（动力机械及工程专业论文）气体燃料发动机电控系统优化标定的研究.pdf

中文摘要 摘要： 环境改善和能源问题日益成为世界范围内关注的焦点，天然气因其丰富的资 源和清洁燃烧的特性而成为改善这些问题的良好的代用燃料。随着天然气发动机 技术的发展，其电控单元控制内容逐渐增多，功能不断增加。开发c n g 发动机电 控标定系统，通过匹配标定完善电控系统特性，追求c n g 发动机更良好的动力性 和经济性成为气体燃料发动机的重要技术发展方向，因此开展天然气优化标定系 统的研制和开发具有重要工程价值和学术意义。 本文在确定了电控c n g 发动机标定系统的设计思路和总体设计框架的基础上， 编写了上、下位机的串口通讯程序，实现了发动机e c u 与标定系统主机p c 机的相互 通讯功能，并开发了具有在线标定、数据块标定、故障监测等模块功能的c n g 发动 机标定软件。在此基础上，将开发的标定系统用于w t 6 1 5 型电喷c n g 发动机试验台 架，进行了初步的匹配试验工作，并通过对优化算法的研究确定通过局部优化与 全局优化相结合方法对控制参数进行优化标定，开发了利用遗传算法进行全局寻 优的优化标定软件。运用上述算法完成t c n g 发动机喷射脉宽和点火提前角两个控 制参数的标定实验，并制取了c n g 发动机的基本喷射m a p 图和点火提前角m a p 图。 关键词：气体燃料发动机、电控系统、优化标定、通信、遗传算法 分类号： a bs t r a c t a b s t r a c t ： r e c e n t l y , e n v i r o n m e n t a li m p r o v e m e n ta n de n e r g yi s s u e sh a v eb e c o m em o r ea n d m o r ei m p o r t a n ta sw o r l d w i d ec o n c e r n s n a t u r a lg a si sag o o da l t e r n a t i v ef u e lt o i m p r o v et h e s ep r o b l e m sb e c a u s eo fi t sp l e n t i f u l r e s o u r c e sa n dc l e a nb u r n i n g c h a r a c t e r i s t i c s a st h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo fg a se n g i n e ，t h ec o n t e n tt h a t c o n t r o l l e db yt h ee l e c t r o n i cc o n t r o l l i n gu n i tb e c o m e sm o r ea n dm o r ea n dt h ef u n c t i o ni s e n h a n c e dg r a d u a l l y t od e v e l o pt h ee l e c t r o n i cc o n t r o l l i n gc a l i b r a t i o ns y s t e mo fc n g e n g i n e ，i tb e c o m e sa l li m p o r t a n tt r e n do fu p d a t i n gt h et e c h n o l o g yt h a tt op u r s u i tt h e b e t t e rp e r f o r m a n c eo fp o w e ra n de c o n o m yt h o u g hm a t c h i n g , c a l i b r a t i n ga n di m p r o v i n g t h ec h a r a c t e r i s t i co fe l e c t r o n i cc o n t r o l l i n gs y s t e m t h e r e f o r e ，i t sf u l lo fe n g i n e e r i n g v a l u ea n da c a d e m i cs i g n i f i c a n c et oc o n d u c tt h er e s e a r c ha n dt h ed e v e l o p m e n to fg a s o p t i m i z a t i o nc a l i b r a t i o ns y s t e m t h i sr e p o r tf i x e dt h ed e s i g n i n gt r a i no ft h o u g h to fe l e c t r o n i c a l l yc n gc o n t r o l l e d c a l i b r a t i o ns y s t e ma n dt h ew h o l ef l a m e ，a f t e