硬件在环仿真在发动机中的应用进展

刘落实　张南峰　吴伟斌　朱高伟　李志鹏　陈满波

摘 要：现代汽车行业中，硬件在环仿真（Hardware In-the-Loop Simulation，HILS）在快速开发以及测试发动机ECU中得到了广泛的应用。国外的硬件在环仿真技术相对成熟，具备较高的实时性和有效性；在国内，针对不同发动机ECU的硬件在环仿真技术迅速发展。与此同时，采用软件建立实时仿真模型、对接口系统优化以及提高自动化检测水平是近年来我国取得的进展，但仍然存在实时模型通用性差、测试效率低、准确度不高和自动化水平不成熟等问题。针对以上的问题，文章从HIL的测试精度、效率以及可靠性等方向出发结合现代新技术提出相应的解决方案。

关键词：硬件在环；HILS；发动机；ECU

引言

汽车发动机的进气量、喷油量、点火时间、转速等工作参数受ECU控制，随着汽车行业不断发展，作为汽车电控系统的核心控制单元的质量和稳定性的要求日益苛刻。传统的工程试验方法，在各汽车系统测试中所存在的弊端逐渐显露出来，研发周期长以及稳定性差等问题限制了发动机ECU的发展。

ECU的硬件在环仿真技术作为一种先进的技术逐渐广泛地应用在发动机ECU开发当中，极大提高了测试的稳定性和缩短研发周期。文章旨在通过对国内外硬件在环仿真技术在发动机ECU中的应用现状进行分析，总结出现存问题并提出相应的解决方案及未来的研究方向。

1 国外研究现状

对硬件测试的研究领域，国外的硬件在环仿真技术领域较为成熟。德国勃朗施威格工业大学的U.Varchmin教授研制了ECU硬件在环仿真系统——MOSIG[1]。自此HIL作为对ECU的测试方法，相比于传统的工程实验方法，能更有效地进行测试和评估，对检测和开发汽车发动机ECU提供了效率和有效的途径。ADI公司研制了专门为实时动态仿真设计的计算机系统——Simsyste [2]，该系统采用了大量的高性能硬件，能够对复杂的、高速运行的系统进行实时仿真，具有较高的实时性和准确性。

德国dSPACE公司开发的硬件在环实时仿真系统——dSPACE，可完成包括发动机循环、扭矩输出和汽车动力性的仿真工作。此后，基于dSPACE的硬件在环仿真系统，并利用MATLAB/simulink建立仿真模型的方法被广泛应用[3]。

国外车企相继应用并完善HIL测试方式，其逐渐趋向自动化，可模拟发动机在各种工况和环境下对发动机ECU的测试，避免可能所引起的危险和提高测试的有效性。美国国家仪器（NI）公司具有开创性地研发了自动化在环测试软硬设备，自动化测试得到了较大的发展。

2 国内研究现状

近年来国内在硬件在环仿真系统的设计上取得较大的进步，其研究从最初的人工操作过渡到自动化系统，现逐步向智能化的目标发展。

针对不同的发动机ECU，功能不尽相同的硬件在环仿真系统相继被提出。近年来，高压共轨柴油机迅速发展，成为了未来柴油机发展的新方向，硬件在环仿真在高压共轨柴油机上的应用受到广泛的重视。杨闻睿等研究设计了高压共轨柴油机ECU硬件在环仿真系统的软件部分，采用Visual C ++和LabVIEW混合编程[4]，并利用CAN总线的高速传输的特点解决了系统实时性问题。此外，张生斌等在原有的研究基础上构建了一种基于现场可编程门阵列（FPGA）技术的硬件在环系统[5]，该系统专门用于对高压共轨柴油机判缸与喷油的研究。

与此同时，针对CNG/汽油发动机ECU的开发与测试，吴伟斌等人通过ECU硬件在环仿真的设计与运用，采用基于PXI的发动机在环仿真系统[6]，完成了两用燃料发动机ECU在环仿真试验，实现对两用燃料发动机ECU快速开发，具有较高的效率及可靠性。此外，一些针对现代节能发动机的硬件在环仿真系统也取得较大的发展，如生物柴油发动机和电动机等。

