基于LabVIEW 的電子節(jié)氣門PID 控制系統(tǒng)設(shè)計

周潤東，魯植雄

（1.210031 江蘇市 南京市 南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.210031 江蘇市 南京市 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院）

0 引言

電子節(jié)氣門是發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)中的重要部件，是實現(xiàn)發(fā)動機(jī)全電控的基礎(chǔ)，現(xiàn)在已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。電子節(jié)氣門的特點(diǎn)是任何工況下節(jié)氣門開度都由電機(jī)驅(qū)動控制，因此其控制系統(tǒng)可以與發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)配合工作，使車輛具有良好的怠速、加速及減速工況過渡性能，有效降低排放和燃油消耗；同時，也能按照車輛其他系統(tǒng)，如驅(qū)動防滑系統(tǒng)或巡航系統(tǒng)的要求改變節(jié)氣門開度，改變發(fā)動機(jī)扭矩輸出，從而實現(xiàn)牽引力控制。電子節(jié)氣門與電子油門踏板的傳感器部分均采用了冗余設(shè)計，不僅可以提高控制精度，而且對提高控制安全性發(fā)揮了重要作用。因此，吸收、借鑒國外先進(jìn)的控制經(jīng)驗，深入研究電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的工作原理以及控制策略意義非常重大[1-6]。

電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。與以往大都利用單片機(jī)C 語言編程對節(jié)氣門開度進(jìn)行控制不同，本文基于PID 的控制思想，利用LabVIEW軟件編寫了電子節(jié)氣門驅(qū)動程序，硬件部分采用了USB6353 數(shù)據(jù)采集卡與L298N雙H 橋直流

電機(jī)驅(qū)動芯片，最后通過試驗驗證了控制方案的可行性。

1 電子節(jié)氣門結(jié)構(gòu)與工作原理

電子節(jié)氣門取消了機(jī)械式節(jié)氣門的剛性連接，采用一種柔性控制方式，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)由加速踏板模塊、電子控制單元ECU、電子節(jié)氣門體總成組成[7-9]。加速踏板是反映駕駛員意圖的裝置，其中兩個電位器式位置傳感器將踏板位移量轉(zhuǎn)化成電信號傳遞給電子控制單元（ECU），駕駛員的意圖經(jīng)由ECU分析作出判斷，給驅(qū)動電機(jī)發(fā)出指令，由電機(jī)驅(qū)動節(jié)氣門閥片轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)其開度變化。

圖1 電子節(jié)氣門體總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of electronic throttle body

2 電子節(jié)氣門位置傳感器的標(biāo)定

2.1 位置傳感器標(biāo)定實驗的原理

如圖2 所示，實驗所用為BOSCH 公司生產(chǎn)的DV-E5 型節(jié)氣門閥體，中間齒輪齒數(shù)為47，節(jié)氣門轉(zhuǎn)角為1～89°。節(jié)氣門轉(zhuǎn)角從怠速開度到全開中間齒輪轉(zhuǎn)過的齒數(shù)為46 齒，因而每轉(zhuǎn)過一個齒數(shù)，節(jié)氣門都對應(yīng)轉(zhuǎn)過一個角度，對應(yīng)一個反饋的電壓值。因而節(jié)氣門傳感器電壓值與轉(zhuǎn)角之間滿足一定的關(guān)系。

圖2 節(jié)氣門閥體Fig.2 Throttle body

2.2 標(biāo)定實驗的結(jié)果與分析

利用數(shù)據(jù)采集卡與上位機(jī)LabVIEW 采集程序，節(jié)氣門傳感器標(biāo)定試驗的數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 節(jié)氣門傳感器標(biāo)定試驗數(shù)據(jù)表Tab.1 Calibration test data of throttle sensor

由表1 可知，節(jié)氣門體中間齒輪轉(zhuǎn)過齒數(shù)為46 齒，節(jié)氣門轉(zhuǎn)角范圍為1～89°，相對應(yīng)的電壓信號為3.35～0.96 V。繪制如圖3 的節(jié)氣門轉(zhuǎn)角與電壓關(guān)系曲線，采用最小二乘法擬合出相應(yīng)的節(jié)氣門轉(zhuǎn)角與電壓的關(guān)系式為

