閔 兵 劉 杰 黃云志

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院)

寬域廢氣氧傳感器的控制方法研究

閔 兵 劉 杰 黃云志

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院)

寬域廢氣氧傳感器在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，它對(duì)工作溫度有嚴(yán)格要求，可通過(guò)控制泵電流實(shí)現(xiàn)空燃比測(cè)量。筆者研究溫度和泵電流控制方法。將冷啟動(dòng)和PI控制方法相結(jié)合，縮短了傳感器冷啟動(dòng)時(shí)間并提高了溫度控制精度；針對(duì)泵電流模型參數(shù)的不確定性，研究了基于H∞回路成形的魯棒PID參數(shù)整定方法。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：寬域廢氣氧傳感器冷啟動(dòng)速度快，溫度控制精度較高；泵電流控制調(diào)節(jié)時(shí)間短，穩(wěn)態(tài)精度高。

寬域廢氣氧傳感器 溫度控制 泵電流 PID 冷啟動(dòng)

隨著空氣污染和能源緊缺問(wèn)題的加劇，各國(guó)頒布的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)格，這對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制提出了較高的要求。寬域廢氣氧(Universal Exhaust Gas Oxygen，UEGO)傳感器與傳統(tǒng)的開關(guān)型氧傳感器相比具有空燃比測(cè)量范圍寬、精度高的優(yōu)點(diǎn)，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。但是，UEGO傳感器對(duì)工作溫度有嚴(yán)格要求，并且通過(guò)控制泵電流實(shí)現(xiàn)空燃比的測(cè)量時(shí)，必須配上控制器才可以正常工作，其溫度和泵電流控制的好壞直接影響傳感器的工作性能。因此，研究UEGO傳感器的控制方法，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

國(guó)外UEGO控制器研究起步較早并已有成熟的產(chǎn)品。Poggio L等研究了UEGO控制器的硬件系統(tǒng)和控制方法，設(shè)計(jì)PID控制器控制泵電流，但是沒(méi)有給出具體的控制算法[1]。Bolz S和Lugert G設(shè)計(jì)了UEGO控制器接口集成電路，通過(guò)檢測(cè)氧濃差電池內(nèi)阻進(jìn)行溫度控制，泵電流控制采用模擬PID控制，無(wú)法通過(guò)調(diào)整PID參數(shù)提高泵電流控制效果[2]。劉瑞祥等采用模擬電路設(shè)計(jì)了UEGO控制器，模擬PID電路控制泵電流造成參數(shù)調(diào)整不便，其溫度控制沒(méi)有形成閉環(huán)[3]。盧繼飛采用專用接口芯片CJ125設(shè)計(jì)了UEGO控制器，溫度控制時(shí)冷啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，CJ125內(nèi)部采用模擬電路實(shí)現(xiàn)泵電流控制[4]。合肥工業(yè)大學(xué)DSP實(shí)驗(yàn)室研制了基于dSPACE平臺(tái)的UEGO控制器系統(tǒng)，采用魯棒PID控制算法控制泵電流，采用分段加熱控制算法控制溫度克服了非線性問(wèn)題，但是傳感器的冷啟動(dòng)加熱時(shí)間較長(zhǎng)[5,6]。

筆者基于系統(tǒng)辨識(shí)的實(shí)驗(yàn)建模方法建立溫度和泵電流數(shù)學(xué)模型。針對(duì)溫度對(duì)象的非線性和UEGO傳感器的快速冷啟動(dòng)要求，采用了冷啟動(dòng)控制和PI控制相結(jié)合的溫度控制方法。針對(duì)泵電流模型參數(shù)的不確定性，研究基于H∞回路成形的魯棒PID參數(shù)整定方法。

1 UEGO傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理

筆者選用目前國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)廣泛使用的德國(guó)Bosch公司的LSU4.9型UEGO傳感器(以下簡(jiǎn)稱LSU4.9)作為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要由擴(kuò)散障、泵電池、氧濃差電池、虛擬參考?xì)怏w室及內(nèi)置加熱器等組成。LSU4.9采用了固定20μA的參考泵電流用于維持虛擬參考?xì)怏w室內(nèi)有充足的氧氣作為氧濃差電池的參比氣體。LSU4.9工作時(shí)需要維持固定的工作溫度780℃，UEGO傳感器擁有雙電池結(jié)構(gòu)(即氧濃差電池和泵電池)，基于氧濃差電勢(shì)原理和極限電流原理工作。當(dāng)傳感器溫度滿足要求時(shí)，通過(guò)控制泵電池上的泵電流，使擴(kuò)散室里的氧分壓維持在理論空燃比值，傳感器的氧濃差電勢(shì)為450mV。當(dāng)泵電流控制穩(wěn)定時(shí)，泵電池的泵氧運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散室的氣體擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)均處于動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)的泵電流稱為極限電流。通過(guò)檢測(cè)極限電流可以計(jì)算廢氣中的氧含量或者還原性氣體的含量，從而反映發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比的大小。

