一種應(yīng)用遺傳算法的單缸發(fā)動(dòng)機(jī)油膜特性參數(shù)識(shí)別方法*

黃謝鑫　徐　滿　何小鵬（華南理工大學(xué)廣東省汽車工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室廣東廣州510640）

一種應(yīng)用遺傳算法的單缸發(fā)動(dòng)機(jī)油膜特性參數(shù)識(shí)別方法*

黃謝鑫徐滿何小鵬
（華南理工大學(xué)廣東省汽車工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室廣東廣州510640）

基于所建立的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油蒸發(fā)模型，搭建單缸發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采用小偏差攝動(dòng)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過寬域氧傳感器采得空燃比曲線數(shù)據(jù)。應(yīng)用遺傳算法對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行特性參數(shù)識(shí)別，并將識(shí)別后的特性參數(shù)應(yīng)用于試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器的空燃比控制算法中?？杖急茸兓哂辛己玫母S效果，顯著地改善了發(fā)動(dòng)機(jī)過渡工況下的動(dòng)態(tài)特性，驗(yàn)證了所提出方法的可行及有效性。

模型遺傳算法參數(shù)識(shí)別動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器

引言

發(fā)動(dòng)機(jī)過渡工況的空燃比控制一直是國內(nèi)外專家研究的重點(diǎn)，過渡工況時(shí)的空燃比與理論空燃比的偏差對發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能及燃油經(jīng)濟(jì)性能造成一定的負(fù)面影響。摩托車在行駛過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常會(huì)工作在過渡工況下，加之摩托車多使用單缸發(fā)動(dòng)機(jī)，這種偏差對摩托車的負(fù)面影響更為突出［1］。對于發(fā)動(dòng)機(jī)過渡工況的建模一般選用發(fā)動(dòng)機(jī)平均值模型［2］，C. F.Aquino率先提出雙參數(shù)x-τ發(fā)動(dòng)機(jī)油膜模型［3］，明確指出過渡工況發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道油膜存在滯后現(xiàn)象。隨后E.Hendricks等人對x-τ模型進(jìn)行改進(jìn)，提出雙時(shí)間常數(shù)的x-τ模型［3］，K.Horie，Jim S.Cowart，N.Cavina等人分別進(jìn)行了相關(guān)研究驗(yàn)證了x-τ模型的可行性［4-6］?；诖?，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究并提出了各種發(fā)動(dòng)機(jī)過渡工況的油膜補(bǔ)償策略，然而少有人提及具體的參數(shù)調(diào)節(jié)方式。清華大學(xué)的朱航等人通過理論分析提出可通過空燃比的變化特征確定x和τ的值［7］。應(yīng)用該方法得出的結(jié)果較為精準(zhǔn)，但是操作過于繁瑣，不利于應(yīng)用。

遺傳算法（GA）是一種基于選擇和自然遺傳的全局優(yōu)化算法，具有不依賴于求解對象是否連續(xù)、線性、可微，且不受優(yōu)化數(shù)目以及約束條件的束縛等特點(diǎn)，能避免采用最小二乘法原理進(jìn)行曲線擬合容易陷入局部最優(yōu)解的問題［8］，是一種快速可靠的曲線擬合方法。本文提出將小偏差攝動(dòng)法和遺傳算法相結(jié)合的設(shè)想，目的是對發(fā)動(dòng)機(jī)油膜蒸發(fā)模型中x與τ的值進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的辨識(shí)，并通過搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證所提出方法的可行性。

1　發(fā)動(dòng)機(jī)燃油蒸發(fā)模型及動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模型

1.1發(fā)動(dòng)機(jī)燃油蒸發(fā)模型

現(xiàn)代電噴汽油機(jī)根據(jù)噴油的位置可以分中央噴射、進(jìn)氣口（或進(jìn)氣道）噴射和缸內(nèi)直噴這三大類。本文所搭建的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用春風(fēng)CF250J發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)屬于進(jìn)氣口噴射發(fā)動(dòng)機(jī)，噴油器噴出的指令燃油量與實(shí)際進(jìn)入氣缸的燃油量并不相等，在相應(yīng)的進(jìn)氣沖程內(nèi)噴油器噴出的燃油并沒有完全進(jìn)入氣缸，部分燃油附著于進(jìn)氣歧管末端壁面而形成油膜，油膜再通過蒸發(fā)形成燃油蒸氣進(jìn)入氣缸。

