硬件在環(huán)仿真在發(fā)動機中的應(yīng)用進展

劉落實　張南峰　吳偉斌　朱高偉　李志鵬　陳滿波

摘 要：現(xiàn)代汽車行業(yè)中，硬件在環(huán)仿真（Hardware In-the-Loop Simulation，HILS）在快速開發(fā)以及測試發(fā)動機ECU中得到了廣泛的應(yīng)用。國外的硬件在環(huán)仿真技術(shù)相對成熟，具備較高的實時性和有效性；在國內(nèi)，針對不同發(fā)動機ECU的硬件在環(huán)仿真技術(shù)迅速發(fā)展。與此同時，采用軟件建立實時仿真模型、對接口系統(tǒng)優(yōu)化以及提高自動化檢測水平是近年來我國取得的進展，但仍然存在實時模型通用性差、測試效率低、準確度不高和自動化水平不成熟等問題。針對以上的問題，文章從HIL的測試精度、效率以及可靠性等方向出發(fā)結(jié)合現(xiàn)代新技術(shù)提出相應(yīng)的解決方案。

關(guān)鍵詞：硬件在環(huán)；HILS；發(fā)動機；ECU

引言

汽車發(fā)動機的進氣量、噴油量、點火時間、轉(zhuǎn)速等工作參數(shù)受ECU控制，隨著汽車行業(yè)不斷發(fā)展，作為汽車電控系統(tǒng)的核心控制單元的質(zhì)量和穩(wěn)定性的要求日益苛刻。傳統(tǒng)的工程試驗方法，在各汽車系統(tǒng)測試中所存在的弊端逐漸顯露出來，研發(fā)周期長以及穩(wěn)定性差等問題限制了發(fā)動機ECU的發(fā)展。

ECU的硬件在環(huán)仿真技術(shù)作為一種先進的技術(shù)逐漸廣泛地應(yīng)用在發(fā)動機ECU開發(fā)當中，極大提高了測試的穩(wěn)定性和縮短研發(fā)周期。文章旨在通過對國內(nèi)外硬件在環(huán)仿真技術(shù)在發(fā)動機ECU中的應(yīng)用現(xiàn)狀進行分析，總結(jié)出現(xiàn)存問題并提出相應(yīng)的解決方案及未來的研究方向。

1 國外研究現(xiàn)狀

對硬件測試的研究領(lǐng)域，國外的硬件在環(huán)仿真技術(shù)領(lǐng)域較為成熟。德國勃朗施威格工業(yè)大學(xué)的U.Varchmin教授研制了ECU硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)——MOSIG[1]。自此HIL作為對ECU的測試方法，相比于傳統(tǒng)的工程實驗方法，能更有效地進行測試和評估，對檢測和開發(fā)汽車發(fā)動機ECU提供了效率和有效的途徑。ADI公司研制了專門為實時動態(tài)仿真設(shè)計的計算機系統(tǒng)——Simsyste [2]，該系統(tǒng)采用了大量的高性能硬件，能夠?qū)?fù)雜的、高速運行的系統(tǒng)進行實時仿真，具有較高的實時性和準確性。

德國dSPACE公司開發(fā)的硬件在環(huán)實時仿真系統(tǒng)——dSPACE，可完成包括發(fā)動機循環(huán)、扭矩輸出和汽車動力性的仿真工作。此后，基于dSPACE的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，并利用MATLAB/simulink建立仿真模型的方法被廣泛應(yīng)用[3]。

國外車企相繼應(yīng)用并完善HIL測試方式，其逐漸趨向自動化，可模擬發(fā)動機在各種工況和環(huán)境下對發(fā)動機ECU的測試，避免可能所引起的危險和提高測試的有效性。美國國家儀器（NI）公司具有開創(chuàng)性地研發(fā)了自動化在環(huán)測試軟硬設(shè)備，自動化測試得到了較大的發(fā)展。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

近年來國內(nèi)在硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的設(shè)計上取得較大的進步，其研究從最初的人工操作過渡到自動化系統(tǒng)，現(xiàn)逐步向智能化的目標發(fā)展。

針對不同的發(fā)動機ECU，功能不盡相同的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)相繼被提出。近年來，高壓共軌柴油機迅速發(fā)展，成為了未來柴油機發(fā)展的新方向，硬件在環(huán)仿真在高壓共軌柴油機上的應(yīng)用受到廣泛的重視。楊聞睿等研究設(shè)計了高壓共軌柴油機ECU硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的軟件部分，采用Visual C ++和LabVIEW混合編程[4]，并利用CAN總線的高速傳輸?shù)奶攸c解決了系統(tǒng)實時性問題。此外，張生斌等在原有的研究基礎(chǔ)上構(gòu)建了一種基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）技術(shù)的硬件在環(huán)系統(tǒng)[5]，該系統(tǒng)專門用于對高壓共軌柴油機判缸與噴油的研究。

與此同時，針對CNG/汽油發(fā)動機ECU的開發(fā)與測試，吳偉斌等人通過ECU硬件在環(huán)仿真的設(shè)計與運用，采用基于PXI的發(fā)動機在環(huán)仿真系統(tǒng)[6]，完成了兩用燃料發(fā)動機ECU在環(huán)仿真試驗，實現(xiàn)對兩用燃料發(fā)動機ECU快速開發(fā)，具有較高的效率及可靠性。此外，一些針對現(xiàn)代節(jié)能發(fā)動機的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)也取得較大的發(fā)展，如生物柴油發(fā)動機和電動機等。

