寬域廢氣氧傳感器的控制方法研究

閔 兵 劉 杰 黃云志

(合肥工業大學電氣與自動化工程學院)

寬域廢氣氧傳感器的控制方法研究

閔 兵 劉 杰 黃云志

(合肥工業大學電氣與自動化工程學院)

寬域廢氣氧傳感器在汽車發動機空燃比控制系統中應用廣泛，它對工作溫度有嚴格要求，可通過控制泵電流實現空燃比測量。筆者研究溫度和泵電流控制方法。將冷啟動和PI控制方法相結合，縮短了傳感器冷啟動時間并提高了溫度控制精度；針對泵電流模型參數的不確定性，研究了基于H∞回路成形的魯棒PID參數整定方法。仿真實驗結果表明：寬域廢氣氧傳感器冷啟動速度快，溫度控制精度較高；泵電流控制調節時間短，穩態精度高。

寬域廢氣氧傳感器 溫度控制 泵電流 PID 冷啟動

隨著空氣污染和能源緊缺問題的加劇，各國頒布的汽車排放標準越來越嚴格，這對汽車發動機空燃比控制提出了較高的要求。寬域廢氣氧(Universal Exhaust Gas Oxygen，UEGO)傳感器與傳統的開關型氧傳感器相比具有空燃比測量范圍寬、精度高的優點，在汽車發動機空燃比控制系統中應用廣泛。但是，UEGO傳感器對工作溫度有嚴格要求，并且通過控制泵電流實現空燃比的測量時，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用價值。

國外UEGO控制器研究起步較早并已有成熟的產品。Poggio L等研究了UEGO控制器的硬件系統和控制方法，設計PID控制器控制泵電流，但是沒有給出具體的控制算法[1]。Bolz S和Lugert G設計了UEGO控制器接口集成電路，通過檢測氧濃差電池內阻進行溫度控制，泵電流控制采用模擬PID控制，無法通過調整PID參數提高泵電流控制效果[2]。劉瑞祥等采用模擬電路設計了UEGO控制器，模擬PID電路控制泵電流造成參數調整不便，其溫度控制沒有形成閉環[3]。盧繼飛采用專用接口芯片CJ125設計了UEGO控制器，溫度控制時冷啟動時間較長，CJ125內部采用模擬電路實現泵電流控制[4]。合肥工業大學DSP實驗室研制了基于dSPACE平臺的UEGO控制器系統，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題，但是傳感器的冷啟動加熱時間較長[5,6]。

筆者基于系統辨識的實驗建模方法建立溫度和泵電流數學模型。針對溫度對象的非線性和UEGO傳感器的快速冷啟動要求，采用了冷啟動控制和PI控制相結合的溫度控制方法。針對泵電流模型參數的不確定性，研究基于H∞回路成形的魯棒PID參數整定方法。

1 UEGO傳感器的結構和工作原理

筆者選用目前國內汽車市場廣泛使用的德國Bosch公司的LSU4.9型UEGO傳感器(以下簡稱LSU4.9)作為研究對象，其結構示意圖如圖1所示，主要由擴散障、泵電池、氧濃差電池、虛擬參考氣體室及內置加熱器等組成。LSU4.9采用了固定20μA的參考泵電流用于維持虛擬參考氣體室內有充足的氧氣作為氧濃差電池的參比氣體。LSU4.9工作時需要維持固定的工作溫度780℃，UEGO傳感器擁有雙電池結構(即氧濃差電池和泵電池)，基于氧濃差電勢原理和極限電流原理工作。當傳感器溫度滿足要求時，通過控制泵電池上的泵電流，使擴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為450mV。當泵電流控制穩定時，泵電池的泵氧運動和擴散室的氣體擴散運動均處于動態平衡，此時的泵電流稱為極限電流。通過檢測極限電流可以計算廢氣中的氧含量或者還原性氣體的含量，從而反映發動機空燃比的大小。

