王靜，鐘建偉

泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201

0 引言

電控發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用點(diǎn)火時(shí)刻閉環(huán)控制系統(tǒng)[1]，合理的點(diǎn)火提前角是優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)性能，改善車輛駕駛性及燃油經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵[2-3]。增加點(diǎn)火提前角，使燃燒達(dá)到爆震邊界，可使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩最大[4]，但點(diǎn)火提前角過(guò)大會(huì)產(chǎn)生爆震，引發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)敲缸、熄火以及機(jī)械部件破壞，不僅損壞發(fā)動(dòng)機(jī)，還存在一定的安全隱患。最大點(diǎn)火提前角和爆震為相互制約的矛盾因素，為了盡可能滿足最大轉(zhuǎn)矩的需求，避免因增大點(diǎn)火提前角使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生爆震，需要增加爆震傳感器[5],對(duì)爆震進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，當(dāng)檢測(cè)到爆震后，可通過(guò)減小點(diǎn)火提前角，降低燃燒壓力來(lái)減弱爆震[6]。當(dāng)爆震傳感器出現(xiàn)故障，不能檢測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)的爆震時(shí)，就無(wú)法通過(guò)調(diào)整點(diǎn)火提前角控制爆震，爆震傳感器的工作和診斷對(duì)于監(jiān)測(cè)、判斷發(fā)動(dòng)機(jī)爆震至關(guān)重要[7]。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)爆震傳感器工作和診斷原理

1.1 工作原理

爆震傳感器種類較多，其中磁致伸縮式爆震傳感器應(yīng)用最早，傳感器由磁芯、磁鐵和感應(yīng)線圈組成[8];發(fā)生振動(dòng)時(shí)，傳感器磁芯偏移，由于磁通量發(fā)生變化在感應(yīng)線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。磁致伸縮式爆震傳感器響應(yīng)速度慢，因此目前應(yīng)用較多的是高頻響應(yīng)特性較好的壓電陶瓷式爆震傳感器。壓電式共振型傳感器一般安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上，爆震引發(fā)機(jī)體振動(dòng)時(shí)，傳感器的陶瓷受到擠壓后產(chǎn)生電信號(hào)，壓電效應(yīng)將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，由于電信號(hào)較弱，傳感器連接線通常采用屏蔽線包裹。當(dāng)爆震的振動(dòng)頻率與傳感器的固有頻率相同時(shí)將產(chǎn)生共振，傳感器會(huì)輸出較高強(qiáng)度的電壓信號(hào)至發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元(electronic control unit,ECU)，ECU及時(shí)修正點(diǎn)火時(shí)刻，減弱和消除爆震[9]。

1.2 性能診斷原理

爆震傳感器輸出爆震電壓信號(hào)到ECU控制、診斷需要通過(guò)一系列的轉(zhuǎn)換過(guò)程。傳感器的信號(hào)通過(guò)差分、低通濾波、放大、高頻A/D模塊采集，去除DC偏移后，通過(guò)低通數(shù)字濾波去除高頻信號(hào)(20 kHz以上)，再進(jìn)行快速傅里葉變換，最終得到各個(gè)頻域下對(duì)應(yīng)的爆震強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。爆震傳感器信號(hào)處理流程如圖1所示。

圖1 爆震傳感器信號(hào)處理流程

爆震傳感器性能故障主要是信號(hào)偏低或偏高，其中信號(hào)偏低是比較常見(jiàn)的故障，由傳感器安裝預(yù)緊力不足、傳感器線路斷開(kāi)、傳感器內(nèi)部故障等原因造成，本文中主要研究傳感器信號(hào)偏低故障的診斷。

選取背景噪聲對(duì)應(yīng)的頻域段信號(hào)[10]，判斷爆震信號(hào)是否異常，若信號(hào)低于正常信號(hào)范圍，則認(rèn)為此信號(hào)異常；當(dāng)異常信號(hào)占比超過(guò)一定值后，則確認(rèn)故障存在，否則認(rèn)為傳感器信號(hào)正常。當(dāng)傳感器判定存在故障后，通過(guò)保守模式控制點(diǎn)火提前角，防止發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)爆震。

2 遺傳算法的應(yīng)用

為提高診斷正確率，降低誤判風(fēng)險(xiǎn)，采用遺傳算法對(duì)診斷標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。不同轉(zhuǎn)速下正常和異常爆震信號(hào)分布不同，診斷限值隨轉(zhuǎn)速變化而變化。在優(yōu)化過(guò)程中，可以將不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的診斷限值分離，逐一進(jìn)行優(yōu)化，得到不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的診斷標(biāo)定值。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

