CN104005825B - 排气传感器诊断和控制自适应 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及排气传感器诊断和控制自适应。提供了用于调整耦联在发动机排气装置中的排气传感器的前馈控制器的方法和***。在一个实施例中，该方法包含响应于来自排气传感器的前馈控制器的排气氧反馈而调整燃料喷射，以及响应于氧传感器退化的类型而调整前馈控制器的一个或多个参数。以此方式，可以基于退化行为的类型和大小自适应前馈控制器，以增加空气‑燃料控制***的性能。

Description

排气传感器诊断和控制自适应
技术领域
本发明涉及排气传感器诊断和控制自适应。
背景技术
具有前馈(anticipatory)控制器的排气传感器可以设置在车辆的排气***中，以检测从车辆的内燃发动机中排出的排气的空燃比。排气传感器读数可以用来控制内燃发动机的运转，以推动车辆。
排气传感器的退化会引起可能导致排放增加和/或车辆驾驶性能减低的发动机控制退化。因此，排气传感器退化的准确确定和随后对前馈控制器参数的调整可以降低基于来自退化的排气传感器的读数的发动机控制的可能性。具体地，排气传感器可以表现出六种离散类型的退化行为。退化行为类型可以分成过滤型退化行为和延迟型退化行为。表现出过滤型退化行为的排气传感器会具有退化的时间常数的传感器读数，而表现出延迟型退化行为的排气传感器会具有退化的时间延迟的传感器读数。响应于传感器退化，可以调整前馈控制器参数，以增加退化的排气传感器的读数的准确性。
响应于退化的行为而调整排气传感器的前馈控制器参数的以前方法包括，不考虑传感器退化的类型和大小而减小前馈控制器增益。在一个示例中，为了维持前馈控制器***的稳定性，可以积极地减小控制器增益，以降低***不稳定性。然而，以此方式调整控制器参数会导致空气燃料控制***的性能降低。
发明内容
本发明人已经认识到上述问题，并且已经确定了用于响应于氧传感器退化的类型而调整排气传感器的前馈控制器的一个或多个参数的方法。氧传感器退化的类型可以包括过滤退化或延迟退化。在一个示例中，可以通过大于预期时间常数的退化时间常数指示过滤退化，以及可以通过大于预期时间延迟的退化时间延迟指示延迟退化。可以从退化时间常数和/或退化时间延迟确定传感器退化的大小。调整前馈控制器的一个或多个参数可以包括调整比例增益、积分增益、控制器时间常数和控制器时间延迟。控制器时间常数和时间延迟可以被前馈控制器的延迟补偿器使用。
在一个示例中，响应于延迟退化可以以第一量调整前馈控制器的参数，以及响应于过滤退化可以以第二不同量调整前馈控制器的参数。然后可以响应于来自前馈控制器的排气氧反馈而调整发动机的燃料喷射。调整参数的量可以进一步基于退化时间常数和/或退化时间延迟的大小。因此，可以基于退化行为的类型和大小自适应前馈控制器。以此方式，可以增加空气-燃料控制***的性能。
当单独或结合附图时从以下具体实施方式看，本发明的上述优点和其它优点以及特征将是明显的。
应当理解，提供以上概述是为了以简化的形式介绍构思的选择，这些构思在具体实施方式中被进一步描述。这并不意味着确定所要求保护的主题的关键或基本特征，要求保护的主题的范围被紧随具体实施方式之后的权利要求唯一地限定。此外，要求保护的主题不限于解决在上面或在本公开的任何部分中提及的任何缺点的实施方式。
附图说明
图1示出了包括排气传感器的车辆的推进***的实施例的示意图。
图2示出了表示排气传感器的对称过滤型退化行为的曲线图。
图3示出了表示排气传感器的非对称浓至稀(rich-to-lean)过滤型退化行为的曲线图。
图4示出了表示排气传感器的非对称稀至浓(lean-to-rich)过滤型退化行为的曲线图。
图5示出了表示排气传感器的对称延迟型退化行为的曲线图。
图6示出了表示排气传感器的非对称浓至稀延迟型退化行为的曲线图。
图7示出了表示排气传感器的非对称稀至浓延迟型退化行为的曲线图。
图8示出了对被命令进入DFSO的示例退化排气传感器响应的曲线图。
图9是图示用于基于退化类型和大小调整排气传感器的前馈控制器的参数的方法的流程图。
图10是图示用于基于过滤退化行为确定气传感器的前馈控制器的调整参数的方法的流程图。
图11是图示用于基于延迟退化行为确定气传感器的前馈控制器的调整参数的方法的流程图。
具体实施方式
以下描述涉及用于调整被耦联在发动机排气装置中的排气传感器(诸如图1所示的排气传感器)的前馈控制器的***和方法。具体地，可以响应于氧传感器退化的类型而调整前馈控制器的一个或多个参数。在图2-7介绍了排气传感器(例如，排气氧传感器)的六种类型的退化行为。六种类型的退化行为可以分成两组：过滤型退化和延迟时间退化。可以通过传感器响应的退化时间常数指示过滤型退化，并且可以通过传感器响应的退化时间延迟指示延迟型退化。可以基于退化的大小和类型调整前馈控制器的参数，由此改变排气传感器的输出。图9介绍了用于基于退化的类型和大小调整排气传感器的前馈控制器的参数并且随后调整发动机的燃料喷射的方法。图10和11示出了用于基于退化行为确定前馈控制器的调整参数的方法。以此方式，可以基于退化行为的类型和大小自适应前馈控制器，以增加空气-燃料控制***的性能。
图1是示出多气缸发动机10的一个汽缸的示意图，多气缸发动机10可以被包括在车辆的推进***中，其中排气传感器126可以用来确定由发动机10产生的排气的空燃比。空燃比(以及其他运转参数)可以用于发动机10在各种运转模式下的反馈控制。发动机10可以至少部分地由包括控制器12的控制***以及经由输入装置130来自车辆操作者132的输入来控制。在这个示例中，输入装置130包括加速器踏板和用于产生成比例的踏板位置信号PP的踏板位置传感器134。发动机10的燃烧室(即汽缸)30可以包括燃烧室壁32，活塞36设置在其中。活塞36可以耦联至曲轴40，使得活塞的往复运动转换为曲轴的旋转运动。曲轴40可以经由中间变速器***耦联至车辆的至少一个驱动轮。此外，启动马达可以经由飞轮耦联至曲轴40，以实现发动机10的启动运转。
