宽域氧传感器温度控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及汽车电子传感检测技术领域，尤其是一种宽域氧传感器溫度控制方 法。
【背景技术】
[0002] 随着经济的快速发展，世界各国的汽车保有量迅速增加，运一趋势提高了居民的 生活水平，但也加剧环境污染和能源短缺问题。汽车排放的尾气中主要包含C0，N0x，S0x和 PM2.5等有害气体和物质，运些是溫室效应和雾靈形成主要原因。宽域氧传感器，简称:2(空 气燃油比例)传感器，是现实应用最为广泛的汽车尾气氧含量检测装置，其通过检测汽车尾 气中的氧气浓度，并将检测结果反馈给发动机电子控制单元(ECU) W提高发动机的燃烧性 能，同时，提高汽车尾气处理系统中Ξ元催化剂的催化效率，减少有害气体排放。高性能的 宽域氧传感器控制器是保证宽域氧传感器检测精度的关键，因此宽域氧传感器控制器的设 计开发显得尤为重要，其中宽域氧传感器的溫度控制是其中的关键技术难点。
[0003] 宽域氧传感器的加热控制是一个非常复杂的过程，其典型特点主要有： (1)非线性特性。氧浓差电池额内阻随溫度升高呈非线性递减变化趋势，因此对宽域氧 传感器施加的控制量不能死固定值，应当随着溫度升高而相应地变化。
[0004] (2)单向升溫性。宽域氧传感器的升溫过程与降溫过程完全不对称，升溫是通过内 部加热器实现，降溫过程则是通过自然冷却实现。
[0005] (3)恒溫保持特性。由于宽域氧传感器的精确测量是在特定溫度下进行的，理想状 态下要将其工作溫度控制在恒定值。
[0006] (4)环境复杂性。宽域氧氧传感器直接与汽车尾气接触，而尾气的溫度会因为发动 机工况的变化而变化，因此其溫度控制要具有较强的抗干扰能力。
[0007] 通过检索发现关于宽域氧传感器的研究主要集中在宽域氧传感器的内部材料和 内部测量结构W及生产制造方面。同时国内在宽域氧传感器控制器方面的研究不具有系统 性，例如扬州清玛汽车科技有限公司公开的一种汽车发动机宽域氧传感器累单元的控制及 信号采集电路，仅提供了一种针对控制器内部某一模块的硬件设计，另外，扬州清玛汽车科 技有限公司公开的一种宽域氧传感器加热监控电路，其溫度控制通过PWM实现，但是没有公 开具体的控制算法实现;上海格令汽车有限公司公开的一种宽域氧传感器控制器，其溫度 控制主要是通过单纯的PID实现，没有建立被控对象的精确模型，而且没有公开具体的硬件 和软件设计W及最终的实现结果。东风汽车公司公开的一种宽域氧传感器信号加热电压处 理电路，没有闭环控制，没有具体的控制算法；同时还有一些设及电子模拟氧传感器，故障 诊断方面的研究。现有的技术研究只停留在设及宽域氧传感器部分硬件的实际开发和模拟 方面，由于控制算法的限制，溫度控制方面精度不是很高。日本，美国，德国一些汽车公司在 宽域氧传感器控制器研究方面的技术相对比较成熟，例如丰田，沃尔沃，Bosch等，但是公开 的技术文档非常少。
[000引现有关于宽域氧传感器控制器溫度控制方面的研究存在W下缺陷： (1) 溫度控制设计针对性不强，没有针对宽域氧传感器的溫度特性设计溫度控制算法； (2) 溫度控制算法过于简单，PID控制没有建立精确的对象模型，满足不了溫度控制的 精度要求； (3) 溫度控制抗干扰性不强，动静态性能有待提高。
【发明内容】
[0009] 为了克服现有的现有宽域氧传感器控制器溫度控制方面的研究存在的不足，本发 明提供了 一种宽域氧传感器溫度控制方法。
