（热能工程专业论文）柴油机电控标定系统及其基准map图获取方法的研究.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着当今社会对汽车动力性、经济性以及排放特性提出了越来越 多的要求，先进的汽车电控系统技术迅速得以发展。但电控系统作用 的发挥又完全受制于发动机标定系统匹配标定的精度，因此，发动机 电控标定系统的研究已经成为研究的热点。 本文通过跟踪国内外发动机标定技术的最新进展，对发动机电控 标定系统进行了研究。主要内容包括：标定系统的硬件和软件设计； 标定计算机和e c u 的通讯协议的设计；为获得基准控制参数，合理地 组织了台架试验；在m a t i ，a b s i m i ，小k 环境下，针对奥铃4 j d 2 增 压柴油机建立了仿真模型；利用b p 神经网络法获取了基准油门开度 m a p 和负荷m a p ，并运用最小二乘法对基准m a p 进行了优化；最后 运用混合编程技术开发了获取基准m a p 的软件平台。 本文的主要研究成果如下： ( 1 ) 根据标定系统的硬件设计思想，以减少标定试验工作量为目 的，合理有效地组织了台架试验，获得了基准m a p 控制参数。 ( 2 ) 建立了针对奥铃4 j d 2 增压柴油机的仿真模型。其中包括压气 机、涡轮机、连轴和发动机的仿真模块，并利用试验获得了仿真参数。 通过仿真结果与试验结果的对比，表明这种基于发动机稳态工况的仿 真，能够代替部分标定试验，从而减少试验工作量。本文利用这种仿 真模型获得了基准负荷m a p 的部分参数。 ( 3 ) 运用b p 神经网络方法，获得了基准油门开度和负荷m a p 图。 从预测结果与试验数据的对比分析表明，预测误差较小，可以用其获 取基准m a p ，从而减少试验工作量；并采用最小二乘法对基准m a p 进行了优化，得到了满意的效果。 ( 4 ) 利用混合编程技术，实现了m a t l a b v b a c c e s $ 的无缝连接， 实现了基准m a p 图的实时显示和动态更新功能。该软件可用在在线 获取m a p 图中，因而使基准m a p 图的获取更加方便快捷。 关键词柴油机标定，基准m a p ，b p 神经网络，最小二乘法， 混合编程 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t a bs t r a c t a st h ei n c r e a s i n gd e m a n df o ra u t o m o b i l e sp o w e r , e c o n o m ya n dl o w e m i s s i o ni nm o d e ms o c i e t y , t h ea d v a n c e dt e c h n i q u ei ne l e c t r i cc o n t r o l s y s t e mo fa u t o m o b i l ei sc h a n g i n gq u i c k l y b u tt h ee x e r t i o no fe l e c t r i c c o n t r o ls y s t e mw a se n s l a v e dt ot h ep r e c i s i o no fs t a n d a r d i z a t i o no n c a l i b r a t i o ns y s t e m s o ，t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fc a l i b r a t i o ns y s t e m i ne l e c t r i cc o n t r o lh a v ea l r e a d yb e c o m er e s e a r c hf o c u s b a s e do nt r a c k i n go ft h ed o m e s t i ca n da l i e na d v a n c e m e n ta b o u t c a l i b r a t i o nt e c h n o l o g yo fa u t o m o b i l e ，a ne l e c t r o n i cc o n t r o lc a l i b r a t i o n s y s t e mo fe n g i n eh a db e e nr e s e a r c h e di nt h i sd i s s e r t a t i o n m a i nc o n t e n t s i n c l u d i n g ：f i r s t l y , t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fc a l i b r a t i o ns y s t e mw e r e d e s i g n e d ，a n dt h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo fc a l i b r a t