（检测技术与自动化装置专业论文）宽带废气氧传感器控制器研制.pdf

宽带废气氧传感器控制器研制 摘要 随着对汽车尾气排放要求的不断提高以及稀薄燃烧技术在发动机领域的广 泛应用，普通的开关型氧传感器已经不能满足宽范围空燃比控制的需要，线性 宽带型废气氧( u n i v e r s a le x h a u s tg a so x y g e n ，简称u e o o ) 传感器替代e g o 成 为汽车用氧传感器发展的必然趋势。u e g o 传感器属于可控传感器，必须配专 门的控制器才能正常工作，且控制器性能直接影响传感器动静态特性。本文主 要研究u e g o 传感器控制器的控制方法及系统实现。 本文首先依据开环实验数据，基于预测误差建立了泵电流控制模块的模型， 并利用数字p i d 实现泵电流控制，通过内模法整定得到p i d 控制器参数。 基于d s p a c e 实时仿真平台研制了控制器硬件系统。主要包括：温度检测 电路、加热驱动电路、泵电流测量电路、氧浓差电压测量电路及泵电流驱动电 路。设计了基于s i m u l i n k 模块的系统软件。研制的控制器在夏利化油器发动机 台架上进行了静态和动态实验。建立了传感器极限电流平台并得到泵电流与过 量空气系数九之间的静态关系曲线。在发动机瞬态工况下与h o r i b am e x a 7 0 0 l 空燃比分析仪输出对比，结果表明研制的控制器能够准确反映空燃比的突变， 动态性能良好。 设计了基于d s p 的控制器硬件电路。主要包括电源管理电路、正弦信号产 生电路、输入输出模拟通道、人机接口及通信接口等。为进一步将u e g o 控制 器应用于汽车空燃比控制建立了良好的系统平台。 关键词：宽带型废气氧( u e g o ) 传感器；空燃比；过量空气系数九；发动机台架； d s p a c e ；数字信号处理器( d s p ) d e v e l o p m e n to fu e g os e n s o rc o n t r o l l e r ab s t r a c t s i n c et h ev e h i c l ee m i s s i o nr e g u l a t i o n sa r eb e c o m i n gi n c r e a s i n g l ys t r i n g e n ta n d l e a nb u r nt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ee n g i n ed o m a i n ，t h ec o m m o n s w i t c h i n g t y p ee g os e n s o rc a n n o tm e e tt h en e e d so fw i d er a n g ea i r f u e lr a t i o c o n t r o l ，i ti sa ni n e v i t a b l et r e n dt ot a k el i n e a ru n i v e r s a le x h a u s tg a so x y g e n ( u e g o ) s e n s o ri n s t e a do fe g o t h eu e g os e n s o r , w h i c hi sak i n do fc o n t r o l l a b l e s e n s o r , o n l yw o r k sp r o p e r l yw i t ha ne x c l u s i v ec o n t r o l l e r ，a n dt h ec o n t r o l l e ra f f e c t s t h es t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h es e n s o r t h i st h e s isf o c u s e so nt h ec o n t r o l m e t h o da n ds y s t e md e s i g no ft h eu e g os e n s o rc o n t r o l l e r f i r s t l y ，t h ep u m pc u r r e n tm o d u l ei sm o d e l e db yp e mb a s e do no p e n l o o p e x p e r i m e n td a t a ，a n dt h e nt h ed i g i t a lp i dc o n t r o l l e ri su s e da n dt h ep i dp a r a m e t e r s a r et u n