（光学工程专业论文）车用柴油机电控喷油系统标定研究.pdf

内容摘要 f m s d 系统是长春汽车研究所和吉林工业大学联合开发的柴油机电 控喷油系统。为了完成f m s d 系统标定，并作为发动机电控通用技术开 发的重要内容，研究电控系统标定技术，开发相关的实验设备，建立一 个能够完成柴油机电控喷油系统自动优化标定的实验室是作者博士后工 作的中心任务。此外进行了e c u 实时多任务软件开发。，广 报告的主要内容包括： 7 为实验室原有的电涡流测功机引进并扩展了新的测控系统。研制开 发了冷却液温度、机油温度和燃油温度控制系统。 开发f m s d 系统标定装置，控制电控系统运行、修改e c u 内部数据、 监视e c u 运行状况。 开发了能够实现基于模型的自动优化标定的标定系统。自动优化标 定系统定义优化标定问题，生成标定实验循环，控制标定实验实施， 采集处理实验数据，获得优化结果并形成满足e c u 数据结构的m a p 。 运用优化标定方法完成了电控调速器齿条位移m a p 标定和f m s d 系 统在满足e c e i 排放法规的前提下追求最佳经济性的预行程m a p 。 完成了f m s d 系统e c u 的实时多任务件设计及电控调速器e c u 软件开发。 关键词：柴油机，电控喷油系统，标定，优化标定，e c u 实时多任务 软件 a b s t r a c t f m s di sad i e s e le n g i n ef u e l i n j e c t i o ne l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e md e v e l o p e db y j i l i n u n i v e r s i t y o f t e c h n o l o g y a n d c h a n g c h u n a u t o m o b i l er e s e a r c h i n s t i t u t i o n c a l i b r a t i n gt e c h n i q u e w a ss t u d i e da n dt e s t e q u i p m e n t w a s d e v e l o p e d f o rf m s dc a l i b r a t i o n a n e n g i n e t e s t l a b o r a t o r y , w h i c h c a n p e r f o r l t l m o d e l b a s e da u t o m a t i co p t i m a lc a l i b r a t i o n w a sb u i l t r e a l t i m e m u l t i t a s kc o n t r o ls o f t w a r eo fe c uw a s p r o g r a m m e d a s p a r t o fm y p o s t d o c t o r a lw o r k a uo f t h ew o r k c a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： an e wd y n a m o m e t e rc o n t r o ls y s t e mw a su s e da n de x p a n d e dt op e r f o r l t l f m s dc a l i b r a t i o n t h ec o o l a n t ，f u e l ，a n d l u b r i c a t i n g o i l t e m p e r a t u r e c o n t r o ls y s t e m sw e r e d e v e l o p e d ac a l i b r a t i o nc o n s o l ew a sd e v e l o p e df o rf m s d w h i c hc o u l dc o n t r o l f m s d o p e r a t i o n ，o v e r w r i t e e c u m a p s ，a n ds u p e r v i s ee c ur u n n i n g ac a l i b r a t i o ns y s t e mw a sd e v e l o p e dt o p e r f o r mm o d e l b a s e da u t o m a t i c o p t i m i z a t