氮氧传感器控制系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及氮氧传感器技术领域，尤其是氮氧传感器控制系统及方法。该氮氧传感器控制系统包括用于对角矩阵解耦系统及三路由内模控制的预测方法整定的PID控制器、用于电压信号测量与控制的电极一、电极二、电极三、电极四、电极五，电极一、电极二、电极三、电极四、电极五均由Pt或者Pt

Nitrogen and oxygen sensor control system and method

【技术实现步骤摘要】
氮氧传感器控制系统及方法


[0001]本专利技术涉及氮氧传感器
，尤其是氮氧传感器控制系统及方法。

技术介绍

[0002]随着经济发展进入转型升级阶段，环保治理日益受到人们的重视。机动车辆的尾气排放是大气污染的主要原因之一，因此尾气处理是目前机动车行业必须面对的重要考验。传统的车用氧传感器只有氧测量功能，却无法完成废气中氮氧化物的检测。
[0003]现有研究大多局限于极板材料和单一腔室(比如第一泵氧腔室)的建模与分析，并且基本上都是基于传统两腔室氮氧传感器的，对于三腔室氮氧传感器耦合系统的分析与控制研究甚少，由于增加了一个腔室，针对于两腔室氮氧传感器的控制经验有部分失效，且目前建模方式大多基于机理建模，往往会忽略很多影响因素，如极板的斜率、曲率、平均高度、平均表面积、平均粗糙度等，这种过于简化的机理模型也难以运用到控制手段上；实际控制方法大多采用传统三路PID，传统的PID控制器凭借其算法简单、易于实现且可靠性高的优势，在工业控制系统中得到了十分广泛的应用，但对于氮氧传感器这种复杂的时变系统，传统PID控制性能往往会受到影响，依靠经验试凑法整定PID各项参数且最终控制效果不佳。

