“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+”平臺下發(fā)動機(jī)HIL仿真分析與實驗驗證

唐飛龍 王盈 江芳傳 魏占勝

摘要：電子控制技術(shù)在汽車中發(fā)揮著重要作用，大大提高了汽車的燃油性、舒適度等性能。隨著社會汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，電控系統(tǒng)也漸漸復(fù)雜化，一是對燃料的噴射、節(jié)氣門開度、點火提前角的控制進(jìn)度的要求越來越高;二是隨著渦輪增壓、混合動力、VVT技術(shù)等新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，電控系統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)也面臨著緊跟市場需求與開發(fā)周期之間的矛盾。由于ECU內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)雜性，導(dǎo)致傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)設(shè)計方案不僅開發(fā)周期長，耗費(fèi)大量的人力物力。本文設(shè)計的是基于“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+”HIL的GDI發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)?？杉铀貳CU的研發(fā)周期，降低ECU對臺架實驗的依賴性，節(jié)省研發(fā)成本，高保真逼近工程實況。

關(guān)鍵詞：閉環(huán)仿真;HIL;GDI發(fā)動機(jī);ECU

1研究目的及意義

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的物質(zhì)文化水平不斷提高。汽車成為了人們生活中必不可少的交通工具。在電控系統(tǒng)不斷更新?lián)Q代和市場需求的推動下，智能化汽車發(fā)展迅速，對汽車動力特性、燃油特性、舒適性、安全特性的推動以及尾氣排放特性的要求不斷提高，特別是渦輪增壓、混合動力、缸內(nèi)直噴、VVT技術(shù)等新技術(shù)的出現(xiàn)，使原本復(fù)雜的發(fā)動機(jī)變?yōu)楦訌?fù)雜的機(jī)電一體化產(chǎn)品，通過分析整個系統(tǒng)的特性提煉共性基礎(chǔ)和科學(xué)研究問題是目前研究的熱點并具有重要的研究意義。

當(dāng)前研究發(fā)動機(jī)各種特性采用的方法有臺架實驗、純數(shù)字模型實驗和硬件在環(huán)仿真測試。臺架實驗開發(fā)周期長、耗費(fèi)大量人力物力而且有時周圍的環(huán)境條件不能保證測試工況的實現(xiàn)，不易保證調(diào)試電控系統(tǒng)時所需工況的可重復(fù)性。純數(shù)字模型實驗?zāi)Ｐ蛷?fù)雜、“真實”性差、實時性差與真實的發(fā)動機(jī)差距大等，導(dǎo)致測試發(fā)動機(jī)全工況范圍有很大難度。硬件在環(huán)仿真平臺相對其他測試方法實驗環(huán)境擁有更強(qiáng)的可控性;仿真結(jié)果擁有更好的重復(fù)性;可以完成極端工況下的測試實驗;實驗不擁有破壞性;節(jié)省GDI發(fā)動機(jī)ECU的開發(fā)周期、成本低等優(yōu)點，這些優(yōu)點使得硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)在各種控制系統(tǒng)開發(fā)中得到廣泛的應(yīng)用。

2基于 HIL 的 GDI 發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)仿真測試平臺

2.1“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+”GDI 硬件在環(huán)仿真測試平臺的基本原理

“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+”GDI 硬件在環(huán)仿真測試平臺由實際控制器和虛擬控制對象組成的一種半實物仿真平臺，跟動態(tài)仿真平臺（虛擬控制器和虛擬控制對象）和快速控制原型仿真平臺（虛擬控制器和實際控制對象）相比之下?lián)碛袦?zhǔn)確性、實時性和合理性。平臺采用實時仿真模型代替實際仿真對象或控制系統(tǒng)中機(jī)構(gòu)簡單、容易開發(fā)的部分，用實物嵌入代替結(jié)構(gòu)復(fù)雜、開發(fā)難度較大的部分，組成一個虛擬的仿真測試環(huán)境。該環(huán)境最大程度的模擬實際控制的運(yùn)行狀態(tài)，提供必要的激勵信號，將采集控制對象的輸出信號反饋到虛擬環(huán)境中，產(chǎn)生一個閉環(huán)的仿真測試系統(tǒng)。

2.2“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+”GDI 硬件在環(huán)仿真平臺的組成

“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+“GDI 硬件在環(huán)仿真平臺由上位機(jī)實驗管理軟件、I/O接口、以Controlbase-G為核心的HIL機(jī)柜。

（1）上位機(jī)實驗管理軟件

上位機(jī)管理軟件主要實現(xiàn)人機(jī)互換操作管理、對板卡模型代碼的生成，界面與實時處理器通過TCP/IP實現(xiàn)通信，發(fā)送測試指令，實現(xiàn)所需信號的可視化，完成自動測試、板卡的配置、分析和報告任務(wù)功能。

（2）I/O接口

在硬件和模型之間通過I/O口連接實現(xiàn)硬件在環(huán)仿真，I/O口實現(xiàn)模擬信號、CAN總線信號、數(shù)字信號。在仿真測試的過程中可以根據(jù)信號關(guān)聯(lián)的 Mapping 查找自己需要測試的數(shù)據(jù)接口。

（3）以Control-G為核心的HIL機(jī)柜

HIL機(jī)柜主要包括實時處理器和Control-G，實時處理器提供了發(fā) 動機(jī)仿真的虛擬環(huán)境，實時運(yùn)行汽車多種被控對象的仿真模型。Control-、G作為汽油機(jī)通用的ECU控制器是整個硬件在環(huán)仿真平臺的核心。功能是作為控制裝置來對發(fā)動機(jī)傳感器信號和執(zhí)行器信號進(jìn)行集中管理，提供給控制算法一個快速驗證的平臺。

2.3 “工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+”GDI 硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)檢測的優(yōu)勢

（1）可模擬極端工況情況下的 GDI 發(fā)動機(jī) ECU 實時情況，避免了駕駛者及車輛受損，保證檢測的安全性。（2）可實現(xiàn)多發(fā)動機(jī)ECU集成測試和生成報告，降低人力成本。（3）可重復(fù)性強(qiáng)，可多頻次進(jìn)行極端案例模擬，測試質(zhì)量穩(wěn)定可控，提高檢測工作效率。（4）通過不斷積累和修正檢測案例，積累ECU相關(guān)知識，以便對其功能更好的檢測與驗證。

3總結(jié)和展望

本文基于“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+”HIL的GDI發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)開發(fā)為核心，查找相關(guān)文件了解ECU在環(huán)仿真系統(tǒng)開發(fā)的背景、意義。詳細(xì)介紹硬件在環(huán)仿真測試平臺的基本原理及平臺的組成。為了實現(xiàn)模擬環(huán)境和真實環(huán)境高度一致，在設(shè)計的時候測試系統(tǒng)需要考慮各種外界因素的干擾，完善仿真數(shù)據(jù)和實際測試數(shù)據(jù)的對比研究，提出對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)一步改善，使發(fā)動機(jī)半實物仿真更接近真實性和實時性。

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基金項目：吉林省大學(xué)生科技創(chuàng)新項目S202111439035

作者簡介：唐飛龍（2000-）， 福建莆田人 ， 男 ， 本科在讀 ， 研究方向：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化。共同第一作者：江芳傳，唐飛龍，通訊作者 ： 王盈，魏占勝