電子節(jié)氣門(mén)非線(xiàn)性控制策略

王魏　于洪濤　劉少飛　孫志超　白洋

摘 要：電子節(jié)氣門(mén)控制（ETC）目的是提供穩(wěn)健、精準(zhǔn)的節(jié)氣門(mén)閥片位置。此控制策略由參數(shù)自適應(yīng)PID控制器和摩擦力補(bǔ)償、跛行位置等非線(xiàn)性補(bǔ)償組成，試驗(yàn)證明電子節(jié)氣門(mén)非線(xiàn)性策略具有較高的穩(wěn)態(tài)精度，優(yōu)良的跟蹤性能和較好的魯棒性。

關(guān)鍵詞：電子節(jié)氣門(mén)；前饋控制；非線(xiàn)性；自適應(yīng)；魯棒性

中圖分類(lèi)號(hào)：TK 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2016）05-0050-05

Abstract： The aim of electronic throttle control strategy is to provide robust and precise positioning of the throttle plate. The control strategy consists of an adaptive PID controller and a nonlinear compensator of friction and limp-home. Experiment verified that the nonlinear control strategy has the high steady-state precision， good tracking response and better robustness.

Key Words： Electronic throttle； Feedforward； Nonlinear； Adaptive； Robustness

1 前言

電子節(jié)氣門(mén)是發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)（EMS）中非常重要的裝置，通過(guò)節(jié)氣門(mén)閥片位置調(diào)節(jié)流入燃燒室的新鮮空氣質(zhì)量。電子節(jié)氣門(mén)靠直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，目的是提供穩(wěn)健、精準(zhǔn)的閥片位置（圖1），提升燃油經(jīng)濟(jì)性，改善車(chē)輛排放，提高駕駛性能。相比傳統(tǒng)的直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電子節(jié)氣門(mén)包含一些特殊的設(shè)計(jì)特性，比如，缺少內(nèi)部電流控制環(huán)路，使用電位計(jì)作為位置傳感器，有兩個(gè)強(qiáng)勁的復(fù)位彈簧會(huì)在跛行位置產(chǎn)生非線(xiàn)性作用力，電子節(jié)氣門(mén)驅(qū)動(dòng)時(shí)摩擦力會(huì)影響電子節(jié)氣門(mén)的性能。

電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)的主要需求是在任一參考點(diǎn)，任何幅值的非周期階躍信號(hào)激勵(lì)下，皆滿(mǎn)足系統(tǒng)響應(yīng)無(wú)超調(diào)，響應(yīng)時(shí)間小于100ms，穩(wěn)態(tài)誤差范圍在±0.075度內(nèi)。同時(shí)要求控制系統(tǒng)具備較強(qiáng)的魯棒性，有能力處理由于產(chǎn)品生產(chǎn)偏差造成的參數(shù)變化，或者因外部環(huán)境（溫度、老化）產(chǎn)生的變化，并且要求控制策略具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。

為了滿(mǎn)足以上需求設(shè)計(jì)電子節(jié)氣門(mén)非線(xiàn)性控制策略，圖1為控制策略原理圖，其控制策略分為四層[1-2]，基礎(chǔ)控制由PID控制器、前饋控制和電池電壓增益組成，自適應(yīng)由參數(shù)部分和參數(shù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換部分組成，本文只對(duì)非線(xiàn)性策略對(duì)小階躍信號(hào)的改善進(jìn)行分析。

2 過(guò)程模型

過(guò)程模型[3-5]包括PWM發(fā)生器（H橋）和電子節(jié)氣門(mén)體兩部分，如圖1所示。圖2為節(jié)氣門(mén)體的過(guò)程模型，包括直流電機(jī)的線(xiàn)性模型和非線(xiàn)性模型Fm（ω）（圖2虛框中所示）：摩擦力模型Tsp（θ） 和雙復(fù)位彈簧（過(guò)跛行位置） 。

PID控制器能有效地保證電子節(jié)氣門(mén)的響應(yīng)，然而到達(dá)小階躍信號(hào)（偏差較小時(shí)）節(jié)氣門(mén)響應(yīng)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的惡化，此原因取決于跛行回家位和摩擦力的非線(xiàn)性影響。

2.1 摩擦力影響補(bǔ)償

摩擦力矩包括粘性摩擦力矩和庫(kù)侖摩擦力矩，其中庫(kù)侖摩擦屬于靜摩擦，而粘性摩擦屬于動(dòng)摩擦。粘性摩擦力矩與節(jié)氣門(mén)閥片的轉(zhuǎn)速大小有關(guān)，方向與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反；庫(kù)侖摩擦力矩則與節(jié)氣門(mén)閥片運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)，方向亦與其相反[6-7]，以下公式為摩擦力數(shù)學(xué)模型，對(duì)應(yīng)的過(guò)程模型如圖2所示。

（2-1）

動(dòng)態(tài)摩擦力和靜態(tài)摩擦力的影響在系統(tǒng)隨期望值調(diào)節(jié)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)程度的延遲，此影響難以控制，尤其是期望值在小范圍變化時(shí)，會(huì)很大程度影響系統(tǒng)控制精度，如圖4所示：