i o n c a l i b r a t i o n ，w h i c hc o u l dd e f i n el p e a la n d g l o b a l o p t i m i z a t i o n s ，d e s i g nc a l i b r a t i n gt e s t s ，o p e r a t et e s t s ，s a m p l et e s td a t a ， c a l c u l a t eo p t i m a ls o l u t i o n s ，a n dg e te c u m a p s t h e o p t i m i z a t i o nc a l i b r a t i o nw a sp e r f o r m e d t og e tr a c km a do fe l e c t r o n i c c o n t r o l l e dg o v o l t l o ra n d p r e s t r o k em a p o f f m s d t h er e a l - t i m em u l t i - t a s ks o 恫t w v a r ef o rt h ee c uo ff m s dw a sd e s i g n e d a n dt h ee c us o f t w a r eo fe l e c t r o n i cc o n t r o l l e d g o v e r n o r w a s p r o g r a m m e d k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n e ，f u e li n j e c t i o ne l e c t r o n i c c o n t r o l s y s t e m ， c a l i b r a t i o n ，o p t i m i z a t i o nc a l i b r a t i o n ，e c ur e a l t i m em u l t i t a s k c o n t r o ls o f i w a r e i l 图表索引 图1 1f m s d 系统总体结构2 图1 2 - f m s d 系统基本控制方案一1 图1 3 可变预行程喷油泵工作原理一3 图1 4 可变预行程泵3 图1 5f m s d 系统执行器一4 图1 6f m s d 系统供油量控制逻辑7 图1 7f m s d 系统预行程控制逻辑8 图1 8 启动控制齿条位移一8 图1 9 同步调速控制一9 图1 1 0 怠速暖车控制逻辑9 图1 1 1 巡驶控制系统1 0 图1 1 2 柴油机电控喷油系统基本控制方案一l l 图1 1 3e c er 4 91 3 工况排放法规1 4 图1 1 4 优化标定过程1 5 图1 1 5 发动机e m s 标定方法1 6 图1 1 6 使用v 巳g a 的发动机标定实验系统1 8 图1 1 7v e g a 的组成和数据结构一1 8 图1 1 8v e g a 求解整体优化问题标定过程1 9 图1 1 9使用c a m e 0 的发动机标定实验系统：1 9 图1 2 0c a m e o 工作原理2 0 图2 1 发动机台架自动测控系统2 3 图2 2e i m 0 3 0 1 d 型测控仪基本结构2 4 图2 3 台架自动测控系统监控计算机实时测控软件2 5 图2 4 冷却液温度控制系统2 7 图2 5 机油温度控制系统2 7 图2 6 温度控制面板2 7 图2 7 冷却液温度控制系统结构原理2 8 图2 8 换热计算流程图2 9 图2 9 自动优化标定系统软件温度控制显示3 0 v i i 图2 1 0自动优化标定系统软件温度控制设定值修改3 0 图2 1 l自动优化标定系统软件温度控制参数修改一3 1 图3 1f m s d 系统标定装置3 2 图3 _ 2 串行通讯接口电路3 3 图3 _ 3 标定装置信号流图3 5 图3 4 标定装置软件主窗体3 6 图3 5 齿条位移控制窗体3 6 图3 6 加速踏板位移控制3 6 图3 7 标定文件编辑窗体3 7 图3 8 发动机启动控制窗体3 7 图3 9 标定装置改写e c u 数据菜单3 8 图3 1 0 调整齿条位移全负荷和零负荷m a p 窗体3 8 图3 1 1 供油量修正窗体3 9 图3 1 2 任意修改e c u 数据区窗体3 9 图3 1 3 监视e c u 运行状态4 0 图3 1 4 显示菜单4 0 图3 1 5 标定装置串行通讯配置窗体4 0 图4 1 产生齿条位移驱动信号的中断服务程序4 6 