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汽车发动机相关传感器动态特性的研究 摘要 为了提高发动机工作效率，我们需要建立发动机的模型，而传感器在发动 机运行中起着极为重要的作用，因此，我们研究发动机相关传感器的动态特性。 它们分别是热膜f 线) 式空气质量流量传感器、进气歧管绝对压力传感器和废气氧 传感器。 热膜( 线1 式空气质量流量传感器存在动态非线性问题。本文采用基于多幅值 阶跃信号的h 锄m e r s t e i n 模型和两步辨识方法描述传感器特性。通过动态标定 实验，得到不同幅值的阶跃输入、输出数掘。根据其幅值，用最小二乘拟合的 方法辨识出非线性系数，并由输入数据和非线性系数得到静态非线性环节的输 出。再根据输出数据，运用线性自回归方法得到动态线性环节的传递函数，这 样就建立起块联形式的动态非线性模型。建模结果表明，动态非线性模型比线 性模型更为准确地描述了热膜( 线) 式空气质量流量传感器的动态特性。 进气歧管绝对压力传感器为线性传感器，所以，我们直接使用最小二乘法 对输入输出数据进行辨识，建立其动态线性模型。 废气氧传感器存在系统的动态非线性问题，由于实验条件有限，我们只在 一个输入点上进行了负阶跃实验。通过分析数据得到了氧传感器上升时间等参 数，为下一步工作打下了基础。 关键词：热膜( 线) 式空气质量传感器，进气歧管绝对压力传感器，废气氧传感器 h a m m e r s t e i n 模型，动态非线性，辨识，最小二乘法 r e s e a r c h e so ns e n s o rd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sf o ra u t o m o b i l e e n g i n e a b s t r a c t i no r d e rt oi m p m v et h e 、v o r ke m c i e n c yo ft 1 1 ee n g i n e ，w en e e dt os e tu pm e m o d e lo fm ee n g i n e t h es e n s o r sp l a yav e r yi m p o r t a t l tp a r ti nm ee n g i n eo p e r a t i o n s ow em u s ts t u d yt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fe n g i n er e l a t e ds e n s o r sw h i c ha r et h e h o tn l m w i r et y p eo fm a s sa i rn o ws e n s o r ，t h em a n i f o l da b s o l u t e l yp r e s s u r es e n s o r a n dt h ee x h a u s tg a so x y g e ns e n s o l t h eh o tm m w i r et y p eo fm a s sa i rn o ws e n s o rh a st t l en o n l i n e a rd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sl no r d e rt od e s c r i b et h es e n s o rc h a r a c t e r i s t i c st h eh a m m e r s t e i nm o d e l i sa d o p t e d ，w h i c hi sb a s e do nt h cm u m a m p l i t u d es t e pr e s p o n s e s ，a 1 1 dt h et w o - s t e p i d e n t i 母i n gm e t h o di s u t i l i z e di n t h i st h e s i s t 【l r o u g ht h ed y n a m i cc a l i b r a t i o n e x p e r i m e n t s ，t h es t e pi n p u ta n do u t p u ts i g n a l sw i t hd i 虢r e n ta r n p l i t u d e sa r eo b t a i n e d u s i n gt h ea m p l i t u d e so fn l e s ed a t a ，山en o l l l i n e a rs t a t i cc o e m c i e n t sa r ed c t e m l i n e d b yt h el e a s ts q u 盯em e t h o d m o r e o v e r ，b a s e do ni n p u td a t aa i l d n o