rw h i c hi tc o m p i l e dt h es e r i a li n t e r f a c e c o m m u n i c a t i o np r o g r a mo fu p p e ra n dn e t h e rm a c h i n e a n di tr e a l i z e dt h em u t u a l c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o nb e t w e e ne c uf o re n g i n ea n dt h em a i nc a l i b r a t i n gs y s t e m c o m p u t e r i na d d i t i o n ，i td e v e l o p e dac n ge n g i n e s c a l i b r a t i o ns o f t w a r ew h i c h p o s s e s s e sm u l t i t u d i n o u sm o d u l ef u n c t i o n s ，i n c l u d i n gc a l i b r a t i n go nl i n e ，t h ec a l i b r a t i o n o ft h ed a t ap i e c e ，f a i l u r ec h e c k i n ga n ds oo n o nt h eb a s i so ft h ea b o v e ，i ta p p l i e d c a l i b r a t i o ns y s t e mt ot e s t - b e do fe l e c t r oj e tc n ge n g i n eo fw t 6 15t y p ea n dc o n d u c t e d t e n t a t i v em a t c h i n g c o m b i n i n gb o t ht h ep a r ta n dt h ew h o l e so p t i m i z a t i o ni st h ec h o i c e m e t h o dt oc o n d u c tt h eo p t i m i z a t i o nc a l i b r a t i o no v e rt h ec o n t r o lv a r i a b l e ，w h i c hi s r e a c h e db yt h es t u d ya n dr e s e a r c ho nt h eo p t i m i z a t i o na r i t h m e t i c i ta l s od e v e l o p e d o p t i m i z a t i o nc a l i b r a t i o ns o f t w a r ew h i c hi su s e df o rs e a r c h i n gt h ew h o l eo p t i m i z a t i o n w i t ht h eh e l po fg e n e t i ca l g o r i t h m o nt h eb a s i so fa b o v ea r i t h m e t i c ，t h ec a l i b r a t i o nt e s t o ft w oc o n t r o lv a r i a b l e ，t h ep u l s ew i d t ho fc n ge n g i n ea n ds p a r kt i m i n gh a sb e e n a c c o m p l i s h e d i na d d i t i o n ，t h eb a s i cj e tm a p o fc n g e n g i n ea n dt h eb a s i cs p a r kt i m i n g m a pa r eb o t hc h a l k e d o u t k e y w o r d s ：g a s f u e le n g i n e 、e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e ds y s t e m 、o p t i m i z a t i o n c a l i b r a t i o n 、c o m m u n i c a t i o n 、g e n e t i ca l g o r i t h m c l a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 岔1 ) 明 导师签名： 签字同期：加孑年月7 日 签字日期：年月日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 学位论文作者签名：参) 切歹 签字日期：夕伊年厶月日 致谢 本论文是在导师张欣教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。