图4 2 发动机转速采集中断服务程序4 7 图4 3 串行通讯接收中断服务程序数据流图4 7 图4 4 主循环数据流图4 9 图4 5 主循环控制逻辑4 9 图4 6 启动控制子程序流程图5 1 图4 7 限速控制模式5 1 图4 8 怠速暖车控制程序流图5 2 图4 9 全负荷控制数据流图5 3 图4 1 0 部分负荷控制数据流图5 4 图5 1自动优化标点系统与台架自动测控系统和标定装置的联结5 6 图5 2自动优化标定系统计算机软件的基本结构5 7 图5 3自动优化标定系统面向数据的抽象5 8 图5 4自动优化标定系统第二层数据流图5 9 图5 5自动优化标定系统总e r 图6 0 图5 6 使用v f p 实现的自动标定实验数据库6 l 图5 7 项目、优化标定问题、实验及实验点6 2 图5 8f m s d 系统标定配置信息表6 2 图5 9 局部优化问题定义窗体6 3 图5 1 0 整体优化问题定义窗体一6 4 图5 1 1 无约束和有约束最优解6 4 图5 1 2 局部优化问题实验定义窗体6 5 图5 1 3 整体优化问题实验定义窗体一6 5 图5 1 4 齿条位移实验点取值顺序6 7 图5 1 5 制作m a p 6 9 图6 1 全负荷扭矩曲线7 2 图6 2 扭矩随齿条位移变化曲线7 4 图6 3 全负荷齿条位移和零负荷齿条位移7 4 图6 4 调速模式7 5 图6 5 调速特性截矩b 曲线7 5 图6 6 供油量和预行程变化时的齿条位移变化7 7 图6 7 优化标定实验数据模型7 9 图6 8 优化结果与原机比较8 1 图6 9 各工况排放分布8 1 图6 1 0 基于排放的预行程m a p 一8 2 图6 1 1 追求最佳油耗的预行程m a p 8 3 图6 1 2 同时考虑经济性和排放的预行程m a p 8 3 表索引 表1 1a p e c s 0 1 7 5 型执行器性能参数5 表1 2f m s d 系统传感器一5 表3 1 标定装置计算机软件软件需求分析数据字典3 5 表4 1e c u 软件各任务优先级4 4 表4 2i n t e l 8 0 1 9 6 k c 部分中断优先级和中断向量4 5 表4 3 标定装置计算机监控命令和e c u 响应4 8 表4 4 启动控制判定表5 0 表4 5 启动齿条位移m a p 5 0 表4 6 全负荷特性数据顺序表5 2 表4 7 零负荷齿条位移m a p 5 3 表4 8 截矩m a p 5 3 表4 9 部分负荷控制数据字典5 4 表5 1 数据库设计需求分析数据流图数据字典( 概要) 5 9 表5 2 齿条位移和预行程可变的实验点列表6 6 表6 1c a 6 1 1 0 1 2 5 车用柴油机主要参数7 1 表6 2c a 6 1 1 0 车用柴油机主要性能指标一7 1 表6 3a d 泵结构参数7 2 表6 4 标定优化问题6 1 一7 3 表6 5 齿条位移全负荷特性标定过程和结果7 3 表6 6 标定优化问题6 2 7 6 表6 7c a 6 1 1 0 车用增压柴油机主要性能一7 7 表6 8 可变预行程泵结构参数7 7 表6 9f m s d 系统满足排放法规标定实验设备7 7 表6 1 0 标定优化问题6 3 7 8 表6 1 1f m s d 系统满足排放法规标定过程及结果8 0 表6 1 2 标定优化问题6 4 8 2 x 缩写 c c d c o m p o s i t e c e n t r a ld i f f e r e n c e 复合中心差分 c p uc e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t 中央处理单元 e c ee c o n o m i cc o m m i t t e eo f e u r o p e 欧洲经济委员会 e c ue l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t 电子控制单元 e m se l e c t r o n i ce n g i n e m a n a g e m e n ts y s t e m 发动机电控系统 e r e n t y - r a l a t i o n s h i p 实体一关系 f m s df u e lm a n a g e m e n t s y s t e m f o rd i e s e l 柴油机燃油管理系统 n t c n e g a t i v et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t 负温度系数 p t s p e r i p h e r a lt