e db yi n t e r n a l m o d e lm e t h o d ah a r d w a r es y s t e mi s d e v e l o p e do nd s p a c ep l a t f o r m ，w h i c hi n c l u d e s t e m p e r a t u r ed e t e c t i n ga n dh e a t i n gc i r c u i t s ， n e r n s tv ol t a g ea n dp u m pc u r r e n t m e a s u r e m e n tc i r c u i t sa n dp u m pc u r r e n td r i v ec i r c u i t s t h es o f t w a r ei sd e v e l o p e d b a s e do ns i m u l i n km o d u l e s s t a t i ca n dd y n a m i ce x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n eo na r e c o n s t r u c t i v ex i a l ic a r b u r e t o re n g i n et e s t b e d t h el i m i t i n gc u r r e n tp l a t f o r ma n d s t a t i cc h a r a c t e r i s t i cc u r v ea r ep r e s e n t e d c o m p a r i n gt h eo u t p u to fd e s i g n e d c o n t r o l l e ra n dh o r i b aa i r t o - f u e lr a t i oa n a l y z e rm e x a 一7 0 0 li n d y n a m i ct e s t s ，i t s h o w st h a tt h ec o n t r o l l e rr e s p o n s e st h es u d d e nc h a n g e da i r f u e lr a t i oa c c u r a t e l ya n d w i t hag o o dd y n a m i cp e r f o r m a n c e i na d d i t i o n ，t h eh a r d w a r es y s t e mb a s e do nd s pi sd e s i g n e d ，w h i c hi n t e g r a t e s p o w e rs u p p l ym a n a g ep a r t ，s i n u s o i d a ls i g n a lg e n e r a t i n gc i r c u i t ，i n p u ta n do u t p u t a n a l o gc h a n n e l s ，a sw e l la sm a n - m a c h i n ei n t e r f a c e sa n dc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e i te s t a b l i s h e sa g o o dp l a t f o r mf o rt h ea u t o m o t i v ea i r f u e lr a t i oc o n t r o la p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：u e g os e n s o r ；a i r - f u e lr a t i o ；e x c e s s i v ea i rc o e f f i c i e n t ；e n g i n et e s t b e d ； d s p a c e ；d s p 插图清单 图2 1e g o 传感器基本原理5 图2 2 双室u e g o 传感器6 图2 3b o s c hl s u 4 2 型u e g o 传感器结构图7 图2 - 4 九= 1 2 时开环实验输入输出图7 图2 5 氧浓差电压滤波后波形8 图2 - 6x = i 2 时模型输出与实测数据对比图8 图2 7 净1 1 时模型输出与实测数据对比图9 图2 8 净1 3 时模型输出与实测数据对比图9 图2 - 9p i d 结构控制框图1 0 图2 1 0 泵电流控制模块控制器仿真框图1 0 图2 11 p i d 控制器结构1 l 图2 1 2 不同控制器参数下的系统响应1 1 图2 1 3 不同参数控制器的调节时间1 1 图2 1 4 施加干扰后的系统响应1 2 图2 。