，

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，合肥 230009)

基于模糊PID的UEGO傳感器控制方法研究

劉杰，黃云志

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，合肥230009)

寬域廢氣氧傳感器具有較寬的空燃比測量范圍，廣泛地應(yīng)用于稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制系統(tǒng);UEGO傳感器需要配套控制器才能正常工作，通過控制傳感器的溫度和泵電流，實(shí)現(xiàn)空燃比的測量；然而，UEGO傳感器溫度具有非線性，泵電流參數(shù)存在攝動(dòng)，給其控制帶來了困難;為了縮短冷啟動(dòng)時(shí)間，采用斜坡加熱與模糊PI相結(jié)合的分段溫度控制策略，以克服溫度的非線性和冷啟動(dòng)的加熱限制；采用基于OE模型的系統(tǒng)辨識(shí)法，建立不同工況下的泵電流模型，據(jù)此采用模糊PID的控制方法提高泵電流的控制精度與響應(yīng)速度，克服泵電流參數(shù)不確定性的影響，從而提高傳感器的動(dòng)態(tài)性能;在空氣環(huán)境和混合氣配氣平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：UEGO傳感器冷啟動(dòng)時(shí)間少于20 s，溫度控制精度較高，泵電流調(diào)節(jié)時(shí)間為191 ms，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)。

UEGO傳感器；控制器；模糊控制；PID控制

0 引言

寬域廢氣氧(universal exhaust gas oxygen，UEGO)傳感器相比于傳統(tǒng)的EGO傳感器測量范圍更寬、精度更高，能夠?yàn)镋CU提供更加準(zhǔn)確的空燃比信號(hào)，保持發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸混合氣在理論空燃比附近，以減少汽車尾氣排放，適應(yīng)日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)的要求。UEGO傳感器在一定的工作溫度下才能正常工作，通過控制泵電流實(shí)現(xiàn)空燃比的測量。因此，溫度和泵電流控制是UEGO控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之處。UEGO傳感器的溫度模塊呈現(xiàn)非線性、泵電流模塊在不同工況下模型參數(shù)存在差異。

隨著UEGO傳感器的廣泛使用，國內(nèi)外研究人員對(duì)UEGO控制器展開了研究，但對(duì)控制方法研究不夠深入。文獻(xiàn)[1-2]采用模擬PID控制泵電流，但參數(shù)不易調(diào)整，控制效果不理想；文獻(xiàn)[3-4]提出工作溫度附近采用數(shù)字PID控制方法，未指出參數(shù)整定方法；文獻(xiàn)[5]采用反饋控制方法對(duì)溫度進(jìn)行控制，未給出具體的實(shí)施細(xì)節(jié)。文獻(xiàn)[6]選用專用集成芯片CJ125，用于泵電流控制、泵電壓放大和溫度信號(hào)采集，未對(duì)溫度進(jìn)行閉環(huán)控制；文獻(xiàn)[7]提出利用PID控制算法對(duì)溫度進(jìn)行控制，采用Z-N法對(duì)參數(shù)進(jìn)行整定，但超調(diào)量大、調(diào)節(jié)時(shí)間長；文獻(xiàn)[8]提出了分段加熱的控制方法，縮短了冷啟動(dòng)時(shí)間，未給出參數(shù)整定方法及結(jié)果，采用CJ125對(duì)泵電流進(jìn)行控制，未對(duì)其控制方法進(jìn)行研究；本課題組設(shè)計(jì)了UEGO控制器，采用內(nèi)模法、H∞回路成形法對(duì)泵電流PID進(jìn)行參數(shù)整定，克服了被控對(duì)象的不確定性，但調(diào)節(jié)時(shí)間較長、動(dòng)態(tài)性能仍有待提高，采用分段加熱的溫度控制方法，縮短了溫度控制的時(shí)間，但未考慮冷啟動(dòng)加熱限制[9-11]。

