針對EGR閥動態(tài)特性的通用ATS架構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)

程 鑫,于 燁,陳建希,鄭豐宇,李小康,關(guān)添元

(1.武漢理工大學(xué) 機電工程學(xué)院,湖北 武漢 430070;2.湖北省磁懸浮軸承工程技術(shù)研究中心,湖北 武漢 430070;3.武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院,湖北 武漢 430070)

EGR(exhaust gas recirculation)技術(shù),即廢氣再循環(huán)技術(shù),其原理是將發(fā)動機的尾氣按一定比例通過進氣歧管與新鮮空氣混合后導(dǎo)入發(fā)動機氣缸,使進氣時空燃比下降,降低氣缸內(nèi)氧氣的濃度與燃燒反應(yīng)的最高溫度,破壞氮氧化合物(NOx)的生成條件,從而減少NOx的排放,同時也提升了發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性,是未來汽車實現(xiàn)節(jié)能減排的重要技術(shù)之一[1-3]。EGR閥是EGR系統(tǒng)中的一個重要器件,其通過調(diào)節(jié)閥門開度來改變導(dǎo)入發(fā)動機氣缸中的廢氣量,使發(fā)動機達到最佳EGR狀態(tài),對整個EGR過程起著至關(guān)重要的作用。

車載ECU(electronic control unit)根據(jù)發(fā)動機反饋的轉(zhuǎn)速、水溫、油耗等信號計算出當(dāng)前車況下所需的EGR閥開度,進而控制EGR閥的開度大小,實現(xiàn)了閥的實時控制[4]。但是在實際復(fù)雜車況中,EGR閥存在自身動態(tài)性能不佳問題,會造成閥門開度過小或超調(diào),達不到指定開度,最終影響EGR效果。因此對EGR閥的動態(tài)性能檢測成為了評判其合格與否的重要一環(huán),測試所得的性能參數(shù)能夠很好地反映該閥的整體性能狀態(tài)。

文獻[5]針對無位置反饋式EGR閥的響應(yīng)時間測試提出了一種方法,利用外部位置傳感器實時檢測閥門位移來檢測閥門響應(yīng)時間,該測試裝置巧妙地利用了機械結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)測試。文獻[6]利用自主研制的自動測試系統(tǒng)實現(xiàn)了3種不同類型EGR閥的響應(yīng)時間測試,該測試系統(tǒng)達到了一定的通用性。文獻[7]將EGR閥安裝在EGR系統(tǒng)中進行測試,在發(fā)動機運行“全球統(tǒng)一輕型車輛測試循環(huán)”瞬態(tài)工況時監(jiān)控EGR率及EGR響應(yīng)運行情況確認延時,該方法精確地測試出EGR系統(tǒng)的響應(yīng)時間以及響應(yīng)延時。

現(xiàn)有的測試系統(tǒng)設(shè)計針對性較強,一般都是根據(jù)待測件去定制,而不同EGR閥無論是機械性能還是執(zhí)行器都有顯著差異,甚至同規(guī)格的產(chǎn)品也有不同零部件偏差,這將會對測試系統(tǒng)的通用性帶來挑戰(zhàn),不利于EGR閥的推廣應(yīng)用。因此筆者提出了一種通用的測試系統(tǒng)架構(gòu),通過上下位機的合理規(guī)劃,能對不同規(guī)格的EGR閥的動態(tài)性能進行測試分析與結(jié)果判定。實驗結(jié)果證實了所提方法、架構(gòu)的有效性。

1 EGR閥動態(tài)性能及其影響

EGR閥動態(tài)性能包括響應(yīng)時間、控制精度、抗干擾性能等。EGR閥的響應(yīng)時間包括啟動響應(yīng)時間和關(guān)斷響應(yīng)時間,啟動響應(yīng)時間是指從控制信號發(fā)出到閥門位移就位并穩(wěn)定的總時間,關(guān)斷響應(yīng)時間是指從控制信號給到閥門回到零點位置并穩(wěn)定的總時間。EGR閥的控制精度是指ECU將控制信號傳送至EGR閥時,EGR閥按給定的信號控制閥門開度的精確程度。EGR閥抗干擾性能是指當(dāng)閥門推桿突然受到一個外界的擾動力后,閥門隨擾動力位移后恢復(fù)到原位置的速度快慢。