燃烧室30可以经由进气道42从进气歧管44接收进气，并且可以经由排气道48排出燃烧气体。包括节流板64的节气门62可以提供在进气歧管44与进气道42之间，用于改变提供给发动机汽缸的进气的流速和/或压力。调整节流板64的位置可以增大或减小节气门62的开口，由此改变进入发动机汽缸的进气的质量空气流量或流速。例如，通过增大节气门62的开口，可以增加质量空气流量。相反，通过减小节气门62的开口，可以减少质量空气流量。以此方式，调整节气门62可以调整进入燃烧室30用于燃烧的空气量。例如，通过增加质量空气流量，可以增加发动机的扭矩输出。
进气歧管44和排气道48可以经由各自的进气门52和排气门54与燃烧室30选择性地连通。在一些实施例中，燃烧室30可以包括两个或更多个进气门和/或两个或更多个排气门。在这个示例中，可以经由各自的凸轮致动***51和53通过凸轮致动控制进气门52和排气门54。凸轮致动***51和53均可以包括一个或多个凸轮，并且可以使用可由控制器12运转以改变气门运转的凸轮廓线变换(CPS)、可变凸轮正时(VCT)、可变气门正时(VVT)和/或可变气门升程(VVL)***中的一个或多个。进气门52和排气门54的位置可分别由位置传感器55和57确定。在可替代的实施例中，进气门52和/或排气门54可以通过电气门致动控制。例如，汽缸30可以可替代地包括经由电力气门驱动控制的进气门和经由包括CPS和/或VCT***的凸轮致动控制的排气门。
燃料喷射器66被显示为以如下构造布置在进气歧管44中，该构造提供向燃烧室30上游的进气口的所谓的燃料的气口喷射。燃料喷射器66可以经由电子驱动器68与从控制器12接收的信号FPW的脉冲宽度成比例地喷射燃料。燃料可以通过包括燃料箱、燃料泵和燃料管路的燃料***(未示出)输送至燃料喷射器66。在一些实施例中，燃烧室30可以可替代地或另外地包括直接耦联至燃烧室30的燃料喷射器，该燃料喷射器用于以所谓的直接喷射的方式将燃料直接喷射到燃烧室30中。
在选定的运转模式下，响应于来自控制器12的点火提前信号SA，点火***88可以经由火花塞92向燃烧室30提供点火火花。尽管示出了火花点火部件，但在一些实施例中，在具有或不具有点火火花的情况下都可以以压缩点火模式使发动机10的燃烧室30或一个或多个其他燃烧室运转。
排气传感器126被显示为耦联至排放控制装置70上游的排气***50的排气道48。排气传感器126可以是用于提供排气空燃比指示的任何合适的传感器，例如线性氧传感器或UEGO(通用或宽域排气氧传感器)、双态氧传感器或EGO、HEGO(加热型EGO)、NOx、HC或CO传感器。在一些实施例中，排气传感器126可以是设置在排气***中的多个排气传感器中的第一个。例如，另外的排气传感器可以设置在排放控制装置70的下游。
排放控制装置70被显示为沿排气传感器126下游的排气道48布置。排放控制装置70可以是三元催化剂(TWC)、NOx捕集器、各种其他排放控制装置或其组合。在一些实施例中，排放控制装置70可以是设置在排气***中的多个排放控制装置中的第一个。在一些实施例中，在发动机10的运转期间，排放控制装置70可以通过使发动机中的至少一个汽缸在特定空燃比内运转而周期性地重置。
控制器12在图1被示为微型计算机，其包括微处理器单元102、输入/输出端口104、在这个具体示例中作为只读存储器芯片106示出的用于可执行程序和校准数值的电子存储介质、随机存取存储器108、保活存储器110和数据总线。控制器12可以接收来自耦联至发动机10的传感器的各种信号，除了之前所讨论的那些信号外，还包括来自质量空气流量传感器120的进气质量空气流量计(MAF)的测量；来自耦联至冷却套筒114的温度传感器112的发动机冷却剂温度(ECT)；来自耦联至曲轴40的霍尔效应传感器118(或其他类型)的表面点火感测信号(PIP)；来自节气门位置传感器的节气门位置(TP)；以及来自传感器122的歧管绝对压力信号MAP。发动机转速信号RPM可以通过控制器12由信号PIP产生。来自歧管压力传感器的歧管压力信号MAP可以用来提供进气歧管内的真空或压力的指示。注意，可以使用上述传感器的各种组合，例如有MAF传感器而没有MAP传感器，反之亦然。在理论配气比的运转期间，MAP传感器可以给出发动机扭矩的指示。此外，该传感器连同所检测的发动机转速可以提供进入气缸内的充气(包括空气)的估算。在一个示例中，也用作发动机转速传感器的传感器118可以在曲轴的每次旋转产生预定数量的等间距脉冲。
此外，上述信号中的至少一些可以在各种排气传感器退化确定方法中使用，这将在下文中进一步描述。例如，发动机转速的倒数可以用来确定与喷射-进气-压缩-膨胀-排气循环相关的延迟。作为另一示例，速度的倒数(或MAF信号的倒数)可以用来确定与排气从排气门54到排气传感器126的通过相关的延迟。上述示例以及发动机传感器信号的其他应用可以用来确定被命令空燃比改变与排气传感器响应速率之间的时间延迟。
在一些实施例中，可以在专用控制器140中进行排气传感器退化确定与校准。专用控制器140可以包括处理设备142，以负责与排气传感器126的退化确定的产生、校准以及确认相关的信号处理。具体地，对于车辆的动力***控制模块(PCM)的处理设备而言，用来记录排气氧传感器的响应速率的样本缓冲器(例如，每排发动机每秒产生大约100个样本)可能过大。因此，专用控制器140可以与控制器12可操作地耦联，以进行排气传感器退化确定。注意，专用控制器140可以接收来自控制器12的发动机参数信号，并且可以向控制器12发送发动机控制信号和退化确定信息以及其他通信。
