-硬件在环仿真在汽车控制系统开发中的应用及关键技术_齐鲲鹏

硬件在环仿真在汽车控制系统开发

中的应用及关键技术

齐鲲鹏,隆武强,陈　雷

(大连理工大学内燃机研究所,辽宁大连116024)

摘要:介绍硬件在环仿真的概念、系统组成和工作过程以及在汽车控制系统开发中的应用实例,重点阐述了硬件在环仿真应用中的关键技术。硬件在环仿真应用实例的结果表明,合理使用硬件在环仿真中的关键技术开发汽车控制系统,可以有效地缩短控制系统的开发周期,提高控制系统的设计水平,节约试验费用,为控制系统的开发提供了便利的条件。

关键词:硬件在环仿真;汽车控制系统;关键技术;有效性;实时性

中图分类号:U461 文献标识码:B 文章编号:1000-6494(2006)05-0024-04

Application of Hardware -in -the -loop Simulation in the Development of

Control System for Vehicle and Its Key Technologies

QI Kun -peng ,LONG Wu -qiang ,C HE N Lei

(Institute of I .C .Engine ,Dalian University of Technology ,Dalian 116024,China )

A bstract :In this paper ,the concept ,s ystem composing and working process of Hard ware -in -the -loop Simulation are intro -duced ,the examples of Hard ware -in -the -loop Simulation application in the develop ment of Control System for Vehicle are also illustrated ,and the key technologies of Hard ware -in -the -loop Simulation application are put emphasis on to present .The facts indicate that it can effectively cut the development period of the control s ystem ,improve the design level of the control s ystem ,save the test expenditure and provide convenient condition to develop the control system through applying the key techn ologies of Hard -ware -in -the -loop Simulation to develop the control system for vehicle .

Key words :hardware -in -the -loop simulation ;control system for vehicle ;key technology ;validity ;real -time performance

作者简介:齐鲲鹏(1976-),男,辽宁大连人,博士研究生,主要研究方向为内燃机电子控制。

收稿日期:2006-06-01

近年来,人们对提高汽车的动力性和经济性以及降低排放的呼声越来越强,同时对汽车的安全性

和舒适性的要求也越来越高,这种趋势促进了汽车技术,尤其是汽车控制技术的发展。汽车控制系统在提高汽车的动力性、经济性和降低排放以及改善汽车的安全性、舒适性等方面发挥了巨大的作用。随着汽车控制系统的功能不断增加,汽车控制技术也变得越来越复杂,采用传统的工程试验方法对汽车控制系统进行开发的弊端也逐渐显露出来。硬件在环仿真作为一种先进的仿真技术,它的出现改变了汽车控制系统的传统开发手段,通过硬件在环仿真系统模拟汽车的各种运行工况,可以对汽车控制系统的性能进行测试和评估,为汽车控制系统的开发提供了方便快捷的途径。

1　硬件在环仿真

硬件在环仿真(Hardware -in -the -loop Simula -tion ,HILS )是指将部分实际被控对象或系统部件用高速运行的实时仿真模型来代替,而控制系统则用实物(即硬件)与系统实时仿真模型连接成为一个硬件在环仿真系统(HILSS ),通过仿真试验对控制系统的控制策略、控制功能及系统可靠性等进行测试和评估。

硬件在环仿真系统主要由三部分组成,包括系统实时仿真模型、高速接口模块和PC 机监控系统(如图1所示)。系统实时仿真模型是整个硬件在环仿真系统的核心,其主要功能是实现系统模型的实时仿真计算;高速接口模块充分利用其高速计算能力,可以在系统实时仿真模型和控制系统实物之间进行各种信号的传递;PC 机监控系统作为人机交互平台,既可以方便地修改系统仿真模型的参数,又能及时地监控系统实时仿真模型在控制系统实物作用

