是同等重要的，今天的系統(tǒng)一般不是太大就是太小，以至于很難輕易就制造出一個(gè)原型。專用集成電路（ASIC）以及其他復(fù)雜元件一般并不是馬上就能用于原型制造，因此構(gòu)建的原型并不能精確地達(dá)到所預(yù)期的最終系統(tǒng)性能。
最后，構(gòu)建原型只須制造出一件產(chǎn)品，因此，它并不能使人們對(duì)正式生產(chǎn)所面臨的挑戰(zhàn)有深入的了解。 同室操戈
但可替代的方案又是什么呢？今天，各公司日趨轉(zhuǎn)向一對(duì)孿生技術(shù)--仿真與模擬。
盡管很多人交替使用仿真與模擬這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)，但它們之間仍有很大的區(qū)別。仿真完全利用軟件來(lái)對(duì)一種產(chǎn)品或子系統(tǒng)進(jìn)行建模，因此工程師們首先可試驗(yàn)各種備選方案，并通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)來(lái)幫助制造或提高產(chǎn)品性能。當(dāng)產(chǎn)品尚處于設(shè)計(jì)制圖階段時(shí)，仿真不失為一種功能強(qiáng)大的工具，但它在生產(chǎn)啟動(dòng)時(shí)卻只能提供很少的收益，因?yàn)榉抡骐m然能告訴你產(chǎn)品應(yīng)該具有什么樣的性能，但它卻不能告訴你產(chǎn)品（或其特定復(fù)制品）究竟具有什么樣的性能。而且，仿真一種相對(duì)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，在很多情況下可能是一項(xiàng)非常耗時(shí)的工作，從而進(jìn)一步限制了它在生產(chǎn)環(huán)境中的可應(yīng)用性。
模擬與仿真之間存在幾個(gè)關(guān)鍵的不同。根據(jù)Dennis Howe的“免費(fèi)在線計(jì)算詞典”的解釋，一個(gè)系統(tǒng)只有在它以同樣的方式運(yùn)行時(shí)（盡管并非必須是在同樣的速度上），它才能被稱為是在仿真另一個(gè)系統(tǒng)。仿真用于代替軟件及特定硬件來(lái)成為產(chǎn)品架構(gòu)的一部分，它允許對(duì)產(chǎn)品或其子系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)試驗(yàn)，其中包括控制軟件的功能。它能“讓時(shí)鐘停下來(lái)”以使工程師們能查看那些在正常運(yùn)行時(shí)不可能有足夠的時(shí)間進(jìn)行觀察或測(cè)量的瞬時(shí)狀態(tài)。
仿真器（仿真程序）可將產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)映射到FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）或其他定制可編程裝置上。仿真設(shè)置在程序控制下可模擬系統(tǒng)的幾個(gè)子部分，在生產(chǎn)測(cè)試過(guò)程中，分別模仿這些子系統(tǒng)，可通過(guò)嚴(yán)格限制每一測(cè)試部分的范圍來(lái)減少整個(gè)測(cè)試過(guò)程的復(fù)雜性。此外，利用仿真器將信號(hào)與產(chǎn)品的“真實(shí)”部分掛鉤，工程師們可觀察這些信號(hào)對(duì)各種軟硬件版本的實(shí)際反應(yīng)，這種方法可預(yù)測(cè)產(chǎn)品運(yùn)行實(shí)際控制應(yīng)用時(shí)它將具有怎樣的性能，以及修改與修訂將對(duì)性能產(chǎn)生怎樣的影響等。
將仿真結(jié)果與其他基于軟件的模擬進(jìn)行組合可進(jìn)一步提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)。仿真對(duì)于大型控制系統(tǒng)尤其有用，因?yàn)橹圃焐炭梢栽诋a(chǎn)品生命周期的前期對(duì)其進(jìn)行調(diào)試，這要優(yōu)于為產(chǎn)品制造一個(gè)樣機(jī)或全尺寸工作系統(tǒng)，從而可顯著地縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。芯片或設(shè)備制造商經(jīng)常通過(guò)提供帶有仿真或模擬功能的測(cè)試或開(kāi)發(fā)工具來(lái)幫助用戶進(jìn)行技術(shù)集成，這對(duì)于開(kāi)發(fā)小型系統(tǒng)來(lái)說(shuō)尤其有用。 捷徑
在試生產(chǎn)及起步制造階段，即使有些部件還沒(méi)來(lái)得及生產(chǎn)，通過(guò)仿真也能對(duì)整個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)這些部件制造出來(lái)后（假設(shè)它們能工作），便能以最少的工作量將其無(wú)縫地“安插”到產(chǎn)品中。在制造過(guò)程中從這些點(diǎn)上所獲得的早期反饋，可幫助預(yù)測(cè)產(chǎn)品的現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)，同時(shí)還能以更少的意外在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行更快的啟動(dòng)。
