某型電子節(jié)氣門PID模糊控制系統(tǒng)仿真分析

侯麗春

（長春汽車工業(yè)高等?？茖W(xué)校）

某型電子節(jié)氣門PID模糊控制系統(tǒng)仿真分析

侯麗春

（長春汽車工業(yè)高等?？茖W(xué)校）

在Matlab中建立電子節(jié)氣門數(shù)學(xué)模型，聯(lián)合模糊控制和PID控制器等搭建PID+前饋控制系統(tǒng)和模糊PID+前饋控制系統(tǒng)，對(duì)電子節(jié)氣門目標(biāo)大開度和較小開度兩種情況的階躍響應(yīng)進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，一定條件下模糊PID+前饋控制系統(tǒng)響應(yīng)速度低于PID+前饋控制系統(tǒng)響應(yīng)速度，但是模糊PID+前饋控制系統(tǒng)控制穩(wěn)定，控制精度、準(zhǔn)確度上要優(yōu)于后者。

1 電子節(jié)氣門結(jié)構(gòu)模型

隨著電子及控制技術(shù)的發(fā)展，電子節(jié)氣門技術(shù)已經(jīng)較廣泛的應(yīng)用在中高級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)上。優(yōu)良的參數(shù)控制算法是精確控制和系統(tǒng)反應(yīng)的基礎(chǔ)，其可以提高燃油經(jīng)濟(jì)性，降低排放污染[1]，并可結(jié)合整車工況實(shí)現(xiàn)安全操控整車運(yùn)行，是電子節(jié)氣門技術(shù)不可缺少的研究?jī)?nèi)容。某型電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)（Electronic Throttle Control System, ETCS）主要由加速踏板、節(jié)氣門、驅(qū)動(dòng)電路、控制單元及相關(guān)傳感器等部分構(gòu)成，如圖1所示。在MATLAB/Simu?link中建立電子節(jié)氣門仿真模型，以進(jìn)行控制算法研究。

2 PID控制系統(tǒng)及模糊控制系統(tǒng)搭建[2、3]

PID控制在應(yīng)用中需先做出測(cè)量和目標(biāo)比較再進(jìn)行系統(tǒng)糾正，是一種應(yīng)用最為廣泛的控制方法，是按系統(tǒng)偏差比例、積分、微分線性組合進(jìn)行控制輸出量對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制[2]。節(jié)氣門系統(tǒng)離散化方程為：

式中，n表示采樣序號(hào)；u(n)表示第n次采樣時(shí)刻PID控制器的輸出值；e(n)表示第n次采樣時(shí)刻系統(tǒng)設(shè)定值和實(shí)際值的差值；Kp為控制器比例常數(shù)；Ki=Kp/Ti為控制器的積分常數(shù)，Ti為積分時(shí)間；Kd=Kp·Td為控制器的微分系數(shù)，Td為微分時(shí)間；θt(n)為駕駛員需求的節(jié)氣門開度；θ(n)為節(jié)氣門的實(shí)際開度值。

由于PID在控制時(shí)變、耦合、非線性上以及結(jié)構(gòu)不確定的系統(tǒng)控制時(shí)顯示出其局限性，所以一般在控制復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)采用PID和其它算法控制相結(jié)合的方式。

模糊控制系統(tǒng)是以模糊數(shù)學(xué)、模糊語言形式的知識(shí)表示，以模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有反饋通道的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其組成核心是具有智能性的模糊控制器。對(duì)其中模糊控制器中的參數(shù)設(shè)定TPS電壓偏差E和偏差變化率EC的基本論域取為[-6，6]，并將其分成7個(gè)模糊集合，分別是NL、NM、NS、ZO、PS、PM、PL。實(shí)際控制中電子節(jié)氣門開度對(duì)應(yīng)的傳感器電壓值偏差，故標(biāo)定因子ke取1.2。TPS電壓值偏差變化率V/s，標(biāo)定因子kec取0.2。語言變量的隸屬函數(shù)選擇靈敏度較高、算法簡(jiǎn)單的三角形函數(shù)。在輸出變量中，系統(tǒng)控制參數(shù)Kc的論域取[8，18]，Ti的論域取[6，20]，Td的論域取[6，16]，并將其分成3個(gè)集合,分別是小（S），中（M），大（L）。其中控制系數(shù)Kc的實(shí)際輸出范圍為[8，18]，所以Kc的標(biāo)定因子kKc取1，Ti的實(shí)際輸出范圍為[0.006，0.020]，所以Ti的標(biāo)定因子kTi取0.001；Td的實(shí)際輸出范圍為[0.0008，0.0016]，所以Td的標(biāo)定因子kTd取0.0001。系統(tǒng)的Kc、Ti、Td的隸屬函數(shù)均取為三角形函數(shù)，在MATLAB/Simulink中建立PID控制及模糊控制器的Simulink結(jié)構(gòu)仿真模型，圖2為E、EC的隸屬度函數(shù)，圖3～圖5為Ti、Kc、Td隸屬度函數(shù)曲線。

