發動機電子節氣門控制方法的研究

曹久鶴，安陽，孫萬千，孫濤

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發動機電子節氣門控制方法的研究

曹久鶴，安陽，孫萬千，孫濤

（燕山大學，河北 秦皇島 066000）

闡述了電子節氣門控制系統的組成及其工作原理，利用matlab/simulink分別搭建了PID控制和模糊控制電子節氣門控制模型，在階躍輸入下對兩個模型進行仿真分析，分析結果表明采用模糊控制節氣門的跟隨性更好，超調量更小，可以更加精確的控制節氣門的開度。

電子節氣門；PID；模糊控制

前言

汽車電子節氣門（electronic throttle control system，簡稱ETCS）是現代汽車發動機控制技術之一，在控制汽車怠速轉速、精準控制汽車牽引力、控制汽車驅動力、定轉速巡航等多個方面都有應用。電子節氣門用電子控制的節氣門取代了原有的拉線式氣門，是以后汽車向電子化發展的趨勢[1]。目前在電子節氣門的研究上，國外已經走得很遠，國內對該項目的研究也取得一定成果，但是與國外相比還有一定差距。電子節氣門由驅動電機驅動開啟，由回位彈簧控制關閉，中間夾雜著粘性摩擦力等，節氣門在轉動過程中，受到彈簧回位轉矩、阻尼力矩等各種不平衡力矩的作用，非線性時變很強，也有一定的不確定性。在控制ETCS過程中對控制算法的優化很重要。本文對電子節氣門的結構及特性進行深入研究，建立了電子節氣門數學模型，分析了控制過程中存在的非線性因素成因，根據簡歷的數學模型搭建了節氣門控制策略，并在階躍輸入下對節氣門的控制策略進行了PID和模糊控制仿真實驗，并對控制結果進行了分析。

1 電子節氣門的構成

電子節氣門主要有四大部分構成，分別是控制器、驅動器及執行器與反饋控制器四部分，圖1為電子節氣門結構簡圖。

電子節氣門根據發動機油門踏板產生的信號電壓與其他相關傳感器數據確定目標節氣門開度。根據開度查找MAP表，通過PWM波對節氣門電機的控制[2]。電機輸出力矩的大小主要通過調節PWM波的占空比來進行控制。當電動機的輸出力與摩擦力等大反向時，節氣門剛好能夠保持在某一開度不變。當調節占空比增大時，電機出去力大于阻力，節氣門開度逐漸增加；與之相反，占空比減小時，節氣門開度也減小。節氣門通過節氣門位置傳感器反饋回來的信號電壓來實現對節氣門的閉環控制[3]。

圖1 電子節氣門結構示意圖

2 電子節氣門數學模型

電子節氣門是一個由機械與電機共同控制的結構，執行器主要包括直流電機、節氣門齒輪組、彈簧以及節氣門閥片。電子節氣門傳動部分采用齒輪組，如圖2為電子節氣門齒輪傳動示意圖。

圖2 電子節氣門齒輪傳動示意圖

2.1 彈簧扭矩分析

電子節氣門傳動齒輪部分受到兩個力矩的作用，設節氣門平衡位置的轉角為，當其轉角為時，總的力矩為：

Ks為彈簧扭矩系數，D為彈簧扭矩補償系數。

2.2 摩擦力分析

電子節氣門機械系統受到的力十分廣泛，最主要的力為摩擦力，包括干摩擦、邊界摩擦，氣、液混合摩擦等。本文在研究中采用“靜摩擦+庫倫摩擦+粘滯摩擦”模型，忽略靜摩擦力，則總的力矩計算公式為：

K為滑動摩擦系數，K為庫倫摩擦系數

2.3 直流電機的微分方程

電子節氣門執行器是一個直流電機，直流電機的定子是永磁鐵，轉子是線圈繞組，線圈可以看做一個電阻加一個電感。如圖3所示：

圖3 節氣門電機等效電路

如上圖，根據基爾霍夫定律，建立如下方程：

2.4 模型建立

由以上分析可以推出系統總的數學模型為：

模型中所用到的物理參數如下表所示。

表1 電子節氣門物理參數

3 發動機節氣門控制策略的搭建

由上述可知，節氣門主要有直流電機與節氣門機械結構構成。

控制器通過控制輸出PWM波的方向來控制電機輸出力矩的大小和方向，來推動節氣門到達目標開度[4]。如圖4是在matlab/simulink中搭建的電子節氣門模糊控制仿真模型。

圖4 電子節氣門模糊控制仿真模型

3.1 模糊控制器的設計

模糊控制器具有不依賴于對象的數學模型、魯棒性好、簡單實用等優點[5]，在節氣門這種非線性且難以精確建模的控制中非常適用。

本研究采用的模糊控制器把目標開度與實際開度的誤差e及其變化率作為輸入語言變量；以占空比增量為輸出語言變量。的論域為[-100,100]，的論域為[-2000,2000]，的論域為[-1,1]，輸入輸出語言變量的模糊子集均分為7級：{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，簡記為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}。控制器模糊規則為“IF e andthen u”。根據控制邏輯，以及多次仿真實驗，對規則進行精簡，最終確定模糊控制規則[6]如表2所示。

表2 模糊控制規則表

3.2 節氣門PID模型的搭建

通過上述模型，利用simulink建立節氣門PID控制系統的仿真模型如圖5所示。

圖5 節氣門PID仿真模型

3.3 階躍輸入下模型仿真結果分析

給兩個節氣門控制模型相同的階躍輸入信號，進行模擬仿真，比較兩個模型的跟隨效果如下圖6所示。

圖6 兩種控制方式仿真實驗對比

在階躍輸入下，通過仿真結果可以看出，在PID控制中節氣門響應速度較快，但是超調量很大，到達穩定狀態的時間很長，但模糊控制下節氣門具有較快響應速度，并且具有很小的超調量，具有更好的穩定性與動態特性。

4 結束語

本文以通過建立電子節氣門的數學模型，然后分別搭建了PID控制模型和模糊控制模型，然后進行仿真實驗，實驗結果說明，模糊控制響應時間快，超調量較小，控制的跟隨性也較強，符合實驗初的預期，說明模糊控制在節氣門的控制過程中具有很好的表現。

[1] 陶云飛.基于電子控制節氣門的怠速控制策略仿真研究[D].吉林大學,2006.

[2] 楊振東.基于模糊PID電子節氣門控制系統的研究與開發[D].湖南大學,2008.

[3] 周云山,于秀敏.汽車電控系統理論與設計.[J]北京理工大學出版社1999.11.

[4] 于洪洋.基于位置反饋控制的節氣門控制系統研究[D].吉林大學,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.電子節氣門控制系統的開發.[J]汽車化油器,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

曹久鶴，碩士，就讀于燕山大學。研究方向：讀研期間，主要進行發動機電子控制方面的研究與進行發動機臺架實驗標定。