一种氮氧传感器控制系统

技术领域

本发明属于汽车电子传感检测领域，更具体地，涉及一种氮氧传感器控制系统，该系统具体是种串级模糊解耦控制系统，能够完成氮氧传感器复杂的控制过程，使其能长时间稳定运行在高精度状态。

背景技术

随着世界经济的高速发展，人均收入不断提高，各国汽车保有量一直持续上升。汽车工业的发展虽极大程度上促进了人类社会的进步，但受其动力来源的限制，也很大程度上加剧了环境污染和能源短缺。随着国五国六和欧洲最新排放标准的出台，传统的车用氧传感器只能完成标准要求的氧测量功能，却无法完成废气中氮氧化物的检测要求。而氮氧化物的检测传感器又长期受国外大公司技术封锁。由此，我国急需自主研制氮氧传感器，用以检测汽车尾气中氮氧化物的浓度，可提高发动机燃烧性能，同时极大减少有害气体的排放。

目前，汽车市场上常用三类氧传感器进行尾气气氛检测，一是无需控制回路的单腔室四线氧传感器，二是单闭环反馈控制的双腔室五线氧传感器，三是复杂三腔室结构的氮氧传感器。前二者的研究相对比较成熟，而氮氧传感器的成果主要集中在加热系统设计和单泵单元的控制，对于其三腔室泵单元控制的描述较少。由于氮氧传感器的原理十分复杂，三个气体腔室之间通过气体狭缝连通，在某一气体腔室的控制过程中，该腔室的气氛浓度改变会导致其他两个腔室的气氛浓度发生变化，这种气氛浓度的变化可以通过其他腔室的能斯特电压与泵电流的变化间接体现，也就是说三个腔室的控制存在极强的耦合性，而且国内研究多停留在加热器和单泵控制上，对气体腔室的解耦控制研究甚少。故针对该传感器的三腔室结构，设计了一种氮氧传感器多闭环解耦控制系统，有效抑制各气体腔室之间的相互干扰来完成快速解耦的控制过程，使系统的抗干扰能力更强、动态响应更迅速。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种氮氧传感器控制系统，其中通过对其关键的各个细节控制器的内部构成、数据处理方式等进行改进，与现有技术相比能够有效解决复杂三腔室结构的氮氧传感器其控制问题，本系统能对复杂氮氧传感器进行高效的解耦控制，使其能长期工作在稳定状态。并且具有稳定性强，抗干扰能力强的特点。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种氮氧传感器控制系统，氮氧传感器包括主泵、副泵及测量泵，分别位于第一腔室、第二腔室及第三腔室，第一腔室与第二腔室通过隙缝连通；记V₀、V₁和V₂分别为主泵、副泵及测量泵的Nernst电压，V_p0、V_p1和V_p2分别为主泵、副泵及测量泵的泵电压，所述主泵的泵电压用于泵入或泵出第一腔室中的氧气，所述副泵的泵电压用于泵入或泵出第二腔室中的氧气，副泵中氧气来自于经过主泵后残留的氧气和/或二氧化氮分解产生得氧气，所述测量泵的泵电压用于泵出第三腔室中的氧气，这些V_p0、V_p1和V_p2在主泵、副泵、测量泵产生的泵电流分别记为I_p0、I_p1和I_p2，其特征在于，该控制系统包括串级控制器及两路模糊控制器，其中，所述串级控制器用于根据V_p0和V_p1使I_p1保持稳定；所述模糊控制器用于对V₁和V₂进行解耦控制，将控制得到的V₁和V₂作为所述氮氧传感器的输入进而对所述副泵及所述测量泵的Nernst电压进行实时控制。

作为本发明的进一步优选，所述串级控制器包括主控制器与副控制器，其中，所述主控制器位于外环，所述副控制器位于内环；所述副控制器用于将V_p1传送到副泵对象，并将从副泵对象检测到的I_p1值经由内环反馈至该副控制器；所述主控制器用于输出V_p0，该主控制器还与所述副控制器相连，V_p0经过内环控制到达主泵对象，并将从副泵对象检测到的I_p1值经由外环反馈至该主控制器，从而使I_p1保持稳定；

优选的，I_p1稳定为7uA。

作为本发明的进一步优选，任意一路所述模糊控制器均包括基本控制器和模糊前馈解耦控制器，所述基本控制器和所述模糊前馈解耦控制器两者得到的信号用于叠加形成被控对象的控制输入信号，所述被控对象为副泵或测量泵。

