基于硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的整車經(jīng)濟性仿真

李特定

摘 要：硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)已經(jīng)成為發(fā)動機控制器開發(fā)過程中非常重要的工具和平臺，對于提高控制器開發(fā)效率發(fā)揮著重要的作用。分析某發(fā)動機硬件在環(huán)仿真臺架結(jié)構(gòu)及如何使用仿真臺架進行整車發(fā)動機經(jīng)濟性仿真計算，并通過實例體現(xiàn)硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)在汽車整車經(jīng)濟性仿真的應用及相比傳統(tǒng)實體臺架的優(yōu)勢。

關鍵詞：硬件在環(huán)仿真（Hardware in-the-loop simulation）HILs 實時系統(tǒng) ECU

Economic Simulation of Vehicle Based on Hardware-in-the-Loop Simulation System

Li Teding

Abstract：The hardware-in-the-loop simulation system has become an important tool and platform in the development of engine controllers， and it plays an important role in improving the efficiency of controller development. The article analyzes the structure of a hardware-in-the-loop simulation bench for an engine and how to use the simulation bench to calculate the economics of the entire vehicle engine and demonstrate the application of the hardware-in-the-loop simulation system in the simulation of vehicle economy and the advantages compared with traditional physical benches through examples.

Key words：hardware in-the-loop simulation HILs， real-time system， ECU

1 硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)簡介

汽車發(fā)動機控制技術飛速發(fā)展，電控單元ECU軟件功能日趨復雜，集成度不斷提高，傳統(tǒng)的測試臺架不能在產(chǎn)品制造之前完成對ECU的綜合測試，而硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)可滿足此類測試需求，通過在虛擬環(huán)境里對被測發(fā)動機及車輛進行建模仿真，與ECU組成閉環(huán)測試環(huán)境，實現(xiàn)ECU的功能測試，無需真實的汽車及發(fā)動機，模擬發(fā)動機及汽車極限工況測試。

通過Simulink對發(fā)動機、傳感器、執(zhí)行器及車輛進行建模，編譯成動態(tài)鏈接庫（DLL）文件，與實時仿真硬件處理器和仿真信號板卡，組成完整的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)。

在構(gòu)建臺架前，需要明確被測對象、測試內(nèi)容及預期目標。收集發(fā)動機萬有特性曲線圖、車輛特征參數(shù)、傳感器特性參數(shù)、待測硬件控制器及關鍵執(zhí)行器。

2 硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)設計

硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)設計包含硬件和軟件設計，硬件設計包括硬件選型、匹配等，軟件設計包括被控對象模型設計及上位機控制界面設計。

2.1 硬件系統(tǒng)設計

本文使用NI品牌的硬件，主要包括： PXIe-8135RT實時處理器;I/O板卡（模擬量輸入輸出，數(shù)字量輸入輸出，PWM輸入輸出），F(xiàn)PGA板卡（輪速/轉(zhuǎn)速信號模擬、噴油點火信號采集）。真實硬件主要是各種執(zhí)行機構(gòu)：噴油器、高壓油泵、節(jié)氣門、點火線圈、繼電器等。

在被測ECU和實時硬件板卡之間增加信號調(diào)理和故障注入板卡、負載模擬模塊等，整個系統(tǒng)的信號定義及連接端口通過信號列表設計，將ECU真實物理接口和仿真模型之間的IO接口逐個匹配并完成物理連接。

2.2 軟件系統(tǒng)設計

本文硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)主要使用軟件Veristand和Matlab&simulink，完成上位機控制界面設計和模型設計。四缸渦輪增壓汽油發(fā)動機Simulink模型基于Tesis enDyna商業(yè)模型搭建，模型需要的參數(shù)通過實際臺架確定或供應商提供的技術參數(shù)。包括發(fā)動機基礎特征數(shù)據(jù)（缸數(shù)、進氣類型、缸徑、沖程、壓縮比、連桿比、壓縮比）、萬有特性數(shù)據(jù)以及節(jié)氣門特性、冷卻系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)特性、曲軸凸輪軸相位、傳感器（氧傳感器等）特性。通過enDyna模型提供的試驗數(shù)據(jù)預處理接口及模型參數(shù)化工具對發(fā)動機建模。

