硬件在環仿真在發動機中的應用進展

劉落實　張南峰　吳偉斌　朱高偉　李志鵬　陳滿波

摘 要：現代汽車行業中，硬件在環仿真（Hardware In-the-Loop Simulation，HILS）在快速開發以及測試發動機ECU中得到了廣泛的應用。國外的硬件在環仿真技術相對成熟，具備較高的實時性和有效性；在國內，針對不同發動機ECU的硬件在環仿真技術迅速發展。與此同時，采用軟件建立實時仿真模型、對接口系統優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結合現代新技術提出相應的解決方案。

關鍵詞：硬件在環；HILS；發動機；ECU

引言

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

ECU的硬件在環仿真技術作為一種先進的技術逐漸廣泛地應用在發動機ECU開發當中，極大提高了測試的穩定性和縮短研發周期。文章旨在通過對國內外硬件在環仿真技術在發動機ECU中的應用現狀進行分析，總結出現存問題并提出相應的解決方案及未來的研究方向。

1 國外研究現狀

對硬件測試的研究領域，國外的硬件在環仿真技術領域較為成熟。德國勃朗施威格工業大學的U.Varchmin教授研制了ECU硬件在環仿真系統——MOSIG[1]。自此HIL作為對ECU的測試方法，相比于傳統的工程實驗方法，能更有效地進行測試和評估，對檢測和開發汽車發動機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仿真設計的計算機系統——Simsyste [2]，該系統采用了大量的高性能硬件，能夠對復雜的、高速運行的系統進行實時仿真，具有較高的實時性和準確性。

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

國外車企相繼應用并完善HIL測試方式，其逐漸趨向自動化，可模擬發動機在各種工況和環境下對發動機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）公司具有開創性地研發了自動化在環測試軟硬設備，自動化測試得到了較大的發展。

2 國內研究現狀

近年來國內在硬件在環仿真系統的設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，現逐步向智能化的目標發展。

針對不同的發動機ECU，功能不盡相同的硬件在環仿真系統相繼被提出。近年來，高壓共軌柴油機迅速發展，成為了未來柴油機發展的新方向，硬件在環仿真在高壓共軌柴油機上的應用受到廣泛的重視。楊聞睿等研究設計了高壓共軌柴油機ECU硬件在環仿真系統的軟件部分，采用Visual C ++和LabVIEW混合編程[4]，并利用CAN總線的高速傳輸的特點解決了系統實時性問題。此外，張生斌等在原有的研究基礎上構建了一種基于現場可編程門陣列（FPGA）技術的硬件在環系統[5]，該系統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/汽油發動機ECU的開發與測試，吳偉斌等人通過ECU硬件在環仿真的設計與運用，采用基于PXI的發動機在環仿真系統[6]，完成了兩用燃料發動機ECU在環仿真試驗，實現對兩用燃料發動機ECU快速開發，具有較高的效率及可靠性。此外，一些針對現代節能發動機的硬件在環仿真系統也取得較大的發展，如生物柴油發動機和電動機等。

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

隨著ECU電控系統的不斷發展、復雜程度不斷加大，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方法[7]，并通過自動測試的試驗證明了自動化硬件在環仿真測試系統的可靠性，該自動化系統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 現存問題及展望

國外具有較高水平的硬件在環仿真技術，但依然存在價格高、實用性差等缺點，除此之外，在技術層面上也存在一定的缺陷，如dSPACE系統不能外帶一些簡單傳感器和只能進行純數學的計算，從而影響了仿真的結果。另外ADRTS系統對數據處理能力要求較高，即計算機的性能高低限制了硬件在環仿真系統的發展。

國內對發動機在環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，自動化在環仿真技術在發動機中的應用尚未成熟。作者認為未來我國可就以下幾個方面為研究方向，不斷推進硬件在環仿真在發動機中的應用：

（1）對發動機ECU電控系統的測試及評估后系統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，硬件在環仿真系統中結合現代較為先進的神經網絡等智能化控制策略，針對點火提前角等發動機參數的控制算法提出改良的方案。

（2）實現無線通信以提高測試實時性和測試效率，節省開發成本。傳輸總線及接口系統作為硬件在環仿真系統中的硬件部分之一，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致成本大大提升。利用現代不斷發展、成熟的嵌入式、微電子和無線網絡等高新技術，實現ECU電控系統與PC機中的仿真模型和監控系統無線數據，能有效地提高硬件在環仿真的整體速度和檢測的實時性，另一方面解決了經濟性問題。

（3）研究建立多元實時仿真模型庫，解決通用性差的問題，一定程度上節省建模時間，提高工作效率。通過對不同發動機各種參數的研究，結合各種發動機的仿真模型，建立模型庫可供修改、調用，提高硬件在環仿真整體的通用性及使用效率。此外，易于結合自動化技術，實現只需輸入相關的發動機特征參數，系統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.汽車硬件在環仿真在汽車控制系統開發中的應用[J].汽車技術，1998（12）：7-9.

[2]丁威介.柴油機電控單元硬件在環仿真系統設計[D].北京：北京交通大學，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硬件在環仿真系統軟件設計[J].內燃機工程，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系統研究[J].內燃機工程，2015，36（3）：117-121.

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

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

*通訊作者：吳偉斌，華南農業大學工程學院。