张老师渊博的学 识、活跃的思维使我受益匪浅；导师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极 大的帮助和影响；渊博的知识为我树立了学习的典范；导师的谆谆教导、诲人不 倦的态度和生活上的帮助令我终生难忘。在此，谨向张老师表示我最诚挚的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，郭林福老师、刘建华老师在发动机控制理论 和实践方面给予了热心的指导和大力支持；张良老师对于我的科研工作和论文都 提出了许多的宝贵意见，在此一并表示衷心的感谢。 在平时的学习生活中，感谢我的同窗好友杜微、许健、白银环、胡琰、李兵、 赵鹏、王煜等给与我很多专业知识方面的热情帮助。 最后诚挚地感谢在百忙中评阅本论文的诸位专家。 1 1 选题背景 第一章绪论 由于能源日益紧张，环保意识增强，人类正面临能源危机和环境污染的双重 问题。近年来，随着汽车排放法规的不断严格，以及石油能源的日益紧缺，汽车 发动机的发展面临着在满足日趋严格的排放法规要求下发挥最佳性能( 如提高动力 性能、降低燃料消耗率等) 的日益紧迫的挑战。 近些年来，世界各国汽车保有量的不断增加，加剧了石化燃料的供应及资源 紧张，同时使汽车成为城市有害气体污染的主要来源。天然气汽车以其良好的可 获得性、排放性能在世界范围内得到了长足发展，目前世界约有天然气汽车保有 量7 0 0 万辆。国际上一些知名公司也相继开发了用于公共交通等的天然气发动机， 如：美国康明斯西港公司的bg a s cg a s 系列，意大利i v e c o 生产的n e f 超低 排放点燃式天然气发动机等，在这些开发的气体燃料专用机型上汇集了世界燃气 发动机技术的最新发展趋势。 天然气主要成分是甲烷，燃烧后生成二氧化碳和水，产生的温室气体只有煤 炭的l 2 ，石油的2 3 ，对环境造成的污染远远小于石油和煤炭。煤气的热值为 1 2 5 6 k j ，而天然气的热值高达3 5 5 9 k j ，可见天然气是一种高效清洁的能源。与传 统发动机燃料柴油和汽油相比，天然气作为气体燃料，与空气的混合气混合均有， 燃烧比较完全，从而可大大降低c o 、h c 和n o x 的排放，同时也改善了颗粒排放。 燃用天然气与汽油相比，c o 可降低7 0 ，n o x 和非甲烷类可降低8 0 ，c 0 2 可降 低3 0 ，h c 可降低7 0 。因此对净化环境和缓解能源危机颇为有益。天然气发动 机可以降低氮氧化物和颗粒物的排放，可以减少烟度。其在全球储量丰富，目前 使用成本不高，对集中添加燃料的车队比较容易进行配置和供应【l 】。 从能源角度看，天然气是较丰富的资源。据统计，全世界常规天然气的潜在 储量在3 5 0 万亿立方米以上，目前已探明储量约2 0 0 万亿立方米。在全世界天然 气生产大国占据第l 位的是俄罗斯( 5 8 1 0 亿立方米) ，第2 位是美1 虱( 5 5 1 0 4 亿立方 米) ，第3 位是欧洲( 主要是挪威) ( 3 1 8 0 亿立方米) 。中国也拥有丰富的天然气资源， 约占世界资源量的1 1 ，这是我国开发天然气发动机的物质基础和优势所在。全 国天然气资源量为4 7 4 万亿立方米左右，最终可采资源量1 0 - , 1 5 万亿立方米。 9 0 年代后，从1 9 9 5 年到2 0 0 4 年天然气年产量由1 7 4 亿立方米增长到4 0 8 亿 立方米，年均增长2 6 亿立方米，产量快速增长。期间累计探明地质储量3 万亿 立方米，年均增长3 3 4 8 亿立方米，储量增长迅速。2 0 3 0 年左右中国天然气产量 将达到2 0 0 0 亿立方米，进入产气高峰期，天然气高峰期年产量将超过原油高峰期 年产量；2 0 3 5 年左右天然气产量将达到2 5 0 0 万亿立方米。我国的“西气东输”工 程到2 0 0 5 年已经覆盖1 2 0 个城市，2 0 1 0 年将覆盖2 6 0 个城市，这将为大量推广 使用天然气汽车提供资源条件。天然气的储量可以用6 0 2 0 0 年。因此，以天然气 代替石油产品作为汽车燃料，是现实的最佳选择。 我国的天然气汽车产业，自19 9 9 年开始推行“中国汽车清洁行动计划”后，也 进入了快速发展期。“九五”期间，国内燃气汽车整体技术水平得到快速提升，采用 第三代电控多点顺序喷射技术的单燃料燃气汽车发动机正在逐步走向成熟。经“十 五”科技攻关项目的研究，相关技术水平又有进一步提高，完善了燃料的多点顺序 喷射与点火的综合控制技术、稀薄燃烧技术及增压中冷电控技术等，发发动机电 控一直是汽车电子控制系统的核心内容。随着电子技术的不断进步，发动机控制 技术己从最初的机械式简单控制发展到现代的电子控制。从以前的汽油喷射与电 子点火单独控制发展到现在以e c u 为控制核心的集中控制，而且，目前正在向与 其它控制系统( 如自动变速控制系统、车身控制系统等) 不断结合的综合控制系统方 向发展。 发动机电控系统匹配标定技术的发展是与汽车发动机电控技术的进步紧密相 关的。发动机电控系统的匹配标定是指在发动机与电控系统的硬件适配以及在电 控系统功能检验完成的基础上进行的电控单元中控制参数的优化过程。