虛擬測(cè)試技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)中應(yīng)用研究

張文韜 祝遵祥 周天鵬 徐寧寧 胡平 郝偉 閆濤

（1.中國(guó)第一汽車股份有限公司 研發(fā)總院，長(zhǎng)春 130013；2.汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130013）

主題詞：虛擬測(cè)試 實(shí)時(shí)模型 預(yù)標(biāo)定 發(fā)動(dòng)機(jī)

縮略語(yǔ)

VVT Variable Valve Timing

HIL Hardware-In-the-Loop

ECU Engine Control Unit

VTB Virtual Test Bed

RT Real Time

BMEP Brake Mean Effective Pressure

RDE Real Drive Emission

1 前言

近年來，隨著汽車排放法規(guī)和油耗法規(guī)日趨嚴(yán)格，控制系統(tǒng)越來越復(fù)雜，測(cè)試工作需要更多的人力資源及試驗(yàn)設(shè)備資源，測(cè)試工作耗時(shí)且成本高昂。虛擬測(cè)試的方法具有重要意義，有利于應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。虛擬測(cè)試技術(shù)屬于可控、無破壞性、耗費(fèi)小并允許多次重復(fù)的驗(yàn)證手段，采用虛擬測(cè)試技術(shù)可以降低人力及試驗(yàn)設(shè)備資源需求。國(guó)際上日本、歐洲、美國(guó)等知名車企，均有成功應(yīng)用虛擬試驗(yàn)技術(shù)的案例[1-3]，并在不斷開發(fā)擴(kuò)展應(yīng)用深度和廣度。AVL、FEV、ETAS、IAV 等公司都有各自的虛擬測(cè)試方案[4-7]。采用軟硬件構(gòu)建虛擬測(cè)試系統(tǒng)，闡述了虛擬測(cè)試的流程及方法，驗(yàn)證虛擬測(cè)試方法論的有效性。

2 虛擬測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成及原理

圖1 顯示的是一個(gè)比較完整的虛擬測(cè)試系統(tǒng)，包含實(shí)時(shí)模型、信號(hào)處理系統(tǒng)、電氣負(fù)載物理部件、試驗(yàn)操作系統(tǒng)、ECU、標(biāo)定應(yīng)用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。虛擬測(cè)試系統(tǒng)通過提供與真實(shí)測(cè)試相同的工具與接口，使工程師更加容易從真實(shí)測(cè)試到虛擬測(cè)試環(huán)境過渡。其中，實(shí)時(shí)模型、信號(hào)處理系統(tǒng)、電氣負(fù)載物理部件共同組成虛擬發(fā)動(dòng)機(jī)。試驗(yàn)操作系統(tǒng)、ECU、標(biāo)定應(yīng)用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)共同組成試驗(yàn)系統(tǒng)VTB。針對(duì)虛擬測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成，不同的公司有不同的解決方案，表1 顯示的是3 個(gè)主流公司的虛擬測(cè)試工具鏈[4-6]。

圖1 虛擬測(cè)試系統(tǒng)示意

表1 不同的虛擬測(cè)試工具鏈

3 虛擬測(cè)試流程

傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)需要實(shí)物發(fā)動(dòng)機(jī)，并連接ECU、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)控制軟件。而虛擬發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)需要虛擬發(fā)動(dòng)機(jī)（模型）并連接ECU、虛擬試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)控制軟件。與傳統(tǒng)測(cè)試相比，虛擬試驗(yàn)可以降低產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用（減少樣機(jī)數(shù)量、降低試驗(yàn)設(shè)備使用成本），縮短產(chǎn)品開發(fā)周期（并行開發(fā)、工作前移）。虛擬測(cè)試流程如圖2。

圖2 虛擬測(cè)試流程

4 模型搭建與驗(yàn)證

4.1 模型概述

模型開發(fā)工作的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)高精度的實(shí)時(shí)模型，盡可能精確地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)和關(guān)鍵零部件，以保證虛擬測(cè)試結(jié)果質(zhì)量。模型主要有基于MAP 的模型、基于機(jī)器學(xué)習(xí)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃汀⒒谖锢硪?guī)律的模型[1,8-9]，模型精度越高、越復(fù)雜，響應(yīng)速度越慢，各類型模型的特點(diǎn)如表2 所示。采用半物理半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ痛罱òl(fā)動(dòng)機(jī)，其中氣路模型為物理模型和燃燒模型為帶預(yù)測(cè)功能的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?該模型的優(yōu)點(diǎn)是在保障精度的同時(shí)保證了計(jì)算速度。發(fā)動(dòng)機(jī)模型及模型標(biāo)定步驟如圖3 所示。驗(yàn)證后的模型添加輸入和輸出的所有執(zhí)行器和傳感器，并連接到外部控制（驅(qū)動(dòng)程序），在Simulink 環(huán)境中對(duì)實(shí)時(shí)模型進(jìn)行驗(yàn)證，保證模型精度。

表2 各類型模型特點(diǎn)