圖3 節(jié)氣門轉(zhuǎn)角與電壓關(guān)系曲線Fig.3 Relation curve between throttle angle and voltage

3 電子節(jié)氣門控制實驗方案

3.1 電子節(jié)氣門驅(qū)動實驗硬件

如圖4 所示，上位機(jī)為PC，下位機(jī)采用了功率驅(qū)動模塊、數(shù)據(jù)采集卡、電子節(jié)氣門模擬板、恒壓電源等。

圖4 電子節(jié)氣門體控制系統(tǒng)實物圖Fig.4 Physical diagram of electronic throttle body control system

3.1.1 功率驅(qū)動模塊

實驗所采用的驅(qū)動芯片是L298N 雙H 橋直流電機(jī)驅(qū)動芯片，驅(qū)動電路原理如圖5 所示。該驅(qū)動模塊可驅(qū)動2 路直流電機(jī)，最大功率25 W，使能端ENA、ENB 為高電平時有效。若要對直流電機(jī)進(jìn)行PWM 調(diào)速，需設(shè)置IN1 和IN2，確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，然后對使能端輸出PWM 脈沖，即可實現(xiàn)調(diào)速?？刂品绞郊爸绷麟姍C(jī)狀態(tài)表如表2 所示。

圖5 功率驅(qū)動模塊電路原理Fig.5 Circuit principle of power drive module

表2 L298N 雙H 橋直流電機(jī)驅(qū)動芯片控制方式Tab.2 L298N double H bridge DC motor drive chip control mode

3.1.2 數(shù)據(jù)采集卡

本次控制信號輸出硬件選擇由美國NI 公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡USB6353（如圖4 所示）。它有32 路AI，(16 位，1.25 MS/s，4 路AO（2.86 MS/s）），48 路DIO，提供了模擬I/O、數(shù)字I/O 和4 個32位計數(shù)器/定時器，用于PWM、編碼器、頻率、事件計數(shù)等。板載NISTC3 定時和同步技術(shù)提供高級定時功能，包括獨(dú)立的模擬和數(shù)字定時引擎和可重新觸發(fā)的測量任務(wù)。同時適用于從基本數(shù)據(jù)記錄到控制和測試自動化等廣泛的應(yīng)用。隨附的NI-DAQmax 驅(qū)動程序和配置實用程序簡化了配置和測量。因而可以作為數(shù)據(jù)采集與控制信號輸出的理想硬件。

3.1.3 汽車電子節(jié)氣門模擬板

汽車電子節(jié)氣門模擬板選用了Bosch 公司生產(chǎn)的汽車電子節(jié)氣門模擬板作為實驗載體（如圖4 所示）。模擬板上有完整的電子節(jié)氣門體、模擬踏板部件以及相應(yīng)的電源模塊。電子節(jié)氣門位置傳感器工作電壓為5 V，直流電機(jī)的驅(qū)動電壓為12 V，加速踏板運(yùn)行角度為0～45°，輸出的電壓為0～5 V。

3.2 電子節(jié)氣門控制軟件設(shè)計

3.2.1 基于LabVIEW 控制程序編寫

?Jessop，B．，State Theory:Putting Capitalist States in Their Place，Cambridge Polity Press，1990．

整個驅(qū)動程序的編寫分為3 部分，如圖6 所示。第1 部分為理想值（期望值）程序的編寫；第2 部分為采集程序，對實際控制過程中節(jié)氣門的電壓信號進(jìn)行實時的采集，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的開度信號；第3 部分為控制信號程序編寫。根據(jù)理想值與實際值偏差來輸出對應(yīng)不同的脈沖信號。在LabVIEW 軟件中調(diào)用PID 控制模塊，并連接到相應(yīng)的輸入與輸出端。

圖6 LabVIEW 驅(qū)動程序Fig.6 LabVIEW driver

3.2.2 基于PID 的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)原理

PID 控制是將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，用這一控制量對被控對象進(jìn)行控制，就構(gòu)成了PID 控制器。本次基于PID 的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)原理如圖7 所示[13-16]。