排气传感器126可以包含前馈控制器。在一个示例中，前馈控制器可以包括PI控制器和延迟补偿器(诸如史密斯预估器(例如，SP延迟补偿器))。PI控制器可以包含比例增益KP和积分增益KI。史密斯预估器可以用于延迟补偿，并且可以包括时间常数TC-SP和时间延迟TD-SP。因此，比例增益、积分增益、控制器时间常数和控制器时间延迟可以是排气传感器的前馈控制器的参数。调整这些参数可以改变排气传感器126的输出。例如，调整上述参数可以改变由排气传感器126产生的空燃比读数的响应速率。响应于排气传感器的退化，可以调整在上面列出的控制器参数，以补偿退化，并且增加空燃比读数的准确性，由此增加发动机控制和性能。专用控制器140可以被可通信地耦联至前馈控制器。因此，专用控制器140和/或控制器12可以基于利用任何可用的诊断方法确定的退化类型调整前馈控制器的参数，这将在下文中进行描述。在一个示例中，可以基于退化的大小和类型调整排气传感器的控制器参数。在下文中参照图2-7讨论六种类型的退化行为。在下文中参照图9-11介绍调整排气传感器的控制器的增益、时间常数和时间延迟的进一步细节。
注意，存储介质只读存储器106和/或处理设备142可以用计算机可读数据编程，该计算机可读数据表示可由处理器102和/或专用控制器140执行、用于执行以下所述方法以及其他变型的指令。
如上所述，可以基于由排气传感器在浓至稀转变和/或稀至浓转变过程中产生的空燃比读数的响应速率的延迟所表示的六种离散行为中的任一种，或在一些示例中每一种，确定排气传感器退化。图2-7各示出了表示六种离散类型的排气传感器退化行为其中一种的曲线图。曲线图标绘了空燃比(λ)与时间(秒)。在每个曲线图中，虚线表示被命令的λ信号，其可以发送给发动机部件(例如，燃料喷射器、汽缸气门、节气门、火花塞等)，以产生经过(progresses through)包含一个或多个稀至浓转变和一个或多个浓至稀转变的循环的空燃比。在所描述的附图中，发动机进入以及退出减速燃料切断(例如，DFSO)。在每个曲线图中，短划线表示排气传感器的预期的λ响应时间。在每个曲线图中，实线表示将由退化的排气传感器响应于被命令的λ信号而产生的退化λ信号。在每个曲线图中，双箭头线表示给出的退化行为类型与预期λ信号不同之处。
图1的***可以提供用于包括如下发动机的车辆的***，所述发动机包括燃料喷射***和耦联在发动机的排气***中的排气传感器，所述排气传感器具有前馈控制器。该***还可以包括包含可执行指令的控制器，以便响应排气传感器的退化而调整前馈控制器的一个或多个参数，其中调整量基于排气传感器的退化行为的大小和类型。另外，可以基于来自前馈控制器的排气氧反馈调整燃料喷射***的燃料量和/或正时。
图2示出了表示可由退化的排气传感器表现出的第一种类型的退化行为的曲线图。第一种类型的退化行为是对称过滤型，其包括对用于浓至稀和稀至浓调节的被命令λ信号的缓慢排气传感器响应。换句话说，退化的λ信号会在预期的时间开始浓至稀和稀至浓的转变，但响应速率会低于预期的响应速率，这会导致稀和浓峰值时间减少。
图3示出了表示可由退化的排气传感器表现出的第二种类型的退化行为的曲线图。第二种类型的退化行为是非对称浓至稀过滤型，其包括对用于从浓转变至稀空燃比的被命令λ信号的缓慢排气传感器响应。这种行为类型会在预期的时间开始浓至稀的转变，但响应速率会低于预期的响应速率，这会导致稀峰值时间减少。这种类型的行为可以被认为是非对称的，因为排气传感器的响应在从浓至稀的转变过程中缓慢(或低于预期)。
图4示出了表示可由退化的排气传感器表现出的第三种类型的退化行为的曲线图。第三种类型的退化行为是非对称稀至浓过滤型，其包括对用于从稀转变至浓空燃比的被命令λ信号的缓慢排气传感器响应。这种行为类型会在预期的时间开始从稀至浓的转变，但响应速率会低于预期的响应速率，这会导致浓峰值时间减少。这种类型的行为可以被认为是非对称的，因为排气传感器的响应仅在从稀至浓的转变过程中缓慢(或低于预期)。
图5示出了表示可能由退化的排气传感器表现出的第四种类型的退化行为的曲线图。第四种类型的退化行为是对称延迟型，其包括对用于浓至稀和稀至浓调节的被命令λ信号的延迟响应。换句话说，退化的λ信号会在比预期时间延迟的时间开始从浓至稀和从稀至浓的转变，但各个转变会以预期的响应速率发生，这会导致稀和浓峰值时间改变。
图6示出了表示可能由退化的排气传感器表现出的第五种类型的退化行为的曲线图。第五种类型的退化行为是非对称浓至稀延迟型，其包括对从浓至稀空燃比的被命令λ信号的延迟响应。换句话说，退化的λ信号会在比预期时间延迟的时间开始从浓至稀的转变，但转变会以预期的响应速率发生，这会导致稀峰值时间改变和/或减少。这种类型的行为可以被认为是非对称的，因为排气传感器的响应仅在从浓至稀的转变过程中比预期开始时间延迟。
图7示出了表示可能由退化的排气传感器表现出的第六种类型的退化行为的曲线图。第六种类型的退化行为是非对称稀至浓延迟型，其包括对从稀至浓空燃比的被命令λ信号的延迟响应。换句话说，退化的λ信号在比预期时间延迟的时间开始从稀至浓的转变，但转变会以预期的响应速率发生，这会导致浓峰值时间改变和/或减少。这种类型的行为可以被认为是非对称的，因为排气传感器的响应仅在从稀至浓的转变过程中比预期开始时间延迟。
在上文中所描述的排气传感器的六种退化行为可以分为两组。第一组包括空燃比读数的响应速率减小(例如，响应滞后增加)的过滤型退化。因此，响应的时间常数可能改变。第二组包括空燃比读数的响应时间被延迟的延迟型退化。因此，空燃比响应的时间延迟可以比预期的响应增加。