r a n s a c t i o n s e r v e r 外设事物服务器 p w mp u l s ew i d t hm o d u l a t e 脉宽调制 t i c s t i m i n g a n d i n j e c t i o nr a t ec o n t r o ls y s t e m 正时和喷油率可控系统 v f pv i s u a lf o x p r o m c r o s o f t 公司出品的数据库管理软件 1 绪论 为了满足日益严格的排放法规和降低油耗的要求，e m s ( e l e c t r o n i c e n g i n em a n a g e m e n ts y s t e m 发动机电控系统) 已经成为现代发动机的标 准配置。 长春汽车研究所和吉林工业大学联合进行的柴油机燃油管理系统 f m s d ( f u e l m a n a g e m e n ts y s t e m f o rd i e s e l ) 开发，是国家科委“九- 五” 重点科技攻关项目“汽车电子技术”的子项目“柴油机电控喷油系统研 究”的一部分。f m s d 系统是以可变预行程m d 泵和6 1 1 0 柴油机为对 象的柴油机电控喷油系统。为了完成f m s d 系统的标定，并作为发动机 电控通用技术开发的重要内容，研究发动机电控系统标定技术，开发相 关的实验设备，建立一个能够完成柴油机电控喷油系统自动优化标定的 实验室是作者博士后工作的中心任务。 1 1 柴油机燃油管理系统( f m s d ) 柴油机燃油管理系统( f m s d ) 是以可变预行程泵和6 1 1 0 柴油机为 对象的柴油机电控喷油系统。f m s d 系统的总体结构如图1 1 。 图1 2 为f m s d 系统基本控制方案。f m s d 系统由可变预行程喷油 泵、传感器、执行器和电子控制单元( e c u ) 四部分组成。 加速踏扳 ，9 、厂i 五而i 厂、五戛莅幂 位移 齿条位移 1 隔_ 二譬_ 1 l 墅翌型广|垫堑堡 t _ r ，r 齿条位移t l i 网 l 电 查修目标l 刚 控 转速l m a p正 堡翌堡：勖厂互五蕊； 一厂鬲再；订 柴 1 7 预行程 1 举 油 机 l 1 1 。一 图1 2f m s d 系统基本控制方案 2 是删袖= i h 稚馋$ 踺靶髂 掣蝼晤删姆廿0n魈蟋晤嘲姑哥6一融辎避辐8一峰靼赶辑一_【惦靶挺剞9一惦颦鄙列戎一水靛淄堪、删最鄙剐寻一 州散落霉世辎c一水崴鄙蜊尚一状崴掣蜷挺鹾制i一彬墩赌卿抖群督饵fo一雌镩睾越赠最篓6酷馋睾嘲车毒暑需蜒_8 稚峨啦冷掣礤牺-9稚蝤啦趟赠铎景佥戚稚谗$巡赠扩崩苷稚镱迎r幽圹制-c嘴谗牟辚捂瑙最忒嘴询$磺扑i 器旱孑捻踊擦帐o毫二匝 1 1 1 可变预行程泵 可变预行程泵是f m s d 系统的核心部件。图1 3 为可变预行程喷油 泵的工作原理图。与传统的喷油泵不同，可变预行程喷油泵有柱塞，柱 塞套( 形成高压油腔和密封面) 和滑套三件偶件，而且滑套上有溢油孔。 柱塞上除斜槽外开有直槽，滑套在柱塞上的上下位置变化与直槽的配合 决定泵油时刻和凸轮型线的工作段，从而决定喷油正时和喷油速率。柱 塞上斜槽的周向位置与滑套的溢流孔配合决定喷油量。可变预行程泵又 称为正时和喷油率可控泵( t i c s ，即t i m i n ga n di n j e c t i o nr a t ec o n t r o l s y s t e m ) 1 - 2 ，3 1 。 ： 、 3 3 一 育 奏i o 、， 、 2 l 3 l疆3 隧 3 。： b y 1 ， 一 o 己03 04 c 5 06 d7 0日0 t ，镜转角( 。)提前角 予行程( 小) 予行程( 丈) 图1 3 可变预行程喷油泵工作原理 图1 4 为f m s d 系统的可变预行程泵。预 行程执行机构的预行程变化量为3 6 4 6 m m ， 相应的曲轴转角变化量为2 4 * c a ，供油提前 角控制精度为0 5 。c a ，对应的滑套位移量为 0 0 7 6 m m 。 与普通直列式喷油泵比较可变预行程泵具 有如下特点： 1 可以灵活改变喷油正时和喷油率【4 1 。改变 滑套相对柱塞的位置可以改变预行程和凸 轮工作段，从而改变喷油正时和喷油率。 2 喷油量控制灵活。采用线性电磁式平动齿 条驱动执行器就能实现油量控制。 一 i 瑗 图1 4 可变预行程泵 3 能充分利用泵体强度提高喷油压力【5 】。增大预行程等于采用油泵凸轮 的高速段供油，因而提高了喷油速率，即提高了喷油压力。在柴油 机运转过程中，随着泵转速的增加预行程减小，相对减小了泵内压 力负荷。这样可以充分利用泵体强度，使油泵在整个工作范围内接 近许用压力工作。 