基于硬件在環的汽車噪聲排放仿真測試

胥峰，唐輝堯，張鵬飛，朱家亮

基于硬件在環的汽車噪聲排放仿真測試

胥峰，唐輝堯，張鵬飛，朱家亮

（中汽研汽車檢驗中心（寧波）有限公司，浙江 寧波 315336）

文章介紹一種能夠模擬汽車噪聲排放的硬件在環測試平臺的原理、構造以及搭建過程。通過將實時仿真系統和被測車輛的整車控制器（VCU）連接起來搭建一個硬件在環平臺，然后為硬件在環平臺輸入ECE R51所規定的試驗工況，在駕駛工況模擬端進行多次試驗，以得到不同轉速下的模擬噪聲排放值。為了驗證這個實時仿真系統的精確度，將汽車在實際道路試驗工況下的測量值引入硬件在環測試平臺，開展混合仿真測試，以促進汽車噪聲排放控制技術的研究。

硬件在環；噪聲排放；仿真；測試

前言

汽車“噪聲排放”指汽車發出的噪聲對環境造成影響。隨著我國汽車保有量的連續增長，汽車的噪聲排放問題日益突出，尤其是城鎮公路附近居民對汽車噪聲污染的投訴量日益攀升，為了加強對環境噪聲污染的防治，改善和保護生活環境，保障居民的健康，國家相關部門出臺了《噪聲污染防治法》。

國內汽車生產企業也在改善其產品的噪聲問題上達成共識，然而汽車噪聲試驗周期長，次數多，且室外開展試驗易受天氣及環境噪聲的影響，可重復率低。而且在即將發布的新版GB1495的標準（工況跟ECE R51類似）中將會加入汽車多工況噪聲的測試，會測量汽車在不同轉速、車速和加速度條件下的噪聲水平，試驗次數會增加很多。如果能在動態試驗前用很短的時間進行硬件在環仿真測試，對產品進行摸底試驗，排除干擾因素，指導試驗方案更合理的設計，將會達到事半功倍的效果[1-4]。

本文研究內容是通過將實時仿真系統和被測車輛的整車控制器（VCU）連接起來搭建一個硬件在環平臺，然后為硬件在環平臺輸入ECE R51所規定的試驗工況，在駕駛工況模擬端進行多次試驗，以得到不同車速、轉速下的模擬噪聲排放值。有助于汽車噪聲排放控制工程研究。

1 HIL仿真試驗臺架構建

1.1 總體方案

硬件在環仿真（Hardware-In-the-Loop，簡稱HIL）是指對某個復雜系統進行工程研究的過程中，將其中的一部分子系統用計算機建模，其余的子系統是實際的部件和設備，兩者組合到一起而成的仿真模型。用計算機編程語言建立數學模型，便于進行計算機運算，實現數學仿真；而且虛擬系統的一些環境參數可以很容易地修改，這就說明，當環境條件發生變化，或者需要測試某個子系統時，HIL仿真提供了相當大的靈活性。通過本方法將可持續地實現整車級的系統循環驗證。如圖1所示為系統的主機和控制器之間的關系。

圖1 系統的主機和控制器之間的關系

1.2 組成部分

HIL測試系統包含硬件和軟件兩個部分，因為在仿真回路中引入了實物，所以相比較純計算機仿真更接近真實性以及數據可靠性，對系統實時性要求更符合實際情況。

1.2.1 硬件組成及功能

測試系統硬件部分包含11個部分，分別為：處理器、I/O硬件接口、通訊接口、供電系統、負載單元、斷路測試盒（BoB）及線束、溫度電阻模擬單元、故障注入單元、上位機、機柜外殼及附件、信號調理單元。如圖2所示為系統的控制器機箱，是整車模型及控制模型實時運行的載體。

