基于模型的电控发动机标定技术

李志辉

摘要：本文对国内外的模型标定技术发展概况进行了阐述。对模型标定技术在设计、优化、生成阶段所采用的关键技术进行了论述。对电控发动机在国内对模型标定技术的应用进行了分析，发现存在着不成熟和广泛性的缺点，站在瞬态工况的角度来说，对标定技术在电控发动机模型中的应用、对控制技术和整车耦合模型的标定，是标定技术在电控发动机中对未来模型的发展方向。

关键词：模型;电控发动机;标定技术

中图分类号：U464                                        文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）21-0071-02

0  引言

由于对节能减排要求的不断提升，以及从舒适度以及驾驶性方面，对汽车要求的增加，不断的加大了发动机电子控制技术的应用。想要使排放法规能够得以满足要求，对模型标定技术的采用，能够实现对物理模型的建立，或是在发动机试验中，通过数据对喷油角的提前建立，对轨压等参数和功率的输入，对燃油消耗率等响应参数的输出，进行模型的建立，以此来使发动机通过对模型的利用，能够通过对参数的控制，使技术能够达到最优状态。标定工程师在20世纪70年代时，为了使标定品质能够得到提升，对插值建模、球道优化方式进行了采用，以最优控制参数的获取为目的，在电控发动机中模型标定技术进行了应用。虽然模型的匹配点可能存在过高的问题，或是存在着数据在建模数据区之外无法得到有效的预测等问题，然而，该技术在试验工作量、开发周期以及试验成本等方面所体现出来的优势，远远超过了其不足之处。

1  基于模型标定技术的发展

国外已经在电控发动机中对模型标定技术进行了广泛的应用。然而在国内，由于刚开始对电控发动機进行开发，也没有较为成熟的模型标定技术。近几年，部分国内高校对其技术所开展的相关研究，天津大学、北京理工大学等高校，以及部分企业都对其进行了大量的研究，通过对多项式模型等技术的采用，使模型标定技术得到了进一步的发展。对节能减排所提出的越来越高的要求，会促进标定技术在电控发动机中的发展，然而，国际上已经将模型标定技术作为了标定技术的重要研究内容，并且，已经在产品开发中对其进行了大面积的应用，模型标定技术在中国的应用缺乏广泛性以及成熟性，企业尤其需要在产品开发中加强对该技术的进一步应用。并且，各种基于模型的全新标定技术的出现，意味着中国对更大挑战的面临。

2  基于模型标定的实验设计技术

在电控发动机实验中通过对技术的设计，能够使标定工作量得到有效的减少。其能够实现以少量试验点对更多实用信息的获取。仅通过对280个试验点的采用，就能够实现从7自由度对一个电动发动机模型的优化，并且，通过对三次方响应模型的建立，能够实现良好的预测。在设计阶段通过对最优V技术的采用，使得原本需要4653次才能够完成的普通电控参数优化，仅需要150此标定就能够完成，对常规电控高压共轨柴油机的1250次标定，能够使标定结果得到优化，能够通过实验设计，对技术的优点加以展现。

实验设计中的古典设计、空间填充设计等，是最为常见的方法，上述3种方法在类别上有所不同，例如，古典试验中对中心复合试验、Box-Behnken实验等方法进行了设计。此类设计实验中，通过对在Minitab、Design-Expert等专业软件的应用，能够实现对设计理念的集成。并且，采用标定软件中的CAMEO、VEGA等，在试验模块中所开展的集成设计，通过对因素、水平、约束等在试验中的定义，仅需对试验设计方法进行不同选择，就能够自动获取到各种试验设计方案。通过不同方法对试验的设计，在适用性方面也有所不同，在对电控发动机进行标定时，需要通过对标定发动机响应的深入理解，以及对标定试验对试验强度的承受能力等多方面进行考虑。例如，在试验中对非线性复杂函数的设计，主要采用的是最优设计，能否得到最优的设计，取决于模型参数所具备的特性，在具备了发动机的深入了解、最佳模型的先前建立，以及对系统约束场合的理解的基础上，更为适用。并且，在标定阶段通过该设计对任意约束因素的输入，能够使电控发动机得到更合适的标准[1]。在了解不多或者缺乏了解的场合中，所采用的空间填充设计，能够更好的了解响应所受到的来自发动机参数的影响，然而在对新型发动机ECU进行标定的过程中，不需要以模型的形式对试验进行专门的设计，就能够在设计空间上对试验点进行平衡分布。对于无参数模型，尤其是径向基函数模型来说，该设计方式起到了重要的作用，然而，需要对约束区域内的数据点进行保证。同时，也可以将不同试验方法运用于相同实验中，例如，通过对混合空间的填充以及对设计的最优化，能够使模型具有更高的置信度和预测能力，作为一种尝试和选择来说，具有一定的创新性。

以往在实验阶段对设计技术的采用，主要是为了对发动机稳态工况进行标定，以往在试验阶段所采用的设计技术，主要能够对发动机到稳态工况进行标定，然而，只有极少数对瞬态发动机的排放，进行了法规的标定和优化。然而由于技术的不断发展，通过对时间因素的动态考虑，实现了对试验设计技术的应用。通过试验阶段对时间和大量输入参数的改变，实现对运行边界参数的改变，使振幅频率、发动机等干扰因素能够得到考虑。通过上述试验发现，动态设计相比经典设计，需要对试验进行更高维度的动态设计，通过该方法对模型的获取，能够使柴油机的排放得到更好的优化[2]。