1 5 同一控制器对不同模型的控制结果1 2 图3 1 基于d s p a c e 的u e g o 传感器控制器框图1 4 图3 2d s p a c e 硬件资源使用示意图1 7 图3 3 加热驱动电路1 8 图3 4p w m 占空比与加热电压的关系图1 8 图3 5 参考电流产生电路2 0 图3 6 交流通道2 1 图3 7 交流通道放大前波形图一2 2 图3 8 交流通道放大后波形图2 2 图3 - 9 参考交流通道放大前波形图2 2 图3 1 0 参考交流通道放大后波形图2 2 图3 1 1 交流通道带通滤波器波特图2 4 图3 1 2 交流通道带通滤波后波形图2 4 图3 1 3 参考交流通道带通滤波后波形图2 4 图3 1 4 直流通道陷波器2 5 图3 1 5 直流通道陷波器波特图2 6 图3 1 6 陷波前信号波形图2 7 图3 1 7 陷波后信号波形图2 7 图3 1 8 低通滤波器2 8 图3 1 9 直流通道低通滤波器波特图2 8 图3 2 0 泵电流驱动电路2 9 图3 2 1 虚拟地电压产生电路3 0 图4 1 主程序流程图3 1 图4 2 主程序图3 2 图4 3 温度控制流程图3 3 图4 - 4 温度检测程序图一3 3 图4 5 正弦波峰值检测模块程序图3 4 图4 - 6 加热分段控制程序图3 4 图4 7 泵电流控制模块流程图3 5 图4 8 泵电流控制模块总程序图3 5 图4 9 泵电流控制器模块程序图3 6 图5 1 九= 1 6 0 时的极限电流平台3 8 图5 2 极限电流平台3 8 图5 3 泵电流i p 与九的静态关系曲线3 9 图5 4l s u 4 2 型u e g o 传感器在标定气体下的泵电流i p 与九关系图一4 0 图5 5 拟合曲线与静态实验数据的关系图：4 0 图5 6 控制器输出与空燃比分析仪输出关系图4 0 图5 7 九值突变时空燃比分析仪与控制器输出对比4 2 图6 1 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的u e g o 传感器控制器系统框图4 4 图6 2 系统电源管理单元4 6 图6 3 模拟电源电路4 6 图6 - 4 加热驱动电源电路4 7 图6 5 数字电源电路4 8 图6 - 6 正弦信号产生电路4 9 图6 71 5 v 基准电压产生电路5 0 图6 8a d 与d s p 连接原理图5 1 图6 - 9 泵电流驱动电路5 2 图6 1 0l c m l 4 1 外形结构图5 3 图6 1 1l c d 接口与d s p 连接原理图5 3 图6 1 2 按键连接原理图5 4 图6 1 3 串行通信接口电路5 4 图6 1 4 外扩存储器连接电路5 5 表格清单 表3 1p w m 占空比与加热电压的关系1 8 表5 - 1 不同九值对应泵电流i p 值3 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 金g 巴王些态堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谓 意。 学位论文作者签字： 弘、晓凉 签字日期：纠年夸月2 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金目巴王些态堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金g 墨王些友堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 釉任碡 签字日期：2 , - 1 9 年4 月刁曰 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：责之己 l 一 签字醐。：年沙7 日 电话： 邮编： 致谢 在三年的硕士研究生课程学习和课题研究过程中，我得到了不断的成长与 锻炼，这是与导师黄云志副教授的精心指导分不开的。从课程学习、论文选题、 收集资料，直到论文成稿，都倾注了黄老师的大量心血。由衷感谢黄老师在我 读研究生期间给予的精心指导和无微不致的关心。黄老师严谨的治学态度、活 跃的思考方式、求实的科研作风深深影响着我，使我受益匪浅。 衷心感谢徐科军教授在课题研究中给予我的悉心指导，尤其是在黄老师出 国学习期间，徐老师每周组织我们讨论，及时启发与指导我们解决课题进展中 出现的问题。徐老师广博的学识、对待科研的严谨作风、诲人不倦的教育情怀 和对事业的忠诚，令我受益终生。 