汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)電子節(jié)氣門(mén)智能控制系統(tǒng)研究

朱劉寧 馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)電子節(jié)氣門(mén)智能控制系統(tǒng)研究

朱劉寧 馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院

項(xiàng)目編號(hào)：2015zjjh047，安徽省質(zhì)量工程項(xiàng)目：卓越人才教育培養(yǎng)計(jì)劃

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車(chē)運(yùn)行的核心配件，對(duì)于汽車(chē)安全有著非常重要的作用，所以重視發(fā)動(dòng)自的控制安全是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的重要內(nèi)容。在技術(shù)不斷發(fā)展的今天，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的智能化控制系統(tǒng)逐步的實(shí)現(xiàn)，但是從目前的研究來(lái)看，在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)電子節(jié)氣門(mén)智能控制系統(tǒng)方面還存在一些問(wèn)題，所以深化現(xiàn)狀研究，并針對(duì)現(xiàn)狀進(jìn)行相應(yīng)模型的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)智能化控制系統(tǒng)的性能提升和安全度提高具有重要的意義。本文就汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)電子節(jié)氣門(mén)智能控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，其目的就是要強(qiáng)化控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)其安全和性能的提升。

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)；電子節(jié)氣門(mén)；智能控制系統(tǒng)

隨著汽車(chē)技術(shù)的不斷發(fā)展和人們對(duì)于社會(huì)生活質(zhì)量追求的不斷提升，人們對(duì)于汽車(chē)制造提出了更高的要求，而發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車(chē)的重要部件，其變速性能自然也受到了人們更多的關(guān)注。從目前的汽車(chē)生產(chǎn)實(shí)踐來(lái)看，發(fā)動(dòng)機(jī)減速響應(yīng)時(shí)間的縮短和舒適性的提升已經(jīng)成為了汽車(chē)控制所追求的全新目標(biāo)。從生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，減速快速響應(yīng)性能的提高，會(huì)造成汽車(chē)在減速瞬間出現(xiàn)巨大的振蕩，所以對(duì)減速響應(yīng)和舒適性提高進(jìn)行研究深入，促進(jìn)二者的平衡至關(guān)重要。電子節(jié)氣門(mén)是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，能夠精確的控制發(fā)動(dòng)機(jī)空氣的進(jìn)入，所強(qiáng)化電子節(jié)氣門(mén)的智能控制系統(tǒng)能力提升，可以有效的提升發(fā)動(dòng)機(jī)控制性能。

1.電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)組成和數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)的組成

電子節(jié)氣門(mén)是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，其智能控制系統(tǒng)主要包含三項(xiàng)內(nèi)容：分別是傳感器、智能控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。傳感器在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中對(duì)節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度信息進(jìn)行采集，將其傳遞給智能控制器之后，控制器會(huì)對(duì)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度進(jìn)行相應(yīng)的處理，在對(duì)節(jié)氣門(mén)的狀態(tài)進(jìn)行控制之后，由決策機(jī)構(gòu)做出執(zhí)行指令，最后由執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的決策指令。

因?yàn)樵谀壳暗钠?chē)技術(shù)中，電子技術(shù)被廣泛的利用，所以使用的節(jié)氣門(mén)也基本都是電子式節(jié)氣門(mén)。從構(gòu)成要素來(lái)看，電子式節(jié)氣門(mén)的主要構(gòu)成元件有四部分，分別是驅(qū)動(dòng)電機(jī)、復(fù)位彈簧、節(jié)氣門(mén)位置傳感器和減速齒輪組。從實(shí)際的分析來(lái)看，電子節(jié)氣門(mén)其實(shí)就是一個(gè)機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)在直流伺服電機(jī)、減速齒輪裝置以及復(fù)位彈簧傳動(dòng)的共同作用下發(fā)生作用。在作用的同時(shí)，節(jié)氣門(mén)閥門(mén)和負(fù)載的轉(zhuǎn)矩可以得到克服，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)氣門(mén)的精準(zhǔn)控制。從這個(gè)層面來(lái)看，電子節(jié)氣門(mén)的數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)主要由兩部分構(gòu)成，第一部分是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，第二部分則是傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，電子式節(jié)氣門(mén)和機(jī)械節(jié)氣門(mén)的傳動(dòng)部分結(jié)構(gòu)具有相似性。

