浅析Lexus车系λ传感器工作原理及空燃比控制策略(二)

◆文/江苏 田锐

(接上期)

发动机在实际的运行过程中，把依据工况在喷油MAP图中利用发动机转速和进气量查得的喷油脉宽值作为该工况下的基本喷油脉宽，再根据传感器检测的冷却液温度、进气温度、节气门开度、电瓶电压等信号参数，对基本喷油脉宽进行修正，确定最终喷油的持续时间。在这一方式中，ECM根据一定的空燃比计算喷油脉宽，但喷油后实际产生的混合汽究竟达到怎样的空燃比，并没有进行反馈检查。

空燃比开环控制具有方法简单、响应快速的优点，但由于其本质是一种预定模式控制，其控制精度完全依赖于发动机台架试验中所标定的喷油MAP图的测量精度，而无法对偏差、扰动等外界干扰因素进行补偿修正，所以随着电控技术的深入发展，单纯依赖空燃比开环控制已无法满足空燃比控制精度的严格要求，在这种情况下须导入空燃比闭环反馈控制方法。

2.空燃比闭环控制

以Lexus车系为例，其闭环控制由开环控制环节和闭环反馈回路两部分组成，ECM并不只是计算喷油器的喷油脉宽，同时通过λ传感器的输出信号反馈这一脉宽实际形成的空燃比，并与目标空燃比相比较，从而决定下一次的喷油脉宽。显然，闭环控制比开环控制更加精确，因为闭环控制方式可以补偿喷油系统的各种误差，这些误差可能包括空气流量传感器(MAF)误差、喷油压力的误差、喷油器的流量误差等。也就是说，闭环控制不但可以克服各台汽油机之间的差别，还可以克服发动机在整个使用寿命内随使用时间的增加而产生的各种变化。闭环控制的目的，是为了将实际空燃比维持在理论空燃比附近，以保持三元催化转换器的最佳转化效率。要进行空燃比闭环控制，必须配备反应空燃比信息的λ传感器。所以，通常空燃比闭环控制、λ传感器和三元催化转换器三者是互相联系的，缺一不可。

理论上当空燃比为理想空燃比(即14.7：1)时，燃烧1kg燃料所消耗的空气量为14.7kg。但在实际发动机中，燃烧1kg燃料所消耗的空气量不一定就是理论空气量，它与发动机的结构和使用工况密切相关。所供实际空气量可能大于或小于理论空气量，实际空气量与理论空气量的比值称为过量空气系数λ。当λ＞1，表示所供空气量大于理论空气量，这种混合汽称稀混合汽；若λ＜1，表示所供的空气量不足以完全燃烧，这种混合汽称浓混合汽。一般将λ=1时的过量空气系数称为化学计量比。空燃比的闭环控制是为了将空燃比控制在某一个目标恒定值，即为追求最低燃油耗，也为实现最佳排放。

三、PID控制概述

PID(Proportional Integral Derivative)控制是最早发展起来的经典控制策略之一，因其算法简单、鲁棒(Robust)性好和可靠性高而久负盛名，被广泛应用于汽车工业过程控制，当前Lexus量产级发动机电控系统中应用的就是PID经典控制策，如图10所示。

图10 PID控制基理

PID控制又称比例(P)、积分(I)、微分(D)控制，它是一种算法，以结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为汽车工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型，再或控制理论的其他技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，此时运用PID控制技术最为便捷。PID控制就是当给定值(输入)与实际输出值构成控制偏差时，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。

1.比例修正(P)

偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差，比例修正越大作用越强，动态响应越快，消除偏差的能力越强，但实际系统是有惯性的，控制输出变化后，实际值变化还需等待一段时间才会缓慢变化。因其惯性，故比例作用不宜太强，比例作用太强会引起系统震荡不稳定。比例修正的大小应在以上定量计算的基础上根据系统的响应情况，现场调试决定，通常将比例修正由大向小调，以达到最快响应又无超调为最佳。

比例修正的输出与偏差的大小成正比，偏差越大，输出越大；偏差越小，输出越小；通过比例修正可使实际输出值无限趋近于给定值(输入)，但不可能使实际输出值达到给定值(输入)，因此，比例修正不可能完全消除偏差，且必须存在一个稳定的偏差，以维持一个稳定的输出，才能使系统的实际输出值保持稳定。比例修正是存在稳态偏差的，加强比例修正只能减少稳态偏差，不能消除稳态偏差。

2.积分修正(I)

