欧3发动机的电控系统匹配技术(玉柴)-基于实验和模型的标定-4

基于模型的标定技术1机液电磁强力电磁阀系统发动机管理软件ECU硬件及驱动匹配标定工具整机性能开发柴油机电子控制领域核心关键技术及行业分工电控发动机匹配标定技术（对整机制造商）发动机控制软件（对整机制造商、系统供应商）集成了机液电磁综合控制的高速强力电磁阀系统（系统供应商）系统供应商整机制造商ECU硬件设计制造商标定软件设计制造商2电控柴油机技术体系发动机匹配标定

电控系统

发动机管理（电子控制）电控燃油喷射系统{底层喷射控制}{电控系统硬件}整机{燃烧系统匹配}{电控系统标定}{发动机匹配标定用户程序}{发动机管理程序}3电控柴油机实验标定系统4标定内容电控柴油机匹配标定关键环节电控系统标定燃烧系统匹配5对标定内容进行分解电控系统MAP的标定法规工况的标定非法规工况的标定+参数优化问题起动怠速状态修正瞬态过程……6关于多段喷射Pilot(预)降低躁声PM油耗恶化

Pre-(前)NOx降低躁声

颗粒Post(副)减少颗粒油耗恶化After(后)颗粒后处理油耗严重恶化Main(主)动力性降低躁声

预混合燃烧降低噪声和PM缩短主喷的着火延迟，降低燃烧噪声和NOx活化扩散燃烧，减少PM活化后处理装置的催化剂7各个工况下柴油机的理想喷油规律8参数优化问题的数学描述是一个带约束的优化问题优化对象：发动机的控制参数，如喷油压力、喷油定时、多次喷射时的油量分配比例、EGR率等；目标：发动机性能，如燃油经济性最佳；约束：排放9基于实验的标定10基于实验的标定方法概要针对优化参数较少的电控柴油机以实验为基础,将建模优化的数学计算，通过实验方法实现1113工况排放中存在的实际比例与法规权重不同的现象12条件将数学上的优化问题，分解到实验步骤上，在已知实验测试结果中：在已完成的实验中包含最优解；每个工况下都存在经济性最佳的喷油定时ib,i,minbe；（i=1，……，13）；在每个工况点下都存在NOx排放随喷油定时减小而减小的变化规律；HC和CO排放足够低，可以忽略不计；排气烟度足够低（如最大转矩点排气烟度<0.3FSN）13首先调节喷油定时实现无约束下的经济性最佳14得到基本定时MAP14161820100704010160022001000油门[%]15参照法规权重进行调整（NOx）减小喷油提前角进行调整16参照法规权重进行调整主控制稳态定时MAP17对标定内容进行分解电控系统MAP的标定法规工况的标定非法规工况的标定+参数优化问题（2）起动怠速状态修正瞬态过程……18基于模型的标定19参数优化问题的数学描述是一个带约束的优化问题优化对象：发动机的控制参数，如喷油压力、喷油定时、多次喷射时的油量分配比例、EGR率等；目标：发动机性能，如燃油经济性最佳；约束：排放20基于模型的电控系统标定概念实验验证实验及重复实验实验设计构建模型寻优建模方法优化算法21共轨系统标定技术现状－自动标定技术CAMEO（ComputerAidedManagementofEngineOptimization）是以Matlab为核心的一个开放系统，允许用户自己能够开拓和发展CAMEO。发动机测试和标定开发系统运行在三个PC机上。优化PC机运行三个软件，一是CAMEO，用于测试和优化定义以及结果分析，CAMEO采用微软的ACCESS数据库；二是Matlab，用于试验调度、建模、优化和MAP计算；三是ACSI，用于测试台架及应用系统通信接口处理。测试台架控制PC运行POI和PAM。前者是用户界面，包括应用系统界面MEI；后者是测试台架控制系统参数管理器。应用系统PC运行的软件用于在线标定编辑、显示及与ECU传输数据。由于自动标定试验台价格昂贵且使用成本较高，所以即使在国外，对欧3柴油机标定也是尽可能不用或少用该系统。但对欧4、欧5柴油机，由于电控系统复杂，变量较多，此时适时采用自动标定系统可以达到事半功倍的效果。22共轨系统标定技术现状－高级人工标定技术23基于模型标定方法－概述减少台架试验时间降低开发成本和缩短开发周期试验设计问题：在选定的工况点上并没有测试所有变量的组合情形；只选定了部分工况点，还有许多工况点没有测量。发动机建模优化半物理半经验模型：WAVE，BOOST。数学模型：神经网络模型，统计回归模型发动机试验24基于模型标定方法－发动机经济性优化问题be—燃油消耗率(g/kW.h)；n—发动机转速(r/min)；q—循环供油量(mg/cyc)；PCR—油轨压力(hPa);—主喷喷油正时(℃A)Tex—排气温度(℃)；Pmax—缸内气体最高压力(bar)；Smoke—排气烟度(FSN)；Tex_Lim—排气温度限值(℃)；P_Lim—最高爆发压力限值(bar)；Smoke_Lim—排气烟度的限值(FSN)。问题定义：约束条件：其中：主喷正时MAP：油轨压力MAP：25随着现代发动机可控参数数目的增加，台架试验时间呈指数增长，而试验台架时间非常昂贵，因此大幅度减少试验时间变得越来越重要。采用试验设计方法采集最有用的数据，则可以节约大量的时间和金钱。