考慮噴油正時(shí)，噴油持續(xù)期可能完全處于節(jié)氣門完全打開的狀態(tài)（INJO）或者完全處于節(jié)氣門完全關(guān)閉的狀態(tài)（INJC），浙江大學(xué)的鄒博文等推導(dǎo)了INJO和INJC兩種工況下的燃油蒸發(fā)模型，得到了同時(shí)適用于上述兩種噴油正時(shí)的燃油蒸發(fā)數(shù)學(xué)模型［9］，如圖1所示。

圖1　汽油機(jī)燃油蒸發(fā)模型過程示意圖

圖中x為油膜沉積比例系數(shù)，定義為沉積在進(jìn)氣歧管的燃油量占所噴燃油總量的比例；τ為油膜蒸發(fā)時(shí)間常數(shù)，定義為進(jìn)氣歧管壁上的油膜蒸發(fā)成燃油蒸汽所需的時(shí)間；mff為進(jìn)氣歧管壁上油膜質(zhì)量；m˙ff為進(jìn)氣歧管壁上油膜質(zhì)量變化量；m˙f為噴油器噴出的燃油質(zhì)量流量。根據(jù)質(zhì)量守恒定理可以得到如下模型方程：

1.2燃油動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器模型

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)態(tài)工況時(shí)，每循環(huán)的油膜沉積量和蒸發(fā)量保持相等。一旦發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度突然變化時(shí)，這種平衡被打破。當(dāng)節(jié)氣門開度突然增大，噴油器單位時(shí)間噴出的噴油量m˙f增加，相應(yīng)沉積在歧管壁面上的燃油量增加，而此時(shí)從歧管壁面上單位時(shí)間蒸發(fā)的燃油m˙ff仍保持原來的值，實(shí)際進(jìn)入氣缸的燃油比噴油器理論噴出的燃油量少，混合氣偏稀，造成實(shí)際的空燃比比期望空燃比大。與此相反，在節(jié)氣門開度突然減小時(shí)，混合氣濃度偏濃，造成實(shí)際的空燃比比期望空燃比小。

為了使實(shí)際空燃比和期望空燃比相同，需要增加燃油補(bǔ)償器，使實(shí)際進(jìn)入氣缸的燃油m˙f等于指令燃油m˙fu，即m˙f=m˙fu，代入公式（1）和（2）可得出燃油補(bǔ)償器模型方程如下：

將上述燃油蒸發(fā)模型式（1）、（2）進(jìn)行拉普拉斯變換，可得：

式中，s是拉氏算子。

將燃油補(bǔ)償器模型式（3）、（4）進(jìn)行拉普拉斯變換，可得：

將燃油蒸發(fā)模型傳遞函數(shù)G（s）與燃油補(bǔ)償器模型傳遞函數(shù)H（s）相乘即可得到帶燃油補(bǔ)償器的發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油系統(tǒng)傳遞函數(shù)：

式中，xc為燃油補(bǔ)償器油膜沉積比例系數(shù)的估算值，τc為燃油補(bǔ)償器油膜蒸發(fā)時(shí)間常數(shù)估算值，xr為發(fā)動(dòng)機(jī)油膜沉積比例系數(shù)真實(shí)值，τr為油膜蒸發(fā)時(shí)間常數(shù)真實(shí)值。

從式子（7）中可以看出，當(dāng)燃油補(bǔ)償器估算參數(shù)τc和xc與發(fā)動(dòng)機(jī)固有參數(shù)τr和xr分別相等時(shí)，M（s）=1，即進(jìn)入氣缸內(nèi)的燃油量等于指令燃油量。故對發(fā)動(dòng)機(jī)燃油蒸發(fā)參數(shù)x和τ標(biāo)定的準(zhǔn)確度直接影響燃油補(bǔ)償器的補(bǔ)償效果。

2　小偏差攝動(dòng)法及空燃比動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)

