基于模型的電控發動機標定技術

李志輝

摘要：本文對國內外的模型標定技術發展概況進行了闡述。對模型標定技術在設計、優化、生成階段所采用的關鍵技術進行了論述。對電控發動機在國內對模型標定技術的應用進行了分析，發現存在著不成熟和廣泛性的缺點，站在瞬態工況的角度來說，對標定技術在電控發動機模型中的應用、對控制技術和整車耦合模型的標定，是標定技術在電控發動機中對未來模型的發展方向。

關鍵詞：模型;電控發動機;標定技術

中圖分類號：U464? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0071-02

0? 引言

由于對節能減排要求的不斷提升，以及從舒適度以及駕駛性方面，對汽車要求的增加，不斷的加大了發動機電子控制技術的應用。想要使排放法規能夠得以滿足要求，對模型標定技術的采用，能夠實現對物理模型的建立，或是在發動機試驗中，通過數據對噴油角的提前建立，對軌壓等參數和功率的輸入，對燃油消耗率等響應參數的輸出，進行模型的建立，以此來使發動機通過對模型的利用，能夠通過對參數的控制，使技術能夠達到最優狀態。標定工程師在20世紀70年代時，為了使標定品質能夠得到提升，對插值建模、球道優化方式進行了采用，以最優控制參數的獲取為目的，在電控發動機中模型標定技術進行了應用。雖然模型的匹配點可能存在過高的問題，或是存在著數據在建模數據區之外無法得到有效的預測等問題，然而，該技術在試驗工作量、開發周期以及試驗成本等方面所體現出來的優勢，遠遠超過了其不足之處。

1? 基于模型標定技術的發展

國外已經在電控發動機中對模型標定技術進行了廣泛的應用。然而在國內，由于剛開始對電控發動機進行開發，也沒有較為成熟的模型標定技術。近幾年，部分國內高校對其技術所開展的相關研究，天津大學、北京理工大學等高校，以及部分企業都對其進行了大量的研究，通過對多項式模型等技術的采用，使模型標定技術得到了進一步的發展。對節能減排所提出的越來越高的要求，會促進標定技術在電控發動機中的發展，然而，國際上已經將模型標定技術作為了標定技術的重要研究內容，并且，已經在產品開發中對其進行了大面積的應用，模型標定技術在中國的應用缺乏廣泛性以及成熟性，企業尤其需要在產品開發中加強對該技術的進一步應用。并且，各種基于模型的全新標定技術的出現，意味著中國對更大挑戰的面臨。

2? 基于模型標定的實驗設計技術

在電控發動機實驗中通過對技術的設計，能夠使標定工作量得到有效的減少。其能夠實現以少量試驗點對更多實用信息的獲取。僅通過對280個試驗點的采用，就能夠實現從7自由度對一個電動發動機模型的優化，并且，通過對三次方響應模型的建立，能夠實現良好的預測。在設計階段通過對最優V技術的采用，使得原本需要4653次才能夠完成的普通電控參數優化，僅需要150此標定就能夠完成，對常規電控高壓共軌柴油機的1250次標定，能夠使標定結果得到優化，能夠通過實驗設計，對技術的優點加以展現。