3  基于模型标定的模型构建技术

电控发动机对物理模型和数据模型进行了主要的设计。通过对数据模型的设计，能够使试验数据得以输入和输出，然而其无法获取到过程中的物理化学变化，因此，又将其称之为“黑箱模型”。物理模型中对CFD等技术进行了主要的运用，将发动机运行阶段所发生的物理和化学变化，通过对数学公式的采用，实现了对其的解析，因此，此模型还可以称为“白箱模型”。两种模型有着各自的优势和劣势，通过对物理模型准确参数的采用，能够对柴油机模型进行标定，使燃油机和扭矩能够得到令人满意的消耗和标定;然而在对气体排放进行优化标定的过程中，由于没有从整体上对柴油机的物理和化学排放机理进行完全的理解，因此，对物理模型的标定缺乏一定的能力。此外，由于“白箱模型”十分复杂，并且需要长时间进行运行，因此，对计算机有着较高的要求，然而，通过DOE技术对“白箱模型”的建立或通过并行技术的处理，能够使发动机得到更加有效的标定。由于对ECU处理技术的不断提升，以及控制技术在发动机中的不断发展，“白箱模型”的应用得到了更加广泛的前景[3]。

需要大量的实验支持，是“黑箱模型”的主要缺点，然而，相比传统试验中的标定方法来说，工作量相对较少，并且，对“白箱模型”的构建，需要同时对模型进行试验验证。缺乏对系统潜在物理性的关注是另一个“黑箱模型”的缺点，同时，对模型的匹配还会出现过量的问题，因此，需要通过工程中所积累的经验，来对模型进行训练。“黑箱模型”在结构和实现等方面具有一定的优势。利用物理模型对数据模型的获取，对模型虚拟标定技术的采用，能够从模型的优点出发，使物理和数据得到整合，使标定能够进一步减少对成本的需求，使标定速度得到有效的提升。

4  基于模型标定的参数优化技术

参数优化阶段对两种优化方式的采用，可以按照局部和全局进行划分，其能够相互促进。通过对局部优化的采用，能够使工况点不会产生相互干扰，通过对各工况点的独立控制，能够实现对参数的优化。目前，局部优化主要是通过对梯度法的采用。全局优化中对参数的优化，能够实现对部分工况点的综合控制，不仅能够作为数学过程，并且还对标量進行了折中，其主要是由于发动机设计阶段，不断的对大量约束条件和要求进行了考虑[4]。

全局优化中主要对传统的枚举法以及Lagrange法进行了采用，目前通过对遗传算法、人工神经网络法等的采用，得到了全新的发展。即使标定阶段依然对传统的局部优化法进行了普遍的应用，并且通过对模型标定所采用的AVL的Cameo和MATLAB工具箱，能够使CAGE工具箱得到更大范围的应用，然而此类方法对发动机整体排放标准的不确定性，是其最大的缺点，无法通过对瞬态工况的满足，对发动机标定性能进行要求。因此，其发展必然会以全局优化为方向，在预测和优化瞬态排放方面更为合适。

5  基于模型标定的MAP生成技术

电控发动机在最后的标定阶段能够实现对MAP的生成，也就是通过对控制参数的最佳转化，能够在ECU中对MAP数据进行存储。线性法、样条法等是以往插值阶段所采用的。以训练样本对控制参数，对标定工况点的优化，主要是通过人工神经网络对初始MAP的优化计算，能够使MAP数据变得更加紧密和平滑，并且对该方法的有效性进行了进一步实验验证，在局部通过对线性模型树方法的采用，能够使原始MAP得到优化，在该模型中通过对高斯函数的采用，能够实现对MAP的平滑控制。通过结果能够得知，在已建立模型基础上，通过对LoLiMot方法的结合，能够保证MAP的生成，不会对过多的恶化NOX进行排放，以此来使PM排放能够降到30%[5]。事实上，通过对MAP平滑度的优化，能够使标定车辆以及发动机，能够具有更好的驾驶性以及瞬态性，然而，对平滑的MAP的生成，会使MAP值以及最佳值出现偏移。在平滑阶段通过对MAP的设置，能够实现最大梯度的折中。CAMEO公司通过对MAP软件的开发，能够起到梯度优化约束的作用，通过对MAP梯度所做出的最大限制，能够对全局模型进行优化，使MAP数据的生成能够更加满意。MATLAB公司通过模型标定工具箱对cage优化软件的设计，也能够使类似功能能够得以实现，并且，该软件能够通过对标定数据在整个MAP中的平滑外插，使MAP的优化能够更加迅速[6]。

6  结束语

中国对模型标定技术在电控发动机标定阶段的应用，缺乏一定的成熟性和广泛性，因此，需要通过推广和应用，实现对企业的进一步加强。站在瞬态工况的角度来说，对标定技术在电控发动机模型中的应用、对控制技术和整车耦合模型的标定，是标定技术在电控发动机中对未来模型的发展方向。

参考文献：

[1]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[J].汽车技术，2011（01）：5-9.

[2]刘福水，仇滔，刘兴华，等.基于模型的电控柴油机标定技术[J].车用发动机，2005.

[3]王冬，张顺，刘仁龙，石月.电控发动机基于模型标定的关键技术研究[J].时代汽车，2017（7）：30.

[4]张树梅，胡春明.基于模型控制的电喷发动机的标定技术[C].中小型内燃机专业技术研讨会，2008.

[5]张树梅，胡春明.基于模型控制的电喷发动机的标定技术[C].中小型内燃机专业技术研讨会，2008.

[6]李智.基于电控发动机无线标定模块的研发[J].上海工程技术大学学报，2015，v.29（04）：43-46.