硬件在环仿真在汽车控制系统开发中的应用].\'谢十.计算.研究'硬件在环仿真在汽车控制系统开发中的应用清华大学朱辉北京轻型汽车有限公司面北京理工大学程昌圻6争【Abstract]The}1ardware—in—the一1o0psimdationtechnicsmaybeadopindevdopmentofamamo~h~mtrol systemtotthesoftwareandha|doftheamtrolsystem.Thehardware—in—the—lov9simulationisalsoclassifiedandseveraXt)tpjapplicat[ortexamplesofthehm-dwat-e—in—the—l∞psimulation81"egivninthe..uofdevelopmtmt.ftheautomobilecontrolsystem.【摘要】在汽车控制系统开发中.采用硬件在环仿真技术可以对控制系统软硬件进行测试.对硬件在环仿真进行了分类,给出了汽车控制系统开发过程中硬件在环仿真几种典型应用实例. Topicwords:Simulation-Controlsystem.概述主题电等毳控制输入输出汽车是一个高度复杂的系统,对该系统进行综台控制已成为技术发展的必然趋势.采用动态仿真和硬件在环仿真技术可提高重复设计的效率.纯软件动态仿真是优化系统设计的最佳方案.设计者可以通过改变控制系统参数来观察系统性能的变化.模型实时执行实现了硬件在环仿真.通过将系统中关键硬件与复杂的仿真模型集成,可进行各种测试和性能评估.纯软件的动态仿真和硬件在环仿真技术的结台是传统工程试验方法的重大发展.硬件在环仿真是指被仿真环节中存在实物硬件的实时动态仿真技术,与一般动态仿真的区别是: a.硬件在环仿真模型的时间标尺t相等,需要采用实时仿真算法,而动态仿真则不用.b.硬件在环仿真对硬件系统性能要求高,需要有信号输入,输出接口.而动态仿真则不用.硬件在环仿真的主要类型是控制系统硬件在环仿真,如发动机电子控制单元硬件在环仿真是以发动机为计算模型,电子控制单元为实物;防抱死电子控制单元硬件在环仿真是以防抱死系统中的液力执行机构为计算模型.电子控制单元为实物.蚰年代初,发动机控制单元(简称ECU)基本上采用8位微处理器.只能控制发动机空燃比,点火正时等发动机最基本的参数L1J.到9O年代.已开始使用多个32位微处理器进行动力和传动系统控制,控制器不仅要执行更加复杂的控制算法.而且要同时进行多个系统的综合控制.控制软件不仅要进行数据输入,输出测试,还要进行信息输入输出的测试及1998年第l2期信号的类型和正时关系比较复杂,信号发生器的信号源不能满足要求.而在实际被控对象上进行测试存在费用高,时间长,条件不确定等因素.随着计算机技术的发展,开始使用硬件在环仿真技术进行控制系统软硬件的开发和测试L4J.由于采用现代化软件工程方法.使ECU硬件在环仿真技术的应用渗透到ECU软件开发的各个阶段.ECU硬件在环仿真系统成为ECU开发过程中的主要开发工具之一. 图1是以发动机电子控制单元为例对ECU开发过程及其各阶段所用工具的简单概括.ECU开发在不同的设计阶段需要不同形式的仿真.在控制系统原理性设计阶段.为了减少仿真费用与难度,可以进行非实时性全数字动态仿真【5l6J.由图1可见,在ECU使用之前必须进行台架试验和整车试验,以获取标定数据和对系统软硬件进行最后确认.进行ECU硬件在环仿真可以降低试验费用,缩短ECU开发周期.ECU硬件在环仿真的作用有以下几点:a.进行ECU软硬件测试和验证.b.提供试验系统实时监测数据.监控试验对象,执行器,传感器等的动态特性.e.可以进行在实际中不可能或不易进行的试验,如故障模拟,故障诊断软件测试及紧急状况的处理等.d.可以研究不同控制算法对控制器品质的影响.设计?计算?研究开始发动机,传动系,控制系统夸数字仿真控制系统原型开发ECU硬件在环实时仿真卜学摸1=—=:塑笙!I—1兰三竺竺h巫环仿真系统lL二.二=二二二1.台架试验获得ECUlI1.发动机台架试I卜一所需发动机优化数据I--I验用控制系统H第四阶段2.ECU台架试睦Il2.DcU开发系统I求I图1ECU开发过程及所用开发工具e.试验重复性好.可以分别研究每个参数变化对性能的影响.图2为硬件在环仿真的构成形式.ECU为实物.发动机,驱动系,传感器,执行器等为模型,主要用于ECU的开发与测试.可以将部分或全部执行器以实物的形式参与仿真,用于研究传感器,执行器的实际性能对系统整体性能的影响以及测试信号处理电路与执行器驱动电路的动态特性.图2硬件在环仿真的构成2应用实例2.1测试汽油机的ECU系统德国勃朗施威格工业大学电子测量技术和基础电子技术学院的威施明(U.Varchmin)教授等人开发了汽车信号发生器(简称M0SIG),90年代第一次发表文章_7J简要介绍了MOSIG的功能及其硬件结构,M0SIG即可以与PC机通过RS一232串行通讯口联机使用,也可独立使用.