（通信与信息系统专业论文）基于can总线的电子节气门控制系统设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 电子节气门技术自2 0 世纪8 0 年代中后期出现以来，已逐渐应用到各种中、 高级轿车中。相对于传统的机械式节气门，电子节气门系统( e t c s ) 能根据驾 驶员的驾驶意图以及整车行驶状况确定节气门的最佳丌度，保证车辆具有最佳 的动力性和燃油经济性，并能够为怠速控制( i d l ) 、驱动防滑控制( a s r ) 和巡航 控制( c c s ) 等电子控制功能的实现奠定基础，从而提高安全性和乘坐舒适性。本 文在前人研究的基础上，提出了基于c a n 总线的电子节气门模糊p i d 复合控制 方法，主要内容如下： 第一部分阐述了汽车电子技术的发展历程和电子节气门产生的背景，详细 分析了国内外电子节气门技术的研究现状并阐述了电子节气门存在的问题及未 来的发展趋势。 第二部分提出了集怠速控制、巡航控制和发动机正常工况控制于一体的新 型电子节气门控制系统和基于发动机最佳经济性曲线或动力性曲线的控制策 略，对其系统分别采用了p i d 控制算法和模糊控制算法，并在m a t l a b 巾建立 了基于c v t 的整车控制模型，对这两种算法进行了综合，提出了电子节e 门模 糊p i d 复合控制的仿真模型。 第三部分提出了基于c a n 总线的电子节气门的硬件设计，用d s p 5 6 f 8 0 7 作为主控制芯片，设计了c a n 接口硬件电路，a d 采样电路，p w m 输出电路等。 而且设计了以p i c l 6 f 8 7 7 为c p u ，c a n 总线智能节点电路及a d 采样电路。 第四部分提出了基于电子节气门硬件设计的软件设计，主要是以d s p 和单 片机为控制器的c 程序。 第五部分建立了电子节气门系统的仿真模型，在m a t l a b 中分别对三种控 制策略进行了仿真。仿真结果表明模糊p i d 复合控制系统效果最好，使系统获 得了良好的动态性能。 基于c a n 总线的汽车发动机电子节气门控制技术研究为c v t 在传动系统 上的应用打下了基础，对电动车乃至智能汽车的研究亦提供了参考。 关键词：电子节气门：c a n 总线；p i d 控制；模糊控制；模糊p i d 复合控制策略 武汉理丁大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ee l e c t r o n i ct h r o t t l ec o n t r o l ( e t c ) h a sb e e ng r a d u a l l ya p p l i e dt oav a r i e t yo f i n t e r m e d i a t ea n da d v a n c e dc a r s ，s i n c ei th a se m e r g e di nt h e2 0 t hc e n t u r yi nt h el a t e 8 0 s e l e c t r o n i ct h r o t t l es y s t e m ( e t c s ) c a nd e t e r m i n et h eb e s tt h r o t t l e o p e n i n g a c c o r d i n gt ot h ei n t e n t i o no ft h ed r i v e rd r i v i n ga n dt h ev e h i c l ed r i v i n gc o n d i t i o n s ；c a n g u a r a n t e et h ev e h i c l e sw i t ht h eb e s tp o w e ra n df u e le c o n o m y , a n db ea b l et ol a yt h e f o u n d a t i o nf o r t h er e a l i z a t i o no fi d l es p e e dc o n t r o l ( i d l ) ，d r i v e ro fa n t i s k i dc o n t r o l ( a s r ) a n dc r u i s ec o n t r o l ( c c s ) ，w h i c he n h a n c et h es a f e t ya n dc o m f o r to fr i d i n g i nt h i sp a p e r , o nt h eb a s eo fp r e v i o u ss t u d i e s ，i th a sp r o p o u n d e dt h ec o m p o u n d c o n t r o lm e t h o do ft h ee l e c t r o n i ct h r o t t l ef u z z yp i dw h i c hh a sb e e nb a s e do nt h ec a n b u s ，w h i c ha sf o l l o w s ： i nt h ef