基于模型的电控柴油机标定技术

第６期（总第１６０期）

车用发动机

Ｎｏ．６（ＳｅｒｉａｌＮｏ．１６０）

２００５年１２月

ＶＥＨＩＣＩ。ＥＥＮＧＩＮＥ

ＤｅＣ．２００５

综合评述

基于模型的电控柴油机标定技术

刘福水，仇

滔，刘兴华，程昌圻，白向东

（北京理工大学机械与车辆工程学院，北京１０００８１）

摘要：柴油机电控系统的性能主要依赖于控制参数的标定质量，基于模型的标定是一种有效的标定方式。首先介绍基于模型标定方法的基本原理，然后详细说明了该标定技术的主要内容以及每一个技术内容的发展。最后，简述了国内柴油机标定技术的发展情况。

关键词：柴油机；电子控制；标定；模型

中图分类号：ＴＫ４２１．５

文献标识码：Ａ文章编号：１００１—２２２２（２００５）０６—０００１—０４

由于柴油机电控技术的要求越来越高，柴油机和柴油机响应之间的模型，从而可以在柴油机的整电控的内容不断增加，柴油机电控系统参数的标定个控制范围内预测出不同控制参数下柴油机的性技术也越来越成为研究的重点［１］。传统的标定方法能，并评价每一种可能的标定方式。在这个基础上，是通过大量柴油机实机试验，获得全部测试方案下将数学的优化理论引入柴油机电控系统的参数标柴油机对应的性能，然后根据试验的结果处理计算定，寻找最好的标定方式，实现柴油机在满足一定限出相应的数据并制成报表曲线，试图找出不同工况制下达到最高的效率。这种对试验数据进行拟合建下满足要求的最佳控制量［２］。柴油机标定需要综合模并在模型的基础上进行参数优化的方法就是基于考虑各个工况和各控制参量的相互关系，在不同工模型的标定口｛］。正是况下进行控制参数的大量调整试验，这给标定工作这种基于模型的优化ｌ试验设计ｌ

ｌ

带来了很大的困难。一方面由于试验条件的变化难标定方法的提出，使得在自动化试验台架上进行试验

以校准，一般的试验台架系统很难提供标准的动态ＥＣＵ标定技术得到了ｌ

工况；另一方面，反复地进行动态试验对台架影响很极大的发展。

根据试验数据建模

大，使标定过程难以再现。因此，传统的标定方法缺基于模型的标定ｌ

乏严格的科学性，效率较低［３Ｉ。为了减少试验量，提过程包括试验设计、通』参数优化ｌ

高参数标定的精度，最新发展的方向是基于模型的过试验获得发动机性ｌ

控制参数试验验证

标定技术¨巧ｊ。

能、处理试验数据建立ｌ

１

基于模型标定技术简介

预测模型以及最后的应用

优化获得参数，其流程在标定时，如果能够获得每一种可能的标定方

如图１所示。

图１基于模型的标定过程

式下柴油机的性能，那么必然可以选择出最好的标定方式。传统的标定方法是通过试验来实现这个目２基于模型标定的主要技术

的的。

２．１

试验设计

２０世纪７０年代，为了提高标定结果的品质，标优化柴油机性能和排放的研究通常包括大量的

定工程师在早期手工标定的基础上，逐渐用准确的试验变量，优化后的解决方案是在许多结果的平衡数学过程取代以往的经验和直觉，对试验数据进行中选择，这些结果包括发动机输出扭矩、最高燃烧压回归分析，获得回归模型，从而了解试验数据的变化力、燃油消耗量、排放、噪声等。对所有变量进行测趋势邙］。由于对试验数据进行了拟合建模。所以能试是不可能实现的；同样，由于一些不可控制的变量够通过少量试验来建立柴油机状态变量、控制变量

