（动力机械及工程专业论文）基于人工神经网络的发动机转矩估计.pdf

武汉理工大学硕士论文 捅妥 并联式混合动力系统工作时 其控制中的难点问题之一是状态切换过程中 如何使发动机和电动机协调工作从而保持动力传递平稳 利用电动机转矩补偿 发动机转矩的方法可以很好地减小状态切换过程中发动机和电动枧转矩之和的 波动以及车速加速度的波动 并保证状态切换过程中动力传递的平稳性 因此 需要实时 准确的对发动机转矩进行估计 本文提出以数据直接描述的转矩估计方法 利用神经网络的预测功能 使 用发动机部分稳态工况点的试验数据作为样本 估计出发动机全工况下的稳态 转矩值 选择节气门开度的变化速率为1 0 0 s 时作为在混合动力工作模式切 换和换档过程中发动机的节气门的变化速率 对该动态工况下发动机的转矩输 出特性迸行估计 首先 以神龙富康t u 5 j p k 汽油发动机为试验样机 完成了一系列基于 p u m a o p e n 测试系统的自动化稳态和动态试验 由于该系统具有高动态响应性 能 能够在不同频率下完成对各种参数的采集 特别是对动态工况中高频变化 的量 确保能够实时 准确地获得发动机稳态 动态试验数据 为神经网络提 供了数据样本 然后 选择了具有很强的非线性映射作用 且能够识别有噪声或变形的样 本的b p 神经网络来进行转矩估计 使用m a t l a b 建立了b p 神经网络预测模 型 并确定了其结构与相关参数 同时 对于所获得的实验数据 选取对转矩 影响最大的发动机转速和节气门开度作为输入 采用间隔抽取样本点的方法 并对输入输出数据进行归一化预处理以改进数据的质量 提高了所建模型的训 练 预测精度 最后 完成了基于b p 神经网络预测模型的发动机转矩估计 并对神经网络 的收敛精度与泛化效果进行了计算和分析 找到了影响转矩估计精度的因素 并在此基础上提出优化解决方案 完善了此方法 关键词 车用发动机 神经网络 转矩估计 武汉理工大学硕士论文 a b s t r a c t h o wt or e a l i z es m o o t hp o w e rt r a n s f e ru n d e rs t a t e s w i t c hi so n eo ft h ed i f f i c u l t c o n t r o li s s u e so fp a r a l l e lh y b r i ds y s t e m e l e c t r o m o t o rt o r q u ec o m p e n s a t i o nf o rt h e e n g i n et o r q u ec a l lb eu s e d 幻r e d u c et h ef l u c t u a t i o n so ft o t a lt o r q u ea n dv e h i c l e a c c e l e r a t i o nu n d e rs t a t e s w i t c h s oas m o o t hp o w e rt r a n s f e ru n d e rs t a t e s w i t c hi s e n s u r e d t h e r e f o r e r e a l t i m ee n g i n et o r q u ee s t i m a t i o ni sr e q u i r e d t h i sp a p e rp r e s e n t sat o r q u ee s t i m a t i o nm e t h o db yt h ed i r e c td e s c r i p t i o no ft h e t o r q u ev a l u e u s et h en e u r a ln e t w o r kf o r e c a s tf u n c t i o n l e ts o m ec e r t a i ns t e a d y o p e r a t i n gc o n d i t i o nd a t aa st h es a m p l e t oe s t i m a t ea l lt h es t e a d yo p e r a t i n gc o n d i t i o n t o r q u ev a l u e c h o o s e1 0 0 sa st h et h r o t t l eo p e n i n gc h a n g er a t ea ts t a t e s w i t c ha n d s h i f t i n gp r o c e s s i n h y b r i ds y s t e m a n de s t i m a t e t h e e n g i n et o r q u e o u t p u t c h a r a c t e r i s t i ca tt h i sd y n a m i co p e r a t i n gc o n d i t i o n f i r s t c o m p l e t eas e r i e so fs t e a d ya n dd y n a m i ct e s t so nt u 5 j p kg a s o l