1.1研究背景：

据统计，近年来中国汽车保有量保持在10%以上的增幅，截至2017年底，中国汽车保有量已经突破2.1亿辆。有关专家研究表明，汽车排放的尾气占了大气污染的60 ～ 90%。据统计，每千辆汽车每天排出氮氧化合物为 50 ～ 150 kg，汽车尾气中的氮氧化合物是发动机大负荷工作时产生的一种褐色的有臭味废气，其排放量取决于燃烧温度、时间和空燃比等因素^[1]。

氮氧化合物的产生原因主要是高温富氧环境，比如燃烧室积碳等因素。从燃烧过程看， 排放的氮氧化物 95% 以上是一氧化氮，其余是二氧化氮，氮氧化合物的含量在汽车尾气中较少，但毒性很大，其毒性是含硫氧化物的 3 倍。同时氮氧化合物也是光化学烟雾的主要成因之一，会造成树木枯死，农作物大量减产，降低大气的能见度，妨碍交通等严重危害^[2]。

因此，我国的国家阶段机动车污染物排放标准也应运而生^[3]，如表1.1所示。

表1. 中国汽车尾气排放限值对照表

从表中可以看出，我国对于污染物排放的标准日趋严格，为了达到法规的要求，对污染物排放控制的技术手段也在不断完善^[4]。

尾气中氮氧化合物(NOX)绝大部分是NO^[5]，NO的形成主要取决于燃料气体的温度、氧的浓度和停留在高温下的时间^[6]。汽车尾气组成成分主要受空燃比、点火时间、压缩比、进气最低、管的真空度、配气相位、燃烧室形状、燃料性质等因素影响^[7-9]。通过氮氧传感器对尾气中氮氧化合物的准确测量，为汽车电控单元（ECU）进行空燃比的控制提供参考^[10]，是极大提高尾气排放指标的有效手段。

1.2氮氧传感器的研究现状

所谓传感器通常就是指能感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件及装置，由敏感元件、转换元件以及调理电路组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号以及其他某种可用信号的部分^[11]。

传感器主要是依据工作原理和被测量来进行分类的。传感器按照其工作原理，一般可分为物理型、化学型和生物型三大类^[12]；按被测量——输入信号分类，一般可以分为温度、压力、流量、加速度、物位、位移、速度、转速、力矩、湿度、粘度、浓度等传感器。

氮氧传感器的开发主要是为了解决汽车尾气排放时，废气当中的氮氧化物监测和处理的问题^[6]。由于汽车传感器必须处在发动机运作的环境中工作^[13]，所以，传感器必须具有以下几点性能^[14]：
1)由于尾气排放管的温度较高，要求传感器能够在高温下持续工作；
2)传感器能够承受住经常性的温度突变的冲击；
3)对于尾气当中氮氧化物含量的变化能过作出极为快速的响应。

目前氮氧传感器的类型主要分为：半导体型传感器、电位型传感器以及电流型传感器^[6]。

（1）半导体气体传感器

半导体传感器是市场需求量最大的传感器之一^[15]。这种传感器是用来检测气体浓度和成分的气体传感器，可用于生产车间的各种有害气体检测、工厂废气成分的检测和家庭可燃气体泄漏的检测等。

在实际应用中，多数情况下是针对某种单一的气体在特定的环境下进行检测。半导体氧化物气体传感器的最大缺点就在于选择性和稳定性不好，若能找到针对单一气体的特定检测方法和特有敏感特性，外加适当的检测电路，就能有效地提高半导体氧化物气体传感器的选择性和稳定性。

（2）电位型气体传感器

半导体气体传感器在灵敏度、使用温度、选择性等方面存在一系列问题，而电位型气体传感器能够克服这些问题。因此，电位型气体传感器被认为是具有广阔应用前景的传感器。

电位型气体传感器的工作原理为：由于固体电解质两侧的气氛环境不同，使得阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应，从而产生一个电势差，根据此电势差的大小来判断气体的浓度值^[8]。

通常，电位型气体传感器是以空气为参照气体，从而测量出电解质接触待测气体时，两侧表面的电势差。根据已经得出的特定气体浓度与电势差的关系图，从而推断出检测气体的实际浓度。
(3)电流型传感器

电流型气体传感器的工作原理为：对固体电解质施加一电压，使得阳极失去电子，阴极得到电子，从而产生一个电位差，根据电位差的大小来判断所测试气体的含量。

近几年，YSZ基电流型传感器被用来检测CO、NOx、CH化合物的浓度。

多电池电流型传感器^[16]也是唯一的一种用在汽车尾气排放控制上的商业传感器。

日本NGK公司与德国西门子公司设计的氮氧传感器^[6] (其中，NGK公司开发的是敏感件部分，西门子公司开发的是控制器部分)包含了8个电极与6个氧化锆层。这种复杂的多层叠合技术大大增加了氮氧传感器的制作难度与成本。但是这种传感器所具有的测量精度也是其他传感器所无法比拟的。其不但测量的精确度高，而且同步性好，稳定性强。