感谢我校机械与汽车工程学院的滕勤副教授为本课题提供了宝贵的实验机 会；感谢汽车实验室的谈健老师为配合动静态实验不辞辛劳的工作；感谢d s p 实验室的同学们对课题实验的支持，一次次搬运实验设备，及时购买发动机启 动液等。在大家的支持和帮助下，实验得以顺利进行，并获得了大量有价值的 实验数据。 感谢张进师兄为课题提供了良好的研究基础。感谢朱永强在硬件设计过程 中给予的巨大帮助，感谢刘三山师兄、方敏在p c b 版绘制及调试中的支持和帮 助。感谢张嫒媛师姐在研究中的帮助和鼓励，共同面对问题，一起讨论解决。 感谢王海欣老师在调试t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 实验箱过程中的热心指导。 再次感谢d s p 实验室朝夕相处的同学，他们是：已毕业的师姐刘晓丽，师 兄张进、曾宪俊、高学海、刘三山、朱志海、李祥刚、刘家祥，以及仍在实验 室学习的罗清林、李叶、梁利平、杨双龙、张磊、李苗、侯其立、方敏、姜鹏、 单开、张慧凤、王沁、张然、张玉超、周全、叶旭，大家一起学习，互相讨论， 共同进步。 感谢父母对我从始至终的支持和鼓励! 感谢一直关心、帮助、激励我的朋友们。 作者：陈佳臻 2 0 10 年4 月1 2 日 1 1 研制的目的和意义 第一章绪论 随着公众环保意识不断增强以及环境污染、能源紧张等问题同趋严重，汽 车尾气排放与油耗问题也越来越受到关注。自上个世纪6 0 年代美国加州实施汽 车排放法规后，各国相继不断推出排放法规与强制性排放标准，且标准r 益严 格。面对严格的排放标准及石油危机引起的降低油耗的需求，汽车发动机稀薄 燃烧技术得到了进一步的推广应用，在稀燃发动机技术中空燃比控制是关键问 题之一，它直接影响到汽车的关键性能，比如排放、油耗以及驾驶性能 2 j 。 汽车的净化排气作用主要由安装在排气管中的三元催化转化器( t h r e e w a y c a t a l y s t ，简称t w c ) 完成，它将汽车尾气排出的燃料不完全燃烧产生的c o 、 h c 和n o x 等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮气。 但三元催化转化器主要作用在混合气的空燃比处于理论空燃比( 空燃比= 空气质 量燃料质量) 附近的一个窄小范围内【2 3 】，混合气的空燃比一旦偏离理论空燃比， 三元催化转化器对c o 、h c 和n o x 的净化能力将急剧下降。通常在排气管中 还需要安装废气氧传感器，用以检测排气中氧的浓度，它是汽车发动机电喷空 燃比闭环控制系统的核心部件之一。废气氧传感器利用氧化物敏感元件测量汽 车排气管道中的氧电势，由化学平衡原理计算出对应的氧浓度，反映燃烧室中 完全燃烧的过程，达到监测排气空燃比的目的。废气氧传感器随时将检测的氧 气浓度信号反馈给电子控制单元( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ，简称e c u ) ，e c u 据 此判断空燃比是否偏离理论空燃比值，一旦偏离，就调节喷油量，从而将排气 的空燃比控制在理论值附近【4 j 。 传统的废气氧传感器是开关型废气氧传感器( e x h a u s to x y g e ng a ss e n s o r ， 简称e g o ) ，其主要部分是一个氧化锆浓差电池，根据传感器两侧氧含量的差 值，在电极两端产生相应的电压。e g o 传感器的结构和工作原理决定其只能在 理论空燃比( 即过量空气系数九= 1 ，九= 实际空燃i ：l 理论空燃比) 附近精确测量， 而在其它空燃比下输出一个接近1 v 或0 v 的电压信号【5 如j ，因此其测量范围窄 且精度低。而宽带型的废气氧传感器则克服了这些缺陷，其中采用双电池结构 实现的宽带型氧传感器，即通常所说的u e g o ( u n i v e r s a le x h a u s to x y g e ng a s ) 传感器的性能最好【5 】。u e g o 传感器在e g o 传感器的基础上加了一个泵氧电池 f7 1 ，可以在很宽的空燃比范围内提供准确的空燃比值，反馈给e c u ，从而提高 汽车发动机的控制精度，最大限度的发挥三元催化转化器的作用。 近年来，为了满足高排放标准的要求和减少油耗，燃油分层喷射( f s i ) 发动 机和缸内直喷( g d i ) 发动机都需要实现九= 1 之外的宽范围线性控制，普通的开 关型氧传感器已不能满足要求，u e g o 传感器由于可以在宽范围内提供准确的 空燃比信息，逐渐成为汽车空燃比控制传感器的研究热点 8 1 t 6 o 不同于开关型氧传感器浓差电池的电压值直接作为测量信号，u e g o 传感 器通过控制电路控制内部泵氧元件上的泵电流，将其作为排气过量空气系数九 的指标，且u e g o 传感器对工作温度范围要求较高，因此其必须配有专门控制 器才能正常工作。