发动机电子节气门控制方法的研究
2019-06-05曹久鹤安阳孙万千孙涛
曹久鹤,安阳,孙万千,孙涛
发动机电子节气门控制方法的研究
曹久鹤,安阳,孙万千,孙涛
(燕山大学,河北 秦皇岛 066000)
阐述了电子节气门控制系统的组成及其工作原理,利用matlab/simulink分别搭建了PID控制和模糊控制电子节气门控制模型,在阶跃输入下对两个模型进行仿真分析,分析结果表明采用模糊控制节气门的跟随性更好,超调量更小,可以更加精确的控制节气门的开度。
电子节气门;PID;模糊控制
前言
汽车电子节气门(electronic throttle control system,简称ETCS)是现代汽车发动机控制技术之一,在控制汽车怠速转速、精准控制汽车牵引力、控制汽车驱动力、定转速巡航等多个方面都有应用。电子节气门用电子控制的节气门取代了原有的拉线式气门,是以后汽车向电子化发展的趋势[1]。目前在电子节气门的研究上,国外已经走得很远,国内对该项目的研究也取得一定成果,但是与国外相比还有一定差距。电子节气门由驱动电机驱动开启,由回位弹簧控制关闭,中间夹杂着粘性摩擦力等,节气门在转动过程中,受到弹簧回位转矩、阻尼力矩等各种不平衡力矩的作用,非线性时变很强,也有一定的不确定性。在控制ETCS过程中对控制算法的优化很重要。本文对电子节气门的结构及特性进行深入研究,建立了电子节气门数学模型,分析了控制过程中存在的非线性因素成因,根据简历的数学模型搭建了节气门控制策略,并在阶跃输入下对节气门的控制策略进行了PID和模糊控制仿真实验,并对控制结果进行了分析。
1 电子节气门的构成
电子节气门主要有四大部分构成,分别是控制器、驱动器及执行器与反馈控制器四部分,图1为电子节气门结构简图。
电子节气门根据发动机油门踏板产生的信号电压与其他相关传感器数据确定目标节气门开度。根据开度查找MAP表,通过PWM波对节气门电机的控制[2]。电机输出力矩的大小主要通过调节PWM波的占空比来进行控制。当电动机的输出力与摩擦力等大反向时,节气门刚好能够保持在某一开度不变。当调节占空比增大时,电机出去力大于阻力,节气门开度逐渐增加;与之相反,占空比减小时,节气门开度也减小。节气门通过节气门位置传感器反馈回来的信号电压来实现对节气门的闭环控制[3]。
图1 电子节气门结构示意图
2 电子节气门数学模型
电子节气门是一个由机械与电机共同控制的结构,执行器主要包括直流电机、节气门齿轮组、弹簧以及节气门阀片。电子节气门传动部分采用齿轮组,如图2为电子节气门齿轮传动示意图。
图2 电子节气门齿轮传动示意图
2.1 弹簧扭矩分析
电子节气门传动齿轮部分受到两个力矩的作用,设节气门平衡位置的转角为,当其转角为时,总的力矩为:
Ks为弹簧扭矩系数,D为弹簧扭矩补偿系数。
2.2 摩擦力分析
电子节气门机械系统受到的力十分广泛,最主要的力为摩擦力,包括干摩擦、边界摩擦,气、液混合摩擦等。本文在研究中采用“静摩擦+库伦摩擦+粘滞摩擦”模型,忽略静摩擦力,则总的力矩计算公式为:
K为滑动摩擦系数,K为库伦摩擦系数
2.3 直流电机的微分方程
电子节气门执行器是一个直流电机,直流电机的定子是永磁铁,转子是线圈绕组,线圈可以看做一个电阻加一个电感。如图3所示:
图3 节气门电机等效电路
如上图,根据基尔霍夫定律,建立如下方程:
2.4 模型建立
由以上分析可以推出系统总的数学模型为:
模型中所用到的物理参数如下表所示。
表1 电子节气门物理参数
3 发动机节气门控制策略的搭建
由上述可知,节气门主要有直流电机与节气门机械结构构成。
控制器通过控制输出PWM波的方向来控制电机输出力矩的大小和方向,来推动节气门到达目标开度[4]。如图4是在matlab/simulink中搭建的电子节气门模糊控制仿真模型。
图4 电子节气门模糊控制仿真模型
3.1 模糊控制器的设计
模糊控制器具有不依赖于对象的数学模型、鲁棒性好、简单实用等优点[5],在节气门这种非线性且难以精确建模的控制中非常适用。
本研究采用的模糊控制器把目标开度与实际开度的误差e及其变化率作为输入语言变量;以占空比增量为输出语言变量。的论域为[-100,100],的论域为[-2000,2000],的论域为[-1,1],输入输出语言变量的模糊子集均分为7级:{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大},简记为{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}。控制器模糊规则为“IF e andthen u”。根据控制逻辑,以及多次仿真实验,对规则进行精简,最终确定模糊控制规则[6]如表2所示。
表2 模糊控制规则表
3.2 节气门PID模型的搭建
通过上述模型,利用simulink建立节气门PID控制系统的仿真模型如图5所示。
图5 节气门PID仿真模型
3.3 阶跃输入下模型仿真结果分析
给两个节气门控制模型相同的阶跃输入信号,进行模拟仿真,比较两个模型的跟随效果如下图6所示。
图6 两种控制方式仿真实验对比
在阶跃输入下,通过仿真结果可以看出,在PID控制中节气门响应速度较快,但是超调量很大,到达稳定状态的时间很长,但模糊控制下节气门具有较快响应速度,并且具有很小的超调量,具有更好的稳定性与动态特性。
4 结束语
本文以通过建立电子节气门的数学模型,然后分别搭建了PID控制模型和模糊控制模型,然后进行仿真实验,实验结果说明,模糊控制响应时间快,超调量较小,控制的跟随性也较强,符合实验初的预期,说明模糊控制在节气门的控制过程中具有很好的表现。
[1] 陶云飞.基于电子控制节气门的怠速控制策略仿真研究[D].吉林大学,2006.
[2] 杨振东.基于模糊PID电子节气门控制系统的研究与开发[D].湖南大学,2008.
[3] 周云山,于秀敏.汽车电控系统理论与设计.[J]北京理工大学出版社1999.11.
[4] 于洪洋.基于位置反馈控制的节气门控制系统研究[D].吉林大学,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.电子节气门控制系统的开发.[J]汽车化油器,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
曹久鹤,硕士,就读于燕山大学。研究方向:读研期间,主要进行发动机电子控制方面的研究与进行发动机台架实验标定。