本文將模糊PID引入U(xiǎn)EGO控制系統(tǒng)，利用模糊控制器對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線自整定，解決單一參數(shù)PID對(duì)被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型嚴(yán)格依賴的問題，提升了動(dòng)態(tài)性能。對(duì)于溫度控制模塊，分析了被控對(duì)象特性，為了克服被控對(duì)象的非線性和冷啟動(dòng)時(shí)的加熱限制，采用斜坡加熱與模糊PI相結(jié)合的分段控制策略，并設(shè)計(jì)了模糊控制規(guī)則。對(duì)于泵電流控制模塊，在混合氣配氣平臺(tái)上進(jìn)行開環(huán)實(shí)驗(yàn)，建立不同工況下被控對(duì)象的參數(shù)不確定模型，采用模糊PID控制算法，并設(shè)計(jì)了模糊控制規(guī)則。

1 溫度控制方法

UEGO傳感器冷啟動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制系統(tǒng)依靠前饋控制，控制效果較差，造成排污量較大，故要求冷啟動(dòng)時(shí)間越短越好，且溫度控制精度越高，傳感器性能越優(yōu)。UEGO控制系統(tǒng)通過測量氧濃差電池內(nèi)阻值得到溫度偏差，輸入到溫度控制器中，調(diào)節(jié)PWM占空比大小，從而改變加熱器的功率，減少溫度偏差。控制算法對(duì)于UEGO傳感器溫度控制的好壞，起到至關(guān)重要的作用。

UEGO傳感器溫度控制主要受以下三方面因素影響：1)初始加熱時(shí)，由于傳感器溫度較低氧濃差電池內(nèi)阻值較大，過大的加熱電壓及電壓增加速度，會(huì)損壞傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，限制了傳感器冷啟動(dòng)的加熱功率。2)氧濃差電池內(nèi)阻與溫度呈現(xiàn)非線性關(guān)系，且隨著溫度的升高內(nèi)阻逐漸減小。3)因UEGO傳感器安裝于排氣管中，廢氣溫度波動(dòng)較大，對(duì)傳感器溫度產(chǎn)生較大干擾。

針對(duì)上述分析，為了使溫度控制具有良好的性能，采用斜坡加熱與模糊PI相結(jié)合的分段控制策略。溫度控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其控制規(guī)律為

(1)

當(dāng)內(nèi)阻偏差e<ε時(shí)，為盡快消除大偏差，同時(shí)滿足傳感器冷啟動(dòng)要求，使用斜坡加熱控制；當(dāng)內(nèi)阻偏差e≥ε時(shí)，為提高控制精度，增強(qiáng)抗干擾能力，使用模糊PI控制。

圖1 溫度控制器結(jié)構(gòu)框圖

溫度控制系統(tǒng)中的模糊控制器是為了建立PI控制的兩個(gè)參數(shù)KP、Ki與內(nèi)阻偏差e和偏差變化率ec間的關(guān)系。該模糊控制器采用了兩輸入兩輸出的形式。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)對(duì)e和ec的檢測，在線對(duì)PI控制器的參數(shù)進(jìn)行修改。

根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)測試，溫度模糊PI控制器的輸入變量偏差E和偏差變化率EC模糊集合上論域均為{-6，-3，0，3，6}，輸出變量比例系數(shù)增量ΔKP和積分系數(shù)增量ΔKI模糊集合上論域均為{-10，-5，0，5，10}；輸入變量E、EC和輸出變量ΔKP、ΔKI的模糊子集均取{NB，NS，ZO，PS，PB}，分別表示{負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大}，均采用三角形隸屬度函數(shù)。

模糊PI控制器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵之處在于確定輸入量與輸出量之間的模糊關(guān)系，即模糊規(guī)則的建立。根據(jù)參數(shù)整定經(jīng)驗(yàn)和溫度模塊的實(shí)際調(diào)試結(jié)果，控制規(guī)則可描述為以下三點(diǎn)：1)若E為負(fù)值，說明溫度低于工作溫度點(diǎn)，應(yīng)增大KP使溫度盡快達(dá)到目標(biāo)值，同時(shí)適當(dāng)減小KI，以避免積分飽和導(dǎo)致大的超調(diào)產(chǎn)生;2)若E為正值，說明溫度高于工作溫度點(diǎn)，出現(xiàn)超調(diào)，應(yīng)減小KP、KI;3)若E為零，說明溫度在工作溫度點(diǎn)附近，為保證溫度控制器具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，適當(dāng)增加KP、KI?；谏鲜鲈瓌t，本文設(shè)計(jì)的溫度模糊PI控制器的ΔKP、ΔKI的模糊規(guī)則如表1、表2所示。采用Mamdani法進(jìn)行模糊推理，使用加權(quán)平均法進(jìn)行清晰化操作。