另外，在硬件在环仿真系统的研究上，针对系统的不同组成部分有不同的发展情况。发动机实时模型的建立上，采用目前較为成熟的发动机平均值模型，模型的仿真技术从DSP系统硬件仿真过渡到MATLAB/simulink等软件仿真；而对于人机交互监控系统，采用较多地仍为PC机，利用其丰富多元的软硬件资源，能更好地实现监控的实时性、直观性和可操作性；在数据传输方面，CAN总线因具有传输速率高、传输稳定等优良特点被广泛应用于仿真模型与被测ECU系统的数据交换。

随着ECU电控系统的不断发展、复杂程度不断加大，对其测试的难度也逐渐加大。黄永逸等提出了汽油机自动化测试的实现方法[7]，并通过自动测试的试验证明了自动化硬件在环仿真测试系统的可靠性，该自动化系统在一定程度上减少了人为操作的误差，提高了测试工作的效率。

3 现存问题及展望

国外具有较高水平的硬件在环仿真技术，但依然存在价格高、实用性差等缺点，除此之外，在技术层面上也存在一定的缺陷，如dSPACE系统不能外带一些简单传感器和只能进行纯数学的计算，从而影响了仿真的结果。另外ADRTS系统对数据处理能力要求较高，即计算机的性能高低限制了硬件在环仿真系统的发展。

国内对发动机在环仿真的研究虽取得较大的进展，但大部分仍停留在人工操作上，测试的效率和准确性不高，所建立的仿真模型不具备通用性，同时，自动化在环仿真技术在发动机中的应用尚未成熟。作者认为未来我国可就以下几个方面为研究方向，不断推进硬件在环仿真在发动机中的应用：

（1）对发动机ECU电控系统的测试及评估后系统自动提出具有参考价值的改良性方案。在满足ECU检测的精度和实时性的前提下，硬件在环仿真系统中结合现代较为先进的神经网络等智能化控制策略，针对点火提前角等发动机参数的控制算法提出改良的方案。

（2）实现无线通信以提高测试实时性和测试效率，节省开发成本。传输总线及接口系统作为硬件在环仿真系统中的硬件部分之一，由于硬件本身的局限性，在传输速率和实时性上很难再有较大的突破，同时，若采用高性能硬件会导致成本大大提升。利用现代不断发展、成熟的嵌入式、微电子和无线网络等高新技术，实现ECU电控系统与PC机中的仿真模型和监控系统无线数据，能有效地提高硬件在环仿真的整体速度和检测的实时性，另一方面解决了经济性问题。

（3）研究建立多元实时仿真模型库，解决通用性差的问题，一定程度上节省建模时间，提高工作效率。通过对不同发动机各种参数的研究，结合各种发动机的仿真模型，建立模型库可供修改、调用，提高硬件在环仿真整体的通用性及使用效率。此外，易于结合自动化技术，实现只需输入相关的发动机特征参数，系统能自动从模型库中选择、修改和使用模型。

参考文献

[1]朱辉，王丽清，程昌析.汽车硬件在环仿真在汽车控制系统开发中的应用[J].汽车技术，1998（12）：7-9.

[2]丁威介.柴油机电控单元硬件在环仿真系统设计[D].北京：北京交通大学，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]杨闻睿，敖国强，刘志，等.高压共轨柴油机ECU硬件在环仿真系统软件设计[J].内燃机工程，2009，30（5）：41-45.

[5]张生斌，申立中，王贵勇，等.基于FPGA的高压共轨柴油机判缸与喷油HIL系统研究[J].内燃机工程，2015，36（3）：117-121.

[6]吴伟斌，李礼夫，洪添胜.汽油/CNG两用燃料发动机ECU在环仿真[J].仪器仪表学报，2010，31（4）：370-375.

[7]黄胜龙.汽车发动机ECU的自动化HIL仿真测试平台的研究与实现[D].吉林：吉林大学，2013.

*通讯作者：吴伟斌，华南农业大学工程学院。