i r s tp a r t ，i th a si l l u s t r a t e dt h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v ee l e c t r o n i c t e c h n o l o g ya n dt h eb a c k g r o u n do f e l e c t r o n i ct h r o t t l ec o u r s e ，h a sa n a l y z e di nd e t a ilt h e s i t u a t i o no fs t u d yo fd o m e s t i ca n df o r e i g ne l e c t r o n i ct h r o t t l et e c h n o l o g i e sa n da l s o d e s c r i b e dt h ep r o b l e m sa n df u t u r et r e n d s i nt h es e c o n dp a r t i th a si l l u s t r a t e dt h en e we l e c t r o n i ct h r o t t l ec o n t r o ls y s t e mo f t h es e ti d l es p e e dc o n t r o l ，c r u i s ec o n t r o la n dn o r m a lw o r k i n gc o n d i t i o no ft h ee n g i n e c o n t r o l ，a n dw h i c hh a sb e e nb a s e do nt h eb e s te c o n o m i ce n g i n ep o w e rc u r v eo r c o n t r o ls t r a t e g yo fc u r v e ，w h i c hh a sb e e nu s e dp i dc o n t r o la l g o r i t h ma n df u z z y c o n t r o la l g o r i t h ma n dc r e a t e dav e h i c l e - b a s e dc o n t r o lm o d e lo ft h ec v ti nt h e m a t l a b ，a n dt h e nt h e s et w oa l g o r i t h m sb e e ni n t e g r a t e d ，a n d h a s p r o p o s e d s i m u l a t i o nm o d e lo fe l e c t r o n i ct h r o t t l ef u z z y - p i dc o n t r 0 1 i nt h et h i r dp a r t ，i th a si l l u s t r a t e dt h eh a r d w a r ed e s i g no fe l e c t r o n i ct h r o t t l e w h i c hh a sb e e nb a s e do nc a nb u s w h i c hh a su s e dt h ed s p 5 6 f 8 0 7a st h em a i n c o n t r o lc h i pt od e s i g nt h eh a r d w a r ec i r c u i t so fc a ni n t e r f a c e ，a ds a m p l i n gc i r c u i t ， a n dp w mo u t p u tc i r c u i te t c ，a n dh a sd e s i g n e dt h ec p ua sp i c16 f 8 7 7 ，t h en o d e c i r c u i to fc a n b u si n t e l l i g e n ta n ds a m p l i n gc i r c u i ta d i nt h ef o u r t hp a r t ，i th a si l l u s t r a t e dt h es o f t w a r ed e s i g nw h i c hb a s e do nt h e i i 武汉理t 大学硕十学位论文 h a r d w a r ed e s i g no ft h ee l e c t r o n i ct h r o t t l e ，w h i c hm a i n l yh a su s e dt h ed s pa n dt h e s i n g l e c h i pa st h ec c o n t r o l l e rp r o c e d u r e s i nt h ef i f t hp a r t ，i th a sb e e ns e tu pt h es i m u l a t e dm o d e lo ft h ee