4 能优化喷油犁6 ，7 ，v1 。可以通过改变滑套位置选择凸轮轴工作段，能够 在不同的发动机工况下获得最佳喷油率，以降低排放。 5 减少初期喷射量( 9 j 。采用凹面凸轮可以减少初期喷射量。 6 形成预喷射喷油特性【8 1 。可变预行程泵可以借助机构中空的形状实现 两次喷油冲程。 7 实现快速断油【9 l 。由于可变预行程泵的溢油孔与进油孔是分开的，可 以采用椭圆形溢油孔，通过加大溢油孔直径来实现快速断油。 可变预行程泵能够在控制喷油量的基础上方便地控制喷油定时和喷 油速率cl o ，而目前我国汽车用柴油机大量使用直列式泵，而且现有直列 式泵与可变预行程泵有几乎相同的结构特征，零部件通用性和生产继承 性好。可变预行程泵控制供油量的齿条驱动机构和滑套驱动机构结构简 单，制造成本低，无难以克服的技术障碍，非常适合国产品和技术现状。 1 1 2 执行器和传感器 执行器h 2 l f m s d 系统采用两个相同的 磁电式平动执行器控制齿条位 移和滑套位置( 图1 5 ) ，执行 器是一个线性电磁阀，其性能 参数列于表1 1 。 传感器【1 3 叫7 】 表1 2 为f m s d 系统传感 器一览表。齿条位移传感器和 望套箜票篡璺岁2 譬曼銎苎舞 图1 5f m s d 系统执行器 器，分别与齿条位移和滑套位 “ ”“”一4 置执行器做成一体( 图1 5 的箭头所指) 。 表1 1a p e c s 0 1 7 5 型执行器参数 行程额定电流工作电压最小回位力环境温度安装方式重量 ( m m )( a )( v d c )f n ) ( )( k g ) 2 0 32 o2 42 2 34 0 - 1 2 1端面法兰0 7 表1 2f m s d 系统传感器 传感器名称 用途工作原理 精度使用条件 加速踏板位移 检测驾驶员对发动滑动电位器。满量程的 一4 0 + 1 2 5 传感器机负荷的要求1 o 齿条位移检测喷油泵供油齿滑动电位器 满量程的 一4 0 + 1 2 5 传感器条行程 0 2 5 预行程检测喷油泵预行程滑动电位器 满量程的 一4 0 + 1 2 5 传感器滑套位置0 2 发动机转速检测发动机转速开关霍尔型5r m i n一4 0 + 8 5 传感器 车速传感器检测整车车速开关霍尔型o 5k m h一4 0 + 8 5 进气压力检测进气压力硅压阻型 。满量程的一4 0 + 8 5 传感器1 o 进气温度 检测进气温度 热敏电阻 3 一4 0 + 1 2 5 传感器 冷却液温度检测冷却液温度 热敏电阻 3 一4 0 + 1 2 5 传感器 燃油温度检测燃油温度热敏电阻3 一4 0 一+ 1 2 5 传感器 机油温度检测机油温度热敏电阻3 4 0 + 1 2 5 传感器 发动机转速传感器安装在喷油泵上，与凸轮轴连接的信号飞轮上有 1 6 个突起，信号轮转动时轮上的突起改变传感器周围的磁场，产生微小 的电流，所产生的输出电压近似于一个正弦波。检测该正弦波，把正弦 波转换成方波，这样每一个方波脉冲对应于信号轮上的一个突起。这样 的一串方波就是转速信号。 f m s d 系统的燃油温度传感器装在油泵进油口，冷却液温度传感器 装在发动机出水口，进气温度传感器装在进气支管，都采用具有负温度 系数的n t c 型热敏电阻传感器，具有电阻率大、电阻温度系数大和有 负阻效应等优点。为了获得良好的线性需要进行线性补偿。 进气压力传感器装在发动机的进气支管。采用压电式压力传感器 1 1 3 电子控制单元( e c u ) e c u 以8 0 c 1 9 6 k c 单片机为核心。8 0 c 1 9 6 k c 与输入信号接口电路、 输出信号驱动电路一起完成电控柴油机信号采集、实时控制、故障检测 与支撑等各种功能。 8 0 c 1 9 6 k c 单片机【1 8 h 9 】 8 0 c 1 9 6 k c 是i n t e l 公司m s c 9 6 系统1 6 位单片机的高性能产品，特 别适合于需要进行实时处理和实时控制的各类自动控制系统。单片机的 c p u 消除了累加器瓶颈效应，提高了操作速度和数据吞吐能力； 8 0 c 1 9 6 k c 有5 1 2 个内部r a m ，采用垂直窗口映射技术，使高2 5 6 字节 r a m 可以作为通用寄存器访问，大大方便了程序设计；单片机有一套 效率高、执行速度快的指令系统，有丰富的乘、除法及符号扩展、数据 格式化指令。 8 0 c 1 9 6 k c 单片机集成了丰富的外设装置，包括振荡器和时钟发生 器，定时器记数器，标准输入、输出口，全双工异步和同步串行输入 输出口，监视定时器( w a t c h d o g ) ，a d ( 模拟数字) 转换器，高速输 入输出器( h s i h s o ) ，脉宽调制( p w m ) 输出和外设事物服务器( p t s ) 。 