i n e c n g i n eb a s e do nt h ep u m ao p e na u t o m a t i o nt e s ts y s t e m a st h es y s t e mh a sh i g h d y n a m i cr e s p o n s e i tc a l lc o m p l e t et h ea c q u i s i t i o no fv a r i o u sp a r a m e t e r sa td i f f e r e n t f r e q u e n c i e s p a r t i c u l a r l yt ot h ep a r a m e t e r sw h i c hc h a n g ea th i r g h 仔e q u e n c yi n d y n a m i co p e r a t i n gc o n d i t i o n s ot h es y s t e mc a na c q u i r et h ed a t ai nt h ee n g i n et e s t a c c u r a t e l yi nr e a l t i m e t h en e u r a ln e t w o r kc a r tg e ts a m p l ef r o mt h ed a t a t h e n c h o o s et h eb pn e u r a ln e t w o r kw h i c hh a sh i g h l yn o n l i n e a rm a p p i n g f o n e t i o na n dc a nd i s t i n g u i s ht h en o i s eo rt h ed i s t o r t i o ni ns a m p l ec a l t i e so u tt h e t o r q u ee s t i m a t e u s em a t l a bt oe s t a b l i s ht h eb pn e u r a ln e t w o r kf o r e c a s tm o d e l a n dd e t e r m i n ei t ss t r u c t u r ea n dt h er e l a t e dp a r a m e t e r s s e l e c tt h ee n g i n es p e e da n d t h r o t t l eo p e n i n ga si n p u t s b e c a u s et h e yh a v et h eg r e a t e s ti m p a c to nt h et o r q u e u s i n gi n t e r v a le x l x a c t i o ns a m p l e sd a t aa ss a m p l es e l e c t i o nm e t h o d s c a r r y i n go u tt h e n o r m a l i z e dp r e t r e a t m e n tt ot h ei n p u t sa n dt h eo u t p u td a t at oi m p r o v et h ed a t a q u a l i t y i tc a ne n h a n c et h em o d e l i n gt r a i n i n ga n df o r e c a s tp r e c i s i o n f i n a l l y c o m p l e t et h et o r q u ee s t i m a t i o no fv e h i c l ee n g i n eb a s e do nb pn e u r a l n e t w o r kf o r e c a s tm o d e l a n dt h e nc a l c u l a t ea n da n a l y z et h en e u r a ln e t w o r k s c o n v e r g e n c ep r e c i s i o na n dg e n e r a l i z a t i o ne f f e c t f i n dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so ft o r q u e e s t i m a t i o np r e c i s i o n a n dp r o p o s et h eo p t i m i z a t i o ns o l u t i o nt op e r f e c tt h i sm e t h o d k e y w o r d s v e h i c l ee n g i n e n e u r a ln e t w o r k t o r q u ee s t i m a t i o n 独创性声明 本人声明 所呈交的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 