n j i n e a rs c a t i c c o e m c i e n t ，t h eo u t p u to fn o n l i n e a rs t a t i cs u b s y s t e mi sc a l c u l a t e d f l l n h e r m o r e ， a c c o r d i n gt oo u t p u td a t a ，t h et m s f e rf u n c t i o no fl i n e a rd y n a m i cs u b s y s t e mi s i d e n t i f i e db y 也el i n e a rr e g r e s s i o nm e m o d t h es e n s o rn o n j i n e a rd ”锄i cm o d e l si n t h eb l o c kf o r m a ta r ee s t a b l i s h e d t h em o d e l i n gr c s u h ss h o wt l l a tt h en o n l i n e a r d y n a m i cm o d e l sa r em o r ca c c u r a t et h a nt h e1 i n e a rd y n a m i cm o d e l st od e s c r i b et h e s e n s o rc h a r a c t e r i s t i c s a st l l em a n i f o l da b s o l u t e l yp r e s s w es e n s o rp o s s e s s e dt h el i l l e a rd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s ，t h em o d e lc o e m c i e n t sa r ed e t e r m i n e db yt h e1 e a s ts q u a r em e t h o d d i r e c t l y n l en o n l i n e a rd y n 锄i cc h a r a c t e r i s t i c sa l s oe x i s ti n 也ee x h a u s tg a so x y g e n s e n s o r w eo n l yh a v eg o tt h en e g a t i v es t e pr e s p o n s eu n d e ro n et e s tc o n d i t i o nb e c a u s e t h e r ea r e1 i m i t a t i o n si nt l l ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n t t h o u 曲a n a l y z i n gt h eo u t p m d a t a ，w eh a v eg o tt h es e n s o rr i s et i m ea n do t l l e rp a r 眦e t e r s ，、 ，h i c hl a y st h e f b u n d a t i o nf o rt h e 如r t h e rw o r k k e yw o r d s ： h o tf n m w i r et y p eo fm a s sa i rn o ws e n s o r ，m a n i f 0 1 da b s o l u t e l y p r e s s u r es e n s o r ，e x h a u s tg a so x y g e ns e n s o r ，h a m m e r s t e i nm o ( 1 e 1 ， n o n l i n e a rd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ，i d e n t i f y ，l e a s ts q u a r em e t l l o d 插图清单 图2 - 1热线式空气流量传感器( 主流测量方式) 图2 2 热线式空气流量传感器( 旁通测量方式) 图2 3 热膜式空气质量流量传感器 图2 4 热线( 膜) 式空气质量流量传感器的恒温差控制电路 图2 5 热膜式空气质量流量传感器动态标定实验装置 图2 6 原始数据及静态模型拟和结果比较 图2 7h a m m e r s t e i n 模型框图 图2 - 8 输入幅值为1 6 5 5 4 5 s 时的实际响应与模型输出比较 图2 9 输入幅值为3 1 8 0 5 8 s 时的实际响应与模型输出比较 图2 1 0 输入幅值为5 1 2 5 8 9 9 s 时的实际响应与模型输出比较 图2 1 1 输入幅值为4 6 7 6 9 9 9 s 时的实际响应与模型输出比较 图2 1 2 输入幅值为4 6 3 1 4 