电子节气门控制策略研究

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 文章编号 :1004 - 2539 (2010) 01 - 0008 - 03 电子节气门控制策略研究 郭 　辉1 　张振东2 　朱红萍2 (1 上海工程技术大学 汽车工程学院 , 　上海　201620) (2 上海理工大学 机械学院 , 　上海　200093) 摘要 　介绍了电子节气门系统的典型结构与工作原理 ,进行了非线性分析。根据所建立的数学模 型 ,设计了 3 种控制策略进行仿真研究与分析。结果表明 ,PID 控制策略简单、易于实现 ,但超调较大 ; 模糊控制策略具有良好的跟踪性 ,但存在一定的滞后 ;滑模控制策略有着良好的鲁棒性和动态响应特 性 ,能够使电子节气门系统达到较好的控制效果。 关键词 　电子节气门 　非线性 　控制系统 　仿真 Study on Simulation of Electronic Throttle Control System Guo Hui1 　Zhang Zhendong2 　Zhu Hongping2 (1 College of Automobile Engineering ,Shanghai University of Engineering Science , Shanghai 201620 , China) (2 College of Mechanical Engineering 　University of Shanghai for Science and Technology , Shanghai 200093 , China) Abstract 　The structure and the principle of the electronic throttle control system( ETCS) are described ,and the nonlinearity is analyzed. According to the mathematical model of ETCS , three controllers are designed and simulated. The results indicate that the PID controller is easy to realize , but has an overshoot ; the Fuzzy controller can better fol2 low the control objectives , but has hysteresis ; and the sliding mode controller has better robustness , and can be used to control ETCS. Key words 　Electronic throttle control 　Nonlinearity 　Control system 　Simulation 0 　引言 电子节气门技术 ( Electronic Throttle Control , ETC) 不仅可实现发动机转矩控制和精确空燃比控制 ,以提 高发动机的动力性、燃油经济性以及降低排放污染 ;集 成于发动机控制系统中时 ,还有助于更好地完成与进 气控制相关的汽车驱动防滑控制、巡航控制、车辆稳定 性控制及自动变速控制等汽车动力控制功能。在混合 电动汽车中 ,电子节气门是实现动力切换、能量优化分 配、改善汽车排放、提高燃油经济性和车辆动力性方面 不可缺少的部件[1 - 3 ] 。 由于其本身固有的非线性、时变性、时滞性及不确 定性等特点 ,寻求一种适用的控制算法是开发电子节 气门控制系统的一个关键。利用仿真技术 ,深入研究 电子节气门控制系统的工作原理 ,建立数学模型 ,并对 各种控制算法进行比较分析 ,以确定最佳的控制算法 , 对加快具有自主知识产权的电子节气门控制系统的开 发 ,具有重要意义。 1 　工作原理与非线性分析 1. 1 　工作原理 如图 1 所示 ,电子节气门实际上是一个机电传动 的承载能力。 参 考 文 献 [1 ] 　任重义 ,段建中. 四圆弧齿廓齿轮的设计及数字化加工[J ] . 煤矿 机械 ,2009 ,30 (2) :106 - 107. [2 ] 　太原工学院齿轮研究室. 圆弧齿轮[M] . 北京 :机械工业出版社 , 1980 :40 - 53. [3 ] 　邵家辉. 圆弧齿轮[M] . 北京 :机械工业出版社 ,1994 :40 - 57. 收稿日期 :20090208 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50665005) 宁夏回族自治区自然科学基金资助项目 (NZ0720) 作者简介 :任重义 (1981 - ) ,男 ,宁夏同心县人 ,在读硕士研究生 8　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　机械传动 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2010 年 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 系统。直流电机是执行元件 ,减速齿轮组、复位弹簧、 节气门阀片等组成了执行机构。电机输入电压在电枢 回路中产生电枢电流 ,电枢电流与励磁磁通相互作用 产生电磁转矩。电磁转矩克服节气门转轴上的负载 , 带动节气门运动 ,实现节气门的位置控制。因此 ,对电 子节气门控制系统进行数学建模时需考虑两部分组 成 :描述直流电机电磁特性的等效电路和描述执行机 构力学特性的运动方程。 1. 2 　非线性分析 在电子节气门中 ,影响控制系统的可靠性和有效 性的是机械结构中存在的非线性问题。非线性原因主 要有以下三类 : 1. 