l e c t r o n i ct h r o t t l e s y s t e ma n ds i m u l a t et h r e ec o n t r o ls t r a t e g i e sr e s p e c t i v e l y t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n i l l u s t r a t e st h a tt h ee f f e c to ff u z z yp i dc o n t r o ls y s t e mi st h eb e s t ，a n dm a k e st h e s y s t e mo b t a i nag o o dd y n a m i cp e r f o r m a n c e t h es t u d yo ft h ee l e c t r o n i ct h r o t t l ec o n t r o lw h i c hh a sb a s e do nt h ec a nb u sh a s l a i daf o u n d a t i o nf o rt h ec v t , w h i c hh a sb e e nu s e do nt h et r a n s m i s s i o na p p l i c a t i o n s ， a n dh a sa l s op r o v i d e sar e f e r e n c ef o rt h es t u d yo fe l e c t r i cv e h i c l e sa n de v e ns m a r tc a r k e y w o r d s ：e l e c t r o n i ct h r o t t l e ；c a nb u s ；p i dc o n t r o l ；f u z z yc o n t r o l ；t h es t r a t e g yo f f u z z y p i dc o n t r 0 1 i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ： 同期! 乒堕l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位 论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收 录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：重量：盘导师( 签研究生( 签名) ：，望至：盈导师( 签 同期! ! 乒：堇：皇 武汉理丁大学硕十学何论文 第1 章绪论 1 1 电子节气门的应用背景 随着现代电子技术的应用，汽车的机械结构将发生重大的变化，汽车的各 种操作系统会向电子化和电动化发展，实现“线操控 。用导线代替原来的机械 传动机构，例如“导线制动 、“导线转向”、“电子油门”等【l 】。此外，汽车还 将从1 2 伏供电系统向4 2 伏转化。随着汽车电子装置的逐渐增多，消耗的电能 正在大幅度地增加。现有的1 2 伏动力电源，已满足不了汽车上所有电气系统的 需要。今后将采用集成起动机一发电机4 2 伏供电系统，发电机最大输出功率将 会由目的的l 千瓦提高到8 千瓦左右，发电效率将会达到8 0 以上1 2 i 。4 2 伏汽 车电气系统新标准的实施，将会使汽车电器零部件的设计和结构发生重人的变 革，机械式的继电器、熔丝式保护电路将被淘汰。 汽车电子技术的应用将使汽车更加智能化。智能汽车装备有多种传感器， 能够充分感知驾车者和乘客的状况，交通设施和周边环境的信息，判断乘员是 否处于最佳状态，车辆和人是否会发生危险，并及时采取对应措施。 综上所述，对汽车电子的开发是未来汽车工业发展的主要方向。节气门作 为汽车发动机一个简单却非常重要的控制部件，在汽车电子化进程中起着重要 的作用。早期的节气门是通过机械传动机构与加速踏板相连接，节气门丌度只 受驾驶员控制。2 0 世纪后期，随着车辆电子控制技术的迅速发展，尤其是混合 动力汽车的出现，要求节气门实时可控。 电子节气门的特点是任何工况下节气门丌度都由电机驱动控制，因此，电 子节气门控制系统可以与发动机管理系统配合工作，使车辆具有良好的怠速、 加速及减速工况过渡性能，有效降低排放和燃油消耗；同时也能按照车辆其他 系统，如驱动防滑系统或巡航系统的要求改变节气门开度，改变发动机扭矩输 出，从而实现牵引力控制：混合动力汽车的节气门丌度是由能量分配策略实时 决定的，因此必须采用电子节气门。随着车辆主动控制的发展，电子节气门取 代传统节气门是必然趋势【3 】。因此，对电子节气门控制系统的研究十分必要。 武汉理工大学硕十学位论文 1 2 电子节气门国内外研究现状 电子节气门系统控制作为汽车发动机电子控制的一项先进技术，在8 0 年代 初就已经开始了研究，但产品投入实用的很少，只在一些赛车上有运用，如b o s c h ( 博世) 公司的e t c 产品就只应用在了某些赛车上。8 0 年代术到9 0 年代初， 日本、美国、德国的汽车零配件公司对此研究投入了更多的精力，电子节气门 开始投放市场。