葛建中 (蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系,安徽蕪湖241000)

由于汽車電子課程教學(xué)的需要,半實物仿真裝置的應(yīng)用越來越廣泛,其可以讓用戶仿真不同的使用環(huán)境,從而觀察汽車內(nèi)部相關(guān)系統(tǒng)的控制過程。9S12半實物仿真系統(tǒng)是一套基于Simulink的控制系統(tǒng)開發(fā)及半實物仿真工作平臺,其采用飛思卡爾9S12單片機(jī)作為實時仿真機(jī),以普通PC機(jī)作為系統(tǒng)主機(jī),可實現(xiàn)與Simulink的無縫連接,能快速實現(xiàn)代碼生成、代碼下載及調(diào)試,完成從系統(tǒng)建模、分析、離線仿真到實時控制的全過程[1-4]。為此,筆者利用9S12半實物仿真系統(tǒng)開發(fā)了汽車電子節(jié)氣門半實物仿真教學(xué)裝置。

1 半實物仿真裝置的組成

根據(jù)汽車電子課程教學(xué)特點與電子節(jié)氣門控制策略,在滿足各項實驗項目的前提下力求簡化,設(shè)計的汽車電子節(jié)氣門半實物仿真裝置主要由電子節(jié)氣門體、加速踏板位置傳感器、空調(diào)開關(guān)以及接口電路板、9S12單片機(jī)開發(fā)板和上位機(jī)組成,此外為便于使用還提供了1個12V的電源和開發(fā)板的支架。

2 半實物仿真裝置模型構(gòu)建

將所有輸入/輸出設(shè)備與控制對象直接連接。通過9S12半實物仿真系統(tǒng)中的實時硬件接口庫,自動生成Simulink中的電子節(jié)氣門控制算法,且下載到9S12單片機(jī)中。使用9S12半實物仿真系統(tǒng)的 “一鍵自動生成”功能,就可完成編譯、生成代碼、下載的過程。電子節(jié)氣門半實物仿真系統(tǒng)模型如圖1所示。圖中AtoD Converter Channel 1為加速踏板位置傳感器電阻1的信號 (系統(tǒng)輸入信號);AtoD Converter Channel 0為節(jié)氣門位置傳感器電阻1的信號 (系統(tǒng)反饋信號);AtoD Converter Channel 3為空調(diào)開關(guān)的信號;AtoD Converter Channel 2為節(jié)氣門位置傳感器電阻2的信號;PWM-A為系統(tǒng)對節(jié)氣門定位電機(jī)1腳的輸出信號;PWM-B為系統(tǒng)對節(jié)氣門定位電機(jī)2腳的輸出信號[5-6]。

3 硬件接口電路設(shè)計

3.1 傳感器信號處理電路

模擬信號會帶來較多毛刺或因干擾、突發(fā)故障等產(chǎn)生較大電壓波動,為了抗干擾,對加速踏板位置傳感器信號、節(jié)氣門位置傳感器信號和空調(diào)開關(guān)信號進(jìn)行跟隨和濾波。傳感信號處理電路由4只單電源供電的LM324完成信號跟隨,外接電阻電容RC組合濾波,傳感器信號經(jīng)過處理后與9S12單片機(jī)的AD通道直接相連。

圖1 電子節(jié)氣門半實物仿真系統(tǒng)模型

3.2 驅(qū)動電路

采用脈寬調(diào)制方式,通過改變占空比來改變節(jié)氣門定位電機(jī)電樞的平均電壓,以此實時控制電機(jī)的扭矩,采用電機(jī)驅(qū)動芯片MC33886驅(qū)動直流電機(jī)。

4 控制算法及其調(diào)試

采用PID控制,將偏差比例P、積分I和微分D通過線性組合構(gòu)成控制量,對被控對象進(jìn)行控制?？刂破頴(t)為目標(biāo)值與實際輸出值之差,即:

PID控制規(guī)律為:

式中,s指對連續(xù)系統(tǒng)的拉氏變換,輸出的是連續(xù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型。