且控制器性能直接影响传感器性能，因而对u e g o 传感器控 制器进行研究有着十分重要的意义。 1 2 国内外研究现状 u e g o 传感器的控制器研究一直是国外的研究热点，目前已有成熟的产品。 日本h o r i b a 公司的m e x a 7 0 0 k 型便携式空燃比分析仪u7 】性能优越，其动 态响应时间短，一般为8 0 m s ，不超过1 5 0 m s ；可测量空燃比a f 、过量空气系 数九以及氧含量，有标准r s 2 3 2 通信接口与一路全量程可改的0 5 v 直流输出。 美国e t a s 公司的e s 6 3 x 系列九测量模块【l8 】适用于德国b o s c h 公司的l s u 系列u e g o 传感器，不同型号的输出通道数量可选择；并可通过软件设置输出 多种信号，包括a f 、f a 、九、1 肌、氧含量、传感器内阻值、泵电流以及环境 压力等；可单独用于排气检测或作为标定设备。 美国e c m 公司的l a m b d a 5 2 2 0 分析仪【l9 】与b o s c hl s u 、n t k 、d e l p h i 等 u e g o 传感器兼容，可测量输出多种信号；动态响应时间少于l5 0 m s ；具有六 路线性化0 5 v 模拟输出，c a n 、u s b 、r s 2 3 2 通信接口；可接入任何数据采 集系统；适合台架与车载使用。 g o w l i n g 与g r i p p o 设计了以d s p 为核心的精密宽带型控制器( p r e c i s i o n w i d e b a n dc o n t r o l l e r ) t 2 0 】，适用于b o s c h 公司的l s u 4 系列传感器；泵电流控制 采用数字p i d 控制策略；动态响应时间少于l o o m s ；有c a n 与高速串行u a r t 接口便于车载使用以及与外部p c 机实现数据传输。 以上产品虽然性能优越，但价格昂贵，且其中h o r i b a 公司的m e x a 7 0 0 l 型便携式空燃比分析仪只能配备其专用u e g o 传感器。 国外一些学者也针对u e g o 传感器控制器的控制方法、结构与设计做了很 多研究工作。文献 2 1 】提出了基于m o t o r o l a 6 8 h c 微处理器的u e g o 传感器控制 器的软硬件设计，介绍了处理器与基本外围硬件电路以及软件流程，但没有披 露具体的软件算法。 美国专利【2 2 主要提出采用p i d 控制的方法实现对u e g o 传感器泵电流部 分的控制，但没有指出p i d 控制器的具体实现方法，也没有给出相关硬件电路 与软件算法。 美国专利 2 3 在专利【2 2 】的基础上提出了个较为完整的控制器框架，包括 对泵电流与温度的控制以及各接口单元，并介绍了其中主要组成部分的功能， 但也没有给出具体的电路与算法。 美国专利 2 4 】与文献 2 5 】均提出了采用专用集成芯片( a s i c ) 方案实现的 2 u e g o 传感器控制器。 其中美国专利 2 4 是福特公司设计的控制器，其可同时连接两个u e g o 传 感器。专利中介绍了控制器的主要模块以及外部接口等，但未给出具体电路。 文献f 2 5 在分析了传统氧传感器性能上的限制以及新的发动机技术与市场 需求对线性宽带氧传感器的需要后提出了一种设计方案。文献给出了主要部分 的电路结构，并采用模拟p i d 控制器实现泵电流控制。 在车载应用中，将传感器控制器以a s i c 的形式嵌入到发动机电控单元是 一种实现方案，但对于已经设计完成的发动机电控单元来说，若要再另外加入 u e g o 传感器的控制单元则需要重新进行整体设计，这样做耗费巨大且面临很 多困难。 文献【2 6 ，2 7 】中德国b o s c h 公司设计的一种宽带氧传感器电子控制单元 ( l a m b d a t r o n i c ) 为发动机管理系统提供了一种灵活的解决方案，它内部合成了 该公司针对其l s u 系列u e g o 传感器开发的专用集成控制芯片c 儿2 5 弱j 以及 微控制器，可以实现对u e g o 传感器的控制、诊断以及通过标准汽车总线与发 动机电控单元通信；它最多可以和两个u e g o 传感器相连，与u e g o 传感器 一起就形成了一个智能传感器。该产品已经投入市场。文献 2 6 给出了这一设 计的整体框架，但没有给出内部具体实现电路与软件。 国内对u e g o 传感器的研制正处于起步阶段，尚无成熟的u e g o 传感器面 市，对u e g o 传感器控制器的研究则更少。 华东交通大学的任继文等分析了氧传感器在汽车空燃比控制中的作用，介 绍并比较了不同的平板式二氧化锆式氧传感器1 2 9 1 。 李强介绍了宽带型废气氧传感器的结构与工作原理，并分析了其使用、维 护以及故障诊断和测试方法 3 0 , 3 1j 。 