6 9 s 的实际响应与模型输出比较 图2 1 3 输入幅值为3 1 6 1 6 5 9 s 的实际响应与模型输出比较 图2 1 4 输入幅值为1 6 5 5 4 5 9 s 时的实际响应与模型输出比较 图2 1 5 输入幅值为3 1 8 0 5 8 9 s 时的实际响应与模型输出比较 图2 - 1 6 输入幅值为4 6 31 4 6 s 的实际响应与模型输出比较 图2 1 7 输入幅值为3 1 6 1 6 5 s 的实际响应与模型输出比较 图2 1 8 正负阶跃实际响应与模型输出的绝对误差比较 图2 1 9 输入幅值为1 4 ，0 9 9 7 9 s 时的实际响应与模型输出比较 图2 2 0 输入幅值为9 6 9 1 5 9 s 时的实际响应与模型输出比较 图2 2 1 输入幅值为2 6 9 8 8 5 9 s 时的实际响应与模型输出比较 图2 2 2 输入幅值为3 5 3 8 3 3 9 s 时的实际响应与模型输出比较 图2 2 3 输入幅值为2 7 0 6 8 1 s 的实际响应与模型输出比较 图2 2 4 输入幅值为1 4 ，2 4 3 2 s 的实际响应与模型输出比较 图2 2 5 输入幅值为2 6 9 8 8 5 s 时的实际响应与模型输出比较 图2 2 6 输入幅值为3 5 3 8 3 3 叠s 时的实际响应与模型输出比较 图2 2 7 输入幅值为2 7 0 6 8 l g s 的实际响应与模型输出比较 图2 2 8 输入幅值为1 4 2 4 3 2 9 s 的实际响应与模型输出比较 图2 2 9 输入幅值为1 4 0 9 9 7 9 ，s 实际响应与模型输出的误差 图2 3 0 输入幅值为2 7 0 6 8 1 9 s 实际响应与模型输出的误差 图3 1 半导体压敏电阻式m a p 传感器 图3 2 应变片的结构及其等效电路图 图3 3m a p 传感器与e c u 的连接电路 图3 4m a p 传感器动态标定实验装置示意图 溜灌矗一b h m m悸博擂掩侈拇伸孙甜班扒鸵笼弱弱m m 筋拍拍卯 图3 5 原始数据及静态模型拟和结果比较 图3 6 压差4 5 5 i m 水银柱实际响应与模型输出比较 图3 7压差5 11 m m 水银柱实际响应与模型输出比较 图3 8 压差2 0 7 n 硼水银拄实际响应与模型输出比较 图3 9 压差8 0 n l l n 水银柱实际响应与模型输出比较 图3 1 0 压差5 0 m m 水银柱实际响应与模型输出比较， 图3 1 1 压差1 0 4 m m 水银柱实际响应与模型输出比较， 图3 1 2 输入幅值为3 6 7 4 9 3 m p a 实际响应与模型输出的误差 图3 1 3 输入幅值为6 8 5 7 3 m p a 实际响应与模型输出的误差 图4 1n e m s t 型氧化锆氧传感器的基本原理 图4 2 套管式氧化锆氧传感器 图4 3 平面氧传感器 图4 4 二氧化钛( t i 0 2 ) 氧传感器 图4 5 二氧化钛氧传感器的工作原理 图4 6 单室宽带空燃比传感器 图4 7 双室宽带a f 传感器 图4 - 8 传感器测量系统示意图 图4 9 静态特性测量装置示意图 图4 1 0 传感器响应测量装置示意图 图4 1 1 氧传感器阶跃响应实验装置设计 图4 1 21 5 7 下负阶跃响应 图4 1 31 5 7 下负阶跃响应 图4 1 43 5 1 时负阶跃实际响应与模型输出比较 图4 1 53 0 7 时负阶跃的实际响应与模型输出比较 图4 1 63 9 9 时负阶跃的实际响应与模型输出比较 图4 1 73 0 0 时正阶跃响应 勰如引”弛弛弛”拍始弧扣钔甜舵她粥躬斛甜斟 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，也不包含为获得佥g b 王些盍堂 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谢 意。 学位论文作者签字：任婚签字日期：z 啦，一年协月牛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆王些盍堂有关保留、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。本人授权盒 目b 王些太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) 学位论文作者签名：侄辑 签字日期：1 d o r 年j2 ，月_ 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 致谢 本论文是在导师徐科军教授的悉心指导下完成的。本人在三年的硕士研究 生课程学习和撰写学位论文的过程中，自始至终得到了我的导师徐科军教授的 悉心指导，无论从课程学习、论文选题，还是到收集资料、论文成稿，都倾注 了徐老师的心血，由衷感谢徐老师在我读研究生学习期间给予我不厌其烦的课 题指导、生活上所给予我无微不至的关心。徐老师广博的学识、严谨的治学作 风、诲人不倦的教育情怀和对事业的忠诚，使我终身受益，并激励我勇往直前。 