EGR閥動態(tài)特性示意圖如圖1所示,其中t1、t2、t3分別為啟動響應(yīng)時間、關(guān)斷響應(yīng)時間以及擾動恢復(fù)時間。t0為系統(tǒng)的自身延遲時間,包括機械延遲等,一般是固定的。S1、S2、S3分別為啟動響應(yīng)閥門位移距離、關(guān)斷響應(yīng)閥門位移距離以及擾動測試時閥門在擾動力作用下的最大位移。δS為EGR閥在同一控制信號下兩次閥門位移的偏差。

圖1 EGR動態(tài)特性示意圖

對發(fā)動機的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)而言,只有ECU能夠?qū)GR閥進行實時準(zhǔn)確的控制,才能達到最佳的EGR率[8]。EGR率的計算公式為:

(1)

式中:fEGR為EGR率;VEGR為進氣行程中EGR廢氣的體積;VAIR為進氣行程中新鮮空氣的體積。

EGR閥的動態(tài)性能好壞直接影響ECU對EGR閥的實時控制,從而改變EGR率的大小。而EGR率的大小對發(fā)動機的燃燒特性、燃油經(jīng)濟性、能量分配、節(jié)油效果等有著顯著的影響。

EGR率過低則尾氣處理效果不佳,泵氣損失和傳熱損失增加,燃料消耗率提升;EGR率過高,空燃比增大,已燃廢氣中的惰性成分會抑制燃燒放熱速率,使燃燒重心大幅度后移,燃燒等容度降低。當(dāng)EGR對燃燒的惡化作用超過了對泵氣損失和傳熱損失的改善作用,會造成扭矩的降低和燃料消耗率的增大,同時會引發(fā)發(fā)動機的爆震[9-11]。

2 通用ATS架構(gòu)設(shè)計

通用性設(shè)計是目前自動測試系統(tǒng)ATS(automatic test system)的發(fā)展方向。通用性的實現(xiàn)可以大大提高ATS的開發(fā)速度,降低后期維護難度與成本,提高了測試系統(tǒng)的成熟度和可靠性[12]。

2.1 硬件資源選取

考慮到不同型號EGR閥存在驅(qū)動信號、閥門位移距離、供電信號等的差異性,將測試系統(tǒng)所需硬件資源分為通用部分和專用部分。通用硬件資源是對待測的所有型號EGR閥均適用的測試設(shè)備。在通用資源的基礎(chǔ)上,增加較少的專用資源即可完成某型號EGR閥的測試需求。

系統(tǒng)硬件組成如圖2所示,通用硬件設(shè)備包括通用激勵、模塊化電源、通用接口、通用測試設(shè)備和人機交互設(shè)備;專用硬件設(shè)備由專用適配器和專用測試組件組成。

圖2 系統(tǒng)硬件組成

2.2 軟件架構(gòu)

針對某一被測產(chǎn)品設(shè)計測試系統(tǒng)時,需要首先根據(jù)測試需求選擇硬件資源;然后按照所選硬件資源以及被測產(chǎn)品的接口信息,設(shè)計開發(fā)接口適配器,最后按照接口適配器連接情況和硬件資源配置情況來開發(fā)專門的測試軟件[13]。

筆者在對整個測試系統(tǒng)以及測試需求深入了解的基礎(chǔ)上,結(jié)合黃曉晴等[14]提出的UTest軟件系統(tǒng)架構(gòu),綜合EGR閥測試系統(tǒng)特征,提出了一種通用的測試系統(tǒng)軟件架構(gòu),該軟件系統(tǒng)架構(gòu)將軟件開發(fā)過程分為測試內(nèi)容參數(shù)化與通信協(xié)議制定兩個過程。

2.2.1 測試內(nèi)容參數(shù)化

測試內(nèi)容參數(shù)化是將測試系統(tǒng)的測試內(nèi)容進行劃分,將一個完整測試內(nèi)容細分為單個的測試任務(wù),最后從測試任務(wù)中抽象出低耦的測試參數(shù)模塊。測試內(nèi)容參數(shù)化過程如圖3所示。

圖3 測試內(nèi)容參數(shù)化過程

響應(yīng)時間測試、控制精度測試和抗干擾測試均涉及到閥門開度控制和位移數(shù)據(jù)采集,其中抗干擾測試還包括擾動控制任務(wù)。閥門開度控制的實現(xiàn)需要提供PWM(pulse width modulation)驅(qū)動信號,該驅(qū)動信號可由占空比、幅值、頻率3個參數(shù)完全定義。位移數(shù)據(jù)采集可由采樣深度和采樣間隔定義。而擾動控制則參數(shù)化為擾動力大小和擾動時間兩個參數(shù)。