1 9 9 3 年，丰田研制出了智能电子节气门，1 9 9 5 年以后，国外中、 高档轿车及一些重载卡车陆续装配了电子节气门系统，如德国b o s c h ，美困d e l p h i ( 德尔福) 、v i s t e o n ( 伟世通) ，同本t o y o t a 和d e n s o ( 电装) 等公司陆续推出 了第一代和第二代e t c 产品，他们的发展趋势都是全电子化。2 0 0 0 年，d e l p h i 公司称电子节气门已具有大规模市场 4 】。 ( 1 ) 国外电子节气门控制系统发展概况 电子节气门的研究工作在国外开始得较早，距今已有2 0 多年的历史，其产 品也早已大规模投入市场。近1 0 年来，国外对电子节气门的研究取得了非常迅 速的发展。发展趋势总的来说可总结为：在控制策略上由线性控制发展为非线 性控制；由辅助电子节气门发展为独立的电子节气门系统；从单一的挎制功能 发展到集成多种控制功能；兼顾提高动力性、经济性、操纵稳定性、排放件和 乘坐舒适性。 目前，国外多家公司已对电子节气门系统投入大量人力、物力作了深入的 研发，比如德国b o s c h ，p i e r b u r g ，美国d e l p h i ，v i s t e o n ，日本t o y o t a ，h i t a c h i ， d e n s o ，意大利m a r e l l i 等己推出系列化产品应用于各种品牌的中高档轿车1 5 j 。 ( 2 ) 国内电子节气门控制系统发展概况 近年来，国内也开始在一些轿车上广泛采用引进的电子节气门，如捷达、 宝来、波罗等，但对于引进的电子节气门只是处于使用阶段，对其核心技术还 是不甚了解。国内对于电子节气门控制系统的研究远远落后于国外，目前的研 究只限于电子节气门结构探讨、实现功能等一些综述性报道，还不具有对电子 节气门进行自主研发的实力【6 j 。目前清华大学、北京理工大学等几家单位进行过 控制系统设计方面的研究。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 电子节气门存在的问题及未来的发展趋势 电子节气门作为现代发动机电子控制技术其中一门较重要的技术，它足通 过电子控制系统精确控制节气门开度，从而实现发动机最优空燃比控制。通过 运用这种技术，可以实现发动机最佳性能，提高车辆的动力性和经济性，减少 有害物质的排放。此外，电子节气门控制还可以实现车辆的巡航控制、牵引控 制、怠速控制等传统机械式节气门实现不了的工况。 传统的机械式节气门采用机械连接，驾驶员完全凭借其自身经验，直接通 过控制加速踏板来控制油门开度，在这种情况下，驾驶员基本上不能实现对油 门开度的最优控制，也不利于换档时刻发动机转速的控制。但是，电子节气门 却可以很好地解决这一问题。驾驶员通过加速踏板仅能间接对油门丌度进行控 制，驾驶员的输入作为参考目标信号通过踏板位置传感器发送给电子控制单元， 最终的节气门丌度由电子控制单元综合当前发动机的运行工况和驾驶员意图进 行分析作出判断之后，命令节气门驱动电机工作，驱动节气门转动，节气门丌 度信号通过节气门位置传感器反馈到电子控制单元，实现油门开度的精确闭环 控制：同时，节气门电子控制单元还能够按照传动系统控制单元的要求自动控 制节气门丌度来满足传动系统换档的需要【7 1 。f 因为电子节气门的这些优势，各 大汽车厂商都在对其进行研究和应用，希望能使汽车性能实现另一个飞跃。 电子节气门控制系统是指在电控燃油喷射系统的节气门机构中，去掉一些 附属补偿装置，取消加速踏板和节气门之间的机械连接，增加驱动电路、驱动 电机以及齿轮传动系统等，其开度在任何工况下都直接由电机驱动，发动机电 子控制单元( e c u ) 通过控制算法实现节气门开度的精确控制，从而能够精确 地控制进气量。由于喷油量是通过发动机管理系统精确控制的，因此e c u 会随 着发动机工况的变化束进行调整，配置出一个最佳的混合气成分，这样不仅能 够提高输出功率，降低废气排放，同时还能提高汽车的怠速、加速及减速等工 况过渡性能。 综上所述，电子节气门具有如下优点： ( 1 ) 节气门开度控制更为精确。普通的机械式节气门开度是直接通过控制 加速踏板来控制的，而电子节气f - i n 是由e c u 对应于驾驶状况来计算出最佳的 节气门开度，由控制电机驱动节气门来实现的。 ( 2 ) 节气门开度控制更为智能。控制系统在接到驾驶员踩油门到底指令时， 3 武汉理t 大学硕士学位论文 并不会直接将节气门全开，而是根据发动机的负荷及转速增加的速度，节气门 先打丌一个基本角度，然后缓慢的增大，这种渐进式的开启方式可以减轻囚发 动机转速突变带来的振动，并得到最优的迸气控制，从而使发动机加速更柔和， 更快速，也更省油。 ( 3 ) 节气门控制设计更为环保。电子节气门在各种情况下都能对空气系数 进行精确控制，使得燃烧更加完全。在怠速时只允许极小的丌度来增进稳定燃 烧，提高了燃油经济性，排放也得到进一步控制。 ( 4 ) 汽车整体控制系统更为简化。集成了多种控制功能的电子节气门控制 系统作为发动机控制的一个功能模块，除了维持发动机正常运转所进行的加速、 怠速控制外，还可以完成与进气控制有关的巡航控制、车辆稳定控制以及换档 防冲控制等，使车辆的控制大大地简化【8 j 。 