一种发动机孪生模型建模系统及建模方法技术方案

本发明专利技术公开了一种发动机孪生模型建模系统及建模方法，属于工程机械的技术领域，系统包括实物样机、服务器和发动机孪生模型，服务器用于与实物样机上的数据进行实时交互；发动机孪生模型是实际发动机的虚拟孪生体，跟随实际发动机实时运行，发动机孪生模型计算一个工作循环的时间小于发动机实际工作一个工作循环的时间；发动机孪生模型包括参数输入模块、参数输出模块和求解模块。本发明专利技术实现了发动机实物和发动机孪生模型的实时数据交互，两者共存共生，相互影响；发动机孪生模型可以实现工程机械施工过程发动机全生命周期的性能仿真，全程开展发动机参数分析、故障分析、参数智能控制，对工程机械智慧施工具有重要意义。对工程机械智慧施工具有重要意义。对工程机械智慧施工具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种发动机孪生模型建模系统及建模方法


[0001]本专利技术涉及工程机械的
，尤其涉及一种发动机孪生模型建模系统及建模方法。

技术介绍

[0002]工程机械在道路施工、大型工程建设维护、国防施工及能源开发等领域中均发挥着重要作用。近年来工程机械的智能化、数字化取得了较快发展。在工程机械领域研制出了多种产品，如智能挖掘机、旋挖钻机、装载机。在工程机械产品研究、设计、生产、使用过程中，仿真技术的应用最为广泛。根据仿真规模可以分为云计算仿真、普通计算机仿真和边缘计算仿真；根据应用领域可分为结构仿真、运动仿真、控制策略仿真、性能仿真等。云计算仿真是近年来的研究热点，云计算的使用依赖于系统基础设施和应用程序。普通计算机仿真是近几十年应用最广泛的仿真技术，在各个领域发挥了重要作用，通常仿真模型复杂，计算时间较长，精度较高。边缘计算是近年来结合在线仿真的一种新型仿真手段，其计算能力有限、开发成本高，特点是可以实时仿真。
[0003]2002年美国密歇根大学Michael教授基于产品生命周期管理提出了数字孪生概念，2010年美国国防部最先利用数字孪生技术开展航空航天飞行器健康维护与保障，2017年北京航空航天大学数字孪生研究组发表了国内首篇数字孪生的文章。因数字孪生能够为智能制造、工业4.0、工业互联网、智慧城市、机场运营等技术或理念的落地实施赋能，受到高等院校、企业、科研院所等各行各业的关注，已成为近年的热点研究问题。随着数字孪生技术应用的不断推广，有望在工程机械产品得到应用与推广，通过信息化、数据化、智能化管控，实现工程机械产品的节能减排。
[0004]但是，目前工程机械发动机性能仿真存在的主要问题有以下：
[0005](1)目前针对发动机的性能仿真大多是采用有限元法、有限差分法、有限容积法等数值求解方法，计算量大，耗时长，不能实现孪生过程，可见工程机械施工过程发动机数字孪生模型的建模方法不成熟；
[0006](2)传统的发动机仿真模型校核过程仅对部分工况进行一次校核，工况或边界条件发生变化后模型的精度不能保证。数字孪生模型要求全工况范围进行标定，甚至随着使用寿命增加，发动机模型也要重新标定；
[0007](3)传统的工程机械发动机的参数控制依赖标定，标定完成后，发动机ECU内的参数控制策略不能修改。但数字孪生要求全生命周期内可以对发动机的控制策略进行优化。
[0008]基于此，本专利技术提供一种发动机孪生模型建模系统及建模方法。