也不包含为获得武汉理工大学或其它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 签名 燃日期 趔皇垒 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留 使用学位论文的规定 即学校有权保留 送 交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以公布论文的全部或部分内容 可以 采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 保密的论文在解密后应遵守此规定 牟出 1 武汉理 l j 大学硕十论文 1 1 课题概述 1 1 l 课题题目及来源 第1 章绪论 课题题目 基于人工神经网络的发动机转矩估计 课题来源 国家科技部8 6 3 子项目 e q 7 2 0 0 h e v 多能源动力总成能量管理策 路的优化 1 1 2 课题研究的背景 以新能源技术 新材料技术 信息与控制技术应用为基础 多能源 机电 结合 智能控制为特征的电动汽车技术是对传统汽车技术的重大突破 电动汽 车多能源动力系统及其控制技术是电动汽车的核心技术 也是电动汽车区别于 传统汽车的本质所在 它是实现电动汽车节能与环保的关键 图1 1 为 十五 8 6 3 电动汽车重大 专项中的 e q 7 2 0 0h e v 混合动力汽车 的混联式混合 动力系统 其中的机械动 力源由发动 机 电动机和 i s g 组成 电 动力源则由蓄 一机械功率滩 屯功翠蠢 一一 值号魂 图1 1 混联式混合动力系统方案图 武汉理j 大学硕士论文 电池 可作发电机运行的电动机和i s g 组成 发动机与电动机的组合可以实现 并联式混合动力系统的各种功能 发动机还可以带动i s g 发电向电动机提供电 能 从而具有了串联式混合动力系统的特征 1 2 并联式混合动力系统中的控制问题 从系统本质分析 并联式混合动力系统属于多能源动力系统的范畴 假设 将只能提供机械动力的部件称为机械动力源 将只能提供电动力的部件称为电 动力源 并联式混合动力系统的机械动力源既有发动机又有电动机 甚至包括 两个电动机 而电动力源则由电池和可作发电机运行的电动机组成 并联式混合动力系统存在两类核心的控制问题i i 1 稳态或动态过程中多 个动力源的能量分配和效率优化 2 动态过程中多个机械动力源的相互配合协 调工作 前者属于并联式混合动力系统能量管理策略的研究范畴 能量管理策 略是迄今为止并联式混合动力系统控制算法中研究的最为广泛的内容之一 而 对后者的研究进展却鲜有报道 尤其涉及到具体的控制方法 清华大学童毅博 士第一次将这一类问题归纳为并联式混合动力系统中的 动态协调控制问题 重点针对并联式混合动力系统中两个机械动力源 发动机和电动机的 动态 协调控制闼题 这一前沿课题展开了深入的研究工作 1 2 1 动态协调控制问题的提出 并联式混合动力系统汽车主要有三种工作模式 1 发动机工作模式 2 电动机工作模式 3 发动机和电动机共同工作模式 这三种模式又可以进一步 细分为并联式混合动力系统的多种运行状态 例如 电动机工作模式可细分为 缠电动驱动运行状态和皂动机用作发宅机进行制动麓量露馈的运行状态 发动 机和电动机共同工作模式可细分为发动机和电动机共同驱动运行状态和发动机 提供动力 既驱动车辆行驶 又带动发电机发电的行车发电运行状态等 不同 的运行状态下的控制方法是不同的 因此 确定混合动力系统的运行状态是进 行控制的必要基础 针对图1 2 所示的基于i s g 的并联式混合动力系统f o r d 实验室的a n t h o n ym p h i l l i p s l 2 1 等人在研究了这种混合动力系统所有运行状态 的基础上 总结出可能出现的1 0 种运行状态 如表1 1 所示 车辆行驶过程 2 武汉理1 大学硕十论文 中 控制系统将根据系统 故障诊断结果 驾驶员意 图和控制算法随时改变 发动机和电动机的工作 模式 使得混合动力系统 的运行状态在不同状态 之间进行切换 以下简称 为 状态切换 发 变 团 l 电池组 图1 2f o r d 实验室研究的基于i s g 的并联混 合动力系统的结构图 表1 1 基于i s g 的并联式混合动力系统的l o 种运行状态 序号状态名称发动机电动机说明 0停车关闭关闭 停车 1 纯电动驱动关闭电动机电动机驱动车辆行驶 2 低速能量回馈关闭发电机制动能量回馈 离合器脱开 3 高速能量回馈关闭发电机制动能量回馈 离合器结合 4 发动机驱动工作关闭发动机驱动车辆行驶 5功率辅助工作电动机发动机和电动机驱动车辆行驶 发动机驱动车辆行驶的同时带动 6充电工作发电机 发电机向电池充电 电动机驱动车辆行驶的同时关闭 7发动机停机关闭电动机 发动机 电动机驱动车辆行驶的同时启动 8发动机起动工作电动机 发动机 9放电 工作 电动机 发动机驱动车辆行驶 电池放电 状态切换时有可能造成发动机和电动机转矩的突变 例如 从纯电动驱动 状态切换到发动机驱动状态 电动机转矩从驱动转矩变为0 发动机转矩从0 变为驱动转矩 从功率辅助状态转入充电状态 电动机转矩从驱动转矩变为阻 力转矩 发动机转矩在单纯驱动转矩之外还要附加上带动电动机作发电机运行 的转矩 而且 在某些固定状态中 例如功率辅助或者充电状态 