圖2 控制器機箱

1.2.2 軟件組成及功能

HIL測試系統的軟件是由4個部分組成：專用軟件、用于VCU測試的車輛模型、試驗管理模塊和數據后處理模塊。

該專用軟件可自定義界面，可實現CAN通訊的實時解析，提供Simulink模型的接口，實現I/O的Excel配置，內部故障診斷等功能。

2 汽車噪聲排放仿真模型

2.1 整車模型

整車動力學模型是HIL仿真測試的核心，因為測試不同的功能需要不同的控制模型，所以我們采用模塊化建模思想，指定每個模塊之間的接口。在不同的測試中，只需改變相應的模塊才能達到測試的目的[5]。包含變速器模型，主減速器模型，駕駛員模型等，本課題建立的Simulink整車動力學模型如圖3所示。該模塊可計算基于發動機轉速和車輛行駛阻力而得到的車輛行駛速度。

圖3 Simulink車輛模型

2.2 噪聲排放模擬器

由于噪聲排放的HIL仿真涉及到噪聲和車速、轉速的重要交換，因此，必須建立噪聲源系統表征參數與總體噪聲之間的關系。將某款車的某一次加速行駛噪聲試驗的總體噪聲和車速、轉速數據導入到HIL系統中，建立其噪聲排放的傳遞函數，利用 matlab/simulink中的加法器將該傳遞函數反饋到整車動力學模型中，這樣就可以對車輛的其他復雜工況進行仿真試驗，得到一個噪聲排放模擬值。

3 仿真測試及試驗驗證

3.1 ECE R51所規定的試驗工況

ECE R51所規定的汽車噪聲試驗，是讓汽車以相應車速通過長20米、寬15米的試驗跑道，在兩側用經過校準的聲級計測量其聲壓級。汽車參考點通過PP'線的車速為50km/h±1km/h，且對于輕型汽車而言，選擇最接近市區加速工況的擋位開展試驗，以復現汽車在市區正常行駛時的真實噪聲水平，這與現行國標固定采用二、三擋進行試驗不同。如圖4所示為試驗車速與參考線位置示意圖。

除了進行上述的全油門加速噪聲測量試驗，ECE R51還要求對勻速噪聲進行測量，主要目的是考核輪胎的噪音，然后將加速噪聲和勻速噪聲的測量值進行加權，用于表征汽車的日常噪聲排放量。

圖4 試驗車速與參考線位置示意圖

3.2 道路試驗

實現HIL方法的一個關鍵挑戰是系統的準確性，因為它是一個包含了虛擬仿真和實際道路試驗的混合仿真，要保證系統的準確性就要嚴格按照試驗規范進行道路試驗。對汽車進行車外被動噪聲測試時，記錄汽車從駛入測試區域到駛離測試區域整個過程的速度值，轉速值，距離值，以及左右兩個傳聲器的聲壓值，車載數據記錄系統將這些客觀數據記錄下來，完成對車輛噪聲動態綜合測試試驗。如圖5所示為試驗現場圖。

按照ECE R51 03所規定的加速噪聲試驗方法B開展試驗，以三檔開始進行測試，并將4次測試的結果記錄，如表1所示。依據公式：

式中：awot I為汽車在加速過程中的加速度

VAA'為汽車駛入測量場地時的車速

VBB'為汽車駛離測量場地時的車速

VPP'為汽車通過傳聲器時的車速

nBB'為汽車駛出測量場地時發動機的轉速

得到汽車試驗過程加速度，并將4次實驗所得加速度均值求出，為1.45m/s2。加速噪聲測試中的車輛兩側噪聲值被聲級計記錄下來，據此計算出最終結果Lurban＝62.7dB（A）。

表1 加速噪聲測量過程車輛運行參數

3.3 混合仿真測試

本部分試驗主要驗證VCU的加速控制策略，同時驗證HIL系統的CAN、模型和I/O口之間的通訊能力。在Simulink中，通過安裝的NI工具包將模型導成DLL文件，并導入PXI實時系統中，接入實際的模型輸入信號和輸出信號，對模型中重要的參數進行前面板顯示，并實現前面板配置，包括車輛加速度、速度、輸出扭矩的前面板波形圖。完成VCU上電，車輛準備就緒，踩加速踏板，觀察車輛實際輸出扭矩的變化，計算車輛加速時間，觀察車速的變化，對VCU在整車加速過程中的輸出扭矩對車速的關系進行驗證。仿真試驗的操作步驟如下：