作为现阶段一种不太成熟的技术，电子节气门具有这么多的优势，它自身 也必然存在一些缺陷。电子节气门的不足之处有： ( 1 ) 成本较高。电子节气门本身为了安全可靠而采用冗余设计，使得所用 的传感器和电机要求极高的精确度币r ln l a j 应速度，这使得成本大为提高。 ( 2 ) 控制算法复杂。为了保证系统失效后发动机仍能运转，需要复位弹簧 使节气门保持在一个微小的开度，这就需要一个非线性弹簧，它使得控制算法 更为复杂。 电子节气门控制系统是汽车发动机管理系统中的核心模块，它可以根据发 动机的转矩需求灵活调节进气量，这种调节在很多情况下足需要的。例如，在 倒拖、分缸断油、稀薄燃烧、变速器换档和防爆制动等电子控制过程巾，都会 伴随着对发动机转矩需求的改变，转矩突变将破坏汽车行驶的平顺性。实现转 矩平稳过渡的方法有两种，即逐步增大和逐步减小点火提前角或者逐步改变进 气量。目前多数发动机采取前一种方法，但这样做会影响点火提前角的优化， 增加油耗。后一种方法比较理想，但驾驶员无法通过人力操作加速踏板改变进 气量以实现转矩的平稳过渡。只有使用电子系统控制进气量( 也即电子节气门 控制系统) 才能实现转矩的平稳过渡。由于我国目前电子节气门技术的研发还 处于初级阶段，与国外还有较大差距，因此电子节气门未来的发展趋势是要对 其不断发展和完善。 4 武汉理t 大学硕十学位论文 1 4 本课题主要的研究内容 电子节气门作为发动机管理系统中最重要的部件之一，是实现发动机全电 控的基础，现在已经得到越来越广泛的应用，特别是在在汽车领域。国内对于 电子节气门只是处于引进使用阶段，没有深入系统的研究报道，可供借鉴的经 验不多，对国外的核心技术也是知之甚少。因此，吸收、借鉴国外先进的控制 经验，深入研究电子节气门控制系统的工作原理以及控制电路和控制算法，并 与发动机管理系统有效的结合，发挥电子节气门控制系统在发动机管理系统中 的作用，从而实现发动机性能的优化，具有重要意义。本文主要对电子节气门 控制系统的控制电路及控制策略和控制算法进行了研究，主要内容有t ( 1 ) 完成电子节气门控制系统的发展和囤内外研究现状的调研。查i 蒯现有 关于电子节气门的资料，对其优缺点进行了分析。 ( 2 ) 分析传统的机械式节气门和电子节气门的结构与工作原理。 ( 3 ) 对各种策略进行分析，如选取p i d 控制、模糊控制在各工况下进行分 析。再从系统稳定性要求出发，考虑到系统的非线性及系统存在不确定因素， 根据变结构控制理论中相应的控制策略，设计了模糊p i d 控制器。 ( 4 ) 选择合适的硬件并设计相应的接口电路，编写电子节气门控制系统软 件程序。 ( 5 ) 根据前面所讲述的控制策略，建立节气门体的仿真模型，从理论上进 行深入分析。在m a t l a b 中对三种控制策略进行仿真，最后根据仿真结果分析 优、缺点并作出展望。 5 武汉理t 大学硕十学位论文 第2 章电子节气门控制策略分析 2 1 电子节气门控制策略现状分析 迄今为止还没有一种控制策略是对所有的被控对象都适用。对于特定的控 制系统，选择良好的控制算法，使被控系统的特性达到最佳，这是每个研究控 制的人员的主要问题。 发动机节气门进气控制是一个复杂的快速变化过程，节气门受到非线性力 矩及不稳定因素的影响，要想实现对节气门预期位置的精确控制，一是要了解 系统的动态特性，二是要运用恰当的控制理论和方法【9 】。 随着生产的发展，控制技术也在不断的发展，尤其是计算机的更新换代， 更加推动了控制理论不断的向前发展。控制理论经历了古典控制理论、现代控 制理论及大系统理论和智能控制三个阶段【l0 1 。随着汽车电子化的发展，发达国 家在汽车的各个系统上竞相采用电子控制装置，为了达到一个较好的控制效果， 各种成熟的控制算法也用到各种控制系统中。 2 2 发动机节气门控制理论 传统的节气门与踏板踏下量的关系是成正比例的。这种简单的比例关系容 易产生很多的弊端：尽管很小的踏下量，反映在节气门通道面积上也较大，特 别是在大功率的发动机上，会使车辆产生急骤的加速或减速。为了克服这种简 单的正比例控制弊端，出现了电子节气门，用导线替代了传统的机械式连接。 节气门丌度与油门踏板的踏下量不再正比例关系，而足与传动系统有关，山发 动机的输出功率和车辆匹配的最佳特性来决定。在电子节气门控制中，油f j 踏 板已经不再完全承担传统的简单控制发动机的责任，它仅仅承担一个提示作用， 具体的控制方法、方案将由其控制器根据发动机的工况、整车的运行状况等决 定【l 卜1 3 j 。电子节气门系统组成图如图2 1 所示： 6 武汉理t 大学硕十学位论文 电子节 气门控 一驱动电机i 制器 图2 1 电子节气门系统组成图 油门踏板传感器、汽车运行状况以及发动机的转速等参数都作为电子：常气 门控制器的系统输入，控制电机的信号作为输出。在汽车的某种运行状况下， 根据反馈回来的发动机转速，经过最佳经济曲线转换折算出一个最件的节气门 控制开度，对比油门踏板的电压升降趋势和反馈回来的实际节气门位置传感器 开度信号，电子节气门控制系统计算出一个最佳的开度控制量控制节气门电机， 达到调节节气门开度的目的。其中汽车的运行状况主要是指汽车启动暖机、怠 速、巡航或正常行驶等，在不同的运行状况下，节气门控制的方法或策略不一 样。具体的控制方法或策略下文将进行详细的阐述。 