2.1小偏差攝動(dòng)法

對發(fā)動(dòng)機(jī)燃油蒸發(fā)模型參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，必須進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)特性實(shí)驗(yàn)，小偏差攝動(dòng)法是目前使用得最廣泛和最簡單有效的實(shí)驗(yàn)方法，其應(yīng)用過程如圖2所示，噴油器噴出的燃油與小偏差攝動(dòng)共同構(gòu)成指令燃油m˙fu，即為期望噴入氣缸的燃油。由于小偏差攝動(dòng)選擇為方波，故指令燃油也呈現(xiàn)方波形式。該周期變化的指令燃油分別在不進(jìn)行燃油補(bǔ)償策略和進(jìn)行燃油補(bǔ)償策略的情形下，能相應(yīng)地表現(xiàn)出不同的空燃比周期變化。為了讓發(fā)動(dòng)機(jī)在加入該攝動(dòng)后仍能保持原來的穩(wěn)定工況，并且使得空燃比能夠產(chǎn)生可觀測的變化，將攝動(dòng)幅值設(shè)置為±10%。

圖2　小偏差攝動(dòng)法在發(fā)動(dòng)機(jī)油膜蒸發(fā)模型參數(shù)標(biāo)定中的應(yīng)用示意圖

2.2空燃比動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)臺(tái)

該空燃比動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)架簡圖如圖3所示。通過對ECU控制算法的編寫，實(shí)現(xiàn)對發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度和噴油量的控制；發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣會(huì)被安裝在排氣管上的寬域氧傳感器所采集，獲取當(dāng)前尾氣空燃比信息；最后通過數(shù)據(jù)采集卡將空燃比數(shù)據(jù)采集并記錄。實(shí)驗(yàn)臺(tái)所選用的ECU型號(hào)為華?？萍糝apidECUE3，數(shù)據(jù)采集卡為NI 9757氧傳感器模塊套件，發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為春風(fēng)CF250J，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1　春風(fēng)CF250J發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)及燃油技術(shù)規(guī)格

在發(fā)動(dòng)機(jī)充分熱機(jī)后，保持節(jié)氣門開度不變，只通過噴油量小偏差攝動(dòng)實(shí)現(xiàn)空燃比的周期變化。使發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度保持在25%，攝動(dòng)的方波周期設(shè)為20 s（即每隔10 s改變發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油量），得到無燃油補(bǔ)償策略下發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比曲線如圖4所示。

對式（5）進(jìn)行拉普拉斯逆變換，得到輸出空燃比曲線的時(shí)域方程：

圖3　空燃比動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)

圖4　發(fā)動(dòng)機(jī)在節(jié)氣門開度為25%時(shí)無噴油補(bǔ)償策略下小偏差攝動(dòng)實(shí)驗(yàn)的空燃比曲線

其中a為偏移量，根據(jù)圖4可知，空燃比的偏移量取a=0.88。

3　基于遺傳算法的參數(shù)識(shí)別及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1遺傳算法

遺傳算法是基于生物界的自然選擇法則和自然遺傳理論為基礎(chǔ)的全局尋優(yōu)隨機(jī)搜索算法。遺傳算法從隨機(jī)的一組解開始搜索過程，進(jìn)行交叉、變異和選擇來產(chǎn)生下一組解，不斷迭代進(jìn)化，經(jīng)過若干次迭代之后，算法收斂于某一組解，即為該問題的最優(yōu)解。若設(shè)在t時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)小偏差攝動(dòng)實(shí)驗(yàn)所測得實(shí)際空燃比y_test與由公式（8）計(jì)算空燃比y_cal差值為△yi，將N對實(shí)測數(shù)據(jù)（ti，y_testi）帶入式（8）就能得到N個(gè)方程，即：

其中i=1，2，3···N，而參數(shù)識(shí)別的目標(biāo)是在△yi的平方和最小的前提下，求得x和τ的最優(yōu)估算值。整個(gè)遺傳算法的流程如圖5所示。

圖5　遺傳算法的流程圖

3.2參數(shù)識(shí)別及參數(shù)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證

通過選取圖4中一個(gè)周期內(nèi)的上升沿起始點(diǎn)至下降沿起始點(diǎn)（A點(diǎn)到B點(diǎn)）的數(shù)據(jù)，運(yùn)用遺傳算法進(jìn)行參數(shù)識(shí)別。遺傳算法種群數(shù)設(shè)為20，交叉運(yùn)算采用均勻交叉法，交叉率設(shè)為50%，兩個(gè)配對個(gè)體的每一位基因都以相同的概率進(jìn)行交換，生成兩個(gè)新個(gè)體；變異率為1%；選擇運(yùn)算采用隨機(jī)選擇法，每次選取N個(gè)個(gè)體之中適應(yīng)度最高的個(gè)體遺傳到下一代。參數(shù)識(shí)別結(jié)果x為0.777 7，τ為0.598 9。算法達(dá)到了收斂判斷標(biāo)準(zhǔn)結(jié)束，均方差為0.012 1，殘差平方和為0.093 8，相關(guān)系數(shù)為0.832 4，故可認(rèn)為本次參數(shù)識(shí)別有效。