导致的试验结果具有不重复性；对发动机燃油经济

收稿Ｅｔ期：２００５—０４—２９；修回日期：２００５—０９—２３

作者简介：刘福水（１９６４一），男．河北省景县人，博士，主要从事内燃机性能优化匹配、燃烧仿真及总体技术

万　

方数据

车用发动机２００５年第６期

性、动力性以及排放性能的进一步严格要求导致了控制变量的增加和控制逻辑的进一步复杂。这就需要提出新的测试方法和分析方法，同时也意味着试验设计在发动机研究中具有更大的意义。

试验设计是柴油机标定试验的第一个环节。通过试验设计，能够用尽可能少的试验，充分获得柴油机的性能。试验设计技术已经广泛地应用于最佳参数的辨识中。将发动机工程师经验引入传统试验方法之中可以提高试验设计的水平。用于柴油机标定试验的传统方法以正交试验为代表，其缺点是没有充分考虑柴油机自身的特点及已有的知识。

柴油机的控制ＭＡＰ本质上具有试验特性，所以其制取过程对统计方法具有很强的依赖性。按照统计的角度，柴油机输出测量量可以看作是在不同的试验条件下，反复测量一系列响应的输出数据，并假设这些响应输出是感兴趣的柴油机特征输出中的随机样本。目前，柴油机标定新的发展趋势是应用统计方法来减少标定的时间（如随机概率方法），采用统计方法可以在不增加成本的前提下获得更多的试验模型信息。

采用传统的基于统计方法的试验设计，在试验次数相对于模型参数较少时，直到所有的试验都完成后才能得到拟合模型，不可能采用初始试验结果来修改试验程式，以获得更大的可信度。由于在试验过程中缺乏反馈，对整个试验项目无法进行很好的管理。有经验的工程师对发动机的响应和因素之间的关系有着相对准确的定量理解，并希望将其经验应用在发动机标定过程中。经典的基于统计的方法没有充分考虑以前的发动机知识，只将其用在设计试验变量和变量设计的水平上。

贝叶斯统计法可以解决经典统计法难以解决的问题［９］。在测量试验过程中，贝叶斯统计法更充分地考虑以前的知识并实时地反馈到模型中。同时该统计法可以用数学方程来表达整个试验过程。贝叶斯法的主要特点是可以根据以前的知识，采用可能的分布建立清楚的模型。目前，该方法正在成为柴油机试验设计新的研究热点。

２．２

自动化试验

随着电控单元的日益复杂和电子管理技术应用

的日益广泛，对标定工作效率的要求也日益提高，自动试验技术的发展为标定工作的改进提供了新的发展空间。自动化试验可以大大降低整个试验时间并可以获得大量的试验点，使工程师能够得到一个清晰的图像以理解发动机的特性［１”Ⅲ。

万　

方数据国外在进行柴油机电控系统优化匹配时，基本上依赖于功能强大、技术先进的试验设备，按照规定的测试循环工况进行大量的试验。自动化试验系统成为各种柴油机研制和测试生产过程中一套必不可少的设备，是柴油机标定的试验基础，其作用是自动完成台架试验，获得有效的试验数据。为了完成柴油机标定试验，自动化试验系统必须具有以下功能：

ａ）按照程序自动设定柴油机运行工况；ｂ）实时在线修改电控系统中的控制参数，使柴油机能够按照不同的控制数据运行；

ｃ）实时监测柴油机运行状况，获得柴油机的排放、燃油经济性、动力性等数据；

ｄ）根据已经获得的试验数据指导进一步试验。国外已经有能够完成自动化试验的系统［１２＿１３］，如ＡＶＬ公司的ＣＡＥＭＯ和ＳＨＥＮＣＫ公司的ＶＥ—

ＧＡ。

２．３试验数据建模

基于模型的标定中，用来预测不同标定参数下柴油机性能的模型具有十分重要的意义。建立这个模型的目的是模拟柴油机运行过程，以量的形式预测柴油机的输出，模型的好坏将决定各种控制参数下的预测性能，并最终决定控制参数优化的效果。