在发动机 电控技术发展初期，标定工作的主要形式是在稳定的工况点处对单一的控制参数 进行优化。但随着技术的发展，排放法规不断严格，人们对发动机的动力性、燃 油经济性的要求不断提高，电控系统的功能随之不断加强，控制参数不断增多， 对控制精度的要求也不断提高，这使得电控发动机的匹配标定成了多变量、多约 束条件、具有不同优化目标的复杂工程问题。 1 2 气体燃料发动机电控系统优化标定的发展历程 发动机电控系统研究，在某种意义上可以说是电控系统参数标定和优化技术 的研究，它的发展与电控技术的进步紧密相连。在发动机电控技术发展初期，电 控系统功能比较简单，控制参数比较少，与之相对应，标定优化的内容比较简单， 工作量小。在这种情况下，参数与不同发动机的匹配工作一般是由具有丰富实践 经验的工程师根据他们的经验完成的，匹配工作的主要形式是在发动机运行的各 种状态下对单一的控制参数进行优化。对于有经验的工作人员来说，这个过程可 以在很短的时间内完成。但是随着技术的发展，由于排放法规不断严格，以及对 2 发动机动力性能、燃油经济性的要求不断提高，电控系统的功能不断增强，控制 参数不断增多，控制方法越来越复杂，对控制精度以及参数的组合优化的要求也 越来越高。现代发动机的优化目标很多，不同时期对发动机性能的要求也不相同。 一般说来，在一般工况下，燃油经济性要好，怠速运转时转速要稳定，排放及加 速性能要好等等实际发动机的运行还涉及众多的限制条件，如排气温度不能过高 等，这些都使得电控发动机的匹配实验成了多变量、多约束、具有不同优化目标 的复杂工程问题。 1 2 1 气体燃料发动机优化标定的发展历程 随着计算机数据处理速度的提高，使发动机运行参数的采集、处理和优化成 为可能，产生了各种在线标定、优化的新方法，标定工作的重点也从手工单节点 标定过渡到自动标定，从稳态标定过渡到稳态优化和瞬态标定、优化。通过程序 的实时在线修改、优化发动机标定参数，克服了手工标定工作量大、周期长的缺 点，提高了控制精度。 在七十年代末期，已经开始研究发动机性能达到综合最佳的优化策略和方法， 提出一些控制算法求解约束优化问题。八十年代以后，进一步明确了发动机电控 系统控制参数标定工作的内容，提供了标定工作所需的集成开发环境。进入九十 年代，随着发动机电控技术的成熟，更加深入细致地研究发动机控制参数的多维 优化和自动标定技术。在1 9 9 2 年的国外文献中首先引入了局部优化和全局优化的 概念，标定开发技术有了十分显著的进步【l 丌。 1 2 2 国外标定技术的发展现状 国外针对电控发动机台架匹配标定试验专门设计了试验台、试验测试系统及 试验设备，并且每种类型的发动机都配以专用的电控系统，为实验周期长的专项实 验做好了准备。目前，欧美国家对匹配标定的研究已发展得比较完备，而且不断 有新的标定软件问世，比如大众公司的v s l 0 0 以及通用公司的c a l t o o l 均为目前较 为先进的标定系统。 国际上在电控发动机标定技术上处于领先地位的是德国的s c h e n c k 公司和 奥地利的a v l 公司。以s c h e n c k 公司的系统为代表，如图1 所示，该系统从结构 上看属于多机控制标定系统，自动化程度高，系统包括三个层次。标定系统主机 通过专用接口卡( a s a p 一3 接口) 与试验台自动控制计算机通讯，实现对发动机一测 功机系统和标定控制台的控制，完成工况点设定、控制参数设定、发动机性能参 3 数和状态参数采集等功能。 图1 1s c h e n c k 公司的发动机自动化标定系统 f i g1 1t h ee n g i n ea u t o m a t i cc a l i b r a t i o ns y s t e mo fs c h e n c k s c h e n c k 公司的发动机基本控制参数试验标定软件包叫v e g a ，它基于微软 公司的w i n d o w sn t 操作系统。该软件包除了具有进行控制参数标定所必需的控 制、测量、优化等功能，还具有对测试循环进行分析的功能，可以计算代表工况 点。其基本原理是基于扩展目标函数法，完成一个带有喷油定时自动控制装置的 直列泵的优化匹配，只需进行7 轮迭代试验，与单参数试验和手工优化方法相比， 大大地节约了时间，提高了精度 6 1 。 a v l 公司的自动化标定系统c a m e o 如图2 所示，其在结构和功能上有与v e g a 系统相似之处，但c a m e o 系统集成的数据库，并不作为标定对象模型，而是单纯 的数据存储功能。c a m e o 的特点是它能与m a t l a b 软件相结合实现试验设计、试 验数据建模、优化算法及m a p 生成等功制引。 s c h e n c k 公司和a v l 公司的自动化标定系统中都采用了局部优化和全局优 化相结合的思想。另外采用不同的方法求解全局优化问题对整个优化试验过程和 优化试验结果有直接影响。从很多文献中看，国外普遍采用l a g r a n g e 乘子法和遗传 算法进行求解。 r i c a r d o 公司采用试验统计学、数值模拟和遗传学算法，通过计算与试验相结 合的方法，成功地完成了一个单缸四冲程增压中冷柴油机与e c 阻- i7 2 高压共轨式 电控燃油系统的优化匹配，总共只需要3 0 0 个试验点。