淺析Lexus車系λ傳感器工作原理及空燃比控制策略(二)

◆文/江蘇 田銳

(接上期)

發(fā)動機在實際的運行過程中，把依據(jù)工況在噴油MAP圖中利用發(fā)動機轉(zhuǎn)速和進氣量查得的噴油脈寬值作為該工況下的基本噴油脈寬，再根據(jù)傳感器檢測的冷卻液溫度、進氣溫度、節(jié)氣門開度、電瓶電壓等信號參數(shù)，對基本噴油脈寬進行修正，確定最終噴油的持續(xù)時間。在這一方式中，ECM根據(jù)一定的空燃比計算噴油脈寬，但噴油后實際產(chǎn)生的混合汽究竟達到怎樣的空燃比，并沒有進行反饋檢查。

空燃比開環(huán)控制具有方法簡單、響應(yīng)快速的優(yōu)點，但由于其本質(zhì)是一種預(yù)定模式控制，其控制精度完全依賴于發(fā)動機臺架試驗中所標定的噴油MAP圖的測量精度，而無法對偏差、擾動等外界干擾因素進行補償修正，所以隨著電控技術(shù)的深入發(fā)展，單純依賴空燃比開環(huán)控制已無法滿足空燃比控制精度的嚴格要求，在這種情況下須導(dǎo)入空燃比閉環(huán)反饋控制方法。

2.空燃比閉環(huán)控制

以Lexus車系為例，其閉環(huán)控制由開環(huán)控制環(huán)節(jié)和閉環(huán)反饋回路兩部分組成，ECM并不只是計算噴油器的噴油脈寬，同時通過λ傳感器的輸出信號反饋這一脈寬實際形成的空燃比，并與目標空燃比相比較，從而決定下一次的噴油脈寬。顯然，閉環(huán)控制比開環(huán)控制更加精確，因為閉環(huán)控制方式可以補償噴油系統(tǒng)的各種誤差，這些誤差可能包括空氣流量傳感器(MAF)誤差、噴油壓力的誤差、噴油器的流量誤差等。也就是說，閉環(huán)控制不但可以克服各臺汽油機之間的差別，還可以克服發(fā)動機在整個使用壽命內(nèi)隨使用時間的增加而產(chǎn)生的各種變化。閉環(huán)控制的目的，是為了將實際空燃比維持在理論空燃比附近，以保持三元催化轉(zhuǎn)換器的最佳轉(zhuǎn)化效率。要進行空燃比閉環(huán)控制，必須配備反應(yīng)空燃比信息的λ傳感器。所以，通常空燃比閉環(huán)控制、λ傳感器和三元催化轉(zhuǎn)換器三者是互相聯(lián)系的，缺一不可。

理論上當(dāng)空燃比為理想空燃比(即14.7：1)時，燃燒1kg燃料所消耗的空氣量為14.7kg。但在實際發(fā)動機中，燃燒1kg燃料所消耗的空氣量不一定就是理論空氣量，它與發(fā)動機的結(jié)構(gòu)和使用工況密切相關(guān)。所供實際空氣量可能大于或小于理論空氣量，實際空氣量與理論空氣量的比值稱為過量空氣系數(shù)λ。當(dāng)λ＞1，表示所供空氣量大于理論空氣量，這種混合汽稱稀混合汽；若λ＜1，表示所供的空氣量不足以完全燃燒，這種混合汽稱濃混合汽。一般將λ=1時的過量空氣系數(shù)稱為化學(xué)計量比?？杖急鹊拈]環(huán)控制是為了將空燃比控制在某一個目標恒定值，即為追求最低燃油耗，也為實現(xiàn)最佳排放。

三、PID控制概述

PID(Proportional Integral Derivative)控制是最早發(fā)展起來的經(jīng)典控制策略之一，因其算法簡單、魯棒(Robust)性好和可靠性高而久負盛名，被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)過程控制，當(dāng)前Lexus量產(chǎn)級發(fā)動機電控系統(tǒng)中應(yīng)用的就是PID經(jīng)典控制策，如圖10所示。

圖10 PID控制基理

PID控制又稱比例(P)、積分(I)、微分(D)控制，它是一種算法，以結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為汽車工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型，再或控制理論的其他技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，此時運用PID控制技術(shù)最為便捷。PID控制就是當(dāng)給定值(輸入)與實際輸出值構(gòu)成控制偏差時，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制。

1.比例修正(P)

偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差，比例修正越大作用越強，動態(tài)響應(yīng)越快，消除偏差的能力越強，但實際系統(tǒng)是有慣性的，控制輸出變化后，實際值變化還需等待一段時間才會緩慢變化。因其慣性，故比例作用不宜太強，比例作用太強會引起系統(tǒng)震蕩不穩(wěn)定。比例修正的大小應(yīng)在以上定量計算的基礎(chǔ)上根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)情況，現(xiàn)場調(diào)試決定，通常將比例修正由大向小調(diào)，以達到最快響應(yīng)又無超調(diào)為最佳。

比例修正的輸出與偏差的大小成正比，偏差越大，輸出越大；偏差越小，輸出越小；通過比例修正可使實際輸出值無限趨近于給定值(輸入)，但不可能使實際輸出值達到給定值(輸入)，因此，比例修正不可能完全消除偏差，且必須存在一個穩(wěn)定的偏差，以維持一個穩(wěn)定的輸出，才能使系統(tǒng)的實際輸出值保持穩(wěn)定。比例修正是存在穩(wěn)態(tài)偏差的，加強比例修正只能減少穩(wěn)態(tài)偏差，不能消除穩(wěn)態(tài)偏差。

2.積分修正(I)

為了消除穩(wěn)態(tài)偏差必須引入積分修正，積分修正可以消除穩(wěn)態(tài)偏差，以使實際輸出值最終與給定值(輸入)一致。積分修正消除穩(wěn)態(tài)偏差的原理是，只要有偏差存在，就對偏差進行積分，使輸出繼續(xù)增大或減小，一直到偏差為零，積分停止，輸出不再變化，系統(tǒng)的實際輸出值保持穩(wěn)定，給定值(輸入)等于實際輸出值，達到無差調(diào)節(jié)的效果。但由于實際系統(tǒng)是有慣性的，輸出變化后，實際輸出值不會馬上變化，須等待一段時間才開始緩慢變化，因此，積分的快慢必須與實際系統(tǒng)的慣性相匹配，慣性大，積分修正就應(yīng)該弱，積分時間就應(yīng)該長，反之亦然。如果積分修正太強，積分輸出變化過快，就會引起積分過沖的現(xiàn)象，產(chǎn)生積分超調(diào)和震蕩。通常積分修正對穩(wěn)態(tài)偏差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分修正會增大，即便穩(wěn)態(tài)偏差很小，積分修正也會隨著時間的增加而增大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)偏差進一步減小，直到觀察系統(tǒng)響應(yīng)以能快速消除穩(wěn)態(tài)偏差，達到給定值(輸入)，又不引起震蕩為準。

3.微分修正(D)

不論比例修正還是積分修正，其作用都是建立在產(chǎn)生偏差后才可以調(diào)節(jié)以消除偏差，屬事后調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)對穩(wěn)態(tài)來說是無差的，但對動態(tài)來說一定是有差的，因為對于負載變化或給定值(輸入)變化所產(chǎn)生的擾動，必須等待產(chǎn)生偏差以后才可以再慢慢調(diào)節(jié)予以消除。通常要求負載變化或給定調(diào)整所引起的擾動，恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)的速度要快，因此，光有比例修正和積分修正還不能完全滿足要求，必須引入微分修正，比例修正和積分修正屬事后調(diào)節(jié)(即發(fā)生偏差后才進行調(diào)節(jié))，而微分修正則是事前預(yù)防控制，即一旦發(fā)現(xiàn)實際輸出值有變大或變小的趨勢，立刻輸出一個阻止其變化的控制信號，以防止出現(xiàn)過沖或超調(diào)。例如：因給定值(輸入)調(diào)整或負載擾動引起的實際輸出值的變化，比例修正和積分修正一定要等到實際輸出值變化后才可以調(diào)節(jié)，且偏差小時，產(chǎn)生的比例修正和積分修正作用也小，反之亦然。因事后調(diào)節(jié)的動態(tài)指標不會理想，而微分修正可以在產(chǎn)生偏差之前，即發(fā)現(xiàn)有產(chǎn)生偏差的趨勢時就開始修正，是提前控制，所以及時性更好，可以最大限度的減少動態(tài)偏差，使整體效果更好。但微分修正只能作為比例修正和積分修正的一種補充，不能起主導(dǎo)作用，且微分修正不能太強，太強也會引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，產(chǎn)生震蕩，微分修正只能在比例修正和積分修正調(diào)好后再逐步由小往大，一點一點的嘗試調(diào)整。