天津大学的顾维东等在进行汽油机燃油动态特性研究时对u e g o 传感器进 行了动态特性研究【3 2 1 ，得出了传感器整体的一阶模型参数，但没有对传感器的 关键控制部分进行研究。 大连理工大学的刘瑞祥等全部采用模拟电路实现了u e g o 传感器控制器设 计【”l ，包括加热器驱动与温度感知电路，稳压电源、参考电压和虚拟地电路， 氧浓差电压反馈、泵电流控制及驱动电路，以及泵电流感知和电压输出电路； 该设计没有对传感器温度变化进行闭环控制，且泵电流控制采用模拟p i d 控制 器因此参数调整的灵活性不足，动态性能有待提高。 西华大学交通与汽车工程学院采用c j l 2 5 控制芯片作为核心模块， m c 9 s 0 8 a w 3 2 处理器为主控制器，开发了u e g o 传感器接口控制单元【3 引，但 只进行了静态标定，没有进行动态试验，且稀燃时的九测量范围较窄。 合肥工业大学机械学院研制了以p i c l6 f 8 7 7 a 为主控制器的便携式空燃比 仪，控制器没有进行温度控制，仅依靠发动机排气温度对传感器加热，且泵电 流控制采用查表方式输出产生泵电流，没有控制策略，因此无法适应不同情况 的混合气且动态性能欠佳p 引。 合肥工业大学d s p 实验室对汽车传感器动态特性【36 ”】的研究做了大量的 工作，同时较早提出对u e g o 传感器控制器的研究方案。课题组的张进等基于 d s p a c e 搭建了u e g o 传感器控制实验面包板，并设计了相应的软件模块，提 出采用数字p i d 控制泵电流与温度，并对泵电流控制模块的p i d 控制进行了仿 真。但温度控制模块还未完成，且没有在实际发动机台架上测试p i d 控制器的 性能，泵电流控制模块的模型辨识以及控制方法还有待提高。 1 3 课题来源和主要研究内容 本课题来源于国家自然科学基金项目“基于块联模型的传感器动态非线性 建模和校正方法研究”( 编号：6 0 4 7 4 0 5 7 ) 。研究宽带型废气氧( u e g o ) 传感器 的控制器，主要工作有： ( 1 ) 在分析u e g o 传感器工作原理和工作过程的基础上，建立了u e g o 传 感器中泵电流控制部分的模型，并针对该模型研究了泵电流p i d 控制算法。 ( 2 ) 研制了基于d s p a c e 实时仿真平台的u e g o 传感器控制器硬件系统，主 要包括：温度检测电路、加热驱动电路、泵电流测量电路、氧浓差电压测量电 路及泵电流驱动电路。 ( 3 ) 在夏利化油器发动机台架上进行了静态和动态实验，分析了传感器的静 态和动态特性。 ( 4 ) 设计了基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 的控制器硬件。 4 第二章u e g o 传感器建模及控制方法研究 泵电流控制是u e g o 传感器控制的关键部分。本章在介绍u e g o 传感嚣结 构和工作原理的基础上，主要研究泵电流控制模型；井基于辨识的模型进一步 研究了p i d 控制方法及p i d 控制器参数的整定。 2 1u e g o 传感器结构和工作原理 二氧化锆( z ，o ：) 元件在3 5 0 或更高温度时会引导氧离子移动，从而在元件 两端产生电动势。e g o 传感器就是基于这一原理的氧化锆式传感器，其核心氧 化锆化学电池( n e m s t 电池) 的输出电压取决于电池两端的氧浓度。将电池两侧 的电极分别置于发动机排气与参考室中，当排气较浓时( 过量空气系数x 1 ) ，因尾气中氧含量比 较多，排气氧分压和参考氧分压很接近，氧浓差很小，产生的电动势很小( 约 0l v l 。混合气接近理论空燃比时，输出o4 5 v 电压。e g o 传感器的基本原理 如留2 - 】所示，由特性曲线可见，e g o 传感器有着明显的开关特性，因此无法 在很宽的范围内精确反映空燃比变化。 废气 蘑应奎 o0 m1o10 2 归一化空燃 幽2 - 1e g o 传感器基本原理 u e g o 传感器在e g o 传感器的基础上加了一个泵氧电池，即由两个氧化锆 电池组成，分别为氧浓差电池( n e r n s tc e l l ) 与泵电池( p u m pc e l l ) 。z 。0 2 元件两端 氧浓度不同时，氧离子发生移动，从而产生电动势：反之将一定的电动势加在 元件两端，则会造成氧离子移动，从而改变两端氧浓度。排气通过扩散d , ：f l 进 入扩散室扩散室中的氧浓度与参考室中氧浓度的差值使得氧浓差电池产生一 个电动势即氧浓差电压u s ，当氧浓差电压u s 为o4 5 v 时达到当量平衡，因 此将o4 5 v 作为参考电压值。当排气是富油的浓混合气体时，氧浓差电压u s 大于o4 5 v ，此时控制器在泵电池上施加电压，产生一个方向的泵电流，将氧 气泵入扩教室内，使氧浓差电池输出为04 5 v ；当排气为富氧的稀混合气体时， 产生相反方向的泵电流将排气中多余的氧泵出扩散室使氧浓差电池输出维持在 o4 5 v 。