CN102855344A - 一种仿真实现宽域氧传感器算法验证及参数优化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿真实现宽域氧传感器算法验证及参数优化的方法，它在仿真软件中对宽域氧传感器工作在稀混合气环境下时的泵氧电流Ip和能斯特电压Vs进行控制策略仿真，以PI闭环控制策略来实现宽域氧传感器算法验证、参数优化，大幅提高产品开发效率，它包括下述步骤：在稀混合气环境下，构建宽域氧传感器电流和电压控制模型；对宽域氧传感器电流和电压控制模型进行参数识别；确定控制策略为PI闭环控制；启动仿真系统，构建仿真模型，参数设置；仿真分析；算法验证、参数优化，根据比例积分控制模型，调节比例和积分系数，不断地调试迭代。

Description

一种仿真实现宽域氧传感器算法验证及参数优化的方法

技术领域

本发明涉及发动机控制系统，尤其涉及一种通过仿真实现发动机控制系统中宽域氧传感器的控制算法验证及其参数优化的方法。

背景技术

在发动机控制系统中，由于开关型氧传感器产生的电压信号和混合气的含氧量成严重的非线性关系，所以ECU不能对空燃比进行非常精确的控制，而只能采样其中间平均值来控制调节下一循环工况的喷油脉宽，这就导致了实际混合气一直在浓和稀之间来回波动，降低了空燃比的控制精度。与开关型氧传感器相比，宽域氧传感器能够产生一个和实际混合气空燃比成线性变化的信号给ECU，可以实现对整个浓燃烧和稀薄燃烧范围的空燃比控制。宽域氧传感器相对于传统开关型氧传感器的结构组成，工作原理都更为复杂，且其中的温度和泵氧电流控制回路的驱动控制电路之间还存在一定的耦合干扰，这就使宽域氧传感器的控制优化更加困难。因此，在前期需要对其制定控制策略，还应对控制策略的算法进行验证、参数优化，然而由于宽域氧传感器的理论模型非常复杂，计算非常困难。在现有技术中是通过一个控制器来调整氧传感器的输出，使发动机在过渡工况时实现闭环控制。但是这样的技术方案不能用于对控制策略的参数定值优化。比如公开日为 2008年09月10日、公开号为CN101566107的专利文献公开的一种车用气体燃料发动机的宽域氧传感器控制器，它由电源模块(3)、加热模块(4)和由信号放大模块(5)、信号判断模块(6)、反馈控制模块(7)、输出放大模块(8)组成的控制模块连成，控制器接受氧传感器反馈电压(VS)，通过反馈控制模块产生V2，经放大输出VOUT，通过判断空燃比是否为1，并使空燃比为1的两侧有不同方向的电压信号，产生不同方向的泵电流(IP)，宽域氧传感器的信号在经过后端处理器以后在0～5V的范围内变化，输出信号与空燃比呈较为理想的线性关系。该技术方案同样不能用于控制策略的算法验证和参数优化。

发明内容

本发明主要目的在于提供一种通过仿真实现宽域氧传感器算法验证及参数优化的方法，它在仿真软件中对宽域氧传感器工作在稀混合气环境下时的泵氧电流Ip和能斯特电压Vs进行控制策略仿真，以PI闭环控制策略来实现宽域氧传感器算法验证、参数优化，大幅提高产品开发效率。

本发明针对现有技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的，一种仿真实现宽域氧传感器算法验证及参数优化的方法，包括下述步骤：

（1）     在稀混合气环境下，构建宽域氧传感器电流和电压控制模型；

（2）     对宽域氧传感器电流和电压控制模型进行参数识别；

（3）     确定控制策略为PI闭环控制；

（4）     启动仿真系统，构建仿真模型，参数设置； 

（5）     仿真分析；

（6）     算法验证、参数优化，根据比例积分控制模型，调节比例和积分系数，不断地调试迭代，调试时保持实际混合气的过量空气系统稳定在目标空燃比附近。

将宽域氧传感器设定在稀混合气环境下工作，首先根据宽域氧传感器工作原理创建电流-电压控制模型，通过测量估算对宽域氧传感器电流和电压控制模型进行参数识别；构建电流-电压控制仿真模型，设置相应的时间、步长等等仿真参数，之后进行仿真结果分析等操作；对泵氧电流（Ip）和能斯特电压（Vs）的控制模型进行P（比例）I（积分）闭环控制策略仿真，实现宽域氧传感器在仿真环境的算法验证、参数优化。在参数优化时，根据比例积分控制算法模型，调节比例和积分系数，不断地调试迭代，从而对控制算法进行验证并找出优选参数。在调试时尽量保持实际混合气的过量空气系数稳定在目标空燃比。

