汽車發動機電子節氣門智能控制系統研究

朱劉寧 馬鞍山職業技術學院

汽車發動機電子節氣門智能控制系統研究

朱劉寧 馬鞍山職業技術學院

項目編號：2015zjjh047，安徽省質量工程項目：卓越人才教育培養計劃

汽車發動機是汽車運行的核心配件，對于汽車安全有著非常重要的作用，所以重視發動自的控制安全是發動機設計和生產的重要內容。在技術不斷發展的今天，汽車發動機的智能化控制系統逐步的實現，但是從目前的研究來看，在汽車發動機電子節氣門智能控制系統方面還存在一些問題，所以深化現狀研究，并針對現狀進行相應模型的設計，從而實現智能化控制系統的性能提升和安全度提高具有重要的意義。本文就汽車發動機電子節氣門智能控制系統進行研究，其目的就是要強化控制系統的優化設計，實現其安全和性能的提升。

汽車發動機；電子節氣門；智能控制系統

隨著汽車技術的不斷發展和人們對于社會生活質量追求的不斷提升，人們對于汽車制造提出了更高的要求，而發動機作為汽車的重要部件，其變速性能自然也受到了人們更多的關注。從目前的汽車生產實踐來看，發動機減速響應時間的縮短和舒適性的提升已經成為了汽車控制所追求的全新目標。從生產實踐經驗來看，減速快速響應性能的提高，會造成汽車在減速瞬間出現巨大的振蕩，所以對減速響應和舒適性提高進行研究深入，促進二者的平衡至關重要。電子節氣門是汽車發動機的重要組成部分，能夠精確的控制發動機空氣的進入，所強化電子節氣門的智能控制系統能力提升，可以有效的提升發動機控制性能。

1.電子節氣門控制系統組成和數學模型的建立

1.1 電子節氣門控制系統的組成

電子節氣門是汽車發動機的重要組成部分，其智能控制系統主要包含三項內容：分別是傳感器、智能控制器和執行機構。傳感器在實際應用的過程中對節氣門的開度信息進行采集，將其傳遞給智能控制器之后，控制器會對節氣門開度進行相應的處理，在對節氣門的狀態進行控制之后，由決策機構做出執行指令，最后由執行機構執行相應的決策指令。

因為在目前的汽車技術中，電子技術被廣泛的利用，所以使用的節氣門也基本都是電子式節氣門。從構成要素來看，電子式節氣門的主要構成元件有四部分，分別是驅動電機、復位彈簧、節氣門位置傳感器和減速齒輪組。從實際的分析來看，電子節氣門其實就是一個機電傳動系統。這個系統在直流伺服電機、減速齒輪裝置以及復位彈簧傳動的共同作用下發生作用。在作用的同時，節氣門閥門和負載的轉矩可以得到克服，從而實現了節氣門的精準控制。從這個層面來看，電子節氣門的數學模型結構主要由兩部分構成，第一部分是驅動電機的數學模型，第二部分則是傳動系統的數學模型。從結構上來看，電子式節氣門和機械節氣門的傳動部分結構具有相似性。

1.2 驅動電機數學模型

在電子節氣門當中，采用的驅動電機一般是直流電機。直流電機的等效電路圖中，線圈因為等效產生電阻和電感。在實際利用中發現，電樞的電阻主要作用是限流，而電感的主要作用則是緩沖。通過這兩者的作用，電機的動態性能可以得到很好的調節。

在實際應用的過程中，等效電路圖可以進行相應的簡化，而在簡化之后，根據基爾霍夫定律，可以建立起直流電機的微分方程：

這個公式涉及的量比較多，其中Ra指的是電樞繞組，Rr指的是電源的內阻，L表示的是電樞的電感，而i則表示電流。N是齒輪所產生的減速比，kt是電機的扭矩系數，w表示的是電機的角速度，u表示真空比，E是電源的電壓。

1.3 機械傳動部分

機械傳動部分也是節氣門智能控制系統中的重要部分，所以也需要進行相應的數學模型設計。從實際應用來看，機械傳動部分和機械節氣門的傳動具有一致性，減速齒輪都會將電機輸出的扭矩傳送至節氣門，但是電機轉速在過快的情況下，其轉動角度必須要按照一定的比例進行縮小，這樣才能更好的控制節氣門的開度。對整個機械傳動部分涉及到的要素進行公式列舉，然后將公式進行綜合后得到以下式子：

這三個式子綜合，則構成了電子節氣門數學模型。

2.控制器仿真實驗

從結構分析上來看，電子節氣門主要是由直流電機和傳動機構兩部分來構成。直流電機在運行至穩定狀態的時候，表現出的顯著特征是線性，而當其處于變速的時候，表現出的特征又是非線性，所以在進行劃分的時候，需要進行整體的考慮，而不是單純的劃分為線性或者非線性。電子節氣門的傳動部分包含了較多的零部件，其中有彈簧、齒輪等，而在運行過程中表現出來的彈簧非線性，齒隙非線性以及摩擦非線性等，屬于非常典型的非線性系統。因此，在進行控制的時候，要采用模糊自適應PID策略，這樣便可以實現對電子節氣門快速平穩的的響應控制。從仿真實驗來看，表明了三方面的控制結果。

第一是在利用普通PID進行控制的時候，非常容易出現超調的現象，但是這種控制方法的結構比較簡單，在硬件實現方面特別的容易。第二是利用滑膜變結構進行控制，超調量相比于PID控制會有比較顯著的改善，在控制中的動態跟隨性也比較良好，但是在變速運動的時候，抖動非常的嚴重，控制效果的毛刺曲線比較明顯，而動態響應的時候，穩定性也會變差。第三，從仿真實驗結果來看，模糊自適應PID不僅具有比較好的動態跟隨性，變速的平穩性也比較突出。所以這種控制系統在汽車電子節氣門的快速響應和變速平穩性方面有著突出的效果。

3.結束語

汽車發動機是汽車運行的關鍵設備，而電子節氣門則是發動機性能的重要調節配件。就目前的情況而言，電子節氣門能夠對發動機的性能進行有效的調節，但是在調節的過程中，智能控制系統的不佳會造成調節效果的減弱，所以深入的分析電子節氣門的構成，并將其運行利用數學模型進行仿真實驗，通過實驗結果的分析，能夠更加準確的探討出電子節氣門智能控制系統的設計方案。

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朱劉寧（1981.3－ ），女,漢族，河南鄲城人，馬鞍山職業技術學院，工學碩士，講師，從事自動化、汽車電子等問題研究。