發(fā)動機電控系統(tǒng)自動優(yōu)化標定技術的研究

發(fā)動機電控系統(tǒng)自動優(yōu)化標定技術的研究

自動優(yōu)化標定技術隨著電子發(fā)動機控制技術的應用，以及汽車性能的新控制策略和控制方法的不斷引入，但只有詳細測量駕駛員控制系統(tǒng)的控制參數(shù)，我們才能獲得駕駛員最佳性能。在傳統(tǒng)的標定過程中,一般通過人工調(diào)整控制參數(shù)進行臺架實驗,然后進行離線優(yōu)化,再驗證優(yōu)化結果。而在發(fā)動機不同的工況區(qū),獲得最佳動力性、經(jīng)濟性和排放性的控制參數(shù)是各不相同的,而且不同控制參數(shù)對各項性能指標的影響也是相互耦合的,要想得到最佳值,需要反復進行優(yōu)化標定,整個過程實驗量非常大。因此,隨著發(fā)動機電控系統(tǒng)標定工作復雜程度的提高,為提高標定效率,自動優(yōu)化標定技術越來越受到重視。國外一些公司開發(fā)了專門用于電控發(fā)動機優(yōu)化標定的自動優(yōu)化標定系統(tǒng)。目前比較典型的發(fā)動機自動優(yōu)化標定系統(tǒng)主要有兩個系統(tǒng),即德國FEV公司和Schenck公司開發(fā)的VEGA系統(tǒng)1自動優(yōu)化標定發(fā)動機電控系統(tǒng)自動優(yōu)化標定的基本原理就是應用一個自動標定系統(tǒng),自動實現(xiàn)發(fā)動機控制參數(shù)的優(yōu)化和標定。在發(fā)動機性能優(yōu)化的目標、約束條件、控制變量變化范圍和邊界條件已知的基礎上,根據(jù)設定的測試試驗循環(huán),利用優(yōu)化軟件對控制參數(shù)進行自動優(yōu)化。自動優(yōu)化標定把試驗過程和優(yōu)化計算結合起來,依據(jù)優(yōu)化問題組織優(yōu)化實驗,自動進行試驗、測量、采集數(shù)據(jù),在線對試驗結果進行優(yōu)化計算,根據(jù)優(yōu)化結果控制實驗過程,直至得到最優(yōu)解。一旦試驗過程開始則完全不需要人的干預,實現(xiàn)全自動優(yōu)化過程。自動優(yōu)化標定主要包括以下四個基本步驟:1)發(fā)動機穩(wěn)態(tài)試驗;2)測量與數(shù)據(jù)采集;3)處理數(shù)據(jù)并建立優(yōu)化數(shù)學模型;4)進行優(yōu)化計算并為下一次試驗確定新的控制參數(shù)。這四個步驟的順序執(zhí)行稱為一個優(yōu)化循環(huán)。在發(fā)動機電控系統(tǒng)自動優(yōu)化標定試驗中,首先需要根據(jù)要求選定若干具有代表意義的工況節(jié)點,即用有限個發(fā)動機工況(轉(zhuǎn)速/負荷)點模擬發(fā)動機全運行工況。每個所選擇的工況點都配以時間加權因子,以代表周圍鄰近運行區(qū)域的工況。當起始循環(huán)的測量和處理完成后,優(yōu)化模型已經(jīng)建立,實際的優(yōu)化結果可以作為臨時最佳值。在優(yōu)化過程中,使用適宜的最優(yōu)化算法,優(yōu)化軟件便會自動確定出接近臨時最佳值的一組參數(shù)。之后,這些新的參數(shù)被傳送到標定裝置中,新的試驗又可自動進行下去。在優(yōu)化過程中,新的測量結果被用于對使用統(tǒng)計方法得到的初期模型進行完善。以便在臨時最佳值的附近區(qū)域提高精確性。完善后的模型作為下一個優(yōu)化循環(huán)的基礎。試驗結果表明經(jīng)過起始循環(huán)和隨后的二、三個優(yōu)化循環(huán)之后,就可得到較為滿意的優(yōu)化結果。