当氧浓差电压u s 等于04 5 v 为平衡状态泵电流等于零，即不需要把 氧泵入泵出。为使氧浓差电压维持在o4 5 v 的泵电流值与氧浓度呈线性关系 圆此根据泵电流的大小计算出排气中空燃比值或过量空气系数x 值。由于传感 器必须加热到一定温度才能正常工作，且温度在7 0 0 8 0 0 范围内测量精度 较高”4 ，因此需要通过加热电路对传感器进行加热井控制温度。 u e g o 传感器的输出特性曲线如图2 2 所示，由图可见其可以连续测量一 个很宽范围的空燃比值，为发动机空燃比控制提供更宽范用更精确的空燃比信 息。 蓄i 群屡氧惴1 i 绝缘层 加热嚣 筢缘层 加热片氧化牿 终端 a 20 蒜1 。0 脚。 雌1 。 2 0 0 7 伯舡蠢墨燃酽2 2 。 豳2 - 2 双室u e g o 传感器 生产u e g o 传感器的国外厂家很多，德国b o s c h 公司的废气氧传感器因性 能优异、质量可靠，在国内市场应用广泛。在课题的研究中，我们选取了b o s c h 公司l s u 42 型u e g o 传感器，该传感器为6 线制，传感器结构如图2 - 3 所 示。泵电池和氧浓差电池共用一个扩敞室，排气管中废气通过窄小的扩散孔进 入扩散室。线1 测量氧浓差电压即n e r n s i 屯i = e ，即氧浓差电池所产生的电动势； 线2 连接的传感器内部调节电阻，其阻值要在出厂前进行调控，以弥补传感器 制造时的误差而导致的极限电流损失；线3 和线4 是加热器的两极；线5 连接 虚拟地；线6 测量泵电流。 翁 j 伊翠i 雕i + 卜8 懈b t _ 啦! 卜一 芒2 1 兰：二：ji 。 ： = = 二二；2 _ 一 一_ # i 图2 3b o s c hl s u 4 2 型u e g o 传感器结构图 i 氧浓差电压( r e + 12 微调电阻( r t ) 3 加热器止极( 卅 4 加热器负极( h - ) 5 虚拟地( i p n ) 6 泵电流( a p e ) 2 2u e g o 传感器建模 根据u e g o 传感器的工作原理可知，通过控制泵电流使氧浓差电压维持在 04 5 v ，这时的泵电流值才能用于反跌氧浓度，进而反映空燃比。因此泵电流控 制是实现u e g o 传感器控制器的核心。泵电流控制即通过在泵电池上施加电压 即泵电压，使泵电流发生大小和方向的变化，从而实现对氧浓差电压的无静差 控制。 为研究u e g o 传感器泵电流控制方法，需要对被控对象进行建模。根据实 际开环宴验数据对泵电流控制模块的模型进行辨识。模型的输入为阶跃变化的 泵电压即泵电池两端电压值，输出为氧浓差电压的响应值。建模数据选择开环 实验中过量空气系数x = 12 时的一段数据，如图2 = 4 所示。 ；o5 i ： = 0 0 4 1 0 21 41 61 8 t 1 m e ( s ) 虚线：泵电压值实线：氧浓差电压值 圈 4 k 】2 时开环空验输入输出嘲 由于氧浓差电压数据贪有噪声，会影响建模精度，首先对数据进行低通滤 波，以消除噪声干扰。对数据做f f t ，发现能量集中在5 h z 以内，因此低通滤 波器的截止频率选择1 0 h z 。经过滤波后的波形如图2 5 所示，数据曲线与图2 - 4 比较没有发生畸变和延迟。 t i m e ( s ) 图2 - 5 氧浓差电压滤波后波形 根据文献 7 】，u e g o 传感器等效一阶系统，根据开环实验数据，采用基于 预测误差( p e m ) 的方法，建立泵电流控制模块的一阶模型。将建模结果与实验 数据进行对比，结果如图2 - 6 所示，图中虚线表示的是实验测得的数据，实线 表示的是模型输出的结果。 m e a s u r e do u t p u ta n ds i m u l a t e dm o d e lo u t p u t 图2 - 6z = 1 2 时模型输出与实测数据对比图 九= 1 2 时对应模型的传递函数如公式( 2 1 ) 所示： f g ( j ) = _ 詈一e x p ( - t d s ) ( 2 - 1 ) l 十l p s 其中k = 0 9 15 2 ，t p = 0 7 6 3 7 6 ，t d = 0 0 0 1 采用同样的办法分别对l = 1 1 和k = 1 3 时的开环实验数据段建模，结果分 别如图2 7 、图2 8 所示，其中虚线表示的是实验测得的数据，实线表示的是模 型输出的结果。 8 岂 a ) o 耍 石 m e a s u r e do u t p u ta n ds i m u l a t e dm o d e lo u t p u tm e a s u r e do u t p u ta n ds i m u l a t e dm o d e lo u t p u t 。