技术实现思路

[0009]本专利技术针对现有技术存在的不足，提供一种发动机孪生模型建模系统及建模方法。
[0010]本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：
[0011]第一方面，本专利技术提供一种发动机孪生模型建模系统。
[0012]一种发动机孪生模型建模系统，包括实物样机、服务器和发动机孪生模型；
[0013]所述实物样机为旋挖钻机及搭载的柴油机；
[0014]所述旋转钻机上设置有多种传感器、控制器、数据采集器、数据发送器和数据接收器，其中：
[0015]所述数据采集器采集实物样机上的参数，一部分参数直接从CAN总线进行采集；另一部分参数直接与传感器相连进行采集；
[0016]所述服务器用于与实物样机上的数据进行实时交互，且所述服务器具有发动机孪生模型的运行环境；
[0017]所述发动机孪生模型是实际发动机的虚拟孪生体，跟随实际发动机实时运行，发动机孪生模型计算一个工作循环的时间小于发动机实际工作一个工作循环的时间；
[0018]所述发动机孪生模型包括参数输入模块、参数输出模块和求解模块，其中：
[0019]所述参数输入模块具备数据分析和数据处理能力，所述参数输入模块用于输入发动机孪生模型的初始数据，所述初始数据是从实物样机上采集的参数，包括发动机转速、进气压力、温度、排气温度、压力、过量空气系数、污染物测量；
[0020]所述参数输出模块用于输出发动机孪生模型仿真得到的发动机性能参数，实现数据显示和存储；
[0021]所述求解模块包括换气过程仿真模块、排气余热能仿真模块、排放参数仿真模块、传热过程仿真模块、热功转化过程仿真模块、机械损失仿真模块、性能参数仿真模块，其中：
[0022]所述换气过程仿真模块用于根据进气压力、温度、转速、油门开度计算新鲜空气进气流量、EGR流量，根据燃油流量计算燃油总能量；
[0023]所述排气余热能仿真模块用于根据排气温度、流量计算排气余热能、余热能占比；
[0024]所述排放参数仿真模块用于根据进气量、喷油量和污染物体积排放量计算比排放和燃烧效率；
[0025]所述传热过程仿真模块用于计算包括冷却系统的散热、润滑油的散热、缸体的散热和系统储热；
[0026]所述热功转换过程仿真模块用于获取发动机指示性能参数；
[0027]所述机械损失仿真模块用于根据发动机转速、油门开度计算机械损失量；
[0028]所述性能参数仿真模块用于根发动机转速、扭矩比计算发动机动力性能参数，根据燃油量和发动机工况计算经济性能参数。
[0029]进一步的，从CAN总线采集的参数包括发动机转速、喷油量、扭矩百分比、进气压力和温度；与传感器相连采集的参数包括排气压力、温度、过量空气系数、污染物。
[0030]进一步的，所述传感器包括发动机转速传感器、进气压力传感器、温度传感器、排气温度传感器、压力传感器、排气氧传感器、污染物测量传感器。
[0031]进一步的，所述控制器包括主控制器和从控制器，所述主控制器负责处理传感器、显示屏和交换机部件的信号；所述从控制器通过CAN总线与执行器相连，通过CAN总线接入发动机、液压、机身位置传感器的信号。
[0032]进一步的，所述数据发送器通过5G信号将数据发送到互联网，服务器直接读取数据发送器发送的以太网数据。
[0033]进一步的，所述数据接收器接收5G信号数据，并将信号传递给执行器，从而控制实物样机施工。
[0034]第二方面，本专利技术提供一种发动机孪生模型建模方法。
[0035]一种发动机孪生模型建模方法，应用于上述的建模系统，包括以下步骤：
[0036]S1：通过多种传感器+CAN总线实时采集实物样机的关键参数；
[0037]S2：实物样机瞬态数据预处理；
[0038]S3：运行可以实现数字孪生的发动机孪生模型；
[0039]S4：完成实物样机仿真过程的自适应调控；
[0040]S5：完成实物样机状态评估及控制策略反馈。
[0041]进一步的，步骤S2具体包括：
[0042]S2.1：将以发动机时间为基准的数据转化为以发动机循环为基准的数据，其中，发动机一个工作循环对应一组采集数据，利用以下公式计算发动机工作一个循环需要的时间t：