表1 ΔKP模糊規(guī)則表

表2 ΔKI模糊規(guī)則表

2 泵電流控制方法

泵電流控制需要具有良好的動(dòng)態(tài)性能，以保證UEGO控制器可以快速準(zhǔn)確地響應(yīng)空燃比變化。通過對(duì)氧濃差電勢的測量，控制所施加的泵電壓大小，改變流過泵電池上的泵電流，以維持氧濃差電勢穩(wěn)定在450 mV附近，此時(shí)所測泵電流值可以準(zhǔn)確的反映廢氣中空燃比信息。

2.1 被控對(duì)象模型建立

為了建立泵電流模塊的數(shù)學(xué)模型，在混合氣配氣平臺(tái)上進(jìn)行開環(huán)實(shí)驗(yàn)，采用基于OE模型的系統(tǒng)辨識(shí)法對(duì)被控對(duì)象模型進(jìn)行辨識(shí)。在建模時(shí)，當(dāng)氧濃差電勢Vnernst位于450±100 mV范圍內(nèi)，使用所設(shè)計(jì)的上位機(jī)監(jiān)控軟件階躍改變所施加的泵電壓大小，并記錄下泵電壓和氧濃差電勢數(shù)據(jù)，以泵電壓、氧濃差電勢分別作為OE模型的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)。在混合氣配氣平臺(tái)上，通過對(duì)各種氣體的配比得到不同λ值的混合氣，以便獲得不同工況下的被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型。

進(jìn)行了五組開環(huán)建模實(shí)驗(yàn)，選擇的過量空氣系數(shù)λ為0.78、0.90、1.0、1.4和2.0，所建立的被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型如式(2)～(6)所示：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

圖2 泵電流模塊實(shí)驗(yàn)建模

開環(huán)建模實(shí)驗(yàn)以λ=0.90為例，手動(dòng)調(diào)節(jié)泵電壓值，使氧濃差電勢維持在350 mV左右，此時(shí)泵電壓為0.86 V。將泵電壓從0.86 V階躍改變?yōu)?.96 V，如圖2(a)所示，氧濃差電勢響應(yīng)曲線如圖2(b)中的曲線1所示。以泵電壓值(圖2(a)的數(shù)據(jù))為輸入信號(hào)，以氧濃差電勢值(圖2(b)中曲線1的數(shù)據(jù))為輸出信號(hào)，建立式(3)所示的數(shù)學(xué)模型。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型輸出比較如圖2(b)所示，兩者之間的均方根誤差為0.0021，建模精度較高。

2.2 泵電流控制算法

由建模結(jié)果可知，在不同工況下泵電流的模型參數(shù)存在明顯的攝動(dòng)。為保證泵電流控制器具有良好的動(dòng)態(tài)性能，本文選用模糊PID控制器對(duì)泵電流進(jìn)行控制。

泵電流模糊PID控制器是一個(gè)兩輸入三輸出的系統(tǒng)，以氧濃差電勢Vnernst偏差e和偏差變化率ec作為輸入，以PID控制器參數(shù)KP、Ki、Kd的增量ΔKP、ΔKi、ΔKd作為輸出，對(duì)應(yīng)的語言變量分別為E、EC、ΔKP、ΔKI和ΔKD。為了提高泵電流控制動(dòng)態(tài)性能，將變量E、EC、ΔKP、ΔKI和ΔKD均劃分為7個(gè)模糊集合：NB(負(fù)大)，NM(負(fù)中)，NS(負(fù)小)，ZO(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)。E和EC模糊集合上論域均為{-6，-4，-2，0，2，4，6}，ΔKP、ΔKI和ΔKD模糊集合上論域均為{-10，-6.667，-3.333，0，3.333，6.667，10}。