圖1 Bosch LSU4.9型UEGO傳感器結構示意圖

2 溫度控制

2.1 溫度對象建模

通過檢測UEGO傳感器的氧濃差電池內阻間接測量傳感器的溫度，氧濃差電池內阻具有負溫度系數熱敏電阻特性，而且和傳感器溫度之間成非線性關系。當LSU4.9的溫度在780±10℃范圍內時，傳感器的工作性能達到最佳。LSU4.9在780℃時對應的氧濃差電池內阻為300Ω。由于UEGO傳感器的溫度受到汽車廢氣溫度波動的影響較大，所以對溫度控制的穩態性能要求較高。當UEGO傳感器處于冷啟動狀態時，發動機空燃比不能進行閉環控制導致汽車廢氣排污較大，溫度控制時要盡可能縮短冷啟動時間。但是直接采用大功率加熱縮短冷啟動時間會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，需要對溫度對象建模。筆者采用的是基于系統辨識的實驗建模方法，在工作溫度780℃附近小范圍內進行開環動態實驗獲取建模輸入輸出數據，將非線性被控對象近似成線性被控對象。改變加熱驅動電路的占空比產生階躍輸入信號，通過記錄PWM占空比的階躍數據和氧濃差電池內阻的響應數據，將兩者分別作為溫度被控對象的輸入輸出數據，采用基于OE模型預報誤差的系統辨識方法進行建模，實際建立的數學模型為：

(1)

2.2 溫度控制方法

由于UEGO傳感器有冷啟動時間，采用單一的PID控制方法時，控制時間較長而且很容易造成積分飽和。因此，筆者采用冷啟動控制和PI控制相結合的溫度控制方法，傳感器先通過冷啟動控制使傳感器快速升溫到工作溫度，當溫度達到780℃附近時切換到PI控制，以提高穩態控制精度。

2.2.1 冷啟動控制

UEGO控制器開啟工作后，溫度控制算法首先采用的是冷啟動控制。冷啟動控制初始加熱占空比為0.5，加熱電壓不超過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LSU4.9規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力的前提下，以最快的加熱方式進行加熱，縮短了冷啟動時間。當氧濃差電池內阻小于400Ω時，切換到PI控制方式來提高穩態控制精度。

2.2.2 PI控制

在工作溫度附近，采用PI控制，具體表達式為：

(2)

KI1=KP1TS1TI1-1

式中KP1——比例系數；

TI1——積分時間；

TS1——溫度控制周期，此處取值10ms；

u0——溫度偏差為零時的控制量。

UEGO傳感器的溫度設定值為傳感器在780℃時對應的氧濃差電池內阻(即300Ω)，偏差e1(k)等于氧濃差電池內阻測量值減去溫度設定值。

3 泵電流控制

3.1 泵電流對象建模

泵電流控制是根據反饋的氧濃差電勢大小，驅動泵電池上的泵電流使氧濃差電勢維持在450mV，穩定后通過檢測泵電流計算發動機空燃比的大小。將LSU4.9的溫度控制在780℃，在氧濃差電勢為450mV附近通過階躍改變泵電池兩端的泵電壓，根據階躍變化的泵電壓和氧濃差電勢響應數據，采用基于OE模型的預報誤差方法進行泵電流模型辨識。為了獲取不同工況時的泵電流數學模型，在混合氣配氣實驗平臺上通過配比不同λ值的混合氣體，重復進行泵電流開環動態實驗。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學模型分別如下：

(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程，FOLPD模型的開環增益K略微減小，慣性時間常數T增大趨勢比較明顯。泵電流對象建模結果表明，在不同λ值工況下的泵電流模型參數存在不確定性。由于UEGO傳感器安裝在汽車排氣管上，處于強振動和復雜電磁干擾環境當中，泵電流的控制易受噪聲干擾的影響。所以，泵電流控制的目標是在保證魯棒性和抗干擾的前提下，提高泵電流控制的穩態和動態性能。

3.2 泵電流控制方法

由于泵電流模型參數具有不確定性且傳感器工作環境的干擾較強，筆者采用基于H∞回路成形的魯棒PID參數整定方法[7]。通過對泵電流對象模型進行回路成形可以增強系統的抗干擾能力，同時還可以保證系統具有較好的響應速度，回路成形后通過設計H∞控制器可以抑制泵電流模型參數攝動對系統的影響。基于H∞回路成形所設計的控制器可以轉化為常見的控制器結構:

(8)

式(8)為不完全微分的PID控制器，在實際UEGO控制器上實現起來比較方便。

針對具有FOLPD模型結構的典型的工業被控對象，基于H∞回路成形的魯棒PID控制器的控制參數分別為[8]：

(9)

(10)

(11)

(12)