i o nb e t w e e n c o m p u t e ra n de c u w a ss e l e c t e d s e c o n d l y , t h ee x p e r i m e n t a t i o nh a db e e n r e a s o n a b l ya r r a n g e di n t h e l a b o r a t o r y f o rt h e i n i t i a t o r yc o n t r o l l i n g p a r a m e t e r s t h i r d l y , t h es i m u l a t i v em o d e lr e l a t i v et oa u l i n g - 4 j d 2d i e s e l w i t hs u p e r c h a r g e rw a ss e tu pi nm a t l a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n t t h e n t h ei n i t i a lt h r o t t l eo p e n i n gm a pa n dl o a dm a pw a sg a i n e db yb pn e u r a l n e t w o r kw a y s ，a n dt h e yw e r eo p t i m i z e db ym e t h o do fm i n i m u ms q u a r e f i n a l l y , t h es o f t w a r ep l a t f o r mw a sd e v e l o p e df o rt h ei n i t i a lm a pb y m i x t u r ep r o g r a m i n g i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h em a i nr e s e a r c hc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) e x p e r i m e n t a t i o nw a sd o n er e a s o n a b l ya n de f f e c t i v e l yt og e tt h e i n i t i a lm a pi nt h el a b o r a t o r y , b a s e do nt h ed e m a n df o rd e s i g no nh a r d w a r e o fc a l i b r a t i o ns y s t e m ，a n dt h ep u r p o s eo f d e c r e a s i n gc a l i b r a t i o nw o r k l o a d ( 2 ) as i m u l a t i v e m o d e lr e l a t i v et o a u l i n g 一4 j d 2 d i e s e lw i t h s u p e r c h a r g e r w a ss e t u p t h em o d e li n c l u d e dc o m p r e s s o r , t u r b i n e ， c o n n e c t i n g s h a f ta n de n g i n e t h em o d e lp a r a m e t e r sw e r ef o u n db y e x a m i n a t i o n t h e c o m p a r i n g b e t w e e n s i m u l a t i o n r e s u l t sa n d e x p e r i m e n t a t i o n ss h o w st h a tt h em o d e lc a nb eu s e dt os u b s t i t u t eap a r to f c a l i b r a t i o nt e s t f i n a l l y , t h ep a r t i a lc o n t r o lp a r a m e t e r so fi n i t i a ll o a dm a p i i 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w e r ef o u n dw i t ht h es i m u l a t i v em o d e l ( 3 ) i n i t i a lt h r o t t l eo p e n i n gm a p a n dl o a dm a pw e r eg a i n e db yb p n e u r a ln e t w o r km e t h o d t h ee r r o ro ff o r e c a s tr e s u l tw a ss m a l l e