基于最小二乘法的汽车电子点火控制系统

基于最小二乘法的汽车电子点火控制系统

基于最小二乘法的汽车电子点火控制系统
Car Electronic Ignition Control System in High Degree Precision
Abstract：  Controlling precision is the pursuing goal of car electronic ignition control system. The mathematic model of control strategy is its fundament. The strategy of ignition control based on method of minimum square is elaborated. The data storage scheme of applying this strategy to develop control system is deeply discussed. The fitting points-searching during offline fitting, the creating of curving surface-fitting equation coefficient, and the search algorithm of curving surface in online real-time ignition are presented. The feasibility and reliability of this system are validated through experimentation. The evident amelioration of dynamics and economics are achieved.
Key words:  Ignition Control, method of minimum square, data storage , mathematic model
摘  要  控制精度是汽车电子点火控制系统所追求的目标，而控制策略的数学模型又是其根本。讨论了基于最小二乘法的汽车电子点火控制策略，探讨了控制系统开发中数据存储方案，提出了离线控制模型建立的相关算法和在线实时点火控制的查找算法。通过试验验证了该系统的可行性和可靠性,并表明动力性和经济性指标取得明显改进。
关键字  点火控制；最小二乘法；数据存储；数学模型
0 引言
影响发动机动力性、经济性和排气净化性能的主要因素之一是点火时刻的控制。目前无论在单独控制系统还是在集中控制系统中，发动机点火控制的控制策略受限于控制器的资源和控制策略本身的数学模型，使点火控制精度欠佳，从而限制了发动机整机性能的提高。因此，迫切要求从研究发动机点火控制的控制策略出发，研制一种能提高发动机点火控制精度的高精度电子点火控制系统。
1 基于最小二乘法的汽车电子点火控制策略
本文旨在研究建立一种高精度控制策略的数学模型，以提高点火控制中基本点火提前角的精度，从而使发动机的工作状态达到最佳。
ESA系统中点火提前角是初始点火提前角、基本点火提前角和修正点火提前角之和。其中，基本点火提前角采用将实验法测试得到的数据建立三维模型图（MAP图），再将MAP图转换成二维表，采用查表—插值法，实时计算求得。而此计算方法精度较低。本文利用两种不同的方法，建立两种不同控制策略的数学模型，并进行精度分析，选择精度高的模型，以使发动机点火控制达到理想精度。
目前，发动机点火特性MAP图中含256个测试点，其中发动机典型转速16个数据，负荷16个数据，实验法测试的对应标准基本点火提前角共256个。这些数据建立了三维空间模型。本文研究采用什么方法来利用这些数据，建立数学方程，在非标准点进行实时控制。
为了保证系统的精度和实时性，将实验测试点扩展到31×31点阵，用9个测试值（即转速的每相邻三个测试点与负荷的每相邻三个测试点）在xoy平面上构成的一个矩形区求得其对应的曲面方程。这样就可以拟合得到具有225个小曲面的MAP图。
根据拟合精度的要求，当取定一对阶r,s，只要达到拟合精度，则该r,s就是正确的[1]。
2 基于最小二乘法的汽车电子点火控制系统的数据存储研究
汽车电子点火控制系统的数据存储研究是一个重要环节，它直接关系着算法的优劣。
2．1 MAP图的存储
MAP图中的实验数据一般转换成二维表格表示，本系统用“初始化数据库.mdb”的数据表来存储它，表结构见表1。“表”中的“负荷”、“转速”、“基本点火提前角”三个字段很显然是用来存储负荷、转速、基本点火提前角的值。“编码”字段是用来存放对一组数据的唯一编码其中，编码为该表的关键码，它惟一确定一个发动机工况；它的构成原则：采用负荷+转速的方法来构成编码，前两位是负荷，取值范围从00……99；后四位是转速，取值范围是从0000……9999；点火提前角字段就对应该工况下最佳的基本点火提前角；标志位则是指明该工况是MAP图中的基本点还是附加点，“1”表示构成拟合曲面的4个基本拟合点，“0”表示5个附加拟合点。
同时，为便于曲面拟合算法中拟合点的确定算法的实现，该表中建立了三个索引：“bmindex”索引是对于“编码”的索引；“fhindex”索引是对于负荷的索引；“zsindex”索引是对于转速的索引。数据表建立后，通过设计的界面添加数据表中的数据。
表1   存储MAP图的数据表的结构
2．2  曲面方程系数的存储
曲面方程[2]系数的确定是离线完成的，整个计算由PC机的仿真系统完成，然后下载到基于DSP的控制器中，实现汽车行驶过程中的发动机电子点火的实时控制。
设曲面拟合方程为：  =a1+a2Y+a3X+a4XY+a5Y2+a6XY2+a7X2+a8X2Y+a9X2Y2+……+ar*sXrYs
完成了曲面拟合所需的拟合点的查找后，调用曲面拟合程序进行计算。计算结果为一个3×3的距阵，这个结果也就是曲面方程的系数。对于这个结果，也要对它进行存储并建立索引，其结构见表2，以备在发动机点火实时控制中计算基本点火提前角时的使用。编码为该表的索引，它惟一确定一个发动机工况,与得到拟合方程的系数就显示在a00……a22上，代表与转速、负荷的关系。
表2   曲面方程系数数据表的结构