作为本发明的进一步优选，对于所述两路模糊控制器，记其中一路模糊控制器为第一模糊控制器，另外一路模糊控制器为第二模糊控制器；

所述第一模糊控制器用于控制V₁到相对稳定的稳定值，该稳定值满足在425mV到440mV之间的相对稳定，该稳定值表示二氧化氮在第二腔室被分解，并且产生的一氧化氮不会被进一步分解为氮气和氧气，而V₂的变化△V₂则是作为该第一模糊控制器的干扰输入；所述第一模糊控制器包括第一基本控制器和第一模糊前馈解耦控制器，所述第一模糊前馈解耦控制器存在一个输入通道，记为D_i，表示通道i的输入；所述第一基本控制器有自适应动态调整的输入量设定值V_i，所述第一模糊前馈解耦控制器得到的信号为β_i，所述第一基本控制器得到的信号为u_i，u_i和β_i叠加形成被控对象的控制输入信号U_i，经过该被控对象处理得输出信号V_i(t)；V_i与V_i(t)表示针对第一模糊控制器的被控量设定值和t时刻实际测量值；

优选的，所述第二模糊控制器用于控制V₂到相对稳定的稳定值，该稳定值满足在435mV到450mV之间的相对稳定，该稳定值是为了保证一氧化氮能够完全分解，而V₁的变化△V₁则是作为该第二模糊控制器的干扰输入；所述第二模糊控制器包括第二基本控制器和第二模糊前馈解耦控制器，所述第二模糊前馈解耦控制器存在一个输入通道，记为D_i-1，表示通道i-1的输入量；所述第二基本控制器有自适应动态调整的输入量设定值V_i-1，所述模糊前馈解耦控制器得到的信号为β_i-1，所述基本控制器得到的信号为u_i-1，u_i-1和β_i-1叠加形成被控对象的控制输入信号U_i-1，经过该被控对象处理得输出信号V_i-1(t)；V_i-1与V_i-1(t)表示针对第二模糊控制器的被控量设定值和t时刻实际测量值。

作为本发明的进一步优选，所述D_i和D_i-1，其数学表达式满足：

D_i＝a*(V_i-V_i(t))-b*(V_i-1-V_i-1(t))＝a*e_i–b*e_i-1；

D_i-1＝c*(V_i-V_i(t))-d*(V_i-1-V_i-1(t))＝c*e_i–d*e_i-1；

其中，e_i＝V_i-V_i(t)、e_i-1＝V_i-1-V_i-1(t)，e_i、e_i-1分别表示第一模糊控制器、第二模糊控制器的被控量设定值与t时刻实际测量值之间的偏差，D_i、D_i-1为e_i、e_i-1的线性组合，a、b、c、d为预先设定的常数。

作为本发明的进一步优选，所述β_i为补偿解耦信号，所述β_i-1为补偿解耦信号。

作为本发明的进一步优选，所述第一基本控制器和所述第二基本控制器均使用PID调节输入量设定值。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，解决了三个腔室在只进行单闭环控制的存在动态响应慢、抗干扰能力弱的缺点。由于采用串级控制器模块与两路模糊控制模块组成氮氧传感器的串级模糊解耦控制系统，相应控制方法首先针对主泵与副泵控制单元之间较大影响关系设计串级控制，副泵控制单元能够有效抑制来自系统内部的强干扰；同时针对测量泵对主泵影响较小而与副泵具有较强耦合关系的特性，在副泵与测量泵间设计了模糊解耦控制器，其将副泵和测量泵的Nernst电压的输入偏差及其控制设定值之间的偏差作为解耦器的输入，解耦器输出的控制信号与基本控制器的输出信号叠加，共同施加于被控对象进行控制，增加了副泵、测量泵的动态响应速度和抗干扰能力。

本发明适用的氮氧传感器包括主泵、副泵、测量泵三个气氛控制单元，且三个控制单元通过气道狭缝连通，每个控制单元的Nernst电压存在不同尺度的耦合关系，故其所要求的控制过程不再是简单的单闭环反馈控制设计，而是多闭环控制设计。本系统针对的控制对象具有较大的时间延迟、非线性和多变量强耦合性，简单的反馈调节并不完全适用；对于此类系统，常采用前馈补偿解耦解耦控制方法。由于本系统控制对象的精确数学模型极难建立，且不同控制单元之间的耦合尺度不同，上述方法控制效果不佳。而本发明由于采用先针对主泵与副泵控制单元之间较大影响关系设计串级控制，同时针对测量泵对主泵影响较小而与副泵具有较强耦合关系的特性设计了模糊解耦控制器，其将副泵和测量泵的Nernst电压的输入偏差及其控制设定值之间的偏差作为解耦器的输入，解耦器输出的控制信号与基本控制器的输出信号叠加，共同施加于被控对象进行控制，一方面，本发明对应的控制方法采用串级控制，完成了主要气氛影响单元的控制；另一方面，本发明是基于偏差的模糊控制，不需要对被控对象建立精确的数学模型，适用于本例控制对象，其响应速度快，具有良好的控制效果。