rb y c o n t r a s tb e t w e e nf o r e c a s tr e s u l ta n de x p e r i m e n t a t i o n s o i tc a nb eu s e dt o g e tt h e i n i t i a lm _ a p i na d d i t i o n s a t i s f a c t o r yr e s u l t sw e r eg a i n e di n o p t i m i z i n gt h ei n i t i a i l 心w i t hl e a s ts q u a r e sm e t h o d t h u st h em e t h o d c a nb eu s e dt oo p t i m i z et h ei n i t i a lm 渔p ( 4 ) as o f t w a r ep l a t f o r mw a sd e v l o p e df o rb u i l d i n gi n i t i a l 眦t h e f u n c t i o no fs e a m l e s sc o n n e c t i n go n 队l t l a b b a c c e s sc a nb e a c h i e v e di nt h es o f t w a r e a n do n 1 i n ed i s p l a ya n dd y n a m i cu p d a t eo fi n i t i a l n l a pw e r er e a l i z e d t h u st h es o f t w a r ec a nb eu s e dt og a i ni n i t i a lm a pi n o n l i n ec a l i b r a t i o ns y s t e m s ot h a ti ti sc o n v e n i e n tt ob u i l di n i t i a t o r ym a p k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n ec a l i b r a t i o n ，i n i t i a lm a p , b pn e u r a ln e t w o r k ， l e a s ts q u a r e sm e t h o d ，m i x t u r ep r o g r a m i n g i i i 原创性声明 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 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者签名： 导师签名e l 期：年一月一日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 由于世界石油资源的日益枯竭，全球环境的不断恶化，汽车作为城市主要的 污染源和能源消耗者，它的发展正面临着越来越严峻的挑战。中国从2 0 0 3 年9 月开 始全面提升排放法规，2 0 1 0 年实现与国际控制水平同步。国家内燃机“十五一规 划重点发展的技术中就包括车用柴油机高压喷射技术和电控的研究，其中包括共 轨式燃油喷射技术【l 】。目前，电子控制技术已越来越多地应用到汽车发动机上， 电控性能的发挥主要依赖于各种三维m a p 图( 电控系统控制参数是以三维图的形 式存储的，如转速、负荷、喷油脉宽、喷油提前角等) 、数据表和常数的品质。为 了最大限度地满足预定的动力性、经济性和排放要求，必须对各种三维m a p 图进 行精确标定，以确定各项控制和调节参数的最优值1 2 j 。标定工作已经成为柴油机 电控系统开发的重要组成部分，标定系统的设计与研究将直接影响到标定工作的 精度和周期。因此，对获得这些电子控制单元e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) 内 部参数的标定工作展开研究，这对柴油机电控系统的开发具有十分重要的意义。 1 2 发动机电控系统标定的基本概念 标定是指通过对安装了电子控制系统的柴油机进行喷油特性、怠速特性以及 瞬态过渡工况各参数的综合试验，使整个系统在试验中获得最佳控制数据，从而 使在电控系统精确控制下的柴油机在动力性、经济性和排放等方面，均获得令人 满意的结果。换句话说，标定是根据整车的各种性能要求( 动力性、经济性和排 放等) ，调整、优化和确定电控系统的运行参数和控制参数的过程f l , 4 j 。 发动机电控系统的控制参数是以三维m a p 图的形式存储在电控单元( e c u ) 中的，它们是对应发动机一个特定工况点( 转速负荷) 的控制数据，如喷油量、 喷油提前角等，它们的标定也称为参数标定。对于采用电控系统的成品汽车，都 会有电控单元( e c u ) ，发动机运行在由存储有m a p 图的e c u 控制的模式下， e c u 不能擦除或者改写；而对于采用新开发的电控系统的发动机，e c u 是空白的， 这就需要获得最佳的三维m a p ，存储到e c u 中，这个获得最佳的三维m a p 的 过程，也就是我们所说的标定过程。