一种结合遗传算法和极值搜索算法的发动机控制参数在线标定的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及发动机参数自动标定方法技术领域，特别涉及一种结合遗传算法和极值搜索算法的发动机控制参数在线标定的装置及方法。其装置包括发动机、测功机、发动机控制器、燃烧分析仪、MircoAutoBox快速控制原型以及测功机上位机控制系统、发动机控制器上位机、MircoAutoBox快速控制原型上位机和CAN总线通讯系统；本发明专利技术是针对发动机控制参数的在线自动标定装置，在发动机固定工况通过优化算法不断改变控制参数，并求解优化目标函数，实现控制参数的自动寻优，本发明专利技术在控制参数在线自动寻优过程中，使用了遗传算法与极值搜索算法相结合的优化算法，克服了遗传算法试验控制参数组合多、优化时间长的缺点，同时也避免了极值搜索算法只能解决凸优化问题，容易收敛到局部最优点的缺点。

A device and method for on-line calibration of engine control parameters based on genetic algorithm and extremum search algorithm

【技术实现步骤摘要】
一种结合遗传算法和极值搜索算法的发动机控制参数在线标定的装置及方法
本专利技术涉及发动机参数自动标定方法
，特别涉及一种结合遗传算法和极值搜索算法的发动机控制参数在线标定的装置及方法。
技术介绍
发动机在运行过程中，依赖发动机控制器(ECU)针对发动机运行工况(转速和节气门开度确定工况)向发动机上的各种执行器，如喷油器、点火线圈等，发送执行指令。以喷油器为例，包括开启时长、开启时刻等等，将这些执行器的执行指令统一称之为控制参数。若想保证发动机能够在某一工况运行稳定，必须保证在这个工况下的控制参数设置合理。而以运行稳定为目标设置的控制参数会是一个很大的范围，随着控制参数的变化，发动机性能，如动力性、经济性和排放特性都会变化。对于发动机的整体性能，期望是动力性越好(转矩越高)、经济性越好(燃油消耗率越低)、排放特性越好(排放物浓度越低)，但这三个性能之间会存在此消彼长的趋势，因此控制参数的设置就会存在矛盾。由于发动机有很多控制参数需要标定，随着发动机电控程度的增加，控制参数的数目也越来越多，而且控制参数之间相互耦合，对于同一发动机性能，不同控制参数的影响规律不同，因此必须通过相应的方法标定控制参数，以实现对发动机性能的期望。传统的标定方法需要综合考虑各个工况和各控制参数之间的影响关系，在不同工况下进行大量的控制参数调整试验，以找出不同工况下满足要求的最佳控制参数变量。一方面由于试验条件的变化难以校准，一般的试验台架试验系统很难提供标准的动态工况；另一方面，反复地进行动态试验对台架影响很大，使标定过程难以再现。传统的标定方法理论水平较低，进行参数试凑，工作效率较低，已经几乎不再使用。目前有两种比较常见的标定方法，基于模型的标定和在线优化标定。1、基于模型的标定技术是在传统的标定技术基础上发展的，将数学上的优化理论引入到发动机控制器控制参数标定当中，对试验数据进行不同形式的拟合以建立模型，同时在模型的基础上进行控制参数优化的先进方法。基于模型的优化标定方法可以灵活、方便地仿真发动机的各种运行状态，而且具有很高的可重复性。在电控系统开发过程中，可以方便地利用模拟工况对控制系统软件及控制策略进行测试，减少台架试验的次数。由于采用仿真模型代替实际系统，可以使变参数的试验次数不受限制，而且仿真结果具有可重复性；还可以进行极限状态下的测试试验，而不具破坏性，费用低，无危险。因此可以大幅度减少台架试验工作，降低了费用，明显缩短了开发、测试的时间，从而提高了标定效率。基于模型控制的标定方法的提出，使得标定技术得到了极大的发展，成为研制电控系统重要手段。基于模型的标定技术是离线优化，不能够在发动机实时运行过程中得到合适的控制参数，而是首先通过进行大量的试验，再根据试验数据利用数学方法得到发动机的模型；之后利用优化算法针对发动机模型，建立优化目标函数，得到最优的控制参数。可以将基于模型的标定分成三个方面，第一是进行试验，得到控制参数和发动机性能的相应数据；第二是建立发动机模型，对试验数据拟合；第三是建立优化目标，离线优化控制参数。在试验方面，为了尽可能减少试验量，保证模型拟合的数据，出现了试验设计方法(DOE)。最传统的试验设计方法是全因子法，用这种方法需要依次把所有参数设为变量，在这个参数能够变化的所有范围内进行试验，直达所有的参数都被测试过。这种方法在控制参数较少时可以使用，但是随着控制参数的增多，试验任务就会变得越来越繁琐，试验时间也越来越长，使得试验几乎不可能进行下去。其他的试验设计是在全因子法选定的试验工况的基础上，科学合理的选定试验工况，研究各控制参数之间，控制参数和发动机性能之间的影响关系。常见的方法包括最优设计法、正交试验设计、优选法、回归正交设计法、均匀设计等等。在建立模型方面，目标是将一台发动机从指定的性能指标及其相关约束中抽象出来，在发动机可控参数和发动机性能响应之间用精确的数学模型来进行描述。为了实现精确的标定，响应模型必须运算快速并且精确和很好的预测泛化能力。发动机建模，主要是建立发动机的性能参数对控制参数的映射关系。