CN112257276A - 一种发动机实时虚拟标定系统及其仿真建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种发动机实时虚拟标定系统，包括实时仿真机、ECU电子控制单元、执行机构、上位机、主控计算机和交互组件；所述实时仿真机用于模拟发动机运行，生成实时反馈数据和INCA标定数据，所述ECU电子控制单元用于接收所述生成实时反馈数据和INCA标定数据，所述主控计算机用于搭建发动机模型和整车模型；所述上位机用于加载所述模型工程文件，所述交互组件用于显示信息和输入指令。本发明的基于仿真建模方法的发动机虚拟标定系统，大大减少了传统标定工作的难度和工作量，缩短了发动机产品开发周期，节约了大量的时间成本和人力成本；采用高斯回归算法可以对发动机模型参数进行准确预测，有效地改善了发动机的排放性能。
Description
技术领域
本发明属于发动机虚拟标定领域，特别涉及一种发动机实时虚拟标定系统及其仿真建模方法。
背景技术
发动机由两大机构、五大系统组成，曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系、点火系、起动系。汽车设计中的附件设计主要包含进气系统设计、排气系统设计、冷却系统设计、燃油供给系统设计，进气系统主要是设计空气滤清器及进气管路，排气系统主要是催化器、消声器的设计，其中进排气涉及到噪声分析，进气流场分析、振动分析等仿真。，冷气系统主要是散热器、溢水罐及风扇的设计，主要是计算散热舒服能满足设计要求。其中涉及CFD分析。燃油系统主要燃油箱、燃油泵、碳罐、电磁阀及燃油滤清器的设计。
目前各个厂商都在大力开发满足新排放政策的发动机。对于新发动机而言，电控系统的复杂性、性能参数的改善以及各参数间的相关性大大提高了传统标定工作的难度和工作量，增加了发动机的开发周期以及开发成本；而基于仿真建模方法的发动机虚拟标定系统，可以在发动机台架标定之前提供发动机的预标定数据，大大减少了传统标定工作的难度和工作量，节约了大量的时间成本和人力成本。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种发动机实时虚拟标定系统，包括实时仿真机、ECU电子控制单元、执行机构、上位机、主控计算机和交互组件；
所述实时仿真机用于模拟发动机运行，生成实时反馈数据和INCA标定数据，并将所述实时反馈数据和INCA标定数据发送至ECU电子控制单元；
所述ECU电子控制单元用于接收所述生成实时反馈数据和INCA标定数据，并根据所述实时反馈数据和INCA标定数据计算出相应的控制量发送至执行器机构；
所述执行机构用于接收所述控制量，根据所述控制量生成执行状态信息，并将所述执行状态信息发送至实时仿真机；
所述主控计算机用于搭建发动机模型和整车模型，生成模型工程文件；
所述上位机用于加载所述模型工程文件，通过LAN通讯下载到实时仿真机运行；
所述交互组件用于显示信息和输入指令。
优选的，所述执行机构包括节气门、喷油器、燃油计量阀、EGR阀、EGR冷却旁通阀、尿素泵、尿素罐和尿素管。
优选的，所述ECU电子控制单元通过ES910_A与INCA标定软件连接，所述INCA标定软件用于与ECU电子控制单元实时交互标定数据，优化发动机的性能参数和排放特性。
优选的，所述主控计算机包括FEV/MorpheeEditor模块、Matlab/Simulink模块和GT-Power模块，所述GT-Power模块与Matlab/Simulink模块连接，所述Matlab/Simulink模块与FEV/MorpheeEditor模块连接。
优选的，所述GT-Power模块用于搭建发动机的进排气模型，编译生成相应的目标文件；
所述Matlab/Simulink模块用于搭建发动机燃烧模型、发动机冷却模型、发动机后处理模型、整车模型，调用所述目标文件，并将所述目标文件编译生成FEV/Morphee可调用的模型工程文件。
优选的，所述FEV/Morphee模块用于模型工程加载、工况模拟运行、实时数据显示、数据分析和存储和串口控制，配置CAN信号、数字量和模拟量信号，加载所述模型工程文件，通过LAN通讯下载到下位机运行。
优选的，所述交互组件包括显示器、键盘和鼠标，所述显示器、键盘和鼠标均与上位监控机和主控计算机电性连接。