感谢王肖芬师姐在我学习动态非线性过程中给予的指导和帮助，感谢我校 机械与汽车学院的滕勤副教授为我提供丰富的实验机会和良好的实验条件，感 谢汽车实验室的徐天玉老师和谈健老师在实验方面的指导。在滕勤副教授、徐 老师和谈老师的帮助下，实验得以顺利进行，使得本论文有了宝贵的原始数据， 为论文的完成提供了前提条件。 感谢d s p 实验室的前辈们提供的课题研究基础。感谢师姐黄云志、师兄倪 伟、盛磊在我研究课题时提供的帮助，感谢d s p 实验室朝夕相处的同学：吴婷、 袁波、赵瑞、陈智渊、张瀚、赵明，以及机械与汽车学院的一起完成实验的同 学：杨瑜、陈利明、田丰，大家一起讨论课题研究，共同完成三年的学习。 感谢爸爸、妈妈对我经济上的支持和精神上的鼓励! 作者：任好 2 0 0 5 年1 1 月2 3 日 1 1 问题的引出 第一章绪论 随着生产和科技的发展，人们愈来愈多地要求测量动态非电量；同时，传 感器广泛应用于生产过程的自动检测，这就要求它能准确、迅速地反映被测参 数的变化。因此，人们开始重视传感器动态特性的研究，并在传感器动态建模 和补偿等方面取得了较大的进展。但是，这些仅限于传感器是线性系统的情况， 当传感器存在明显的动态非线性特性时，这些建模和补偿的方法就失效了。一 般造成传感器动态非线性的原因有以下几点：( 1 ) 传感器静态非线性所致，主要 由传感器本身的转换原理和结构等引起；( 2 ) 传感器动态特性欠佳，其幅频特性 的平坦段非常有限；输入信号的频率成分超出幅频特性的线性范围；( 3 ) 动态输 入瞬时值( 幅值) 过大，导致传感器进入非线性区；( 4 ) 由传感器动态耦合所致， 即多维传感器中非正向转换通道可能存在非线性；( 5 ) 传感器的工作状态影响， 如传感器所受负载大小以及安装条件等。 动态非线性问题影响了传感器的动态测量精度，阻碍了传感器动念性能的 进一步提高。而目前在传感器动态特性的研究中，大多数是将其近似为线性系 统，利用线性系统的方法来进行研究。这在传感器非线性特性不明显或分析精 度要求不高时，是可行的。但是，如果传感器的非线性作用比较明显或对其有 较高的分析精度要求时，线性方法就会带来不容忽视的误差。为此，有必要研 究传感器的动态非线性问题。 本论文以汽车发动机上使用的三种传感器：热膜线式空气质量流量传感 器、进气歧管绝对压力传感器和废气氧气传感器为例，通过实验研究其动态特 性，针对有的传感器出现的动态非线性问题，研究新的建模方法。 热膜线式空气质量流量传感器用于测量发动机吸入的空气量，并将反馈信 号提供给e c u ( 发动机电控单元) 作为控制喷油时间的基本依据。 进气歧管绝对压力传感器的输出信号反映了进气歧管内的绝对压力的变 化，并为e c u 提供计算喷油持续时间的依据。 废气氧传感器用来检测排气中的氧浓度，其输出提供给e c u 作为把空气 燃料比控制在最佳值( 理论值1 附近的基准信号。 这三种传感器反馈给e c u 的信号都主要用于对燃料喷射的控制。当前，对 燃料喷射进行有效控制已经成为汽车电子控制的重要组成部分。针对由汽车造 成的严重污染，以及资源匮乏带来油价攀升等问题，要生产出污染轻、耗油少 的汽车，首先要解决的就是燃料喷射的控制问题。减少废气排放，需要控制空 气燃料比在一个接近理论空燃比的很小范围内，这样燃烧后废气中的有害成分 就可以在三元催化剂中转换为无污染气体。而减少废气排放还可以通过控制燃 1 问题的引出 第一章绪论 随着生产和科技的发展，人们愈来愈多地要求测量动态非电量；同时，传 感器广泛应用于生产过程的自动检测，这就要求它能准确、迅速地反映被删参 数的变化。幽此，人们丌始重视传感器动态特性的研究，并在传感器动态建模 和补偿等方面取得了较大的进展。但是这些仅限于佳感器是线性系统的情况， 当传感器存在明显的动态非线性特性时，这些建模和补偿的方法就失效了。一 般造成传感器动态非线性的原因有以下几点：( 1 ) 传感嚣静态非线性所致，主要 由传感器本身的转换原理和结构等引起；( 2 ) 传感器动态特性欠佳，其幅频特性 的平担段非常有限；输入信号的频率成分超出幅频特性的线性范围i ( 3 ) 动态输 入瞬时值( 幅值) 过大，导致传感器进入非线性医；( 4 ) 由传感器动态耦台所致， 即多维传感器中非正向转换通道可能存在非线性：f 5 ) 传感器的工作状态影响， 如传感器所受负载大小以及安装条件等。 动态非线性问题影响了传感器的动态测量精度，阻碍了传感器动态性能的 进一步提高。而目前存传感器动态特性的研究中，大多数是将其近似为线性系 统，利用线性系统的方法来进行研究。这在传感器非线性特陛不明显或分析精 度要求不高时是可行的。但是，如果传感器的非线性作用比较明显或对其有 较高的分析精度要求时，线性方法就会带来不容忽视的误差。为此，有必要研 究传感器的动态非线性问题。 本论文以汽车发动机上使用的三种传感器：热膜，线式空气质量流量传感 器、迸气歧管绝对压力传感器和废气氧气传感器为例，通过实验研究其动忿特 性，引埘有的传感器出现的动态非线性问题，研究新的建模方法。 热膜线式空气质量流量传感器用于测量发动机吸入的空气量，并将反馈信 号提供给e c u ( 发动机电控单元) 作为控制喷油时间的基本依据。 