基于模型的電控發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定技術(shù)

李志輝

摘要：本文對(duì)國(guó)內(nèi)外的模型標(biāo)定技術(shù)發(fā)展概況進(jìn)行了闡述。對(duì)模型標(biāo)定技術(shù)在設(shè)計(jì)、優(yōu)化、生成階段所采用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了論述。對(duì)電控發(fā)動(dòng)機(jī)在國(guó)內(nèi)對(duì)模型標(biāo)定技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)存在著不成熟和廣泛性的缺點(diǎn)，站在瞬態(tài)工況的角度來說，對(duì)標(biāo)定技術(shù)在電控發(fā)動(dòng)機(jī)模型中的應(yīng)用、對(duì)控制技術(shù)和整車耦合模型的標(biāo)定，是標(biāo)定技術(shù)在電控發(fā)動(dòng)機(jī)中對(duì)未來模型的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：模型;電控發(fā)動(dòng)機(jī);標(biāo)定技術(shù)

中圖分類號(hào)：U464? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）21-0071-02

0? 引言

由于對(duì)節(jié)能減排要求的不斷提升，以及從舒適度以及駕駛性方面，對(duì)汽車要求的增加，不斷的加大了發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制技術(shù)的應(yīng)用。想要使排放法規(guī)能夠得以滿足要求，對(duì)模型標(biāo)定技術(shù)的采用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物理模型的建立，或是在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，通過數(shù)據(jù)對(duì)噴油角的提前建立，對(duì)軌壓等參數(shù)和功率的輸入，對(duì)燃油消耗率等響應(yīng)參數(shù)的輸出，進(jìn)行模型的建立，以此來使發(fā)動(dòng)機(jī)通過對(duì)模型的利用，能夠通過對(duì)參數(shù)的控制，使技術(shù)能夠達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。標(biāo)定工程師在20世紀(jì)70年代時(shí)，為了使標(biāo)定品質(zhì)能夠得到提升，對(duì)插值建模、球道優(yōu)化方式進(jìn)行了采用，以最優(yōu)控制參數(shù)的獲取為目的，在電控發(fā)動(dòng)機(jī)中模型標(biāo)定技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用。雖然模型的匹配點(diǎn)可能存在過高的問題，或是存在著數(shù)據(jù)在建模數(shù)據(jù)區(qū)之外無法得到有效的預(yù)測(cè)等問題，然而，該技術(shù)在試驗(yàn)工作量、開發(fā)周期以及試驗(yàn)成本等方面所體現(xiàn)出來的優(yōu)勢(shì)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其不足之處。

1? 基于模型標(biāo)定技術(shù)的發(fā)展

國(guó)外已經(jīng)在電控發(fā)動(dòng)機(jī)中對(duì)模型標(biāo)定技術(shù)進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用。然而在國(guó)內(nèi)，由于剛開始對(duì)電控發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行開發(fā)，也沒有較為成熟的模型標(biāo)定技術(shù)。近幾年，部分國(guó)內(nèi)高校對(duì)其技術(shù)所開展的相關(guān)研究，天津大學(xué)、北京理工大學(xué)等高校，以及部分企業(yè)都對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，通過對(duì)多項(xiàng)式模型等技術(shù)的采用，使模型標(biāo)定技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展。對(duì)節(jié)能減排所提出的越來越高的要求，會(huì)促進(jìn)標(biāo)定技術(shù)在電控發(fā)動(dòng)機(jī)中的發(fā)展，然而，國(guó)際上已經(jīng)將模型標(biāo)定技術(shù)作為了標(biāo)定技術(shù)的重要研究?jī)?nèi)容，并且，已經(jīng)在產(chǎn)品開發(fā)中對(duì)其進(jìn)行了大面積的應(yīng)用，模型標(biāo)定技術(shù)在中國(guó)的應(yīng)用缺乏廣泛性以及成熟性，企業(yè)尤其需要在產(chǎn)品開發(fā)中加強(qiáng)對(duì)該技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用。并且，各種基于模型的全新標(biāo)定技術(shù)的出現(xiàn)，意味著中國(guó)對(duì)更大挑戰(zhàn)的面臨。