试验设计－意义26试验设计－方法概述

试验设计方法包括：古典设计、空间填充设计和优化设计。

优化设计适应于模型类型和约束条件确定的情形且只适用于线性模型。这一点在工程中难以做到，所以这里不作详细叙述。27试验设计－古典设计：全因子试验设计全因子试验设计产生工况点的n维网格。如图所示。在该图中，试验设计因子分别为发动机转速、循环供油量和油轨压力，每个因子水平数均为3。为便于对比，后述古典试验设计方法均采用同样的因子和水平数。27个工况点28试验设计－古典设计：中心复合法试验设计中心复合法产生的设计包括一个中心点、每一设计空间角上的点和每一设计空间面上的中心点。设计空间包括立方体、球体、旋转体以及用户自定义空间。15个工况点29试验设计－古典设计：Box－Behnken法试验设计Box-Behnken法类似中心复合法，但每一因子只需三个水平，且设计空间总是球面空间。

13个工况点30试验设计－古典设计：Plackett－Burman法试验设计PlackettBurman法是二水平设计，可以用最少的试验来测试因子对模型的影响。试验点构造自阿达玛（Hadamard）矩阵，且属于二水平正交矩阵[L4(23)]。

4个工况点31试验设计－古典设计：正则单行体法试验设计正则单形体法的试验点取自k（k＝因子数目）维正则单形体的顶点。对于两因子（二维空间），单形体为三角形，三因子（三维空间）是四面体，四因子及四因子以上是多维单形体。

5个工况点32试验设计－古典设计总结不同古典试验设计方法得到的试验点数对比试验设计方法试验点数全因子中心复合法Box-Behnken法PlackettBurman法正则单形体法27151345除了全因子试验设计外，其他设计方法得到的试验点较少，且试验点在试验空间内分布比较规则，因此古典设计不能满足发动机的复杂建模的需要。33试验设计－空间填充设计：拉丁超立方取样假如要产生N个试验点，拉丁超立方取样方法是在每一个因子上投影N个不同水平，而试验点的产生是随机的。因此，可以在若干组随机产生的试验点集中选择一组满足要求的试验点集。34试验设计－空间填充设计：格子法格子法同样是在每个因子上投影N个不同水平，但试验点的产生不是随机的，而是通过一种算法来选择，该算法使用每个因子的质数。因此，如果给一个好的质数，则将试验点均匀地分布在试验空间内；反之，如果质数选择不好，则在设计投影面上可以明显地看到线或平面，如图所示。如果所有的试验点都簇拥在一个或两个平面上，则意味着在复杂模型中不能评估所有效果。。35试验设计－空间填充设计：分层拉丁超立方分层拉丁超立方法则是把一般的超立方分割为指定因子的N个不同水平。这对于已知某些特定因子的水平以及与其他因子相比，某些因子需要更多细节来建模的情形特别有用。该方法同样对于某些只能测试特定水平的情形也非常有用。

