程 鑫,于 燁,陳建希,鄭豐宇,李小康,關添元

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

EGR(exhaust gas recirculation)技術,即廢氣再循環(huán)技術,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入發(fā)動機氣缸,使進氣時空燃比下降,降低氣缸內氧氣的濃度與燃燒反應的最高溫度,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)動機的燃油經濟性,是未來汽車實現節(jié)能減排的重要技術之一[1-3]。EGR閥是EGR系統中的一個重要器件,其通過調節(jié)閥門開度來改變導入發(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過程起著至關重要的作用。

車載ECU(electronic control unit)根據發(fā)動機反饋的轉速、水溫、油耗等信號計算出當前車況下所需的EGR閥開度,進而控制EGR閥的開度大小,實現了閥的實時控制[4]。但是在實際復雜車況中,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,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時間,該測試裝置巧妙地利用了機械結構來實現測試。文獻[6]利用自主研制的自動測試系統實現了3種不同類型EGR閥的響應時間測試,該測試系統達到了一定的通用性。文獻[7]將EGR閥安裝在EGR系統中進行測試,在發(fā)動機運行“全球統一輕型車輛測試循環(huán)”瞬態(tài)工況時監(jiān)控EGR率及EGR響應運行情況確認延時,該方法精確地測試出EGR系統的響應時間以及響應延時。

現有的測試系統設計針對性較強,一般都是根據待測件去定制,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)格的產品也有不同零部件偏差,這將會對測試系統的通用性帶來挑戰(zhàn),不利于EGR閥的推廣應用。因此筆者提出了一種通用的測試系統架構,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果判定。實驗結果證實了所提方法、架構的有效性。

1 EGR閥動態(tài)性能及其影響

EGR閥動態(tài)性能包括響應時間、控制精度、抗干擾性能等。EGR閥的響應時間包括啟動響應時間和關斷響應時間,啟動響應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,關斷響應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分別為啟動響應時間、關斷響應時間以及擾動恢復時間。t0為系統的自身延遲時間,包括機械延遲等,一般是固定的。S1、S2、S3分別為啟動響應閥門位移距離、關斷響應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)系統而言,只有ECU能夠對EGR閥進行實時準確的控制,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架構設計

通用性設計是目前自動測試系統ATS(automatic test system)的發(fā)展方向。通用性的實現可以大大提高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閥存在驅動信號、閥門位移距離、供電信號等的差異性,將測試系統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閥均適用的測試設備。在通用資源的基礎上,增加較少的專用資源即可完成某型號EGR閥的測試需求。

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

圖2 系統硬件組成

2.2 軟件架構

針對某一被測產品設計測試系統時,需要首先根據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品的接口信息,設計開發(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以及測試需求深入了解的基礎上,結合黃曉晴等[14]提出的UTest軟件系統架構,綜合EGR閥測試系統特征,提出了一種通用的測試系統軟件架構,該軟件系統架構將軟件開發(fā)過程分為測試內容參數化與通信協議制定兩個過程。

2.2.1 測試內容參數化

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

圖3 測試內容參數化過程

響應時間測試、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據采集,其中抗干擾測試還包括擾動控制任務。閥門開度控制的實現需要提供PWM(pulse width modulation)驅動信號,該驅動信號可由占空比、幅值、頻率3個參數完全定義。位移數據采集可由采樣深度和采樣間隔定義。而擾動控制則參數化為擾動力大小和擾動時間兩個參數。

本測試系統測試的目標是要得出閥門位移與時間的關系,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為根據采樣點集合描繪出的閥門位移與時間關系示意圖。

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。由采樣點數值與閥門運動時間便可作出閥門位移與時間的關系曲線。對于不同型號EGR閥,只是涉及到閥門最終開度不同、響應時間不同,只需通過更改PWM驅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 通信協議制定

測試內容參數化后,就可以進行通信協議的制定。通信協議是通信雙方交流內容、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。通信協議制定的核心內容是通信協議幀序列的制定。根據測試內容參數化結果,制定通信協議幀序列如圖5所示。通信雙方按此序列定義進行通信,完成測試所需參數的配置以及采樣數據的傳輸。

圖5 通信協議幀序列定義

2.3 基于KNN的測試結果判定

對于測試結果的判定,傳統的判定方法是通過設置動態(tài)性能參數的上下限來進行判定,但對于性能參數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)督學習中的分類算法。其核心思想是對于任意的n維輸入向量,分別對應于特征空間中的一個點,輸出的結果是所在類別,也就是說訓練樣本集中每一數據與所屬類別有對應關系。

(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象，支座擋塊與蓋梁連接處存在較多的混凝土破損、開裂現象。

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系,當這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、類別的數據集:

T={(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)}

(2)

式中:T為測試數據集;xn為預測任務的輸入參數;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;yk為樣本點的縱坐標;Sim(xk,yk)為計算出的歐氏距離,該值越小則歐氏距離越短,越接近目標條件。

步驟2KNN算法中K值的選取對測試結果判定影響很大,K值過小容易導致KNN算法的過擬合,而K值過大,算法的近鄰誤差會偏大,導致欠擬合。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根據多數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。

(6)

3 通用ATS架構實現

3.1 系統構成

根據測試需求分析,構建如圖6所示的測試系統。該測試系統主要由上位機、控制器、通用電源模塊、通用接口、通用器件等硬件資源構成。

圖6 系統硬件原理圖

控制器是基于STM32設計的,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,將控制器系統稱為下位機。

本測試系統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議幀序列的基礎上,根據上下位機結構,制定如圖7所示的測試流程。

圖7 上下位機通信過程

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

3.3 實驗平臺與實驗結果

按上述測試系統架構設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信號驅動,但是驅動信號的幅值、頻率不同。同時由于產品差異,導致兩款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對這兩款被測EGR閥的啟動延時、關斷延時、控制精度、抗干擾性能進行測試,測試結果如圖9～圖13所示。

圖9 啟動延時測試結果

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,控制器突然關斷驅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%占空比信號驅動時,突然給出擾動信號,閥門位移隨時間變化過程。

圖10 關斷延時測試結果

圖11 抗干擾性能測試結果

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控制精度測試結果

圖13 被測件2控制精度測試結果

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

表1 測試結果判定準確率 %

從表1可知,K值選6時最為合適,測試結果判定準確率高達98%以上。

4 結論

針對EGR閥動態(tài)性能測試系統研制過程中存在的系統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架構。依據該架構設計的測試系統可根據不同測試內容及要求,通過更改操作界面參數配置以及電氣接口連接便可實現不同型號EGR閥的動態(tài)性能檢測。在測試內容范圍內,該測試系統淡化了型號概念,實現了針對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,實驗結果表明,該測試系統能夠實現對不同型號EGR閥的性能測試,并且測試結果判定準確率高達98%以上,驗證了所提架構的有效性。