基于RTWT的汽車電子節氣門半實物仿真平臺

陳鳳祥，孫澤昌，趙治國，章 桐

(同濟大學汽車學院，新能源汽車工程中心，上海 201804)

0 引言

汽車電子技術對汽車工業的促進作用已成為當今社會的共識［1］。但是相應汽車電子的教材難以適應當今汽車工業發展的要求，如經典控制論的教材沒有較好反映出汽車電子的特色。同時，現有的自動控制實驗平臺也無法滿足培養汽車電子這個新興專業的人才需求。因此，為學生提供一套具有汽車電子特色的自動控制實驗平臺迫在眉睫。

以汽車電子節氣門作為控制對象建立的實驗平臺已在高校里出現。選用該控制對象的理由如下:①結構較為簡單、建模相對容易;②業已成為發動機管理系統中的一個重要的模塊;③具有典型的機電混合特性;④該對象是一個較為典型的線性系統。

我國高校已建成一些電子節氣門的控制平臺，如清華大學設計出了一種電子節氣門控制系統［2］。該控制器以摩托羅拉單片機MC68HC912DG 128A為核心，用MC33186作H橋驅動芯片。測試系統向節氣門控制器發送目標開度值，控制節氣門完成動作，同時記錄并分析實際控制效果。但是控制算法的實現較為復雜，需要了解單片機的具體資源且參數修改十分麻煩。

北京理工大學基于dSPACE設計了電子節氣門半實物仿真實驗臺［3］。由于dSPACE附件價格昂貴，而且利用Matlab生成的PWM的載波頻率小于1kHz，無法提高到10kHz以上。因此該平臺會伴有較為明顯的噪音，控制精度也相對較低，并不適合先進控制算法的實現。

考慮到教學對象主要為機械類本科生，他們的嵌入式系統軟件編程能力相對較弱，而且課時有限，為了讓每一位學生能夠快速實現控制算法并在線修改相關參數，我們提出并實現了一種基于Matlab實時視窗目標RTWT(Real-Time Windows Target)低廉高效的電子節氣門半實物仿真平臺。

1 Matlab/RTWT介紹

實時視窗目標RTWT是Matlab以PC機進行半實物仿真的軟件平臺。通過RTWT中所提供的輸入和輸出模塊(目前模塊庫中已支持多達200種以上的數據采集板卡)，可以方便地把Simulink環境下搭建的控制器算法直接用于實際物理對象構成閉環控制系統。在該方案中，PC機既作為宿主機，同時又作為目標機存在。就控制實時性而言，Windows本身是一個非實時操作系統，一般而言其定時精度最多只能達到1ms，因此對于一些高精度實時控制場合是不合適的。RTWT則應用一個小型實時內核，該內核以PC時鐘作為基本時鐘源并優先從Windows操作系統獲得來自PC時鐘的中斷，這樣就阻斷了任何來自Windows操作系統的調用請求，從而保證了系統的實時性。一般而言，對于較小的模型可以保證10kHz以上的采樣頻率。

2 電子節氣門半實物仿真平臺設計

2.1 電子節氣門系統組成

本實驗平臺以RTWT為基礎將普通PC機模擬成宿主機和目標機，實現電子節氣門ETCS的半實物實時仿真，系統原理圖如圖1所示。在圖1中數據采集板卡(PCI-1711)起著A/D和D/A的作用，它負責把模擬電壓信號(節氣門位置)經過采集后轉換數字信號，同時又把驅動器的輸入電壓的數字信號轉換成模擬電壓信號。圖中板卡和PC機所交換的信號為數字信號，用后綴［D］表示，板卡和電機驅動系統以及電子節氣門所交換信號為模擬信號，用后綴［A］表示。電子節氣門采用博世公司的DVE-5。電機驅動系統定制購買，其主要功能如下:通過輸入電壓改變PWM占空比，從而控制電機的實時供電電壓，其中輸入電壓0-2.4V正轉，2.4V-2.6V停轉，2.6V-5.0V反轉。考慮到電機驅動時的噪音問題，選取系統PWM載波頻率為12kHz。

圖1 電子節氣門實驗樣機系統原理圖

2.2 軟件系統

在Simulink環境下搭建的電子節氣門控制系統如圖2所示。圖中Analog Output為輸出到電機驅動系統控制電壓信號;Analog Input為電子節氣門位置傳感器的電壓信號;如圖3所示的Controller為靜態前饋+PID反饋的控制器，其中PID反饋控制器部分添加了死區以克服節氣門因噪聲或擾動的頻繁作動;Filter1為系統前置濾波器(主要為了減少系統的超調量);Filter為傳感器信號濾波器(主要為了剔除采樣噪聲);Saturation模塊實現上限為+10，下限為－10的飽和輸出;chg模塊實現如下映射:

式中，y為輸出，u為輸入，h＞0為死區值，實驗中取h=0.0001。該映射的目的就是實現如下區間的轉換:(h，10］→［0，2.4］，［-h，h］→［2.4，2.6］，［-10，-h)→(2.6，5］，以方便控制算法的參數調節。

圖2 基于RTWT的實時控制框圖

圖3 Controller模塊的內部結構圖

3 實驗結果

系統的階躍響應曲線如圖4所示，其中縱坐標表示節氣門位置的反饋電壓信號及控制電壓信號，橫坐標表示時間(單位秒)。從圖4(a)可以看出，期望輸入為單位階躍信號，系統動態響應曲線的調整時間小于100毫秒，經過大量仿真實驗表明，系統的調整時間不大于200毫秒(這是由于本半實物仿真并未對節氣門體的復位彈簧進行拆除，因此系統帶有較強的非線性，從而導致不同工作點的調整時間的差異性)，穩態誤差小于0.6%。圖4(b)則描述了驅動器輸入的控制電壓信號。由此可見，該實驗平臺的搭建是成功的，不僅可以滿足一般的本科教學，而且還可以滿足科研單位對高性能節氣門控制器研發的需要。

圖4 系統階躍響應及其電機驅動器輸入電壓

4 結語

基于Matlab/RTWT和PCI-1711數據采集卡所建立的電子節氣門半實物仿真平臺，具有結構簡單，成本低廉，參數修改簡單，系統實時性強等特點。本實驗平臺可以讓學生完全從硬件實現和嵌入式軟件編程中解放出來，在數分鐘內實現控制算法的設計并實時得到相應控制效果。對于經典控制論的本科生教學意義上，這樣的一個實驗平臺至少可以實現三種實驗課程設計:系統建模，頻率特性測試和系統辨識和串聯校正。

［1］ 周云山，鐘勇，汽車電子控制技術［M］，北京:機械工業出版社，2004

［2］ 李雅博，張俊智，盧青春，甘海云，發動機電控節氣門控制器的研發［J］，北京:公路交通科技，2004，21(3):106-109

［3］ 王斌等，基于dSPACE的汽車電子節氣門半實物仿真試驗臺［J］，天津:小型內燃機與摩托車，2007，36(4):1-4