王　　魏　陳　　杰　劉少飛　王亞楠　喬志偉（1-長城汽車股份有限公司技術中心　河北　保定　071000　2-河北省汽車工程技術研究中心）

基于模型的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)開發(fā)

王魏1，2陳杰1，2劉少飛1，2王亞楠1，2喬志偉1，2
（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術研究中心）

摘要：采用Simulink/Stateflow搭建被控對象的模型和PID控制器，經(jīng)系統(tǒng)建模、MIL仿真驗證、數(shù)據(jù)定標、RTW代碼生成、編譯生成A2L和可執(zhí)行的HEX（S19）文件進行PIL、HIL和臺架測試，以達到設計要求的無超調，響應時間小于100ms和靜態(tài)誤差范圍在±0.075之內，證明基于模型的變結構PID可以兼顧系統(tǒng)在快速性和穩(wěn)態(tài)精度等方面的要求。

關鍵詞：Simulink/StateflowRTW代碼生成變結構PIDETCPWM建模仿真

引言

發(fā)動機管理系統(tǒng)的目的是精確控制噴油、點火，在提高駕駛舒適性、安全性和汽車動力性的同時，減少有害氣體排放、降低燃油消耗，以滿足排放法規(guī)要求，而電子節(jié)氣門的精確控制在發(fā)動機管理系統(tǒng)中則尤為重要。

基于模型的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)（ETC）的開發(fā)，其核心是控制器的設計，傳統(tǒng)的PI或PD控制對恒值控制系統(tǒng)或動態(tài)性能要求不高的控制系統(tǒng)的設計較為簡單有效[1]；變結構PID控制能滿足隨動控制系統(tǒng)的設計和滿足較高的動態(tài)性能要求[2-5]。本系統(tǒng)的開發(fā)采用Simulink/Stateflow進行系統(tǒng)建模、仿真驗證、數(shù)據(jù)定標、代碼生成、編譯生成A2L和可執(zhí)行的HEX（S19）文件進行PIL、HIL和臺架測試。

1　技術方案

電子節(jié)氣門直流電機的驅動采用脈寬調制方式（PulseWidth Modulation，縮寫為PWM）。脈寬調制方式是利用功率晶體管的開關特性來調制電壓恒定的直流電源，通過改變占空比來改變電樞的平均電壓，以此控制直流電機的扭矩，這是目前直流電動機的主要控制方式。其控制原理圖如圖1所示。

在自主開發(fā)的發(fā)動機管理系統(tǒng)中，H橋采用TLE8209-2SA，該芯片為infineon開發(fā)的專門控制電子節(jié)氣門的智能功率驅動芯片[6]，ECU主芯片采用Freescale的32位單片機MPC5634M[7]。

硬件選定后按照圖2所示的控制結構以開度偏差（節(jié)氣門期望開度-節(jié)氣門實際開度）為控制量設計變結構PID控制器，這樣在建模仿真階段就不用考慮傳感器的建模，使設計變得清晰、明確，減少工作量且從結構層提高了控制的穩(wěn)定性。

圖1　直流電機脈寬調制控制原理和電壓波形圖

圖2　電子節(jié)氣門控制結構圖

2 變結構PID控制器的設計及系統(tǒng)仿真

2

.1PWM驅動模塊的建模

在H橋TLE8209-2SA的脈寬調制方式中[8]，定義pwm和頻率F為：

其中Duty為占空比，Dir為脈沖的方向，U為電池電壓，TBS為simulink仿真的基礎時間，counter為整數(shù)，與pwm的精度有關。

建立TLE8209-2SA的simulink仿真模型如圖3所示，其中考慮仿真速度和輸出精度定義counter等于10。

圖3　pwm generator仿真模型

2.2節(jié)氣門直流電機及執(zhí)行機構的建模電子節(jié)氣門原理圖如圖4所示。

圖4　電子節(jié)氣門原理圖

依據(jù)圖4電子節(jié)氣門原理圖節(jié)氣門電機的微分方程如下[8-10]：

其中：U為電池電壓，Eb為電機感應電動勢，ωm為電機角速度，ω為節(jié)氣門閥片的旋轉角速度，L為電感，θ為閥片旋轉角度，θnlp為跛行回家位，TD為堵轉扭矩，θuma為機械下止點，θoma為機械上止點，Ke為感應電動勢系數(shù)，Km為電機扭矩系數(shù)，N為轉速比，Tsp為復位彈簧扭矩，Tf為靜態(tài)摩擦力扭矩，F(xiàn)m為摩擦力系數(shù)，D為彈簧扭矩補償，TD為堵轉扭矩。