为打破国外对于氮氧传感器技术的垄断，目前国内也有相关的研究机构和企业在进行该项目的研究。无锡隆盛科技有限公司联合山东大学与武汉科技大学组成的研究团队，以及无锡博世公司都在研制开发车用氮氧传感器^[17]，但目前与世界领先水平还有一定差距，在测量准确度上还需要进一步改善。

1.3研究意义：

随着汽车保有量的增加，汽车尾气排放物成为大气主要污染物之一。为了应对日趋严重的环境问题，我国对于汽车尾气排放的要求也逐渐升高。虽然国内研究员有所涉猎并有一定成果，但Bosch、NTK和Ecotrons等公司还是处于领先地位。因此，要能够生产出性能更好的国产氮氧传感器，研究氮氧传感器的控制系统就有重大的理论意义和很强的实用价值。

为了实现燃料的充分使用，提高燃料利用率，同时减少尾气中氮氧化合物的排放，需要氮氧传感器在不同的空燃比包括浓燃（ lt;1）和稀燃情况（ gt;1）下输出电压进行测量，以及对其响应时间进行测量。从而客观评价氮氧传感器的性能。故需要设计一种能够模拟汽车尾气工作环境且能实时准确测量所需性能指标的氮氧传感器评测系统。

本文所提出的汽车用氮氧传感器控制系统，主要具备以下的技术优点：

（1）电池工作温度特性和电池内阻测量方法采用电流、电压检测模块实现对氮氧传感器的信号采集和泵单元的控制，简化了氮氧传感器控制器的硬件电路设计以及温度的测量和控制，进一步提高了氮氧传感器的控制性能和氮氧传感器的检测性能；

（2）氮氧传感器的温度控制采用PWM控制实现，使得温度控制的精度更高；

（3）氮氧传感器控制器控制系统可以以模拟电压形式以及CAN总线或者串口通信的方式输出检测得到的氮氧浓度及空燃比A/F至上位机监测软件。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 研究目标：

本文的研究目标是建立一个氮氧传感器的控制模型，使其能够满足：

1. 通过PWM控制加热，在加热的过程中同时实现加热铂电阻内阻的测量，从而实现利用铂电阻的阻值反馈当前温度。

2. 通过DAC实现四个极板的mV级电压控制，并加入前馈控制器对耦合的电压进行解耦使测量更加快速准确。

2.2.基本内容

本文的主要内容有：

1）氮氧传感器控制原理的分析，包括其内部结构、工作原理和固有特性以及其控制需求；

2）氮氧传感器的温度与电压特性分析；

3）氮氧传感器温度与电压控制的算法研究

4）对氮氧传感器控制系统的建模仿真与优化。

3.拟采用的技术方案及措施

3.1技术方案

首先了解氮氧传感器的结构原理和研究现状，再研究氮氧传感器的控制原理并研究算法，分别建立氮氧传感器的电压模型与温度模型， MATLAB仿真并修正后进行半实物实验，最后分析实验结构并得出结论。技术路线如图1所示。

图1 技术路线

3.2拟采用的措施

1）通过文献查阅了解氮氧传感器的工作原理与研究现状，分析其控制原理并设计算法；

2）用Simulink进行建模仿真，并修正算法；

3）基于dSPACE搭建半实物实验平台，进行半实物实验；

4）分析实验结果并对控制系统进行调整。

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1.1研究背景：

据统计，近年来中国汽车保有量保持在10%以上的增幅，截至2017年底，中国汽车保有量已经突破2.1亿辆。有关专家研究表明，汽车排放的尾气占了大气污染的60 ～ 90%。据统计，每千辆汽车每天排出氮氧化合物为 50 ～ 150 kg，汽车尾气中的氮氧化合物是发动机大负荷工作时产生的一种褐色的有臭味废气，其排放量取决于燃烧温度、时间和空燃比等因素^[1]。

氮氧化合物的产生原因主要是高温富氧环境，比如燃烧室积碳等因素。从燃烧过程看， 排放的氮氧化物 95% 以上是一氧化氮，其余是二氧化氮，氮氧化合物的含量在汽车尾气中较少，但毒性很大，其毒性是含硫氧化物的 3 倍。同时氮氧化合物也是光化学烟雾的主要成因之一，会造成树木枯死，农作物大量减产，降低大气的能见度，妨碍交通等严重危害^[2]。

因此，我国的国家阶段机动车污染物排放标准也应运而生^[3]，如表1.1所示。

表1. 中国汽车尾气排放限值对照表