為了使ETCS獲得較快的響應(yīng)速度、較好的穩(wěn)定性以及較小的超調(diào)量，制定不同偏差和偏差變化率下的PID控制參數(shù)整定原則[4、5]：

a.當(dāng)|E|較大、EC較小或者為0時(shí)，為了保證系統(tǒng)具有良好的隨動(dòng)性，應(yīng)迅速減小誤差，可選取較大的Kc，同時(shí)為了避免較大超調(diào)量的出現(xiàn)，應(yīng)選取中等的Ti和較小的Td。

b.若E·EC＞0，說明系統(tǒng)正處于誤差逐漸減小的狀態(tài)。若|E|較大，可以選取較大的Kc、較小的Ti和中等的Td，這樣可以使系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)減小偏差E，而且保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性；若|E|較小，考慮到系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性要求，只要進(jìn)行較小的PID控制，可以選取中等的Kc，較大的Ti和較小的Td。

c.若E·EC＜0，說明系統(tǒng)正處于誤差逐漸增大的狀態(tài)。若|E|較大，則不僅需要盡快減小|E|，而且要盡快改變偏差變化的趨勢(shì)，此時(shí)應(yīng)該選取較大的Kc、較小的Ti和較小的Td；若|E|較小，只需要考慮改變偏差的變化趨勢(shì)，可以選取中等的Kc、中等的Ti和較小的Td。

根據(jù)以上分析，建立PID控制參數(shù)Kc、Ti、Td的模糊控制規(guī)則表，如表1所示。

表1 模糊PID控制系統(tǒng)控制規(guī)則表

在MATLAB/Simulink中，獲得輸出曲面Kc、Ti、Td模糊后的三維立體圖，分別如圖6～圖8所示。

3 階躍響應(yīng)Simulink仿真結(jié)果

在MATLAB/Simulink中建立模糊系統(tǒng)的仿真模型、前饋控制器仿真模型，將PID控制仿真模型與前饋控制器仿真模型兩者相結(jié)合，或者將PID控制仿真模型與模糊控制器、前饋控制器3者結(jié)合，再連接電子節(jié)氣門模型，整個(gè)ETCS綜合Simulink仿真模型便搭建完成。模型搭建完成后，首先進(jìn)行節(jié)氣門閥片目標(biāo)開度從6°階躍變化到86°的ETCS仿真，其結(jié)果如圖9所示。

從圖9可以看出，在接收到階躍信號(hào)的激勵(lì)后，PID+前饋控制響應(yīng)更為迅速，在受到激勵(lì)70 ms后便可達(dá)到目標(biāo)開度的90%（77.5°），在125 ms后便可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，但是在穩(wěn)定周期內(nèi)出現(xiàn)超調(diào)，超調(diào)量約為0.8°。而使用模糊PID+前饋控制響應(yīng)較慢，在76 ms之后才能達(dá)到目標(biāo)開度的90%，穩(wěn)定時(shí)間和PID+前饋控制相同，均為125 ms，但穩(wěn)定周期內(nèi)無超調(diào)現(xiàn)象。