基于准确的物理模型进行柴油机参数的标定，可使燃油消耗和扭矩的标定得到令人满意的结果；而对气体排放优化标定时，由于从物理和化学上还没有对整个柴油机的排放机理完全理解，基于物理模型的ＭＢＣ就力不从心。

采用试验基础上建立的输入输出模型能够有效地描述出试验变量（进气压力和喷射时间等）与需要优化的响应（扭矩、燃油消耗、排放以及噪声等）之间的关系。这时的模型是在部分试验数据的基础上，通过回归方法得到的拟合模型，表示为柴油机状态量和执行器的函数，响应可以是排放、排气温度、指示压力、指示扭矩以及有效扭矩等。

传统的多项式建模方法在模型的复杂性和计算效率上具有很好的折衷，广泛用于柴油机标定的拟合模型，经验模型一般限制为二阶多项式［２

０】。

柴油机的发展导致需要标定的参数增加，精度提高，因此，使得用于建立模型的多项式系数越来越多，这必然导致采用传统的多项式建立的模型不会简洁明了，难于理解和解释；同时由于模型的复杂，不可能得到对潜在趋势进行充分的理解，也不能考虑参数之间的交互作用和参数的敏感性，其后果是对模型的进一步研究造成困难，难以达到标定模型

２００５年１２月刘福水，等：基于模型的电控柴油机标定技术

的要求。

由于柴油机标定模型本质上具有很强的试验特性，很大程度上依赖于统计学方法，而柴油机标定试验是一个分阶段重复试验过程，因此，模型的建立过程应该分阶段。采用分阶段的统计模型适合于这种重复测量试验的数据建模，Ｈｏｌｌｉｄａｙ已经证明了二元回归方法在处理发动机试验数据时的有效性。该方法的优点在于考虑了试验数据的内在联系并将这种联系应用于试验数据的提取过程；同时通过采用响应特征量（ＲｅｓｐｏｎｓｅＦｅａｔｕｒｅｓ）构建不同变量之间的关系。这种建模方法可以通过相对简单的方法实现数据的获得、分析和数据的验证，只有在最后的多参数估计阶段才包含相对复杂的分析，而这一阶段可以通过最大似然估计实现，因此，这种方式更能够提供一种统计模型的框架，从而更有利于工程师的分析‘１引。

随着神经网络技术的发展，国外开始将该技术引入柴油机标定模型的研究ｎ５｜。采用这种方法的不足在于需要大量的试验结果来训练模型，如果试验不够充分，则无法建立模型。２．４参数优化

柴油机许多指标是相互矛盾的，寻求一种良好的折衷是一项复杂而且烦琐的工作。另外，不同的使用条件对电控系统的要求也不一样，这些都极大地促进了优化匹配技术的发展。柴油机是一个复杂的系统，其性能受到多个控制参数的影响，柴油机控制参数的优化属于多变量多维优化ｕ６‘１８。

对柴油机电控系统控制参数的优化标定有两种思路即局部优化和全局优化，它们之间不是相互替代而是相互补充的关系。

局部优化是指独立地对各个工况点的控制参数进行优化，不考虑工况点之间的相互影响；主要用于对柴油机大负荷工况区进行参数标定，对中小负荷工作区中不影响按照排放法规规范进行排放性能测试结果的那些工况进行控制参数的标定。目前主要的局部优化方法是梯度法。

全局优化是指将若干个工况点综合起来进行控制参数的优化。在柴油机研发中优化始终是在矛盾中进行的，优化过程并不仅仅是一个数学过程，而且还包含变量间的折衷，这是因为柴油机设计方案越来越多地考虑了大量的约束条件和要求。经验模型和优化技术需要足够的灵活以适应复杂的柴油机响应。传统的用于全局优化的方法有枚举法和Ｌａ—ｇｒａｎｇｅ乘子法。其中，枚举法是求解全局优化问题