一种发动机仿真建模方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、对发动机台架采集回来的发动机数据进行标准正态化；
S2、计算台架数据的协方差矩阵K和K*；
S3、运用似然函数优化高斯回归算法中的超参；
S4、根据优化后的超参计算得到新的协方差矩阵D和D*；
S5、根据高斯回归算法计算得到标准正态化预测值；
S6、根据标准正态化预测值计算得到所需的预测值。
本发明的基于仿真建模方法的发动机虚拟标定系统，可以在发动机台架标定之前提供发动机的预标定数据，大大减少了传统标定工作的难度和工作量，缩短了发动机产品开发周期，节约了大量的时间成本和人力成本，满足了企业发动机产品的快速上市需求；本发明基于高斯回归算法的发动机燃烧模型，采用高斯回归算法可以对发动机模型参数进行准确预测，有效地改善了发动机的排放性能。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明实施例的发动机实时虚拟标定系统示意图；
图2示出了根据本发明实施例的主控计算机示意图；
图3示出了根据本发明实施例的发动机仿真建模方法示意图；
图4示出了根据本发明实施例的仿真运行发动机转速数据对比示意图；
图5示出了根据本发明实施例的仿真运行发动机扭矩数据对比示意图；
图6示出了根据本发明实施例的仿真运行发动机瞬时油耗数据对比示意图；
图7示出了根据本发明实施例的仿真运行发动机原排NOx数据对比示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
一种发动机实时虚拟标定系统，包括实时仿真机、ECU电子控制单元、执行机构、上位机、主控计算机和交互组件；
所述实时仿真机用于模拟发动机运行，生成实时反馈数据和INCA标定数据，并将所述实时反馈数据和INCA标定数据发送至ECU电子控制单元；
所述ECU电子控制单元用于接收所述生成实时反馈数据和INCA标定数据，并根据所述实时反馈数据和INCA标定数据计算出相应的控制量发送至执行器机构；
所述执行机构用于接收所述控制量，根据所述控制量生成执行状态信息，并将所述执行状态信息发送至实时仿真机；
所述主控计算机用于搭建发动机模型和整车模型，生成模型工程文件；
所述上位机用于加载所述模型工程文件，通过LAN通讯下载到实时仿真机运行；
所述交互组件用于显示信息和输入指令。
所述执行机构包括节气门、喷油器、燃油计量阀、EGR阀、EGR冷却旁通阀、尿素泵、尿素罐和尿素管。
所述ECU电子控制单元通过ES910_A与INCA标定软件连接，所述INCA标定软件用于与ECU电子控制单元实时交互标定数据，优化发动机的性能参数和排放特性。
所述主控计算机包括FEV/MorpheeEditor模块、Matlab/Simulink模块和GT-Power模块，所述GT-Power模块与Matlab/Simulink模块连接，所述Matlab/Simulink模块与FEV/MorpheeEditor模块连接；
所述GT-Power模块用于搭建发动机的进排气模型，编译生成相应的目标文件；
所述Matlab/Simulink模块用于搭建发动机燃烧模型、发动机冷却模型、发动机后处理模型、整车模型，调用所述目标文件，并将所述目标文件编译生成FEV/Morphee可调用的模型工程文件；
所述FEV/Morphee模块用于模型工程加载、工况模拟运行、实时数据显示、数据分析和存储和串口控制，配置CAN信号、数字量和模拟量信号，加载所述模型工程文件，通过LAN通讯下载到下位机运行。
所述交互组件包括显示器、键盘和鼠标，所述显示器、键盘和鼠标均与上位监控机和主控计算机电性连接。
使用时，先在GT-Power搭建发动机进排气模型，编译生成相应的目标文件，供Matlab/Simulink调用；在Matlab/Simulink搭建发动机燃烧模型、冷却模型、后处理模型以及整车模型，调用GT-Power生成的进排气目标文件，然后编译生成FEV/Morphee可调用的模型工程文件；在FEV/Morphee Editor，配置CAN信号、数字量和模拟量信号，然后在FEV/Morphee软件里加载配置好的工程，通过LAN通讯下载到实时仿真机运行；INCA标定软件通过ES910_A跟ECU实时交互标定数据，优化发动机的性能参数和排放特性；ECU电子控制的单元根据发动机模型实时反馈回来的数据和INCA标定数据，计算出相应的控制量输出到执行器机构；执行器机构执行来自ECU电子控制单元的控制信号，并把执行的状态信息输出到发动机模型；发动机各子模型根据执行器传递过来的信号，计算出发动机的进排气温度、进排气压力、原排和尾排等数据，反馈到ECU电子控制单元，从而实现发动机的虚拟标定功能。