2 3 电子节气门系统非线性分析 影响电子节气门控制策略，及仿真研究的主要问题，就是节气门体的非线 性问题。经分析，电子节气门体大致有4 类非线性因素：1 齿轮减速机构及卤 隙非线性。2 复位弹簧的非线性。3 摩擦力的非线性。4 节气门体的非线性i l4 | 。 2 3 1 齿轮减速机构及齿隙非线性 节气门驱动电机转速较高而输出扭矩较小，而节气门阀片本身有一定的转 动惯量并受到一定的摩擦力和复位弹簧作用力，如果由直流电机直接驱动节气 门阀片中心轴，则需要功率较大的电机。因此电子节气门总成上都设计有一套 7 武汉理上人学硕士学位论文 齿轮减速机构，包括主动齿轮、中问齿轮和从动齿轮。其中主动齿轮安装于电 机输出轴上，从动齿轮装于阀片中心轴端，通过固定于节气门体的巾问齿轮传 递输出扭矩给阀片中心轴。齿轮减速机构不仅增大了施加于中心轴卜的扭矩， 同时还降低了节气门阀片的转速，减少了工作时的冲击，有利于节气门控制。 在齿轮减速机构中，由于齿轮啮合存在间隙，产生了齿间隙非线性，电机转矩 和节气门输出之间成非线性关系。 2 3 2 节气门复位弹簧及其非线性 在节气门工作时，当节气门需要从较大开度位置降到较小丌度或回到节气 门关闭位置时，为了保证系统的可靠及响应的快速性，在节气门阀片中心轴另 一端设计有复位弹簧，该弹簧提供一个较大的扭转力矩，使节气门阀片可以快 速地回到要求位置。通过对该弹簧的调整，还可以调节节气门初始开度，使节 气门即使处于最低开度也能提供一定的空气流量，实现怠速控制【i5 | 。复位弹簧 的引入，是出于系统安全性考虑的，同时使节气门的控制算法变得更加复杂。 复位弹簧采用非线性扭转弹簧，该弹簧具有如下非线性特性： t s d ( 0 ) = m l ( 0 - 0 0 ) + d s g n ( e 一0 0 ) ( 2 - 1 ) 式中，t 。为复位弹簧力，0 为节气门转角，0 0 为弹簧平衡位置，m l 为弹簧 增益，d 为弹簧偏移量。 由于复位弹簧在静态位置前后扭矩方向的改变，节气门开度范围及丌度的 变化趋势不同时，所需的控制量不同，使得节气门控制系统存在非线性，要获 得精确的控制，必须采用非线性控制方法。 2 3 3 节气门阀片运动中的非线性 节气门阀片在运动过程中要受到摩擦阻力矩的作用。系统中受到的摩擦力 矩十分复杂，包括粘性摩擦力矩和库仑摩擦力矩，其中库仑摩擦属于静摩擦， 而粘性摩擦属于动摩擦。粘性摩擦力矩与节气门阀片的转速大小有关，方向与 转动方向相反；库仑摩擦力矩则与节气门阀片运动方向有关，方向亦与其相反。 t f r i = t d + t f t d = 6 0 8 ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 武汉理工人学硕士学位论文 t f - k fs g n ( c o )( 2 - 4 ) 式中t 航总摩擦力矩，t d 粘性摩擦力矩，t f 库仑摩擦力矩 从总摩擦力矩和电机扭矩的关系可以看出，受摩擦力的影响，节气门阀片 的受力和运动都是非线性的【1 6 1 。 2 3 4 节气门体非线性分析 电子节气门在不同的丌度范围内节气门复位弹簧扭矩方向不同，根据扭矩 的方向将节气门的开度分为两个范围，即0 。9 。和9 。8 8 。因为滑动摩擦 力影响比较小，在此暂且不予考虑。这样在节气门转轴上作用的扭矩有复位弹 簧的扭矩和电机扭矩。 假定节气门位于同一开度时加速度相同，0 。9 。范围内，丌度减小时，电 机扭矩是主动力矩，且大于弹簧扭矩，方向与弹簧扭矩方向相反。开度增大时， 电机扭矩是被动力矩，且小于弹簧扭矩，方向与弹簧扭矩方向相反。开度急速 增大时，电机扭矩的方向改变，与弹簧扭矩方向相同，以产生较大的加速度。9 。8 8 。开度范围内，分析可知：开度减小时，电机扭矩是被动力矩，且小于弹 簧扭矩；开度增大时电机扭矩是主动力矩，且大于弹簧扭矩；这两种情况电机 扭矩的方向与弹簧扭矩方向相反，丌度增大时电机扭矩大于开度减小时电机扭 矩。开度急速减小时，电机扭矩的方向改变，与弹簧扭矩方向相同，会产q i 较 大的加速度【l 。 总之，节气门开度范围不同、开度变化趋势不同，节气门转轴的受力情况 不同，因而电机的驱动转矩大小和方向不同，所需的控制量不同，这就是电子 节气门动态特性中存在的非线性变结构现象。 由此前面的非线性分析，可以看出，整个电子节气门体中很多部分都是 非线性的，这就给节气门的稳定控i i i i i i 造了困难。 2 4 电子节气门控制策略 发动机节气门进气控制是一个复杂的快速变化过程，节气门受到非线性力 矩及不稳定因素的影n 向，要想实现对节气门预期位置的精确控制，一定要运用 恰当的控制理论和方法。笔者通过对国内外电子节气门控制策略的调研，发现 目前对电子节气门的控制大致分为p i d 控制策略和模糊控制策略。本文在对这 9 武汉理丁大学硕十学位论文 两种控制策略研究的基础上，结合两者的优点，互补缺点，提出了模糊p i d 复 合控制策略。 2 4 1 经典p i d 控制 p i d 控制是现在控制技术中最经典的控制方法，广泛应用在工业控制过程 中，其原因是：第一，由于p i d 控制器具有简单而固定的形式，在很宽的操作条 件范围内都能保持较好的鲁棒性；第二，给设计人员提供了一种简单而直接的调 节方式。