过滤型退化和延迟型退化对排气传感器的动态控制***具有不同影响。具体地，过滤型退化行为中的任一种可以引起动态***从一阶***增加至二阶***，而延迟时间退化行为中的任一种可以利用延迟将***维持为一阶***。如果检测到过滤型退化，映射方法可以用来将二阶***转换为一阶***。然后可以基于退化的时间常数来确定新的控制器时间常数、时间延迟和增益。如果检测到延迟型退化，可以基于退化的时间延迟确定新的控制器时间延迟和增益。在下文中参照图9-11进一步描述基于传感器退化的类型和大小调整排气传感器的控制器参数的进一步细节。
各种方法可以用于诊断排气传感器的退化行为。在一个示例中，可以基于在空燃比被命令改变的过程中收集的一组排气传感器响应中的每个样本的时间延迟和行长(linelength)指示退化。图8图示了从对被命令进入DFSO的排气传感器响应确定时间延迟和行长的示例。具体地，图8示出了图示与参照图2-7所描述的λ类似的被命令的λ、预期的λ和退化的λ的曲线图210。图8图示了浓至稀和/或对称延迟退化，其中对被命令的空燃比改变的响应时间延迟被延迟。箭头202图示了时间延迟，其为从λ被命令改变到观察到测得的λ的阈值改变时(τ0)的持续时间。λ的阈值改变可以是指示对命令改变的响应已经开始的微小改变，例如，5％、10％、20％等。箭头204表示响应的时间常数(τ63)，其在一阶***中是从τ0到实现63％稳态响应时的时间。箭头206表示从τ0到实现95％期望响应时的持续时间，另外被称为阈值响应时间(τ95)。在一阶***中，阈值响应时间(τ95)大约等于三倍时间常数(3*τ63)。
从这些参数，可以确定关于排气传感器响应的各种细节。首先，由箭头202表示的时间延迟可以与预期的时间延迟进行比较，以确定传感器是否正表现出延迟退化行为。其次，由箭头204表示的时间常数可以用来预测τ95。最后，可以基于λ在τ0处开始随响应的持续时间的改变确定由箭头206表示的行长。行长是传感器信号长度，并且可以用来确定响应退化(例如，过滤型退化)是否存在。可以基于如下公式确定行长：
如果确定的行长大于预期的行长，排气传感器则会表现出过滤型退化。退化的排气传感器响应的时间常数和/或时间延迟可以被控制器用来调整排气传感器的控制器参数。下文在图9-11介绍基于退化行为调整排气传感器的控制器参数的方法。
在另一示例中，可以通过在稳态工况下监测多组连续的λ样本的极值分布特征来指示排气传感器退化。在一个示例中，特征可以是在稳态工况期间收集的极限λ微分的广义极值(GEV)分布的模式和中心峰值。可以基于中心峰值的大小和/或模式的大小确定非对称延迟或非对称缓慢响应退化。进一步的分类(例如对称延迟或对称缓慢响应)可以基于确定的传感器延迟或确定的传感器时间常数。具体地，如果确定的传感器时间延迟大于标称的时间延迟，指示传感器对称延迟(例如，指示延迟型退化)。标称的传感器时间延迟是基于从燃料喷射、燃烧和排气从燃烧室行进至排气传感器时开始的延迟对被命令空燃比改变的传感器响应的预期延迟。确定的时间延迟可以是当传感器实际输出指示改变的空燃比的信号时。类似地，如果确定的传感器时间常数大于标称的时间常数，指示传感器对称响应退化行为(例如，指示过滤型退化)。标称的时间常数可以是指示传感器多快对λ被命令改变响应的时间常数，并且可以基于非退化的传感器功能而离线地确定。如上所述，退化的排气传感器响应的确定的时间常数和/或时间延迟可以被控制器用来调整排气传感器控制器的参数。
在另一示例中，可以通过从两种运转模型(浓燃模型和稀燃模型)估计的参数指示排气传感器退化。被命令的空燃比和由排气传感器指示的空燃比可以与产生空燃比的燃烧是浓型(例如，将被命令的λ输入到浓模型内)的假设进行比较，以及与燃烧事件是稀型(例如，将被命令的λ输入到稀模型内)的假设进行比较。对于每个模型而言，可以估计使被命令的λ值与测得的λ值最佳匹配的一组参数。模型参数可以包括模型的时间常数、时间延迟和静态增益。每个模型的估计参数可以相互进行比较，并且可以基于估计参数之间的差指示传感器退化的类型(例如，过滤型与延迟型)。
诊断排气传感器退化的上述方法中的一种或更多种可以在下文中(图9-11)进一步描述的程序中使用。这些方法可以用来确定排气传感器是否退化，以及如果退化，发生的是什么类型的退化(例如，过滤或延迟型)。另外，这些方法可以用来确定退化的大小。具体地，上述方法可以确定退化的时间常数和/或时间延迟。
在一些实施例中，为了校准排气传感器，可以模拟并且诱发排气传感器退化。例如，故障诱发器(fault inducer)可以外部地作用于排气传感器***。在一个示例中，故障诱发器可以诱发过滤型故障，由此模拟过滤型退化行为。这可以将排气传感器的前馈控制器***转换为二阶***。然后可以利用***识别方法来确定诱发的故障或模拟的退化的大小。可代替地，上述其他方法中的一种可以用来从排气传感器的空燃比响应确定退化的大小。
利用***识别方法，可以通过频域对象模型G1(s)描述前馈控制器的标称***运转。在***上诱发的过滤故障可以由G2(s)给出。因此，可以通过以下公式描述排气传感器的故障的或退化的前馈控制器***：
在这个二阶连续时间模型中，Td是时间延迟，τ1是标称***的时间常数，而τ2是故障的或退化的***的时间常数。AsG1(s)*G2(s)≠G1(z)*G2(z)，G1(z)和G2(z)是标称***和诱发故障各自的离散时域模型，二阶连续时间模型可与一阶离散时间模型关联。通过重新整理上述等式，我们获得以下等式：
一阶***的等效Z-变换：
为：
其中a是极点(pole)，而Ts是采样时间。于是，
变为：
然后，重新整理，我们获得以下等式：
其中，
现在，为了利用系数a1、b1和b2获得τ1和τ2，求解极点的分母的二阶等式。然后，每个极点被映射到频域极点：
