汽车发动机故障诊断系统的虚拟样机硬件研发

2012-03-22广东廖中文杨旭志吴志平

汽车维修与保养 2012年4期

文/广东廖中文杨旭志吴志平

文/广东廖中文杨旭志吴志平

发动机是汽车的心脏，影响到汽车行驶的动力性和经济性，伴随着资源的匮乏和道路的拥挤，人们对发动机提出了越来越高的要求。电控发动机已逐渐发展成为集电子技术、计算机技术、信息技术于一体的智能控制系统，这也给汽车维修人员提出了更高的技术要求，传统的发动机故障诊断方法已经很难满足现代发动机故障诊断的要求。由于神经网络具有容错、联想、推测、记忆、自适应、自学习和处理复杂多模式的独特功能，利用虚拟仪器技术和神经网络技术相结合的方法，可方便快捷地对发动机不同工况进行实时数据采集，并对采集的数据作有效的分析，直接给出诊断结果，这样可使汽车发动机故障诊断在一定程度上实现自动化和智能化。

一、神经网络进行故障模式识别的特点

基于神经网络的故障诊断，网络的输入神经元对应着故障征兆，输出神经元对应着故障原因。在整个诊断过程中，首先利用一组故障样本对网络进行训练，以确定网络的结构(中间层的传递函数和数目)和参数(连接权值和闭值)。网络训练完毕后，故障的模式分类就是根据给定的一组征兆，实现征兆集到故障集之间的非线性映射的过程。

利用神经网络进行故障模式识别具有以下特点:①可用于系统模型未知或系统模型较为复杂以及非线性系统的故障模式识别；②兼有故障信号的模式变换和特征提取功能；③对系统含有不确定因素、噪声及输入模式不完备的情况不敏感；④可用于复杂多模式的故障诊断；⑤可用于离线诊断，也能适应实时监测的要求。

典型的基于神经网络模式识别的故障诊断系统结构如图1所示。基于神经网络的诊断过程分为两步，首先，基于一定数量的训练样本集(通常称为“征兆—故障”数据集)对神经网络进行训练，得到期望的诊断网络；其次，根据当前诊断输入对系统进行诊断，诊断的过程即为利用神经网络进行计算的过程。在学习和诊断之前，通常需要对诊断原始数据和训练样本数据进行适当的处理，包括预处理和特征选取、提取等，目的是为诊断网络提供合适的诊断输入和训练样本。

二、研究方案的提出

由于电控发动机在运行过程中，可以从相关传感器和执行器的信号和工作情况得知发动机的运行工况，因为这些传感器和执行器的信号相关关系包含了很多的信息，足以反映发动机的运行工况。

当发动机发生故障时，发动机电控单元就不能按照原先设定的程序正常工作，致使发动机的故障原因和发动机转速、节气门位置、冷却液温度、进气温度、进气压力存在不确定的对应关系，而这些不确定的对应关系又反映于不同的故障类别与上述参数的特征规律中。根据这种特点，可以用神经网络的方法来从中抽取出各自的特征规律，得出数学模型，从而识别出对应于这种特征规律的故障。所以，基于这种情况，本文探讨一种基于虚拟样机技术和神经网络技术故障诊断程序，从数据采集到得出结论，操作过程简便快捷。

在以上详细分析了电控发动机常见故障之后，选择以下能反映其规律的特征参数作为神经网络的输入向量：发动机转速、节气门开度、冷却液温度、进气温度、进气压力和喷油脉宽。理论上，选择的相关参数越多，对分析越有帮助，因为越多的特征向量，越容易判别出具备这些特征的故障类型。所以，选取了上述信号作为特征向量，因为它们能反映发动机运行和工作情况。本文方案流程如图2所示。

整个过程是分两个阶段完成的。第一阶段使用图形编程软件LabVIEW8.5按要求设计出用以采集神经网络的训练样本数据的采集样机。第二阶段将采集到的样本数据进行神经网络训练至性能合格可用，就可在LabVIEW中调用这个神经网络模型，进行实时测量分析，当有预先设定的故障出现时，由实时采集到的数据，经过神经网络软件分析，可立即给出诊断结果。

三、虚拟样机硬件开发

为了采集神经网络训练数据样本，按设计制作了基于虚拟样机技术的采集样机，用来采集试验数据。跟元征X-431、金奔腾电脑诊断仪比较，采集的数据误差很小，达到了实验要求。整个系统包括硬件和软件两部分，如图3所示。硬件主要包括传感器、执行器、数据采集卡(NI公司M系列USB-6251卡)、笔记本个人电脑、连接线等。