實驗設計中的古典設計、空間填充設計等，是最為常見的方法，上述3種方法在類別上有所不同，例如，古典試驗中對中心復合試驗、Box-Behnken實驗等方法進行了設計。此類設計實驗中，通過對在Minitab、Design-Expert等專業軟件的應用，能夠實現對設計理念的集成。并且，采用標定軟件中的CAMEO、VEGA等，在試驗模塊中所開展的集成設計，通過對因素、水平、約束等在試驗中的定義，僅需對試驗設計方法進行不同選擇，就能夠自動獲取到各種試驗設計方案。通過不同方法對試驗的設計，在適用性方面也有所不同，在對電控發動機進行標定時，需要通過對標定發動機響應的深入理解，以及對標定試驗對試驗強度的承受能力等多方面進行考慮。例如，在試驗中對非線性復雜函數的設計，主要采用的是最優設計，能否得到最優的設計，取決于模型參數所具備的特性，在具備了發動機的深入了解、最佳模型的先前建立，以及對系統約束場合的理解的基礎上，更為適用。并且，在標定階段通過該設計對任意約束因素的輸入，能夠使電控發動機得到更合適的標準[1]。在了解不多或者缺乏了解的場合中，所采用的空間填充設計，能夠更好的了解響應所受到的來自發動機參數的影響，然而在對新型發動機ECU進行標定的過程中，不需要以模型的形式對試驗進行專門的設計，就能夠在設計空間上對試驗點進行平衡分布。對于無參數模型，尤其是徑向基函數模型來說，該設計方式起到了重要的作用，然而，需要對約束區域內的數據點進行保證。同時，也可以將不同試驗方法運用于相同實驗中，例如，通過對混合空間的填充以及對設計的最優化，能夠使模型具有更高的置信度和預測能力，作為一種嘗試和選擇來說，具有一定的創新性。

以往在實驗階段對設計技術的采用，主要是為了對發動機穩態工況進行標定，以往在試驗階段所采用的設計技術，主要能夠對發動機到穩態工況進行標定，然而，只有極少數對瞬態發動機的排放，進行了法規的標定和優化。然而由于技術的不斷發展，通過對時間因素的動態考慮，實現了對試驗設計技術的應用。通過試驗階段對時間和大量輸入參數的改變，實現對運行邊界參數的改變，使振幅頻率、發動機等干擾因素能夠得到考慮。通過上述試驗發現，動態設計相比經典設計，需要對試驗進行更高維度的動態設計，通過該方法對模型的獲取，能夠使柴油機的排放得到更好的優化[2]。

3? 基于模型標定的模型構建技術

電控發動機對物理模型和數據模型進行了主要的設計。通過對數據模型的設計，能夠使試驗數據得以輸入和輸出，然而其無法獲取到過程中的物理化學變化，因此，又將其稱之為“黑箱模型”。物理模型中對CFD等技術進行了主要的運用，將發動機運行階段所發生的物理和化學變化，通過對數學公式的采用，實現了對其的解析，因此，此模型還可以稱為“白箱模型”。兩種模型有著各自的優勢和劣勢，通過對物理模型準確參數的采用，能夠對柴油機模型進行標定，使燃油機和扭矩能夠得到令人滿意的消耗和標定;然而在對氣體排放進行優化標定的過程中，由于沒有從整體上對柴油機的物理和化學排放機理進行完全的理解，因此，對物理模型的標定缺乏一定的能力。此外，由于“白箱模型”十分復雜，并且需要長時間進行運行，因此，對計算機有著較高的要求，然而，通過DOE技術對“白箱模型”的建立或通過并行技術的處理，能夠使發動機得到更加有效的標定。由于對ECU處理技術的不斷提升，以及控制技術在發動機中的不斷發展，“白箱模型”的應用得到了更加廣泛的前景[3]。

需要大量的實驗支持，是“黑箱模型”的主要缺點，然而，相比傳統試驗中的標定方法來說，工作量相對較少，并且，對“白箱模型”的構建，需要同時對模型進行試驗驗證。缺乏對系統潛在物理性的關注是另一個“黑箱模型”的缺點，同時，對模型的匹配還會出現過量的問題，因此，需要通過工程中所積累的經驗，來對模型進行訓練?！昂谙淠Ｐ汀痹诮Y構和實現等方面具有一定的優勢。利用物理模型對數據模型的獲取，對模型虛擬標定技術的采用，能夠從模型的優點出發，使物理和數據得到整合，使標定能夠進一步減少對成本的需求，使標定速度得到有效的提升。