1.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

在電子節(jié)氣門(mén)當(dāng)中，采用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般是直流電機(jī)。直流電機(jī)的等效電路圖中，線圈因?yàn)榈刃Мa(chǎn)生電阻和電感。在實(shí)際利用中發(fā)現(xiàn)，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(guò)這兩者的作用，電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能可以得到很好的調(diào)節(jié)。

在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，等效電路圖可以進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化，而在簡(jiǎn)化之后，根據(jù)基爾霍夫定律，可以建立起直流電機(jī)的微分方程：

這個(gè)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(nèi)阻，L表示的是電樞的電感，而i則表示電流。N是齒輪所產(chǎn)生的減速比，kt是電機(jī)的扭矩系數(shù)，w表示的是電機(jī)的角速度，u表示真空比，E是電源的電壓。

1.3 機(jī)械傳動(dòng)部分

機(jī)械傳動(dòng)部分也是節(jié)氣門(mén)智能控制系統(tǒng)中的重要部分，所以也需要進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)。從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，機(jī)械傳動(dòng)部分和機(jī)械節(jié)氣門(mén)的傳動(dòng)具有一致性，減速齒輪都會(huì)將電機(jī)輸出的扭矩傳送至節(jié)氣門(mén)，但是電機(jī)轉(zhuǎn)速在過(guò)快的情況下，其轉(zhuǎn)動(dòng)角度必須要按照一定的比例進(jìn)行縮小，這樣才能更好的控制節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度。對(duì)整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)部分涉及到的要素進(jìn)行公式列舉，然后將公式進(jìn)行綜合后得到以下式子：

這三個(gè)式子綜合，則構(gòu)成了電子節(jié)氣門(mén)數(shù)學(xué)模型。

2.控制器仿真實(shí)驗(yàn)

從結(jié)構(gòu)分析上來(lái)看，電子節(jié)氣門(mén)主要是由直流電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩部分來(lái)構(gòu)成。直流電機(jī)在運(yùn)行至穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)候，表現(xiàn)出的顯著特征是線性，而當(dāng)其處于變速的時(shí)候，表現(xiàn)出的特征又是非線性，所以在進(jìn)行劃分的時(shí)候，需要進(jìn)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(jié)氣門(mén)的傳動(dòng)部分包含了較多的零部件，其中有彈簧、齒輪等，而在運(yùn)行過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)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(tǒng)。因此，在進(jìn)行控制的時(shí)候，要采用模糊自適應(yīng)PID策略，這樣便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電子節(jié)氣門(mén)快速平穩(wěn)的的響應(yīng)控制。從仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)看，表明了三方面的控制結(jié)果。

第一是在利用普通PID進(jìn)行控制的時(shí)候，非常容易出現(xiàn)超調(diào)的現(xiàn)象，但是這種控制方法的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，在硬件實(shí)現(xiàn)方面特別的容易。第二是利用滑膜變結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，超調(diào)量相比于PID控制會(huì)有比較顯著的改善，在控制中的動(dòng)態(tài)跟隨性也比較良好，但是在變速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，抖動(dòng)非常的嚴(yán)重，控制效果的毛刺曲線比較明顯，而動(dòng)態(tài)響應(yīng)的時(shí)候，穩(wěn)定性也會(huì)變差。第三，從仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，模糊自適應(yīng)PID不僅具有比較好的動(dòng)態(tài)跟隨性，變速的平穩(wěn)性也比較突出。所以這種控制系統(tǒng)在汽車(chē)電子節(jié)氣門(mén)的快速響應(yīng)和變速平穩(wěn)性方面有著突出的效果。

3.結(jié)束語(yǔ)

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車(chē)運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，而電子節(jié)氣門(mén)則是發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要調(diào)節(jié)配件。就目前的情況而言，電子節(jié)氣門(mén)能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)，但是在調(diào)節(jié)的過(guò)程中，智能控制系統(tǒng)的不佳會(huì)造成調(diào)節(jié)效果的減弱，所以深入的分析電子節(jié)氣門(mén)的構(gòu)成，并將其運(yùn)行利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，能夠更加準(zhǔn)確的探討出電子節(jié)氣門(mén)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

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朱劉寧（1981.3－ ），女,漢族，河南鄲城人，馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，工學(xué)碩士，講師，從事自動(dòng)化、汽車(chē)電子等問(wèn)題研究。