这是多参数优化问题的一 个成功范例，但就其一阶统计学模型的合理性及其最终结果可信度等方面，仍存 在许多值得探讨的问题。 4 图1 2c a m e o 自动优化标定系统 f i g1 2t h ee n g i n ea u t o m a t i cc a l i b r a t i o ns y s t e mo fc a m e o 图1 3 台架上的c a m e o 自动优化标定系统 f i g1 3t h ea u t o m a t i cc a l i b r a t i o ns y s t e mo fc a m e o o nb e n c h 1 2 3 国内标定技术的发展现状 国内日前的标定技术基本是借鉴国外的经验并根据自身的实际情况进行探索 性试验。我国在标定方面和发达国家的差距较大，尤其是在自动标定和优化控制 软件方面，要发展民族汽车工业，就必须建立自己的标定系统。国内标定系统研 究虽然已经取得些进展，但大多采用人工在线标定方法，存在标定成本较高且标 定质量难以保证的不足，不能满足工程实践的要求；购置国外自动标定系统价格 又过于昂贵。 我国汽车工业比较落后，但在，“八五”期间和“九五”期间，汽车电子控制技术 国家科技攻关项目为发动机电控系统标定技术打下了良好的基础。电控发动机真 正走向产业化的任务己刻不容缓，发动机电控标定技术在这个过程中起着关键性 作用。近年来，清华大学与北京吉普车有限公司合作进行了切诺基吉普车配装电 控系统的标定试验；上海交通大学利用引进的v s l 0 0 优化标定软件进行了电控汽油 机的标定试验；北京理工大学开发了在线标定匹配系统与采用i n t d l 9 6 单片机的 j s l 2 5 汽油机电控单元在实验台上进行了标定实验；吉林工业大学与长春汽车研究 所研制了基于计算机控制的柴油机电控标定系统，图1 4 所示为开发的6 1 1 0 电控柴 油机标定系统。监控p c 机通过键盘和鼠标接受命令，e c u 按照接受到的p c 机命令 控制执行器动作，采集发送数据。e c u 把传感器采集的信号作为发动机运行参数 传给p c 机，通过显示器监视发动机运行状态。专用c p u 选用m 6 8 h c 0 5 单片机。串 行通信接口电路完成p c 机r s 2 3 2 串行通信接口和单片机串行通信接口s c i 间的电 平转换。该系统针对m d t i c s 泵和6 1lo 柴油机进行了优化匹配，寻找不同工况下 满足要求的供油量和供油提前角，以改善柴油机的性能。标定系统的应用试验， 获得了圆滑丰满的扭矩特性和最佳经济性，提高了发动机控制的灵活性。这些都 推进了我国电控发动机产业化的进程【1 7 1 。 网数据厂 鏊琴 测试 设备 p c 机慝 i 数据 图1 4 柴油机标定系统 f i g1 4t h ec a l i b r a t i o ns y s t e mf o rc a m e o d i e s e le n g i n e 1 3 主要研究内容 本课题是导师承担的国家“十一五”科技攻关计划“重型商用车c n g 发动机产 品开发”项目中的一部分。重点开展了如下三方面的工作： 1 ) 优化标定系统总体设计与硬、软件的选型和开发 本论文工作将首先分析研究最近几年来国内外的各种标定试验方法，在此基 础之上提出了电控气体燃料发动机标定系统的设计原则和框架。软件方面系统采 用v c 语言编写了标定系统软件，该软件能够显示e c u 中m a p 数据，在线对 6 m a p 数据进行修改：实时显示e c u 硬件中各种数据，并且能够随时保存采集来的 各种数据。通过采用c 语言编写了下位机的串口通讯程序，采用v c 语言编写了 上位机串口通讯程序，能够实现二者之间数据的顺利传递。并结合电控天然气发 动机的开发，完成电控系统稳态工况的m a p 标定试验。 2 ) 优化标定方法及理论的研究 电控天然气发动机的性能优化问题是一个多维有约束非线性规划问题，采用 统计分析方法，利用最d * - 乘法建立电控发动机性能优化数学模型，获得发动机 性能指标与控制参数之间的数学解析表达式；优化标定方法具体包括优化问题定 义、优化实验设计和优化处理三部分。针对所研究电控天然气发动机排放需要满 足欧i i i 排放法规的特点，对十三工况整体采用全局优化的思想，采用实验数据数 学建模和遗传学算法，对点火提前角进行全局优化。而对高速大负荷工况，采取 局部优化满足其对动力性的要求。把局部优化和全局优化理论的思想充分结合， 实现最佳控制。 3 )匹配标定系统的调试和试验工作 匹配标定试验贯穿于整个电控发动机标定工作的实施过程中。电控发动机匹 配标定工作在发动机试验台架上需要完成的试验任务主要包括以下内容： 检测匹配标定系统各功能模块联调，验证系统操作可行性和可靠性； 为了配合电控气体燃料发动机的开发工作，匹配标定试验工作将结合天然气发 动机的台架试验，完成各工况m a p 的标定试验，验证匹配标定系统的m a p 标 定功能和方法，验证系统的优化匹配功能，制取电控单元所需的三维工况控制 m a p 。 