36试验设计－空间填充设计总结空间填充设计不需要事先确定模型类型，且空间填充设计用尽可能覆盖因子空间的方式来选择试验点。因此该方法适合共轨柴油机建模需要。这里将采用拉丁超立方取样方来进行试验设计。

37试验设计－工程应用试验设计变量的范围变量名称最小值最大值间隔值发动机转速(r/min)循环供油量(mg/cyc)油轨压力(bar)10002040024001201600100101002145个工况点工况由发动机转速、循环供油量、油轨压力三个参数定义，不包括提前角69个工况点空间填充法最小工况点数目取决于模型需要；最大工况点数目取决于试验资源。38发动机建模－二级模型固定转速n，循环供油量q和油轨压力Pcr调节主喷正时，得到一条随主喷正时变化的燃油消耗率曲线曲线改变转速n，循环供油量q和油轨压力Pcr三个变量中的任何一个、两个或全部改变试验过程局部模型:a1,a2,a3,…,anb1,b2,b3,…,bnc1,c2,c3,…,cn全局模型：二级模型39发动机建模－数学模型：多项式函数模型n阶多项式模型形式如下：n阶曲线可以产生n-1个弯曲。例如，对于二阶多项式y=ax2+bx+c和三阶多项式y=ax3+bx2+cx+d，其曲线如图所示：40发动机建模－数学模型：混合样条函数模型混合样条函数是对多因子中的一个因子采用样条函数拟合，其他因子则采用多项式函数拟合。样条函数是分段多项式函数，各段光滑连接在一起。连接点称为节点。节点数目和位置可以定义。节点之间的曲线采用同样的阶次。41模型过拟合和欠拟合图中*点为测试数据点。一次多项式拟合曲线（图中红色长划线）与数据点相差甚远，其根均方差也最大，此为欠拟合情形，即模型不能和真实情况很好吻合。增加多项式阶次，可以减小拟合曲线的均方差。但当采用7阶多项式拟合时，如图中的蓝色实线所示，其均根方差为0。但同时数据点之间的曲线出现扭曲现象(图中红色圆圈点为实测数据)。因此，一味追求较小的均根方差会出现过拟合。应同时考虑预测均方差,亦即还要考虑数据点之间的拟合精度。42发动机建模－工程应用主喷提前角燃油消耗率°CAg/(kW·h)10121416182021238232226222219215215第1工况点下的试验数据局部建模全局建模发动机二级模型43标定优化－优化算法分类及发展现状所谓优化算法，其实就是一种搜索过程或规则，它是基于某种思想和机制，通过一定的途径或规则来得到满足用户要求的问题的解。就优化机制与行为而分，目前工程中常用的优化算法主要可分为：经典算法、构造型算法、改进型算法、基于系统动态演化的算法和混合型算法等。现代计算机技术推动优化方法不断发展，并出现了许多专业的优化软件，大大方便了工程应用。44标定优化－有约束单目标最小化求解有约束最优化问题，一般是通过K－T（Kuhn－Tucker）方程将有约束最优化问题转换为无约束最优化问题进行求解。对于规划问题：它的K-T方程可表达为：求解方法称为序列二次规划法（SQP，SequentialQuadraticProgrammingmethod)。45多目标最优化问题的数学模型为：由于多目标最优化问题中各目标函数之间往往是不可公度的，因此往往没有唯一解，此时必须引进非劣解的概念（非劣解又称为有效解或帕类托解）。常用的解法有权和法、ε约束法、目标达到法等。标定优化－有约束非线性多变量多目标优化问题

