胥峰，唐輝堯，張鵬飛，朱家亮

基于硬件在環(huán)的汽車噪聲排放仿真測試

胥峰，唐輝堯，張鵬飛，朱家亮

（中汽研汽車檢驗中心（寧波）有限公司，浙江 寧波 315336）

文章介紹一種能夠模擬汽車噪聲排放的硬件在環(huán)測試平臺的原理、構(gòu)造以及搭建過程。通過將實時仿真系統(tǒng)和被測車輛的整車控制器（VCU）連接起來搭建一個硬件在環(huán)平臺，然后為硬件在環(huán)平臺輸入ECE R51所規(guī)定的試驗工況，在駕駛工況模擬端進(jìn)行多次試驗，以得到不同轉(zhuǎn)速下的模擬噪聲排放值。為了驗證這個實時仿真系統(tǒng)的精確度，將汽車在實際道路試驗工況下的測量值引入硬件在環(huán)測試平臺，開展混合仿真測試，以促進(jìn)汽車噪聲排放控制技術(shù)的研究。

硬件在環(huán)；噪聲排放；仿真；測試

前言

汽車“噪聲排放”指汽車發(fā)出的噪聲對環(huán)境造成影響。隨著我國汽車保有量的連續(xù)增長，汽車的噪聲排放問題日益突出，尤其是城鎮(zhèn)公路附近居民對汽車噪聲污染的投訴量日益攀升，為了加強對環(huán)境噪聲污染的防治，改善和保護(hù)生活環(huán)境，保障居民的健康，國家相關(guān)部門出臺了《噪聲污染防治法》。

國內(nèi)汽車生產(chǎn)企業(yè)也在改善其產(chǎn)品的噪聲問題上達(dá)成共識，然而汽車噪聲試驗周期長，次數(shù)多，且室外開展試驗易受天氣及環(huán)境噪聲的影響，可重復(fù)率低。而且在即將發(fā)布的新版GB1495的標(biāo)準(zhǔn)（工況跟ECE R51類似）中將會加入汽車多工況噪聲的測試，會測量汽車在不同轉(zhuǎn)速、車速和加速度條件下的噪聲水平，試驗次數(shù)會增加很多。如果能在動態(tài)試驗前用很短的時間進(jìn)行硬件在環(huán)仿真測試，對產(chǎn)品進(jìn)行摸底試驗，排除干擾因素，指導(dǎo)試驗方案更合理的設(shè)計，將會達(dá)到事半功倍的效果[1-4]。

本文研究內(nèi)容是通過將實時仿真系統(tǒng)和被測車輛的整車控制器（VCU）連接起來搭建一個硬件在環(huán)平臺，然后為硬件在環(huán)平臺輸入ECE R51所規(guī)定的試驗工況，在駕駛工況模擬端進(jìn)行多次試驗，以得到不同車速、轉(zhuǎn)速下的模擬噪聲排放值。有助于汽車噪聲排放控制工程研究。

1 HIL仿真試驗臺架構(gòu)建

1.1 總體方案

硬件在環(huán)仿真（Hardware-In-the-Loop，簡稱HIL）是指對某個復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行工程研究的過程中，將其中的一部分子系統(tǒng)用計算機建模，其余的子系統(tǒng)是實際的部件和設(shè)備，兩者組合到一起而成的仿真模型。用計算機編程語言建立數(shù)學(xué)模型，便于進(jìn)行計算機運算，實現(xiàn)數(shù)學(xué)仿真；而且虛擬系統(tǒng)的一些環(huán)境參數(shù)可以很容易地修改，這就說明，當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生變化，或者需要測試某個子系統(tǒng)時，HIL仿真提供了相當(dāng)大的靈活性。通過本方法將可持續(xù)地實現(xiàn)整車級的系統(tǒng)循環(huán)驗證。如圖1所示為系統(tǒng)的主機和控制器之間的關(guān)系。

圖1 系統(tǒng)的主機和控制器之間的關(guān)系

1.2 組成部分

HIL測試系統(tǒng)包含硬件和軟件兩個部分，因為在仿真回路中引入了實物，所以相比較純計算機仿真更接近真實性以及數(shù)據(jù)可靠性，對系統(tǒng)實時性要求更符合實際情況。

1.2.1 硬件組成及功能

測試系統(tǒng)硬件部分包含11個部分，分別為：處理器、I/O硬件接口、通訊接口、供電系統(tǒng)、負(fù)載單元、斷路測試盒（BoB）及線束、溫度電阻模擬單元、故障注入單元、上位機、機柜外殼及附件、信號調(diào)理單元。如圖2所示為系統(tǒng)的控制器機箱，是整車模型及控制模型實時運行的載體。

圖2 控制器機箱

1.2.2 軟件組成及功能

HIL測試系統(tǒng)的軟件是由4個部分組成：專用軟件、用于VCU測試的車輛模型、試驗管理模塊和數(shù)據(jù)后處理模塊。

該專用軟件可自定義界面，可實現(xiàn)CAN通訊的實時解析，提供Simulink模型的接口，實現(xiàn)I/O的Excel配置，內(nèi)部故障診斷等功能。