4 ) 优化处理与m a p 制取 通过发动机台架试验，通过优化算法对实验数据进行了优化研究，并制取了 点火提前角m a p 图、喷气脉宽m a p 图、比较了各种优化下的发动机燃气消耗量及 排放数据。 1 4 课题来源及选题意义 本课题是导师承担的国家“十一五”科技攻关计划“重型商用车c n g 发动机产 品开发”项目中的一部分。鉴于我国在电喷发动机优化标定技术上与国际先进水平 尚有不小差距、甚至影响我国自主开发发动机电控系统的状况，本文结合电控喷 射单燃料c n g 发动机的研究开发，将在优化标定方法、优化标定系统、优化标定 理论及标定试验技术上进行研究，这对加快电子控制技术在c n g 发动机上的应用， 7 充分发挥电喷c n g 发动机的性能优势，以及缩短开发电控系统的开发周期，减小 匹配试验工作量，降低开发成本等各方面都有着积极和深远的意义。 8 第二章电控单元标定系统总体设计 2 1 标定系统的整体方案 2 1 1 电控标定系统的功能 标定是根据发动机及整车的各项性能要求，如动力性、经济性、排放等。调 整、优化和确定电控系统软件的运行参数( 发动机转速、冷却水温度等) 、控制参 数( 喷油脉宽、喷油提前角、e g r 阀开度等) 和各控制数学模型的整个过程。一个 设计制成的电控系统在匹配任何一种型式发动机时，其软件中的控制程序和数学 模型以及硬件模式基本确定，能不能使被匹配的发动机在动力性、经济性和排放 诸方面发挥出最佳水平，将取决于能否获得软件中的最佳标定参数，这是匹配标 定工作的主要任务。发动机标定系统的主要目标是解决发动机电控单元( e c u ) 与 发动机的匹配问题，即通过标定系统对安装了e c u 的发动机进行喷油特性、点火 提前特性、怠速稳定性及瞬态过渡工况的综合试验，使e c u 在实际使用中获得令 人满意的结果，让发动机具有较大的柔性，适应各种工况、环境和状态、让发动 机在最优状态下运行。 现在的发动机电控系统是一个十分复杂的机电一体化的综合系统。日益严格 的排放和燃油经济性法规的施行，使发动机电子控制技术得到更广泛应用的同 时，也给e c u 与发动机的匹配带来了一些新的课题。由于发动机在排放性能、 动力性能和经济性能等之间相互制约，因此要求所开发的标定系统具有如下基本 功能： 标定系统的基本功能： ( 1 ) 标定系统可直接控f l j t e c u 的工作：标定系统向e c u 发出指令，由e c u 来 控制点火定时和喷射脉宽等参数，控制发动机按照设定工况运行。 ( 2 ) 数据的存储和处理功能：系统数据库可存储标定工作过程中获得的实验 数据。接受发动机测试设备的测量信息，以此评价发动机的工作，并作为标定的 依据。可以通过标定界面实时采集和显示的状态参数和控制参数，实时监视e c u 和发动机的运行状况。 ( 3 ) 控制参数的在线调整：根据标定需要，标定人员可通过标定界面在线修 改电控系统的控制参数，修改完成后通过通讯接口向e c u 发出指令，由e c u 来改 变点火定时和喷射脉宽等控制参数，以改变发动机运行特性。 ( 4 ) 标定优化：在一次标定试验循环完成以后，优化软件调用存储在数据库 9 中的试验数据进行建模和优化算法处理。 ( 5 ) 报警功能：当发动机的运行状态参数如转速、冷却水温等参数值超出正 常运行区域时，标定系统会发出警报信息，以保证标定发动机的正常运行。 2 1 2 电控标定系统的原理 为实现上述标定系统的基本功能，本文确定的标定系统的工作原理是：各传 感器将所采集的信号输入到标定用e c u ，经信号调理电路转换成微控制器可以 识别的信号，e c u 通过对这些信号的分析和判断，可以知道发动机当前所处的 工况，并且根据储存在e c u 中的喷射脉宽m a p 和点火定时m a p 以及各修正曲 线中的数据计算出当前的喷射脉宽和点火定时，然后将这些指令传给喷气阀和点 火线圈的驱动电路，控制喷气阀的开通时刻和持续时间以及点火线圈的通电时间 以及点火时刻等。 试验操作过程中，打开p c 机监控界面，并运行标定软件，e c u 采集的各个 状态参数、控制参数可通过通讯接口上传到标定系统的监控界面上直观地显示出 来，再根据试验控制台采集显示的发动机转速、扭矩、功率以及油压、冷却水温 等状态参数，以及废气分析仪测量显示的排放值，可以全面确定发动机当前的运 行状况。当按照标定试验的要求选定标定内容后，打开相应的标定界面，在标定 界面上修改需要标定的参数，例如喷射脉宽或点火定时，修改后的参数通过通讯 接口立即下载到e c u ，e c u 根据这些新的参数重新计算喷射量等控制参数，并 通过驱动电路控制喷射阀和点火线圈等执行器改变发动机的运行状态，然后发动 机的新的各种状态参数又实时地在标定界面上显示出来，同时结合试验台架上采 集的数据，对发动机新的运行状态进行判断和评价，如果发动机运行状态良好， 则停止对该标定参数的修改，否则继续改变标定参数，重新进行以上过程，直到 达到最优为止。e c u 能把标定好的参数保存在e e p r o m 和f l a s h 中，掉电以 后这些数据仍不丢失，e c u 每次上电后从e e p r o m 和f l a s h 中读取这些参数， 因而e c u 能总是采用最新的参数进行控制。 