高級(jí)仿真系統(tǒng)允許數(shù)據(jù)從自由運(yùn)行的系統(tǒng)（以正常速度運(yùn)行的系統(tǒng)）上輸入而無(wú)需中斷系統(tǒng)的運(yùn)行，從而能提高精度及結(jié)果的有效性。例如德州儀器公司基于掃描的PCIBus JTAG型仿真器，即能提供幫助減少由處理器速度的提高而造成的“可視性消失”問(wèn)題，也就是說(shuō)，仿真器無(wú)需對(duì)控制系統(tǒng)的印制電路板進(jìn)行針床接入，也無(wú)需光學(xué)檢查中所需的視線可見(jiàn)性，即能對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。
此外，仿真還能使工程師們對(duì)系統(tǒng)的外圍設(shè)備控制、數(shù)據(jù)總線以及其他駐留在板上設(shè)備中的部件有更深入的了解。而在這種情況下，想要跟蹤實(shí)際應(yīng)用如何在芯片內(nèi)執(zhí)行或者找到一個(gè)數(shù)據(jù)訪問(wèn)測(cè)試點(diǎn)卻幾乎是不可能的。但仿真器卻能將數(shù)據(jù)傳輸至（或從中傳出）一個(gè)托管開(kāi)發(fā)平臺(tái)及目標(biāo)處理器上，下載代碼，“即時(shí)”查看復(fù)雜的數(shù)據(jù)序列，同時(shí)還能不犧牲產(chǎn)品的全速運(yùn)行。
盡管大多數(shù)廠商在開(kāi)發(fā)周期的某些點(diǎn)上已經(jīng)采用了模擬與仿真，但根據(jù)Verisity的“Testbench Acceleration（測(cè)試平臺(tái)加速）”白皮書(shū)的說(shuō)法，一個(gè)小組一般只能處理其中一項(xiàng)技術(shù)。在模擬與仿真中所關(guān)心的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是測(cè)試及檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膩?lái)源。
例如，仿真小組可能采用專為某一步驟而創(chuàng)建的隨機(jī)測(cè)試向量，但為了能提供可體現(xiàn)產(chǎn)品性能的最佳及最精確的仿真畫(huà)面，他們也經(jīng)常使用一些在“如果-即”這樣的仿真中所收集并記錄下來(lái)的刺激源，或者使用一些由專用測(cè)試程序或由“真實(shí)”環(huán)境所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量（比如實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包流量）等。在3種備選方案中，仿真刺激被證明是最有用的，因?yàn)樗鼈冏羁赡馨瑯O端條件，例如產(chǎn)生一種“除以零”的數(shù)據(jù)等。假如這種條件十分罕見(jiàn)，則隨機(jī)產(chǎn)生的測(cè)試向量以及真實(shí)情況運(yùn)算向量子集就很可能發(fā)現(xiàn)不了它們。
練習(xí)使用模擬過(guò)程中收集到的刺激源，要求將每一個(gè)向量發(fā)給仿真工作平臺(tái)，以軟件來(lái)執(zhí)行，并對(duì)所產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行監(jiān)視。一些廠商嘗試通過(guò)利用一種類似于API（應(yīng)用編程接口）的通信總線（大多數(shù)仿真器都能提供）將工作站與仿真器相連、或通過(guò)創(chuàng)建一些準(zhǔn)備仿真的測(cè)試臺(tái)來(lái)將這兩個(gè)過(guò)程整合在一起。
例如，Cimetrix公司即為多軸機(jī)器控制應(yīng)用提供了一系列開(kāi)放架構(gòu)機(jī)器建模及運(yùn)動(dòng)控制軟件產(chǎn)品。由該公司提供的這種所謂的“仿真環(huán)境”，通過(guò)模擬最終產(chǎn)品的運(yùn)行而能同時(shí)進(jìn)行軟、硬件開(kāi)發(fā)。Cimetrix還提供一種離線環(huán)境，用于構(gòu)建機(jī)器模型以及開(kāi)發(fā)一些可相同地運(yùn)行于這些模型及最終控制系統(tǒng)上的軟件應(yīng)用。此外，制造商還能在實(shí)際硬件可用--甚至被充分定義以前即開(kāi)始相關(guān)應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)工作。Cimetrix公司聲稱，由它提供的方案最多可將產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)時(shí)間縮短70%。
 實(shí)例
根據(jù)Rockwell Automation（它開(kāi)發(fā)了一種稱為RSTestStand的仿真器）的說(shuō)法，通過(guò)使制造商離線測(cè)試控制系統(tǒng)，系統(tǒng)仿真可將這一測(cè)試步驟從開(kāi)始時(shí)的關(guān)鍵階段撤除。這種工具允許以一種可控方式來(lái)測(cè)試設(shè)備的故障及系統(tǒng)響應(yīng)。它簡(jiǎn)化了軟件與測(cè)試平臺(tái)的連接過(guò)程，因?yàn)樗恍枰M(jìn)行實(shí)際的物理設(shè)備連線，但卻能創(chuàng)建被測(cè)控制系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)程的快照。而且，由于大多數(shù)仿真是通過(guò)軟件來(lái)進(jìn)行，因此工程師們可以很容易地通過(guò)保存及重裝軟件應(yīng)用來(lái)檢驗(yàn)各種可能的刺激源組合及替代方案。Rockwell開(kāi)發(fā)的TestStand可將仿真結(jié)果以可視形式呈現(xiàn)在傳統(tǒng)的PC顯示器上。制造商們爭(zhēng)辯說(shuō)，可視化能使人們更好地了解眾多控制元素之間的復(fù)雜關(guān)系，而這些元素可能會(huì)以各種無(wú)法預(yù)料的方式對(duì)相對(duì)罕見(jiàn)的條件起反應(yīng)。同時(shí)還能用這些顯示器來(lái)培訓(xùn)操作及維護(hù)人員，從而無(wú)需在工廠中購(gòu)置其他昂貴的設(shè)備。
