宛傳平，張海濤，陳杰平，范智平

（安徽科技學(xué)院 機電與車輛工程學(xué)院，安徽 鳳陽 233100）

基于PID控制的電子節(jié)氣門設(shè)計與仿真

宛傳平，張海濤，陳杰平，范智平

（安徽科技學(xué)院 機電與車輛工程學(xué)院，安徽 鳳陽 233100）

文章主要闡述了電子節(jié)氣門的結(jié)構(gòu)、工作原理，分析了電子節(jié)氣門的控制特點以及非線性因素的產(chǎn)生和控制方法。根據(jù)電子節(jié)氣門的工作過程建立了其動力學(xué)模型和電路模型。結(jié)合數(shù)學(xué)模型和增量式PID控制的特點設(shè)計了電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)，并進行了Matlab仿真。由仿真結(jié)果可以看出，電子節(jié)氣門采用增量式PID控制，具有超調(diào)量較小、性能穩(wěn)定、跟蹤效果好、穩(wěn)態(tài)誤差小、抗干擾能力強、動靜態(tài)性能好和可靠性高等優(yōu)點。

電子節(jié)氣門；非線性；增量式PID控制；Matlab仿真

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，對于汽車的舒適性和安全性的要求越來越高?，F(xiàn)代汽車的發(fā)展的方向是由傳統(tǒng)的機械系統(tǒng)向機電系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。節(jié)氣門是汽車發(fā)動機控制系統(tǒng)中的一個重要組成部分，其作用是通過調(diào)節(jié)進入發(fā)動機的空氣流量來改變發(fā)動機的運行狀態(tài)。傳統(tǒng)的節(jié)氣門采用機械式的連桿連接，駕駛員通過踩動油門踏板來直接控制節(jié)氣門開度的大小。但是，由于傳統(tǒng)的節(jié)氣門受油門踏板直接控制，不能根據(jù)汽車的當前速度、路況、油耗以及安全要求等因素智能的自動調(diào)節(jié)。因而，在汽車的安全性能、環(huán)保性和節(jié)能性等方面已不能滿足要求。隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電子節(jié)氣門已經(jīng)成為全電控發(fā)動機的重要控制部分而在越來越來的汽車上得到廣泛的應(yīng)用［1］。尤其是在國外生產(chǎn)的汽車上，如通用汽車公司，寶馬等。而國內(nèi)在電子節(jié)氣門方面的研究起步較晚，目前發(fā)展還較慢，大多數(shù)國內(nèi)生產(chǎn)的汽車的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)仍是采用國外的［1－3］。

1 電子節(jié)氣門的系統(tǒng)組成與數(shù)學(xué)建模

與傳統(tǒng)的機械連桿式節(jié)氣門直接受駕駛員控制不同，電子節(jié)氣門通過安裝在油門踏板上的雙電位器傳感器來感知駕駛員的意愿，并且根據(jù)汽車的當前運行狀態(tài)、汽車的安全要求和舒適性要求等來間接控制節(jié)氣門。

1.1 電子節(jié)氣門系統(tǒng)的組成與分析

電子節(jié)氣門（ETCs，Electronic throttle control system）是一種柔性控制系統(tǒng)［2］，主要由油門踏板、踏板位置傳感器、MCU、直流電機、節(jié)氣門體和節(jié)氣門體位置傳感器等組成，如圖1所示。駕駛員踩動油門踏板，傳感器將油門踏板的位置信號轉(zhuǎn)換為電信號，并傳到MCU中。MCU根據(jù)汽車的當前運行狀態(tài)、路況、安全性等因素進行判斷，同時向驅(qū)動電機發(fā)出控制信號，從而精確控制節(jié)氣門的開度。同時，節(jié)氣門的位置傳感器將節(jié)氣門的開度大小轉(zhuǎn)換為電信號，實時的反饋給MCU，形成了閉環(huán)控制，提高了系統(tǒng)的控制精度。