1．实验发动机平台

本文研究实验平台型号为本田飞度i-DSI 1.3L发动机(如图4所示)，其相关参数如下：

类型：水冷、四冲程、SOHC单顶置凸轮轴、8气门、i-DSI智能双火花塞点火，直列四缸

缸径与冲程：73×80

排量：1340mL

压缩比：10.8∶1

最大功率：83kW，5700r/min

最大转矩：119N·m，2800r/min

2．传感器信号测量分析

电子技术的发展，使汽车电子化程度不断提高，通常的机械系统已经难以解决某些与汽车功能要求有关的问题，而被电子控制系统代替。传感器的作用就是根据规定的被测量的大小，定量提供有用的电输出信号的部件，即传感器是把光、时间、温度、压力及气体等的物理、化学量转换成按一定规律的电信号的变换器。传感器作为汽车电控系统的关键部件，直接影响汽车的技术性能的发挥。

本文在发动机实验平台本田飞度i-DSI发动机上采集的信号有点火控制模块(ICM)、节气门开度信号、进气压力信号、冷却液温度信号和喷油脉宽信号，进气温度为当时室内温度。

(1)冷却液温度(ECT)传感器

发动机冷却液温度传感器内部设有一负温度系数热敏电阻。当发动机冷却液温度升高时，热敏电阻阻值下降。热敏电阻阻值随温度的这种变化，将引起ECT电压值的变化，所以，不同的电压值对应不同的温度。其关系如表1所示。水温由X-431电脑诊断仪读取，电压信号由万用表读取，拟合曲线如图5。由回归结果，关系式可取：

表 1 ECT温度与输出电压的关系

编程时，操作界面的冷却液温度是由这关系式计算得出的，不同的电压值对应不同的冷却液温度。在采集时，可以直接把传感器输出的电压信号送入数据采集卡模拟输入端，不需要调理信号。把ECT传感器的输出电压信号直接通过数据采集卡读入电脑，系统会根据公式显示相应的冷却液温度。

(2)进气歧管压力(MAP)传感器

进气压力传感器的工作原理为真空封装的弹性膜片和一个铁心。当受到压迫时，膜片和铁心将在高精度的线圈里产生位移，进而生成一个0～5V线性电压输出变化信号。输出不同的电压值对应不同的进气歧管压力。其关系表2所示。进气压力由X-431电脑诊断仪读取，电压信号由万用表读取，拟合曲线如图6。关系式可取：

表2 MAP压力与输出电压的关系

(3)节气门位置(TPS)传感器

节气门位置传感器由一个电位计构成，与节气门轴相连接。随着节气门开度的变化，节气门位置传感器输出的电压信号也将变化。输出不同的电压值对应不同的节气门开度。其关系表3所示。节气门位置由X-431电脑诊断仪读取，电压信号由万用表读取，拟合曲线如图7。关系式可取：

表3 TPS开度与输出电压的关系

(4)点火控制模块

发动机转速是根据曲轴位置传感器(CKP)信号来确定的，但CKP传感器是电磁感应式的，产生的信号在LabVIEW采集中相当不稳，造成发动机转速跳动幅度很大，因此这里采用点火控制模块的脉冲信号来测量发动机转速。发动机曲轴每转两圈，各缸火花塞点火一次，即ECU向ICM发出4个脉冲信号，根据这个关系，有发动机转速N等于两倍的ICM脉冲信号个数n，所以，只要能测出n，就能推算出发动机转速。ICM脉冲信号是一个方波脉冲信号，最高电压为5V，最低电压为0。图8为ICM脉冲信号示意图。

3.数据采集(DAQ)卡

本文用到的数据采集卡是NI公司USB总线的M系列6251(如图9所示)，因为NI公司的硬件与它的图形编程软LabVIEW有很好的兼容性，而且都有配套软件，用户无须担心硬件的驱动问题，只需在应用前做些简单的设置即可。以下是NI USB-6251DAQ卡的一些参数：

16路模拟输入(16位)，每通道1.25 M/s采样率(总计1 MS/s)；

2路模拟输出(16位, 2.8 MS/s)，24路数字I/O(每8共享一个时钟)，32位计数器；

使用对传感器与高电压测量进行SCC信号调理的Mass终端版；

使用用于 OEM 的仅含板卡的套件；

与LabVIEW、LabWindows/CVI和Visual Studio.NET的Measurement Studio兼容；

NI-DAQmx驱动软件和NI LabVIEW SignalExpress交互式数据记录软件。