为了消除稳态偏差必须引入积分修正，积分修正可以消除稳态偏差，以使实际输出值最终与给定值(输入)一致。积分修正消除稳态偏差的原理是，只要有偏差存在，就对偏差进行积分，使输出继续增大或减小，一直到偏差为零，积分停止，输出不再变化，系统的实际输出值保持稳定，给定值(输入)等于实际输出值，达到无差调节的效果。但由于实际系统是有惯性的，输出变化后，实际输出值不会马上变化，须等待一段时间才开始缓慢变化，因此，积分的快慢必须与实际系统的惯性相匹配，惯性大，积分修正就应该弱，积分时间就应该长，反之亦然。如果积分修正太强，积分输出变化过快，就会引起积分过冲的现象，产生积分超调和震荡。通常积分修正对稳态偏差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分修正会增大，即便稳态偏差很小，积分修正也会随着时间的增加而增大，它推动控制器的输出增大使稳态偏差进一步减小，直到观察系统响应以能快速消除稳态偏差，达到给定值(输入)，又不引起震荡为准。

3.微分修正(D)

不论比例修正还是积分修正，其作用都是建立在产生偏差后才可以调节以消除偏差，属事后调节，这种调节对稳态来说是无差的，但对动态来说一定是有差的，因为对于负载变化或给定值(输入)变化所产生的扰动，必须等待产生偏差以后才可以再慢慢调节予以消除。通常要求负载变化或给定调整所引起的扰动，恢复到稳态的速度要快，因此，光有比例修正和积分修正还不能完全满足要求，必须引入微分修正，比例修正和积分修正属事后调节(即发生偏差后才进行调节)，而微分修正则是事前预防控制，即一旦发现实际输出值有变大或变小的趋势，立刻输出一个阻止其变化的控制信号，以防止出现过冲或超调。例如：因给定值(输入)调整或负载扰动引起的实际输出值的变化，比例修正和积分修正一定要等到实际输出值变化后才可以调节，且偏差小时，产生的比例修正和积分修正作用也小，反之亦然。因事后调节的动态指标不会理想，而微分修正可以在产生偏差之前，即发现有产生偏差的趋势时就开始修正，是提前控制，所以及时性更好，可以最大限度的减少动态偏差，使整体效果更好。但微分修正只能作为比例修正和积分修正的一种补充，不能起主导作用，且微分修正不能太强，太强也会引起系统不稳定，产生震荡，微分修正只能在比例修正和积分修正调好后再逐步由小往大，一点一点的尝试调整。

四、Lexus车系杯型阶跃式氧传感器空燃比闭环反馈PID控制

空燃比闭环反馈PID控制又称短期燃油校正(Short FT)，如图11、12所示，根据杯型阶跃式氧传感器的结构原理及工作特性，其传感器信号会在理论空燃比即λ=1处产生阶跃，为了将实际空燃比控制在理论空燃比的合理阈值之内，亦为了满足三元催化转换器的最大转换效率，空燃比闭环反馈PID调节不仅要时刻使空燃混合汽的平均值保持在理论值的附近，还须使其在理论值附近产生合理、交替、微量的浓/稀震荡。ECM正是根据传感器的阶跃特性实现对空燃比的闭环反馈，并逐步将空燃比调整到理论值。当λ＜1时，空燃比较小，混合汽较浓，传感器输出高电压。ECM收到高电压后将喷油脉宽比例修正系数先向下阶跃一个值，再逐步减小。由于喷油量逐步减少，混合汽稀化。当λ＞1的稀混合汽抵达传感器时，传感器电平突变为低电压。一旦ECM收到传感器的低电压信号，就将喷油脉宽比例修正系数向上阶跃一个值，再逐步增大。于是喷油量逐渐增多，混合汽逐渐加浓，如此反复，循环不止。简而言之，即ECM参照传感器实时检测的信号反馈电压，通过内部转换成对应的浓/稀状态占比数字信号，并结合ECM的ROM中存储的当前工况下目标空燃混合汽所对应的浓/稀状态占比数字信号，由此判定当前工况下空燃混合汽的浓/稀状态及计算出较于目标空燃比的偏差量。进而采取比例(P)、积分(I)、微分(D)的控制算法，通过ECM内预先存储的大量发动机台架试验中基于各工况闭环反馈控制下对P、I、D各项增益系数的最佳标定，先由比例修正(P)对基本喷油脉宽进行瞬态跳变调节，再由积分修正(I)用于减小和消除当前空燃比相较于目标空燃比的稳态偏差量，并最终实现与目标空燃比的氧传感器的输出波形一致(频率和振幅)，确保当前空燃混合汽在理论空燃比附近合理、交替、微量的浓/稀震荡。微分修正(D)作为P、I修正中的辅助控制，反映信号偏差量的变化趋势即偏差量的变化率，当预测到变化率过快或过慢时，立即输出一个阻止信号，以减小给定值(输入)或实际输出值变化时所产生的惯性扰动。