由于存在标称***和故障***的真正(real positive)时间常数，故障诱发器产生过阻尼的二阶***。这保证了Δ不会是负的。最后，利用z1和z2计算τ1和τ2：
为了估计系数a1、b1和b2，差分方程可以被书写为以下矢量积的形式：
于是，这个方程可以被书写为以下矩阵的形式：
Y＝AX
这里，A是利用输入和输出数据建立的***信息矩阵，X是未知系数的矢量，而Y是输出的倒数第(n-1-d)个值的矢量，其中d是延迟参数(正整数)。利用代数，可以通过求信息矩阵A的伪反向矩阵来获得X：
X＝M-1ATY
其中，
M＝ATA
递归实现可以计算X；然而，由于矩阵M是3x#，可以利用以下公式获得倒数：
其中，
D＝a11(a33a22-a32a23)-a21(a33a12-a32a13)
+a31(a23a12-a22a13)
算法的递归实现可以具有关于即时实现的一些优势，特别是在不充分的输入激励和测量噪声以及可能的矩阵M奇异性的实际情况下。递归识别方法基于用于估计虚拟MISO***的状态的卡尔曼过滤器的应用：
X(k+1)＝X(k)
其中X(k)和θ(k)是参数和输入/状态回归量矢量，被定义为：
θT(k)＝[u(k-1-d)-y(k-1)-y(k-2)]
通过卡尔曼过滤进行未知模型参数的实时获知估计：
X(k)＝X(k)+C(k)Θ(k)(y(k)-ΘT(k)X(k))
C(k)＝C(k-1)-C(k-1)Θ(k)(λ+ΘT(k)C(k-1)Θ(k))-1ΘT(k)C(k-1)
其中C(k)是递归计算的反向协方差矩阵，而0＜λ＜1是解释模型参数非平稳性的遗忘因子。
以此方式，***识别方法可以用来确定标称的时间常数和退化的(或故障的)时间常数。这些值然后可以用来确定排气传感器的前馈控制器参数。下文在图9-11描述了用于确定这些参数的方法。
在确定排气传感器退化之后，上述方法中的一种可以用来确定退化的响应的时间常数和/或时间延迟。这些参数可以在本文中被称为退化的(例如，故障的)时间常数TC-F和退化的时间延迟TD-f。然后可以使用退化的时间常数和时间延迟以及标称的时间常数TC-nom和标称的时间延迟TD-nom来确定前馈控制器的调整参数。如上所述，前馈控制器的调整参数可以包括比例增益KP、积分增益KI、控制器时间常数TC-SP和控制器时间延迟TD-SP。调整的控制器参数可以进一步基于标称的***参数(例如，在前馈控制器中预先设定的参数)。通过调整控制器增益和SP延迟补偿器的时间常数与时间延迟，空燃比命令追踪的准确性会增加，并且前馈控制器的稳定性会增加。因此，在排气传感器***内应用调整的控制器参数之后，发动机控制器可以基于排气传感器的空燃比输出调整燃料喷射正时和/或量。在一些实施例中，如果排气传感器退化超过阈值，发动机控制器可以另外警告车辆操作者。
以此方式，可以响应于来自排气传感器的前馈控制器的排气氧反馈而调整燃料喷射。另外，可以响应于氧传感器退化的类型而调整前馈控制器的一个或多个参数。氧传感器退化的类型可以包括过滤退化或延迟退化。前馈控制器的一个或多个参数可以包括比例增益、积分增益、控制器时间常数和控制器时间延迟。在一个示例中，通过大于预期时间常数的退化时间常数来指示过滤退化。在另一示例中，可以通过除标称时间常数之外的退化时间常数来指示过滤退化。在另一示例中，通过大于预期时间延迟的退化时间延迟来指示延迟退化。退化时间常数可以是排气传感器在过滤型退化存在的情况下退化响应的时间常数。类似地，退化时间延迟可以是排气传感器在延迟型退化存在的情况下退化响应的时间延迟。
如上所述，可以基于氧传感器退化的类型(例如，过滤与延迟退化)调整前馈控制器参数。例如，可以响应于延迟退化和过滤退化而调整积分增益。调整积分增益可以基于退化的时间延迟和退化的时间常数中的一个或多个。可以响应于延迟退化以第一量调整比例增益，以及响应于过滤退化以第二不同量调整比例增益。以第一量调整比例增益可以基于退化的时间延迟，而以第二量调整比例增益可以基于退化的时间常数。可以响应于过滤退化调整控制器时间常数，而不响应于延迟退化调整控制器时间常数。调整控制器时间常数可以基于退化的时间常数。最后，可以响应于过滤退化以第一量调整控制器时间延迟，以及响应于延迟退化以第二量调整控制器时间延迟。以第一量调整控制器时间延迟可以基于退化的时间常数，而以第二量调整控制器时间常数可以基于退化的时间延迟。在一些实施例中，可以利用故障诱发器诱发过滤退化，故障诱发器外部地作用于前馈控制器。
现在转向图9，描述了基于退化的类型和大小调整排气传感器的前馈控制器的参数的示例方法900。方法900可以由车辆的控制***(诸如控制器12和/或专用控制器140)实施，以经由传感器(诸如排气传感器126)监测空燃比响应。
方法900在902处以确定发动机工况开始。发动机工况可以基于来自各种发动机传感器的反馈而确定，并且可以包括发动机转速和负荷、空燃比、温度等。方法900然后行进到926，以确定是否是诱发排气传感器退化的时候。如上所述，在一些实施例中，可以为测试和/或校准的目的诱发排气传感器退化。在一个示例中，可以利用故障诱发工具(诸如故障诱发器)诱发退化。故障诱发器可以被包括，作为专用控制器140和/或控制器12的部分。以此方式，故障诱发器可以外部地作用于排气传感器的前馈控制器***。控制器可以确定故障(例如，退化)应当何时被故障诱发器诱发。例如，可以在车辆运转一段时间之后诱发故障。可代替地，故障可以作为车辆运转期间的维护检测而诱发。以此方式，通过诱发不同的传感器退化行为以及调整前馈控制器的参数，可以校准排气传感器。