p t s 是一种微代码硬件中断处理器，提高了中断事物的实时处理能力。 输入信号采集【1 6 1 7 1 e c u 的输入信号包括传感器信号和仪表板控制信号。按信号的属性 可以分为：模拟信号、开关信号和触发信号。 8 0 c 1 9 6 k c 的1 0 位逐次逼近型a d 转换器，共8 个通道。f m s d 系统的8 路模拟信号经过各自的输入接口电路处理后转换成0 - 5 v 的模 拟信号，各输入a d 转换器的一个通道。a d 转换器的基准电压取最大 值( 5 v ) ，分辨率为5 2 1 0 v 。 输入e c u 的开关信号主要是仪表板控制信号，包括启动信号、外 特性选择开关、调速模式选择开关和故障码输出开关。开关信号直接输 入单片机并行口，读取相应的位就能得到开关信号的值。 转速信号、车速信号和巡驶启动信号作为触发信号输入单片机。利 用8 0 c 1 9 6 k c 单片机的高速输入测量转速信号两个脉冲上升沿( 或下降 沿) 间的时间间隔，就可以获得发动机转速。巡驶启动按钮接单片机的 外部中断，f m s d 系统按一下巡驶启动按钮进入巡驶状态。 输出信号控制【1 6 1 7 1 f m s d 系统利用8 0 c 1 9 6 k c 单片机的高速输出产生两路脉宽调制 ( p w m ) 信号，进行电流放大后驱动执行器动作。f m s d 系统输出的每 一个开关量输出对应并行口的一根口线，写入相应位就能够改变输出开 关量的值。 1 1 4 f m s d 系统实现的控制功能 油量控制 图1 6 为油量控制系统的逻辑图。相对于发动机转速和加速踏板位 移的m a p 存储在e c u 中，e c u 根据转速和加速踏板位移决定基准齿条 位移，经过燃油温度和进气温度、压力校正后，作为目标齿条位移，目 标齿条位移与齿条位移传感器反馈的实际齿条位移相减，偏移量送入控 制器1 ，控制齿条执行器动作，完成油量控制。 图1 6 f m s d 系统供油量控制逻辑 预行程控制【2 0 2 1 图1 7 为预行程控制系统的逻辑图。对应发动机转速和齿条位移的 预行程m a p 存储在e c u 中。e c u 根据发动机转速和目标齿条位移，查 m a p 得出基准预行程，经冷却液温度校正后，作为目标预行程。对预行 程执行器实施闭环反馈控制，完成预行程控制。 图1 7f m s d 系统预行程控制逻辑 启动控制【6 2 2 4 】 启动控制的目的是使发动机在2 0 。c 以上能顺利启动。相对于冷却液温度和 启动次数的启动齿条位移m a p 存储在 e c u 中( 图1 8 ) ，判断发动机处于启动 状态后，e c u 根据冷却液温度查m a p 决定启动齿条位移。在冷启动时允许供 给过量燃油，保证可靠启动；在热启动 时减少供油量，以避免发动机冒黑烟。 e c u 还可以根据启动次数，调整启动供 油量，第一次启动失败后，e c u 自动增 加启动油量，保证启动成功。 图1 8 启动控制齿条位移 电子调速 柴油机电控喷油系统可以实现带有怠速控制和限速功能的两极式调 速和同步调速。 f m s d 系统的部分负荷齿条位移决定调速特性 2 5 - 2 7 】。小负荷灵敏( 适 合于市内行驶) 和大负荷灵敏( 适合于郊外行驶) 的调速特性对应的m a p 分别存储在e c u 中。 图1 , 9 为同步调速的系统框图 2 8 - 3 0 】。闭环控制系统可以达到零调速 率。负荷突变时，转速波动小。 齿条位移反馈控制系统 软件 硬件 图1 9 同步调速控制 怠速及暖机程控化【”q 6 】 图1 1 0 为怠速控制系统的系 统框图，引入同步调速的闭环控制 系统，可以降低怠速转速，减少耗 油量，减小怠速转速波动，降低怠 速振动。而且怠速转速与机械机构 无关，重复精度高。暖车是一种特 殊的高怠速，当冷却液温度t c 小 于3 0 0 c 时，自动进入高怠速。水 怠速转速t 二= 2 i j 堰 暖车! ：! 坚l ； 怠速转速： i 冷却液温度i l 控制逻辑 i 图1 1 0 怠速暖车控制逻辑 温上升后，自动退出暖机过程，进入怠速状态。 限速控制 限速控制又称飞车保护。柴油机转速一旦超过额定转速，电控系统 进入限速控制状态，以一定速度均匀地减少供油量，限速控制模式详见 行驶模式设定控制 2 4 3 7 】 允许司机根据不同情况选择发动机在某一种调速模式下工作。 自动巡驶功能1 3 8 3 9 1 司机按一下巡驶按钮，点亮仪表板上的巡驶指示灯，进入巡驶状态， 车辆保持当前转速。司机随时可以踩油门踏板，自动退出巡驶状态。图 1 1 1 为f m s d 系统的巡驶控制系统。 