2. 1 　弹簧非线性 　　为保证系统的可靠性 ,在节气 门体中引入了复位弹簧 ,当电机驱动信号被切断的时 候 ,节气门在复位弹簧作用下回到最小开度位置。由 于它是扭转弹簧 ,具有如图 2 的非线性特性 ,其非线性 方程为 TS = KS (θ- θ0) + Dsgn (θ- θ0) (1) 式中 , KS 为扭转刚度 ,θ为节气门转角 ,θ0 为平衡位置 节气门转角 , D 为弹簧补偿因数。 图 1 　电子节气门结构及传动系统受力分析图 图 2 　弹簧转矩非线性特性示意图 1. 2. 2 　非线性摩擦 　　节气门系统在运动过程中受 到复杂的摩擦力作用 ,黏滞摩擦正比于节气门阀片的 转速 ,方向与转动方向相反 ;库仑摩擦力与速度不成比 例而是与速度方向相反的一个恒定阻力。则总的摩擦 力矩可表示为 Tf = Kdω+ Kf sgn (ω) (2) 式中 , Kd 为黏滞摩擦因数 , Kf 为库仑摩擦因数 ,ω电 枢转子角速度。 1. 2. 3 　齿隙非线性 　　齿轮减速机构中齿轮间存在 着啮合间隙 ,在将电机驱动转矩传递到节气门阀片时 , 造成电机转矩和节气门输出之间的非线性关系 ,用函 数关系表示为 图 3 　轮齿间隙非线性 y = f ( x ,δ) 式中 , x 为输入转矩 , y 为输 出转矩 ,δ为死区宽度。齿 隙非线性特性如图 3 所示。 在 3 种非线性因素中 ,影 响最大的是弹簧非线性 ,其次 是黏滑摩擦和齿隙非线性。 2 　控制系统建模 由基尔霍夫定律 ,确定 直流电机的电枢电路方程为 Rai + Rri + L d i d t + KtNω- uVbat = 0 (3) 式中 , Ra 为电枢电阻 , Rr 为电源内阻 , i 为电枢电流 , L 为电感 , Kt 为电机转矩系数 , N 为减速比 ,ω为电枢转 子角速度 , u 为电源电压 , Vbat为电机额定电压。 同时 ,电机所产生的转矩为 Tm = Kti (4) 由动力学可建立起电子节气门系统的运动微分方 程为 JN2 ω· =θNTm - Ts - Tf - Tp (5) 式中 , Tm 为电机驱动转矩 ; Ts 为弹簧转矩 ; Tf 节气门 轴处摩擦力矩 , Tp 为发动机进气在节气门处产生的阻 力矩。 将式(1) 、式 (2)及式 (4)代入式 (5) ,并忽略发动机进 气在节气门处产生的阻力矩 Tp ,系统的运动微分方程 JN2 ω· = N Kti - Ks (θ- θ0) - Dsgn (θ- θ0) - Kdω- Kf sgnω (6) 联立θ · = ω、运动微分方程 (6) 和电枢电路方程 (3) ,可得到控制系统状态方程 X = AX = BU (7) 其矩阵形式为 θ · ω · i· = 0 1 0 - Ks + D JN2 - Kdω+ Kf sgn (ω) JN2 Kt JN 0 - KtN L - Ra L θ ω i + 0 0 Vbat L u + 0 - Td J 0 (8) 其中 , X = [θ　ω　i ]为状态变量 , Td 为综合考虑复位 弹簧、摩擦、齿隙和进气阻力等非线性特性产生的扰动 9第 34 卷 　第 1 期 　　　　　　　　　　　　　　　电子节气门控制策略研究 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 转矩。 3 　仿真设计与结果分析 由于上述非线性因素 ,电子节气门的动态性能受 到影响 ,是开发电子节气门有效、适用的控制系统的难 点与关键。利用 Matlab/ simulink 分别设计了 PID 控制 策略、模糊控制策略以及滑模控制策略模型 ,如图 4～ 图 6 所示。我们分别对 3 种控制模型进行了仿真优 化 ,其控制效果对比如图 7 所示。 图 4 　PID 控制器模型 图 5 　模糊控制器模型 仿真对比结果表明 : (1)采用 PID 控制策略在控制目标变化时 ,容易出 现明显的超调现象 ,但其结构简单 ,易于实现。 (2)模糊控制策略的超调量比 PID 控制器明显减 小 ,并具有较好的跟随性 ,但其相位时滞性比 PID 控制 策略更加明显 ,动态响应性较差。 (3)滑模控制策略具有良好的跟随性及动态响应 性能 ,能够满足电子节气门对控制系统的要求。 图 6 　滑模控制器模型 图 7 　仿真结果曲线 4 　结论 电子节气门系统具有非线性和时变性。传统的控 制算法如 PID 控制策略、模糊控制策略虽然控制电子 节气门的效果不够理想 ,但其算法成熟、硬件易于实 现 ,如与现代控制方法相结合以及采取一些鲁棒性更 强的算法 ,也不失为简洁高效的方法。滑模变结构控 制策略有着良好的鲁棒性和动态响应特性 ,能够使电 子节气门系统达到较好的控制效果[4 ] 。 参 考 文 献 [1 ] 　马乐 ,王绍金光. 电子节气门控制系统的构建 [J ] . 内燃机工程 , 2005 , 26 (4) : 20 - 23. [2 ] 　王斌 ,刘昭度 ,何玮. 汽车电子节气门技术研究现状及发展趋势 [J ] . 小型内燃机与摩托车 , 2005 , 34 (6) : 32 - 34. [3 ] 　刘振军 ,秦大同 ,胡建军. 现代轿车电子节气门系统及其控制[J ] . 汽车技术 ,2004 (3) : 13 - 16. [4 ] 　刘金琨. 滑模变结构控制 MATLAB 仿真 [ M] . 北京 :清华大学出版 社 ,2005 :10 - 13. 收稿日期 :20090204 基金项目 :上海市教委科技发展重点项目 (06ZZ37) 作者简介 :郭辉 (1981 - ) ,男 ,山东曹县人 ,讲师 01　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　机械传动 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2010 年