另外，在硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的研究上，針對系統(tǒng)的不同組成部分有不同的發(fā)展情況。發(fā)動機實時模型的建立上，采用目前較為成熟的發(fā)動機平均值模型，模型的仿真技術(shù)從DSP系統(tǒng)硬件仿真過渡到MATLAB/simulink等軟件仿真；而對于人機交互監(jiān)控系統(tǒng)，采用較多地仍為PC機，利用其豐富多元的軟硬件資源，能更好地實現(xiàn)監(jiān)控的實時性、直觀性和可操作性；在數(shù)據(jù)傳輸方面，CAN總線因具有傳輸速率高、傳輸穩(wěn)定等優(yōu)良特點被廣泛應(yīng)用于仿真模型與被測ECU系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。

隨著ECU電控系統(tǒng)的不斷發(fā)展、復(fù)雜程度不斷加大，對其測試的難度也逐漸加大。黃永逸等提出了汽油機自動化測試的實現(xiàn)方法[7]，并通過自動測試的試驗證明了自動化硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)的可靠性，該自動化系統(tǒng)在一定程度上減少了人為操作的誤差，提高了測試工作的效率。

3 現(xiàn)存問題及展望

國外具有較高水平的硬件在環(huán)仿真技術(shù)，但依然存在價格高、實用性差等缺點，除此之外，在技術(shù)層面上也存在一定的缺陷，如dSPACE系統(tǒng)不能外帶一些簡單傳感器和只能進行純數(shù)學(xué)的計算，從而影響了仿真的結(jié)果。另外ADRTS系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理能力要求較高，即計算機的性能高低限制了硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的發(fā)展。

國內(nèi)對發(fā)動機在環(huán)仿真的研究雖取得較大的進展，但大部分仍停留在人工操作上，測試的效率和準確性不高，所建立的仿真模型不具備通用性，同時，自動化在環(huán)仿真技術(shù)在發(fā)動機中的應(yīng)用尚未成熟。作者認為未來我國可就以下幾個方面為研究方向，不斷推進硬件在環(huán)仿真在發(fā)動機中的應(yīng)用：

（1）對發(fā)動機ECU電控系統(tǒng)的測試及評估后系統(tǒng)自動提出具有參考價值的改良性方案。在滿足ECU檢測的精度和實時性的前提下，硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)中結(jié)合現(xiàn)代較為先進的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能化控制策略，針對點火提前角等發(fā)動機參數(shù)的控制算法提出改良的方案。

（2）實現(xiàn)無線通信以提高測試實時性和測試效率，節(jié)省開發(fā)成本。傳輸總線及接口系統(tǒng)作為硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)中的硬件部分之一，由于硬件本身的局限性，在傳輸速率和實時性上很難再有較大的突破，同時，若采用高性能硬件會導(dǎo)致成本大大提升。利用現(xiàn)代不斷發(fā)展、成熟的嵌入式、微電子和無線網(wǎng)絡(luò)等高新技術(shù)，實現(xiàn)ECU電控系統(tǒng)與PC機中的仿真模型和監(jiān)控系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)，能有效地提高硬件在環(huán)仿真的整體速度和檢測的實時性，另一方面解決了經(jīng)濟性問題。

（3）研究建立多元實時仿真模型庫，解決通用性差的問題，一定程度上節(jié)省建模時間，提高工作效率。通過對不同發(fā)動機各種參數(shù)的研究，結(jié)合各種發(fā)動機的仿真模型，建立模型庫可供修改、調(diào)用，提高硬件在環(huán)仿真整體的通用性及使用效率。此外，易于結(jié)合自動化技術(shù)，實現(xiàn)只需輸入相關(guān)的發(fā)動機特征參數(shù)，系統(tǒng)能自動從模型庫中選擇、修改和使用模型。

參考文獻

[1]朱輝，王麗清，程昌析.汽車硬件在環(huán)仿真在汽車控制系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用[J].汽車技術(shù)，1998（12）：7-9.

[2]丁威介.柴油機電控單元硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)設(shè)計[D].北京：北京交通大學(xué)，2010.

[3]Isermann.R，Schaffnit.J，Sinsel.S. Hardware in-the-loop simulation for the design and testing of engine control systems[J].Control Engineering Practice，1999，7：643-653.

[4]楊聞睿，敖國強，劉志，等.高壓共軌柴油機ECU硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)軟件設(shè)計[J].內(nèi)燃機工程，2009，30（5）：41-45.

[5]張生斌，申立中，王貴勇，等.基于FPGA的高壓共軌柴油機判缸與噴油HIL系統(tǒng)研究[J].內(nèi)燃機工程，2015，36（3）：117-121.

[6]吳偉斌，李禮夫，洪添勝.汽油/CNG兩用燃料發(fā)動機ECU在環(huán)仿真[J].儀器儀表學(xué)報，2010，31（4）：370-375.

[7]黃勝龍.汽車發(fā)動機ECU的自動化HIL仿真測試平臺的研究與實現(xiàn)[D].吉林：吉林大學(xué)，2013.

*通訊作者：吳偉斌，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院。