圖1 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)簡圖

電子節(jié)氣門的結(jié)構(gòu)組成

1）油門踏板

油門踏板用于感知駕駛員的意圖，其核心是一個雙電位器式位置傳感器［3］。它被安裝在油門踏板的總成內(nèi)部，用于將踏板的位移量轉(zhuǎn)換成電信號。位置信號經(jīng)處理后送入電子控制單元ECU，由ECU運算得出與駕駛員當前意圖相對應(yīng)的節(jié)氣門開度，并向電機驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)出控制信號，精確控制電子節(jié)氣門閥片轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置。雙電位計式位置傳感器可以同時發(fā)出兩路大小相同但斜率不同的電壓信號，提高了位置檢測的精度，從而使ECU對節(jié)氣門的控制更加精確。與傳統(tǒng)的機械連桿式的節(jié)氣門不同，在電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)中，駕駛員不能直接控制節(jié)氣門的開度大小。

2）節(jié)氣門體

節(jié)氣門體是電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)中的執(zhí)行部件，主要由驅(qū)動電機、減速齒輪、節(jié)氣門閥片、雙向復(fù)位彈簧、節(jié)氣門位置傳感器和怠速開關(guān)位置傳感器等組成，如圖2所示。

圖2 電子節(jié)氣門體結(jié)構(gòu)簡圖

驅(qū)動電機接收到ECU發(fā)出的控制信號后，經(jīng)主動輪、傳動輪和從動輪的減速后，帶動節(jié)氣門閥片轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度。驅(qū)動電機一般為直流伺服電機。當節(jié)氣門出現(xiàn)故障或直流電機的驅(qū)動信號被截斷時，節(jié)氣門閥體將在雙向復(fù)位彈簧的作用下保持在一定的開度位置，從而保證發(fā)動機的正常工作。節(jié)氣門位置傳感器采用雙電位計式位置傳感器，精確檢測節(jié)氣門閥片的位置，并實時反饋給ECU，從而形成了ECU對電子節(jié)氣門開度的閉環(huán)控制，提高了控制精度。

3）ECU

ECU是電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的核心。駕駛員的意圖由踏板位置傳感器感知，經(jīng)ECU分析判斷后，結(jié)合汽車的當前運行狀態(tài)，由ECU向驅(qū)動電機發(fā)出控制信號，調(diào)節(jié)節(jié)氣門閥片的開度大小。ETCs一般采用Motorla MPC555微處理器作為控制芯片或者與汽車ECU作為一個整體實現(xiàn)。

1.2 電子節(jié)氣門的非線性分析

電子節(jié)氣門是一個非線性時變系統(tǒng)，其非線性問題主要是由于機械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的，嚴重影響了電子節(jié)氣門系統(tǒng)的控制。其非線性因素主要有以下3個方面［4］：

1）粘性摩擦和滑動摩擦

節(jié)氣門的閥片在轉(zhuǎn)動過程中，會同時受到粘性摩擦和滑動摩擦的作用，在運動過程中，摩擦力的變化具有不確定性。為了便于研究，現(xiàn)將該系統(tǒng)摩擦簡化為庫倫摩擦（Coulomb Friction），可以用下式表示：

式中：Tf為庫倫摩擦力；ω為電機轉(zhuǎn)速；Fs＞0。

2）彈簧非線性

在節(jié)氣門左側(cè)有一個雙向復(fù)位彈簧（圖2）。直流電機通過減速齒輪帶動節(jié)氣門閥片克服彈簧回復(fù)力、摩擦力等阻力轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)一定的開度。當節(jié)氣門體出現(xiàn)故障或者驅(qū)動電機的控制信號被切斷時，在雙向復(fù)位彈簧的作用下回到初始狀態(tài)，此時節(jié)氣門保持一個較小的開度，稱為自然開度［5］。由于復(fù)位彈簧是扭轉(zhuǎn)彈簧，具有非線性特性，其非線性特性方程為：

式中：Tsp為復(fù)位彈簧彈力；θ為節(jié)氣門閥片轉(zhuǎn)角；θ0為復(fù)位彈簧平衡位置；m1復(fù)位彈簧增益；D為彈簧偏移量。

3）齒隙非線性

驅(qū)動電機到節(jié)氣門轉(zhuǎn)動軸之間采用了齒輪傳動機構(gòu)。由于齒輪機構(gòu)在嚙合時存在齒間間隙，一般將齒間間隙非線性視為輸入扭矩的函數(shù)，表示為［6］：