作为优选，仿真系统是Matlab/Simulink集成软件包。Matlab 是通用计算软件之一，Simulink 是基于 Matlab的图形化仿真平台，是 Matlab提供的进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。

作为优选，宽域氧传感器控制模型是：

                                                 

其中，Vs：能斯特电压；Ip：泵氧电流；Es：能斯特电动势; 、

、

及θ4是待识别参数；

与废气含氧相关的变量；

与参考气体含氧相关的变量。通过仿真估算出控制模型(A)和(B)中的

、

、

及θ4的数值。  

       作为优选，控制策略PI闭环控制是采用一个包含反馈回路的电路来控制泵氧电流Ip以保持能斯特电压Vs恒定。在能斯特电压Vs和泵氧电流Ip的控制回路中，把实时变动的排气氧分压

视作外界扰动输入，观察在此输入下宽域氧传感器（UEGO）系统的响应，PI控制器和UEGO泵氧电池和能斯特电池的主要功能是调节能斯特电压Vs与参考电压Vr之间的偏差，在确保UEGO传感器系统稳定性和响应快速性的前提条件下，调节Vs尽量保持在参考电压附近，以使实际混合气为理论混合比。

        作为优选，泵氧电流Ip的大小和方向由传感器标定电阻上的电压降来确定，进而确定混合气的空燃比。当泵氧电流Ip流过传感器标定电阻时将产生一个电压降，因此标定电阻两端的电压就可以反映泵氧电流Ip的大小和方向，进而能够确定混合气的空燃比，最终由宽域氧传感器控制电路实时线性输出电压来表征瞬时变化的过量空气系数或空燃比。

本发明带来的有益效果是，对设定在稀混合气环境下工作时的宽域氧传感器，进行电流-电压控制模型建立、参数识别；在仿真软件中建立电流-电压控制仿真模型，对泵氧电流Ip和能斯特电压Vs进行控制策略仿真，以PI闭环控制策略来实现宽域氧传感器算法验证、参数优化，大幅提高宽域氧传感器在控制、应用环节的开发效率。

附图说明

图1是本发明的一种基本流程图；

图2是BOSCH LSU4.9 宽域氧传感器内部工作单元结构示意图；

图3是能斯特电压Vs闭环PI控制模型框图；

图4是BOSCH LSU4.9 宽域氧传感器的电流-电压控制仿真模型框图。

图中：1是参考电压，2是泵氧电流PI控制器，3是假定的混合气中的氧浓度变量，4是能斯特电动势Es模型，5是能斯特电压Vs模型。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体说明。

实施例：本发明是一种仿真实现宽域氧传感器算法验证及参数优化的方法。如图1所示，其中宽域氧传感器的型号为BOSCH LSU4.9，基本步骤包括：

步骤101，根据宽域氧传感器的原理，构建宽域氧传感器电流电压控制模型， 

和 

构建；

步骤102，对宽域氧传感器电流和电压控制模型进行参数识别；通过测量、估算确定、

、及θ₄值（可以得到

）；

步骤103，启动Matlab/Simulink仿真系统；

步骤104，构建仿真模型，参数设置，按电流-电压控制模型，构建仿真模型，设置相应的时间、步长等仿真参数，进行仿真分析；

步骤105，算法验证，参数优化，根据比例积分控制算法模型，调节比例和积分系数，不断地调试迭代，从而对控制算法进行验证，找出优选参数，其中调试时尽量保持实际混合气的过量空气系数稳定在目标空燃比。

图2所示为BOSCH LSU4.9 宽域氧传感器内部工作单元结构示意图，主要由泵氧电池、能斯特电池和固定组分的参考气体室组成。在某一给定工况条件下，若混合气过稀，首先抽样气体由扩散通道进入检测室，然后在能斯特电池的作用下产生能斯特电压Vs，该电压与参考电压Vr比较后通过控制器发出泵氧电流Ip调节命令，将多余的氧通过电解质从检测室中泵出来，以调节混合气的含氧量。