將以上公式兩邊取拉氏變換，整理得到電子節(jié)氣門連續(xù)系統(tǒng)的仿真模型，如圖5所示。

圖5　電子節(jié)氣門總成仿真模型

2.3變結構PID控制器的設計

對于隨動控制系統(tǒng)單個PI、PD或者PID控制器很難滿足較高的動態(tài)性能要求，經(jīng)典PID的3個參數(shù)Kp、Ki和Kd在整個控制過程中保持不變；而在變結構PID中，Kp、Ki和Kd3個參數(shù)都是以誤差信號為自變量的函數(shù)，能夠根據(jù)輸入的誤差信號進行實時的調整。常見的變結構PID算法有積分分離PID算法和不完全微分法等[11]。

本系統(tǒng)采用在不同的響應階段選用不同控制器的變結構PID控制器的設計思路來滿足系統(tǒng)設計要求的動態(tài)性能，變結構PID算法如下：

其中：α＜1；fkp（e（k））、fki（e（k））和fkd（e（k））分別是以e（k）為自變量的比例增益函數(shù)、積分增益函數(shù)和微分增益函數(shù)。

P部設計時應遵循e（k）越大fkp（e（k））越大、e （k）越小fkp（e（k））越大；而I部和D部的設計則遵循e（k）越大fki（e（k））和fkd（e（k））越小的原則，反之亦然。

如圖6 a）所示，把系統(tǒng)控制按照偏差分為三個階段。

第一方案：第一階段主要關注系統(tǒng)的響應時間，采用P控制器，I部凍結，D部不起作用；第二階段采用DI控制，目的是進行減速以減小超調；第三階段，也就是小偏差階段，關注的是系統(tǒng)的穩(wěn)定性采用的是I控制器，P部失效。

第二個方案：第一階段采用PD控制器，I部凍結；第二階段采用PID控制，目的是進行再加速；第三階段，也就是小偏差階段，關注的是系統(tǒng)的穩(wěn)定性采用PI控制器，比例P三個階段全部參與。

經(jīng)驗證第二種方案效果較好。

由于節(jié)氣門在跛行回家位（NLP）存在非線性，所以設計控制器時要注意非線性處理。采用simulink/ stateflow對PID控制器建模，如圖6 b）所示。

2.4系統(tǒng)仿真

H橋E8209-2SA的設定工作頻率為2 kHz，而數(shù)字PID控制器為1ms任務。因此利用matlab對ETC系統(tǒng)進行仿真時需采用調度觸發(fā)方式實現(xiàn)上述的需求。系統(tǒng)的基時（base time）為0.00005 s，依據(jù)公式2得到PWM_generator的周期為5ms，PID控制器采用10ms，所以在仿真時1 s對應的是100ms。圖7 為ETC控制系統(tǒng)的仿真結構圖。

3　仿真及測試結果分析

測試過程自定義斜坡、速度、加速度、正弦和階躍信號經(jīng)MIL、PIL、HIL和臺架測試。在系統(tǒng)穩(wěn)定情況下，ETC更為關注系統(tǒng)在階躍信號激勵下的快速性。

3.1M IL仿真結果分析

MIL測試只在開發(fā)階段驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和初調系統(tǒng)參數(shù)。由2.4節(jié)可知1s代表100ms。測試結果如圖8所示。

圖6　控制器設計的三個階段及控制器Simulink模型

圖7　系統(tǒng)仿真結構圖

圖8　正弦信號測試結果對比圖

如圖8所示，因正弦信號的周期較小，加之初始值的設定等因素造成起始階段有較大偏差，但總體偏差在[0%，5%]范圍內，且在跛行回家位（NLP）處的過渡平穩(wěn)，節(jié)氣門關閉時的跟隨特性較好于節(jié)氣門開啟時的特性。