发动机和电 动机同时工作 驾驶员对驱动转矩需求的快速变化 加速踏板或制动踏板的大幅 变化 也将导致发动机和电动机转矩的大幅度变化 所谓动态协调控制问题指的是当发动机和电动机目标转矩发生大幅度变化 武汉理一l 大学硕士论文 或者突变时 在发动机和电动机达到各自目标转矩之前 如何控制发动机和电 动机协调工作 从而保证发动机和电动机输出的转矩之和不产生较大波动 并 符合驾驶员对驱动转矩的需求 是一个从动力性和驾驶舒适性角度出发的控制 问题 1 2 2 动态协调控制问题研究的必要性 如果发动机和电动机具有相同的动态特性 即发动机和电动机从当前的转 矩变化到目标转矩的规律是相同的 则不需要进行动态协调控制 发动机和电 动机只需要按照各自的目标转矩进行控制即可 然而 正是由于发动机和电动 机的动态特性不同 才使得当发动机和电动机目标转矩发生大幅度变化或者突 变时 必须进行动态协调控制 以汽油机发 动机的动态特性 1 加 为例 图1 3 是以 暴冒 h e n d d c k s t 3 卅的姜善如 汽油机平均值模 辎 型为基础在 m a n a b s i m u l i n k 平台上进行仿真 一瞬态空燃比完全控制 瞬态窀燃比控制不足 f 日擗镡 一 燃油量 h 耋不足 巧字嚣譬釜酾崮鹫萼曲气 瞬态空燃比控制不足 f鼍fi 燃油量补偿过多 扣 q 让 蔫 一 d0 5li 52 2 j 3 3 j44 5孝 时闻t t s 图1 3 发动机转矩动态响应的仿真结果 计算的发动机转矩响应的结果 从图1 3 的仿真结果中可以看出 经过瞬态空 燃比完全控制时 实际发动机转矩响应目标转矩阶跃上升阶段的时间大约在 2 0 0i r i s 左右 而且很快就收敛了 当瞬态空燃比控制不足时 如果燃油补偿过 多 发动机转矩响应产生超调 如果燃油补偿不足 则发动机转矩响应速度过 慢 都影响了发动机转矩的动态响应特性 此外 从图l 一3 中还可以看出 1 当目标转矩阶跃上跳变时 无论哪种控制方式下发动机转矩都出现先下降再上 升的情况 2 目标转矩阶跃下跳变时 三种控制方式下的发动机转矩响应速度 与阶跃上跳变相比要低一些 这样的转矩响应结果也将会影响到动力系统的动 力传递平稳性 对于电动机的动态特性 图1 4 给出了在m a t l a b s i m u l h l k 平台上以交流永 磁同步电动机为例 7 埘1 进行仿真计算的结果 仿真计算是在图1 4 a 和图1 4 4 武汉理j 大学硕士论文 b 给定的阶跃上跳变和下跳变的目标转矩变化轨迹进行的 永磁同步电机的 电流变化速度非常快 如图l 一4 c 和图1 1 1 d 所示 从而导致永磁同步 电机转矩很快就能跟随目标转矩曲线 响应的时 自j 只有几毫秒 而且电动机转 矩并没有如发动机转矩一般出现明显的超调或者滞后现象 与汽油机转矩几百 毫秒的响应时间相比 永磁同步电机几毫秒的转矩响应时间是非常短的 因此 永磁同步电机的转矩可以被看成瞬变量 图1 4 电动机转矩动态响应仿真结果 根据以上的研究可以得出 发动机和电动机动态特性的差别主要表现在以 下两个方面 1 发动机转矩变化的时间常数明显大于电动机转矩变化的时间常 数 2 发动机瞬态空燃比控制难度大 瞬态空燃比控制得不佳容易造成发动机 的转矩波动或者滞后由于发动机与电动机动态特性存在明显不同 在状态切换 过程中 当发动机和电动机的目标转矩发生较大幅度变化时 如果仍然只按照 各自的目标值进行控制 将使得发动机和电动机实际输出的转矩之和产生较大 波动 与需求的转矩产生较大的误差 从而导致动力传递不平稳 影响整车动 力性能 甚至恶化驾驶性能 1 2 3 基于转矩控制的动态协调控制 武汉理f 大学硕士论文 面向动态侨调控制问题的控制算法由两部分构成 i 一部分为转矩管理策 略 另一部分为动态协调控制算法 转矩管理策略解决什么时候进行状态切换 和各个状态下发动机和电动机目标转矩是如何确定的问题 动态协调控制算法 则在转矩管理策略的基础上对需要控制的状态切换过程进行动态协调控制 当混合动力系统进行状态切换时 转矩管理策略将确定在目标状态中发动 机和电动机的目标转矩 在部分状念切换过程中 状态切换前后的发动机和电 动机目标转矩发生了突变 需要在状态切换过程中对发动机和电动机进行动态 协调控制 由于转矩管理策略以转矩为最主要的控制变量 根据总需求转矩和发动机 稳态效率m a p 图确定状态切换的条件以及发动机和电动机的目标转矩 动态 协调控制算法建立在转矩管理策略基础之上 其基本算法为 发动机转矩开环 发动机动态转矩估计 电动机转矩补偿 在此算法中 当状态切换需要进行动态协调控制时 一方面要限制发动机 转矩的变化速率 从而降低发动机动态过程中的燃油消耗和排放 另一方面要 用电动机转矩对发动机转矩进行补偿 使发动机和电动机的转矩之和与目标转 矩相同 从而保证动力传递的平稳性 要用电动机转矩对发动机转矩进行补偿 以很好地减小状态切换过程中发 动机和屯动杌转矩之和的波动以及车速加速度的波动 并保证状态切换过程中 动力传递的平稳性 就必须能够实时 准确的对发动机转矩进行在线估计 因此 动态协调控制算法中的关键技术 发动机转矩在线估计对于实现 并联式混合动力系统控制有着极其重要的意义 1 3 发动机转矩估计的研究现状 目前关于发动机转矩估许的方法 主要有基于发动机平均值模型的转矩估 