[0010] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种宽域氧传感器溫度控制方法， 所述方法包括W下步骤： (一) 确定系统及模糊PID控制器的输入输出变量 (1-1)系统的输入变量为溫度测量电压信号化输出变量为溫度控制PWM信号， (1-2)模糊PID控制器的输入变量为溫度测量电压信号[/f与溫度控制目标信号化0之 间的偏差e W及偏差变化率ΘΔ，
模糊PID控制器的输出为溫度控制PWM信号的占空比值； (二) 模糊PID控制器参数设计 (2-1)确定模糊推理输入e的基本论域[-a，a] (a〉0)，ΘΛ的基本论域为[-b，b] (b〉0)，输 出量Akp的基本论域为[-Δρ，Δρ](Δρ〉〇)，Aki的基本论域[-Μ, Δ?](Μ〉0)，Akd的基 本论域为[-Ad, Ad]( Ad〉0)， (2-2)选择各输入输出变量的隶属度函数fp、fi、fd，根据输入输出量的范围确定模糊子 集为(NB，醒，NS，ZO，PS，PM，PB}，子集元素分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大， 结合隶属度函数确定模糊子集为{NB，醒，NS，Z0，PS，PM，PB}中语言变量赋值， (2-3)确定模糊推理输入量θ、θΔ和输出量的Δ kp、Δ ki、Δ kd的量化等级为n，根据基本 论域和量化等级计算量化因子Ue、UeA、Ukp、Uki、Ukd; (Ξ)模糊PID控制参数整定 (3-1)根据偏差e和偏差变化率ΘΛ值的大小，结合PID控制参数模糊整定规则得出Akp、 Aki、Akd模糊整定规则表， (3-2)基于面积重屯、法(0CG)，将模糊量清晰化得到Δ kp、Δ ki、Δ kd的模糊参数查询表， (3-3)基于Δ kp、Δ ki、Δ kd的模糊控制表，结合A kp、Δ ki、Δ kd的量化因子计算得到PID 控制器的控制参数变化量A kp、Δ ki、Δ kd的实际值
，通过式
计算PID控制器的控制参数； (四）加热控制 模糊PID控制器根据输入偏差eW及当前模糊PID控制器参数Kp、Ki、Kd进行模糊PID控制 运算，输出溫度控制信号pmi的占空比值，W调节加热器的功率，从而控制宽域氧传感器的 工作溫度。
[0011] 根据本发明的另一个实施例，进一步包括步骤(3-1)求取Δ kp、Δ ki、Δ kd模糊整定 规则表的具体步骤为： (1) 确定氧传感器溫度控制过程对Kp、Ki、Kd自整定的要求：当e较大时，虹应取较大值， Κι的值一般取0，Kd应取较小值；当e和ΘΔ为中等大小时，Kp应取较小值，Κι的取值适中，Kd取值 适中；当e较小时，Kp应取较大值，Κι应取较大值;在e较小条件下，当ΘΛ较小时，Kd应取较大 值;当ΘΔ较大时，Kd应取较小值，ΘΔ越小，虹取值越小，Κι取值越大， (2) 基于溫度控制偏差e和其变化率ΘΛ的模糊语言值，根据Mamdani模糊推理方法，进行 模糊推理，Ai、Bi、Cii、C2i、C3i分别为e、eΔ、A kp、A ki、A kd对应的模糊语言值，Rki化=1，2，3) 为Ai，Bi和Cki之间的模糊对应关系，Rki=(Ai and Bi)一Cki，从而得到Δ kp、Δ ki、Δ kd的模糊控 制规则表。
[0012] 根据本发明的另一个实施例，进一步包括步骤(3-2)、（3-3)求取Kp、Ki、Kd实际值的 具体步骤为： (1) 将基于模糊推理得到的Δ kp、Δ ki、Δ kd对应的模糊量根据面积重屯、法(0CG)清晰 化，