进气歧管绝对压力传感器的输出信号反映了进气歧管内的绝剥压力的变 化，并为e c u 提供计算喷油持续时间的依据。 废气氧传感器用来检测排气中的氧浓度，其输 h 提供给e c u 作为把空气 燃料比控制在最佳值f 理论值1 附近的基准信号。 这三种传感器反馈给e c u 的信号都主要用于对燃料喷射的控制。当前，对 燃料喷射进行有效控制已经成为汽车电子控制的重要组成部分。针对由汽车造 成的严重污染以及资源匾乏带来油价攀升等问题，要生产出污染轻、耗油少 的汽车，首先要解决的就是燃料喷射的控制问题。减少废气排放，需要控制空 气燃料比在一个接近理论空燃比的很小范围内，这样燃烧后废气中的柏害成分 就可以在三元健化剂中转换为无污染气体。恕减少废气排放还可以通过控制燃 就可以在三元催化剖中转换为无污染气体。而减少废气排放还可以通过控制燃 料喷射时间、维持时间以及空燃比范围等方法实现。总之，为了满足能源和环 保的要求，必须保证上述传感器良好的工作状况，使它们能快速响应工况的改 变，使e c u 讴确控制发动机喷油量，以达到节省汽油和控制排放的目的。 但是，由于传感器构造等原因导致动态非线性及动态响应慢等问题，给整 体的燃料喷射控制带来了不便，所以我们需要建立传感器模型；并对传感器进 行校f ，以提高响应速度，改善动态性能，达到控制要求。 热膜线式空气质量流量传感器采用热耗散原理，将一个热膜线式敏感元件 安放在空气入口，在辅助热元件的温度补偿作用下，检测空气质量流量。由于 构造的关系，该传感器存在动态非线性问题，需要研究其非线性特性，对其建 立非线性模型。其中热膜式空气质量流量传感器内部为膜片结构，受气流冲击 面积大：而热线式空气质量流量传感器内部为金属线。因此，两个传感器动态 特性不同，非线性模型也不同。 进气歧管绝对压力传感器输入输出基本为线性关系，所以使用线性模型对 该传感器建模。该传感器采用半导体应变片感应歧管中气压，再通过电桥输出 检测结果。其应变片灵敏度高，外界的干扰对其影响较大，且响应时问短，对 实验设备要求较高。 废气氧传感器实际上为一种氧浓差电池，传感器内外侧电极分别感应不同 的气体，由于气体中氧含量不同，因而在传感器电极上产生压差。即传感器的 输出电压反映了两侧气体氧含量的差值。其中，当量型氧传感器只在空燃比为 当量比的一小段范围输出电压产生变化，而在其他空燃比下输出为恒定值，这 显然是开关型非线性特性的表现。为了得到传感器的动态模型，需要对传感器 进行动态非线性建模。同时，氧传感器动态响应速度慢，跟不上气缸冲程运动， 可通过动态补偿改善。 总之，上述三种传感器动态特性各异，它们表现出的不同程度非线性问题， 影响了其动态测量精度，阻碍了其动态性能的进一步提高。为了消除非线性干 扰，改善动态性能，首先需要得到传感器的模型。 1 _ 2 国内外研究现状 使用线性的动态模型和校正方法无法解决上述传感器动态非线性问题。为 此，国内外专家开始研究传感器的动态非线性问题，目前主要集中在传感器的 动态非线性建模上。有以下几种模型：( 1 ) v 0 1 t c 玎a 级数。这种模型一般物理意 义清晰，但系数较多，尤其是v o l t e r r a 级数高阶核非常复杂，还需要构造特殊要 求的输入信号，不易辨识。( 2 ) 神经网络模型。神经网络函数为非线性，但其实 时性差，计算量大，对传感器输入信号有要求。同时，模型存在收敛问题。( 3 ) 块 联模型，典型的有w i e n e r 和h 锄m e r s t e i n 模型。此类模型结构简单，非线性和 线性分开识别，大大降低识别复杂度。同时，也便于非线性校正。 针对各种不同的传感器，国内外专家使用各种方法进行动态特性的研究。 如：b u e h l e r 等提出以综合信息方法分析和控制热膜线式空气质量流量传感器， 以节流阀位置传感器和发动机速度传感器的信息，来预测空气质量流量传感器 的输出，并将预测值与实测的空气质量流量传感器输出进行比较，调整模型参 数，得到空气质量流量传感器在不同进气量下的特性，以控制进气量 “。m r a d 等提出用时变自回归滑动平均( t i m e v a r y i n ga u t or e g r e s s i v em o v i n ga v e r a g e w i me x o g e n o u si n p u t s ，缩写为r r a r m a x ) 模型描述空气质量流量传感器的动态非 线性特性，预测传感器的响应口。还有提出使用非线性自回归滑动平均模型 ( n a r m a ) 描述氧传感器的动态非线性，使用输入和输出变量的相关函数确定模 型的阶数。国外学者w 矾d e m a rm i n k i n a 认为温度传感器在测量大范围温度变化 的情况下，需要建立动态非线性模型。他根据阶跃响应，建立了热电偶的动态 非线性模型【4 】。vb r a u n e 设计了g o l a y 序列，在时域用互相关分析法辨识具有 弱二次、三次非线性畸变的线性时变系统模型1 5 】。m w e i s s 等研究非线性级联 模型的辨识问题，使用多频率正弦信号去测量v 0 1 t e 付a 核1 6 j 。