三种不同形式的控制作用组合用来跟踪被控对象的不同工作状态，使 调节系统的动态误差更小。对于一些非线性复杂对象，尽管p i d 大多数采j j 了 近似描述和线性化原理，但其最终的模型表示形式应该是确定的，而且利用它 能够容易地得到精确定量解。p i d 具有结构简单，参数物理意义明确，动态和静 态特性优良等显著优点，在各种新控制理论不断出现的今天，在工业过程中仍 占据主要位置【惜。2 1j 。 在p i d 控制算法中，存在比例、积分、微分三种控制作用。p i d 控制也就是 这三种控制的线性组合。这三种控制各有优缺点。 比例控制的优点是：误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，使被控制 量朝着减小误差方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数k p ，其缺点是：对 于具有自平衡性( 即系统阶跃响应终值为一有限值) 的被控对象存在静差。加大 k p ，可减小静差，但k p 过大，会导致动态性能变坏，甚至会使闭环系统不稳定。 积分控制的优点是：它能对误差进行记忆并积分，有利于消除静差。但它 的不足之处在于积分作用具有滞后特性，积分控制作用太强会使控制的动态性 能变差，以致于使系统不稳定。 微分控制的优点是：它能对误差进行微分，对误差的变化趋势敏感，增大 微分控制作用可加快系统响应，使超调量减少，增加系统的稳定性。它的缺点 是对于干扰同样敏感，使系统抑制干扰能力降低。 p i d 控制的关键是如何整定比例控制系数k p 、积分控制系数k i 、微分控制 系数k d 。三种参数在控制效果上相互影响相互制约，使得控制的准确性和稳定 性受到影响口2 。 1 0 武汉理t 大学硕士学位论文 2 4 2 模糊控制 模糊控制以模糊数学理论、模糊语言形式为理论基础，是一种基于模糊规 则的控制系统，这些模糊控制规则是直接从专家经验或现场操作者的经验中进 行归纳、优化得出来的，是一种蕴涵着人类智能、推理和决策的控制方式。经 典数学以特征函数讨论问题，而模糊数学以隶属函数讨论问题。系统精确数学 模型的建立，其实质是应用一定的数学处理手段，基于待辨识系统的大量测量 数据，找出体现系统输入与输出之间的内在联系，并通过一定的数学表达式加 以描述。建立系统模糊模型的基本思想也是这样，只是将采集到的精确量量测 数据进行模糊化处理，转化成通过隶属度和模糊子集表达的模糊量，也就是说， 将原来通过精确量数据描述系统输入输出之间的内在联系峭确数学模型) ，转化 成一种相应的由条件语句i f ( 输入语言变量模糊子集) 、t h e n ( 输出语言变最模糊 子集) 表达的模糊关系，这便是系统的模糊模型1 2 3 1 。 模糊控制是一种典型的智能控制方法，其最大的特点是将专家的经验和知 识表示为语言控制规则，并应用这些语言控制规则去控制系统，这样它可不依 赖于被控对象的精确数学模型，能够克服非线性因素的影响，对被控对象的参 数变化具有较强的鲁棒性【2 4 1 。它不用建立数学模型，根据实际系统的输入输出 结果数据，参考现场操作人员的操作运行经验，就可对系统进行实时控制。模 糊控制器的特点中阐述模糊控制对于扰、参数变化不敏感及模糊控制不用建立 数学模型的特点，使得模糊控制对在不同环境下的同一被控对象( 在不同环境下， 同一对象的参数或许己经发生了不小的变化) 进行控制，或是己经调好的模糊控 制系统应用于参数稍有变化的控制对象时，系统性能没有多大变化，使得现场 调试人员不必为同一控制对象设置不同的调试参数。 2 4 3 模糊p i d 复合控制 首先让我们了解一下模糊p i d 控制理论。模糊控制是以模糊集合论、模糊 语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机控制方法，作为智能控制的一个 重要分支，在控制领域获得了广泛应用，模糊控制与传统控制方式相比具有以 下突出优点： 1 不需要精确的被控对象的数学模型； 2 使用自然语言方法，控制方法易于掌握； 武汉理工人学硕士学位论文 3 鲁棒性好，能够较大范围的适应参数变化； 4 与常规p i d 控制相比，动态响应品质优良【2 5 1 。 常规模糊控制器的原理如图2 2 所示： t 。k 入 e 7 y e u u 【 f u z z y 控f u z z y 判 被控过程 f u z z y 化 制算法 - 决 f 叫d d r r i 一 图2 2 模糊控制系统框图 y 电子节气门模糊p i d 复合控制的基本思想是：在节气门出现大偏差时采用 模糊控制，使系统获得良好的动态性能；在小偏差时采用智能积分p i d 控制， 使系统消除稳态误差，提高控制精度；在模糊控制与p i d 控制的切换点建立过 渡区域，使控制算法平稳切换，避免由于算法改变导致的系统不稳定。平稳切 换模糊p i d 控制器与开关切换模糊p i d 控制器的区别就是增加了一个切换过渡 区域，在该区域时模糊控制和p i d 控制同时起作用1 26 | 。图2 3 为电子节气门平 稳切换模糊p i d 复合控制系统结构，控制器由模糊控制器、p i d 控制器和平稳切 换控制权重因子函数a ( e ) 等构成。