為了保證泵電流控制的魯棒性，將參數α限制在小于6.19的魯棒范圍內，通過最優PID參數整定方法進行參數尋優，從而提高泵電流控制的動態性能。選擇以時間乘絕對誤差的積分(ITAE)準則作為目標函數，利用逐次二次規劃(SQP)尋優算法在[0 6.19]魯棒范圍內對參數α進行尋優。選擇λ=1.4時所建立的泵電流模型，參數α尋優結果為0.136，對應的魯棒性能指標大于0.2，表明控制器的魯棒性較好。將α=0.136和泵電流模型參數代入式(9)～(12)，可以得到不完全微分的PID參數分別為：KP2=1.52、TI2=0.16、TD2=0.0048、Tf=0.006。在編程實現時，需要將模擬不完全微分PID控制器數字化，即：

u2(k)=αu2(k-1)+(1-α)u3(k)

(13)

4 實驗與仿真

4.1 溫度控制實驗

溫度控制實驗時，將LSU4.9懸空放置在空氣環境中，室溫10℃左右。由內模法整定的溫度控制PI參數[9]分別為：KP1=0.0064，TI1=9.72。實際溫度控制效果如圖2所示，溫度控制冷啟動時間小于30s，氧濃差電池內阻穩態控制誤差在±1Ω以內，表明溫度控制冷啟動時間較短，穩態控制精度高，滿足UEGO傳感器溫度控制的實際要求。

圖2 溫度控制效果

4.2 泵電流控制仿真

選擇λ值為1.4時建立的泵電流數學模型，基于Matlab進行泵電流控制方法仿真。首先，將傳統PID參數整定方法Ziegler-Nichols(Z-N)法、Cohen-Coon(C-C)法與筆者提出的參數整定方法進行比較，結果如圖3所示，筆者提出的PID參數整定方法較傳統方法具有調節時間短、超調量小的優點；然后，在泵電流控制穩態時，加入正負階躍干擾后的結果如圖4所示，可以看出傳統PID參數整定方法階躍干擾響應過程振蕩較大，而筆者所提方法的階躍干擾響應過程快速且平滑。

圖3 泵電流控制仿真對比

圖4 穩態階躍干擾仿真對比

4.3 泵電流控制實驗

在空氣環境中，UEGO傳感器保持在780℃，基于H∞回路成形的魯棒PID參數整定方法的泵電流控制效果如圖5所示。可以看出，泵電流控制調節時間小于350ms，調節時間較短；穩態誤差小于0.1mV，穩態精度高。

圖5 泵電流控制實驗效果

5 結束語

筆者主要研究了UEGO傳感器的溫度和泵電流控制方法。通過開環動態實驗，采用基于OE模型預報誤差的系統辨識方法建立了溫度和泵電流對象的數學模型。采用冷啟動控制和PI控制相結合的溫度控制方法，縮短了UEGO傳感器冷啟動時間并提高了穩態控制精度。研究了基于H∞回路成形的魯棒PID參數整定方法，以ITAE作為目標函數，在H∞控制魯棒范圍內進行參數尋優，提高了泵電流控制的魯棒性和動態性能。仿真實驗結果表明：溫度控制穩態精度高，室溫環境下冷啟動時間小于30s；泵電流控制具有調節時間較短、穩態精度高的優點。

[1] Poggio L，Secco M，Ceccarini D,et al.Control Method for an Oxygen Linear Sensor[P].US:Patent 6223735B1,2001-05-01.

[2] Bolz S,Lugert G.A Novel Interface for Linear Oxygen Sensors[C].Automotive & Transportation Technology Congress & Exhibition Proceedings.Barcelona:SAE,2001:373～380.

[3] 劉瑞祥,高希彥,楊德勝.寬范圍氧傳感器控制器設計及在柴油機EGR系統中的應用[J].儀表技術與傳感器,2004,(2):7～8.

[4] 盧繼飛.發動機空燃比測量儀的研究[D].長春:吉林大學,2014.

[5] 張媛媛,徐科軍,黃云志,等.寬域廢氣氧傳感器控制器的研究與實驗[J].電子測量與儀器學報,2010,24(11):1060～1066.

[6] 陳佳臻.寬帶廢氣氧傳感器控制器研制[D].合肥:合肥工業大學,2010.

[7] 劉國華.魯棒PID控制器的研究[D].上海:東華大學,2006.

[8] 楊智,朱海鋒,黃以華.PID控制器設計與參數整定方法綜述[J].化工自動化及儀表,2005,32(5):1～7.

[9] 鄭泳凌,馬龍華,錢積新.魯棒PID控制器參數整定方法[J].化工自動化及儀表,2001,28(5):14～17.

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技術與應用的研究。

聯系人黃云志(1976-)，教授，從事傳感器技術、數字信號處理等領域的研究，hqyz@hfut.edu.cn。