因Vnernst初始值與UEGO傳感器所處的工況有關(guān)，當(dāng)處于稀燃工況時(shí)，Vnernst初始值小于450 mV；當(dāng)處于富燃工況時(shí)，Vnernst初始值大于450 mV，故在設(shè)計(jì)控制規(guī)則時(shí)，需要綜合考慮各種工況。根據(jù)參數(shù)整定經(jīng)驗(yàn)和泵電流模塊的實(shí)際調(diào)試結(jié)果，控制規(guī)則可描述為以下三點(diǎn)：1)若E較大時(shí)，說明Vnernst偏離目標(biāo)值450 mV較遠(yuǎn)，應(yīng)增大KP盡快縮小偏差，適當(dāng)減小KI(通常取0)避免超調(diào)產(chǎn)生，減小KD防止穩(wěn)定性下降；2)若E和EC中等大小時(shí)，說明Vnernst離450 mV稍近，應(yīng)取偏小的KP防止超調(diào)，適當(dāng)增加KI，KD取偏小值；3)若E較小時(shí)，說明Vnernst在450 mV附近，適當(dāng)增加KP、KI，保證系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，為避免在450 mV附近產(chǎn)生振蕩，EC較大時(shí)，KD取較小值。基于上述原則，本文設(shè)計(jì)的泵電流模糊PID控制器的ΔKP、ΔKI和ΔKD的模糊規(guī)則如表3～表5所示。

表3 ΔKP模糊規(guī)則表

表5 ΔKD模糊規(guī)則表

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

3.1 溫度控制實(shí)驗(yàn)

為檢測所設(shè)計(jì)的斜坡加熱與模糊PI相結(jié)合的分段控制器性能，進(jìn)行了相關(guān)的溫度控制實(shí)驗(yàn)。在常溫(28 ℃)環(huán)境下，啟動(dòng)溫度控制，得到溫度控制的實(shí)際效果如圖3所示 (UEGO傳感器工作溫度為780 ℃，對(duì)應(yīng)內(nèi)阻值為300 Ω)。

圖3 溫度控制效果圖

由內(nèi)阻響應(yīng)曲線可知，在常溫下傳感器冷啟動(dòng)時(shí)間少于20 s，啟動(dòng)時(shí)間較短，穩(wěn)態(tài)誤差小于1 Ω，溫度控制性能良好，滿足系統(tǒng)要求。

3.2 泵電流控制實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的泵電流模糊PID控制器的性能，在空氣環(huán)境中進(jìn)行閉環(huán)實(shí)驗(yàn)，分別采用內(nèi)模法、H∞回路成形法和模糊控制法整定PID控制器參數(shù)，得到氧濃差電勢的響應(yīng)曲線如圖4所示。

由圖4可知，內(nèi)模法下的調(diào)節(jié)時(shí)間為1 197 ms；H∞回路成形法下的調(diào)節(jié)時(shí)間為799 ms；模糊控制法下的調(diào)節(jié)時(shí)間為191 ms。采用模糊PID控制器時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間較短，穩(wěn)態(tài)誤差小于0.05 mV，且超調(diào)量較小。

圖4 空氣環(huán)境下泵電流控制閉環(huán)實(shí)驗(yàn)

3.3 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)UEGO控制器動(dòng)態(tài)性能檢測，在混合氣配氣平臺(tái)上進(jìn)行了動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，該平臺(tái)所使用的混合氣是已混合好的標(biāo)準(zhǔn)濃度的O2+N2氣體，平臺(tái)總流量為10 SLM，實(shí)驗(yàn)裝置框圖如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置框圖

動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)的具體步驟：1)首先，選擇兩種氧濃度相差較大的標(biāo)準(zhǔn)氣體，將其連接到四通閥的兩路通道中。2)調(diào)節(jié)氣體鋼瓶上減壓閥的開度，使流量達(dá)到10 SLM，手動(dòng)控制四通閥的閥門手柄讓低氧含量的氣體進(jìn)入測試腔。3)啟動(dòng)UEGO控制器，并利用所設(shè)計(jì)的上位機(jī)監(jiān)控軟件記錄氧含量值。當(dāng)測得的氧含量值穩(wěn)定后，快速調(diào)節(jié)閥門手柄讓高氧含量的氣體進(jìn)入測試腔中，完成一次上升過程的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)。4)待測得的氧含量值穩(wěn)定后，再次調(diào)節(jié)閥門手柄讓低氧含量的氣體進(jìn)入測試腔中，完成了一次下降過程的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)。5)為了更好地說明所設(shè)計(jì)的泵電流控制算法性能，分別使用內(nèi)模法、H∞回路成形法和模糊控制法對(duì)泵電流PID控制器參數(shù)進(jìn)行整定，重復(fù)進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)。