2 汽車噪聲排放仿真模型

2.1 整車模型

整車動力學(xué)模型是HIL仿真測試的核心，因為測試不同的功能需要不同的控制模型，所以我們采用模塊化建模思想，指定每個模塊之間的接口。在不同的測試中，只需改變相應(yīng)的模塊才能達(dá)到測試的目的[5]。包含變速器模型，主減速器模型，駕駛員模型等，本課題建立的Simulink整車動力學(xué)模型如圖3所示。該模塊可計算基于發(fā)動機轉(zhuǎn)速和車輛行駛阻力而得到的車輛行駛速度。

圖3 Simulink車輛模型

2.2 噪聲排放模擬器

由于噪聲排放的HIL仿真涉及到噪聲和車速、轉(zhuǎn)速的重要交換，因此，必須建立噪聲源系統(tǒng)表征參數(shù)與總體噪聲之間的關(guān)系。將某款車的某一次加速行駛噪聲試驗的總體噪聲和車速、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)導(dǎo)入到HIL系統(tǒng)中，建立其噪聲排放的傳遞函數(shù)，利用 matlab/simulink中的加法器將該傳遞函數(shù)反饋到整車動力學(xué)模型中，這樣就可以對車輛的其他復(fù)雜工況進(jìn)行仿真試驗，得到一個噪聲排放模擬值。

3 仿真測試及試驗驗證

3.1 ECE R51所規(guī)定的試驗工況

ECE R51所規(guī)定的汽車噪聲試驗，是讓汽車以相應(yīng)車速通過長20米、寬15米的試驗跑道，在兩側(cè)用經(jīng)過校準(zhǔn)的聲級計測量其聲壓級。汽車參考點通過PP'線的車速為50km/h±1km/h，且對于輕型汽車而言，選擇最接近市區(qū)加速工況的擋位開展試驗，以復(fù)現(xiàn)汽車在市區(qū)正常行駛時的真實噪聲水平，這與現(xiàn)行國標(biāo)固定采用二、三擋進(jìn)行試驗不同。如圖4所示為試驗車速與參考線位置示意圖。

除了進(jìn)行上述的全油門加速噪聲測量試驗，ECE R51還要求對勻速噪聲進(jìn)行測量，主要目的是考核輪胎的噪音，然后將加速噪聲和勻速噪聲的測量值進(jìn)行加權(quán)，用于表征汽車的日常噪聲排放量。

圖4 試驗車速與參考線位置示意圖

3.2 道路試驗

實現(xiàn)HIL方法的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，因為它是一個包含了虛擬仿真和實際道路試驗的混合仿真，要保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性就要嚴(yán)格按照試驗規(guī)范進(jìn)行道路試驗。對汽車進(jìn)行車外被動噪聲測試時，記錄汽車從駛?cè)霚y試區(qū)域到駛離測試區(qū)域整個過程的速度值，轉(zhuǎn)速值，距離值，以及左右兩個傳聲器的聲壓值，車載數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)將這些客觀數(shù)據(jù)記錄下來，完成對車輛噪聲動態(tài)綜合測試試驗。如圖5所示為試驗現(xiàn)場圖。

按照ECE R51 03所規(guī)定的加速噪聲試驗方法B開展試驗，以三檔開始進(jìn)行測試，并將4次測試的結(jié)果記錄，如表1所示。依據(jù)公式：

式中：awot I為汽車在加速過程中的加速度

VAA'為汽車駛?cè)霚y量場地時的車速

VBB'為汽車駛離測量場地時的車速

VPP'為汽車通過傳聲器時的車速

nBB'為汽車駛出測量場地時發(fā)動機的轉(zhuǎn)速

得到汽車試驗過程加速度，并將4次實驗所得加速度均值求出，為1.45m/s2。加速噪聲測試中的車輛兩側(cè)噪聲值被聲級計記錄下來，據(jù)此計算出最終結(jié)果Lurban＝62.7dB（A）。

表1 加速噪聲測量過程車輛運行參數(shù)

3.3 混合仿真測試

本部分試驗主要驗證VCU的加速控制策略，同時驗證HIL系統(tǒng)的CAN、模型和I/O口之間的通訊能力。在Simulink中，通過安裝的NI工具包將模型導(dǎo)成DLL文件，并導(dǎo)入PXI實時系統(tǒng)中，接入實際的模型輸入信號和輸出信號，對模型中重要的參數(shù)進(jìn)行前面板顯示，并實現(xiàn)前面板配置，包括車輛加速度、速度、輸出扭矩的前面板波形圖。完成VCU上電，車輛準(zhǔn)備就緒，踩加速踏板，觀察車輛實際輸出扭矩的變化，計算車輛加速時間，觀察車速的變化，對VCU在整車加速過程中的輸出扭矩對車速的關(guān)系進(jìn)行驗證。仿真試驗的操作步驟如下：

