發(fā)動機(jī)電子節(jié)氣門控制方法的研究

曹久鶴，安陽，孫萬千，孫濤

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發(fā)動機(jī)電子節(jié)氣門控制方法的研究

曹久鶴，安陽，孫萬千，孫濤

（燕山大學(xué)，河北 秦皇島 066000）

闡述了電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的組成及其工作原理，利用matlab/simulink分別搭建了PID控制和模糊控制電子節(jié)氣門控制模型，在階躍輸入下對兩個模型進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果表明采用模糊控制節(jié)氣門的跟隨性更好，超調(diào)量更小，可以更加精確的控制節(jié)氣門的開度。

電子節(jié)氣門；PID；模糊控制

前言

汽車電子節(jié)氣門（electronic throttle control system，簡稱ETCS）是現(xiàn)代汽車發(fā)動機(jī)控制技術(shù)之一，在控制汽車怠速轉(zhuǎn)速、精準(zhǔn)控制汽車牽引力、控制汽車驅(qū)動力、定轉(zhuǎn)速巡航等多個方面都有應(yīng)用。電子節(jié)氣門用電子控制的節(jié)氣門取代了原有的拉線式氣門，是以后汽車向電子化發(fā)展的趨勢[1]。目前在電子節(jié)氣門的研究上，國外已經(jīng)走得很遠(yuǎn)，國內(nèi)對該項(xiàng)目的研究也取得一定成果，但是與國外相比還有一定差距。電子節(jié)氣門由驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動開啟，由回位彈簧控制關(guān)閉，中間夾雜著粘性摩擦力等，節(jié)氣門在轉(zhuǎn)動過程中，受到彈簧回位轉(zhuǎn)矩、阻尼力矩等各種不平衡力矩的作用，非線性時(shí)變很強(qiáng)，也有一定的不確定性。在控制ETCS過程中對控制算法的優(yōu)化很重要。本文對電子節(jié)氣門的結(jié)構(gòu)及特性進(jìn)行深入研究，建立了電子節(jié)氣門數(shù)學(xué)模型，分析了控制過程中存在的非線性因素成因，根據(jù)簡歷的數(shù)學(xué)模型搭建了節(jié)氣門控制策略，并在階躍輸入下對節(jié)氣門的控制策略進(jìn)行了PID和模糊控制仿真實(shí)驗(yàn)，并對控制結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 電子節(jié)氣門的構(gòu)成

電子節(jié)氣門主要有四大部分構(gòu)成，分別是控制器、驅(qū)動器及執(zhí)行器與反饋控制器四部分，圖1為電子節(jié)氣門結(jié)構(gòu)簡圖。

電子節(jié)氣門根據(jù)發(fā)動機(jī)油門踏板產(chǎn)生的信號電壓與其他相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)確定目標(biāo)節(jié)氣門開度。根據(jù)開度查找MAP表，通過PWM波對節(jié)氣門電機(jī)的控制[2]。電機(jī)輸出力矩的大小主要通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比來進(jìn)行控制。當(dāng)電動機(jī)的輸出力與摩擦力等大反向時(shí)，節(jié)氣門剛好能夠保持在某一開度不變。當(dāng)調(diào)節(jié)占空比增大時(shí)，電機(jī)出去力大于阻力，節(jié)氣門開度逐漸增加；與之相反，占空比減小時(shí)，節(jié)氣門開度也減小。節(jié)氣門通過節(jié)氣門位置傳感器反饋回來的信號電壓來實(shí)現(xiàn)對節(jié)氣門的閉環(huán)控制[3]。

圖1 電子節(jié)氣門結(jié)構(gòu)示意圖

2 電子節(jié)氣門數(shù)學(xué)模型

電子節(jié)氣門是一個由機(jī)械與電機(jī)共同控制的結(jié)構(gòu)，執(zhí)行器主要包括直流電機(jī)、節(jié)氣門齒輪組、彈簧以及節(jié)氣門閥片。電子節(jié)氣門傳動部分采用齒輪組，如圖2為電子節(jié)氣門齒輪傳動示意圖。

圖2 電子節(jié)氣門齒輪傳動示意圖

2.1 彈簧扭矩分析

電子節(jié)氣門傳動齒輪部分受到兩個力矩的作用，設(shè)節(jié)氣門平衡位置的轉(zhuǎn)角為，當(dāng)其轉(zhuǎn)角為時(shí)，總的力矩為：

Ks為彈簧扭矩系數(shù)，D為彈簧扭矩補(bǔ)償系數(shù)。

2.2 摩擦力分析

電子節(jié)氣門機(jī)械系統(tǒng)受到的力十分廣泛，最主要的力為摩擦力，包括干摩擦、邊界摩擦，氣、液混合摩擦等。本文在研究中采用“靜摩擦+庫倫摩擦+粘滯摩擦”模型，忽略靜摩擦力，則總的力矩計(jì)算公式為：

K為滑動摩擦系數(shù)，K為庫倫摩擦系數(shù)