万　

方数据最直观的方法，但又是一种具有指数时间复杂性的算法，当需要进行全局优化的柴油机控制参数较多时，求解所需要的时间令人难以接受。Ｌａｇｒａｎｇｅ乘子法是解决约束优化问题的重要方法之一，在众多领域有着广泛的应用。然而只有当优化问题是凸规划时，采用Ｌａｇｒａｎｇｅ乘子法优化方法才能获得全局最优解；而柴油机控制参数的全局优化问题不一定属于凸规划，因此采用Ｌａｇｒａｎｇｅ乘子法就不一定保证能够获得参数的全局最优解。另外，采用Ｌａ—ｇｒａｎｇｅ乘子法优化时，需要不断调整Ｌａｇｒａｎｇｅ乘子，而这个参数的调整对优化人员提出了很高的要求。目前新的发展方法有遗传算法、人工神经网络、鲁棒优化（ＲｏｂｕｓｔｎｅｓｓＯｐｔｉｍｉｓａｔｉｏｎ）、随机试验法（Ｍｏｎｔｅ—Ｃａｒｌｏ法）和法线一边界线交集优化（Ｎｏｒ－

ｒｅａｌ—ＢｏｕｎｄａｒｙＩｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎＯｐｔｉｍｉｓａｔｉｏｎ）等。３

国内发展状况

国内对柴油机匹配优化研究还刚起步，在柴油

机标定方面的研究主要集中在标定技术的个别技术方面。如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口９｜，研究了自动化试验系统；北京理工大学开展了二元回归建模以及控制参数的遗传算法的优化研究［２叨；上海交通大学则开展了标定通讯协议的研究［２１。。

目前，国内还没有形成完整的柴油机标定理论，还不具备独立开展柴油机标定匹配的能力，而这将极大地制约国内电控柴油机的发展水平。

柴油机标定匹配是一项理论紧密联系试验的学科，因此，国内的研究单位应加强与企业的联合，以实际的电控柴油机为对象，积极开展柴油机电控系统的参数匹配技术研究。

４

结束语

随着柴油机电子控制的发展，电控系统优化匹

配的研究成为柴油机电控研究的核心内容；国际上正在深入研究柴油机电控系统的优化。基于模型的参数标定成为新的发展方向。加强柴油机控制参数匹配技术的研究对国内柴油机电控技术的发展具有非常重要的意义和紧迫性。

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅ；ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ，ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ；ｍｏｄｅ［编辑：李建新］

（陕西省宝鸡市杨文涛供稿）

万　

方数据

基于模型的电控柴油机标定技术

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

刘福水， 仇滔， 刘兴华， 程昌圻， 白向东， LIU Fu-shui， QIU Tao， LIU Xing-hua， CHENG Chang-qi， BAI Xiang-dong

北京理工大学机械与车辆工程学院,北京,100081车用发动机VEHICLE ENGINE2005(6)6次

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引证文献(6条)

1.董玉 基于人工智能的汽油机瞬态空燃比控制策略研究[期刊论文]-农业科技与装备 2009(1)

2.吴锋.贾岱润.姚栋伟.杨志家 电控汽油机点火提前角多目标优化方法研究[期刊论文]-内燃机工程 2008(1)3.王威.何西常.周广猛.周平.张众杰.董素荣.刘刚 电控柴油机优化标定研究现状和展望[期刊论文]-内燃机2012(1)

4.谢辉.陈礼勇 电控柴油机标定中空间填充试验设计的应用研究[期刊论文]-小型内燃机与摩托车 2008(3)5.周广猛.刘瑞林.李骏.戈非.魏冲 基于模型的电控发动机标定技术[期刊论文]-汽车技术 2011(1)

6.赵立峰.李云清.成传松.王海鹰 活塞式航空发动机的优化与标定[期刊论文]-北京航空航天大学学报 2010(4)

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