图11 λ传感器浓/稀信号与空燃比闭环反馈修正系数控制曲线

空燃比闭环反馈修正(Short FT)=比例修正(P)+ 积分修正(I)+微分修正(D)

图12 杯型阶跃式氧传感器信号电压与之对应空燃比闭环反馈控制

五、Lexus车系杯型阶跃式氧传感器空燃比自适应学习修正控制

一台发动机由上百个部件构成，从部件的研发制造，经生产线的配套组装，再到工程技术人员的安装调校，当中都不可避免的存在着生产、装配及调试的一系列误差，其所导致的每台发动机之间的性能并不都是完全一样，以及随时间造成的发动机的磨损、疲劳、老化、使用不同等级的油品及行驶于不同气候环境、不同地域海拔的种种因素，这些都会造成当前空燃比相对理论空燃比的偏离的不断增大，空燃比闭环反馈控制可以实时的修正其偏差，但其修正范围也是有限的。如图13所示，一般为0.8～1.2，当中心反馈值长期偏离浓或稀的一边时，空燃比闭环反馈控制就不能及时将当前空燃比拉回到理论空燃比。因此，最终导致发动机动力性能、排放性能和燃油经济性能的下降。鉴于此，ECM须导入空燃比自适应学习的控制算法来解决如上问题。

图13 λ修正范围

空燃比自适应学习修正也称作长期燃油修正(Long FT)，是对空燃比闭环反馈修正中实际空燃比与目标空燃比值间所形成的长期偏差进行的补偿修正。为了让空燃比闭环反馈修正重新回到正常的修正范围内，并使长期偏离的中心反馈值再次回到理论空燃比的中心，空燃比自适应学习修正总是试图抵消实际空燃比与目标空燃比之间所存在的长期偏差，因空燃比闭环反馈修正与其自身的积分修正(I)的变化趋势一致，由此可间接的将空燃比自适应学习修正与空燃比闭环反馈修正中的积分修正(I)对应联系起来。当发动机进入稳态工况且满足相应使能条件时(表2)，ECM导入空燃比自适应学习修正。

表2 空燃比自适应学习修正使能条件

如图14所示，杯型阶跃式氧传感器的信号电压反馈当前闭环工况下空燃混合汽呈现偏浓状态，通过空燃比闭环反馈PID控制，须在当前基本喷油持续时间的基础上扣除其5.5%的喷油持续时间占比，方可将原本已偏离理论空燃比的中心反馈值拉回中心(λ=1)，此稳态保持一定时长后，为了保证空燃比闭环反馈修正对空燃混合汽的实时精准控制，ECM 导入空燃比自适应学习修正控制。自适应学习的设置是以空燃比闭环反馈修正为基础，由原先的初始值为0%通过自适应学习变为-5.5%，这样使得空燃比闭环反馈修正重新回到0%，当该稳态继续保持一定时长后，说明此刻的空燃比自适应学习修正已经能够有效的对空燃比闭环反馈修正进行补偿，遂停止学习更新，并将当前自适应学习值保存并烧写回ECM电可擦可编程只读存储器(EEPROM)中以替换原自学习单元中的自适应学习值。新存储的数据将在发动机再次遇到类似的环境和工况下工作时使用。好比经过长时间使用的车辆，由于磨损、疲劳、老化引起的发动机某些工况下的混合汽偏浓或偏稀的情况，若只应用空燃比闭环反馈修正并不能快速且有效的将其拉回理论空燃比，须通过空燃比自适应学习修正的变动进行补偿，最终将补偿的量直接加成到基本喷油脉宽上以改善该工况下的总喷油持续时间，并在开环控制中，通过查表法，将先前闭环控制中与之对应工况下的更新后的学习值直接提调并作用在预先标定基本喷油脉宽上。由于ECM对开环控制不进行反馈，因此，空燃比自适应学习修正对用于开环控制的校正也显得尤为重要。简而言之，空燃比自适应学习修正是基于ECM持续针对空燃比闭环反馈修正结果的量变基础上形成的质的改变，也可视为当超出系统控制能力范围之外时，通过逐渐变化以适应对发动机运行状态的一种附加修正。最终经补偿修正后的实际喷油量由基本喷油量和各种补偿喷油量组成。公式如下：

图14 基于杯型阶跃式氧传感器的空燃比自适应学习修正

(1)基本喷油量由发动机转速和发动机负载(进气歧管压力或空气流量计)决定的喷射量。

(2)喷射校正系数根据当前工况要求修正喷油量(根据冷却液温度、进气修正系数、电压修正系数的计算)。

(未完待续)