技术实现思路

[0004]为了克服现有的汽车传感器无法检测氮氧化物的不足，本专利技术提供了氮氧传感器控制系统及方法。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种氮氧传感器控制系统，包括用于对角矩阵解耦系统及三路由内模控制的预测方法整定的PID控制器、用于电压信号测量与控制的电极一、电极二、电极三、电极四、电极五，电极一、电极二、电极三、电极四、电极五均由Pt或者Pt
‑
Au构成；
[0006]电极一位于第一腔室，电极二位于第二腔室、电极三位于第三腔室，电极四与尾气直接接触，电极五位于空气参考腔室。
[0007]根据本专利技术的另一个实施例，进一步包括所述电极五的电压V
ref
减去电极二的电压V
M1
等于第二腔室泵单元上的能斯特电压V1；
[0008]电极五的电压V
ref
减去电极三的电压V
M2
等于第三腔室泵单元上的能斯特电压V2；
[0009]电极四的电压V
p+
减去电极一的电压V
p
‑
等于第一腔室的泵电压V
p0
；
[0010]电极四的电压V
p+
减去电极二的电压V
M1
等于第二腔室的泵电压V
p1
；
[0011]电极四的电压V
p+
减去电极三的电压V
M2
等于第三腔室的泵电压V
p2
。
[0012]根据本专利技术的另一个实施例，进一步包括该方法的步骤为：
[0013]A、在时域情况下，将耦合闭环的三输入三输出系统，对应泵电压V
p0
、泵电压V
p1
、泵电压V
p2
三输入与能斯特电压V1、能斯特电压V2、用于控制目标泵电流的泵电流检测放大电压V
Ip1
三输出，通过在一个周期内分成三个时间段，在不同时间段对控制对象施加阶跃的泵电压V
p0
、泵电压V
p1
、泵电压V
p2
信号，检测控制对象在此时间段内的能斯特电压V1、能斯特电
压V2、泵电流检测放大电压V
Ip1
的输出响应，最后通过最小二乘拟合的方式得出其系统的传递函数，从而将其分解为9个独立开环的单输入单输出SISO系统，推导出一阶或二阶时滞系统线性回归方程；
[0014]B、传递函数通过矩阵对角线归一化法得到对角矩阵解耦策略；
[0015]C、将传递函数来表示内部模型，由模型得到一组最佳PID参数；
[0016]D、PID控制器利用PID参数对第二腔室泵电流Ip1、能斯特电压V1、能斯特电压V2进行实时控制。
[0017]根据本专利技术的另一个实施例，进一步包括所述对角矩阵解耦策略根据系统辨识模型来减小系统各模块间的耦合；
[0018]系统辨识模型包括测试闭环条件下，不同通道达到稳态后的阶跃输入与阶跃输出响应；
[0019]系统辨识模型的阶跃输入包括第一腔室的泵电压V
p0
、第二腔室的泵电压V
p1
、第三腔室的泵电压V
p2
、电极二的电压V
M1
、电极三的电压V
M2
、泵电流检测放大电压V
Ip1
；
[0020]系统辨识模型的阶跃输出以如下一阶系统加延时环节形式表示：
[0021][0022]其中K，T
p
，T
d
为需要辨识的对象；
[0023]系统辨识模型的整体输入输出环节为：
[0024][0025]其中，U1，U2，U3对应第一腔室的泵电压V
p0
、第二腔室的泵电压V
p1
和第三腔室的泵电压V
p2
，Y1，Y2，Y3对应泵电流检测放大电压V
Ip1
、能斯特电压V1、能斯特电压V2；
[0026]系统辨识模型的辨识方法包括阶跃输入与阶跃输出信号从频域到时域的变换方法；所述变换方法包括耦合闭环的多输入多输出系统分解为单输入单输出开环系统的方法；所述K，T
p
，T
d
需要辨识的对象包括通过最小二乘法的方式求取估计解的方法；所述系统辨识方法包括以辨识系统与实际系统频域响应相对比的评价指标。
[0027]根据本专利技术的另一个实施例，进一步包括所述耦合闭环的多输入多输出表示为：
[0028][0029]第一腔室的泵电压V
p0
对应泵电流检测放大电压V
Ip1
的传递函数G
11
表示为：
[0030][0031]阶跃输入与阶跃输出信号从频域到时域的变换方法为，在第一个阶跃响应内，第一通道的输入输出关系从时域的角度表示为：
[0032][0033]K，T
p
，T
d
的确定应使用最小二乘法求得估计解，最小二乘法的表示形式满足：
[0034][0035]其中γ
ij
由时域的输入输出关系即y
ij
(t)，u
ij
(t)计算获得，则对应一阶滞后模型的三个参数，即K，T
p
，T
d
。
[0036]根据本专利技术的另一个实施例，进一步包括所述对角矩阵解耦模块由辨识出的系统传递函数确定；
[0037]第一腔室的泵电压V
p0
、第二腔室的泵电压V
p1
、第三腔室的泵电压V
p2
信号均为PID输入信号与解耦控制信号的叠加；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮氧传感器控制系统，其特征是，包括用于对角矩阵解耦系统及三路由内模控制的预测方法整定的PID控制器、用于电压信号测量与控制的电极一、电极二、电极三、电极四、电极五，电极一、电极二、电极三、电极四、电极五均由Pt或者Pt
‑
Au构成；电极一位于第一腔室，电极二位于第二腔室、电极三位于第三腔室，电极四与尾气直接接触，电极五位于空气参考腔室。2.根据权利要求1所述的一种氮氧传感器控制方法，其特征是，所述电极五的电压V
ref
减去电极二的电压V
M1
等于第二腔室泵单元上的能斯特电压V1；电极五的电压V
ref
减去电极三的电压V
M2
等于第三腔室泵单元上的能斯特电压V2；电极四的电压V
p+
减去电极一的电压V
p
‑
等于第一腔室的泵电压V
p0
；电极四的电压V
p+
减去电极二的电压V
M1
等于第二腔室的泵电压V
p1
；电极四的电压V
p+
减去电极三的电压V
M2
等于第三腔室的泵电压V
p2
。3.根据权利要求1所述的氮氧传感器控制方法，其特征是，该方法的步骤为：A、在时域情况下，将耦合闭环的三输入三输出系统，对应泵电压V
p0
、泵电压V
p1
、泵电压V
p2
三输入与能斯特电压V1、能斯特电压V2、用于控制目标泵电流的泵电流检测放大电压V
Ip1
三输出，通过在一个周期内分成三个时间段，在不同时间段对控制对象施加阶跃的泵电压V
p0
、泵电压V
p1
、泵电压V
p2
信号，检测控制对象在此时间段内的能斯特电压V1、能斯特电压V2、泵电流检测放大电压V
Ip1
的输出响应，最后通过最小二乘拟合的方式得出其系统的传递函数，从而将其分解为9个独立开环的单输入单输出SISO系统，推导出一阶或二阶时滞系统线性回归方程；B、传递函数通过矩阵对角线归一化法得到对角矩阵解耦策略；C、将传递函数来表示内部模型，由模型得到一组最佳PID参数；D、PID控制器利用PID参数对第二腔室泵电流Ip1、能斯特电压V1、能斯特电压V2进行实时控制。4.根据权利要求3所述的氮氧传感器控制方法，其特征是，所述对角矩阵解耦策略根据系统辨识模型来减小系统各模块间的耦合；系统辨识模型包括测试闭环条件下，不同通道达到稳态后的阶跃输入与阶跃输出响应；系统辨识模型的阶跃输入包括第一腔室的泵电压V
p0
、第二腔室的泵电压V
p1
、第三腔室的泵电压V
p2
、电极二的电压V
M1
、电极三的电压V
M2
、泵电流检测放大电压V
Ip1
；系统辨识模型的阶跃输出以如下一阶系统加延时环节形式表示：其中K，T
p
，T
d
为需要辨识的对象；系统辨识模型的整体输入输出环节为：其中，U1，U2，U3对应第一腔室的泵电压V
p0
、V
p1
和第二腔室的泵电压V
p1
，Y1，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李曦，朱仁杰，王杰，周宇浩，林伟勋，汪振，
申请(专利权)人：江苏精瓷智能传感技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：