计算法和基于发动机曲轴瞬时转速的转矩估计算法两种 1 3 1 基于发动机平均值模型的转矩估计算法 目前 在现有的汽油机模型中 面向控制的发动机平均值模型口卅 1 0 1 6 1 m v e m s m e a l lv a l u ee n g i n em o d e l s 最为实用 平均值模型是介于循环模 武汉理 大学硕士论文 拟模型和传递函数模型之间的较为简单发动机数学模型 所描述的发动机的参 数是一定时间内该参数的平均值 平均的时间虽然比高转速时的发动机一个循 环的时间要长 但却远远短于动态工况中发动机参数变化的时间 通常需要几 十 几百个循环 这使得平均值模型能够精确地描述动态工况中发动机参数 进气歧管压力 转速和充气效率等 的变化过程 而且 平均值模型可以通 过代数方程以及简单的微分方程来表现 可以非常简便的在控制中加以应用 基于发动机平均值模型的转矩估计算法有其优势 1 该算法具有前馈性质 从理论上分析 模型计算的结果与实际发动机的 输出应该是一致的 从原理上不应该存在相位差 是一种比较理想的在动态过 程中估计发动机转矩的算法 2 该算法中没有复杂的计算 最繁琐的发动机进气系统动态过程也仅为一 阶微分方程 计算简单 尤其在低端的处理器上的实现容易 3 该算法与现有的发动机电控系统中基于模型的控制算法有着异曲同工之 妙 但是 这种算法也有其不足 首先 该算法的理论基础还有较多值得商榷 之处 一方面 进入发动机气缸的并不仅仅是空气 而是空气和燃油的混合气 通常也可以称作充量 充量并不完全等同于空气量 只有当发动机的空燃比控 制锝较为理想对 理论空燃比附近 可以近似地认为由进入发动机气缸的充量 所做的功等同于进入发动机气缸的空气所做的功 7 2 3 但是 在实际情况中并 不完全如此 另一方面 发动机转矩的产生除了与进入气缸的充量相关以外 还和点火正时相关等因素相关 如果改变了点火正时 也会造成转矩的变动 其次 在此种算法必须建立准确的发动机进气系统模型 尤其是较好地建 立通过发动机节气门的空气流量与节气门开度 进气歧管压力和发动机转速的 模型 只有当模型标定得比较准确了才有可能更精确的估计出发动机的转矩值 最后 该算法具有一定的局限性 利用该算法进行发动机转矩估计时目前 只面向汽油机 如果需要在柴油机上应用还必须建立柴油机的平均值模型 即 使是只针对汽油机 不同的汽油机采用不同的空燃比控制策略以及不同的补偿 方式都将给建模过程带来不便 武汉理j 丈学硕士论文 1 3 2 基于发动机曲轴瞬时转速的转矩估计算法 发动机曲轴瞬时转速的波动特征是反映发动机转矩的非常有效的指标之 一 因此 利用曲轴瞬时转速信号对发动机转矩进行估计己经取得了 定的研 究成果 2 4 3 0 l 国外采用的方法是通过试验直接标定不同工况下发动机曲轴瞬时 转速的波动幅值与发动机转矩的关系 然后制成m a p 图 在发动机实际运行 过程中由计算的瞬时转速波动幅值通过查m a p 图的方式得到估计的发动机转 矩 在确定瞬时转速波动幅值与发动机转矩的关系上 关键是如何定量描述瞬 时转速的波动幅值 对这一问题 已经提出了三种方法 1 采用发动机发火频 率点的幅值 2 采用瞬时转速的均方值 3 采用瞬时转速的最大值与最小值 之差 李建秋博士在y c 6 1 0 8 非增压柴油机上对上述三种方法均进行了验证f 3 0 l 结果表明 由这三种方法计算得到瞬时转速波动幅值与发动机转矩之间的关系 都是非单调的 李建秋博士 3 0 将研究的重点落在曲轴瞬时转速在发动机发火频 率点的波动幅值上 并指出 在考虑曲轴瞬时转速在发火频率点的波动幅值的 同时 还必须考虑其相位 并提出两点假设 1 气体作用力与惯性作用力引起 的曲轴瞬时转速在发火频率点的波动幅值的相位完全相反 即相位相差1 8 0 2 由气体作用力引起的曲轴瞬时转速在发火频率点的波动幅值的相位是不变 的 如果上述两项假设成立 那么由气体作用力引起的曲轴瞬时转速波动幅值 与由惯性力引起的曲轴瞬时转速波动幅值就可以进行代数求差 从而得到一个 掰指标 带符号的曲轴瞬时转速波动幅值 该指标与发动机转矩之间的关系 是单调的 而且 当发动机平均转速不变时 带符号的曲轴瞬时转速波动幅值 与发动机转矩之间呈线性关系 该算法最大的优点是通用性强 涉及到的信号非常少且估计精度高 但是 对于增压柴油机和电喷汽油机 如果直接应用该算法得到的在部分工况下的结 果不是十分理想 需要对原算法进行修正 该算法的不足之处就在于实时性要求比较高 计算的工作量比较大 1 3 3 基于人工神经网络的发动机转矩估计 传统的发动机性能预测方法是由有关的热力学 化学反应动力学 力学等 武汉理j 大学硕 论文 描述发动机气缸内气体状态的一系列微分方程的求解来推算动力性 燃油经济 性 排放特性等 通过气缸内气体的物理 化学 热力学 流体力学描述的发 动机性能与各种参数问关系的数学模型 可以用来预测发动机的性能 但上述 模型的建立过程中 许多待定系数必须通过发动机的试验确定 如传热系数 化学反应过程中的一些待定常数等 即模型中含有一定的经验成分 由这种模 型预测的发动机性能精度存在对工作条件变化敏感 通用性较差等缺点 人工神经网络 简称a n n 是模拟人脑的结构以及对信息的记忆和处理功 能 它具有擅长从输入输出数据中学习有用的知识的特性 其非线性映射和记 忆能力的特点十分适合非线性的数学建模 