為闡明這一概念，請(qǐng)看Voith Siemens公司（賓州約克市）為紐約州Massena市巨大的St.Lawrence Franklin D.Roosevelt電力項(xiàng)目所安裝的新型控制系統(tǒng)。該項(xiàng)目包括位于美國(guó)及加拿大兩側(cè)的16臺(tái)70兆瓦的水電渦輪發(fā)電機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組由一個(gè)Rockwell Automation控制器（Allen-Bradley ControlLogix）控制，來(lái)對(duì)告警觸發(fā)、冷卻與潤(rùn)滑、自動(dòng)關(guān)機(jī)以及泵與閥門(mén)操作進(jìn)行全面控制。
過(guò)去，Voith Siemens曾試驗(yàn)過(guò)一種帶有硬連線測(cè)試臺(tái)的單元控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)需要有實(shí)際的設(shè)備來(lái)接收測(cè)試輸入并產(chǎn)生相應(yīng)的輸出。控制過(guò)程昂貴而耗時(shí)，且經(jīng)常將其自身的錯(cuò)誤帶入控制系統(tǒng)中。這一類試驗(yàn)僅允許采用數(shù)量有限的開(kāi)關(guān)、燈泡以及其他測(cè)試部件。結(jié)果，Voith Siemens 不得不在測(cè)試中途交換設(shè)備或?qū)y(cè)試臺(tái)重新連線，從而不能對(duì)一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)且一次性的測(cè)試，而有時(shí)錯(cuò)誤的設(shè)備連線又產(chǎn)生出不可信的測(cè)試結(jié)果。 避免硬連線測(cè)試
“硬連線測(cè)試需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能建立，且任何設(shè)備誤配置均會(huì)降低它們的精度”，Voith Siemens公司項(xiàng)目主管Darryl Stevenson評(píng)述說(shuō)，“我們需要縮短過(guò)程并改進(jìn)測(cè)試結(jié)果”。他還說(shuō)，除硬件以外，Voith Siemens 經(jīng)常不得不去開(kāi)發(fā)定制的仿真程序來(lái)完成適當(dāng)?shù)臏y(cè)試，而額外的程序又增加了另一種層次上的復(fù)雜性并有可能成為另一種錯(cuò)誤源。
通過(guò)用RSTestSTand來(lái)取代物理設(shè)備輸入--泵、傳感器等，用戶使用軟件操作即能對(duì)控制器的實(shí)際性能進(jìn)行檢查。通過(guò)這種新的系統(tǒng)，向系統(tǒng)配置中增添泵或開(kāi)關(guān)只需改變軟件即能完成，從而排除了在可用測(cè)試資源數(shù)量上的限制。操作員通過(guò)軟件接口可以很容易對(duì)測(cè)試工作臺(tái)進(jìn)行配置，以代表各種控制過(guò)程--離散或連續(xù)等，然后再對(duì)控制過(guò)程中的許多不同控制信號(hào)做出響應(yīng)。
以這種新的方法，Voith Siemens可在一種全集成的環(huán)境下對(duì)整個(gè)單元控制進(jìn)行完全地測(cè)試，從而提高結(jié)果的精度及時(shí)效性。另外，更少的定制程序開(kāi)發(fā)，也使工程師們能更多地關(guān)注測(cè)試端的應(yīng)用。同時(shí)，系統(tǒng)模塊化也使程序再利用變得更加容易，從而在需要進(jìn)行改動(dòng)或升級(jí)時(shí)能節(jié)省更多的時(shí)間。 成本與收益
軟件的經(jīng)濟(jì)性迫使電子設(shè)備制造商及其他廠商重新思考上升至全能力生產(chǎn)過(guò)程中的成本與回報(bào)。在測(cè)試過(guò)程中用仿真來(lái)代替系統(tǒng)的某些部分，可實(shí)現(xiàn)軟硬件及應(yīng)用的并行開(kāi)發(fā)。關(guān)鍵問(wèn)題是--總是如此--進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間。與硬件原型及純模擬相比，仿真能提供更多的優(yōu)勢(shì)，而所導(dǎo)致的方法則能同時(shí)實(shí)現(xiàn)縮短進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間以及降低相關(guān)開(kāi)發(fā)成本的雙重目的。
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