综上，本发明中包括串级控制器、两路模糊控制器的串级模糊前馈解耦控制系统尤其适用于三腔室结构的氮氧传感器被控对象，成功使用模糊前馈解耦控制器对被控对象的Nernst电压进行解耦控制，提高了系统的响应速度与稳定程度，改善了控制质量。

附图说明

图1是本发明所用的氮氧传感器内部结构图，该氮氧传感器具有三腔室结构，至少包括3个腔室(即第一腔室、第二腔室及参考腔室，其中的参考腔室即第三腔室；即主泵、副泵及测量泵分别位于第一腔室、第二腔室及第三腔室)。

图2是本发明中氮氧传感器串级模糊控制流程图。

图3是本发明所使用的串级控制原理框图。

图4是本发明中第一解耦控制器(即解耦控制器1)的内部实现。

图5是本发明中第二解耦控制器(即解耦控制器2)的内部实现。

图6是本发明所使用的解耦控制系统。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明中的氮氧传感器串级模糊解耦控制系统，它包括串级控制器、两路模糊控制器和被控对象，其中被控对象即氮氧传感器，该控制系统使用模糊前馈解耦控制器对被控对象的多个Nernst电压进行解耦控制。本发明优选先对影响关系较大的主泵与副泵控制单元进行串级控制，再对存在耦合的副泵与测量泵进行模糊解耦控制。I_p1为第一、第二气体腔室中气氛环境的控制，是两个腔室氧浓度精确测量的基础，先通过串级控制使I_p1稳定在例如7uA，达到标准说明第二腔室的氧气气氛浓度稳定，达到测量要求，此时进行测量泵和副泵的解耦控制，实现氮氧浓度测量。

其中所述的串级控制器，可采用内外环控制，例如将主控制器输出值作为副控制器的设定值(即给定值)，由副控制器的输出控制主泵对象(即副控制器的输出信号则送到控制机构去控制主泵对象)，从而共同完成对主泵对象的定值控制任务。

两路模糊控制器，其中的模糊控制器1(即第一模糊控制器)，用于控制V₁到稳定值(该稳定值满足在425mV到440mV之间的相对稳定，即，允许V₁在425mV到440mV之间波动，但不能超出该范围)，而V₂的变化即是V₁控制回路的干扰。模糊前馈解耦控制器1(即第一模糊前馈解耦控制器)存在一个输入通道，记为D_i，表示通道i的输入量。所述基本控制器有自适应动态调整的输入量设定值V_i，所述模糊前馈解耦控制器得到的信号为β_i，所述基本控制器得到的信号为u_i，u_i和β_i叠加形成被控对象的控制输入信号U_i，经过该被控对象处理得输出信号V_i(t)；V_i与V_i(t)表示针对模糊控制器1的被控量设定值和t时刻实际测量值；

模糊控制器2(即第二模糊控制器)，用于控制V₂到稳定值(该稳定值满足在435mV到450mV之间的相对稳定(即，允许V₂在435mV到450mV之间波动，但不能超出该范围)，而V₁的变化即是V₂控制回路的干扰。模糊前馈解耦控制器2(即第二模糊前馈解耦控制器)存在一个输入通道，记为D_i-1，表示通道i-1的输入量。基本控制器2(即第二基本控制器)有自适应动态调整的输入量设定值V_i-1，所述模糊前馈解耦控制器得到的信号为β_i-1，所述基本控制器得到的信号为u_i-1，u_i-1和β_i-1叠加形成被控对象的控制输入信号U_i-1，经过该被控对象处理得输出信号V_i-1(t)；V_i-1与V_i-1(t)表示针对模糊控制器2的被控量设定值和t时刻实际测量值；

具体说来：

如图1所示的氮氧传感器的内部结构图，V₀、V₁和V₂为三路Nernst电压，V_p0、V_p1和V_p2为泵电压分别为主泵、副泵、测量泵的泵电压，用于泵入泵出气腔中的氧气，大量的氧气在主泵中泵出，少许残留的氧气与二氧化氮分解产生的氧气在副泵中泵出，一氧化氮分解产生的氧气在测量泵中泵出。通过参数辨识，建立主泵、副泵、测量泵所产生电流I_p0、I_p1和I_p2同氧气、氮氧化物浓度的关系曲线，故可通过测量电流的大小测量相应气体在尾气中的浓度。由于P+所处的第一腔室、M1所处的第二腔室、M2所处的第三腔室是通过一道隙缝连通的，故三个腔室之间存在耦合关系。即第一腔室中气氛的变化会极大影响第二腔室的状态，而第二腔室的气氛变化也会影响第一腔室状态；即第二腔室中气氛的变化会极大影响第三腔室的状态，而第三腔室的气氛变化也会影响第二腔室状态。