四、Lexus車系杯型階躍式氧傳感器空燃比閉環(huán)反饋PID控制

空燃比閉環(huán)反饋PID控制又稱短期燃油校正(Short FT)，如圖11、12所示，根據(jù)杯型階躍式氧傳感器的結(jié)構(gòu)原理及工作特性，其傳感器信號會在理論空燃比即λ=1處產(chǎn)生階躍，為了將實際空燃比控制在理論空燃比的合理閾值之內(nèi)，亦為了滿足三元催化轉(zhuǎn)換器的最大轉(zhuǎn)換效率，空燃比閉環(huán)反饋PID調(diào)節(jié)不僅要時刻使空燃混合汽的平均值保持在理論值的附近，還須使其在理論值附近產(chǎn)生合理、交替、微量的濃/稀震蕩。ECM正是根據(jù)傳感器的階躍特性實現(xiàn)對空燃比的閉環(huán)反饋，并逐步將空燃比調(diào)整到理論值。當(dāng)λ＜1時，空燃比較小，混合汽較濃，傳感器輸出高電壓。ECM收到高電壓后將噴油脈寬比例修正系數(shù)先向下階躍一個值，再逐步減小。由于噴油量逐步減少，混合汽稀化。當(dāng)λ＞1的稀混合汽抵達傳感器時，傳感器電平突變?yōu)榈碗妷骸Ｒ坏〦CM收到傳感器的低電壓信號，就將噴油脈寬比例修正系數(shù)向上階躍一個值，再逐步增大。于是噴油量逐漸增多，混合汽逐漸加濃，如此反復(fù)，循環(huán)不止。簡而言之，即ECM參照傳感器實時檢測的信號反饋電壓，通過內(nèi)部轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的濃/稀狀態(tài)占比數(shù)字信號，并結(jié)合ECM的ROM中存儲的當(dāng)前工況下目標空燃混合汽所對應(yīng)的濃/稀狀態(tài)占比數(shù)字信號，由此判定當(dāng)前工況下空燃混合汽的濃/稀狀態(tài)及計算出較于目標空燃比的偏差量。進而采取比例(P)、積分(I)、微分(D)的控制算法，通過ECM內(nèi)預(yù)先存儲的大量發(fā)動機臺架試驗中基于各工況閉環(huán)反饋控制下對P、I、D各項增益系數(shù)的最佳標定，先由比例修正(P)對基本噴油脈寬進行瞬態(tài)跳變調(diào)節(jié)，再由積分修正(I)用于減小和消除當(dāng)前空燃比相較于目標空燃比的穩(wěn)態(tài)偏差量，并最終實現(xiàn)與目標空燃比的氧傳感器的輸出波形一致(頻率和振幅)，確保當(dāng)前空燃混合汽在理論空燃比附近合理、交替、微量的濃/稀震蕩。微分修正(D)作為P、I修正中的輔助控制，反映信號偏差量的變化趨勢即偏差量的變化率，當(dāng)預(yù)測到變化率過快或過慢時，立即輸出一個阻止信號，以減小給定值(輸入)或?qū)嶋H輸出值變化時所產(chǎn)生的慣性擾動。

圖11 λ傳感器濃/稀信號與空燃比閉環(huán)反饋修正系數(shù)控制曲線

空燃比閉環(huán)反饋修正(Short FT)=比例修正(P)+ 積分修正(I)+微分修正(D)

圖12 杯型階躍式氧傳感器信號電壓與之對應(yīng)空燃比閉環(huán)反饋控制

五、Lexus車系杯型階躍式氧傳感器空燃比自適應(yīng)學(xué)習(xí)修正控制

一臺發(fā)動機由上百個部件構(gòu)成，從部件的研發(fā)制造，經(jīng)生產(chǎn)線的配套組裝，再到工程技術(shù)人員的安裝調(diào)校，當(dāng)中都不可避免的存在著生產(chǎn)、裝配及調(diào)試的一系列誤差，其所導(dǎo)致的每臺發(fā)動機之間的性能并不都是完全一樣，以及隨時間造成的發(fā)動機的磨損、疲勞、老化、使用不同等級的油品及行駛于不同氣候環(huán)境、不同地域海拔的種種因素，這些都會造成當(dāng)前空燃比相對理論空燃比的偏離的不斷增大，空燃比閉環(huán)反饋控制可以實時的修正其偏差，但其修正范圍也是有限的。如圖13所示，一般為0.8～1.2，當(dāng)中心反饋值長期偏離濃或稀的一邊時，空燃比閉環(huán)反饋控制就不能及時將當(dāng)前空燃比拉回到理論空燃比。因此，最終導(dǎo)致發(fā)動機動力性能、排放性能和燃油經(jīng)濟性能的下降。鑒于此，ECM須導(dǎo)入空燃比自適應(yīng)學(xué)習(xí)的控制算法來解決如上問題。

