热膜式空气质量流量传感器动态非线性建模

　　1　引　言

　　空燃比是发动机运行的一个重要参数,它对尾气排放、发动机的动力性和经济性都有很大影响。特别是当前空气污染日益严重,对汽车尾气排放要求越来越严格,就需要对空燃比进行精确的控制。其中一种控制方案是使用空气质量流量(mass airflow,MAF)传感器来检测发动机进气量,为电子控制单元提供入口空气量的信息,以控制喷油量,得到理想空燃比。MAF传感器有很多种,如涡街MAF传感器、热线式MAF传感器和热膜式MAF传感器[1],其中,热膜式MAF传感器是用电流加热的电阻器作为发热元件,利用发热元件与空气之间的热传递现象,测定空气质量流量[2]。在气缸运动过程中,随活塞上下运动,进入气缸的气体随时变化,要精确测量入口气体,就需要了解MAF传感器的动态特性。由于热膜式MAF传感器自身的结构和本身信号转换原理,静态特性标定实验时,出现了明显的非线性特性,而当我们研究其动态性能时,也发现其存在非线性现象。动态非线性问题影响了传感器动态精度[3]。为此,国外学者对热膜式MAF传感器动态非线性进行了研究。

　　Buehler等提出以综合信息方法分析和控制MAF传感器,以节流阀位置传感器和发动机速度传感器信息,来预测MAF传感器输出,将预测值与实测的MAF传感器输出进行比较,调整模型参数,得到MAF传感器在不同进气量下的特性,以控制进气量[4]。Mrad等提出用时变自回归滑动平均模型描述系统动态非线性过程[5]。该模型的参数为时间的函数,并且其结构形式也随时间变化。整体看来,国外的研究着重于如何控制进气量,并没有给出该传感器的具体动态模型。国内的研究多侧重于热膜式MAF传感器自身的结构、静态特性及其在各个系统中的运用。

　　为了得到热膜式MAF传感器的动态非线性模型,提出采用基于多幅值阶跃输入信号的Hammer-stein模型建模,将静态非线性过程和动态线性过程分离,进行两步辨识。

　　2　传感器动态标定实验装置

　　为了得到热膜式MAF传感器的动态特性,做了动态标定实验。实验设备包括2台三相异步电动机,2台离心通风机,2个手动阀门,1个160升稳压罐,1个电磁阀,1个热膜式MAF传感器,1台直流电源,1台示波器,1台数字万用表,1台气体层流流量计,1台补偿微压计,以及直径为60 mm的管道若干。

　　实验开始,先接通电源,通风机开始抽气,气流由空气滤清器流过层流流量计,通过管道进入热膜式MAF传感器,再经过管道流过电磁阀,然后进入稳压罐,最后通过通风机(抽气)排出。其装置连接如图1所示。

　　动态标定中,选流量范围为8~52 g/s中的8.616 4 g/s、16.554 5 g/s、24.252 9 g/s、31.805 8 g/s、39.246 6 g/s、46.769 9 g/s、51.258 9 g/s等7个流量点,进行多次正、负阶跃实验。步骤为:先使电磁阀处于打开状态,分别调节微压计到设定值(5 mm,10mm,15 mm,20 mm,25 mm,30 mm,33 mm),再调节风机阀门控制进气量,使微压计稳定于设定值,即可得到稳定流量。此时突然关闭电磁阀,使空气流量从一个定值突降为零,产生流量的负阶跃输入,从而得到传感器的负阶跃响应,由示波器记录传感器电压的输出。然后,在该状态下突然打开电磁阀,使流量又从零升回到固定值,这样便得到传感器正阶跃响应,由示波器记录,采样频率为2500 Hz。虽然,由这套实验设备产生的阶跃信号不够标准,但是,基本上可以满足对传感器动态特性研究的需要。实验结果中发现,在不同的流量下,动态响应并不能用同一个线性传递函数描述,即不满足线性系统的齐次性和叠加性,所以,该传感器存在动态非线性。