圖4為基于偏差的摩擦力影響的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，其中 為滑動(dòng)摩擦力補(bǔ)償?shù)钠钕拗担?靜態(tài)摩擦力補(bǔ)償?shù)钠钕拗担珽TC_StatFricActv_s16_D為滑動(dòng)摩擦力補(bǔ)償?shù)乃俣认拗担?為靜態(tài)摩擦力補(bǔ)償占空比， 為滑動(dòng)摩擦力積分系數(shù)。

圖3所示，摩擦力影響的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償以額外的占空比作為預(yù)控值（前饋控制），其中靜態(tài)摩擦力補(bǔ)償以占空比常數(shù)作為預(yù)控值，滑動(dòng)摩擦力補(bǔ)償以常數(shù)積分值作為預(yù)控值。當(dāng)偏差絕對(duì)值大于 或落入 范圍時(shí)，摩擦力補(bǔ)償值為0，當(dāng)偏差絕對(duì)值大于 時(shí)，靜態(tài)摩擦補(bǔ)償起作用，當(dāng)偏差的速度落入 范圍時(shí)，滑動(dòng)摩擦力動(dòng)態(tài)補(bǔ)償起作用。

2.1.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

輸入小階躍測(cè)試信號(hào)，進(jìn)行PIL測(cè)試，并用INCA采集數(shù)據(jù)。圖4表明系統(tǒng)響應(yīng)有較大的延遲且在穩(wěn)定狀態(tài)存在較大誤差，在階躍信號(hào)處占空比有較大波動(dòng)且存在噪音干擾。反之圖6為帶有摩擦力補(bǔ)償?shù)男‰A躍信號(hào)響應(yīng)無(wú)超調(diào)，延遲時(shí)間短，穩(wěn)態(tài)精度高，輸出占空比波動(dòng)范圍小，較為集中，表明帶有摩擦力非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)目刂撇呗跃哂袃?yōu)秀的跟蹤性能，和較強(qiáng)的抗噪音能力。

2.2 過(guò)跛行回家位的非線(xiàn)性影響

節(jié)氣門(mén)閥片過(guò)平衡位置（跛行位置）會(huì)受到彈簧扭矩系數(shù)為 和 兩個(gè)彈簧力矩非線(xiàn)性作用，如圖2過(guò)程模型所示，尤其是在小階躍信號(hào)時(shí)其響應(yīng)會(huì)有相當(dāng)大的延遲如圖7所示：

輸入過(guò)跛行位置的階躍測(cè)試信號(hào)，并用INCA采集數(shù)據(jù)，圖7-a為未帶有跛行位置非線(xiàn)性補(bǔ)償其階躍響應(yīng)在接近期望值時(shí)有較大延遲，圖8-b為帶有跛行位置非線(xiàn)性補(bǔ)償，其階躍響應(yīng)延遲較小，表明經(jīng)跛行位置非線(xiàn)性補(bǔ)償后系統(tǒng)更近似線(xiàn)性系統(tǒng)。

2.3 系統(tǒng)性能分析

綜上所述改善后系統(tǒng)小開(kāi)度階躍響應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間和震蕩時(shí)間，較改善前有明顯提升，改善前小階躍相應(yīng)的超調(diào)量出現(xiàn)不確定性，而改善后系統(tǒng)的超調(diào)量為0%，如表2所示。穩(wěn)態(tài)精度改善后較改善前有明顯提高，體現(xiàn)出較好的跟蹤性能。

3 結(jié)論

試驗(yàn)證明摩擦力非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)補(bǔ)償和跛行位置非線(xiàn)性補(bǔ)償模型作為前饋控制能夠有效改善小階躍信號(hào)運(yùn)行模式的性能，提升系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度和跟蹤性能，提升系統(tǒng)魯棒性， 增強(qiáng)系統(tǒng)的耐久性，使系統(tǒng)更接近于線(xiàn)性系統(tǒng)。

進(jìn)一步說(shuō)明對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行PID精確控制需要對(duì)被控對(duì)象的細(xì)節(jié)進(jìn)行了解和分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]Jo?koDeur， DanijelPavkovi. An Adaptive Nonlinear Strategy of Electronic Throttle Control.SAE TECHNICAL PAPER SERIES， Detroit， 2004-3.

[2]Xun Gong， Yunfeng Hu. A Nonlinear Feedforward-Feedback Controller Design for Electronic Throttle Based on Flatness [C]. Chinese Control and Decision Conference （CCDC）， 2012， 24th： 1542-1547.

[3]孫亮亮. 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)建模與仿真[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.

[4]朱二欣. 電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2004.

[5]陳劍. 汽油機(jī)電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制方法研究[D]. 西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2011.

[6]Oguz Hasan Dagci， Yaodong Pan， UmitOzguner. Sliding mode Control of Electronic Throttle valve. In Proceedings of the American Conference. 2002：196-198.

[7] U. Ozguner， S. Hong， and Y. Pan. Discrete-time sliding mode control of electronic throttle valve. In Proc. 40th IEEE Conf. Decision Contr， 2001， pp： 1819-1824.

[8] Lars Eriksson and Lars Nielsen. Non-Linear Model-Based Throttle Control. SAE Paper， 2000-01-0261.