2? 基于模型標(biāo)定的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)

在電控發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)中通過對(duì)技術(shù)的設(shè)計(jì)，能夠使標(biāo)定工作量得到有效的減少。其能夠?qū)崿F(xiàn)以少量試驗(yàn)點(diǎn)對(duì)更多實(shí)用信息的獲取。僅通過對(duì)280個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的采用，就能夠?qū)崿F(xiàn)從7自由度對(duì)一個(gè)電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)模型的優(yōu)化，并且，通過對(duì)三次方響應(yīng)模型的建立，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的預(yù)測(cè)。在設(shè)計(jì)階段通過對(duì)最優(yōu)V技術(shù)的采用，使得原本需要4653次才能夠完成的普通電控參數(shù)優(yōu)化，僅需要150此標(biāo)定就能夠完成，對(duì)常規(guī)電控高壓共軌柴油機(jī)的1250次標(biāo)定，能夠使標(biāo)定結(jié)果得到優(yōu)化，能夠通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)加以展現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的古典設(shè)計(jì)、空間填充設(shè)計(jì)等，是最為常見的方法，上述3種方法在類別上有所不同，例如，古典試驗(yàn)中對(duì)中心復(fù)合試驗(yàn)、Box-Behnken實(shí)驗(yàn)等方法進(jìn)行了設(shè)計(jì)。此類設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，通過對(duì)在Minitab、Design-Expert等專業(yè)軟件的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)理念的集成。并且，采用標(biāo)定軟件中的CAMEO、VEGA等，在試驗(yàn)?zāi)K中所開展的集成設(shè)計(jì)，通過對(duì)因素、水平、約束等在試驗(yàn)中的定義，僅需對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行不同選擇，就能夠自動(dòng)獲取到各種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。通過不同方法對(duì)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)，在適用性方面也有所不同，在對(duì)電控發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，需要通過對(duì)標(biāo)定發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)的深入理解，以及對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)強(qiáng)度的承受能力等多方面進(jìn)行考慮。例如，在試驗(yàn)中對(duì)非線性復(fù)雜函數(shù)的設(shè)計(jì)，主要采用的是最優(yōu)設(shè)計(jì)，能否得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)，取決于模型參數(shù)所具備的特性，在具備了發(fā)動(dòng)機(jī)的深入了解、最佳模型的先前建立，以及對(duì)系統(tǒng)約束場(chǎng)合的理解的基礎(chǔ)上，更為適用。并且，在標(biāo)定階段通過該設(shè)計(jì)對(duì)任意約束因素的輸入，能夠使電控發(fā)動(dòng)機(jī)得到更合適的標(biāo)準(zhǔn)[1]。在了解不多或者缺乏了解的場(chǎng)合中，所采用的空間填充設(shè)計(jì)，能夠更好的了解響應(yīng)所受到的來自發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響，然而在對(duì)新型發(fā)動(dòng)機(jī)ECU進(jìn)行標(biāo)定的過程中，不需要以模型的形式對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)，就能夠在設(shè)計(jì)空間上對(duì)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行平衡分布。對(duì)于無參數(shù)模型，尤其是徑向基函數(shù)模型來說，該設(shè)計(jì)方式起到了重要的作用，然而，需要對(duì)約束區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行保證。同時(shí)，也可以將不同試驗(yàn)方法運(yùn)用于相同實(shí)驗(yàn)中，例如，通過對(duì)混合空間的填充以及對(duì)設(shè)計(jì)的最優(yōu)化，能夠使模型具有更高的置信度和預(yù)測(cè)能力，作為一種嘗試和選擇來說，具有一定的創(chuàng)新性。