图2中所示的是氮氧传感器串级模糊解耦控制流程图。程序流程是先通过串级控制使I_p1稳定在7uA，达到标准说明第二腔室的氧气气氛浓度稳定，达到测量要求，此时进行测量泵和副泵的解耦控制，实现氮氧浓度测量。7uA的测量标准是根据氮氧传感器结构特性、泵氧活性确定的，当氮氧传感器工作在最佳状态时，在任意输入气氛浓度下，其第二个腔室的泵电流I_p1约为7uA。

图3所示的串级控制原理框图，内环副控制器将副泵电压V_p1传送到副泵对象(即，将V_p1传送到图1中的M1电极与V+电极之间)，并将检测到的Ip₁值反馈至副控制器；外环主控制器输出主泵电压V_p0，并与内环副控制器相连，经过内环控制到达主泵对象(即，V-电极)并将检测测到的I_p1反馈至主控制器，从而将I_p1稳定在7uA。

图4中的模糊前馈解耦控制器输入量为D_i，基本控制器有自适应动态调整的输入量设定值V_i，u_i和β_i合成为U_i，作为被控对象的输入，经过被控对象处理输出V_i(t)。V_i与V_i(t)分别为基本控制器1的被控量设定值和t时刻实际测量值。

D_i＝a*(V_i-V_i(t))-b*(V_i-1-V_i-1(t))＝a*e_i–b*e_i-1；其中，e_i＝V_i-V_i(t)，e_i-1＝V_i-1-V_i-1(t)，e_i为基本控制器1的被控量设定值与时刻实际测量值之间的偏差，a、b为预先设定的常数。

D_i反映了相邻通道对主通道i的耦合作用，作为i通道模糊前馈解耦控制器的输入。D_i和同样也反映了相邻通道被控量的波动。

模糊前馈解耦控制器的输出为补偿解耦信号β_i，与基本控制器的输出信号u_i叠加，并作为被控对象的控制量U_i。即U_i＝u_i+β_i，其中，β_i＝F(D_i,)，F可以为预先设定的函数关系。

基本控制器使用PID调节设定值并输出u_i。

图5中的模糊前馈解耦控制器输入量为D_i-1，基本控制器有自适应动态调整的输入量设定值V_i-1，u_i-1和β_i-1合成为U_i-1，作为被控对象的输入，经过被控对象处理输出V_i-1(t)。V_i-1与V_i-1(t)分别为基本控制器2的被控量设定值和t时刻实际测量值。

D_i-1＝c*(V_i-V_i(t))-d*(V_i-1-V_i-1(t))＝c*e_i–d*e_i-1；其中，e_i＝V_i-V_i(t)，e_i-1＝V_i-1-V_i-1(t)，e_i-1为基本控制器2的被控量设定值与t时刻实际测量值之间的偏差，c、d为预先设定的常数。

D_i-1反映了相邻通道对主通道i-1的耦合作用，作为i-1通道模糊前馈解耦控制器的输入。D_i-1和同样也反映了相邻通道被控量的波动。

模糊前馈解耦控制器的输出为补偿解耦信号β_i-1，与基本控制器的输出信号u_i-1叠加，并作为被控对象的控制量U_i-1。即U_i-1＝u_i-1+β_i-1，其中，β_i-1＝F(D_i-1)，F可以为预先设定的函数关系。

基本控制器使用PID调节设定值并输出u_i-1。

图6所示的是氮氧传感器的解耦控制系统，它包括两路模糊控制器和被控对象，使用模糊前馈解耦控制器对被控对象的多个Nernst电压进行解耦控制。r₁表示V₁的设定值，y₁表示实时测量的V₁返回值，e₁表示r₁与V₁之差，作为模糊控制器的输入，G11表示受模糊控制器1中的基本控制器1直接影响的副泵，G21表示受模糊控制器1中的模糊前馈解耦控制器1间接影响的测量泵；r₂表示V₂的设定值，y₂表示实时测量的V₂返回值，e₂表示r₂与V₂之差，作为模糊控制器的输入，G22表示受模糊控制器2中的基本控制器2直接影响的副泵，G12表示受模糊控制器2中的模糊前馈解耦控制器2间接影响的测量泵。

本发明中的各个控制器，均可直接采用市售硬件组件设计而成，例如，微控制器使用STM32F103RET6，外围电路包括DC-DC电路、电流检测电路、高精度DAC输出电路，使用芯片分别为MAX5035BASA、ADA4528-2、DAC8550。