圖7 電子節(jié)氣門PID 控制系統(tǒng)原理Fig.7 Principle of electronic throttle PID control system

3.2.3 PID 參數(shù)整定結(jié)果

根據(jù)相關(guān)參考資料，初定PID 參數(shù)為P=0，I=0，D=0，然后在保持兩個參數(shù)不變的情況下逐個修改，并進(jìn)行仿真比較結(jié)果[17-20]。經(jīng)過最終整定與調(diào)試結(jié)果，確定PID 三個參數(shù)為P=1.500，I=0.005，D=0.200。

4 電子節(jié)氣門驅(qū)動控制仿真實驗

4.1 電子節(jié)氣門控制效果評價指標(biāo)

因為電子節(jié)氣門在控制過程中，節(jié)氣門開度變化的響應(yīng)速度和控制精度只需與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對節(jié)氣門開度變化的響應(yīng)速度及對節(jié)氣門位置的靈敏度保持同階即可，所以電子節(jié)氣門控制效果評價指標(biāo)如下[1]：

上升時間：在階躍輸入情況下，電子節(jié)氣門從開始調(diào)節(jié)到目標(biāo)開度的90%，響應(yīng)時間不超過300 ms；

調(diào)整時間：節(jié)氣門調(diào)節(jié)范圍超過15%的情況下，穩(wěn)定時間應(yīng)不超過300 ms；

穩(wěn)態(tài)誤差：穩(wěn)態(tài)誤差定義為節(jié)氣門目標(biāo)開度與最終開度之間的誤差。電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)應(yīng)保證階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差不超過±2 °。

4.2 驅(qū)動試驗結(jié)果分析

將輸入信號設(shè)為單位脈沖信號，模擬汽車突然加速情況下，駕駛員控制油門踏板使節(jié)氣門開度迅速到某一個固定值，設(shè)定節(jié)氣門開度分別為20%，40%，60%，80%，100%時，試驗結(jié)果分別如圖8—圖12 所示。

圖8 20%節(jié)氣門開度響應(yīng)曲線Fig.8 20% throttle valve opening response curve

圖9 節(jié)氣門開度40%響應(yīng)曲線Fig.9 40% throttle valve opening response curve

圖10 節(jié)氣門開度60%響應(yīng)曲線Fig.10 60% throttle valve opening response curve

圖11 節(jié)氣門開度80%響應(yīng)曲線Fig.11 80% throttle valve opening response curve

圖12 節(jié)氣門開度100%響應(yīng)曲線Fig.12 100% throttle valve opening response curve

4.3 控制效果分析

如表3 所示，電子節(jié)氣門開度為20%，40%，60%，80%，100%時，電子節(jié)氣門穩(wěn)定時間分別為70，75，65，75，55 ms，均不超過300 ms，階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差均不超過±1°；從開始調(diào)節(jié)到目標(biāo)開度的90%，響應(yīng)時間不超過300 ms。因此驅(qū)動試驗的結(jié)果的各種指標(biāo)均符合節(jié)氣門控制系統(tǒng)的要求。

表3 控制結(jié)果參數(shù)Tab.3 Control result parameters

5 結(jié)語

（1）本文在節(jié)氣門傳感器標(biāo)定中，創(chuàng)新性地根據(jù)中間齒輪齒數(shù)的方法來計算節(jié)氣門的轉(zhuǎn)角，不僅準(zhǔn)確有效，而且可操作性極強(qiáng)，為獲得更真實的節(jié)氣門傳感器特性曲線提供了基礎(chǔ)；

（2）基于LabVIEW 設(shè)計的電子節(jié)氣門PID控制系統(tǒng)，可方便觀察和記錄試驗中各參數(shù)的變化，便于后期的分析與應(yīng)用；

（3）驗證了車輛突然加速情況下節(jié)氣門的控制效果，試驗中以階躍信號模擬節(jié)氣門開度作為輸入。試驗結(jié)果表明，在不同節(jié)氣門開度下，該控制系統(tǒng)均可獲得理想的電子節(jié)氣門控制效果。