4%~90%階躍信號測試結果對比如圖9所示。

由2.4節(jié)得知仿真時間1 s代表100ms，從圖9的階躍響應可以得出：I部的限制值越大超調量越大且關閉時調節(jié)時間較長，如圖9 a）所示。I部的限制值越小超調量會減小，但會有較大的靜差，當I部限制值為40時階躍響應效果最好。如圖9 b）所示開啟階躍無超調，關閉階躍響應時間短，開啟和關閉時的階躍響應時間均小于200ms，且關閉時階躍響應時間小于開啟時的階躍響應時間。因此在PIL或臺架標定的過程中調整I部限制值會有效地減小超調。

3.2PIL和PIL測試結果分析

經(jīng)MIL仿真確保定標后的系統(tǒng)穩(wěn)定且數(shù)據(jù)無溢出后，采用RTW生成代碼和A2L，下載到ECU硬件進行PIL和HIL測試，使用CANAPE標定工具標定I部限制值為35并采集數(shù)據(jù)如圖10~13所示。

圖9 4%~90%階躍信號測試結果對比圖

圖10　CANAPE采集的大開度階躍信號測試結果

圖11　CANAPE采集的過NLP兩側小開度階躍信號測試結果

圖12 CANAPE采集的3.5%~3.8%階躍

圖13 靜態(tài)誤差

從圖10可以看出開度從4%到95%無超調，響應時間為90ms，從95%到4%時無超調響應時間為60ms。

從圖11可以看出當過NLP（6%），開度從4%~ 8%時無超調，響應時間為69ms，從8%到4%時沒有超調，響應時間為80ms。

從圖12可以看出開度從3.5%~3.8%時無超調，響應時間最大為30ms，節(jié)氣門關閉時的靜態(tài)誤差要優(yōu)于節(jié)氣門開啟時的靜態(tài)誤差，但其偏差均在±0.03范圍之內。

系統(tǒng)階躍響應特性如表1所示。

表1　系統(tǒng)階躍響應特性

綜上所述，節(jié)氣門開啟時的響應時間較節(jié)氣門關閉時的響應時間大，因為開啟時要克服回位彈簧的阻力，如表1所示，額定階躍響應無超調，且響應時間小于100ms，震蕩時間最大為50ms。

從圖13可以看出系統(tǒng)在大開度（94.9975）時的靜態(tài)誤差在±0.015，在小開度（3.9795）時的靜態(tài)誤差為±0.03，大開度時要優(yōu)于小開度時的靜態(tài)誤差，但其范圍均未超過±0.075。

4　結論

通過建立被控對象模型，可以在模型級別與控制模型進行閉環(huán)仿真（MIL），并能初步標定系統(tǒng)參數(shù)，提前驗證系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性和快速性，從而縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)風險。

基于模型開發(fā)的電子節(jié)氣門變結構PID系統(tǒng)能夠滿足系統(tǒng)無超調的要求，響應時間小于100ms，震蕩時間小于50ms，穩(wěn)態(tài)誤差范圍在±0.075內，證明基于模型的變結構PID控制可以兼顧系統(tǒng)在快速性和穩(wěn)態(tài)精度等方面的要求。

參考文獻

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11 Josˇko Deur，Deur,DanijelPavkovi,Nedjeljko Peri.An adaptive nonlinear strategy of electronic throttle control[C]. SAEPaper2004-01-0897

中圖分類號：TK413.8

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8234（2015）05-0057-06

收稿日期：（2015-05-29）

作者簡介：王魏（1984-），男，碩士，工程師，主要研究方向為缸內直噴汽油機、混動HCU控制策略開發(fā)。

Design of Variable Structure PID to ETC Based on M odel

Wang Wei1,2,Chen Jie1,2,Liu Shaofei1,2,Wang Yanan1,2,Qiao Zhiwei1,2
1-Technology CenterofGreatWallMotor Company Ltd.(Baoding,Hebei,071000,China)
2-Automotive Engineering Technology Research CenterofHebeiProvince

Abstract：This system adopts Simulink/Stateflow to develop controlled device and PID controller,in order to satisfy the design requirements(including overshoot-free,response timeare less than 100ms and static error is less than±0.075),we carried out PIL,HIL and bench test after all the preparations including modeling,MIL verification,data calibration,RTW codegeneration,and A2L&HEX(S19)generation.Ithas proved thatmodel-based variable-structure PID canmeet the requirements in terms of rapidity and stable state accuracy aswell.

Keywords：Simulink/Stateflow,RTW code generate,Variable structure PID,ETC,PWM,Modeling and simulation