如果控制器确定是诱发退化的时候，该方法继续至928，以诱发退化。这可以包括利用上述的故障诱发器诱发退化。在一个示例中，仅可以诱发一种类型的故障或退化行为(例如，在图2-7中介绍的六种行为中的一种)。在另一示例中，一次可以诱发多于一种类型的退化行为。在另一示例中，可以诱发全部六种类型的退化行为，以充分地校准排气传感器。在经由故障诱发器诱发故障被模拟之后，该方法继续至908，以确定传感器退化的类型，这将在下文中进一步描述。
然而，如果在926处不是诱发退化的时候，方法300行进到904。基于902处的状况，方法900在904处确定排气传感器监测条件是否满足。在一个示例中，这可以包括发动机是否正在运行以及所选条件是否满足。所选条件可以包括输入参数是可运转的，例如，排气传感器处在正输出功能读数的温度。另外，所选条件可以包括燃烧正在发动机的汽缸中发生，例如，发动机未处在关闭模式(诸如减速燃料切断(DFSO))，或发动机正在稳态条件下运转。
如果确定发动机未正在运行和/或所选条件未满足，方法900返回，并不监测排气传感器功能。然而，如果在904处排气传感器条件满足，该方法行进到906，以收集排气传感器的输入和输出数据。这可以包括收集以及存储由传感器检测的空燃比(例如，λ)数据。该方法在906处可以继续直至收集到908处的退化确定方法所必需的样本数(例如，空燃比数据)。
在908处，方法900包括基于收集的传感器数据确定排气传感器是否退化。该方法在908处还可以包括确定排气传感器的退化或退化行为的类型(例如，过滤与延迟退化)。如上所述，各种方法可以用来确定排气传感器退化行为。在一个示例中，可以基于在空燃比被命令改变过程中收集的一组排气传感器响应的每个样本的时间延迟和行长指示退化。退化的时间延迟和时间常数以及行长可以从排气传感器响应数据确定，并且可以与预期值进行比较。例如，如果退化的时间延迟大于预期的时间延迟，排气传感器会表现出延迟退化行为(例如，退化的时间延迟)。如果确定的行长大于预期的行长，排气传感器会表现出过滤退化行为(例如，退化的时间常数)。
在另一示例中，可以从在稳态工况下多组连续λ样本的极值分布特征来确定排气传感器退化。特征可以是在稳态工况下收集的极限λ微分的广义极值(GEV)分布的模式和中心峰值。中心峰值和模式的大小以及确定的时间常数和时间延迟可以指示退化行为的类型以及退化的大小。
在另一示例中，可以基于第一组浓燃模型的估计参数与第二组稀燃模型的估计参数之间的差指示排气传感器退化。估计参数可以包括时间常数、时间延迟和被命令的λ(空燃比)与确定的λ(例如，从排气传感器输出确定的)的静态增益。可以基于估计参数之间的差指示排气传感器退化的类型(例如，过滤与延迟)。应当注意，上述方法的替代方法可以用来确定排气传感器退化。
如果利用故障诱发器诱发排气传感器退化，诱发的退化或故障的类型可以是已知的。因此，在908处由故障诱发器诱发的退化行为的类型可以存储在控制器中并且在910和/或912处使用。
在上述方法中的一个或多个被采用之后，该方法继续至910，以确定是否检测到过滤退化(例如，时间常数退化)。如果未检测到过滤退化，该方法继续至912，以确定是否检测到延迟退化(例如，时间延迟退化)。如果也未检测到延迟退化，该方法在914处确定排气传感器未退化。维持前馈控制器的参数，并且该方法返回，以继续监测排气传感器。
返回至910，如果指示过滤型退化，该方法继续至916，以通过延迟模型的一阶对象(例如，FOPD)近似***。这可以包括将半数规则近似应用于标称的时间常数、标称的时间延迟和退化的时间常数，以确定等同的一阶时间常数和时间延迟。该方法还可以包括确定调整的控制器增益。在图10处介绍了916处的方法的进一步细节。
可代替地，如果在912处指示延迟型退化，该方法继续至918，以确定在退化存在的情况下等同的或新的时间延迟。该方法还包括确定调整的前馈控制器参数，包括控制器增益以及控制器时间常数与时间延迟(延迟补偿器中使用的)。在图11处介绍了918处的方法的进一步细节。
方法900从916和918继续至920，以应用新确定的前馈控制器参数。排气传感器然后可以利用前馈控制器的这些参数来确定测得的空燃比。在922处，该方法包括从排气传感器确定空燃比以及基于确定的空燃比调整燃料喷射和/或正时。例如，这可以包括在空燃比超过阈值的情况下增加由燃料喷射器喷射的燃料量。在另一示例中，这可以包括在空燃比低于阈值的情况下减少由燃料喷射器喷射的燃料量。在一些实施例中，如果排气传感器的退化超过阈值，方法300可以包括在924处通知车辆操作者。阈值可以包括超过(over)阈值的退化的时间常数和/或时间延迟。在924处通知车辆操作者可以包括发送排气传感器的通知或维护请求。
图10是图示基于过滤退化行为确定排气传感器的前馈控制器的调整参数的方法1000的流程图。方法1000可以由控制器12和/或专用控制器140实施，并且可以在上述方法900的916期间执行。在1002处，方法1000包括估计退化的时间常数TC-F和标称的时间常数TC-nom。如上所述，标称的时间常数可以是指示传感器多快对λ被命令改变响应的时间常数，并且可以基于非退化的传感器功能而离线地确定。可以如上所述利用方法900中的908处确定退化的方法中的任一个估计退化的时间常数。如果过滤退化由故障诱发器诱发，如上所述的***识别方法可以用来确定退化的和标称的时间常数。
在确定退化的时间常数TC-F和标称的时间常数TC-nom之后，方法1000行进到1004，以通过一阶模型(例如，FOPD)近似二阶***。该方法在1004处可以包括将半数规则近似应用于退化的***。半数规则近似包括将较小的时间常数(标称的与退化的时间常数之间)均匀地分布在较大的时间常数与标称的时间延迟之间。这可以利用以下公式来进行：
如果退化的时间常数TC-F小于标称的时间常数TC-nom，所述公式变为：