用Simulink設(shè)計出來的控制器可直接控制受控對象,若出現(xiàn)節(jié)氣門卡滯、振動等現(xiàn)象,則可在Simulink上利用其Function Block Parameters:PID Controller對話框功能調(diào)整控制器的結(jié)構(gòu)或調(diào)試控制器的參數(shù),直至獲得滿意的控制效果。

式中,Kp為比例系數(shù);Ti為積分時間常數(shù);Td為微分時間常數(shù)。

設(shè)置合理的P、I、D參數(shù)組合并加以調(diào)試,在Simulink下建立的PID控制軟件仿真模型如圖2所示。

圖2 PID控制軟件仿真模型

如何確定傳遞函數(shù)是仿真成敗的關(guān)鍵。根據(jù)文獻(xiàn) [2],在Matlab環(huán)境中,當(dāng)電機(jī)電壓與節(jié)氣門角度的傳遞函數(shù)在節(jié)氣門閥轉(zhuǎn)角小于初始開度時,其表達(dá)式為:

5 實例分析

電子節(jié)氣門最主要的功能是完成非線性控制,通過控制節(jié)氣門至最佳節(jié)氣門開度來適應(yīng)加速踏板位移量和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等行駛條件。由于采用加速踏板位置傳感器信號時,輸出的效果比對不很明顯,因而采用Simulink中自動產(chǎn)生的方波信號來模擬駕駛員操作加速踏板的動作,相當(dāng)于瞬間踩加速踏板到底的工況,觀察此時的節(jié)氣門響應(yīng)情況 (即節(jié)氣門定位電位計上的反饋電壓的變化),由此判斷當(dāng)前控制參數(shù)是否合理。

根據(jù)經(jīng)驗做法,先調(diào)試偏差比例P(設(shè)定P值較大),再調(diào)試積分I和微分D(設(shè)定I、D的值較小)。輸入組合Ⅰ (10、0.1、0.1),觀察輸入方波與節(jié)氣門響應(yīng),其結(jié)果如圖3(a)所示,可以看出系統(tǒng)響應(yīng)太快,經(jīng)1/5周期后節(jié)氣門就達(dá)到預(yù)定位置。輸入組合Ⅱ(2、0.1、0.1),觀察輸入方波與節(jié)氣門響應(yīng),其結(jié)果如圖3(b)所示,可以看出系統(tǒng)響應(yīng)太慢,經(jīng)1/2周期節(jié)氣門才達(dá)到預(yù)定位置。輸入組合Ⅲ(4.5、0.1、0.1),其結(jié)果如圖3(c)所示,可以看出階躍響應(yīng)較為理想,表明此時控制器是穩(wěn)定的,由此確定P值為4.5。

按照同樣的方法依次調(diào)試積分、微分的數(shù)值,輸入組合Ⅳ (4.5、1、0.1)其結(jié)果如圖3(d)所示,可以看出系統(tǒng)響應(yīng)又趨于緩慢,不如圖3(c)所示的階躍響應(yīng)快。

圖3 不同控制參數(shù)組合狀態(tài)下系統(tǒng)對方波信號的實際響應(yīng)

綜上所述,輸入組合Ⅲ(4.5、0.1、0.1)的控制效果最為理想,因而確定該組合為系統(tǒng)最佳控制參數(shù)。

6 結(jié) 語

基于9S12半實物仿真系統(tǒng)開發(fā)了汽車電子節(jié)氣門半實物仿真裝置。教學(xué)實踐表明,通過該裝置能測試和觀察發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速隨節(jié)氣門角度和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的實時變化,分析比較控制器模型控制策略的優(yōu)劣并自動生成控制代碼,從而測試出汽車在非行駛狀態(tài)下的各種實際運行參數(shù),也可以仿真不同的使用環(huán)境來觀察汽車內(nèi)部相關(guān)系統(tǒng)的控制過程。因此,該半實物仿真裝置是學(xué)生進(jìn)行汽車電子實訓(xùn)和開發(fā)的理想操作平臺。

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