劉落實(shí)　張南峰　吳偉斌　朱高偉　李志鵬　陳滿(mǎn)波

摘 要：現(xiàn)代汽車(chē)行業(yè)中，硬件在環(huán)仿真（Hardware In-the-Loop Simulation，HILS）在快速開(kāi)發(fā)以及測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)ECU中得到了廣泛的應(yīng)用。國(guó)外的硬件在環(huán)仿真技術(shù)相對(duì)成熟，具備較高的實(shí)時(shí)性和有效性；在國(guó)內(nèi)，針對(duì)不同發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的硬件在環(huán)仿真技術(shù)迅速發(fā)展。與此同時(shí)，采用軟件建立實(shí)時(shí)仿真模型、對(duì)接口系統(tǒng)優(yōu)化以及提高自動(dòng)化檢測(cè)水平是近年來(lái)我國(guó)取得的進(jìn)展，但仍然存在實(shí)時(shí)模型通用性差、測(cè)試效率低、準(zhǔn)確度不高和自動(dòng)化水平不成熟等問(wèn)題。針對(duì)以上的問(wèn)題，文章從HIL的測(cè)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(dòng)機(jī)；ECU

引言

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量、噴油量、點(diǎn)火時(shí)間、轉(zhuǎn)速等工作參數(shù)受ECU控制，隨著汽車(chē)行業(yè)不斷發(fā)展，作為汽車(chē)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(yàn)方法，在各汽車(chē)系統(tǒng)測(cè)試中所存在的弊端逐漸顯露出來(lái)，研發(fā)周期長(zhǎng)以及穩(wěn)定性差等問(wèn)題限制了發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的發(fā)展。

ECU的硬件在環(huán)仿真技術(shù)作為一種先進(jìn)的技術(shù)逐漸廣泛地應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)ECU開(kāi)發(fā)當(dāng)中，極大提高了測(cè)試的穩(wěn)定性和縮短研發(fā)周期。文章旨在通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外硬件在環(huán)仿真技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)ECU中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，總結(jié)出現(xiàn)存問(wèn)題并提出相應(yīng)的解決方案及未來(lái)的研究方向。

1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

對(duì)硬件測(cè)試的研究領(lǐng)域，國(guó)外的硬件在環(huán)仿真技術(shù)領(lǐng)域較為成熟。德國(guó)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(duì)ECU的測(cè)試方法，相比于傳統(tǒng)的工程實(shí)驗(yàn)方法，能更有效地進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估，對(duì)檢測(cè)和開(kāi)發(fā)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU提供了效率和有效的途徑。ADI公司研制了專(zhuān)門(mén)為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)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(yùn)行的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，具有較高的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

德國(guó)dSPACE公司開(kāi)發(fā)的硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)——dSPACE，可完成包括發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)、扭矩輸出和汽車(chē)動(dòng)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(guó)外車(chē)企相繼應(yīng)用并完善HIL測(cè)試方式，其逐漸趨向自動(dòng)化，可模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況和環(huán)境下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的測(cè)試，避免可能所引起的危險(xiǎn)和提高測(cè)試的有效性。美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司具有開(kāi)創(chuàng)性地研發(fā)了自動(dòng)化在環(huán)測(cè)試軟硬設(shè)備，自動(dòng)化測(cè)試得到了較大的發(fā)展。

2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

近年來(lái)國(guó)內(nèi)在硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上取得較大的進(jìn)步，其研究從最初的人工操作過(guò)渡到自動(dòng)化系統(tǒng)，現(xiàn)逐步向智能化的目標(biāo)發(fā)展。

針對(duì)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)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(lái)，高壓共軌柴油機(jī)迅速發(fā)展，成為了未來(lái)柴油機(jī)發(fā)展的新方向，硬件在環(huán)仿真在高壓共軌柴油機(jī)上的應(yīng)用受到廣泛的重視。楊聞?lì)５妊芯吭O(shè)計(jì)了高壓共軌柴油機(jī)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(xiàn)的高速傳輸?shù)奶攸c(diǎn)解決了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性問(wèn)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(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）技術(shù)的硬件在環(huán)系統(tǒng)[5]，該系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)用于對(duì)高壓共軌柴油機(jī)判缸與噴油的研究。