本測試系統(tǒng)測試的目標(biāo)是要得出閥門位移與時間的關(guān)系,從而判定被測件動態(tài)性能的優(yōu)劣。以啟動延時測試為例,圖4為根據(jù)采樣點集合描繪出的閥門位移與時間關(guān)系示意圖。

圖4 啟動延時采樣示意圖

從圖4可知,采樣點集合對應(yīng)閥門此刻的位移值大小,每個采樣點采樣間隔是確定的,因此每一個采樣點對應(yīng)的該時刻閥門運動時間便是確定的,其值是采樣點序號與采樣間隔之積。由采樣點數(shù)值與閥門運動時間便可作出閥門位移與時間的關(guān)系曲線。對于不同型號EGR閥,只是涉及到閥門最終開度不同、響應(yīng)時間不同,只需通過更改PWM驅(qū)動信號以及采樣間隔與采樣深度的大小即可滿足測試要求。

2.2.2 通信協(xié)議制定

測試內(nèi)容參數(shù)化后,就可以進行通信協(xié)議的制定。通信協(xié)議是通信雙方交流內(nèi)容、交流方式的定義,方便通信雙方能夠接收到對方發(fā)來的信息并識別。通信協(xié)議制定的核心內(nèi)容是通信協(xié)議幀序列的制定。根據(jù)測試內(nèi)容參數(shù)化結(jié)果,制定通信協(xié)議幀序列如圖5所示。通信雙方按此序列定義進行通信,完成測試所需參數(shù)的配置以及采樣數(shù)據(jù)的傳輸。

圖5 通信協(xié)議幀序列定義

2.3 基于KNN的測試結(jié)果判定

對于測試結(jié)果的判定,傳統(tǒng)的判定方法是通過設(shè)置動態(tài)性能參數(shù)的上下限來進行判定,但對于性能參數(shù)上下限的衡量不好把控,因此擬通過KNN(K-nearest neighbor)分類算法對測試結(jié)果進行動態(tài)識別。

KNN法即K最鄰近法,是一種非參的、惰性的算法模型,屬于有監(jiān)督學(xué)習(xí)中的分類算法。其核心思想是對于任意的n維輸入向量,分別對應(yīng)于特征空間中的一個點,輸出的結(jié)果是所在類別,也就是說訓(xùn)練樣本集中每一數(shù)據(jù)與所屬類別有對應(yīng)關(guān)系。

(3)所檢橋梁部分支座擋塊有開裂、破損、與梁體間隙過小及露筋現(xiàn)象，支座擋塊與蓋梁連接處存在較多的混凝土破損、開裂現(xiàn)象。

KNN算法中的三要素分別是K值的選取、分類方式以及如何度量距離。K個樣本是最近鄰的關(guān)系,當(dāng)這K個樣本符合一個具體的類別時,也就確定了未知樣本是也屬于該類別[15]。

針對測試參數(shù)的KNN在計算時,首先需要輸入提前測試好的包含測試名稱、類別的數(shù)據(jù)集:

T={(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)}

(2)

式中:T為測試數(shù)據(jù)集;xn為預(yù)測任務(wù)的輸入?yún)?shù);yn為所屬類別輸出。

具體計算步驟如下:

步驟1選定距離量度為歐氏距離,在T中找到K個與x最相鄰的樣本點,并給出相似度計算結(jié)果,將這K個樣本點所在集合表示為N_k(x)。

歐氏距離算法表達式為:

(3)

式中:xk為樣本點的橫坐標(biāo);yk為樣本點的縱坐標(biāo);Sim(xk,yk)為計算出的歐氏距離,該值越小則歐氏距離越短,越接近目標(biāo)條件。

步驟2KNN算法中K值的選取對測試結(jié)果判定影響很大,K值過小容易導(dǎo)致KNN算法的過擬合,而K值過大,算法的近鄰誤差會偏大,導(dǎo)致欠擬合。故該值的選取需認真考慮。因此實際工程中,可以采用均方差方式選取K值,從而描述樣本的分布程度。

(4)

步驟3根據(jù)多數(shù)投票的原則確定實例x所屬類別y。

(5)

式中:i=1,2,…,N;j=1,2,…,K;yi為樣本類別;cj為k個近鄰點的類別;在訓(xùn)練集T中尋找x最鄰近的k個點,涵蓋這k個點的區(qū)域為Nk(x);I為指示函數(shù)。

(6)

3 通用ATS架構(gòu)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)測試需求分析,構(gòu)建如圖6所示的測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)主要由上位機、控制器、通用電源模塊、通用接口、通用器件等硬件資源構(gòu)成。