系数
2 关键算法
基于最小二乘法的汽车电子点火控制系统由上位 PC 机构成的“汽车ESA点火数据自动生成系统”和下位DSP机构成的“基于DSP的无分电器点火装置”两个子系统组成。其中上位 PC 机涉及到离线拟合过程中的拟合点的查找、曲面方程系数的离线生成，下位DSP机涉及在线实时点火控制中拟合曲面的查找。
3．1 曲面拟合过程中拟合点的查找算法
算法实现在已建立的存储MAP图的数据表中完成225个曲面中每个曲面的9个拟合点的查找：在索引MAP图数据库中查找当前（负荷、转速）最小值为某曲面初始查找寻点Z0，获取编码；以负荷最小值为准，查找转速为大于Z0且标志位为1的最小值，记为Z1；以转速最小值为准，查找负荷为大于Z0它且标志位为1的最小值，记为Z2；以Z1点的转速和Z2点的负荷构成Z3点。获取待拟合曲面的四个基本点；在四个基本点范围内查找5个附加点，最后得到待拟合曲面的9个拟合点；调用最小二乘法算法，生成该曲面方程系数[3]；方程系数与Z0对应的编码存入数据库；在MAP图数据库中排除已用的这9个点；重复上述步骤，直至225个曲面完成。
3．2 曲面方程系数生成算法
算法完成拟合点查找算法找到的每一曲面对应的9个点的曲面拟合，生成该曲面的方程系数，共调用225次，以建立225个曲面方程，将系数存储于曲面方程系数数据表同时在满足控制精度的前提下，尽量降低曲面方程的阶，以提高控制器的实时性。其算法思路如下：
设定曲面方程的阶r、s（0,1,2）；计算方程系数，计算误差；如果误差大于设定误差，则修改曲面方程的阶，直至误差小于设定误差；将方程系数存于曲面方程数据表中。
3．3  实时采样数据点火控制拟合曲面查找算法
算法完成的是对利用采样数据（转速、负荷），计算出采样数组的编码，用此编码和“方程系数数据库”中的编码相比较，确定对应的控制曲面的位置，使用该组方程系数计算此对应的点火提前角。其算法思路如下：采样实时负荷、转速；判断实时数据所在拟合曲面；计算该曲面的最小拟合点；由最小拟合点得出曲面编码；由曲面编码获取曲面方程系数；将实时数据代入对应曲面方程求出基本点火提前角。
4  实验系统及结果分析
发动机的设计和生产过程中，许多重要的参数的获取，都是通过发动机试验得到的。根据测得的参数,可以绘制出发动机的速度特性,负载特性,万有特性等曲线，对发动机的运行状况有一个了解,并进一步做出调整和改进设计。因此发动机测试是发动机设计和生产过程中的重要环节。
4．1  实验系统的结构和工作原理
实验系统选用的测功机是采用德国策尔纳技术的具有计算机控制功能的电涡流测功机，它能测试发动机转矩，转速，油耗，温度等参数，可以对发动机的性能进行检测。它由测功机系统和点火控制系统两部分有机连接而成。在实验中，我们利用基于最小二乘法的点火控制系统与原来的点火控制系统做对比实验。系统中测功机最大功率:160Kw、最大转速:10000r/Min、最大力矩:600N*m。实验系统结构见图1。


图1   实验系统结构框图4．2  实验数据分析
    汽油发动机点火特性告诉我们，发动机运行的每一种工况下都有相应的最佳点火提前角，此时发动机输出相应的最大功率，并具有最低的油耗。根据这个原理，在短时间内汽油发动机负荷变化不大的情况下，即视为负荷不变时，转速是影响发动机最佳点火提前角的主要因素。因此，在上述实验系统中做了两类对比验证实验。在其它条件不变的情况下，首先，在利用测功机系统本身的点火控制器完成发动机的点火控制的系统（下文中称为旧系统）工作时，测试得到一组数据；其次，在使用基于最小二乘法的点火控制的系统(下文中称为新系统)工作时，测试得到另一组相关数据，然后作对比分析。实验是在稳定工况下进行的[4]。
4．2．1  发动机动力性对比曲线 
在设定负荷下，分别在两种点火控制系统的控制下通过测功机子系统获取了不同转速下发动机功率相关实验数据，作对比曲线见图2。 
4．2．2  发动机经济性对比曲线  
在设定负荷下，分别在两种点火控制系统的控制下通过测功机子系统获取了不同转速下发动机燃油消耗率实验数据，作对比曲线见图3。




4．2．3  数据分析方案



5   结论
本文研究完成了基于最小二乘法的汽车电子点火控制系统，遵循两级开发的方针，把“点火控制模型的建立”和“实时点火控制”分开，使系统更新方便并保证了系统的实时性；同时，提出了针对不同档次的汽车对控制精度的要求不同，拟合方程选用不同的阶数r、s的新型ESA点火控制策略，从根本上在提高控制精度的同时充分考虑了人们对汽车的不同需求；由于系统采用基于DSP的无分电器点火控制器，可以全面考虑影响点火提前角的各种因素，根据发动机的运行工况，由DSP精确计算和控制点火提前角。从上面两类对比实验可以得出以下结论：在保证系统排污指标满足法规要求的条件下，使用基于最小二乘法的汽车电子点火控制系统，可以提高系统的有效功率和降低其燃油消耗率，从而改善发动机的动力性和经济性。当DSP实时点火控制控制器通过道路验证后，有望得到推广。
本文作者创新点：采用理论研究与实验分析相结合的研究方法，首先在系统设计上采用了模块化设计理念，把“控制模型建立”和“实时点火控制”分开，使系统更新方便、实时性强；其次，建立了一种以点火提前角的特性MAP图为基础控制数据的智能高精度点火控制模型并开发了具有上下两级子系统的高精度汽车点火控制系统；最后，建立了包含测功机子系统和新、旧点火控制子系统的实验系统。通过进行对比实验，从实验中获取的数据验证了系统的控制精度的提高使系统动力性和经济性指标取得明显改进。

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