為發(fā)動(dòng)機(jī)加入上文所述噴油補(bǔ)償策略，分別把參數(shù)x和τ的值設(shè)為通過遺傳算法識(shí)別所得數(shù)據(jù)0.777 7和0.598 9，并保持與之前一致的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。得到補(bǔ)償后空燃比曲線如圖6所示，將有噴油補(bǔ)償和無噴油補(bǔ)償?shù)目杖急惹€進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)在噴油指令發(fā)生變化時(shí)（曲線的上升沿和下降沿），有噴油補(bǔ)償策略的發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比跟隨效果明顯得到改善。

4　結(jié)論

1）利用遺傳算法的解具有全局性優(yōu)化的優(yōu)勢，提出應(yīng)用遺傳算法進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)油膜特性參數(shù)識(shí)別的方法。與前人提出的根據(jù)空燃比變化特征進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)油膜特性參數(shù)調(diào)節(jié)的復(fù)雜標(biāo)定過程相比，本文所提出的參數(shù)標(biāo)定方法更為簡單和普遍適用性，具有樂觀的應(yīng)用前景。

圖6　發(fā)動(dòng)機(jī)在節(jié)氣門開度為25%時(shí)有噴油補(bǔ)償與無噴油補(bǔ)償?shù)目杖急惹€

2）通過搭建發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比動(dòng)態(tài)特性測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采取保持發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度不變只改變噴油量的小偏差攝動(dòng)法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明發(fā)動(dòng)機(jī)在過渡工況的空燃比曲線跟隨性得到了較為明顯的改善，優(yōu)化了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，從而驗(yàn)證了所提出的應(yīng)用遺傳算法進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)油膜特性參數(shù)識(shí)別方法的可行性。

1郗大光，孫艷寰，白富強(qiáng)，等.小型汽油機(jī)進(jìn)氣道燃油霧化和蒸發(fā)特性研究［J］.小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2007，36（04）：34-36，72

2E.Hendricks，S.C.Sorenson.Mean value modeling of spark ignition engines［J］.SAE Paper 900616

3C.F.Aquino.Transient A/F ratio control characteristics of the 5 Liter central fuel injection engine［J］.SAE Paper 810494

4K.Horie，H.Takahasi，S.Akazaki.Emission reduction during warm-up period by incorporating a wall-wetting fuel model on the fuel injection strategy during engine starting［J］.SAE Paper 952478

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6N.Cavina，F(xiàn).Midelli，M.Ceccarani.Implementation of fuel film compensation algorithm on the Lamnborghini Diable 6.0 engine［J］.SAE Paper2001-01-0609

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9鄒博文.基于模型的汽油機(jī)空燃比控制技術(shù)研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2006

An Identification Method of Characteristic Parameters for Single-Cylinder Engine Fuel Film Based on Genetic Algorithm

Huang Xiexin，Xu Man，He Xiaopeng
Guangdong Key Lab of Automotive Engineering，South China University of Technology（Guangzhou，Guangdong，510640，China）

According to an x-τ Simulink model that comprises engine fuel evaporation process，a test bench is built for study of air-fuel ratio（AFR）of single-cylinder engine.A perturbation method is adopted during the bench test，and the AFR data is acquired using a universal exhaust gas oxygen sensor.Then we apply genetic algorithm on the acquired data for fuel film characteristic parameters identification，and put the identified parameters into the AFR control algorithm of fuel film dynamic compensator.The experimental result demonstrates a favorable tracking performance on AFR and a significant improvement for the dynamic characteristics under transient operating conditions of the engine，which also proves the feasibility and validity of the proposed method.

x-τ model，Genetic algorithm，Parameter identification，Dynamic compensator

TK411+.12

A

2095-8234（2015）04-0079-04

2015-06-01）

國家自然科學(xué)基金（課題編號(hào)51405087）。

黃謝鑫（1990-），男，研究生，主要研究方向?yàn)槠囯娮蛹皞鲃?dòng)系統(tǒng)控制。