2.3 直流電機(jī)的微分方程

電子節(jié)氣門執(zhí)行器是一個直流電機(jī)，直流電機(jī)的定子是永磁鐵，轉(zhuǎn)子是線圈繞組，線圈可以看做一個電阻加一個電感。如圖3所示：

圖3 節(jié)氣門電機(jī)等效電路

如上圖，根據(jù)基爾霍夫定律，建立如下方程：

2.4 模型建立

由以上分析可以推出系統(tǒng)總的數(shù)學(xué)模型為：

模型中所用到的物理參數(shù)如下表所示。

表1 電子節(jié)氣門物理參數(shù)

3 發(fā)動機(jī)節(jié)氣門控制策略的搭建

由上述可知，節(jié)氣門主要有直流電機(jī)與節(jié)氣門機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)成。

控制器通過控制輸出PWM波的方向來控制電機(jī)輸出力矩的大小和方向，來推動節(jié)氣門到達(dá)目標(biāo)開度[4]。如圖4是在matlab/simulink中搭建的電子節(jié)氣門模糊控制仿真模型。

圖4 電子節(jié)氣門模糊控制仿真模型

3.1 模糊控制器的設(shè)計(jì)

模糊控制器具有不依賴于對象的數(shù)學(xué)模型、魯棒性好、簡單實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)[5]，在節(jié)氣門這種非線性且難以精確建模的控制中非常適用。

本研究采用的模糊控制器把目標(biāo)開度與實(shí)際開度的誤差e及其變化率作為輸入語言變量；以占空比增量為輸出語言變量。的論域?yàn)閇-100,100]，的論域?yàn)閇-2000,2000]，的論域?yàn)閇-1,1]，輸入輸出語言變量的模糊子集均分為7級：{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，簡記為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}?？刂破髂：?guī)則為“IF e andthen u”。根據(jù)控制邏輯，以及多次仿真實(shí)驗(yàn)，對規(guī)則進(jìn)行精簡，最終確定模糊控制規(guī)則[6]如表2所示。

表2 模糊控制規(guī)則表

3.2 節(jié)氣門PID模型的搭建

通過上述模型，利用simulink建立節(jié)氣門PID控制系統(tǒng)的仿真模型如圖5所示。

圖5 節(jié)氣門PID仿真模型

3.3 階躍輸入下模型仿真結(jié)果分析

給兩個節(jié)氣門控制模型相同的階躍輸入信號，進(jìn)行模擬仿真，比較兩個模型的跟隨效果如下圖6所示。

圖6 兩種控制方式仿真實(shí)驗(yàn)對比

在階躍輸入下，通過仿真結(jié)果可以看出，在PID控制中節(jié)氣門響應(yīng)速度較快，但是超調(diào)量很大，到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間很長，但模糊控制下節(jié)氣門具有較快響應(yīng)速度，并且具有很小的超調(diào)量，具有更好的穩(wěn)定性與動態(tài)特性。

4 結(jié)束語

本文以通過建立電子節(jié)氣門的數(shù)學(xué)模型，然后分別搭建了PID控制模型和模糊控制模型，然后進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，模糊控制響應(yīng)時(shí)間快，超調(diào)量較小，控制的跟隨性也較強(qiáng)，符合實(shí)驗(yàn)初的預(yù)期，說明模糊控制在節(jié)氣門的控制過程中具有很好的表現(xiàn)。

[1] 陶云飛.基于電子控制節(jié)氣門的怠速控制策略仿真研究[D].吉林大學(xué),2006.

[2] 楊振東.基于模糊PID電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].湖南大學(xué),2008.

[3] 周云山,于秀敏.汽車電控系統(tǒng)理論與設(shè)計(jì).[J]北京理工大學(xué)出版社1999.11.

[4] 于洪洋.基于位置反饋控制的節(jié)氣門控制系統(tǒng)研究[D].吉林大學(xué),2006.

[5] Rainer Müller and Bernd Schneider. Approximation and Control of the Engine Torque Using Neural Networks. SAE Paper, 2000-01- 0929.

[6] 朱盛.電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的開發(fā).[J]汽車化油器,1996,(2):1.

Research on control method of electronic throttle of engine

Cao Jiuhe, AnYan, Sun Wanqian, SunTao

( Yanshan University, Hebei Qinhuagdao 066000 )

The composition and working principle of electronic throttle control system are elaborated. Using matlab/simulink, PID control and fuzzy control electronic throttle control models are built respectively. The two models are simulated and analyzed under step input. The analysis results show that the use of fuzzy control throttle has better follow-up, smaller overshoot and can control the throttle opening more accurately.

electronic throttle; PID; fuzzy control

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.024

U438

A

1671-7988(2019)10-64-03

U438

A

1671-7988(2019)10-66-03

曹久鶴，碩士，就讀于燕山大學(xué)。研究方向：讀研期間，主要進(jìn)行發(fā)動機(jī)電子控制方面的研究與進(jìn)行發(fā)動機(jī)臺架實(shí)驗(yàn)標(biāo)定。