习攀际习罂柴油机l 二兰至二| 传动系统l 辜望 齿条位移 控制 发动机转速 传感器 车速 传感器 弋 传动比 计算器 d e c e l 吕 a c c e l o 发动机转速 计算器 1 1 5 电控调速器 目标发动机转速 图1 1 1 巡驶控制系统 电控调速器是f m s d 系统的变形，它只对齿条位移进行电控。采用 原有的直列式泵，去掉机械式调速器，由磁电式执行器控制齿条位移。 考虑我国发动机技术的现状和使用要求，电控调速器不需改变喷油 泵结构，便于生产，而且能够满足目前如后置发动机客车的急需。 电控调速器的电控系统与f m s d 系统几乎相同，只是去掉了预行程 执行器和传感器。 1 2 基于模型的自动优化标定 1 2 1 标定研究的重要意义 柴油机的混合气形成和燃烧过程极为复杂，采用建立过程数学模型 并借助于燃烧传感器、负荷传感器、烟度传感器等进行喷油过程闭环控 制的方法在目前的条件下是不可行的。目前，世界上各种柴油机电控喷 油系统采用的基本对策都是：把发动机转速和加速踏板位置作为标志发 动机的实际工况的基本信号，参照由发动机( 和整车) 实验得出的m a p ( 包括曲线和参数) ，选择喷油量和喷油正时等控制量的目标值，控制 执行器快速准确地跟踪控量的变化( 图1 1 2 ) 。对于图1 1 2 所示的开环 控制系统，系统性能的发挥主要依赖于各种m a p 、曲线和参数的质量， 获得这些e c u 内部参数的标定工作在柴油机电控系统开发中具有重要 意义。 图1 1 2 柴油机电控喷油系统基本控制方案 电控系统的最大优点是能够根据不同工况，合理匹配各种控制参 量，以满足排放法规和经济性、动力性以及驾驶性的要求。随着排放法 规的日益严格和电控技术的发展，发动机电控系统的控制参量( 执行机 构) 和e c u 的控制功能日益增加，有越来越多的e c u 参数和m a p 需要 标定，国外一个功能完备的e c u 中有多达3 00 0 0 个参数需要调整。 发动机电控系统的标定需要反复进行发动机台架实验，工作量非常 大。而且发动机的许多指标是相互矛盾的，寻求一种良好的折中是一项 复杂而繁琐的工作。而且不同的使用条件对电控系统的要求也不样， 这样在e m s 广泛应用的今天，e m s 标定成为发动机开发技术的重要内 容。国外从发动机电控系统研究之始就开始进行标定技术研究，随着自 动控制技术和计算机技术的发展，标定工作的科学性和自动化程度不断 提高，自动优化标定成为普遍采用的标定方法。并出现了许多基于自动 优化标定的商业标定软件。 这一节介绍标定技术的发展和现状，提出基于模型的优化标定方法。 1 2 2 基本的手工标定 为了进行发动机电控系统标定，必须为e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t 电子控制单元) 开发专用的标定装置，使标定工程师能够在实验过程中 对各种控制量实施控制，并能够随时观察控制量的值。 手工标定的基本方式是：在某一发动机运行工况下，由标定工程师 通过标定装置手工调整电控系统的控制参量，不断记录、观察和比较发 动机台架实验系统的测量结果，并试图找出该工况下满足要求的最佳控 制量取值。这就要求标定工程师充分理解标定的目的和各种制约条件， 了解被标定的电控系统和柴油机的特性。 由于发动机的许多指标是相互矛盾的，而且有些标定工作又涉及多 个工况，标定工程师往往难以综合各工况和各控制参量的相互关系，必 然影响标定结果的质量。可见，手工标定不仅费时费力而且标定结果的 质量受标定工程师技术和经验的制约，且标定过程难以再现。手工标定 缺乏严格的科学性，而且效率很低。 1 2 3 优化标定 人们首先致力于提高标定结果的质量，希望用准确的数学过程取代 标定工程师的经验和直觉。 标定工程师最早想到的是对实验数据进行回归分析【4 0 】，获得实验数 据的回归模型，了解实验数据的变化趋势，但由于电控系统标定涉及多 个工况和很多参数，参数之间又往往相互矛盾，单纯的建模显然无法解 决电控系统的标定问题。 7 0 年代，标定工程师把数学的优化理论引入发动机电控系统标定， 使得电控系统标定取得了重要发展州1 。 最优化问题的一般形式为【4 6 】： 咖i ( x ) s t 墨( ，) 0 i = 1 , 2 ，m h jx ) = 0，= 1 , 2 ，t ( t n ) 问题1 1 s t 表示“满足于”。i ( x ) 称为目标函数。q ( 曲0 称为不等式约束， x 1 ：o 称为等式约束，满足所有约束的向量集合称为容许集。问题1 1 的求解是指在容许集中找一点z 使得目标函数在该点取极小值，这样的 点称为问题的最优点，相应的目标函数值称为最优值；合起来称为最优 解。 