以m a p 的差别来区分，标定过程可分为两 大部分：一部分是通过试验或其他手段获得的初始三维m a p ，由于它是后续工作 的基础和标准，因此初始三维m a p 也称为基准三维m a p ；另一部分是获得优化 中南大学硕士学位论文第一章绪论 后的三维m a p ，优化的目的是使发动机获得良好的动力性、经济性和排放性。需 要考虑的因素有：进气压力、进气温度、冷却水温度等诸多因素。 参数标定是电控发动机应用开发的核心内容。在进行各阶段的标定工作时要 明确所要优化的控制参数、优化所要达到的目标以及所要满足的限制条件。由于 各个不同的标定阶段有其特定的内容，因此优化参数、优化目标以及限制条件等 也各不相同。在各阶段需要根据具体的要求优化电控单元( e c u ) 中的相应的控 制数据，以达到最佳性能要求【5 j 。 在参数标定的过程中，进行标定实验来优化控制脉谱图( m a p ) 是研制开发 过程中的一个重要环节。为了获得最佳的控制m a p 图，需要在发动机试验台架上 进行大量的优化标定试验，优化试验参数。一般地参数标定台架试验包括六个环 节【3 , 6 , 7 1 ： ( 1 ) 基准控制参数的标定；它的标定也是我们所说的初始m a p 标定，它是 通过试验或者其他方法获得的较完整的三维m a p 图，其控制参数没有过多地考虑 到发动机的性能( 动力性、经济性和排放性) ，它的目的是使发动机应用基准m a p 图的控制参数后能够正常工作。 ( 2 ) 稳态修正参数的标定：这里所说的稳态，是指发动机在标准环境条件下 能够稳定运行时的状态。由于发动机稳态工作时的最佳控制数据与环境状态以及 发动机状态有密切关系。因此在电控系统标定中还需要进行发动机稳态修正参数 的标定，包括油温修正、进气温度修正、进气压力修正、冷却水温度修正等项目。 ( 3 ) 怠速工况参数的标定；怠速是发动机重要的项目之一。它的标定要考虑 它对发动机整体的燃油经济性和排放性能的影响，同时，也要考虑怠速稳定性、 抗负荷变化干扰能力、加减速工况过渡平滑等。加减速工况过渡平滑指从怠速工 矿进入加速工况以及从减速工况回到怠速工况能连续平稳地过渡。 ( 4 ) 起动工况参数的标定；在起动过程中，发动机的转速和喷油量难以确定， 一般要分为冷机起动和热机起动。冷机时，发动机缸内温度低，需要较多的燃油 保证燃烧，排放就会恶化，如何控制两者的量成了电控系统的关键部分：对比热 机时起动状况要好一些。无论是冷机还是热机都需要考虑蓄电池和燃油泵电压的 波动等因素对起动的影响。 ( 5 ) 瞬态工况修正参数的标定；它的标定是指发动机处在加、减速等过渡工 况时，由于发动机的惯性，存在传感器相应延迟及电控单元计算处理的时间延迟 等诸多因素的影响。这部分标定必需对发动机瞬态工况的数据进行在线标定。 ( 6 ) 电控系统标定参数的台架综合调试；这部分标定包括加速性、油耗、排 放性能试验以及高低温试验、高原试验、电磁兼容试验、耐久性试验等可靠性试 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 验。 总的来说，参数标定台架试验的过程是获得基准m a p 和优化m a p 的过程。发 动机动力性、经济性和排放性三者是相互矛盾的，参数标定的目的就是通过修正 各方面因素影响，在三者之间进行有效地折中选取，从而获得最优m a p 图。 1 3 本文研究的意义 电控系统控制参数是以各种m a p 、数据表和常数形式存储的，获得这些e c u 内部参数的标定工作相当繁琐，因为标定工作需要反复进行发动机台架实验和道 路实验，反复修改电控单元( e c u ) 中的数据【4 】。因此标定工作量是巨大的，如 何减少标定工作量，降低标定试验成本，又能保证数据的准确性，是标定工作需 要解决的重要问题哺9 】。 在实际工作中，系统根据发动机工况查取电控单元( e c u ) 中存储的基准控 制参数，然后经过必要的修正，计算出实际的执行器输出量，控制发动机的运行。 基准m a p 控制参数一般由大量的标定试验完成，在在线标定系统中，占据了相 当大的工作量，有效地减少这部分工作量，必然会提高标定工作的效率；在自动 化标定系统中，如果能通过有限的标定试验，就能获得全面的基准m a p 控制参 数，减少的标定时间也是显著的。且基准m a p 控制参数精确与否，也会直接关 系到修正工作量的大小。可见，基准m a p 控制参数对于发动机性能至关重要， 同时它也是后续工作的基础，而标定基准参数的方法将显著地影响发动机性能。 因此本文对发动机标定系统，及获得基准控制参数的方法进行研究1 7 声j 。 1 4 本文研究的内容 由于标定系统的开发是一个多种学科参与、高科技含量、工作量巨大的项目， 一个人是无法完成标定系统开发工作的。本人根据课题组的分工，进行标定系统 的总体设计，以及获取基准m a p 图的控制参数。因此，本文的主要研究内容包 括： ( 1 ) 电控标定系统总体设计。其中包括硬件和软件的设计，标定用计算机与 e c u 通讯协议的设计，实现在线标定系统的程序框架设计，并分析了匹配标定试 验的几种常用方法。 ( 2 ) 通过实验与仿真相结合的方法，获得了基准m a p 工况节点数据。根据 标定系统硬件设计的思想，以减少标定工作量为目的，合理地组织试验，进行发 动机、测功机、测量与控制设备的安装、调试和测试试验。试验针对奥铃4 j d 2 增压柴油发动机，获得了基准油门开度m a p 的大覆盖面的控制参数，以及基准 中南大学硕士学位论文第一章绪论 负荷m a p 的部分控制参数。 ( 3 ) 针对奥铃4 j d 2 增压柴油机开展建模与仿真。包括压缩机、涡轮机、连 轴和发动机，四个部分的建模，运用m a t l a b s i m u l i n k 进行仿真，通过试验 手段获得仿真参数，并完成仿真结果与试验数据对比分析。 ( 4 ) 基准m a p 生成与优化的研究。主要包括运用b p 神经网络进行预测， 最小二乘法进行优化的研究。在b p 神经网络进行预测过程中，给出网络设计、 隐单元数确定、训练、误差分析和使用的一般方法，制取了基准油门开度和负荷 m a p 。经过分析表明，在基准油门开度m a p 中，运用最小二乘法优化m a p ，得 到了很好的效果。 ( 5 ) 混合编程在标定系统应用的研究。开发了制取基准m a p 的软件，主要 实现了m a t l a b v b a c c e s s 三者的无缝连接方法，以及实时显示和动态更新的功能。 4 中南大学硕士学位论文第二章文献综述 第二章文献综述 标定是电控燃油系统开发中的核心内容，标定技术面对的直接对象就是电控 燃油系统，它的发展必然随电控系统的改进而发展。本章先讨论了柴油发动机电 控技术的发展与现状，而后讨论了国内外电控系统标定技术的发展与现状，进而 分析了国内电控标定系统研发方面存在的不足。 2 1 柴油发动机电控技术的发展与现状 柴油机电控燃油系统的发展，已历经三代，即位置控制系统、时间控制系统 和时间加高压共轨式控制系统。位置控制系统是在传统的泵管嘴系统上，保 留了原喷油泵中的齿条、滑套、柱塞上的控制斜槽等控制油量的机械传统机构， 只是对齿条或滑套的运动位置予以电子控制。时间控制系统是通过高速电磁阀直 接控制高压燃油。一般情况下，电磁阀关闭，开始喷油；电磁阀打开，喷油结束。 喷油始点取决于电磁阀关闭时刻，喷油量取决于电磁阀关闭的持续时间。共轨蓄 压式燃油电喷系统采用高速强力电磁阀对喷油始点和燃油喷射量进行实时反馈控 制。压力的控制采用共轨式即压力油蓄存在公用的高压管内，只是控制公用管内 的油压，与喷油嘴内的油压无关，压力数值的大小由发动机即时的运行工况参数 决定。采用p i d 的闭环反馈控制，对发动机的实际运行参数进行及时采集与响应， 以达到发动机的最优性能参数【1 0 】。 国外高压共轨系统研究方面最具代表性的公司及其电控系统如下： ( 1 ) 意大利f i a t 集团的u 啦i e t 电控系统1 1 1 1 。f i a t 公司是生产轿车用直喷柴油机 的先驱，为了解决直喷柴油机存在的一些问题，它于8 0 年代中期做出决定，立项 对喷油系统进行革命性的开发。1 9 8 9 年在意大利b a i l 建立喷油装置研究中心，并着 手开始研究将项目命名为u n i j e t 。1 9 9 1 年底对第二台u 啦j e t 样机进行了全面的性能 论证。1 9 9 2 年底考核其可靠性和耐久性，分别在发动机和整车上取得了满意的结 果。并在a l f ar o m e o1 5 6 型汽车上得到应用，其运转平稳性和噪声性能得到了突 出的改善，油耗也得到了显著的降低，同时达到了的当时的废气排放要求，并为 符合将来的规范创造了条件。 ( 2 ) 德国r o b e r tb o s c h ( 博世) 公司的c r 电控系统【l 。r o b e r tb o s c h 公司是柴 油机油泵和油嘴制造业的先驱。为了符合当时的排放法规，它们研制开发了一种 叫做c o m m o nr a i l 的共轨式喷油系统。在此之前，为了对电磁阀控制的泵喷嘴分 配泵和共轨式喷油系统之间做出选择，进行了长达8 年之久的分析研究。分析认定， 中南大学硕士学位论文 第二章文献综述 只有共轨式喷油系统才能使柴油机在全部负荷和转速范围内实现稳定精确控制， 以及满足未来的排放限值。其产品被广泛地应用到戴姆勒一奔驰汽车，其最高喷油 压力可达1 4 0 m p a ，最大喷油量为3 3 0 m m 3 行程，满足了当时的排放要求并节省了 油耗。 ( 3 ) 日本电装( n i p p o n d e n s o ) 公司的e c d - u 2 电控系统【1 2 】。日本电装公 司是世界上著名的生产油泵油嘴的公司之一，e c d u 2 电控共轨式喷油系统是日 本电装公司从1 9 8 5 年左右开始着手研制的，1 9 9 9 投入生产，之后大量用于卡车柴 油机，其最大喷油压力达到1 5 0 m p a ，最大喷油量为2 5 0 m m 3 行程，有效地降低了油 耗。 当今，高压共轨系统与涡轮增压技术相结合，使汽车尾气排放达到符合欧i 废气排放标准的规定；同时起到了节能降耗的目的。可以说，f i a t 集团、r o b e r tb o s c h 公司及n i p p o nd e n s o 公司的产品代表了目前高压共轨系统的技术水平和发展趋 势。 