圖6 系統(tǒng)硬件原理圖

控制器是基于STM32設(shè)計的,主要為被測單元提供測試所需的必要激勵,為了與上位機對照,將控制器系統(tǒng)稱為下位機。

本測試系統(tǒng)用到的專用適配器包括接口適配器和雙向通信板,其中接口適配器為通用接口設(shè)備,為被測單元提供機械、電氣兼容裝置。雙向通信板用來為被測單元與通用接口之間提供電子兼容作用。

3.2 測試流程

在提前擬定好的通信協(xié)議幀序列的基礎(chǔ)上,根據(jù)上下位機結(jié)構(gòu),制定如圖7所示的測試流程。

圖7 上下位機通信過程

根據(jù)測試內(nèi)容進行測試參數(shù)配置,上位機將該測試內(nèi)容涉及的參數(shù)配置幀發(fā)送至下位機。下位機按擬定好的協(xié)議幀序列識別測試參數(shù),然后驅(qū)動測試參數(shù)對應(yīng)的底層硬件,如PWM驅(qū)動、采樣驅(qū)動、DAC(digital analog convertor)驅(qū)動等。EGR閥的閥門在信號驅(qū)動下產(chǎn)生位移,下位機對閥門位移數(shù)據(jù)進行采樣并傳送至上位機,上位機將測試結(jié)果繪圖顯示出來并進行結(jié)果判定。

3.3 實驗平臺與實驗結(jié)果

按上述測試系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計思路搭建實驗平臺,平臺組成如圖8所示。

圖8 實驗平臺組成

為了驗證該測試系統(tǒng)的通用性,選取兩款不同型號EGR閥作為實驗對象。這兩款EGR閥均由PWM信號驅(qū)動,但是驅(qū)動信號的幅值、頻率不同。同時由于產(chǎn)品差異,導(dǎo)致兩款EGR閥的動態(tài)特性也有一定差異。為了區(qū)分這兩款EGR閥,將其命名為被測件1和被測件2?，F(xiàn)對這兩款被測EGR閥的啟動延時、關(guān)斷延時、控制精度、抗干擾性能進行測試,測試結(jié)果如圖9～圖13所示。

圖9 啟動延時測試結(jié)果

圖9描述了從控制器給出50%占空比信號到閥門就位并穩(wěn)定的總過程。圖10描述了兩個被測件在持續(xù)給出50%占空比信號時,控制器突然關(guān)斷驅(qū)動信號后閥門從原位置回落到零位的過程。圖11描述了兩個被測件在70%占空比信號驅(qū)動時,突然給出擾動信號,閥門位移隨時間變化過程。

圖10 關(guān)斷延時測試結(jié)果

圖11 抗干擾性能測試結(jié)果

圖12和圖13描述了被測件1和被測件2在兩次均給定相同占空比信號時閥門位移大小。計算兩次閥門位移差值,得到EGR閥控制精度。

圖12 被測件1控制精度測試結(jié)果

圖13 被測件2控制精度測試結(jié)果

在上述實驗基礎(chǔ)上,對被測件連續(xù)測試200次,并記錄測試參數(shù)的具體數(shù)值與測試結(jié)果作為訓(xùn)練集T,并通過3次實驗測試不同K值選取對判定結(jié)果的影響來選定最佳K值。測試結(jié)果如表1所示。

表1 測試結(jié)果判定準(zhǔn)確率 %

從表1可知,K值選6時最為合適,測試結(jié)果判定準(zhǔn)確率高達98%以上。

4 結(jié)論

針對EGR閥動態(tài)性能測試系統(tǒng)研制過程中存在的系統(tǒng)專用性強以及測試資源無法集約化問題,提出了一種通用的測試系統(tǒng)架構(gòu)。依據(jù)該架構(gòu)設(shè)計的測試系統(tǒng)可根據(jù)不同測試內(nèi)容及要求,通過更改操作界面參數(shù)配置以及電氣接口連接便可實現(xiàn)不同型號EGR閥的動態(tài)性能檢測。在測試內(nèi)容范圍內(nèi),該測試系統(tǒng)淡化了型號概念,實現(xiàn)了針對EGR閥動態(tài)性能測試的通用性。最后通過實驗對不同型號EGR閥進行動態(tài)性能測試,實驗結(jié)果表明,該測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對不同型號EGR閥的性能測試,并且測試結(jié)果判定準(zhǔn)確率高達98%以上,驗證了所提架構(gòu)的有效性。