以往在實(shí)驗(yàn)階段對(duì)設(shè)計(jì)技術(shù)的采用，主要是為了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行標(biāo)定，以往在試驗(yàn)階段所采用的設(shè)計(jì)技術(shù)，主要能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)到穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行標(biāo)定，然而，只有極少數(shù)對(duì)瞬態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放，進(jìn)行了法規(guī)的標(biāo)定和優(yōu)化。然而由于技術(shù)的不斷發(fā)展，通過對(duì)時(shí)間因素的動(dòng)態(tài)考慮，實(shí)現(xiàn)了對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用。通過試驗(yàn)階段對(duì)時(shí)間和大量輸入?yún)?shù)的改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行邊界參數(shù)的改變，使振幅頻率、發(fā)動(dòng)機(jī)等干擾因素能夠得到考慮。通過上述試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)相比經(jīng)典設(shè)計(jì)，需要對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行更高維度的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，通過該方法對(duì)模型的獲取，能夠使柴油機(jī)的排放得到更好的優(yōu)化[2]。

3? 基于模型標(biāo)定的模型構(gòu)建技術(shù)

電控發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)物理模型和數(shù)據(jù)模型進(jìn)行了主要的設(shè)計(jì)。通過對(duì)數(shù)據(jù)模型的設(shè)計(jì)，能夠使試驗(yàn)數(shù)據(jù)得以輸入和輸出，然而其無法獲取到過程中的物理化學(xué)變化，因此，又將其稱之為“黑箱模型”。物理模型中對(duì)CFD等技術(shù)進(jìn)行了主要的運(yùn)用，將發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行階段所發(fā)生的物理和化學(xué)變化，通過對(duì)數(shù)學(xué)公式的采用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其的解析，因此，此模型還可以稱為“白箱模型”。兩種模型有著各自的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，通過對(duì)物理模型準(zhǔn)確參數(shù)的采用，能夠?qū)Σ裼蜋C(jī)模型進(jìn)行標(biāo)定，使燃油機(jī)和扭矩能夠得到令人滿意的消耗和標(biāo)定;然而在對(duì)氣體排放進(jìn)行優(yōu)化標(biāo)定的過程中，由于沒有從整體上對(duì)柴油機(jī)的物理和化學(xué)排放機(jī)理進(jìn)行完全的理解，因此，對(duì)物理模型的標(biāo)定缺乏一定的能力。此外，由于“白箱模型”十分復(fù)雜，并且需要長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行運(yùn)行，因此，對(duì)計(jì)算機(jī)有著較高的要求，然而，通過DOE技術(shù)對(duì)“白箱模型”的建立或通過并行技術(shù)的處理，能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)得到更加有效的標(biāo)定。由于對(duì)ECU處理技術(shù)的不斷提升，以及控制技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)中的不斷發(fā)展，“白箱模型”的應(yīng)用得到了更加廣泛的前景[3]。

需要大量的實(shí)驗(yàn)支持，是“黑箱模型”的主要缺點(diǎn)，然而，相比傳統(tǒng)試驗(yàn)中的標(biāo)定方法來說，工作量相對(duì)較少，并且，對(duì)“白箱模型”的構(gòu)建，需要同時(shí)對(duì)模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。缺乏對(duì)系統(tǒng)潛在物理性的關(guān)注是另一個(gè)“黑箱模型”的缺點(diǎn)，同時(shí)，對(duì)模型的匹配還會(huì)出現(xiàn)過量的問題，因此，需要通過工程中所積累的經(jīng)驗(yàn)，來對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練。“黑箱模型”在結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。利用物理模型對(duì)數(shù)據(jù)模型的獲取，對(duì)模型虛擬標(biāo)定技術(shù)的采用，能夠從模型的優(yōu)點(diǎn)出發(fā)，使物理和數(shù)據(jù)得到整合，使標(biāo)定能夠進(jìn)一步減少對(duì)成本的需求，使標(biāo)定速度得到有效的提升。

4? 基于模型標(biāo)定的參數(shù)優(yōu)化技術(shù)

參數(shù)優(yōu)化階段對(duì)兩種優(yōu)化方式的采用，可以按照局部和全局進(jìn)行劃分，其能夠相互促進(jìn)。通過對(duì)局部?jī)?yōu)化的采用，能夠使工況點(diǎn)不會(huì)產(chǎn)生相互干擾，通過對(duì)各工況點(diǎn)的獨(dú)立控制，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)參數(shù)的優(yōu)化。目前，局部?jī)?yōu)化主要是通過對(duì)梯度法的采用。全局優(yōu)化中對(duì)參數(shù)的優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)部分工況點(diǎn)的綜合控制，不僅能夠作為數(shù)學(xué)過程，并且還對(duì)標(biāo)量進(jìn)行了折中，其主要是由于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)階段，不斷的對(duì)大量約束條件和要求進(jìn)行了考慮[4]。