與此同時(shí)，針對(duì)CNG/汽油發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的開(kāi)發(fā)與測(cè)試，吳偉斌等人通過(guò)ECU硬件在環(huán)仿真的設(shè)計(jì)與運(yùn)用，采用基于PXI的發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)仿真系統(tǒng)[6]，完成了兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)ECU在環(huán)仿真試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)ECU快速開(kāi)發(fā)，具有較高的效率及可靠性。此外，一些針對(duì)現(xiàn)代節(jié)能發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)等。

另外，在硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的研究上，針對(duì)系統(tǒng)的不同組成部分有不同的發(fā)展情況。發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)模型的建立上，采用目前較為成熟的發(fā)動(dòng)機(jī)平均值模型，模型的仿真技術(shù)從DSP系統(tǒng)硬件仿真過(guò)渡到MATLAB/simulink等軟件仿真；而對(duì)于人機(jī)交互監(jiān)控系統(tǒng)，采用較多地仍為PC機(jī)，利用其豐富多元的軟硬件資源，能更好地實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的實(shí)時(shí)性、直觀(guān)性和可操作性；在數(shù)據(jù)傳輸方面，CAN總線(xiàn)因具有傳輸速率高、傳輸穩(wěn)定等優(yōu)良特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于仿真模型與被測(cè)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(duì)其測(cè)試的難度也逐漸加大。黃永逸等提出了汽油機(jī)自動(dòng)化測(cè)試的實(shí)現(xiàn)方法[7]，并通過(guò)自動(dòng)測(cè)試的試驗(yàn)證明了自動(dòng)化硬件在環(huán)仿真測(cè)試系統(tǒng)的可靠性，該自動(dòng)化系統(tǒng)在一定程度上減少了人為操作的誤差，提高了測(cè)試工作的效率。

3 現(xiàn)存問(wèn)題及展望

國(guó)外具有較高水平的硬件在環(huán)仿真技術(shù)，但依然存在價(jià)格高、實(shí)用性差等缺點(diǎn)，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(jiǎn)單傳感器和只能進(jìn)行純數(shù)學(xué)的計(jì)算，從而影響了仿真的結(jié)果。另外ADRTS系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理能力要求較高，即計(jì)算機(jī)的性能高低限制了硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的發(fā)展。

國(guó)內(nèi)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)仿真的研究雖取得較大的進(jìn)展，但大部分仍停留在人工操作上，測(cè)試的效率和準(zhǔn)確性不高，所建立的仿真模型不具備通用性，同時(shí)，自動(dòng)化在環(huán)仿真技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用尚未成熟。作者認(rèn)為未來(lái)我國(guó)可就以下幾個(gè)方面為研究方向，不斷推進(jìn)硬件在環(huán)仿真在發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用：

（1）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU電控系統(tǒng)的測(cè)試及評(píng)估后系統(tǒng)自動(dòng)提出具有參考價(jià)值的改良性方案。在滿(mǎn)足ECU檢測(cè)的精度和實(shí)時(shí)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(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能化控制策略，針對(duì)點(diǎn)火提前角等發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的控制算法提出改良的方案。

（2）實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信以提高測(cè)試實(shí)時(shí)性和測(cè)試效率，節(jié)省開(kāi)發(fā)成本。傳輸總線(xiàn)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(shí)時(shí)性上很難再有較大的突破，同時(shí)，若采用高性能硬件會(huì)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)等高新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)ECU電控系統(tǒng)與PC機(jī)中的仿真模型和監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)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(cè)的實(shí)時(shí)性，另一方面解決了經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。

（3）研究建立多元實(shí)時(shí)仿真模型庫(kù)，解決通用性差的問(wèn)題，一定程度上節(jié)省建模時(shí)間，提高工作效率。通過(guò)對(duì)不同發(fā)動(dòng)機(jī)各種參數(shù)的研究，結(jié)合各種發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真模型，建立模型庫(kù)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(dòng)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)只需輸入相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)特征參數(shù)，系統(tǒng)能自動(dòng)從模型庫(kù)中選擇、修改和使用模型。

參考文獻(xiàn)

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

[2]丁威介.柴油機(jī)電控單元硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)[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?lì)?，敖?guó)強(qiáng)，劉志，等.高壓共軌柴油機(jī)ECU硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[J].內(nèi)燃機(jī)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(jī)判缸與噴油HIL系統(tǒng)研究[J].內(nèi)燃機(jī)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(dòng)機(jī)ECU在環(huán)仿真[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2010，31（4）：370-375.

[7]黃勝龍.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的自動(dòng)化HIL仿真測(cè)試平臺(tái)的研究與實(shí)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。