国内柴油机燃油喷射装置的研究起步较晚，研究水平相对国外较低，机械式 喷油泵还存在一些缺陷。而柴油机电子控制喷油系统的研究也处于初步阶段，部 分科研单位与高等院校先后做了一些探索性工作，取得了一些成果，如上海内燃 机研究所研制的电子液压正时器、长春汽车研究所开发的可控预行程直列泵及北 京理工大学、天津大学研制开发的电控蓄压式喷油系统、清华大学开发的电控直 列泵- 管硼一阀( p p v i ) 系统等，积累了一些宝贵经验，但距实际应用及国外 柴油机电子控制技术发展水平还有较大的差距。并且，我国电子工业技术薄弱， 消费者购买力低等各方面制约，决定我国发动机电子控制系统很大程度上需要以 引进国外成熟的电控产品为主，对我国落后的发动机工业进行改造1 1 3 l 。 燃油喷射的电控系统不经过优化匹配，就无法获得良好的性能，也就无法体 现出电子控制相对于机械控制的优势，实用推广也就无从谈起。目前在国外，发 动机电控系统优化匹配的研究正在成为热点研究问题，美国、德国、日本等国家 在这方面己开展了一些研究工作，并取得了一些成果。解决优化匹配问题，切实 提高电控发动机的各项性能，是国内发动机电控系统从实验室走向生产应用的关 键。随着发动机电控系统日趋复杂，控制功能增多，发动机电控系统的匹配也变 得日益复杂。因此，进行发动机电控系统优化匹配理论与方法的研究具有重要的 理论指导意义和工程实用价值【l o 】。 2 2 国外电控系统标定技术的发展与现状 标定系统与电控系统中的电子控制单元( e c u ) 是分不开的。在发动机电控 6 中南大学硕士学位论文第二章文献综述 系统发展初期，电控系统功能比较简单，相应地，标定的内容也比较简单，工作 量小。只需要有经验的工作人员，在很短的时间内就能完成。国外发动机的电控 系统的研制在二十世纪三、四十年代时开始。随着电控系统的不断升级，控制的 参数不断增加，控制精度的要求不断提高，研究人员开始意识到标定系统在发挥 电控系统功能中起了至关重要的作用。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，标定开发技 术有了十分显著的进步，开始更加深入地研究发动机控制参数的多维优化和自动 标定技术【1 4 , 1 5 】。 电控系统的匹配标定技术已的发展经历了手工离线标定、在线标定和自动优 化标定三个阶段，目前国外自动优化标定方法已经开始得到广泛的应用。 离线标定是指标定试验和优化过程分别进行，先进行标定试验，根据一定的 试验规程获取试验数据后，建立发动机性能模型，然后进行优化，优化完全由人 工完成，最终获得优化得控制参数。其控制效果仍然较差、精度不高、能耗大以 及污染严重。 在线标定体现在基准m a p 控制参数的优化上，由输入优化算法的计算机控制 和监测发动机的工作状况，在线寻求最优参数。在每个测试点上在线地找到最优 化的控制参数，就可计算这一组控制参数下的发动机排放值。 自动化标定的基本原理就是应用自动优化标定系统，自动实现发动机控制参 数的优化和标定；在发动机性能中的优化目标、约束条件、控制变量变化范围和 边界条件已知的基础上，根据设定的测试试验循环，利用优化软件对控制参数进 行自动优化。 目前，国际上在电控发动机标定技术上处予领先地位的是德国的s c h e n c k 公司、奥地利的a v l 公司和德国西门子等公司。以德国s c h e n c k 公司的v e g a 系 发动测功机 图2 1s c h e n c k 公司的发动机自动化标定系统结 7 中南大学硕士学位论文第二章文献综述 统( 发动机标定系统) 为代表，硬件组成如图2 1 所示【l6 1 。该系统从结构上看属于 多机控制标定系统，自动化程度高。 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p t i v b 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需的控 制、测量、优化等功能，同时具有对测试循环进行分析的功能，可以计算代表工 况点，还具备了瞬态优化的功能【3 引，适合发动机的瞬态和过渡工况的参数标定。 瞬态优化标定是从一个工况点过渡到另一个工况点时，标定能够迅速作出响应和 判断，进行优化，进而实现标定的目的，从而大大缩短了标定时间。它是目前国 际上发动机优化标定的最新研究发展方向。该系统包括三个层次。最高一层是标 定系统主机，它控制整个标定进程的完成并承担对试验数据的优化处理功能。第 二层是试验台自动控制计算机，它控制所有的测量和控制设备，包括标定控制台。 标定控制台是一台便携式电脑，它的作用是根据标定工作的需要改变发动机电控 单元中的控制参数。第三层是发动机和测功机。标定系统主机通过专用接口卡 ( a s a p 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、发动机性能参数和状态参数采集 等功能。控制参数的优化工作由标定系统主机按照一定的优化算法完成。采用这 样的组织形式可以使系统具有比较好的扩展能力，可以将多个自动化标定试验之 间集成为一个网络，实现试验数据的共享和统一处理。 