4? 基于模型標定的參數優化技術

參數優化階段對兩種優化方式的采用，可以按照局部和全局進行劃分，其能夠相互促進。通過對局部優化的采用，能夠使工況點不會產生相互干擾，通過對各工況點的獨立控制，能夠實現對參數的優化。目前，局部優化主要是通過對梯度法的采用。全局優化中對參數的優化，能夠實現對部分工況點的綜合控制，不僅能夠作為數學過程，并且還對標量進行了折中，其主要是由于發動機設計階段，不斷的對大量約束條件和要求進行了考慮[4]。

全局優化中主要對傳統的枚舉法以及Lagrange法進行了采用，目前通過對遺傳算法、人工神經網絡法等的采用，得到了全新的發展。即使標定階段依然對傳統的局部優化法進行了普遍的應用，并且通過對模型標定所采用的AVL的Cameo和MATLAB工具箱，能夠使CAGE工具箱得到更大范圍的應用，然而此類方法對發動機整體排放標準的不確定性，是其最大的缺點，無法通過對瞬態工況的滿足，對發動機標定性能進行要求。因此，其發展必然會以全局優化為方向，在預測和優化瞬態排放方面更為合適。

5? 基于模型標定的MAP生成技術

電控發動機在最后的標定階段能夠實現對MAP的生成，也就是通過對控制參數的最佳轉化，能夠在ECU中對MAP數據進行存儲。線性法、樣條法等是以往插值階段所采用的。以訓練樣本對控制參數，對標定工況點的優化，主要是通過人工神經網絡對初始MAP的優化計算，能夠使MAP數據變得更加緊密和平滑，并且對該方法的有效性進行了進一步實驗驗證，在局部通過對線性模型樹方法的采用，能夠使原始MAP得到優化，在該模型中通過對高斯函數的采用，能夠實現對MAP的平滑控制。通過結果能夠得知，在已建立模型基礎上，通過對LoLiMot方法的結合，能夠保證MAP的生成，不會對過多的惡化NOX進行排放，以此來使PM排放能夠降到30%[5]。事實上，通過對MAP平滑度的優化，能夠使標定車輛以及發動機，能夠具有更好的駕駛性以及瞬態性，然而，對平滑的MAP的生成，會使MAP值以及最佳值出現偏移。在平滑階段通過對MAP的設置，能夠實現最大梯度的折中。CAMEO公司通過對MAP軟件的開發，能夠起到梯度優化約束的作用，通過對MAP梯度所做出的最大限制，能夠對全局模型進行優化，使MAP數據的生成能夠更加滿意。MATLAB公司通過模型標定工具箱對cage優化軟件的設計，也能夠使類似功能能夠得以實現，并且，該軟件能夠通過對標定數據在整個MAP中的平滑外插，使MAP的優化能夠更加迅速[6]。

6? 結束語

中國對模型標定技術在電控發動機標定階段的應用，缺乏一定的成熟性和廣泛性，因此，需要通過推廣和應用，實現對企業的進一步加強。站在瞬態工況的角度來說，對標定技術在電控發動機模型中的應用、對控制技術和整車耦合模型的標定，是標定技術在電控發動機中對未來模型的發展方向。

參考文獻：

[1]周廣猛，劉瑞林，李駿，戈非，魏沖.基于模型的電控發動機標定技術[J].汽車技術，2011（01）：5-9.

[2]劉福水，仇滔，劉興華，等.基于模型的電控柴油機標定技術[J].車用發動機，2005.

[3]王冬，張順，劉仁龍，石月.電控發動機基于模型標定的關鍵技術研究[J].時代汽車，2017（7）：30.

[4]張樹梅，胡春明.基于模型控制的電噴發動機的標定技術[C].中小型內燃機專業技術研討會，2008.

[5]張樹梅，胡春明.基于模型控制的電噴發動機的標定技術[C].中小型內燃機專業技術研討會，2008.

[6]李智.基于電控發動機無線標定模塊的研發[J].上海工程技術大學學報，2015，v.29（04）：43-46.