（1）HIL系統的模擬加速踏板，通過I/O接口反饋給VCU。

（2）踩下模擬加速踏板。

（3）VCU計算出正向速度限值和發動機目標輸出轉速，通過CAN發送給HIL系統。

（4）HIL系統接收到速度和目標轉速，通過整車動力學模型計算出車輛當前的速度，加速度，實際轉速。

（5）HIL系統將當前發動機速度和轉速通過CAN發送給VCU。

（6）VCU通過CAN將發動機速度和轉速報文發送給HIL模擬的數字儀表。

（7）HIL系統模擬的數字儀表接收到發動機機轉速報文。

（8）將車速和轉速結果導入噪聲排放模擬器，得到噪聲排放值，將其顯示在前面板上。

圖5 試驗現場圖

圖6和圖7給出了某HIL系統的實測速度和加速度曲線。

圖6 HIL系統實測車速曲線

圖7 HIL系統實測加速度曲線

VCU發出的指令轉矩隨著車速升高而減小，如圖8所示，為VCU發出的指令轉矩和車速的關系圖。整個仿真過程的汽車轉矩和轉速的數據也將被記錄下來并會出曲線，該曲線方便我們判斷車速和加速的的合理性。

圖8 實測VCU的扭矩-速度曲線

3.4 結果分析

從混合仿真測試的結果，我們可以看到相應的速度點車速、加速度的擬合精確度較高，但為了驗證所提出的方法，我們還需要進行其他工況下的實車比對試驗，經過多組比對測試，也印證了該方法的準確性。

HIL硬件在環仿真允許對整車系統的表現進行早期模擬檢查，這樣使得我們對汽車噪聲排放影響因素的邊界條件進行實驗測試變得容易實現。

4 結論

本文通過對某款輕型汽車的加速噪聲試驗進行HIL硬件在環仿真測試，與整車道路試驗結果相比重合度較高。通過本方法將可持續地實現整車級的系統循環驗證，當環境條件發生變化，或者需要測試某個子系統對噪聲排放的影響程度時，HIL仿真系統可有針對性的調整參數配置，提供了相當大的靈活性。此方法在縮短開發周期的同時也減少企業的開發成本，是汽車噪聲排放控制工程研究中的一種切實可行的技術手段。

當然，對汽車動態行為的數值預測也常常包含由于參數偏差而產生的不確定性，這是后續需要進一步進行研究的方向。

[1] 謝東明,張震鼎,郭勇.多工況加速行駛車外噪聲測量評價方法[J],噪聲與振動控制,2015,35(4),183-188.

[2] 歐洲經濟委員會. ECE Regulation No. 51 Revision 1-amendment 3 uniform provisions concerning the approvalof motor vehicles having at least four wheels with regard to their noise emissions[S]. 2007.

[3] 歐洲經濟委員會WP 29 (GRB). Paper facilitating the framework and boundariesof the discussion in the GRBIG ASEP R51[R]. WP 29 GRB ASEP非正式工作組第1次會議,2005.

[4] 國家環境保護總局,國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 1495-2002 汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法[S].北京:中國環境科學出版社,2002.

[5] 位正.新一代硬件在環仿真平臺的研究和開發[D].工學碩士論文,北京:清華大學,2009.5.

Simulation test of automobile noise emission based on hardware in the loop

Xu Feng, Tang Huiyao, Zhang Pengfei, Zhu Jialiang

（CATARC Automotive Test Center (Ningbo) Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315336）

This paper introduces the principle, construction and construction process of a hardware-in-the-loop test platform, which can simulate the emission of automobile noise.A hardware-in-the-loop platform was built by connecting the real-time simulation system with the vehicle controller (VCU), and then the test conditions specified by ECE R51 were input to the hardware-in-the-loop platform.In order to get the simulated noise emission values at different speeds, we conducted multiple tests on the driving simulator.Input the measured value of the vehicle in the actual road test to the hardware-in-the -loop test platform.Conduct mixed simulation test.Then, can promote the automobile noise emission control technology research.

Hardware-in-the-loop; Noise emissions; Simulation; Testing

U467

A

1671-7988(2019)24-111-04

U467

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1671-7988(2019)24-111-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.036

胥峰，工程師，就職于中汽研汽車檢驗中心（寧波）有限公司，研究方向：整車試驗研究。