因为这种映射关系是涉及多个输入的复杂的非线形关系，一种简单的处理方法是不考虑各个输入参数和响应特性间的内在的物理关系，只对数据本身建立输入和输出间的映射关系了准确反映控制参数对发动机响应的不同影响，另外一种处理方法是对控制参数进行适当区分，于是得到两种不同的建模方法：单阶建模法和二阶建模法。单阶建模主要针对局部模型，而二阶建模针对全局模型，使用的数学拟合方法最常见的是多项式拟合、回归模型拟合和神经网络拟合等等。在优化算法设计方面，发动机性能指标是之间有很多是相互矛盾的，优化算法可以寻求性能指标之间的折衷。并且由于发动机是一个复杂的系统，控制参数的对不同的性能指标也会产生不同的影响，因此控制参数的优化属于多参数多目标的优化问题。由于是离线优化，发动机性能响应是实时的，因此优化算法的选择很多，最为常见的是拉格朗日乘子法、最小二乘法、遗传算法、人工神经网络法等等。基于模型的标定技术是离线优化，不能在发动机运行过程中实时在线的得到最优的控制参数；经过优化算法得到的控制参数是关于拟合模型的最优解，但拟合模型的结果和真实的发动机性能响应存在误差，得到的拟合模型的最优解是否为真实的发动机最优控制参数，取决于拟合模型的精度。模型的拟合过程一方面要求数据足够全面，能够详细的反映发动机的响应，尽管依照试验设计方法进行试验，得到的试验数据能够很好的满足建模要求，但和真实的发动机总会存在误差；另一方面使用数学方法进行拟合模型，也会存在拟合后的模型和试验数据之间的误差。拟合模型与真实的发动机之间的误差可以缩小，但始终无法消除，是不可避免的问题。2、在发动机控制参数在线标定这个方面，已经存在的专利多以自动标定系统的介绍为主，自动标定系统包含控制单元、采集单元、优化单元等等多个控制模块。通过控制单元输出执行器控制参数，采集单元采集发动机性能得响应结果(转矩、燃油消耗率、排放等)、优化单元比较不同控制参数下的发动机响应，得到最优控制参数。自动标定系统多以系统介绍为主，并没有针对优化算法进行介绍，在控制参数寻优上并没有给出合适的方法，也没有给出优化目标函数；不能保证在某一工况下，能够全自动的闭环的寻找到基于优化目标函数最优的控制参数，并使发动机按此控制参数运行。在线标定优化算法设计这一方面，较为常见的优化算法是遗传算法和极值搜索算法。遗传算法通过给定大量的控制参数组合，分别发送给执行器执行，采集不同控制参数组合下的发动机性能响应，记录控制参数组合和发动机响应的结果，并根据发动机响应求解优化目标函数，经过若干次试验、求解，得到优化目标最优的控制参数组合。极值搜索算法采集发动机性能响应，计算得到优化目标函数值和优化目标函数的梯度，并根据梯度确定下一次的控制参数，通过多次迭代，使优化目标函数收敛到最小值，得到最优的控制参数。遗传算法会产生大量的控制参数组合，因此需要进行大量的试验来求解优化目标函数，由于试验是在发动机台架上实时进行的，因此每一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种结合遗传算法和极值搜索算法的发动机控制参数在线标定的装置，包括发动机、测功机、发动机控制器、燃烧分析仪、MircoAutoBox快速控制原型以及测功机上位机控制系统、发动机控制器上位机、MircoAutoBox快速控制原型上位机和CAN总线通讯系统：/n其中，所述的发动机和测功机通过联轴器联接，所述的测功机用于为发动机起动提供起动转速，固定发动机转速并测量发动机的转矩；/n所述的发动机控制器用来控制发动机上的执行器，接收传感器采集的信号，与发动机控制器上位机通过CAN总线进行通信；/n所述的燃烧分析仪通过安装在发动机缸内的缸压传感器和曲轴上的角标仪采集缸内压力和曲轴转角，进而计算每循环的平均指示压力，并且通过CAN总线与MircoAutoBox快速控制原型进行通信，将信息发送给MircoAutoBox快速控制原型；/n所述的MircoAutoBox快速控制原型用于搭建优化算法，通过采集输入量，计算下一次的控制参数；/n所述的测功机上位机控制系统用来控制测功机，监测测功机的状态和测量的发动机转矩；/n所述的发动机控制器上位机用于向发动机控制器发送控制指令，从而控制执行器；监控传感器采集的发动机状态；在控制参数自动标定时，接收MircoAutoBox快速控制原型计算的控制参数，再将该控制参数发送给发动机控制器；/n所述的MircoAutoBox快速控制原型上位机用于监测优化算法计算时的输入和输出量，同时有自动标定的开关，用来控制自动标定过程的开始和结束；/n所述的CAN总线通讯系统由两条CAN总线组成，其中一条连接MircoAutoBox快速控制原型和燃烧分析仪，燃烧分析仪将计算得到的IMEP发送给MircoAutoBox快速控制原型；另外一条CAN总线连接发动机控制器、发动机控制器上位机和MircoAutoBox快速控制原型，发动机控制器将传感器采集的信号通过CAN总线发送给发动机控制器上位机，用于发动机状态监控；发动机控制器上位机将控制参数通过CAN总线下发到发动机控制器，发动机控制器照此参数控制执行器执行；所述的MircoAutoBox快速控制原型在CAN总线上监听发动机控制器下发的喷油脉宽，用以计算燃油消耗率，同时在自动在线参数标定过程中MircoAutoBox快速控制原型向发动机控制器发送相应的控制参数，用以代替发动机控制器上位机下发的相同的控制参数。/n...