全局優(yōu)化中主要對(duì)傳統(tǒng)的枚舉法以及Lagrange法進(jìn)行了采用，目前通過對(duì)遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等的采用，得到了全新的發(fā)展。即使標(biāo)定階段依然對(duì)傳統(tǒng)的局部?jī)?yōu)化法進(jìn)行了普遍的應(yīng)用，并且通過對(duì)模型標(biāo)定所采用的AVL的Cameo和MATLAB工具箱，能夠使CAGE工具箱得到更大范圍的應(yīng)用，然而此類方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整體排放標(biāo)準(zhǔn)的不確定性，是其最大的缺點(diǎn)，無法通過對(duì)瞬態(tài)工況的滿足，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定性能進(jìn)行要求。因此，其發(fā)展必然會(huì)以全局優(yōu)化為方向，在預(yù)測(cè)和優(yōu)化瞬態(tài)排放方面更為合適。

5? 基于模型標(biāo)定的MAP生成技術(shù)

電控發(fā)動(dòng)機(jī)在最后的標(biāo)定階段能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)MAP的生成，也就是通過對(duì)控制參數(shù)的最佳轉(zhuǎn)化，能夠在ECU中對(duì)MAP數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。線性法、樣條法等是以往插值階段所采用的。以訓(xùn)練樣本對(duì)控制參數(shù)，對(duì)標(biāo)定工況點(diǎn)的優(yōu)化，主要是通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)初始MAP的優(yōu)化計(jì)算，能夠使MAP數(shù)據(jù)變得更加緊密和平滑，并且對(duì)該方法的有效性進(jìn)行了進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在局部通過對(duì)線性模型樹方法的采用，能夠使原始MAP得到優(yōu)化，在該模型中通過對(duì)高斯函數(shù)的采用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)MAP的平滑控制。通過結(jié)果能夠得知，在已建立模型基礎(chǔ)上，通過對(duì)LoLiMot方法的結(jié)合，能夠保證MAP的生成，不會(huì)對(duì)過多的惡化NOX進(jìn)行排放，以此來使PM排放能夠降到30%[5]。事實(shí)上，通過對(duì)MAP平滑度的優(yōu)化，能夠使標(biāo)定車輛以及發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠具有更好的駕駛性以及瞬態(tài)性，然而，對(duì)平滑的MAP的生成，會(huì)使MAP值以及最佳值出現(xiàn)偏移。在平滑階段通過對(duì)MAP的設(shè)置，能夠?qū)崿F(xiàn)最大梯度的折中。CAMEO公司通過對(duì)MAP軟件的開發(fā)，能夠起到梯度優(yōu)化約束的作用，通過對(duì)MAP梯度所做出的最大限制，能夠?qū)θ帜Ｐ瓦M(jìn)行優(yōu)化，使MAP數(shù)據(jù)的生成能夠更加滿意。MATLAB公司通過模型標(biāo)定工具箱對(duì)cage優(yōu)化軟件的設(shè)計(jì)，也能夠使類似功能能夠得以實(shí)現(xiàn)，并且，該軟件能夠通過對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)在整個(gè)MAP中的平滑外插，使MAP的優(yōu)化能夠更加迅速[6]。

6? 結(jié)束語

中國(guó)對(duì)模型標(biāo)定技術(shù)在電控發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定階段的應(yīng)用，缺乏一定的成熟性和廣泛性，因此，需要通過推廣和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)的進(jìn)一步加強(qiáng)。站在瞬態(tài)工況的角度來說，對(duì)標(biāo)定技術(shù)在電控發(fā)動(dòng)機(jī)模型中的應(yīng)用、對(duì)控制技術(shù)和整車耦合模型的標(biāo)定，是標(biāo)定技術(shù)在電控發(fā)動(dòng)機(jī)中對(duì)未來模型的發(fā)展方向。

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