s b e l i l l g 等用前馈 神经元网络去描述气体传感器的动态非线性现象1 7 】。a n t o n i op a r d o 等提出基于 神经元网络的非线性逆动态系统，去解决气敏传感器系统的动态非线性问题【。 b o m o l d o v a n u 等研究了饱和式磁力仪测量电路的动态非线性特性，进行了计 算机仿真 9 】。t o s h i h a r u 等提出使用遗传算法和进化算法识别w i e n e r 模型，把静 态非线性部分的反函数使用遗传算法和进化算法由个分段线性函数近似，而 线性动态部分我们使用最小二乘法逼近i 】o j 。p h i l i p p e 和j o h a i l 提出采用随机相位 正弦激励输入对于w i e n e r h 嘲呲r s t e i n 模型( 两边是动态线性系统中间是静态 非线性系统) 初始值的识别。这种模型的识别需要先识别非线性部分，识别非线 性部分需要有良好的初始值可以快速的收敛到全局最小j 。j s c h o u k e n s 等提出 了一种快速识别非线性系统的方法，使用种包括了w i e n e r 模型、h m m e r s t e i n 模型、线性模型和w i e n c r h a m m e r s t e m 模型的非线性结构，使用经典线性识 别方法做最佳线性估计；然后，使用最小二乘识别非线性部分【l 2 1 。 国内哈尔滨工业大学分别在时域和频域分析了加速度传感器的动态非线性 特性。北京航空航天大学研究了非线性模型参数的估计方法。清华大学研究了 磁场传感器的瞬态过程，建立了基于等效电路方法的非线性模型i l3 1 。台湾某大 学用色散函数预测呈现在非线性自回归滑动平均模型州a r m a ) 中的非线性延 迟单元【l4 1 。合肥工业大学分别在时域和频域研究了机器人多维腕力传感器的动 态非线性特性，提出用神经元网络方法校正动态非线性。殷铭提出用神经网络 逆系统来校正传感器动态非线性。逆系统由一个动态微分器和一个b p ( b a c k p r o p a g a t i o n ，反向传播) 网络的串联。用微分器来提高传感器的速度，用b p 网 来校正非线性 1 ”。但是，这种方法训练出来的非线性网络不一定适用于另一种 非线性，同时训练时间长，实时性不能保证。朱志能提出使用改进的双对角化 最小二乘算法以及基于f l 蚴网络的算法进行非线性建模，并把这种建模方法 运用于机器人腕力传感器上，效果良好f i “。同时，他还提出一种非线性的补偿 方法，把系统看出一个w i e n e r 系统，对系统进行线性和非线性分离，先进行非 线性校一，再把系统看出线性，进行线性校正。贾林提出采用h a m m e r s t e i n 模 型描述传感器动态非线性环节，并提出步辨识法，使用多项式来逼近非线性 静态环节，用二阶差分方程描述动态线性环节。基于输入输出的离散数据实现 最小二乘法或神经网络方法辨识，辨识后参数一次性分离为静态非线性环节系 数和动态线性系数旧。陔方法计算简单，实时性较好。王肖芬用函数级数v o l t e r r a 级数描述非线性，根据块联模型的特点提出采用多幅值输入的方法进行非线性 建模，分离出v 0 1 t e r r a 级数的各次核函数，分离出来的各次输出就可辨识模型的 线性传递函数和非线性部分的参数【l ”。该辨识方法出一般的实验条件就可实现， 计算也比较简单，对于信号输入无特别要求，该方法大大降低实验成本，实时 性也比较好。 动态非线性问题是传感器动态特性研究中的关键问题，也是最难的问题。 传感器动态非线性研究包括：传感器动态非线性特性的判断，传感器动态非线 性特性的时、频域建模以及传感器动态非线性校正。目前，国内外在传感器动 态特性研究主要针对动态非线性建模方面，在尝试各种建模方法时，也发现了 一些各建模方法存在不同程度的问题。如：国外学者提出的基于神经元网络的 动态非线性校正方法，实时性很差。因采用的是b p 神经元网络，计算量大，只 能适用于响应速度很慢的传感器，而且对传感器的输入信号有要求，从而使这 种方法应用范围很局限。而国内提出的基于函数连接型神经元网络的动态非线 性校正方法，只能应用于特定形式或特定幅值的输入信号。由于非线性系统不 满足齐次性和叠加性，这种方法不适用于不同幅值和不同形式的动态响应，应 用范围也很局限。 1 3 课题来源及主要研究内容 本研究工作主要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 ) 。传感器动态非线性建模是 动态非线性研究的前提和核心问题。本论文针对汽车发动机相关的传感器，研 究传感器动态非线性动态建模方法，不仅进行方法的仿真，还通过动态实验验 证模型的正确性。本论文的主要工作有： ( 1 ) 在原有工作基础上，研究了动态非线性判别方法，分析了基于v 0 1 t e r r a 级数的非线性建模方法，探讨了神经网络函数识别非线性系统的方法，研究和 发展了使用块联模型对非线性系统建模，提出采用多幅值输入的方法进行系统 辨识。 ( 2 ) 在基于理论研究和实验数据分析的基础上，提出了几种汽车传感器的建 模方案：对于进气歧管绝对压力传感器动态为线性特性，采用线性自回归方法 建模；而对热膜线式空气质量流量传感器在非线性特性，采用动态非线性方法 建模。 ( 3 ) 对提出的模型进行了系统仿真，并运用于实际数据。对三种汽车传感器 进行动态实验，并对所得数据建模，得到良好的效果。 第二章空气质量流量传感器建模 2 1 空气流量传感器结构和工作原理 空气流量传感器是用来检测发动机迸气量大小的传感器。它将进气量大小 转换为电信号，然后送给e c u ( 电子控制单元) ，以供e c u 计算喷油量和点火时 间。如果空气流量传感器出现故障，e c u 得不到正确的进气量信号，就不能正 常地进行喷油量的控制，将造成混合气过浓或过稀，使发动机运转不正常，排 放超标。 用在电喷系统上的空气流量传感器有多种类型，目前常见的可以分为体积 流量型和质量流量型两类。其中，体积流量型传感器又包含叶片式、量心式和 卡尔曼涡旋式；质量流量型传感器则包括热线式和热膜式两种。质量流量型传 感器工作性能比较好，但是，成本相对高一些。在奔驰轿车以及桑塔纳2 0 0 0 g s i 型轿车、捷达g t 、g t x 型轿车等都采用了热膜式空气质量流量传感器 1 。下 面介绍各种空气流量传感器的结构和工作原理。 2 1 1 叶片式与量心式空气流量传感器结构及工作原理 最初的电子燃油喷射控制系统采用的是模拟电路，所以那时采用的是输出 为模拟信号的叶片式空气流量传感器。后来，随着e c u 用于控制燃油喷射，才 出现了其它几种空气流量传感器。 叶片式空气流量传感器由空气流量计和电位计两部分组成。空气流量计在 进气通道内安有一个可绕轴旋转的叶片( 测量片) ，作用在轴上的卷簧可使测量片 关闭进气通路1 2 。发动机工作时，进气气流经过空气流量计推动测量片偏转， 使其开启。测量片开启角度的大小取决于进气气流对测量片的推力与测量片轴 上卷簧弹力的平衡状况。进气量的大小由节气门来改变。进气量愈大，气流对 测量片的推力愈大，测量片的开启角度也就愈大。在测量片轴上连着一个电位 计，电位计的滑动臂与测量片同轴同步转动，把测量片开启角度的变化转换为 电阻值的变化。e c u 根据电位计电阻的变化量，测得发动机的进气量。流量传 感器内还有一个进气温度传感器，用于测量进气温度，为进气量作温度补偿。 这种空气流量计的结构简单，可靠性高：但是，进气阻力大，响应较慢且体积 较大。 传统的波许l 型汽油喷射系统及一些中档车型采用这种叶片式空气流量传 感器，如丰田c a m r y ( 佳美) 小轿车、丰田p r e v i a ( 大霸王) 小客车、马自达m p v 多用途汽车等。 量心式空气质量流量传感器由叶片式空气质量流量传感器改进而成，它工 作原理与叶片式相同，只是量心式的测量部件由一个椭球形的量心代替了叶片。 6 量心随气流在气道内滑动时，电位计上就可以得到相应的电阻变化量。浚传感 器比叶片式进气阻力小、计量精度高，应用在马自达9 2 9 型轿车上。 2 1 2 卡尔曼涡旋式空气流量传感器结构和工作原理 、卡尔曼涡旋式空气流量传感器是根据卡尔曼涡流理论制成的1 2 “。在传感器 进气管道正中间设有一流线形或三角形的涡流发生器，当空气流经该涡流发生 器时，在其后部的气流中会不断产生一列不对称却十分规则的空气旋涡，即卡 尔曼涡流。该旋涡列沿气流流动方向移动，且移动的速度与空气流速成f 比， 即在单位时问内通过涡流发生器后方某点的旋涡数量与空气流速成正比。因此， 通过测量单位时间内旋涡的数量就可计算出空气流速和流量。 汽车上的卡尔曼涡旋式空气流量传感器测量单位时间内旋涡数量的方法有 反光镜测量法和超声波测量法。 反光镜式卡尔曼涡旋流量传感器内有一只发光二极管和一只光敏三极管。 工作时，发光二极管发出的光束被一片反光镜反射到光敏三极管上，使光敏三 极管导通。反光镜安装在一个很薄的金属簧片上，该金属簧片在进气气流旋涡 的压力作用下产生振动，其振动频率与单位产生旋涡的数量相同。由于反光镜 随簧片一同振动，因此被反射的光束也以相同的频率变化，致使光敏三极管也 随光束以同样的频率导通、截止。e c u 根据光敏三极管导通、截止的频率即可 计算出进气量。 超声波式卡尔曼涡旋式空气流量传感器的后半部的两侧有一个超声波发射 器和一个超声波接收器。在发动机运转时，超声波发射器不断地向超声波接收 器发出一定频率的超声波。由于受气流中旋涡的影响，发出的超声波相位发生 变化。e c u 根据接收器测出的相应变化的频率，计算出旋涡的频率，从而求得 空气流速和流量，然后根据该信号确定基准空气量和基准点火提前角。 2 1 3 热线式与热膜式空气流量传感器结构和工作原理 热线式空气流量传感器出感知空气流量的铂金属线、根据进气温度进行修 正的温度补偿电阻、控制热线电流并产生输出信号的控制线路板以及空气流量 传感器的壳体等组成。根据铂金热线在壳体内的安装部位不同，热线式空气流 量传感器分为主流测量、旁通测量方式两种结构形式。主流测量方式热线式空 气流量传感器的内部结构如图2 1 所示：它两端有金属防护网，取样管置于主 空气通道中央，取样管由两个塑料护套和一个热线支承环构成。安装在取样管 中的是一根直径为7 0 。的铂金丝，其阻值随温度变化。