圖13 λ修正范圍

空燃比自適應(yīng)學(xué)習(xí)修正也稱作長期燃油修正(Long FT)，是對空燃比閉環(huán)反饋修正中實際空燃比與目標空燃比值間所形成的長期偏差進行的補償修正。為了讓空燃比閉環(huán)反饋修正重新回到正常的修正范圍內(nèi)，并使長期偏離的中心反饋值再次回到理論空燃比的中心，空燃比自適應(yīng)學(xué)習(xí)修正總是試圖抵消實際空燃比與目標空燃比之間所存在的長期偏差，因空燃比閉環(huán)反饋修正與其自身的積分修正(I)的變化趨勢一致，由此可間接的將空燃比自適應(yīng)學(xué)習(xí)修正與空燃比閉環(huán)反饋修正中的積分修正(I)對應(yīng)聯(lián)系起來。當(dāng)發(fā)動機進入穩(wěn)態(tài)工況且滿足相應(yīng)使能條件時(表2)，ECM導(dǎo)入空燃比自適應(yīng)學(xué)習(xí)修正。

表2 空燃比自適應(yīng)學(xué)習(xí)修正使能條件

如圖14所示，杯型階躍式氧傳感器的信號電壓反饋當(dāng)前閉環(huán)工況下空燃混合汽呈現(xiàn)偏濃狀態(tài)，通過空燃比閉環(huán)反饋PID控制，須在當(dāng)前基本噴油持續(xù)時間的基礎(chǔ)上扣除其5.5%的噴油持續(xù)時間占比，方可將原本已偏離理論空燃比的中心反饋值拉回中心(λ=1)，此穩(wěn)態(tài)保持一定時長后，為了保證空燃比閉環(huán)反饋修正對空燃混合汽的實時精準控制，ECM 導(dǎo)入空燃比自適應(yīng)學(xué)習(xí)修正控制。自適應(yīng)學(xué)習(xí)的設(shè)置是以空燃比閉環(huán)反饋修正為基礎(chǔ)，由原先的初始值為0%通過自適應(yīng)學(xué)習(xí)變?yōu)?5.5%，這樣使得空燃比閉環(huán)反饋修正重新回到0%，當(dāng)該穩(wěn)態(tài)繼續(xù)保持一定時長后，說明此刻的空燃比自適應(yīng)學(xué)習(xí)修正已經(jīng)能夠有效的對空燃比閉環(huán)反饋修正進行補償，遂停止學(xué)習(xí)更新，并將當(dāng)前自適應(yīng)學(xué)習(xí)值保存并燒寫回ECM電可擦可編程只讀存儲器(EEPROM)中以替換原自學(xué)習(xí)單元中的自適應(yīng)學(xué)習(xí)值。新存儲的數(shù)據(jù)將在發(fā)動機再次遇到類似的環(huán)境和工況下工作時使用。好比經(jīng)過長時間使用的車輛，由于磨損、疲勞、老化引起的發(fā)動機某些工況下的混合汽偏濃或偏稀的情況，若只應(yīng)用空燃比閉環(huán)反饋修正并不能快速且有效的將其拉回理論空燃比，須通過空燃比自適應(yīng)學(xué)習(xí)修正的變動進行補償，最終將補償?shù)牧恐苯蛹映傻交緡娪兔}寬上以改善該工況下的總噴油持續(xù)時間，并在開環(huán)控制中，通過查表法，將先前閉環(huán)控制中與之對應(yīng)工況下的更新后的學(xué)習(xí)值直接提調(diào)并作用在預(yù)先標定基本噴油脈寬上。由于ECM對開環(huán)控制不進行反饋，因此，空燃比自適應(yīng)學(xué)習(xí)修正對用于開環(huán)控制的校正也顯得尤為重要。簡而言之，空燃比自適應(yīng)學(xué)習(xí)修正是基于ECM持續(xù)針對空燃比閉環(huán)反饋修正結(jié)果的量變基礎(chǔ)上形成的質(zhì)的改變，也可視為當(dāng)超出系統(tǒng)控制能力范圍之外時，通過逐漸變化以適應(yīng)對發(fā)動機運行狀態(tài)的一種附加修正。最終經(jīng)補償修正后的實際噴油量由基本噴油量和各種補償噴油量組成。公式如下：

圖14 基于杯型階躍式氧傳感器的空燃比自適應(yīng)學(xué)習(xí)修正

(1)基本噴油量由發(fā)動機轉(zhuǎn)速和發(fā)動機負載(進氣歧管壓力或空氣流量計)決定的噴射量。

(2)噴射校正系數(shù)根據(jù)當(dāng)前工況要求修正噴油量(根據(jù)冷卻液溫度、進氣修正系數(shù)、電壓修正系數(shù)的計算)。

(未完待續(xù))