圖1 Bosch LSU4.9型UEGO傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2 溫度控制

2.1 溫度對(duì)象建模

通過(guò)檢測(cè)UEGO傳感器的氧濃差電池內(nèi)阻間接測(cè)量傳感器的溫度，氧濃差電池內(nèi)阻具有負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻特性，而且和傳感器溫度之間成非線性關(guān)系。當(dāng)LSU4.9的溫度在780±10℃范圍內(nèi)時(shí)，傳感器的工作性能達(dá)到最佳。LSU4.9在780℃時(shí)對(duì)應(yīng)的氧濃差電池內(nèi)阻為300Ω。由于UEGO傳感器的溫度受到汽車廢氣溫度波動(dòng)的影響較大，所以對(duì)溫度控制的穩(wěn)態(tài)性能要求較高。當(dāng)UEGO傳感器處于冷啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比不能進(jìn)行閉環(huán)控制導(dǎo)致汽車廢氣排污較大，溫度控制時(shí)要盡可能縮短冷啟動(dòng)時(shí)間。但是直接采用大功率加熱縮短冷啟動(dòng)時(shí)間會(huì)影響傳感器的使用壽命和工作性能。

為了研究溫度控制方法，需要對(duì)溫度對(duì)象建模。筆者采用的是基于系統(tǒng)辨識(shí)的實(shí)驗(yàn)建模方法，在工作溫度780℃附近小范圍內(nèi)進(jìn)行開環(huán)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)獲取建模輸入輸出數(shù)據(jù)，將非線性被控對(duì)象近似成線性被控對(duì)象。改變加熱驅(qū)動(dòng)電路的占空比產(chǎn)生階躍輸入信號(hào)，通過(guò)記錄PWM占空比的階躍數(shù)據(jù)和氧濃差電池內(nèi)阻的響應(yīng)數(shù)據(jù)，將兩者分別作為溫度被控對(duì)象的輸入輸出數(shù)據(jù)，采用基于OE模型預(yù)報(bào)誤差的系統(tǒng)辨識(shí)方法進(jìn)行建模，實(shí)際建立的數(shù)學(xué)模型為：

(1)

2.2 溫度控制方法

由于UEGO傳感器有冷啟動(dòng)時(shí)間，采用單一的PID控制方法時(shí)，控制時(shí)間較長(zhǎng)而且很容易造成積分飽和。因此，筆者采用冷啟動(dòng)控制和PI控制相結(jié)合的溫度控制方法，傳感器先通過(guò)冷啟動(dòng)控制使傳感器快速升溫到工作溫度，當(dāng)溫度達(dá)到780℃附近時(shí)切換到PI控制，以提高穩(wěn)態(tài)控制精度。

2.2.1 冷啟動(dòng)控制

UEGO控制器開啟工作后，溫度控制算法首先采用的是冷啟動(dòng)控制。冷啟動(dòng)控制初始加熱占空比為0.5，加熱電壓不超過(guò)LSU4.9所允許的最大初始加熱電壓8.5V；此后，加熱電壓以0.3V/s的上升速率增大，但不能超過(guò)LSU4.9規(guī)定的最大初始加熱電壓上升速率。這樣可以在不超出UEGO傳感器所承受的最大熱應(yīng)力的前提下，以最快的加熱方式進(jìn)行加熱，縮短了冷啟動(dòng)時(shí)間。當(dāng)氧濃差電池內(nèi)阻小于400Ω時(shí)，切換到PI控制方式來(lái)提高穩(wěn)態(tài)控制精度。

2.2.2 PI控制

在工作溫度附近，采用PI控制，具體表達(dá)式為：

(2)

KI1=KP1TS1TI1-1

式中KP1——比例系數(shù)；

TI1——積分時(shí)間；

TS1——溫度控制周期，此處取值10ms；

u0——溫度偏差為零時(shí)的控制量。

UEGO傳感器的溫度設(shè)定值為傳感器在780℃時(shí)對(duì)應(yīng)的氧濃差電池內(nèi)阻(即300Ω)，偏差e1(k)等于氧濃差電池內(nèi)阻測(cè)量值減去溫度設(shè)定值。