一种发动机仿真建模方法，主要指的是基于高斯回归算法的发动机燃烧模型，因为发动机燃烧模型的精确度准确与否对发动机排放性能影响很大，本专利采用高斯回归算法可以对发动机模型参数进行准确预测，有效地改善了发动机的排放性能，高斯算法具体计算过程如下:
首先对发动机台架采集回来的发动机数据进行标准正态化；
然后计算台架数据的协方差矩阵K和K*；
接着运用似然函数优化高斯回归算法中的超参；
再根据优化后的超参计算得到新的协方差矩阵K和K*；
根据高斯回归算法计算得到标准正态化预测值；
最后根据标准正态化预测值计算得到所需的预测值。
通过基于高斯回归算法的发动机燃烧模型，采用高斯回归算法可以对发动机模型参数进行准确预测，有效地改善了发动机的排放性能。
建模完成后并在虚拟标定系统台架上进行了发动机的WHTC工况仿真运行，并于实际发动机太极数据进行对比，都取得了较号的仿真结果，其中，发动机转速误差率±5％；发动机扭矩误差率±5％；发动机燃油消耗率误差率±3％，原排NOx误差率±10％。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种发动机实时虚拟标定系统，其特征在于：包括实时仿真机、ECU电子控制单元、执行机构、上位机、主控计算机和交互组件；
所述实时仿真机用于模拟发动机运行，生成实时反馈数据和INCA标定数据，并将所述实时反馈数据和INCA标定数据发送至ECU电子控制单元；
所述ECU电子控制单元用于接收所述生成实时反馈数据和INCA标定数据，并根据所述实时反馈数据和INCA标定数据计算出相应的控制量发送至执行器机构；
所述执行机构用于接收所述控制量，根据所述控制量生成执行状态信息，并将所述执行状态信息发送至实时仿真机；
所述主控计算机用于搭建发动机模型和整车模型，生成模型工程文件；
所述上位机用于加载所述模型工程文件，通过LAN通讯下载到实时仿真机运行；
所述交互组件用于显示信息和输入指令。
2.根据权利要求1所述的一种发动机实时虚拟标定系统，其特征在于：所述执行机构包括节气门、喷油器、燃油计量阀、EGR阀、EGR冷却旁通阀、尿素泵、尿素罐和尿素管。
3.根据权利要求1所述的一种发动机实时虚拟标定系统，其特征在于：所述ECU电子控制单元通过ES910_A与INCA标定软件连接，所述INCA标定软件用于与ECU电子控制单元实时交互标定数据，优化发动机的性能参数和排放特性。
4.根据权利要求1所述的一种发动机实时虚拟标定系统，其特征在于：所述主控计算机包括FEV/MorpheeEditor模块、Matlab/Simulink模块和GT-Power模块，所述GT-Power模块与Matlab/Simulink模块连接，所述Matlab/Simulink模块与FEV/MorpheeEditor模块连接。
5.根据权利要求1所述的一种发动机实时虚拟标定系统，其特征在于：所述交互组件包括显示器、键盘和鼠标，所述显示器、键盘和鼠标均与上位监控机和主控计算机电性连接。
6.根据权利要求4所述的一种发动机实时虚拟标定系统，其特征在于：所述GT-Power模块用于搭建发动机的进排气模型，编译生成相应的目标文件；
所述Matlab/Simulink模块用于搭建发动机燃烧模型、发动机冷却模型、发动机后处理模型、整车模型，调用所述目标文件，并将所述目标文件编译生成FEV/Morphee可调用的模型工程文件。
7.根据权利要求4所述的一种发动机实时虚拟标定系统，其特征在于：所述FEV/Morphee模块用于模型工程加载、工况模拟运行、实时数据显示、数据分析和存储和串口控制，配置CAN信号、数字量和模拟量信号，加载所述模型工程文件，通过LAN通讯下载到下位机运行。
8.一种发动机仿真建模方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、对发动机台架采集回来的发动机数据进行标准正态化；
S2、计算台架数据的协方差矩阵K和K*；
S3、运用似然函数优化高斯回归算法中的超参；
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