它不需要精确的数学模型 能够解 决传统自动化技术无法解决的许多复杂的 不确定性的 非线性的自动化问题 且易于用硬件或软件实现 对于发动机转矩估计 可以利用神经网络的学习性的特点 借助神经网络 将各种影响发动机输出转矩的主要参数对发动机的非线性影响以网络模型的形 式表示出来 即首先通过实验 取得这些因素对汽油机各种性能影响的实验结 果 作为神经网络的训练样本 通过训练可获得这些因素与发动机性能之间的 非线性关系的预测模型 建立起发动机输出转矩与发动机运转参数问关系的神 经网络模型后 就可以用以预测 分析发动机的转矩输出 这样的方法的优点在于抛开了传统的烦琐数学建模的方法 只要通过对足 够数量的学习样本的学习 就可以得出这些影响因素与发动机输出转矩之间的 非线性关系 而且只要选择正确的网络结构和学习方法 并有足够的学习样本 就可以建立起精度很高的模型 节约了许多实验的时间也克服了传统模型中经 验成分的误差 预测发动机转矩精度也比较稳定 1 4 本课题研究的主要内容 目的和意义 课题研究的主要内容是 1 合理设定工况 进行发动机稳态 动态试验 为发动机转矩估计提供 样本数据 2 建立发动机转矩估计的神经网络模型 3 神经网络模型的学习训练与优化 4 发动机各工况下的转矩估计 9 武汉理j i 人学硕十论文 课题研究的目的是建立发动机转矩估计的神经网络模型 并通过神经网络 模型的学习训练与优化 实现各种工况下发动机转矩的精确预测 课题研究的意义在于可以通过一定数量工况点的试验数据 实现发动机在 各种工况下 所有节气门开度和转速范围内的转矩估计 建立相关数据库和 m a p 以帮助实现并联式混合动力系统在状态切换过程中发动机和电动机协调 工作 并且可以将神经网络模型的预测功能推广至发动机的经济性 污染物捧 放 噪声 振动等性能指标的预测研究 1 0 武汉理 r 大学硕十论文 第2 章基于a v lp u m a o p e n 的发动机试验 本文的一系列稳态和动态试验均是基于奥地利a v l 公司的p u m a o p e n 测 试系统及其被测系统 以下主要介绍基于a v l p u m a o p e n 测试系统的发动机 动态试验系统各个组成部分的结构 功能特点和所进行的稳态 动态试验 2 1a v lp u m a o p e n 发动机动态测试系统的构成 a v l p u m a o p e n 发动机动态测试系统总体上主要由自动化操作系统 控 制系统 测试系统 数据测试与采集系统等四个子系统构成 各个部分之间相 对独立又相互关联 形成一个有机的整体 系统使用了模块化设计的思想 3 1 1 其结构示意图如图2 1 示 2 1 1 测功机系统 图2 1 动态试验台架的组成 测功机以转矩的形式给发动机加载 由此来研究发动机的特性 当今的车 用发动机的研究开发对测试的要求已不再是稳态的试验 无论是经济性 还是 排放性能 都要求现代发动机具有良好的动态特性 也就是在可重复的状态下 改变负载时的响应 即瞬态特性 尤其是为了缩短开发周期和满足严格的排放 法规的要求 采用了高动态试验台 这对测功机的性能提出了很高的要求 见 武汉理 r 大学硕士论文 表2 1 表2 l动态试验台的频率响应及分类 德国汽车工业分类 高动态 动态 瞬态或准动态 稳态 速度变化率 d n d i r p m s 6 0 0 0 2 0 0 0 转矩调节时间 m s 2 05 0 l o o5 0 0 换档时n s 试验台架与台架外围设备的控制通过一个受控的人机对话接口在屏幕 和功能键盘上完成 4 同时采集存储所有测量数据 5 在测试过程中或测试程序结束后 完成所有的计算 以数字和图像形式 武汉理 人学硕十论文 处理测量数据 6 测试过程的监控 为了保护试验用机免受损坏 应将下列测量值控制在 允许的界限内 检测时间问隔可以任意设定 一般可设为 冷却水出口温度 润滑油温度 润滑油最低压力 进气管压力 或增压压力 2 0 0 m s 转速 转 矩2 0 m s 8 测量数据传送至上位计算机 以及从上位计算机接收测试程序的要求 9 报警 实测值达到设定的边界值时 可以设定不同的响应方式 有声音 报警 发动机转入冷运行和停机等 比如可设定实际值达到了设定第 级边界 值 系统发出声音报警 如果超过了第二级边界值 控制计算机关闭试验台架 参数 测量数据及测试程序储存在硬盘上 试验结束后 可以将测量数据 传送至上位计算机 2 1 3 数据测试与采集设备 测试设备除了油耗仪 烟度仪 漏气仪 空气流量计 各种温度 湿度和 压力传感器等常规试验所必需的试验台架的基本配置外 根据试验目的可以添 置其他试验设备 试验台架的计算机控制系统有足够的通道以供不同的测试设 备的数据通讯 对于发动机的动态性能测试 最重要的测试设各是排气和燃油 消耗的动态测试 如用a v l7 3 3 s 动态油耗仪 测试频率可达到1 0 h z 对排放 测试要有动态的c v s 定容采样系统 系统 为了实现数据的高速采集与通信 p u m ao p e n 系统中采用了一组快速前端模块 3 2 它们的性能特点分别如下 f f e m a i f f i r e w i r e f r o n te n dm o d u l ea n a l o gi nv a s t 用于模拟量采集 以 最高5 k h z 的频率采集电流或电压信号 