46标定优化－工程应用：优化工况点定义外特性循环供油量曲线47建立发动机输入输出关系的两个主要途径途径1：通过计算机模拟（仿真）建立基于物理规律的连续函数表达Boost，GT-Power，Wave……

途径2：通过发动机实验直接获得映射关系发动机控制参数发动机性能参数（响应）由里及表由表及里48电控系统建模方法概况方法工具软件典型用户基于仿真Star-CD公司：Gt-powerBenz，VWvs.Recardo研究所：WaveDelphi基于模型(通过实验)AVL公司：CAMEOIsuzuvs.Mathworks公司：MBCFord49神经网络建模的特点和种类发动机控制参数和性能参数之间是复杂的非线性关系，难以建立明确的数学表达式（一般数学模型）。神经网络模型不考虑内部的函数关系，最适合于复杂的非线性关系描述，属黑箱模型，是比较理想的发动机建模方法50建立单阶模型不区分输入参数的物理意义51实验点分布采用正统实验设计方法，选择3个转速，5个喷油量，7个定时，7个轨压共400个实验点52用3维曲面表示的BP模型输出结果能较好表现输入参数和发动机响应之间的映射关系53在实验点上模型预测值与实验值的对比

54基于模型的电控系统标定概念实验验证实验及重复实验实验设计构建模型寻优神经网络建模方法遗传算法55优化方法一类是通过求导求解极值----精确解对复杂系统不适合另一类是不进行求导，直接搜索----非精确解适合复杂系统，但算法选择很关键，否则难以找到全局最优解56遗传算法原理及应用由美国Michigan大学的JohnHolland及其研究小组于上世纪六七十年代提出模仿生物进化理论，将一个多维参数的寻优问题视为一个进化问题，通过建立父代染色体个体和种群、确定基因、通过对染色体的选择、交叉和变异等操作得到新的子代染色体，按照所制定的规则从子代中选择适应性强的新的个体、建立新的种群，进行新的选择、交叉和变异操作，直到得到符合条件的最优个体。用遗传算法优化喷油嘴结构参数、缸径和行程，以及将遗传算法用于汽油机控制参数标定和柴油机标定57遗传算法模型第1步：将发动机的一个工况点Pi视为一个基因，由一组工作参数构成第2步：将多个工况点视为一个染色体X

第3步：多个染色体组成一个染色体种群58遗传算法流程59遗传算法优化程序界面60遗传算法在国产电控柴油机开发中的应用61遗传算法优化结果62对标定内容进行分解电控系统MAP的标定法规工况的标定非法规工况的标定+参数优化问题起动怠速状态修正瞬态过程……63电控单体泵系统标定实例64发动机实验台架标定内容主控制稳态MAP起动控制MAP怠速控制MAP瞬态调速控制MAP其它修正MAP65传感器标定油门传感器MAP冷却液温度传感器MAP燃油温度传感器MAP机油、进气温度传感器MAP机油压力传感器MAP中冷后进气压力传感器MAP66主控制稳态MAP标定主控制油量MAP主控制稳态定时MAPbaseMAP边界线标定ESC13标定其它调速区域标定起动区标定生成完整主控制MAP67起动控制MAP标定起动油量MAP起动油量：与冷却液温度趋势相反；起动电机正常拖动转速区油量较大，随起动转速的升高逐渐渐少喷油量。主控制稳态定时MAP起动定时：大起动油量采用较大的定时以降低烟度排放68怠速控制MAP标定目标怠速MAP目标怠速油量MAP目标油量标定：随转速和冷却液温度而变目标怠速标定：冷却液温度越低，转速越高69燃油温度修正系数MAP冷却液温度定时修正MAP冷却液温度定时修正系