2.3 硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)集成調(diào)試主要包括激勵測試、開環(huán)測試及閉環(huán)調(diào)試。激勵測試和開環(huán)測試主要是確定ECU可以正確接收仿真系統(tǒng)生成的模擬信號，仿真系統(tǒng)可以正確響應ECU的控制信號，ECU與仿真系統(tǒng)信號正確交互。閉環(huán)調(diào)試是確認ECU可以在仿真系統(tǒng)中正常運行，各項功能正常執(zhí)行，發(fā)動機油路、氣路、扭矩調(diào)試，通過測功機模式按照發(fā)動機的萬有特性表逐項調(diào)試，將測試結(jié)果與實際試驗數(shù)據(jù)比對，確保臺架模擬出的所有的扭矩、點火效率、充氣效率等數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)誤差滿足要求，調(diào)試過程中使用INCA軟件監(jiān)控ECU在線調(diào)試，排除ECU故障及更改ECU軟件標定，實現(xiàn)不同版本軟件標定數(shù)據(jù)的測試。

2.3.1 發(fā)動機萬有特性曲線繪制

發(fā)動機萬有特性曲線數(shù)據(jù)來源于實際臺架試驗，反映待測發(fā)動機性能，采集到的數(shù)據(jù)需要進行可視化處理。整合外特性試驗數(shù)據(jù)負荷特性試驗數(shù)據(jù)（截取等節(jié)氣門開度燃油消耗曲線）：

a.Matlab一維插值函數(shù)Interp1（），用插補效果較好的spline（樣條型）插值：T_N=interp1（n，T，n0，'spline'）。

b.公式Pe=Ttq*n/9550，建立等功率模型曲線數(shù)據(jù)，使用三維繪圖Mesh（X，Y，Z）函數(shù)，繪制等燃油和等功率曲線。

c.調(diào)用Matlab函數(shù)Contour（n，Ttq，Pe，V）繪制等高線，增加發(fā)動機外特性曲線，如圖1。

3 硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)測試

硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)可驗證ECU控制算法、ECU標定、診斷功能測試及經(jīng)濟性驗證等。將測試過程從汽車的真實試驗過程中分離出來，模擬被控車輛的各種工況及復雜的故障模式，快速重現(xiàn)故障。

整車經(jīng)濟性驗證時，可根據(jù)試驗條件快速調(diào)整模型參數(shù)，通過更改軟件模型來模擬硬件的變更，在樣件制造之前提供仿真數(shù)據(jù)作為產(chǎn)品設計的參考。如車輛寒區(qū)/熱區(qū)啟動測試，對發(fā)動機熱傳遞模型進行精確建模，模擬環(huán)境及發(fā)動機溫度變化，實現(xiàn)常溫下進行部分熱區(qū)/寒區(qū)試驗。發(fā)動機冷啟動測試靜置等待時間長，通過硬件在環(huán)仿真臺架，隨時通過軟件設置試驗起始條件，快速反復進行測試，為企業(yè)節(jié)省可觀的試驗成本。

4 某車型發(fā)動機及整車Simulink模型

4.1 發(fā)動機及整車模型

發(fā)動機仿真模型主要包括兩部分：發(fā)動機模型開發(fā)，用于模擬真實的電控單元ECU，燃油噴射系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)、燃燒模擬系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、TCU及冷卻系統(tǒng)等;I/O模型開發(fā)，將ECU的輸入輸出信號與模型精確匹配，確保機柜與ECU接口正確連接。

使用上位機軟件進行系統(tǒng)定義時，同步開發(fā)人機交互界面Workspace，方便各項數(shù)據(jù)的監(jiān)控和參數(shù)實時修改。