3 泵電流控制

3.1 泵電流對(duì)象建模

泵電流控制是根據(jù)反饋的氧濃差電勢(shì)大小，驅(qū)動(dòng)泵電池上的泵電流使氧濃差電勢(shì)維持在450mV，穩(wěn)定后通過(guò)檢測(cè)泵電流計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比的大小。將LSU4.9的溫度控制在780℃，在氧濃差電勢(shì)為450mV附近通過(guò)階躍改變泵電池兩端的泵電壓，根據(jù)階躍變化的泵電壓和氧濃差電勢(shì)響應(yīng)數(shù)據(jù)，采用基于OE模型的預(yù)報(bào)誤差方法進(jìn)行泵電流模型辨識(shí)。為了獲取不同工況時(shí)的泵電流數(shù)學(xué)模型，在混合氣配氣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上通過(guò)配比不同λ值的混合氣體，重復(fù)進(jìn)行泵電流開環(huán)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)。在λ值等于2.040、1.400、1.010、0.901和0.780的混合氣體中建立的泵電流數(shù)學(xué)模型分別如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

比較上述5組在不同工況下建立的泵電流FOLPD模型可知，λ值從2.040～0.780為稀燃工況到富燃工況變化過(guò)程，F(xiàn)OLPD模型的開環(huán)增益K略微減小，慣性時(shí)間常數(shù)T增大趨勢(shì)比較明顯。泵電流對(duì)象建模結(jié)果表明，在不同λ值工況下的泵電流模型參數(shù)存在不確定性。由于UEGO傳感器安裝在汽車排氣管上，處于強(qiáng)振動(dòng)和復(fù)雜電磁干擾環(huán)境當(dāng)中，泵電流的控制易受噪聲干擾的影響。所以，泵電流控制的目標(biāo)是在保證魯棒性和抗干擾的前提下，提高泵電流控制的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。

3.2 泵電流控制方法

由于泵電流模型參數(shù)具有不確定性且傳感器工作環(huán)境的干擾較強(qiáng)，筆者采用基于H∞回路成形的魯棒PID參數(shù)整定方法[7]。通過(guò)對(duì)泵電流對(duì)象模型進(jìn)行回路成形可以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，同時(shí)還可以保證系統(tǒng)具有較好的響應(yīng)速度，回路成形后通過(guò)設(shè)計(jì)H∞控制器可以抑制泵電流模型參數(shù)攝動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。基于H∞回路成形所設(shè)計(jì)的控制器可以轉(zhuǎn)化為常見(jiàn)的控制器結(jié)構(gòu):

(8)

式(8)為不完全微分的PID控制器，在實(shí)際UEGO控制器上實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較方便。

針對(duì)具有FOLPD模型結(jié)構(gòu)的典型的工業(yè)被控對(duì)象，基于H∞回路成形的魯棒PID控制器的控制參數(shù)分別為[8]：

(9)

(10)

(11)

(12)

為了保證泵電流控制的魯棒性，將參數(shù)α限制在小于6.19的魯棒范圍內(nèi)，通過(guò)最優(yōu)PID參數(shù)整定方法進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)，從而提高泵電流控制的動(dòng)態(tài)性能。選擇以時(shí)間乘絕對(duì)誤差的積分(ITAE)準(zhǔn)則作為目標(biāo)函數(shù)，利用逐次二次規(guī)劃(SQP)尋優(yōu)算法在[0 6.19]魯棒范圍內(nèi)對(duì)參數(shù)α進(jìn)行尋優(yōu)。選擇λ=1.4時(shí)所建立的泵電流模型，參數(shù)α尋優(yōu)結(jié)果為0.136，對(duì)應(yīng)的魯棒性能指標(biāo)大于0.2，表明控制器的魯棒性較好。將α=0.136和泵電流模型參數(shù)代入式(9)～(12)，可以得到不完全微分的PID參數(shù)分別為：KP2=1.52、TI2=0.16、TD2=0.0048、Tf=0.006。在編程實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要將模擬不完全微分PID控制器數(shù)字化，即：

u2(k)=αu2(k-1)+(1-α)u3(k)

(13)

4 實(shí)驗(yàn)與仿真

4.1 溫度控制實(shí)驗(yàn)