2 1 3 电控标定系统的结构及整体方案设计 标定系统是电控系统与c n g 发动机进行优化标定的技术载体，因此所开发 的优化标定系统应能够实时监测发动机运行状态，获取发动机的性能指标参数、 运行状态参数及e c u 的控制参数，并可以对e c u 控制参数进行在线修改，为 e c u 控制参数的优化提供平台，以便适应不同性能指标的标定要求。 l o l 本论所设计的气体燃料发动机电控标定平台结构如图2 1 所示。该标定系统 由c n g 发动机、p c 机监控系统、标定用e c u 、试验控制台和废气分析仪等组 成。 图2 1标定平台结构简图 f i g2 1t h ec o n s t i t u t i o nc h a r to fc a l i b r a t i o nf l a t f o r m 监控系统可以实时显示发动机的转速、进气压力、天然气喷射脉宽，点火定 时以及节气门开度等发动机参数，并可以对天然气喷射脉宽和点火定时进行实时 在线修改。监控系统是集事件控制、数据实时显示和存储、数据后处理等功能于 一体的综合性应用系统。整个系统的设计充分考虑了灵活性、友好性和可扩性的 特点，可满足标定试验的需求。 2 1 4 电喷c n g 发动机优化标定过程 1 优化标定指导思想 天然气发动机的开发以满足排放法规为前提，匹配标定应围绕所需满足的法 规和测试循环进行。在对发动机进行匹配标定时，测试循环既是法规对燃烧系统 性能和控制参数标定结果进行综合评价的约束手段，也是开发者面向排放进行匹 配标定时可以利用的工具。在发动机的匹配标定中，通常采用的发动机工况有两 种：法规测试工况和非法规测试工况。在法规测试工况下，匹配标定的基本目标 是满足排放法规，而在非法规测试工况下，匹配标定的目标是发动机的动力性和 经济性。 2 整体标定流程 ( 1 ) 初始m a p 生成 ( 2 ) 外特性的标定 ( 3 ) 起动过程m a p 的标定 ( 4 ) 怠速控制m a p 及p l 参数标定 ( 5 ) 法规测试工况点的初次标定 ( 6 ) 外特性与调速特性的复测与标定 ( 7 ) 排放测试工况点的排放性能优化 ( 8 ) 全工况m a p 生成与初次标定 ( 9 ) 来自整车设计的d r i v i n g m a p 初次标定 ( 1 0 ) m a p 的折中 ( 1 1 ) 发动机性能与工况法排放性能的试验室测试与稳态性能最终标定 ( 1 2 ) 产品定型【1 】 本文对喷射脉宽和点火提前角进行匹配标定，并根据上述优化功能分析、 方案设计，确定了电喷c n g 发动机进行优化标定实验的优化过程。具体优化过 程可归纳如下： 优化过程准备： ( 1 ) 确定优化目标，定义控制变量，确定约束关系； ( 2 ) 选择稳态测试点( 优化点) ； ( 3 ) 确定优化方法和优化算法。 优化过程如下： ( 1 ) 在各优化点上改变各个控制参数的量值( 喷射脉宽、点火定时) ，测量发动 机的各项性能指标，建立发动机性能优化数学模型； ( 2 ) 利用m a t l a b 工具软件，通过遗传算法优化计算； ( 3 ) 优化计算完成后，判断优化结果是否达到限值，如果达到，则停止优化，保 存优化结果；如果没有，判断是否达到终止标准，若是，则对优化结果进行 评价，改变参数重新计算或者重新组织优化试验；若否，则继续进行优化计 算，直至达到优化目标。 1 2 2 2 标定系统的硬件 图2 2 优化标定流程 f i g2 2t h ef l o wo fo p t i m i z a t i o nc a l i b r a t i o n 标定系统在硬件设计上通常有2 种结构方式。一种是将标定系统与e c u 做在 一起，即采用双c p u 工作方式：另一种是标定系统与e c u 分开设计。随着单片机 技术的不断进步，系统时钟频率的提高，单片机运算速度的提高。目前标定系统 大都采用第2 种结构方式。在硬件设计时，需考虑上层通信与下层通讯的接口电 路、标定系统与上位机( p c 机) 之间的通讯方式。在此基础上进行数据存贮器扩展、 并行i 0 1 2 1 扩展、串行接口扩展以及监视及复位电路等设计。 1 3 本标定系统的硬件由监控系统与电控系统两部分组成，系统的硬件主要包括 上位p c 机、标定用e c u 、通过p c 机的串口与e c u 的s c i 模块硬件相接，使e c u 与p c 机之间能够进行数据传输，并使监控人员可以通过p c 机键盘和鼠标对 c n g 发动机电控系统进行操作控制。串行通信模块通过设置的通信协议，处理 e c u 与p c 机的信息交互，完成标定用e c u 采集的状态参数和控制参数实时上 传到p c 机、同时保证e c u 准确接收上位机的控制命令，它是e c u 与p c 机信 息传递的纽带。 2 2 1 对标定用e c u 性能的要求 电控系统的开发可分为研制开发和应用开发两个阶段。研制开发工作主要包 括传感器、执行器和电控单元硬件软件的研制；系统的应用开发主要解决电控系 统与发动机的标定问题，其优化标定过程需要反复进行发动机台架实验和道路实 验，多次修改e c u 中的数据。为此，在应用开发阶段标定用e c u 要实现的功能 有： 能够正确读取各个传感器测得的信号。 