僅以氧濃度在1.01% 和21.2%之間變化的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)為例。由圖6可知，內(nèi)模法下的Vnernst最小值為437.3 mV，最大值為459.1 mV；H∞回路成形法下的Vnernst最小值為445.4 mV，最大值為454.6 mV；模糊控制法下的Vnernst最小值為449.9 mV，最大值為450.1 mV。由圖7可知，內(nèi)模法下的上升過程響應(yīng)時(shí)間(動(dòng)態(tài)變化值的10%～90%對(duì)應(yīng)的時(shí)間差)為6.22 s，下降過程響應(yīng)時(shí)間為6.67 s；H∞回路成形法下的上升過程響應(yīng)時(shí)間為5.47 s，下降過程響應(yīng)時(shí)間為6.32 s；模糊控制法下的上升過程響應(yīng)時(shí)間為2.56 s，下降過程響應(yīng)時(shí)間為4.32 s。

圖6 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)過程中泵電流控制響應(yīng)曲線

圖7 不同泵電流控制方法下UEGO控制器輸出值

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)混合氣的氧濃度突然變化后，UEGO控制器可以快速響應(yīng)，且使用模糊PID控制算法的響應(yīng)速度更快，抗干擾能力更強(qiáng)。

4 結(jié)論

本文基于模糊PID研究了UEGO傳感器的溫度和泵電流控制方法。針對(duì)溫度模塊的非線性和冷啟動(dòng)要求，采用斜坡加熱與模糊PI相結(jié)合的分段控制策略，縮短冷啟動(dòng)時(shí)間，提高溫度控制精度?；贠E模型的系統(tǒng)辨識(shí)法建立了不同工況下泵電流模塊的數(shù)學(xué)模型，針對(duì)模型參數(shù)存在攝動(dòng)，采用模糊PID控制算法，保證泵電流控制具有良好的動(dòng)態(tài)性能。在空氣環(huán)境和混合氣配氣平臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：傳感器冷啟動(dòng)時(shí)間小于20 s，穩(wěn)態(tài)誤差小于1 Ω，泵電流模塊采用模糊PID時(shí)，調(diào)節(jié)時(shí)間較短，UEGO控制器動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快、抗干擾能力更強(qiáng)。

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ResearchonControlMethodofUEGOSensorBasedonFuzzyPID

Liu Jie, Huang Yunzhi

(School of Electrical Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Universal Exhaust Gas Oxygen (UEGO) sensor has a wide range of air-fuel ratio measurement, is widely used in air-fuel ratio control system of the lean burn engine. The UEGO sensor should work with the controller. The air-fuel ratio can be measured by controlling temperature and pump current.However, the temperature of the UEGO sensor is nonlinear and the pump current parameter is perturbed, which bring difficulties to the control. In order to shorten the start-up time, segmented temperature control strategy combining slope heating with fuzzy PI is adopted to overcome the temperature non-linearity and the heating limitation during the start-up.OE model based system identification method is used for establishing the pump current model under different operating conditions, and the fuzzy PID control method is used to improve the control accuracy and response speed of the pump current, so as to overcome the influence of the uncertainty of the pump current parameters and thus improve the dynamic performance of the sensor.The results show that the start-up time of UEGO sensor is less than 20 s, and the temperature control precision is high. The pump current regulation time is 191 ms, and the dynamic response is fast with strong anti-interference ability.

UEGO sensor; controller; fuzzy control; PID control

2017-04-13；

2017-05-08。

劉 杰(1991-)，男，安徽長豐人，碩士研究生，主要從事DSP應(yīng)用技術(shù)方向的研究。

黃云志(1976-)，女，安徽鳳臺(tái)人，博士研究生，教授，主要從事自動(dòng)檢測與信號(hào)處理方向的研究。

1671-4598(2017)10-0089-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.024

TP212

A