6 ，彳一 。5 。，i j ：三卜甚霉 o 5 5 0 5 吾0 4 5 o ) 叮 o 0 4 0 3 5 24681 0 1 i m e ( s ) 图2 7 扣1 1 时模型输出与实测数据对比图图2 - 8x = i 3 时模型输出与实测数据对比图 其中l = i 1 与x = i 2 时建模结果的模型0 2 ( s ) 、g 3 ( s ) 传递函数分别如公式 ( 2 2 ) 、( 2 3 ) 所示： ) = 罴一h ( 2 - 2 ) g 3 ( s ) = 雨0 而8 9 4 2 丽1 p 删s (2-3) 比较三个公式可知，泵电流控制模块的模型有不确定性，在不同九值条件 下参数有微小差别。 2 3u e g o 传感器控制方法 经典的p i d 控制因原理简单、使用方便、适应性强、鲁棒性强等优点，在 工程实际中应用非常广泛。对于一阶惯性带延迟的泵电流模型，采用p i d 控制 器可以实现稳态无偏差控制。p i d 控制器由比例( p r o p o r t i o n ) 单元、积分 f i n t e g r a t i o n ) 单元和微分( d i f f e r e n t i a t i o n ) 单元组成，可以由模拟电路或数字形式 实现，若采用模拟电路实现p i d 控制器，则若针对不同传感器调整参数时需要 重新更换元器件，因此为更方便参数的调整选择采用数字p i d 控制器。 p i d 的基本控制规律可描述为公式( 2 4 ) ，结构控制框图如图2 - 9 所示。p i d 控制器根据给定值r ( t ) 与实际输出值c ( t ) 的偏差e ( t ) ，将偏差的比例、积分与微 分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。 1 g c ( s ) = k e ( 1 + + s ) ( 2 - 4 ) i j 其中k ，为比例系数、巧为积分时间常数，瓦为微分时间常数。 9 图2 9 p i d 结构控制框图 控制器的结构确定后，控制性能就取决于控制器的各个参数，因此需要对 参数进行整定。参数整定有很多方法，其中基于内模原理的p i d 参数整定方法 仅有一个需要选择的参数，具有很好的鲁棒性【3 9 , 4 0 】，本文选用内模法整定p i d 参数。假设预测模型即为实际被控对缘模型，令内模控制器和预测模型构成的 反馈控制器与理想的p i d 控制器等价，利用内模控制器的设计方法得到p i d 参 数。 对于一阶模型如公式( 2 1 ) ，对纯滞后环节采用一阶p a d e 近似处理，即 e 删一= ( 1 一o 5 t d s ) ( 1 + o 5 t d s ) ，则p i d 控制器参数由以下公式( 2 7 ) ，公式( 2 8 ) ， 公式( 2 9 ) 可得。由整定公式可见，一旦模型确定，积分时间常数乃与微分时间 常数l 也随之确定，可变的参数只有比例系数k p ，比例系数随参数口取值的变 化而变化。 k p = 篇 ( 2 - 7 ) 乃= 劢+ 0 5 尉( 2 8 ) 矗：堕至型( 2 9 ) 1 d2 瓦而 u 叫 对于x = i 2 时的模型，已知模型参数k 、矽、尉，因而可计算出乃、毛。 基于m a t l a b 的s i m u l i n k 工具箱中建立仿真模型【4 2 1 ，如图2 1 0 所示，其中 p i d 控制器的结构如图2 1 l 所示。 图2 一lo 泵电流控制模块控制器仿真框图 l o k i i n t e g r a t o r 图2 - 1 1p i d 控制器结构 调整公式( 2 7 ) 中参数o f 的大小，得到不同的k p 值。随着口的减小，k ，增 大，上升时间减少，但系统超调增大；反之口增大，k 。减小，系统超调减小， 过渡过程变平缓。尝试不同o f 值，找到令系统响应稳定的o f 范围，针对l = i 2 时的模型，口大于0 0 0 0 1 5 时系统响应收敛，在该范围内寻找合适的o f 值。图 2 1 2 所示为口变化时，系统在三组不同k ，、k ，、k n 参数值的p i d 控制器下的 响应，其中曲线1 、曲线2 、曲线3 分别对应口为o 0 0 1 、0 0 0 0 8 、0 0 0 0 5 时， 不添加扰动的系统响应曲线。 考虑到在本系统中，要求氧浓差电压能快速跟踪设定值0 4 5 且尽量避免超 调，因此需要综合考虑调节时间与超调量。曲线1 、2 、3 的调节时间如图2 - 1 3 所示，分别为o 0 0 4 2 6 6 1 s 、o 0 0 4 0 5 9 4 s 、0 0 0 4 2 4 6 5 s ，且由图可见曲线3 的超 调较大，选择曲线2 即o f 为o 0 0 0 8 时的p i d 控制器参数，此时调节时间最短且