图3所示为能斯特电压Vs闭环PI控制模型框图。在能斯特电压Vs和泵氧电流Ip的控制回路中，把实时变动的排气氧分压视作外界扰动输入，观察在此输入下宽域氧传感器系统的响应。图中的PI控制器和宽域氧传感器的泵氧电池、能斯特电池的主要功能是调节能斯特电压Vs与参考电压Vr之间的偏差，在确保宽域氧传感器系统稳定性和响应快速性的前提条件下，调节Vs尽量保持在参考电压0.45V附近，以使实际混合气为理论混合比。

图4所示为BOSCH LSU4.9 宽域氧传感器的电流-电压控制仿真模型框图。能斯特电动势Es模型4表示 

和 

中的Es变化率，假定的混合气中的氧浓度3为模型输入变量。当宽域氧传感器检测到一定含氧量(氧浓度)的混合气后，将产生一定大小的能斯特电压Vs，Vs通过闭环反馈回路反馈到比较环节，并和参考电压1进行比较，两者比较后的偏差项进入泵氧电流闭环PI控制器2，在经过PI调节后输出泵氧电流Ip进入能斯特电动势Es模型4，重新产生新的能斯特电压Vs。

在物理实现上，设定好的参考电压0.45V通过一反馈电阻反馈到泵氧电流控制运算放大器的正向输入端，从而与反向输入端的差值形成泵氧电流控制运算放大电路的差动输入信号。根据差动输入信号的大小和方向，通过PI调节输出泵氧电流信号，该信号再回流至宽域氧传感器，并流经泵氧电池以调节检测室中抽样气体的含氧量与过量空气系数Lambda=1时的含氧量相同。

当泵氧电流Ip流过传感器标定电阻时将产生一个电压降，因此标定电阻两端的电压就反映泵氧电流Ip的大小和方向，进而能够确定混合气的空燃比，最终宽域氧传感器控制电路即能实时线形输出范围在0~5V的信号电压Ua来表征瞬时变化的过量空气系数或空燃比。

所以本发明具有下述特征：将宽域氧传感器设定在稀混合气环境下工作时，进行电流-电压控制模型建立、参数识别；在仿真软件中建立电流-电压控制仿真模型，对泵氧电流Ip和能斯特电压Vs进行控制策略仿真，以PI闭环控制策略来实现宽域氧传感器算法验证、参数优化，大幅提高宽域氧传感器在控制、应用环节的开发效率。

Claims (5)

1.一种仿真实现宽域氧传感器算法验证及参数优化的方法，其特征在于包括下述步骤：

在稀混合气环境下，构建宽域氧传感器电流和电压控制模型；

对宽域氧传感器电流和电压控制模型进行参数识别；

确定控制策略为PI闭环控制；

启动仿真系统，构建仿真模型，参数设置；

仿真分析；

算法验证、参数优化：根据比例积分控制算法模型，调节比例和积分系数，不断地调试迭代，调试时保持实际混合气的过量空气系统稳定在目标空燃比附近。

2.根据权利要求1所述一种仿真实现宽域氧传感器算法验证及参数优化的方法，其特征在于：所述的仿真系统是Matlab/Simulink集成软件包。

3.根据权利要求1所述一种仿真实现宽域氧传感器算法验证及参数优化的方法，其特征在于：（1）中所述的宽域氧传感器控制模型是：

其中，Vs：能斯特电压；Ip：泵氧电流；Es：能斯特电动势; 

、

、

及θ4是待识别参数；

与废气含氧相关的变量；

与参考气体含氧相关的变量。

4.根据权利要求1所述一种仿真实现宽域氧传感器算法验证及参数优化的方法，其特征在于：所述控制策略PI闭环控制是采用一个包含反馈回路的电路来控制泵氧电流以保持能斯特电压恒定。

5.根据权利要求3或4所述一种仿真实现宽域氧传感器算法验证及参数优化的方法，其特征在于：泵氧电流的大小和方向由传感器标定电阻上的电压降来确定，进而确定混合气的空燃比。

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