4.2 燃油消耗計算模型

整車經(jīng)濟性仿真分析，即通過模擬測試工況，實時采集發(fā)動機真實噴油量，經(jīng)過計算得到累積油耗，如圖2。

a.通過Workspace啟動MVEG工況循環(huán)，同步觸發(fā)速度和噴油量積分，計算行駛距離和燃油消耗總量，將實際結(jié)果換算為常用單位（L/100KM）。

b.噴油量采集，根據(jù)噴油時間計算噴油量為每循環(huán)的噴油量，折算對應發(fā)動機轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/秒），每個循環(huán)噴油一次曲軸720度，輸入噴油量除2折算為發(fā)動機每轉(zhuǎn)噴油量。

c.實際噴油體積的計算來自經(jīng)過參數(shù)化后的Tesis endyna模型[1]，其數(shù)據(jù)準確性通過模型閉環(huán)調(diào)試來保證。可調(diào)整采集門限電壓值與INCA數(shù)據(jù)對比，確保采集結(jié)果準確性。

4.3 硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)經(jīng)濟性驗證流程

4.3.1 車型及發(fā)動機參數(shù)準備

輸入目標車型特性參數(shù)（4缸渦輪增壓汽油機+AT6，1470kg，整車慣量10.2315kgm2，主減速比3.683，輪胎半徑0.3m）、coastdown曲線（118.23/0.1751/0.0338）、變速箱換擋曲線等參數(shù)。Coastdown參數(shù)是汽車速度變量的綜合阻力曲線二次擬合函數(shù)（F=F0+F1*V+F2*V2），整車慣量kg*m2計算：

4.3.2 MVEG循環(huán)工況建模

通過Simulin對MVEG循環(huán)建模并設計駕駛員控制模型，調(diào)節(jié)速度控制PID參數(shù)，達到實際車速跟隨循環(huán)目標車速，真實模擬實際駕駛過程，確保試驗數(shù)據(jù)可靠。

4.3.3 啟動MVEG循環(huán)

循環(huán)啟動后全程無需試驗人員值守，通過多次試驗不同車型并與實際臺架測試結(jié)果比較，誤差保持正負3%以內(nèi)，六次試驗平均值6.59L/100KM，試驗結(jié)果一致性較好。通過上位機軟件可以更改整車經(jīng)濟性驗證相關參數(shù)，可以實現(xiàn)多次快速仿真。使用TestStand軟件，設計編寫自動化測試序列，自動測試并生成報告，實現(xiàn)一鍵啟動、無人值守測試，降低試驗成本，提高測試效率。

4.4 與實物臺架經(jīng)濟性驗證對比

目前很多公司采用實物臺架完成驗證，與硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)相比，實物臺架建設周期長，人力資源投入多，且輔助系統(tǒng)投入大，如臺架燃油供給系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、專業(yè)車輛駕駛員等。仿真臺架配置方便快捷，普通實驗室環(huán)境即可布置，在成本和效率上明顯優(yōu)于傳統(tǒng)實物臺架。更換變速箱或車輛基礎參數(shù)后，只需修改模型即可開始試驗模擬，通過比對變更對最終經(jīng)濟性的影響，為設計變更提供參考。

5 結(jié)語

硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)在汽車企業(yè)技術研發(fā)領域應用廣泛，通過系統(tǒng)仿真方法，分析模擬車輛經(jīng)濟性，為實際設計提供有價值的參考數(shù)據(jù)，可大幅縮短設計開發(fā)及測試周期，降低能源消耗和開發(fā)成本，符合國家節(jié)能減排方針政策，提高企業(yè)在新技術競賽中的核心競爭力。

參考文獻：

[1]TESIS DYNAware enDYNA 2.04 Block Reference Manual.

[2]GB 18352.5-2013 輕型汽車污染物排放限值及測量方法.