一種基于預估算法的電磁閥電流閉環控制及仿真

王建軍，楊 佳，李 睿

（陜西法士特汽車傳動工程研究院智能傳動研究所，陜西 西安 710077）

引言

現代汽車電控中，各種氣動元件種類繁多，需要用電磁閥對氣動元件進行控制，電磁閥的控制效果直接影響了氣動元件的執行效果，從而影響汽車的使用效果。

本文提出了一種基于預估算法的電磁閥電流閉環PID 控制方法，通過軟件和硬件相結合，優化了傳統電磁閥電流閉環PID 控制，可以有效提高系統動態響應并且自動適應控制對象本身電參數的變化。

1 傳統電磁閥電流閉環PID 控制分析

1.1 傳統電磁閥電流閉環PID 控制結構

傳統電磁閥電流PID 閉環控制結構如圖1 所示。PID 控制器以輸入的目標控制電流數值和實際電流反饋值的誤差為輸入，通過PID 算法計算輸出控制所需的PWM 占空比，再通過硬件驅動電路去驅動電磁比例閥。

圖1 電磁閥電流PID 閉環控制結構

1.2 傳統電磁閥電流閉環PID 控制分析

傳統電磁閥電流閉環控制在車輛控制應用中存在局限性。

首先，電流PID 閉環控制過程中，實際電流響應如圖2所示，系統存在t0～t1 振蕩收斂過程，這個收斂過程是PID控制無法回避的[1]。

圖2 PID 閉環響應

其次，在汽車行業，由于車輛數量多，電磁閥控制對象自身參數的離散性比較大，參數的離散性足以影響控制效果。

再次，車輛上的電磁閥屬于一個時變系統，閥的直流內阻會隨著環境溫度的變化而變化，這些變化將直接影響控制動態響應。

2 基于預估算法電磁閥電流閉環控制

2.1 系統原理

如圖3 所示。在線監控部分為硬件電路實現，完成電磁閥直流內阻采樣。PID 估算部分為軟件實現，根據在線測試的電磁閥直流內阻，結合控制目標和其他電參數，完成對PID初始輸出的預估計算，避免直接使用PID 控制引起系統的振蕩和收斂，影響系統動態響應。

圖3 基于預估算法電磁閥變流閉環控制結構

2.2 硬件設計原理

硬件設計如圖4 所示。電磁閥由電阻R14、電感L1 串聯等效。電阻R14、R7、R8、R17 組成電橋，對電磁閥內阻進行測量。U4 和U5 組成隔離運放，對采集信號進行放大和濾波。U2 為電源隔離模塊，為在線測試電路部分提供一個與控制系統完全隔離的電源。Q1 三極管，Q2 功率MOS 管，與電阻R1、R2、R11、R6 電阻網絡組成比例閥的PWM 驅動電路，完成電磁閥的PWM 調制驅動。U3 為電磁閥實際電流采集芯片。U1 為MCU，MCU 完成預估算法和PID 控制算法，完成對電磁閥的控制。

圖4 硬件電路原理

2.3 軟件設計

軟件算法流程如圖5 所示，軟件實時監控控制目標的更新輸出，如果沒更新則維持上一狀態輸出，如果有更新則只能在線監控模塊電路，完成電磁閥直流內阻在線測量。根據電磁閥直流內阻，結合控制目標和控制環境參數，完成對PID初始輸出的估算計算。

圖5 軟件結構流程圖

2.4 仿真驗證

2.4.1 仿真模型搭建

使用Matlab 平下的Simulink 和Simscape 工具箱聯合完成仿真。如圖6 所示，以法士特液力緩速器所使用的電磁閥為對象，由電阻R2（24 歐）和電感L2（20 mH）串聯等效，D1 為續流二極管，DC24V 為電源，Current Sensor 為電流采樣，三極管Q1 和電阻R1 完成對電磁閥的PWM 驅動，Controlled PWM 為PWM 發生器，根據輸入的占空比輸出對應的PWM，PWM 的頻率選2 kHz，Discrete PID Controller 為PID 控制器[2]。

圖6 仿真模型

仿真模型中，Discrete PID Controller 控制器控制邏輯如圖7 所示。常數TargetCurrent 模塊仿真目標控制電流，常數CalPWM 仿真預估模塊計算的給PID 控制器初始化的起始占空比。PWMout 端口輸出該模型計算出來驅動電磁閥所需的PWM 占空比。

圖7 PID 控制模型

2.4.2 傳統電磁閥電流閉環PID 控制仿真

以目標控制電流800 mA 為控制目標，選PWM 的基礎頻率為2 000 Hz，分別以施加大激勵和不施加大激勵的傳統方式進行仿真，結果如圖8 所示。

圖8 電磁閥標準PID 電流閉環仿真結果

從仿真結果可以看出，傳統電磁閥PID 電流閉環控制系統在0.015 s 左右基本達到了目標穩態電流，系統動態響應效果差。

2.4.3 基于預估算法電磁閥電流閉環PID 控制仿真

以同樣控制對象和仿真條件進行仿真，結果如圖9 所示。

圖9 基于預估算法的電磁閥PID 電流閉環仿真結果

從仿真結果可以看出，基于預估算法的電磁閥電流PID控制方法，在PID 開始控制之前，由于估算出了相對準確的PID 初始輸出數值，使得PID 控制器能在與控制目標相對接近的位置進行控制，從而可以大大減少系統的振蕩調節時間，提高了系統的動態響應。

3 結論

本文通過以上對傳統電磁閥電流PID 控制和基于預估算法的電磁閥電流閉環控制方法的分析對比和仿真可以看出，本文所提出的這種電磁閥電流閉環控制方法可以大大提高系統的動態響應，通過仿真可以看出，在同樣條件下，可以比傳統的電磁閥電流閉環控制算法的動態響應時間提高一個數量級，對系統的動態響應改善很大。