第5期2006年10月内燃机

Internal Combustion Engines No .5Oct .2006

图1　硬件在环仿真系统结构图

下运行状态的变化情况。

硬件在环仿真系统的工作过程如下:首先系统实时仿真模型按照用户设定的初始参数运行,同时把仿真模型的计算结果通过高速接口模块送往控制系统实物,并在PC机监控系统中显示计算结果;控制系统实物根据接收到的系统实时仿真模型的计算结果,按照一定的控制策略计算出控制参数,然后将控制参数通过高速接口模块反馈给系统实时仿真模型,系统实时仿真模型根据控制参数改变其运行状态;用户可以根据需要在PC机监控系统的图形用户界面上改变仿真模型的系统参数,从而实现对系统状态的控制。

硬件在环仿真用于控制系统的开发,能够对控制系统的软硬件进行测试和评估,具有开发周期短、成本低和效率高等优点,所以在汽车、机械、航空航天和武器研制等研究领域中得到了广泛的应用。

2　硬件在环仿真在汽车控制系统开发中的应用

现阶段,硬件在环仿真已成为汽车控制系统的重要开发手段,为解决汽车控制系统的设计、试验、性能优化等各方面问题提供了一种崭新的仿真分析技术,同时也为汽车控制技术快速、经济、高效的发展提供了强大的支撑平台。硬件在环仿真可以模拟现实中汽车的各种运行工况来替代工程试验工作,还可以对在工程试验中不可能出现的危险和极端工况提供模拟试验,因此在各种汽车控制系统的开发过程中,硬件在环仿真都得到了广泛的应用,取得了很好的使用效果。下面介绍硬件在环仿真在汽车控制系统开发中的几个应用实例。

a.在汽车发动机电控单元(Electronic Control Unit,E CU)的开发中,通过建立发动机电控单元硬件在环仿真系统〔4〕,可以方便地对发动机电控单元进行功能调试,缩短了电控单元的开发周期,使发动机电控单元的开发和测试变得灵活而简单。

b.在汽车混合动力总成控制器(Powertrain Con-troller)的开发中,通过建立动力总成控制器硬件在环仿真系统〔5〕,可以方便快捷地建立动力总成控制器的模型,并对其进行参数优化匹配,是制定和优化动力总成系统控制策略的有效方法。

c.在汽车线控转向(Steer-By-Wire,SBW)系统的开发中,通过建立线控转向硬件在环仿真系统〔6〕,可以评估线控转向系统的控制算法和功能特性,并可在试验室中对线控转向系统中的自动防故障系统的动态特性进行测试研究,为线控转向系统的开发提供了方便和安全的手段。

d.在汽车防抱制动系统(Anti-lock Braking System,ABS)的开发中,通过建立防抱制动硬件在环仿真系统〔7〕,可以完成对防抱制动系统制动功能的试验验证,为防抱制动系统的测试提供良好的试验平台,大大减少了实车试验的次数,提高了系统的开发效率,降低了系统的开发费用。

e.在汽车牵引力控制系统(Traction Control System,TC S)的开发中,通过建立牵引力控制硬件在环仿真系统〔8〕,可以测试牵引力控制系统控制策略的有效性,完成牵引力控制系统软、硬件的性能匹配,从而实现快速、有效地开发牵引力控制系统。

f.在汽车电子稳定性程序(Electronic Stability Program,E SP)系统的开发中,通过建立电子稳定性程序硬件在环仿真系统〔9〕,可以对电子稳定性程序系统进行性能分析,测试电子稳定性程序系统控制策略的有效性,方便快捷地完成电子稳定性程序系统的开发。

硬件在环仿真在汽车控制系统开发中的应用,既解决了纯粹数字仿真对现实条件过于简化的问题,又克服了工程试验时间长和费用高的制约,所以它是一种切实可行的既缩短开发周期,又节约开发成本的汽车控制系统的开发方法。

3　硬件在环仿真应用中的关键技术

笔者综合分析硬件在环仿真在汽车控制系统开发中的应用实例,得出以下结论,虽然每个硬件在环仿真系统的设计目的和开发用途各有不同,但是在系统的硬件构成技术和软件技术上却有着很多的相似特点,这些相似之处就是硬件在环仿真应用中的关键技术。

3.1　硬件构成技术

硬件在环仿真系统中的硬件构成主要包括系统

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