在1006处，控制器可以用确定的等同时间常数TC-Equiv和等同时间延迟TD-Equiv来代替(前馈控制器中的)SP延迟补偿器中使用的控制器时间常数TC-SP和控制器时间延迟TD-SP。
在1008处，控制器确定前馈控制器的中间乘数α。中间乘数由以下公式定义：
在1010处，中间乘数α可以用来确定前馈控制器的积分增益KI。从以下公式确定积分增益KI：
KI＝α*KI-nom
其中KI-nom是前馈控制器的标称积分增益。由于对于过滤退化而言α＝1，KI维持在标称值。
最后，在1012处，控制器基于积分增益KI和等同的时间常数TC-Equiv确定比例增益KP。从以下公式确定比例增益KP：
KP＝TC-Equiv*KI
当过滤退化的大小增加(例如，当退化的时间常数增加时)，等同的时间常数TC-Equiv增加，由此增加KP。在确定新的前馈控制器参数之后，该方法返回至方法900的916，并且继续至920，以应用新的控制器参数。
以此方式，可以基于退化行为的大小和类型调整前馈控制器增益、时间常数和时间延迟。具体地，对于过滤型退化(例如，时间常数退化)而言，可以基于退化的时间常数调整比例增益、积分增益以及控制器时间常数与时间延迟(TC-SP与TD-SP)。
图11是图示基于延迟退化行为确定排气传感器的前馈控制器的调整参数的方法1100的流程图。方法1100可以由控制器12和/或专用控制器140实施，并且可以在上述方法900的918期间执行。在1102处，方法1100包括估计退化的时间延迟TD-F和标称的时间延迟TD-nom。如上所述，标称的时间延迟是基于从燃料被喷射、燃烧和排气从燃烧室行进至排气传感器时开始的延迟对空燃比被命令改变的排气传感器响应的预期延迟。可以如上所述利用方法900中的908处确定退化的方法中的任一个估计退化的时间延迟TD-F。
在确定退化的时间延迟TD-F和标称的时间延迟TD-nom之后，方法1100行进到1104，以基于退化的时间延迟TD-F和标称的时间延迟TD-nom确定等同的时间延迟TD-Equiv。可以通过以下公式估计等同的时间延迟TD-Equiv：
TD-Equiv＝TD-nom+TD-F
以此方式，等同的时间延迟是预期的时间延迟(例如，标称的时间延迟)之后的额外的时间延迟(例如，退化的时间延迟)。
对于延迟退化而言，时间常数可以不发生改变。因此，在1106处，等同的时间常数TC-Equiv可以被设定为标称的时间常数TC-nom。在1108处，控制器可以用确定的等同的时间常数TC-Equiv和等同的时间延迟TD-Equiv来代替(前馈控制器中的)SP延迟补偿器中使用的控制器时间常数TC-SP和控制器时间延迟TD-SP。对于延迟退化而言，控制器时间常数TC-SP可以保持不变。
在1110处，控制器确定前馈控制器的中间乘数α。中间乘数可以基于退化的时间延迟和标称的时间延迟。中间乘数由以下公式定义：
在1112处，中间乘数α然后可以用来确定前馈控制器的积分增益KI。根据以下公式确定积分增益KI：
KI＝α*KI-nom
其中KI-nom是前馈控制器的标称积分增益。当延迟退化的大小(例如，TDF的值)增加时，α可以减小。这进而会引起积分增益KI减小。因此，积分增益可以随着退化的时间延迟TD-F和延迟退化的大小增加而减小更大的量。
最后，在1114处，控制器基于积分增益KI和等同的时间常数TC-Equiv确定比例增益KP。从以下公式确定比例增益KP：
KP＝TC-Equiv*KI
因为对于延迟型退化而言等同的时间常数TC-Equiv可以不发生改变，比例增益KP可以基于积分增益KI。因此，当KI随退化的时间延迟TD-F增加而减小时，比例增益KP也减小。在确定新的前馈控制器参数之后，该方法返回至方法900的916，并且继续至920，以应用新的控制器参数。
以此方式，可以基于退化行为的大小和类型调整前馈控制器增益、时间常数和时间延迟。具体地，对于延迟型退化(例如，时间延迟退化)而言，可以基于退化的时间延迟调整比例增益、积分增益和控制器时间延迟(TD-SP)，同时维持控制器时间常数(TC-SP)。
如上所述，可以响应于延迟退化以第一量调整排气传感器的前馈控制器参数，以及响应于过滤退化以第二不同量调整排气传感器的前馈控制器参数。调整的参数可以改变来自前馈控制器的读数或排气氧反馈。然后可以响应于来自前馈控制器的排气氧反馈而调整燃料喷射。调整前馈控制器的参数可以包括调整比例增益、积分增益、控制器时间常数和控制器时间延迟中的一个或多个。响应于延迟退化以第一量调整参数可以包括基于退化的时间延迟调整比例增益、积分增益和控制器时间延迟，而不调整控制器时间常数。另外，以第一量调整参数包括当退化的时间延迟增加时以更大的量增加控制器时间延迟以及减小积分增益和比例增益。相反地，响应于过滤退化以第二量调整参数可以包括基于退化的时间常数调整比例增益、积分增益、控制器时间常数和控制器时间延迟。另外，以第二量调整参数可以包括当退化的时间常数增加时以更大的量增加比例增益、控制器时间常数和控制器时间延迟。
以此方式，可以根据退化的时间常数和退化的时间延迟自适应前馈控制器增益、时间常数和时间延迟。退化的时间常数值和退化的时间延迟值可以是过滤退化和延迟退化各自的大小。这些值可以通过各种方法进行确定，并且可以与预期的时间延迟和时间常数值进行比较，以确定退化的类型(例如，延迟与过滤)。基于退化的时间常数和/或退化的时间延迟的大小，可以确定以及调整在前馈控制器内用于延迟补偿的控制器增益、控制器时间常数和时间延迟。如果退化行为是过滤型退化，则因而产生的二阶***可以由一阶***近似。等同的时间常数和时间延迟可以从一阶***进行估计，并且用来确定控制器增益、时间常数和时间延迟。可以基于***的时间常数或时间延迟是否退化，以不同的量调整前馈控制器参数。因此，可以基于退化行为的类型和大小自适应前馈控制器。以此方式，可以增加空气-燃料控制***的性能。