其CPU是l6位的M一96系列单片机.1994年在MTZ上发表文章L8J再一次介绍MOSIG,MOSIG的硬件结构没变, 只是增加了PC机上软件的功能.其发动机模型是基于三维特性图的准线性模型,通过查表与插值来计算发动机输出参数,并且在PC机上可以利用数学表达式来产生所需要的信号形式.2.2测试柴油机的ECu系统北京理工大学于1997年研制出柴油机ECu硬件在环仿真系统L9J,其目的是为柴油机ECU软硬件的开发与测试提供性能良好的开发工具,把DCu 在发动机试验台上所做的工作转换到计算机室,通过ECU硬件在环仿真来完成,可节省资金,面且缩短了开发周期.HILSS是以PC机作为宿主计算机的紧密耦合多处理器并行系统,整个系统由三个子系统组成:发动机模型实时计算系统,接口管理系统和监控系统, 如图3所示.每个子系统由一个独立的处理器来完成.该系统具有以下功能:a.可使ECU硬件在环情况下进行发动机稳态工况与过渡工况的实时仿真.b.可进行ECU及齿杆位移执行器和齿杆位置传感器在环的实时仿真.c.可选择发动机状态参数和控制参数进行图形化和数字化实时显示.d.可对仿真结果进行有选择地存储.并可进行离线处理.e.ECU可以以模型形式参与仿真构成软件在环仿真系统.f.可对仿真结果数据文件及结果曲线进行打印输出.图3HILSS的组成系统枝准后,对BN493柴油机分配泵电控单元进行了两种类型的硬件在环仿真试验.试验1:ECU硬件在环仿真ECU与HILSS的信号联接关系如图4所示,可用于无外加信号驱动调理电路的情况下直接对ECU进行软硬件测试.汽车技术设计-计算-研究试验2:ECU和执行器硬件在环仿真信号联接关系如图5.该类型试验中所用电控系统完全等同于发动机台架试验所用电拉系统,因此该仿真试验可以在实际发动机台架试验前对电控系统进行测试,可在试验中发现并解决出现的问题, 为实际台架试验做好准备,这是其它调试方法无法做到的.圉4ECU与HILSS的信号联接圉5试验2信号联接圉3结束语在汽车控制系统的开发过程中采用硬件在环仿真技术可以进行控制系统软硬件的测试,帮助设计者了解系统的动态特性,进行极端条件的测试并准确分析每一个参数独立变化对系统特性的影响,缩短了产品的开发周期,降低了开发费用.目前,我国已经开发出用于硬件在环仿真的高性能价格比的实时处理系.硬件在环仿真可以应用于科研与工程试验的各个方面,是传统工程试验方法的重大发展,必将在汽车控制系统的开发过程中得到广泛应用.参考文献lWrightC.D.AutomotiveApplicationofElecmmicsProc IEEEWorl~hoponAutmmotiveAp#icad~m0fElectronicsDeartxx~MichigmaPP.49—53October23—24.19862KelleyDsh~ffll'lonG.FAutomotiveElectronicsaI1dEn- gineMangagementsystem—AReviewlourr~0fElectrical andElectronicsEngineeringAustraliaV ot10No.4PP286—299,19903WoodB.JAppli~VerficadonaI1dValidationtoAutomo—tSoftwareDevelopmentSAEPaper90l72l4Sava~tioC.Hardware—in—LoopSmulatlon—AnEngine ControllerImplementationSAEPaper9302046HaraldKro}~nVictorGheot~iuHalxiWal"e—in一Sim—niatlonforanElectx~nicClutchManagementS~temSAE Papez9504207U.Vat&rainT.№gD.NeumannAnEngineSgT1a1 SimulatorMicroprocemlngandMicroprogrmmaivg28 (1989)I:'219—2228DddN1ⅡmnBc~mrdBkandJn—Uw~Varcim~in AnUniversalRealtimeSimulatorforEnginesMIX,l9949朱辉.柴油机电控单元硬件在环仿真系统研究.北京理工大学博士论文.1997l0朱辉等.高性能价格比的实时处理系统.计算机应用研究,1998(1)(责任编辑维云)修改稿收到日期为1998年8月2,5日.(上接第3页)c.小红旗是首家匹配安全气囊的国产轿车.匹配SRS-40系统以后,驾驶员头颈部伤害指标较不装气囊时有显着下降,完全实现了预期目标.1998年第l2期圉3参考文献lBergfrledDeta1.ElectronicCrashSenso~forRestraint System.Imper901136(责任编辑路』,1原稿收到日期为1998年6月2日.——9——。