a v l 公司的c a m e o ( 发动机标定系统) 和s c h e n c k 公司的标定系统，在 总体结构上和功能上基本相似。但就优化算法而言，a v l 公司的c a m e o 集成了 m a t l a b ，从而具有非常强大的和灵活的科学计算功能，优化算法更加简洁，并 允许用户自行进行数据处理。v e g a 系统的优化算法则比较繁琐，并带有“经验 性 。a v l 公司一贯奉行“o n ew i n d o w s ( 专用) 策略，其设备具有专用性。这 种策略使c a m e o 只能与a v l 的p u m a 系列台架自动控制系统配合【1 7 , 1 8 】。 2 3 国内电控系统标定技术的发展与现状 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。我国进入 w t o 后，电控发动机真正走向产业化的任务刻不容缓，发动机电控标定技术在这 个过程中起着关键性作用。 天津大学的胡春明、谢晖等人【1 9 】开发了一个针对摩托车的汽油发动机匹配标 定系统平台，为电控摩托车电喷系统匹配与标定提供了一种方法。 8 中南大学硕士学位论文第二章文献综述 吉林工业大学和长春汽车研究所联合开发了用于柴油机电控喷油系统优化标 定的系统【2 们，采用基于模型的在线标定优化策略，可减小试验量，获得了较好的 效果。 北方交通大学和清华大学一起开展了电控天然气发动机监控系统的开发m j ， 可以对电控发动机进行实时监控和优化配置。 清华大学开发的汽油机电控标定系统进行了i - 4 发动机配装s b e c i i 电控单 元的基本控制参数标定试验【2 2 1 。另外，清华大学还设计了另一种标定系鲥2 3 1 ，由 主机协调各部分的相互配合，指导整个标定工作的进行，同时主机扩展了各种功 能卡来实现对系统各组成部分的自动控制以及对发动机状态和性能的监测。 清华大学的任亮、李进等人开发了一套电控柴油机的在线标定系统，采用“双 数据区 的在线标定设计方案，在一台国产新型发动机上应用表明，可以有效提 高标定效率和精度 z , 2 4 j 。 上海交通大学开发的一种通用的电控发动机标定开发平台，最初用于汽油发动 机的匹配标定，该标定平台目前已应用于一种新型高压共轨电控柴油机燃油喷射 系统的研究1 2 5 删。 可以看出，在标定系统开发方面我国的研究主要集中在高校和研究所，例如 清华大学、上海交通大学等，对国内电控柴油机标定系统的开发起到了非常好的 带头作用，但同时我们也看到这些分散研究的严重不足之处：研究和开发不具有 统一规范，系统通用性不强。例如就通讯方式而言，有些基于r s 2 3 2 ( r s 4 8 5 ) ， 有些基于c a n 总线，有些是基于k 线；协议有的是基于k w p 2 0 0 0 ，有些则是编 程者自己定义；硬件系统有的基于单片机，有的基于d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ) 。可见国内在这方面的研究规范性和通用性都不强，离国际规范还有 较大距离。并且大都是出于试验和研究阶段，还不是很成熟【2 5 】。 目前，国内能够独立完成匹配标定任务的公司有限，并且这少数几个公司也 还不具备自行开发系统和标定软件的能力，他们大多从国外引进系统以及与匹配 对象相适应的标定软件进行标定【2 7 j 。 2 4 我国电控标定系统研发方面存在的不足 由于国外技术的严格封锁，使我们的研究大都不得不从零开始，这也是造成 我国目前技术相对落后的一个重要原因。目前我们国内电控系统研发方面主要存 在的缺陷不足之处归结如- f t 2 8 ，2 9 , 3 0 1 ； ( 1 ) 自主研发的产品多是单一功能控制的第l 代汽车电子产品，一般采用的 9 中南大学硕士学位论文第二章文献综述 是8 位单片机，并且多是针对小排量的发动机。采用1 6 位或3 2 位微处理器的发 动机集成控制系统大都处于研究阶段，虽然取得了一定的成果，但距世界先进水 平还有很大的差距，还没有成熟的产品问世。 ( 2 ) 标定手段还处于手工标定和自动标定之间的状态【2 9 】。国内电控标定系 统中包括电控单元( e c u ) 、测功机、油耗仪、排放仪，它们之间是相互独立的， 不能实现数据共享。所以在进行电控系统控制参数的台架标定时，发动机工况的 设置和发动机性能变化的监控都需要由人工干预完成，从而导致标定精度与重复 性较差。 ( 3 ) 标定过程还存在工作量巨大，时间长，成本相对较高的问题。主要出现 在基准m a p 控制参数的获得，大多采用反复试验的方法，因为发动机的动力性、 经济性、排放性本身就是相互矛盾的，需要一种有效的折中选取，一般由标定人 员根据经验确定，这就给标定工作增添了过多的人为因素。当前国内各大高校在 这方面已经进行了研究，提出了几种优化方法其中包括神经网络算法、最小二乘 法、遗传算法等方法。但如何通过试验数据，把几种算法紧密地结合起来，应用 到标定过程中，真正达到减少标定工作量的目标，还有待开展研究。 由此看出，从振兴民族汽车工业的角度来说，除了引进国外先进的系统及标 定软件进行消化吸收外，还需要深入开展相关研究工作。这对逐渐形成自主开发 标定系统软件，是有现实意义的。