注意，本文包括的示例控制程序能够与各种发动机和/或车辆***构造一起使用。本文所描述的具体程序可以代表任何数量的处理策略中的一个或多个，诸如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等等。因此，所图示的各种动作、操作或功能可以所示顺序、并行地实施，或者在一些状况下被省略。同样地，实现本文所描述的示例实施例的特征和优点不一定要求所述处理顺序，而是为了便于图示和说明而提供了所述处理顺序。取决于所使用的特定策略，所图示的动作或功能中的一个或多个可以被重复实施。此外，所描述的动作可以图形地表示被编入车辆控制***中的计算机可读存储介质的代码。
应认识到，本文中所公开的配置和程序本质上是示范性的，并且这些具体的实施例不被认为是限制性的，因为许多变化是可能的。例如，上述技术能够应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸和其它发动机类型。另外，各种***配置中的一个或多个可以与所描述的诊断程序中的一个或多个结合使用。本公开的主题包括本文中所公开的各种***和构造以及其它的特征、功能和/或性质的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合。

Claims (20)

1.一种用于发动机操作的方法，其包含：
响应于来自排气传感器的前馈控制器的排气氧反馈而调整燃料喷射；以及
响应于氧传感器退化的类型而调整所述前馈控制器的一个或多个参数，其中所述氧传感器退化的类型包括过滤退化或延迟退化，所述过滤退化包括所述排气氧反馈在预期的时间以不同于预期的响应速率的响应速率转变，以及所述延迟退化包括所述排气氧反馈在不同于所述预期的时间的时间以所述预期的响应速率转变。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个参数包括比例增益、积分增益、控制器时间常数和控制器时间延迟中的一个或多个。
3.根据权利要求2所述的方法，其中通过大于预期时间常数的退化时间常数指示所述过滤退化，以及通过大于预期时间延迟的退化时间延迟指示所述延迟退化。
4.根据权利要求2所述的方法，其还包含响应于所述延迟退化和所述过滤退化而调整所述积分增益。
5.根据权利要求4所述的方法，其中调整所述积分增益基于退化时间延迟和退化时间常数中的一个或多个。
6.根据权利要求2所述的方法，其还包含响应于所述延迟退化以第一量调整所述比例增益，以及响应于所述过滤退化以第二不同量调整所述比例增益。
7.根据权利要求6所述的方法，其中以所述第一量调整所述比例增益基于退化时间延迟，而以所述第二不同量调整所述比例增益基于退化时间常数。
8.根据权利要求2所述的方法，其还包含响应于所述过滤退化而调整所述控制器时间常数，而不响应于所述延迟退化而调整所述控制器时间常数。
9.根据权利要求8所述的方法，其中调整所述控制器时间常数基于退化时间常数。
10.根据权利要求2所述的方法，其还包含响应于所述过滤退化以第一量调整所述控制器时间延迟，以及响应于所述延迟退化以第二量调整所述控制器时间延迟。
11.根据权利要求10所述的方法，其中以所述第一量调整所述控制器时间延迟基于退化时间常数，而以所述第二量调整所述控制器时间延迟基于退化时间延迟。
12.根据权利要求1所述的方法，其还包含利用故障诱发器诱发过滤退化，所述故障诱发器外部地作用于所述前馈控制器。
13.一种用于发动机操作的方法，其包含：
响应于延迟退化以第一量调整排气传感器的前馈控制器的参数，以及响应于过滤退化以第二不同量调整所述前馈控制器的参数，所述过滤退化包括来自所述排气传感器的反馈以不同于预期的响应速率的响应速率转变，以及所述延迟退化包括所述反馈在不同于预期的时间的时间转变；以及
响应于来自所述前馈控制器的排气氧反馈调整燃料喷射。
14.根据权利要求13所述的方法，其中调整所述前馈控制器的参数包括调整比例增益、积分增益、控制器时间常数和控制器时间延迟中的一个或多个。
15.根据权利要求14所述的方法，其中响应于所述延迟退化以所述第一量调整参数包括，基于退化时间延迟调整所述比例增益、所述积分增益和所述控制器时间延迟，而不调整所述控制器时间常数。
16.根据权利要求15所述的方法，其中以所述第一量调整参数包括，当所述退化时间延迟增加时，以更大的量增加所述控制器时间延迟以及减小所述积分增益和比例增益。
17.根据权利要求14所述的方法，其中响应于所述过滤退化以所述第二不同量调整参数包括，基于退化时间常数调整所述比例增益、积分增益、控制器时间常数和控制器时间延迟。
18.根据权利要求17所述的方法，其中以所述第二不同量调整参数包括，当所述退化时间常数增加时，以更大的量增加所述比例增益、控制器时间常数和控制器时间延迟。
19.用于车辆的***，包含：
发动机，其包括燃料喷射***；
耦联在所述发动机的排气***中的排气传感器，所述排气传感器具有前馈控制器；以及
控制器，其包括可执行指令，以响应于所述排气传感器的退化调整所述前馈控制器的一个或多个参数，其中调整量基于所述排气传感器退化行为的大小和类型，所述退化行为的类型包括过滤退化和延迟退化，所述过滤退化包括来自所述排气传感器的反馈以不同于预期的响应速率的响应速率转变，以及所述延迟退化包括所述反馈在不同于预期的时间的时间转变。
20.根据权利要求19所述的***，其中基于来自所述前馈控制器的排气氧反馈调整所述燃料喷射***的燃料量和/或正时。
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