爆震傳感器性能診斷標(biāo)定優(yōu)化是一個(gè)有約束的最優(yōu)化問(wèn)題。正常狀態(tài)下傳感器單次診斷不低于限值的概率

式中：σ1為正常狀態(tài)下爆震傳感器信號(hào)的方差，μ1為正常狀態(tài)下爆震傳感器信號(hào)的平均值，x為診斷限值。

故障狀態(tài)下傳感器單次診斷低于限值的概率

式中：σ2為故障狀態(tài)下爆震傳感器信號(hào)的方差，μ2為故障狀態(tài)下爆震傳感器信號(hào)的平均值。

應(yīng)用遺傳算法優(yōu)化每100萬(wàn)次診斷中出現(xiàn)誤診斷次數(shù)的目標(biāo)函數(shù)

J=min{E·106}，

式中：E為診斷誤報(bào)故障f1及漏報(bào)故障f2概率的加權(quán)和，E=c1f1+c2f2，其中c1、c2是對(duì)應(yīng)的加權(quán)系數(shù)。

正常的傳感器在連續(xù)n次測(cè)試樣本計(jì)數(shù)中，超過(guò)m次判定為低于限值，則報(bào)故障碼，其發(fā)生的概率即為診斷誤報(bào)故障f1，計(jì)算式為：

故障的傳感器在連續(xù)n次診斷計(jì)數(shù)中，少于m次判定為低于限值，則報(bào)診斷通過(guò)，其發(fā)生的概率即為診斷漏報(bào)故障f2，計(jì)算式為：

2.2 約束條件

傳感器性能診斷要求正常狀態(tài)下p1>50%，故障狀態(tài)下p2>50%；診斷判定所需測(cè)試樣本數(shù)10

2.3 遺傳算法設(shè)計(jì)

遺傳算法的優(yōu)化模仿生物進(jìn)化的過(guò)程[11]，魯棒性較好，可以求得全局優(yōu)化中的最優(yōu)解，一般用于處理非線性問(wèn)題[12]。遺傳算法的優(yōu)化流程如圖2所示，包括編碼和種群生成、適應(yīng)度評(píng)估、選擇、交叉和變異，最終求解得到最優(yōu)解[13-15]。

圖2 遺傳算法優(yōu)化過(guò)程

3 爆震傳感器性能診斷優(yōu)化

3.1 試驗(yàn)方法

轉(zhuǎn)速為1500 r/min下的爆震強(qiáng)度信號(hào)如圖3所示。隨機(jī)挑選多輛工程車輛，在相同的工況下，分別采集轉(zhuǎn)速為1000、1500、2000、…、6500 r/min時(shí)正常及故障狀態(tài)下的爆震傳感器數(shù)據(jù)，針對(duì)各個(gè)轉(zhuǎn)速下的爆震強(qiáng)度判斷限值x、失效計(jì)數(shù)m、樣本計(jì)數(shù)n進(jìn)行優(yōu)化。診斷的邏輯如下：每檢測(cè)一次增加一個(gè)樣本計(jì)數(shù)，當(dāng)爆震強(qiáng)度低于x，則增加一個(gè)失效計(jì)數(shù)；在n次樣本計(jì)數(shù)中，大于等于m次失效計(jì)數(shù)，則判定為傳感器故障，否則判定為傳感器正常。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1500 r/min時(shí)的爆震強(qiáng)度信號(hào)

3.2 優(yōu)化結(jié)果

采用遺傳算法，設(shè)置種群大小為20、最大迭代次數(shù)為400次、交叉概率為0.6、變異概率為0.1。優(yōu)化后每100萬(wàn)次診斷的平均誤診斷(誤報(bào)或漏報(bào))次數(shù)如圖4所示。由圖4可知，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1500 r/min工況下，車輛每100萬(wàn)次診斷中平均誤報(bào)或漏報(bào)的次數(shù)第一次迭代結(jié)果為20.121次，經(jīng)過(guò)迭代，第400次迭代時(shí)下降到0.069次。優(yōu)化后的爆震強(qiáng)度判定限值為0.407，失效計(jì)數(shù)為30，樣本計(jì)數(shù)為50(工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的標(biāo)定值：強(qiáng)度判定限值為0.500，失效計(jì)數(shù)為40，樣本計(jì)數(shù)為50)，計(jì)算得到每100萬(wàn)次診斷車平均出現(xiàn)誤報(bào)或漏報(bào)的次數(shù)為16.047次。

圖4 優(yōu)化后每100萬(wàn)次診斷的平均誤診斷次數(shù)

將優(yōu)化后的參數(shù)重新應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定，誤診斷的概率從原來(lái)的0.053%，下降到0.001 6%，降低約97%，成功解決了爆震傳感器診斷準(zhǔn)確性問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

以每100萬(wàn)次診斷中出現(xiàn)誤診斷的次數(shù)為目標(biāo)函數(shù)，診斷標(biāo)定的爆震強(qiáng)度限值、樣本計(jì)數(shù)、失效計(jì)數(shù)3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，使用遺傳算法找到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，成功提升了爆震傳感器的診斷正確率，將誤診斷的概率降低了97%。