式中：x為輸入轉(zhuǎn)矩；y為輸出轉(zhuǎn)矩；δ為死區(qū)寬度。

在這3中非線性因素中，影響最大的是彈簧非線性，其次是粘滑摩擦非線性和齒隙非線性［7］。

1.3 節(jié)氣門系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

電子節(jié)氣門的工作時，驅(qū)動電機接收到控制單元發(fā)出的控制信號而轉(zhuǎn)動，經(jīng)減速齒輪傳動帶動節(jié)氣門閥片克服回復(fù)彈簧彈力等阻力轉(zhuǎn)到需要的開度位置。由此可以建立節(jié)氣門系統(tǒng)的動力學(xué)模型，其運動微分方程為［8］：

式中：ω為驅(qū)動電機電機轉(zhuǎn)速；J為節(jié)氣門閥片轉(zhuǎn)動慣量；ia為直流電機的電流；B為粘性阻尼系數(shù)；Kt為電機轉(zhuǎn)矩常數(shù)，Tf為摩擦力矩。

根據(jù)齒輪傳動的特性可知，節(jié)氣門閥片的轉(zhuǎn)角θ與驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速ω之間的關(guān)系：

式中：N為齒輪傳動比。

圖3為直流電機的電路模型。

圖3 直流電機電路模型

根據(jù)基爾霍夫電壓定律，直流電機的系統(tǒng)微分方程為：

式中：La為直流電機電樞電感；Ra為電樞電阻；ia為電樞電流；μa為電樞電壓；Kv為直流電機反電動勢系數(shù)。

2 電子節(jié)氣門系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

在電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)中，由于上述非線性因素的存在使得電子節(jié)氣門的動態(tài)性能容易受到影響。PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，其算法簡單、魯棒性好、可靠性高。PID控制器的控制原理是根據(jù)給定值r（t）與實際輸出值c（t）之間的偏差實現(xiàn)控制過程：

PID控制的數(shù)學(xué)模型如下：

式中：u（t）為PID控制器輸出函數(shù)；e（t）為PID控制器輸入函數(shù)，即偏差；Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；Kd為微分系數(shù)。

所設(shè)計的電子節(jié)氣門PID控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖4所示：

圖4 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)對汽車在各種運行狀態(tài)下的節(jié)氣門期望開度和實際開度進行PID控制，產(chǎn)生一個控制量，通過驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動電機，根據(jù)控制效果改變PID控制參數(shù)，最終達到最佳控制。本次設(shè)計當中，Kp、Ki、Kd分別為 0.75，7.6，0.2。圖5是輸入信號分別為1V、2V和2.5V時，PID控制器的輸出波形。圖6是輸出信號隨輸入信號的變化曲線。

圖5 控制信號為1V、2V和2.5V時的實驗波形

3 結(jié) 論

電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)是一個復(fù)雜的非線性時變系統(tǒng)。本文主要闡述了電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的構(gòu)造原理，分析了3個主要的非線性因素，并且建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。利用此模型，結(jié)合增量式PID控制原理，設(shè)計了基于增量式PID控制的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)，并進行了Matlab仿真。仿真結(jié)果顯示，電子節(jié)氣門采用增量式PID控制，具有超調(diào)量較小、性能穩(wěn)定、跟蹤效果好、穩(wěn)態(tài)誤差小、抗干擾能力強、動靜態(tài)性能好和可靠性高等優(yōu)點。

圖6 輸入和輸入的關(guān)系曲線

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Control Design and Simulation of Electronic Throttle Based on the PID

Wan Chuanping，Zhang Haitao，Chen Jieping

This paper describes the structure and working principle of the electronic throttle and analyzes its control characteristics and its production and control methods of Non－Linear factors.According to its working process the dynamic model and circuit model of the electronic throttle are established.Combining with the mathematical model and the characteristics of incremental PID control，the control system of the electronic throttle is designed and a Matlab simulation is made.Based on the simulation results，using incremental PID control has advantages of smaller overshot，stable performance，small steady－state error，good tracking，good performance of dynamic and static performance，capability of anti－interference and high reliability.

Electronic throttle；Non－Linear；incremental PID control；Matlab simulation

TP273

A

1673-1794（2012）05-0025-03

宛傳平（1975－），男，安徽廬江人，實驗師，碩士，研究方向：機械工程。

安徽高校省級自然科學(xué)研究項目（KJ2012Z057）；安徽科技學(xué)院青年基金（ZRC2011287）；安徽科技學(xué)院重點建設(shè)學(xué)科（AKXK20102－5）

2012-02-24