e m s 标定正是要解决在满足一定约束的前提下，达到最佳动力性或 经济性目标的各种优化问题。优化标定方法一经提出，便被普遍使用， 并不断发展。其中，优化标定方法对满足排放法规的标定问题的解决最 为引人注目。 标定工程师把标定优化问题划分为局部优化问题( l o c a l o p t i m i z a t i o n ) 和整体优化问题( g l o b a lo p t i m i z a t i o n ) 【4 7 1 。使优化标定 技术形成体系。 局部优化与整体优化 1 局部优化 优化工作只在特定的发动机运行状态下进行，与其它运行状态无 关。这是一种比较简单的情况，此时目标值与约束的变化只与控制参量 ( 如供油量) 的变化有关。例如：寻找某一特定转速下发动机可能产生 的最大扭矩。优化问题的目标函数为 扭矩：瓦一m a x 选择供油量作为控制参量，其它控制量如供油提前角不变。为保证 发动机的正常运转需要设置一些约束条件： 烟度限制：s ，s j i m 鞘 温限锘0 ：7 乙疋。 m a x 最大缸内压力限制：p 。m a x 这些约束被称为局部约束，它们只作用于这一特定的运行状态，其 他运行状态可以有不同的定义。 2 整体优化 整体优化问题的优化工作不是在某一运行状态下，而是在一系列发 动机运行状态内进行。最典型的是在一个排放实验循环内进行优化，通 过优化达到在满足排放法规的前提下追求特定的性能的目标。 例如，图1 1 3 为3 5 吨以上车用柴油机e c e r 4 9 的1 3 工况实验 排放法捌4 8 1 ，为了满足这个排放法规而进行的整体优化，要解决如下的 优化问题： 优化问题的目标寻求最佳经济性。目标函数为 儿一2 己d 。忡。，一m l n 优化问题约束排放指标低于法规要求。即 鬻鲰。g k m 黼舛s 姗 鬻1 1 g k m 厶j ，一二土 u ，h 礁蚰3 6 班m 式中6 广第f 工况下的油耗 朋卜第f 工况的权 n o x = , 。s 广第i 工况的n o x 排放量 c 仉。广第f 工况的c o 排放量 脚。厂一第i 工况的h c 排放量 p l 。厂第i 工况的微粒排放量 卫广第f 工况的有效功率 f _ 1 】3问题1 2 问题1 2 的发动机运行状态由 e c er 4 9 规范决定，选择供油提前 角作为控制参量。整体优化的结果 依赖于实验循环内不同工况下控制 参量的变化。相应的排放量约束称 为整体约束。 由以上分析可以看出，标定工 作优化问题可由以下几个方面定 义：发动机运行状态，控制参量， 目标和约束。 刁 ， 8 s _ 蝴 9 l i “ 1 0 li 慨 ， j j_ ji j 2 1 2 图1 1 3e c er 4 91 3 工况排放法规 优化标定方法 优化标定方法运用优化理论，求 解部分优化和整体优化问题。优化标定方法包括优化问题定义、优化实 验设计和优化处理三部分。 运用优化方法进行电控 系统标定的过程如图1 1 4 【4 7 4 9 , 5 0 1 ，优化标定力求只进行 获得最优解必须的实验，可 以大大减少标定的实验量。 如图1 1 4 所示，一个优化实 验循环常常不能获得最终的 最优解，需要进行多次循 环，实验设计是优化标定减 少标定实验量，提高标定工 作效率的重要环节。 优化处理对实验结果进 行分析，运用优化算法获得 满足约束条件的最优解。优 化算法首先为实验数据建立 回归模型，然后利用回归模 图1 1 4 优化标定过程 型求解有约束非线性优化问题，获得最优解。 优化标定方法提高了标定过程的科学性，可以提高m a p 质量，并减 少标定工作量。大大节约了电控系统标定的人力和物力投入。 i 2 4 自动优化标定 如图1 1 5 a 所示，以上介绍的优化标定是离线( o f fl i n e ) 的，实验 和优化分别进行，而且实验过程仍是手工进行的。离线标定很难充分发 挥优化标定的功能，例如试验设计时无法考虑涉及发动机安全的局部约 束。 随着e m s 功能的日趋复杂和应用的日趋广泛，对标定工作效率的要 求日益提高，自动实验技术的发展为标定工作的改进提供了新的发展空 间，许多发动机开发商开始研制自动优化标定系统。 自动优化标定就是要实现在线( o nl i n e ) 优化标定( 图1 1 5 b ) 4 7 5 1 1 ， 把实验过程和优化计算结合起来，由优化算法设计实验过程，并自动完 成实验，自动记录试验数据，在线对实验结果进行优化计算，设计新的 实验并最终得到最优解。 自动优化标定不但继承 了优化标定方法的科学、准 确，而且大大提高了标定工 作的效率，在发动机电控系 统广泛应用和日趋复杂的今 天，自动标定系统具有非常 重要的商业价值。 显然，要实现e m s 的自 动优化标定，首先