2自動優(yōu)化標定系統(tǒng)的基本程序自動標定系統(tǒng)是完成發(fā)動機自動優(yōu)化標定的基礎。一般而言,自動標定系統(tǒng)主要包括標定系統(tǒng)計算機、標定裝置、優(yōu)化軟件包、試驗臺控制計算機、各種檢測設備、發(fā)動機及測功機等,自動優(yōu)化標定系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。在預先設定好發(fā)動機標定試驗流程后,通過利用自動標定系統(tǒng)主機控制標定實驗的進程并負責對標定數(shù)據(jù)的優(yōu)化處理,試驗臺控制計算機控制所有的檢測設備和控制設備,包括標定裝置,根據(jù)需要修改發(fā)動機電控系統(tǒng)的控制參數(shù)。標定系統(tǒng)計算機、試驗臺控制計算機和標定裝置通過控制接口實現(xiàn)相互通訊,完成工況點的設定、發(fā)動機參數(shù)的采集和標定參數(shù)的優(yōu)化過程。這樣在整個標定試驗過程中無需人工控制和數(shù)據(jù)采集,縮短了標定周期,提高了標定結果的精度。為實現(xiàn)自動優(yōu)化標定系統(tǒng)的基本流程,自動優(yōu)化標定系統(tǒng)需要具備以下功能:1)控制發(fā)動機ECU的工作,系統(tǒng)通過向ECU發(fā)出命令,由ECU來實現(xiàn)試驗工況節(jié)點以及相應噴射脈寬、點火提前角等控制參數(shù)的自動控制;2)能夠在線調(diào)整發(fā)動機電控系統(tǒng)的控制參數(shù);3)完成實驗數(shù)據(jù)的采集,并與標定裝置實時通訊,對實驗數(shù)據(jù)進行相應的處理;4)根據(jù)優(yōu)化任務的不同,優(yōu)化軟件具備局部優(yōu)化和全局優(yōu)化的功能;5)實現(xiàn)對發(fā)動機運行狀態(tài)的實時監(jiān)控,并具有良好的人機交互界面;6)根據(jù)優(yōu)化結果自動生成符合ECU數(shù)據(jù)結構的MAP。3在線尋優(yōu)算法不論是局部優(yōu)化還是全局優(yōu)化,對于根據(jù)約束條件和目標函數(shù)建立起來的優(yōu)化模型,需要采用一個高精度、高效率的優(yōu)化算法,只有優(yōu)化算法具有較好的實時性,才有可能實現(xiàn)在線尋優(yōu),在線修改參數(shù)。因此優(yōu)化算法的選取對自動優(yōu)化標定的實現(xiàn)具有重要的意義。3.1發(fā)動機電控系統(tǒng)特定的比例優(yōu)化對于以燃油消耗率最低為目標、以排放達到法規(guī)要求為約束條件組成的全局優(yōu)化問題,要求總體排放量按照某一特定的比例分配給各個代表工況點,在這種分配關系下發(fā)動機的整體燃油經(jīng)濟性達到最好。然而如何確定這一特定的比例是優(yōu)化算法要解決的關鍵問題。在自動優(yōu)化標定中,優(yōu)化算法一般采取Lagrange乘子法Lagrange乘子的引入把全工況的有約束問題解耦為每一工況點上獨立無約束問題的尋優(yōu)3.2用遺傳算法求解發(fā)動機控制參數(shù)全局優(yōu)化問題遺傳算法(GeneticAlgorithms,簡稱GA)是一種借鑒生物界自然選擇和進化機制發(fā)展起來的高度并行、隨機、自適應搜索算法。由于其具有健壯性,特別適合于處理傳統(tǒng)搜索算法解決不好的、復雜的和非線性的問題。