有1 6 个通道 f f e m a i sff a s t f r o n te n dm o d u l e a n a l o gi ni s o l a t e d 它与f f e ma i n 的主要区别是它带有信号电流隔离 可以以最高2 0 0 h z 的频率采集电流 电 压 阻力 湿度和噩力 f f e m c n t v a s t f r o n t e n d m o d t d e c o u n t e r i n p a 0 用于测量速度 频率 周期和事件 f f e m d i o f a s tf r o n te n dm o d u l ed i g i t a li no u 0 用于输入和输出数字信 号 信号不能直接输入到p u m a o p e np c 而要通过f f e m d a c f f e m c o n f f e m c n t 再输入p c 机 武汉理工大学硕士论文 f f e m d a cf f a s tf r o n te n dm o d u l ed i g i t a la n a l o gc o n v e r t e r 用于数模转 换和模拟信号输出 带有一个接口可以与f f e m d i o 相连 可以直接转换并输 出信号到p u m ao p e np c 或外设 f f e m c o n f a s t f r o n te n dm o d u l ec o n t r o l l e r 快速前端控制嚣 通过它 操作者可以获取转速 频率 周期 实时事件 并输出需要的电流 电压 频 率和数字信号值 用于控制想要控制的设备 以上模块都通过i e e e l 3 9 4 通信接口与p u m a o p e n p c 机进行通信 保证 了通信的高速性 2 1 4 自动化操作系统 自动化操作系包括由动态控制和高精度数字控制操作系统 汽车行驶模拟 操作系统在内的软件系统及各种手动控制按钮和旋钮 它将复杂的实际系统测 试运行过程隐藏在后台 通过友好人机对话界面实现对系统参数的设定 修改 和在线监控 实现对测试程序的编辑编译 运行控制 实现测试可重复性 实 现对测试数据的存放 显示 打印及计算处理 动态试验台架计算机软件系统的设计以控制和测试软件实时化 用户界面 图形化为主要特点 a v l 公司的p u m a o p e n 采用w i n d o w s 2 0 0 0 的操作环境 具有动态数据交换 网络通道 实时数据库等功能 试验人员在w i n d o w s 所提 供的直观 形象 易学 易用和友好的界面上 可以轻松地调用功能菜单 利 用软件中提供的编程工具 加上汽车及作为动力的发动机的相关的计算公式编 制满足试验任务要求的试验程序 选择手动 半自动或全自动试验方式执行试 验任务 终端显示的各种数字及模拟量都可根据用户的需要任意改动 软件本身提供p i d 算法控制 用户可实时监测试验状况和测试结果 随时 调整p i d 参数 通过将控制参数值反馈到输入端的比较控制器上 与设定值或 可修正变量进行比较 以达到精确控制的目的 其扫描频率可以达到1 2 8 h z 以 上 因而具有足够高的响应速度 软件可以提供强大的图像实时跟踪处理功能 试验人员可在所定义的窗口 里实时跟踪控制参数 如转矩 转速 润滑油压力等 的变化情况 用户还可 根据试验需要修改图像x y 坐标的设置以获取所需的图像输出 另外通过绘图 软件 在对试验数据进行处理后可绘制各类发动机特性曲线或m a p 图 武汉理 j 大学硕士论文 发动机试验所需的各种仪器 如油耗仪 空气流量计等 的信号经过处理后 都可进入系统进行操作 显示及计算输出 为避免干扰信号 系统采用i e e e l 3 9 4 接口联接 实现数据高速传输 软件系统的主要特征除了具有动态控制和高精度数字控制操作系统 还有 汽车行驶模拟操作系统 模拟操作系统的功能是对车辆行驶状况的模拟功能 动态试验台架模拟的目的是使发动机在输出轴上达到在道路行驶状态下车辆施 加给发动机的负载特性 动态试验台架上模拟道路试验时也需要模拟汽车在道 路上行驶时的实际牵引力以及从飞轮到驱动轮这一套驱动设备 驾驶员则按照 典型的特性实现模拟 模拟系统由驱动系模拟 速度调节和汽车刹车调节等功能群所组成 p u m a o p e n 系统中采用的是i s a c 4 0 0 模拟软件 2 2 发动机性能试验 车用发动机功率和转速都独立地在很大范围内变化 它们之间没有特定的 函数关系 其转速决定于车速 可以从最低稳定转速一直变到最高转速 功率 取决于汽车行驶阻力 装载量 车速和路面情况等 在同一转速下 可由零变 到全负荷 对于发动机 其性能测试包括稳态性能试验和动态性能试验 稳态试验内 容包括发动机外特性 部分负荷特性 万有特性以及排放特性 发动机动态性 能包括起动性能 动态油耗 排放性能等 发动机动态转矩输出特性数据为进 行动态切换和换档协调控制提供实验依据 也为发动机的人工神经网络建模与 仿真提供样本数据 这主要包括发动机的加速或加载过程中的转矩输出特性 即加速或加载时转矩输出与转速 节气门开度 节气门开度变化率的关系 以 及发动机在空载状态下的转速和节气门位置的关系 还有 某种型号的发动机 用于混合动力发动机时可能需要对其部分调整参数和结构参数进行调整 