（1）HIL系統(tǒng)的模擬加速踏板，通過I/O接口反饋給VCU。

（2）踩下模擬加速踏板。

（3）VCU計算出正向速度限值和發(fā)動機目標(biāo)輸出轉(zhuǎn)速，通過CAN發(fā)送給HIL系統(tǒng)。

（4）HIL系統(tǒng)接收到速度和目標(biāo)轉(zhuǎn)速，通過整車動力學(xué)模型計算出車輛當(dāng)前的速度，加速度，實際轉(zhuǎn)速。

（5）HIL系統(tǒng)將當(dāng)前發(fā)動機速度和轉(zhuǎn)速通過CAN發(fā)送給VCU。

（6）VCU通過CAN將發(fā)動機速度和轉(zhuǎn)速報文發(fā)送給HIL模擬的數(shù)字儀表。

（7）HIL系統(tǒng)模擬的數(shù)字儀表接收到發(fā)動機機轉(zhuǎn)速報文。

（8）將車速和轉(zhuǎn)速結(jié)果導(dǎo)入噪聲排放模擬器，得到噪聲排放值，將其顯示在前面板上。

圖5 試驗現(xiàn)場圖

圖6和圖7給出了某HIL系統(tǒng)的實測速度和加速度曲線。

圖6 HIL系統(tǒng)實測車速曲線

圖7 HIL系統(tǒng)實測加速度曲線

VCU發(fā)出的指令轉(zhuǎn)矩隨著車速升高而減小，如圖8所示，為VCU發(fā)出的指令轉(zhuǎn)矩和車速的關(guān)系圖。整個仿真過程的汽車轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)也將被記錄下來并會出曲線，該曲線方便我們判斷車速和加速的的合理性。

圖8 實測VCU的扭矩-速度曲線

3.4 結(jié)果分析

從混合仿真測試的結(jié)果，我們可以看到相應(yīng)的速度點車速、加速度的擬合精確度較高，但為了驗證所提出的方法，我們還需要進(jìn)行其他工況下的實車比對試驗，經(jīng)過多組比對測試，也印證了該方法的準(zhǔn)確性。

HIL硬件在環(huán)仿真允許對整車系統(tǒng)的表現(xiàn)進(jìn)行早期模擬檢查，這樣使得我們對汽車噪聲排放影響因素的邊界條件進(jìn)行實驗測試變得容易實現(xiàn)。

4 結(jié)論

本文通過對某款輕型汽車的加速噪聲試驗進(jìn)行HIL硬件在環(huán)仿真測試，與整車道路試驗結(jié)果相比重合度較高。通過本方法將可持續(xù)地實現(xiàn)整車級的系統(tǒng)循環(huán)驗證，當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生變化，或者需要測試某個子系統(tǒng)對噪聲排放的影響程度時，HIL仿真系統(tǒng)可有針對性的調(diào)整參數(shù)配置，提供了相當(dāng)大的靈活性。此方法在縮短開發(fā)周期的同時也減少企業(yè)的開發(fā)成本，是汽車噪聲排放控制工程研究中的一種切實可行的技術(shù)手段。

當(dāng)然，對汽車動態(tài)行為的數(shù)值預(yù)測也常常包含由于參數(shù)偏差而產(chǎn)生的不確定性，這是后續(xù)需要進(jìn)一步進(jìn)行研究的方向。

[1] 謝東明,張震鼎,郭勇.多工況加速行駛車外噪聲測量評價方法[J],噪聲與振動控制,2015,35(4),183-188.

[2] 歐洲經(jīng)濟委員會. ECE Regulation No. 51 Revision 1-amendment 3 uniform provisions concerning the approvalof motor vehicles having at least four wheels with regard to their noise emissions[S]. 2007.

[3] 歐洲經(jīng)濟委員會WP 29 (GRB). Paper facilitating the framework and boundariesof the discussion in the GRBIG ASEP R51[R]. WP 29 GRB ASEP非正式工作組第1次會議,2005.

[4] 國家環(huán)境保護(hù)總局,國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 1495-2002 汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法[S].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2002.

[5] 位正.新一代硬件在環(huán)仿真平臺的研究和開發(fā)[D].工學(xué)碩士論文,北京:清華大學(xué),2009.5.

Simulation test of automobile noise emission based on hardware in the loop

Xu Feng, Tang Huiyao, Zhang Pengfei, Zhu Jialiang

（CATARC Automotive Test Center (Ningbo) Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315336）

This paper introduces the principle, construction and construction process of a hardware-in-the-loop test platform, which can simulate the emission of automobile noise.A hardware-in-the-loop platform was built by connecting the real-time simulation system with the vehicle controller (VCU), and then the test conditions specified by ECE R51 were input to the hardware-in-the-loop platform.In order to get the simulated noise emission values at different speeds, we conducted multiple tests on the driving simulator.Input the measured value of the vehicle in the actual road test to the hardware-in-the -loop test platform.Conduct mixed simulation test.Then, can promote the automobile noise emission control technology research.

Hardware-in-the-loop; Noise emissions; Simulation; Testing

U467

A

1671-7988(2019)24-111-04

U467

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.036

胥峰，工程師，就職于中汽研汽車檢驗中心（寧波）有限公司，研究方向：整車試驗研究。