其外部的控制线路板上 有六端子插座与发动机e c u 相连，用于输出信号。旁通测量式热线空气流量传 感器内部结构如图2 2 所示，它与主流测量式的主要区别是，它把铂金热线和 补偿电阻安装在旁通空气道上。热线和温度补偿电阻用铂线缠绕在陶瓷螺旋管 上。 1 图2 1 热线式空气流量传感器 ( 主流测量方式) 1 防护网2 取样管 3 自金热4 温度补偿电阻 流 图2 2 热线式空气流量传感器 ( 旁通测量方式) 1 热线和冷线2 陶瓷螺旋管 3 控制同路4 冷线5 热线 5 控制线路板6 电电连接器6 旁通空气道7 主通道8 进入节气门 热膜式空气质量流量的结构如图2 3 所示，其中，a ) 为结构图，b ) 为剖视图。 它是热线式空气质量流量传感器的改进产品。其结构与热线式基本相同，只是 它的发热体采用热膜代替了热线，热膜由发热金属铂固定在薄的树腊膜上制成。 这种结构使发热体不直接承受空气流动时的冲力，增加了发热体的强度，提高 了传感器的可靠性，延长了传感器的寿命。输入信号为零时，该传感器的输出 电压信号为1 v ，输出电压范围为1 4 v 。 a b ) 图2 3 热膜式空气质量流量传感器 1 控制电路2 通往进气口3 热膜4 上流温度传感器5 金属网 热线式和热膜式空气质量流量传感器的响应速度快，能在几毫秒内反映出 空气流量的变化，所以它的测量精度不会受进气气流的影响。 热线式和热膜式空气质量流量传感器的工作原理相同，如图2 4 所示。在 进气管上放置一热线( 膜) 如，当空气流经热线( 膜) 时，热线( 膜) 的热量被空气带 走，使其冷却。热线( 膜) 周围流过的空气质量越大被空气带走的热量越多。热 线( 膜) 式空气质量流量传感器就是利用热线( 膜) 与空气之间的热传递现象，进行 空气质量流量测定的。铂金丝由控制电路提供的电流加热到1 2 0 左右，为了解 决进气温度变化使热线( 膜) 温度发生变化而影响进气量的测量精度，所以要在热 线( 膜) 附近安装一根温度补偿电阻。该电阻被安置在进气口一侧，所以又称之为 冷线，它的电阻也随进气温度变化而变化。当传感器工作时，控制电路向冷线 提供的电流使冷线温度始终保持低于热线( 膜) 温度1 0 0 。这样冷线温度起到参 考标准作用，使进气温度的变化不会影响热线( 膜) 测量进气量的精度。 图2 _ 4 热线f 膜试空气质量流量传感器的恒温差控制电路 当空气质量增大时，由于空气带走的热量增多，为保持热线( 膜) 温度，集成 电路a 应使热线( 膜) 月。通过的电流增大，反之，则应减少。这样，就使得通过 热线( 膜、月。的电流成为空气质量流量的单一函数，即通过热线( 膜) r 。的电流随 空气质量流量的增大而增大，随空气质量的减少而减少。热线( 膜) 电流，。在5 0 1 2 0 m a 之间变化，大小取决于空气质量流量。热线( 膜) 凡为惠斯登电桥的一个 臂，而安装在热线( 膜) 支承坏前端的塑料护套内的铂金薄膜电阻器，是惠斯顿电 桥电路的另一个臂，其阻值随进气温度变化，称为温度补偿电阻m ，为了减少 电能的消耗，它的阻值较高，提高的电流仅有几毫安。补偿电阻吼用于测量进 气温度。热线( 膜) 支承环后端的塑料护套上粘结着一只精密电阻尺。，该电阻能 用激光修整，也是惠斯顿电桥的一个臂，其电压降即为热线( 膜) 式空气流量传感 器的输出信号电压。惠斯顿电桥还有一个臂的电阻月。安装在控制线路板上。流 量信号经热线( 膜) 转变为电信号，电桥的测量电路则将热线( 膜) 电阻值的相对变 化量转换为电桥的不平衡电压输出，送到电桥放大器的两输入端，再经过温度 补偿、滤波、增益调节，不平衡电压最终转换为o 2 0 0 m v 标准数显电压输出。 o 2 0 0 m v 电压经最后一级放大，可得到0 3 v 标准电压。 热线( 膜) 式空气质量流量传感器还有自洁功能，当发动机熄火时，电路会把 热线自动加热到1 0 0 0 ，以清洁传感器。 2 1 4 热线式与热膜式空气流量物理模型 由物理原理分析空气质量流量传感器的输入输出之间的关系： 热线( 膜) 的耗散q 等于电流产生的热量q ，即： q = q 由q = ，：r 。 根据克英公式：蜴= ( 4 + 曰v ) ( 巧一0 ) 所以有：，：心= ( 4 + b i ) ( l 一弓) 在热平衡时， ( 2 1 ) ( 2 2 1 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 其中， ，。、如和巧为热线( 膜) 的电流、电阻和温度，v 、巧和r 为流 体的平均速度、温度和阻值，一、b 为常数。 令r 。，r ，分别为温度为巧和0 下，热线( 膜) 电阻的阻值 的关系： r 。= r ， 1 + ( 一弓) 它们满足下面 其中，是热线( 膜) 材料在时的电阻温度系数，从上式得到： ( 巧_ ) 2 等 把式2 6 带入式2 5 ，得到： 糌叫椰， ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) 其中，口包含在常数a 、b 内。式中，v 是垂直于热线( 膜) 的轴线方向的流 体速度。 传感器工作时，热线( 膜) 的温度巧保持不变，所以热线( 膜) 阻值