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)一維模型及模型標(biāo)定步驟

4.2 驗(yàn)證結(jié)果

發(fā)動(dòng)機(jī)一維模型、實(shí)時(shí)模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)匹配度較高，空氣量、缸壓、扭矩和比油耗能達(dá)到95%的精度要求，模型驗(yàn)證結(jié)果如圖4。

圖4 模型驗(yàn)證結(jié)果

5 虛擬測(cè)試集成環(huán)境

完成實(shí)時(shí)模型的搭建，進(jìn)行虛擬測(cè)試系統(tǒng)集成與閉環(huán)調(diào)試。硬件基于dSPACEMID-SIZE Simulator 搭建，上位機(jī)采用ControlDesk作為操作軟件，INCA為標(biāo)定和數(shù)據(jù)采集工具,通過自動(dòng)化測(cè)試工具ECU TEST集成ControlDesk與INCA的標(biāo)定和數(shù)據(jù)錄制功能。實(shí)時(shí)模型以S-Function 的形式集成于被控對(duì)象模型，ECU 傳感器信號(hào)由實(shí)時(shí)模型信號(hào)通過HIL 轉(zhuǎn)換進(jìn)行輸入，實(shí)時(shí)模型相關(guān)執(zhí)行器信號(hào)的輸入，由ECU 通過HIL 的控制模型來進(jìn)行輸入，由此形成閉環(huán)控制。軟硬件集成環(huán)境示意圖如圖5所示。

圖5 軟硬件集成環(huán)境示意

6 閉環(huán)驗(yàn)證

以發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)作為虛擬測(cè)試系統(tǒng)的邊界條件，在虛擬測(cè)試系統(tǒng)中進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6 所示。目標(biāo)轉(zhuǎn)速與BMEP 下，虛擬測(cè)試系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)測(cè)的進(jìn)氣量對(duì)應(yīng)良好：84%的點(diǎn)偏差在±3%以內(nèi)，95%的點(diǎn)偏差在±5%以內(nèi)。在相同進(jìn)氣量的條件下，虛擬測(cè)試系統(tǒng)扭矩與臺(tái)架實(shí)測(cè)扭矩偏差可以達(dá)到95%的工況點(diǎn)偏差在±5%。

圖6 測(cè)試結(jié)果與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

7 應(yīng)用探索

7.1 VVT掃描

在1 500 r/min外特性工況，進(jìn)行進(jìn)排氣VVT組合掃點(diǎn)。圖7為進(jìn)氣量掃描結(jié)果，虛擬測(cè)量結(jié)果與實(shí)際臺(tái)架測(cè)試結(jié)果整體趨勢(shì)匹配度較高，如果要保證全局VVT掃描準(zhǔn)確性，需要根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)優(yōu)化。

圖7 1 500 r/min 外特性VVT掃描實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與虛擬測(cè)試數(shù)據(jù)

7.2 點(diǎn)火角掃描

發(fā)動(dòng)機(jī)模型采用預(yù)測(cè)燃燒模型，通過經(jīng)驗(yàn)公式建立ECU點(diǎn)火角與燃燒持續(xù)期的關(guān)系，通過調(diào)整點(diǎn)火延時(shí)優(yōu)化燃燒始點(diǎn)，保證燃燒重心準(zhǔn)確，如式(1)。該方式可以表征扭矩及燃燒重心隨點(diǎn)火角的變化關(guān)系，圖8顯示燃燒重心和扭矩隨燃燒始點(diǎn)變化關(guān)系。

圖8 點(diǎn)火角掃描

其中，MFB50為燃燒重心；

A為點(diǎn)火角；

MFB1090為燃燒持續(xù)期；

X為點(diǎn)火延時(shí)。

8 總結(jié)

采用半物理半經(jīng)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)模型，將實(shí)際ECU和執(zhí)行器集成到硬件在環(huán)(HIL)系統(tǒng)中搭建虛擬測(cè)試系統(tǒng)，在保證發(fā)動(dòng)機(jī)模型及部件的快速響應(yīng)，同時(shí)保證計(jì)算精度，驗(yàn)證了虛擬測(cè)試方法論的可行性。

從萬(wàn)有特性來看，虛擬測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量的充氣、扭矩與臺(tái)架實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)匹配度良好，該虛擬測(cè)試系統(tǒng)可以用于試驗(yàn)開發(fā)工作。

通過進(jìn)行VVT與點(diǎn)火角掃描應(yīng)用，探索了模型相關(guān)的預(yù)測(cè)性，可以用虛擬測(cè)試進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)性能預(yù)測(cè)性測(cè)試研究，如果要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)充氣與燃燒，需要對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)優(yōu)化。

虛擬測(cè)試方法將開發(fā)工作從物理試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)移到基于硬件在環(huán)的測(cè)試平臺(tái)，對(duì)于環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)和RDE試驗(yàn)有重要意義。

虛擬測(cè)試最重要的部分是模型，模型精度直接影響測(cè)試結(jié)果的精度，也影響應(yīng)用場(chǎng)景的拓展。如何使用盡可能少的數(shù)據(jù)來提高模型精度與速度是重要的研究方向。