试验 数据可以为评价调整的技术效果并为其提供依据 本文所进行的发动机转矩估计 是针对稳态工况和稳定运行后加载减载的 动态工况进行的 2 2 1 发动机稳态工况性能试验 6 武汉理l 大学硕七论文 发动机稳态工况是指发动机各运行参数均处在稳定状态时的工况 如节气 门开度口 发动机曲轴的转速胛 输出转矩瓦及其内部热平衡q 等均处于相对 稳定状态 基本不随时间t 变化1 3 4 j 在稳态工况下 发动机各工作过程参数之 间存在着一定的函数关系 对于非增压式发动机 其动力性指标与各工作过程 参数之间可表示为如下关系式 白 玎 r 口 印 2 一1 若式 2 一1 中包括的所有参数均基本不随时间t 变化 则称为稳态工况 稳态工况的特征是描述发动机工作过程的能量 热量和质量平衡方程式的 右端项为零 即应满足下列条件之一 1 发动机的功率 和转矩瓦与耗能机械的功率 和阻力矩瓦相平衡 即有 只一只 0 或乙一瓦 0 2 2 2 当发动机的热力状态 冷却介质温度 为常量 亦即单位时间内从发 动机传入冷却系的热量q 与单位时间经散热器向周围介质散出的热量或相平 衡 q 一或 0 2 3 3 对于增压发动机 当涡轮机转矩耳和压缩机的阻力矩瓦相平衡 即 弓一耳 0 2 4 由发动机原理可知 即使在稳态工况下 也还总有一些偶然的不确定因素 影响着发动机的工作过程 如存在各缸和各相继循环问的所谓循环变动 使各 相继循环之间气缸内的指标参数值相对某 中间值产生波动 此时通常是取其 平均值作为稳态工况的参数 因此 严格说来发动机始终不是在稳态工况下工 作 将发动机的工况分为稳态工况与动态工况是相对的 通常若在所研究的时 间区段内 发动机性能指标与其平均值的偏差不超过 2 则可以认为该工况 为稳态工况 本文中的一系列试验均使用神龙富康t u 5 j p k 汽油发动机进行 其技术参 数如表2 2 对于稳态工况试验 测试了发动机节气门开度固定在5 巧o 每 间隔5 6 0 9 0 每间隔1 0 发动机转速在1 2 0 0 5 0 0 0 r p m 每间隔 武汉理i 大学硕十论文 1 0 0 r p m 时共4 2 1 个稳态工况点的输出转矩 见表2 3 和图2 2 图2 3 表2 2 富康t u 5 j p k 汽油发动机技术参数 技术参数名称技术参数内容 形式直列四缸四冲程 水冷 顶置凸轮轴发动机 燃油供给方式多点顺序电子喷射 点火方式静态电子点火 总排量 l1 5 8 7 缸径 冲程 m m7 8 5 8 2 压缩比9 6 点火次序 1 3 4 2 额定功率 k w 6 5 额定转速 r p m 5 6 0 0 最大转矩 n m1 3 5 最大转矩转速 r p m 3 2 0 0 表2 3 发动机稳态试验工况设定 节气门开度 起始转速 r p m 终了转速 r p m 转速变化步长 r p m 5 1 9 0 0 l o 2 3 0 0 1 52 8 0 0 2 04 0 0 0 2 5 4 5 0 0 3 0 3 5 1 2 0 0 l o o 4 0 4 5 5 05 0 0 0 6 0 7 0 8 0 9 0 武汉理工大学硕士论文 图2 2 发动机稳态工况转矩 稳态转矩 图2 3 发动机稳态工况转矩m a p 武汉理r 大学硕十论文 从图2 2 和图2 3 可以看出 当转速一定时 输出转矩随节气门开度的增 加而增加 增加的速度先快后慢 两者之问是一个非线性关系 当固定节气门 开度且节气门开度小于4 0 时 随转速的增加 转矩下降 在节气门开度大于 4 5 时 低速段转矩先随速度的增加而增加 高速段转矩随转速的增加略有下 降 这是因为在低速大负荷时 进气速度慢 混合气形成质量下降 燃烧恶化 造成的 2 2 2 发动机动态工况性能试验 汽车发动机的实际运行工况大都随路面阻力的情况而不断地变化着 发动 机出现动态工况的标志是式 2 1 中所包含的参数中的 个 几个或所有随时 间f 而变化p 4 1 这样 在动态工况下 式 2 1 是时间t 的复合函数 在动态工况下 式 2 2 2 4 中的能量平衡条件被破坏 其结果是 发动机出现能量的过剩或者不足 如当发动机的热平衡式 2 3 遭破坏时 导 致发动机冷却介质的温度按下述微分方程所确定的规律变化 q 一幺 c 兰 2 5 i 式中 c 发动机冷却系统的比热 将式 2 3 与式 2 5 进行比较 可知稳态工况的标志是d r a t 0 a a d t 0 或a a t 即表征发动机工作过程的各参数均基本不随时问而 变化 在正常热力状态下工作的汽油机 通常是通过曲轴转速月 节气门开度口和 空燃比a i f 来实现工况的调节与控制 亦即当曲轴转速i 1 节气门开度口及空 燃比a f 这三个量确定时 便确定了汽油机的工况 以时间 作自变量来考察 则有 稳态工况d a tz0 d c t l d t z o n l d a i f d t z 0 动态工况 a a t o 或d a l d t o 或d i f d r 0 因此 在动态工况下 用于确定汽油机工况的是栉 口 a f a n e l d c t d t 和d 4 1 f d t 六个量 对于化油器式发动机 空燃比a f 是节气门开度口及其 武汉理工大学硕士论文 变化率a z d t 的函数 电控汽油喷射式发动机在不考虑温度补偿时也是如此 故在大多数情况下 是行 口 a a