因此为了国内现有大量发动机性能的提升进行 有益探索，缩短电控标定技术与国外距离，本文将以国内外先进经验为基础，对 发动机电控单元标定系统展开研烈2 4 - 2 9 】。 2 5 本章小结 匹配标定是燃油喷射的电控系统开发至关重要的过程，电控系统不经过优化 匹配，就无法达到电控系统精确控制的目的，也就无法获得良好的性能，实用推 广也就无从谈起。 本章介绍了柴油发动机电控技术的发展与现状，并详细地介绍标定系统的发 展过程，同时着重介绍了国外先进的标定系统；与国外技术水平相比较，介绍了 国内开发标定系统的现状与技术水平；最后分析了国内开发标定系统存在的几点 不足，进一步说明了本文针对标定系统的设计和基准m a p 控制参数的获得展开 研究的意义。 1 0 中南大学硕士学位论文第三章发动机电控标定系统总体设计 第三章发动机电控标定系统总体设计 电控系统与发动机的优化匹配是电控系统开发过程中一个非常重要的环节。 它是使电控系统获得良好控制性能的关键，也是使电控系统从实验研究阶段走向 实际应用的关键。匹配标定实验的周期和最佳m a p 图的精确程度，直接影响到 电控系统的开发周期的长短和性能的优劣。在标定系统试验台架已经建立的情况 下，匹配标定实验的周期和最佳m a p 图的精确程度，主要取决于匹配标定的试 验方法和标定系统软件功能的优劣，所以对匹配标定的试验方法和标定系统软件 的研究就显的比较重要【3 1 , 3 2 】。 发动机电控系统的开发主要包括：传感器的研制( 或选型) 、执行器的研制( 或 选型) 、控制策略制定、电控单元( e c u ) 硬件设计、控制软件开发以及电控系统 与发动机及整车相匹配的应用开发工作。 本章结合国内外先进电控标定系统的标定方法，对标定系统的硬件组成和软 件设计进行了研究，并阐述了标定试验的分析方法，同时对标定系统通讯协议进 行了设计，以及分析了匹配标定试验的基本过程。最后以此为基础，对标定系统 总体方案进行了设计。 3 1 标定系统硬件组成 发动机电子控制系统分为硬件和软件两大部分，硬件主要由发动机、测功机、 测量与控制设备、电控单元( e c u ) 和p c 机组成，如图3 1 所示【3 3 】。软件由程 序和标定参数( 数据) 组成。 图3 - 1 实验用标定系统硬件构成 在图3 1 显示的实验用标定系统硬件构成。在标定过程中p c 机起着核心作 中南大学硕士学位论文 第三章发动机电控标定系统总体设计 用，它一方面要监控e c u 工作，采集和保存数据，另一方面要负责修正e c u 中 的m a p 。如果标定工程师需要进行离线分析，以及基准m a p 的制取，那就还需 要通过测量控制设备采集和保存发动机的性能参数。 3 2 标定软件设计 在一个电控系统硬件基本确定的前提下，能不能使匹配的发动机发挥出最好 的性能，就取决于通过标定软件获得的最佳标定参数，这个获得最佳标定参数的 过程，就是匹配标定工作的主要任射3 4 1 。 发动机电控系统的匹配标定，是通过对发动机与电控系统的硬件适配以及电 控系统功能检验，并重点进行电控单元中控制参数( 基本m a p ) 的优化。将电控 系统与发动机相匹配，并通过调试和优化使发动机达到最佳性能的过程，属于电 控系统的应用开发阶段。应用开发阶段是整个电控系统研制的最终阶段，也是工 作量最大、困难最多的阶段之一。这个阶段的工作目标就是在保证发动机满足当 前排放法规和使用要求的情况下，获得最佳的动力性和燃油经济性。 电控系统性能的发挥主要依赖于各种脉谱( m a p ) 、数据表和常数的质量， 获得这些e c u 内部参数的标定工作是相当烦琐的。标定工作需要反复进行发动机 台架试验和道路试验( 对于整车的标定，还要进行高寒、高原、高温的“三高 试验) ，反复修改电控单元( e c u ) 中的数据，而且发动机的许多指标是相互矛盾 的，寻求一种良好的全局优化，最终确定e c u 的各种内部参数，需要性能优良的 标定系统的支持【35 1 。 标定系统的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。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。自从计算机发展以来，程序语言也在不断 变化，但其形式上可分为两种：面向过程的编程语言和面向对象的编程语言。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。它具备的几大优点归结如下： ( 1 ) 语言简洁、紧凑，使用方便灵活； ( 2 ) 具有结构化的控制语句； ( 3 ) 运算符丰富，数据结构丰富； ( 4 ) 程序设计自由度大； ( 5 ) 允许直接访问物理地址； 1 2 中南大学硕士学位论文第三章发动机电控标定系统总体设计 ( 6 ) 可移植性好。 c 语言同时也有它的局限性，比如它的检查机制较弱，本身几乎没有支持代 码的重用结构，程序员很难控制复杂的程序。经过三次修改、扩充以后，出现了 它的扩展版本c + + 。在w i n d o w s 操作系统下，v i s u a lc + + 是m i c r o s o f t 公司推出的 c + + 语言开发平台。 v i s u a lc + + 兼容了c 语言和c + + 的功能特点，并提供了可视化平台，使编