图2 3 中，0d 为电子节气门的期望位置；0 为 节气门实际位置反馈；e 为节气门位置误差；e 。为误差变化率；u p i d 为p i d 控制 器输出量；u f u 盟v 为模糊控制器输出量：u 为复合控制器输出量。 0 d 0 匝i d 囹号c u 图2 3 电子节气门模糊p i d 复合控制结构框图 1 2 武汉理上大学硕士学位论文 2 4 4 电子节气门模糊控制器的设计 ( 1 ) 电子节气门模糊控制器的结构设计 一般情况下，一维模糊控制器用于一阶被控对象，由于这种控制器输入变 量只选误差一个，它的动态性能不佳。从理论上讲，模糊控制器的维数越高， 模糊控制规则变得过于复杂，控制算法的实现相当困难。所以，目前广泛采用 的均为二维模糊控制器，如图2 - 4 所示。 e c 图2 4 二维模糊控制系统 u 电子节气门系统模糊控制器采用二维模糊控制机构，双输入单输m 模型。 模糊控制器的输入参量节气门位置偏差e ( k ) 和位置偏差变化率e 。( k ) 在第k 次采 样时刻有 e ( k ) = o d ( k ) - 0 ( k ) e 。( k ) = e ( k ) - e ( k 一1 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 式( 2 5 ) 和式( 2 6 ) 中，0d 为电子节气门系统的期望位置，通过加速踏板位置传感器 信号电压变化反映；0 为节气门实际位置反馈，通过节气门位置传感器的电压来 反映；误差e 及误差变化率e 。为模糊控制器输入变量；输出参量u 作为控制节 气门直流电机电压的p w m 占空比。 ( 2 ) 精确量的模糊化精确量转换成模糊化量，模糊化计算首先对这些输入输 出量进行处理以变成模糊控制器要求的语言变量，然后将上述已经处理过的量 进行尺度变换，使其变换到各自的论域范围；最后进行模糊化处理，并用相应 的模糊集合来表示【2 7 。 1 ) 论域和基 模糊化的作用是将输入输出本论域 根据节气门控制试验的观察结果，将节气门的位置误差e 实际变化范围定义 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 为 0 1 ，o 1 ，超过这个范围的都把它当作边界值来处理。误差变化率e 。的变化 范围为 o 0 5 ，0 0 5 】，u 的范围定义为 1 ，l 】。误差语言变量e 、误差变化率语 言变量e c 和控制量语言变量u 的论域等级均被定义为 6 ，5 ，4 ，3 ，2 ，1 ， 0 ，l ，2 ，3 ，4 ，5 ， 6 ) 。 2 ) 量化因子和比例因子 为了将输入量进行模糊化处理，必须将输入变量从基本论域转换到对应的 语言变量模糊集的论域，需要量化因子进行论域转换。误差k e 和误差变化率 k e 。的量化因子分别如式( 2 7 ) 和式( 2 8 ) 所示。 k ： ! 三 ： ! 兰 ：6 0( 2 7 ) 。 p 。一e 。i 。o 1 一( 一o 1 ) k ： ! 三 ： ! 三 ：1 2 0 ( 2 8 ) “ e c 。一p 。i 。 o 0 5 一( - 0 0 5 ) 在确定了量化因子后，电子节气门电控单元采样得到的误差为基本论域中 的一个精确值，设为e i ，则可以对其量化，找到e 论域中元素与之对应。设为 x i = k e * e i ，分下列三种情况进行处理：若x i 6 ，则量化后的结果为6 ；若x i 6 ， 则量化后的结果为6 ；否则6 x i 6 ，可以采用四舍五入的方法取整，得到最化 结果。同理，对于误差变化率e 。，采用上述方法对其进行量化，找到e c 论域中 的元素与之对应。由于模糊推理输出的结果是一个模糊集合，电子节气门系统 只能接受一个精确量，而这个精确量只是模糊控制器输出论域中的一个量或是 论域中两个元素之间的一个量，将它乘以比例因子，才能施加到电子节气门控 制系统上【2 8 】。即模糊控制算法计算后得到的控制量，必须将其转换为控制量基 本论域中的值。控制量的比例因子定义如式( 2 9 ) 所示。 k 。= u m a x 6 = 1 6 ( 2 9 ) 3 ) 语言变量值的选取及语言变量论域上的模糊子集 误差语言变量e 、误差变化率语言变量e c 和控制量语言变量u 的值均设定 为 负大，负中，负小，零，正小，正中，正大) ，用英文缩写为 n b ，n m ， n s ，z e ，p s ，p m ，p b ) 。语言变量模糊子集fn b ，n m ，n s ，z e ，p s ，p m ， p b 采用灵敏度较高的三角形函数，均匀分布。 各元素在论域【6 ，+ 6 上分别属于误差变化率语言变量、误差变化牢语吉变 量、控制量语言变量的语言值模糊集的隶属度定义如表2 1 所示。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 表2 1e 、e c 、u 赋值表 语言值 6- 5432 10 l23456 p boo0ooo00oo00 5 1 p moo0o000000 5l0 50 p s0o0o00oo 510 50o0 z e0000o0 51o 5o ooo0 n s00o0 51o 5o0oo0 00 n m0o 510 50o000o000 n b10 50o0 0 0o00o0o