【技术特征摘要】
1.一种结合遗传算法和极值搜索算法的发动机控制参数在线标定的装置，包括发动机、测功机、发动机控制器、燃烧分析仪、MircoAutoBox快速控制原型以及测功机上位机控制系统、发动机控制器上位机、MircoAutoBox快速控制原型上位机和CAN总线通讯系统：
其中，所述的发动机和测功机通过联轴器联接，所述的测功机用于为发动机起动提供起动转速，固定发动机转速并测量发动机的转矩；
所述的发动机控制器用来控制发动机上的执行器，接收传感器采集的信号，与发动机控制器上位机通过CAN总线进行通信；
所述的燃烧分析仪通过安装在发动机缸内的缸压传感器和曲轴上的角标仪采集缸内压力和曲轴转角，进而计算每循环的平均指示压力，并且通过CAN总线与MircoAutoBox快速控制原型进行通信，将信息发送给MircoAutoBox快速控制原型；
所述的MircoAutoBox快速控制原型用于搭建优化算法，通过采集输入量，计算下一次的控制参数；
所述的测功机上位机控制系统用来控制测功机，监测测功机的状态和测量的发动机转矩；
所述的发动机控制器上位机用于向发动机控制器发送控制指令，从而控制执行器；监控传感器采集的发动机状态；在控制参数自动标定时，接收MircoAutoBox快速控制原型计算的控制参数，再将该控制参数发送给发动机控制器；
所述的MircoAutoBox快速控制原型上位机用于监测优化算法计算时的输入和输出量，同时有自动标定的开关，用来控制自动标定过程的开始和结束；
所述的CAN总线通讯系统由两条CAN总线组成，其中一条连接MircoAutoBox快速控制原型和燃烧分析仪，燃烧分析仪将计算得到的IMEP发送给MircoAutoBox快速控制原型；另外一条CAN总线连接发动机控制器、发动机控制器上位机和MircoAutoBox快速控制原型，发动机控制器将传感器采集的信号通过CAN总线发送给发动机控制器上位机，用于发动机状态监控；发动机控制器上位机将控制参数通过CAN总线下发到发动机控制器，发动机控制器照此参数控制执行器执行；所述的MircoAutoBox快速控制原型在CAN总线上监听发动机控制器下发的喷油脉宽，用以计算燃油消耗率，同时在自动在线参数标定过程中MircoAutoBox快速控制原型向发动机控制器发送相应的控制参数，用以代替发动机控制器上位机下发的相同的控制参数。


2.根据权利要求1所述的一种结合遗传算法和极值搜索算法的发动机控制参数在线标定的装置，其特征在于，所述的燃烧分析仪的计算过程中，需要采集多个循环的平均值作为发动机响应。


3.根据权利要求2所述的一种结合遗传算法和极值搜索算法的发动机控制参数在线标定的装置，其特征在于，采集的循环数为40～400个循环。


4.一种结合遗传算法和极值搜索算法的发动机控制参数在线标定的方法，包括以下步骤：
A、在测功机上位机控制系统设置发动机起动转速，预设发动机稳定运行的转速；
B、起动，发动机在预设的运行转速稳定运行，此时测功机上位机控制系统实时监测测功机状态和发动机转矩等动力性指标；然后通过发动机控制器上位机设置节气门开度，确定运行工况，并实时检测发动机排气温度、冷却水温度状态；
C、在MircoAutoBox快速控制原型上位机打开控制参数自动标定的开关，进行控制参数的自动标定；
D、燃烧分析仪在整个过程实时采集计算发动机的平均指示压力，并通过CAN总线通讯，持续的将平均指示压力的信息发送给MircoAutoBox快速控制原型；
E、MircoAutoBox快速控制原型在接到控制参数自动标定过程开始的指令过后，接收燃烧分析仪发送过来的平均指示压力，并计...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鸿，黄英，何蔚梁，岳芸鹏，王绪，李永亮，王健，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11