其中Zp日、Zi日、Zd日分别为Akp、Δki、Akd清晰化之后对应的数值，Zpk、Zik、Zdk分别为模糊 推理得到的论域中的元素，fp(k)、fi(k)、fd(k)分为待判决模糊输出集合的隶属度， (2) 将θ，θΛ W及Δ kp、Δ ki、Δ kd的模糊控制规则表中的清晰化元素乘W对应的量化因 子Ue、UeA、Ukp、Uki、Ukd,通过查表得到A kp、Δ ki、Δ kd的头际值
[0013] 本发明的有益效果是： (1)降低了溫度控制的硬件依赖性，避免了由一般硬件实现信号采集精度不高导致溫 度控制精度不高的问题； (2 )运用先进的控制算法，避免了建立精确的控制对象模型，提高了溫度控制的精度W 及溫度控制的动静态性能。
【附图说明】
[0014] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0015] 图1是宽域氧传感器溫度模糊PID控制结构图； 图2是宽域氧传感器溫度控制流程图。
【具体实施方式】
[0016] 如图1、2是本发明的结构示意图，一种宽域氧传感器溫度控制方法，所述方法包括 W下步骤： (一)确定系统及模糊PID控制器的输入输出变量 (1-1)系统的输入变量为溫度测量电压信号化输出变量为溫度控制PWM信号， (1-2)模糊PID控制器的输入变量为溫度测量电压信号码与溫度控制目标信号化0之 间的偏差e W及偏差变化率ΘΔ，
模糊PID控制器的输出为溫度控制PWM信号的占空比值； (二)模糊PID控制器参数设计 (2-1)确定模糊推理输入e的基本论域[-a，a] (a〉0)，ΘΛ的基本论域为[-b，b] (b〉0)，输 出量Akp的基本论域为[-Δρ，Δρ](Δρ〉〇)，Aki的基本论域[-Μ, Δ?](Μ〉0)，Akd的基 本论域为[-Ad, Ad]( Ad〉0)， (2-2)选择各输入输出变量的隶属度函数fp、fi、fd，根据输入输出量的范围确定模糊子 集为(NB，醒，NS，ZO，PS，PM，PB}，子集元素分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大， 结合隶属度函数确定模糊子集为{NB，醒，NS，Z0，PS，PM，PB}中语言变量赋值， (2-3)确定模糊推理输入量θ、θΔ和输出量的Δ kp、Δ ki、Δ kd的量化等级为n，根据基本 论域和量化等级计算量化因子Ue、UeA、Ukp、Uki、Ukd; (Ξ)模糊PID控制参数整定 (3-1)根据偏差e和偏差变化率ΘΛ值的大小，结合PID控制参数模糊整定规则得出Akp、 Aki、Akd模糊整定规则表， (3-2)基于面积重屯、法(OCG)，将模糊量清晰化得到Δ kp、Δ ki、Δ kd的模糊参数查询表， (3-3)基于Δ kp、Δ ki、Δ kd的模糊控制表，结合A kp、Δ ki、Δ kd的量化因子计算得到PID 控制器的控制参数变化量A kp、Δ ki、Δ kd的实际值
，通过式
计算PID控制器的控制参数； (四）加热控制 模糊PID控制器根据输入偏差eW及当前模糊PID控制器参数Kp、Ki、Kd进行模糊PID控制 运算，输出溫度控制信号pmi的占空比值，W调节加热器的功率，从而控制宽域氧传感器的 工作溫度。
[0017]步骤(3-1)求取A kp、A ki、A kd模糊整定规贝懐的具体步骤为： (1) 确定氧传感器溫度控制过程对Kp、Ki、Kd自整定的要求：当e较大时，Kp应取较大值， Κι的值一般取0，Kd应取较小值；当e和ΘΔ为中等大小时，Kp应取较小值，Κι的取值适中，Kd取值 适中；当e较小时，Kp应取较大值，Κι应取较大值;在e较小条件下，当ΘΔ较小时，Kd应取较大