溫度控制實(shí)驗(yàn)時(shí)，將LSU4.9懸空放置在空氣環(huán)境中，室溫10℃左右。由內(nèi)模法整定的溫度控制PI參數(shù)[9]分別為：KP1=0.0064，TI1=9.72。實(shí)際溫度控制效果如圖2所示，溫度控制冷啟動(dòng)時(shí)間小于30s，氧濃差電池內(nèi)阻穩(wěn)態(tài)控制誤差在±1Ω以內(nèi)，表明溫度控制冷啟動(dòng)時(shí)間較短，穩(wěn)態(tài)控制精度高，滿足UEGO傳感器溫度控制的實(shí)際要求。

圖2 溫度控制效果

4.2 泵電流控制仿真

選擇λ值為1.4時(shí)建立的泵電流數(shù)學(xué)模型，基于Matlab進(jìn)行泵電流控制方法仿真。首先，將傳統(tǒng)PID參數(shù)整定方法Ziegler-Nichols(Z-N)法、Cohen-Coon(C-C)法與筆者提出的參數(shù)整定方法進(jìn)行比較，結(jié)果如圖3所示，筆者提出的PID參數(shù)整定方法較傳統(tǒng)方法具有調(diào)節(jié)時(shí)間短、超調(diào)量小的優(yōu)點(diǎn)；然后，在泵電流控制穩(wěn)態(tài)時(shí)，加入正負(fù)階躍干擾后的結(jié)果如圖4所示，可以看出傳統(tǒng)PID參數(shù)整定方法階躍干擾響應(yīng)過(guò)程振蕩較大，而筆者所提方法的階躍干擾響應(yīng)過(guò)程快速且平滑。

圖3 泵電流控制仿真對(duì)比

圖4 穩(wěn)態(tài)階躍干擾仿真對(duì)比

4.3 泵電流控制實(shí)驗(yàn)

在空氣環(huán)境中，UEGO傳感器保持在780℃，基于H∞回路成形的魯棒PID參數(shù)整定方法的泵電流控制效果如圖5所示。可以看出，泵電流控制調(diào)節(jié)時(shí)間小于350ms，調(diào)節(jié)時(shí)間較短；穩(wěn)態(tài)誤差小于0.1mV，穩(wěn)態(tài)精度高。

圖5 泵電流控制實(shí)驗(yàn)效果

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者主要研究了UEGO傳感器的溫度和泵電流控制方法。通過(guò)開環(huán)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，采用基于OE模型預(yù)報(bào)誤差的系統(tǒng)辨識(shí)方法建立了溫度和泵電流對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。采用冷啟動(dòng)控制和PI控制相結(jié)合的溫度控制方法，縮短了UEGO傳感器冷啟動(dòng)時(shí)間并提高了穩(wěn)態(tài)控制精度。研究了基于H∞回路成形的魯棒PID參數(shù)整定方法，以ITAE作為目標(biāo)函數(shù)，在H∞控制魯棒范圍內(nèi)進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)，提高了泵電流控制的魯棒性和動(dòng)態(tài)性能。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：溫度控制穩(wěn)態(tài)精度高，室溫環(huán)境下冷啟動(dòng)時(shí)間小于30s；泵電流控制具有調(diào)節(jié)時(shí)間較短、穩(wěn)態(tài)精度高的優(yōu)點(diǎn)。

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StudyonControlMethodforUniversalExhaustGasOxygenSensors

MIN Bing, LIU Jie, HUANG Yun-zhi
(SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HefeiUniversityofTechnology)

The universal exhaust gas oxygen (UEGO) sensor widely used in air-fuel ratio control system of the automobile engines has strict request for working temperature and has air/fuel ratio measured by controlling the pump current. In this paper, the control methods for both working temperature and pump current were discussed, in which, having cool start control and PI control combined to shorten sensor’s cool start time and to improve temperature control precision. Considering uncertainty of the pump’s current model parameter, a robust PID parameter tuning method based onH∞loop shaping was studied. The simulation experiment shows that, the universal exhaust gas oxygen sensor has shorter start-up time and higher temperature control precision; and the setting time of pump current control is short together with a high static accuracy.

UEGO sensor, temperature uontrol,pump current,PID, cool start

TH814

A

1000-3932(2017)02-0156-05

2016-05-17，

2016-11-25)

閔兵(1990-)，碩士研究生，從事DSP技術(shù)與應(yīng)用的研究。

聯(lián)系人黃云志(1976-)，教授，從事傳感器技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理等領(lǐng)域的研究，hqyz@hfut.edu.cn。