結合發(fā)動機運行工況復雜,難以在全工況范圍內(nèi)建立統(tǒng)一的控制參數(shù)和目標性能間精確的數(shù)學模型的特點,遺傳算法在發(fā)動機控制參數(shù)全局優(yōu)化問題中的應用前景被大為看好用遺傳算法解決發(fā)動機控制參數(shù)全局優(yōu)化問題時,首先對每一工況點的控制參數(shù)(如噴射脈寬、點火提前角等)在尋優(yōu)范圍內(nèi)等間隔劃分并進行相應編碼處理Xi,Yj…,Zk,i=1,2…,m;j=1,2…,n;k=1,2…,L。這樣全部N個工況可以通過每一工況下控制參數(shù)(X1,Y1,…Z1,X2,Y2,…Z2,…,X4應用系統(tǒng)計算機的功能隨著發(fā)動機電控技術的不斷發(fā)展,ECU控制參數(shù)的日益增多,優(yōu)化標定工作越來越復雜。為了提高標定效率,國外很多公司開發(fā)了專門用于發(fā)動機優(yōu)化標定的自動優(yōu)化標定系統(tǒng)。目前國外典型的兩個自動優(yōu)化標定系統(tǒng)分別是:奧地利AVL公司的CAMEO、德國FEV公司和Schenck公司開發(fā)的VEGA系統(tǒng)。AVL公司開發(fā)的CAMEO系統(tǒng)是比較先進的自動優(yōu)化標定工具。CAMEO系統(tǒng)集成的數(shù)據(jù)庫,并不作為標定對象模型,而只是具有單純的數(shù)據(jù)存儲功能。CAMEO作為以MATLAB為核心的一個開放系統(tǒng),在試驗數(shù)據(jù)建模、優(yōu)化算法及MAP生成等方面具有強大的功能;而作為應用系統(tǒng)與ECU接口的CAN標定或存儲器仿真,具有高速數(shù)據(jù)通訊功能,可以快速存取優(yōu)化過程需要的ECU數(shù)據(jù)和RAM變量。CAMEO系統(tǒng)是一個用于對ECU控制參數(shù)進行優(yōu)化標定并對實驗系統(tǒng)進行自動控制的標定系統(tǒng),通過利用良好的人機交互界面可以方便地進行試驗設計和控制。CAMEO自動優(yōu)化標定系統(tǒng)如圖2所示,應用優(yōu)化計算機、試驗臺控制計算機和應用系統(tǒng)計算機三個交互PC機實驗自動優(yōu)化標定。在優(yōu)化計算機中,CAMEO作為以MATLAB為核心的一個開放系統(tǒng),提供優(yōu)化試驗定義和結果分析的人機交互界面,使用MicrosoftAccess數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲;采用合適的優(yōu)化算法,利用MATLAB進行試驗設計、數(shù)據(jù)建模、優(yōu)化處理并實現(xiàn)MAP的生成;通過ACSI實現(xiàn)與試驗臺控制計算機和應用系統(tǒng)計算機的接口通訊。試驗臺控制計算機通過PAM實現(xiàn)對實驗運行參數(shù)的管理設置,自動完成標定實驗,通過POI實現(xiàn)接口通訊。應用系統(tǒng)計算機通過標定軟件實現(xiàn)在線優(yōu)化計算、結果顯示和數(shù)據(jù)向ECU的傳送。CAMEO可用于穩(wěn)態(tài)優(yōu)化標定和瞬態(tài)優(yōu)化標定。另一個典型的自動優(yōu)化標定系統(tǒng)是德國FEV公司和Schenck公司開發(fā)的VEGA系統(tǒng)。VEGA在總體結構和功能上與CAMEO基本相似,它的特點是結合數(shù)據(jù)庫技術實現(xiàn)基于模型的自動優(yōu)化標定。5發(fā)動機電控系統(tǒng)采用自動優(yōu)化標定技術隨著發(fā)動機電控系統(tǒng)標