根据输入信号对发动机的工况进行分析、判断，并依据m a p 图计算最佳 喷气脉宽及点火定时。 具备与p c 机间的双向串行通讯接口，能够实时按照p c 机发送的命令修 改喷射脉宽和点火定时m a p 。 根据计算出的喷气脉宽和点火定时，定时向执行器发出控制信号。 2 2 2 标定e c u 芯片的选型 根据本项目对单片机的要求，以及国内外市场上主要车用单片机的性能和价 格，本项目选择了m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 作为e c u 的主控芯片。该芯片内集成2 5 6 k b 的闪速存储器( f l a s h ) 。f l a s h 是一种非易失性存储介质，读取它的内容同r a m 的读取一样方便，而对它的写操作却比e p r o m 还要快。同时，在系统掉电后， f l a s h 中的内容仍能可靠保持不变。f l a s h 的主要优点是结构简单、集成密度大、 成本低。由于f l a s h 可以局部擦除，且写入、擦除次数可达数万次以上，从而使 开发微控制器不再需要昂贵的仿真器。同时芯片应用锁相环技术提高了系统的电 磁兼容性。在以往不使用锁相环的微控制器应用系统中，晶振电路由于其工作频 率比较高而成为一个很大的干扰源，这一问题给系统设计、线路板布局带来了很 多不便。另外还具有简单的背景开发模式，使得开发成本进一步降低，同时也使 1 4 得现场实验，在线调试以及系统升级变得更加方便。总之，该芯片具有非常丰富 的软硬件资源，具有较高的性能，能够满足本标定系统的需求【4 7 1 。 2 3 标定系统的软件开发环境分析 标定系统软件的开发除了电控单元主程序以及各模块程序的设计以外，主要 包括通讯软件的设计和监控系统软件的设计两部分。作为本论文标定过程的重 点，本文主要在第三章阐述通讯软件和监控系统软件以及电控单元程序部分的设 计。下面主要对软件的开发环境的选择和特点进行详细的分析研究。 2 3 1 上位机开发环境的选择 在线标定系统的另外一个重要组成部分就是上位p c 机中的标定软件，它实 际上是以p c 机为管理中心建立的人机交互平台。标定软件的使用者是编写电控 系统控制策略和优化电控系统的设计人员，设计人员利用标定软件测试控制策略 程序和优化电控系统。因此标定软件的编写就显得十分重要，它的操作稳定性、 简便性和扩展性直接关系到电控单元的设计效率和复杂程度。程序语言基本上它 们可以分为两种形式：面向过程的编程语言和面向对象的编程语言。考虑标定软 件的特定因素，本文选用面向对象的编程语言c + + 作为编程语言。 面向过程的编程语言以c 语言为代表，它兼具了高级语言的特性和低级语 言的特性，既能够实现汇编语言的某些功能，比如对内存的操作等，又具有好的 可读性和可移植性。而面向对象编程( o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ) 是完成编 程作业的一种新方法，作为结构化语言的c 语言使程序员能够方便的编写出有 一定难度的程序，但当控制过程比较复杂时，程序就变的难以编写和控制。为了 解决这个问题，人们发明了面向对象编程的方法，它的思想是把一个问题分为几 个彼此相关的部分，并分别处理每个部分相关的代码和数据，从而完成程序的编 写。 除了编程的方法以外，编程环境也有许多种形式，本文选择了m i c r o s o f t 公 司的v i s u a lc + + 6 o ，它是基于w i n d o w s 的面向对象编程环境，它以m f c 应用程 序框架为基础，将编程环境提供的代码和资源编辑器、编译器、连接、调试器等 不同编程阶段使用的工具结合在一起，大大提高了代码编制的自动化程度，使得 编程工作简洁和高效。 m f c 是面向对象程序设计与a p p l i c a t i o nf r a m e w o r k 的完美结合，他将传统 的a p i 进行了分类封装，并且为你创建了程序的一般框架。m f c 作为程序库集， 1 5 向程序开发人员提供一组服务来协助开发，能够简化大部分w i n d o w s 程序的开 发过程，把窗口管理、图形输出等任务封装成为友好的c + + 类，使之更加容易使 用，在很多情况下，m f c 在幕后执行一些复杂操作，并向开发人员提供更简单 的编程界面。m f c 会处理很多与w i n d o w s 相关的常见任务，开发者无需在所开 发的应用程序中编写相同的消息循环，m f c 会自动实现这一消息循环，处理窗 口消息。 m f c 为程序开发提供了面向对象框架，程序开发人员可以使用这一框架创 建w i n d o w s 应用程序。它由很多c + + 类组成，比如窗口类和图形类等，这些基 类封装了基本的功能，比如c w n d 类是整个框架中大部分内容的基础。对于特定 的程序任务，开发者无须从头实现自己的w i n d o w s 对象而只需要使用m f c 经过 时间检验的代码库，再增加自己需要的功能即可，这些都是通过m f c 的分层设 计方式来实现的l 埔j 。 针对本标定系统开发，主要使用了边框窗口类、视图类、文档类和图形类。 其中边框窗口类用来构造程序的框架