[0043][0044]式中，n是发动机转速，δ与发动机冲程相关，当发动机冲程为四冲程时，δ取2，当发动机冲程为二冲程时，δ取1；如果在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种发动机孪生模型建模系统，其特征在于，包括实物样机、服务器和发动机孪生模型；所述实物样机为旋挖钻机及搭载的柴油机；所述旋转钻机上设置有多种传感器、控制器、数据采集器、数据发送器和数据接收器，其中：所述数据采集器采集实物样机上的参数，一部分参数直接从CAN总线进行采集；另一部分参数直接与传感器相连进行采集；所述服务器用于与实物样机上的数据进行实时交互，且所述服务器具有发动机孪生模型的运行环境；所述发动机孪生模型是实际发动机的虚拟孪生体，跟随实际发动机实时运行，发动机孪生模型计算一个工作循环的时间小于发动机实际工作一个工作循环的时间；所述发动机孪生模型包括参数输入模块、参数输出模块和求解模块，其中：所述参数输入模块具备数据分析和数据处理能力，所述参数输入模块用于输入发动机孪生模型的初始数据，所述初始数据是从实物样机上采集的参数，包括发动机转速、进气压力、温度、排气温度、压力、过量空气系数、污染物测量；所述参数输出模块用于输出发动机孪生模型仿真得到的发动机性能参数，实现数据显示和存储；所述求解模块包括换气过程仿真模块、排气余热能仿真模块、排放参数仿真模块、传热过程仿真模块、热功转化过程仿真模块、机械损失仿真模块、性能参数仿真模块，其中：所述换气过程仿真模块用于根据进气压力、温度、转速、油门开度计算新鲜进气流量、EGR流量，根据燃油流量计算燃油总能量；所述排气余热能仿真模块用于根据排气温度、流量计算排气余热能、余热能占比；所述排放参数仿真模块用于根据进气量、喷油量和污染物体积排放量计算比排放和燃烧效率；所述传热过程仿真模块用于计算包括冷却系统的散热、润滑油的散热、缸体的散热和系统储热；所述热功转换过程仿真模块用于获取发动机指示性能参数；所述机械损失仿真模块用于根据发动机转速、油门开度计算机械损失量；所述性能参数仿真模块用于根发动机转速、扭矩比计算发动机动力性能参数，根据燃油量和发动机工况计算经济性能参数。2.根据权利要求1所述的一种发动机孪生模型建模系统，其特征在于：从CAN总线采集的参数包括发动机转速、喷油量、扭矩百分比、进气压力和温度；与传感器相连采集的参数包括排气压力、温度、过量空气系数、污染物。3.根据权利要求1所述的一种发动机孪生模型建模系统，其特征在于：所述传感器包括发动机转速传感器、进气压力传感器、温度传感器、排气温度传感器、压力传感器、排气氧传感器、污染物测量传感器。4.根据权利要求1所述的一种发动机孪生模型建模系统，其特征在于：所述控制器包括主控制器和从控制器，所述主控制器负责处理传感器、显示屏和交换机部件的信号；所述从控制器通过CAN总线与执行器相连，通过CAN总线接入发动机、液压、机身位置传感器的信
号。5.根据权利要求4所述的一种发动机孪生模型建模系统，其特征在于：所述数据发送器通过5G信号将数据发送到互联网，服务器直接读取数据发送器发送的以太网数据。6.根据权利要求5所述的一种发动机孪生模型建模系统，其特征在于：所述数据接收器接收5G信号数据，并将信号传递给执行器，从而控制实物样机施工。7.一种发动机孪生模型建模方法，其特征在于：应用于权利要求1
‑
6任意一项所述的建模系统，包括以下步骤：S1：通过多种传感器+CAN总线实时采集实物样机的关键参数；S2：实物样机瞬态数据预处理；S3：运行可以实现数字孪生的发动机孪生模型；S4：完成实物样机仿真过程的自适应调控；S5：完成实物样机状态评估及控制策略反馈。8.根据权利要求7所述的一种发动机孪生模型建模方法，其特征在于：步骤S2具体包括：S2.1：将以发动机时间为基准的数据转化为以发动机循环为基准的数据，其中，发动机一个工作循环对应一组采集数据，利用以下公式计算发动机工作一个循环需要的时间t：式中，n是发动机转速，δ与发动机冲程相关，当发动机冲程为四冲程时，δ取2，当发动机冲程为二冲程时，δ取1；如果在时间内某个参数采集到的数据量多于一个，则对这些数据进行平均处理，即减少数据量；如果某个参数需要多倍时间才能采集到一个数据，则对采集到的两个数据进行插值处理，使得每个时间都对应一个数据，即填补数据量；经过以上处理后每个发动机工作循环，每种参数对应一个值、一个时间和一个编号；S2.2：完成发动机关键参数显示及发动机模型初始数据预处理。9.根据权利要求8所述的一种发动机孪生模型建模方法，其特征在于：步骤S3具体包括：S3.1：利用换气过程仿真模块进行计算得到包括进气流量、充量系数、EGR流量在内的参数，其中发动机的实际进气流量计算如下：式中，m
Air
是进气流量，P
in
是压气机后压力，Φ是发动机充量系数，V
D
是发动机排量，Z是发动机气缸数，R是空气的气体常数，T
in
是进气歧管温度，其中，充量系数的计算如下：Φ＝a+b
×
β+c
×
β2+d
×
n+e
×
n2式中，β为发动机的油门踏板开度，a、b、c、d、e为待定系数，待定系数通过发动机台架试验数据拟合得到；S3.2：利用排气余热能仿真模块进行计算得到包括发动机排气余热能、余热能占比的参数，其中，根据排气流量、排气温度和定压比热容计算发动机排气余热能，计算公式如下：Q
exh
＝m
exh
×
...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐琦军，许祥，任凯，陈涛，谢欣言，蒋蘋，张大庆，
申请(专利权)人：湖南农业大学，
类型：发明
国别省市：