“工业互联网+”平台下发动机HIL仿真分析与实验验证

唐飞龙 王盈 江芳传 魏占胜

摘要：电子控制技术在汽车中发挥着重要作用，大大提高了汽车的燃油性、舒适度等性能。随着社会汽车工业的不断发展，电控系统也渐渐复杂化，一是对燃料的喷射、节气门开度、点火提前角的控制进度的要求越来越高;二是随着涡轮增压、混合动力、VVT技术等新技术的不断出现，电控系统的产品开发也面临着紧跟市场需求与开发周期之间的矛盾。由于ECU内部结构和功能的复杂性，导致传统的电控系统设计方案不仅开发周期长，耗费大量的人力物力。本文设计的是基于“工业互联网+”HIL的GDI发动机硬件在环仿真系统。可加速ECU的研发周期，降低ECU对台架实验的依赖性，节省研发成本，高保真逼近工程实况。

关键词：闭环仿真;HIL;GDI发动机;ECU

1研究目的及意义

随着经济的发展，人们的物质文化水平不断提高。汽车成为了人们生活中必不可少的交通工具。在电控系统不断更新换代和市场需求的推动下，智能化汽车发展迅速，对汽车动力特性、燃油特性、舒适性、安全特性的推动以及尾气排放特性的要求不断提高，特别是涡轮增压、混合动力、缸内直喷、VVT技术等新技术的出现，使原本复杂的发动机变为更加复杂的机电一体化产品，通过分析整个系统的特性提炼共性基础和科学研究问题是目前研究的热点并具有重要的研究意义。

当前研究发动机各种特性采用的方法有台架实验、纯数字模型实验和硬件在环仿真测试。台架实验开发周期长、耗费大量人力物力而且有时周围的环境条件不能保证测试工况的实现，不易保证调试电控系统时所需工况的可重复性。纯数字模型实验模型复杂、“真实”性差、实时性差与真实的发动机差距大等，导致测试发动机全工况范围有很大难度。硬件在环仿真平台相对其他测试方法实验环境拥有更强的可控性;仿真结果拥有更好的重复性;可以完成极端工况下的测试实验;实验不拥有破坏性;节省GDI发动机ECU的开发周期、成本低等优点，这些优点使得硬件在环仿真测试技术在各种控制系统开发中得到广泛的应用。

2基于 HIL 的 GDI 发动机硬件在环仿真测试平台

2.1“工业互联网+”GDI 硬件在环仿真测试平台的基本原理

“工业互联网+”GDI 硬件在环仿真测试平台由实际控制器和虚拟控制对象组成的一种半实物仿真平台，跟动态仿真平台（虚拟控制器和虚拟控制对象）和快速控制原型仿真平台（虚拟控制器和实际控制对象）相比之下拥有准确性、实时性和合理性。平台采用实时仿真模型代替实际仿真对象或控制系统中机构简单、容易开发的部分，用实物嵌入代替结构复杂、开发难度较大的部分，组成一个虚拟的仿真测试环境。该环境最大程度的模拟实际控制的运行状态，提供必要的激励信号，将采集控制对象的输出信号反馈到虚拟环境中，产生一个闭环的仿真测试系统。

2.2“工业互联网+”GDI 硬件在环仿真平台的组成

“工业互联网+“GDI 硬件在环仿真平台由上位机实验管理软件、I/O接口、以Controlbase-G为核心的HIL机柜。

（1）上位机实验管理软件

上位机管理软件主要实现人机互换操作管理、对板卡模型代码的生成，界面与实时处理器通过TCP/IP实现通信，发送测试指令，实现所需信号的可视化，完成自动测试、板卡的配置、分析和报告任务功能。

（2）I/O接口

在硬件和模型之间通过I/O口连接实现硬件在环仿真，I/O口实现模拟信号、CAN总线信号、数字信号。在仿真测试的过程中可以根据信号关联的 Mapping 查找自己需要测试的数据接口。

（3）以Control-G为核心的HIL机柜

HIL机柜主要包括实时处理器和Control-G，实时处理器提供了发 动机仿真的虚拟环境，实时运行汽车多种被控对象的仿真模型。Control-、G作为汽油机通用的ECU控制器是整个硬件在环仿真平台的核心。功能是作为控制装置来对发动机传感器信号和执行器信号进行集中管理，提供给控制算法一个快速验证的平台。

2.3 “工业互联网+”GDI 硬件在环仿真系统检测的优势

（1）可模拟极端工况情况下的 GDI 发动机 ECU 实时情况，避免了驾驶者及车辆受损，保证检测的安全性。（2）可实现多发动机ECU集成测试和生成报告，降低人力成本。（3）可重复性强，可多频次进行极端案例模拟，测试质量稳定可控，提高检测工作效率。（4）通过不断积累和修正检测案例，积累ECU相关知识，以便对其功能更好的检测与验证。

3总结和展望

本文基于“工业互联网+”HIL的GDI发动机硬件在环仿真系统开发为核心，查找相关文件了解ECU在环仿真系統开发的背景、意义。详细介绍硬件在环仿真测试平台的基本原理及平台的组成。为了实现模拟环境和真实环境高度一致，在设计的时候测试系统需要考虑各种外界因素的干扰，完善仿真数据和实际测试数据的对比研究，提出对仿真数据进一步改善，使发动机半实物仿真更接近真实性和实时性。

参考文献

[1]谢静思，张永生. 混合动力系统HIL测试原理及关键技术分析[A]. .西南汽车信息：2011年上半年合刊[C].，2011：6.

[2]刘落实，张南峰，吴伟斌，朱高伟，李志鹏，陈满波. 硬件在环仿真在发动机中的应用进展[J]. 科技创新与应用，2015，28：24-25.

[3]李学军 ， 王盈 ， 王曼玮 . 基于 ENDYDA 的 GDI 发动机快速起动仿真研究 [J]. 长春大学学报 ，2017（02）.

[4]邓涛，孙冬野，秦大同，胡丰宾，刘永刚. 基于Simulink与veDYNA联合仿真平台的AMT硬件在环试验研究[J]. 汽车工程，2011，05：411-416+421.

[5]李长文，张宏波，赵长禄，张付军，黄英，孙业保. ECU硬件在环柴油机控制仿真平台研究[J]. 北京理工大学学报，2004，05：407-410.

基金项目：吉林省大学生科技创新项目S202111439035

作者简介：唐飞龙（2000-）， 福建莆田人 ， 男 ， 本科在读 ， 研究方向：机械设计制造及其自动化。共同第一作者：江芳传，唐飞龙，通讯作者 ： 王盈，魏占胜