圖10是節(jié)氣門閥片目標(biāo)開度從86°階躍變化到6°的ETCS仿真結(jié)果。

從圖10可以看出，采用PID+前饋控制的電子節(jié)氣門響應(yīng)更為迅速，受到激勵(lì)后55 ms便可達(dá)到節(jié)氣門目標(biāo)開度的90%（14°），穩(wěn)定周期約為110 ms，但在穩(wěn)定周期內(nèi)出現(xiàn)超調(diào)，超調(diào)量約為3°。采用模糊PID+前饋控制的電子節(jié)氣門響應(yīng)速度較慢，在70 ms后達(dá)到目標(biāo)開度的90%，穩(wěn)定周期同樣為110 ms，周期內(nèi)無超調(diào)現(xiàn)象。

再次進(jìn)行小角度（7°-11°）仿真分析，其結(jié)果如圖11所示。

從圖11可以看出，采用PID+前饋控制的電子節(jié)氣門響應(yīng)速度較快，在16 ms后便可達(dá)到目標(biāo)開度，在周期內(nèi)出現(xiàn)超調(diào)，超調(diào)量約為1.6°，整個(gè)穩(wěn)定周期約為65 ms。采用模糊PID+前饋控制的電子節(jié)氣門響應(yīng)速度較慢，在30 ms后達(dá)到目標(biāo)開度，在周期內(nèi)也出現(xiàn)超調(diào)，超調(diào)量較小，約為0.1°，整個(gè)穩(wěn)定周期約為65 ms。

電子節(jié)氣門開度從11°變化到7°時(shí)，兩種控制方式的曲線變化如圖12所示。

從圖12可以看出，采用PID+前饋控制的電子節(jié)氣門響應(yīng)速度較快，到達(dá)目標(biāo)開度90%（7.4°）的時(shí)間約為18 ms，在25 ms后到達(dá)目標(biāo)開度，之后出現(xiàn)超調(diào)，超調(diào)量略小于0.2°，整個(gè)穩(wěn)定周期約為70 ms。采用模糊PID+前饋控制的電子節(jié)氣門的相應(yīng)速度較慢，到達(dá)目標(biāo)開度90%的時(shí)間約為22 ms，在30 ms后到達(dá)目標(biāo)開度，也出現(xiàn)了超調(diào)，超調(diào)量較小約為0.08°，整個(gè)穩(wěn)定周期約為70 ms。

4 結(jié)束語

a.無論是在電子節(jié)氣門目標(biāo)開度變化較大還是變化較小的情況下，采用PID+前饋控制方式的響應(yīng)速度都比采用模糊PID+前饋控制的方式快，在電子節(jié)氣門目標(biāo)開度變化較大的情況下表現(xiàn)的更加明顯。

b.無論是在電子節(jié)氣門目標(biāo)開度變化較大還是變化較小的情況下，采用模糊PID+前饋控制方式的超調(diào)量均要小于采用PID+前饋控制方式，在目標(biāo)開度較大的情況下，采用模糊PID+前饋控制的超調(diào)量甚至為0。

c.電子節(jié)氣門采用PID+前饋控制方式和采用模糊PID+前饋控制方式，其響應(yīng)的穩(wěn)定周期大致相同。

d.在電子節(jié)氣門目標(biāo)開度變化量相同的情況下，從開度較小變化到開度較大的響應(yīng)時(shí)間要比從開度較大到開度較小的響應(yīng)時(shí)間長。

1 林學(xué)東,王霆.車用發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

2 楊振東.基于模糊PID電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的研究與開發(fā):[學(xué)位論文].長沙：湖南大學(xué)，2008.

3 席愛民.模糊控制技術(shù).西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

4 石辛民.模糊控制及其MATLAB仿真.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

5 毛亞峰.基于MATLAB/Simulink的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)仿真:[學(xué)位論文].西安：長安大學(xué)，2012.

（責(zé)任編輯晨 曦）

修改稿收到日期為2015年8月1日。

Simulative Analysis of an Electronic Throttle PID Fuzzy Control System

Hou Lichun
（Changchun Automotive Industry Institute）

A mathematics electronic throttle model is built in Matlab,with joint fuzzy control and PID controller, etc.,PID+feedforward control system and fuzzy PID+feedforward control system are built to simulate and analyze the step response of wide-open-throttle and narrow-open-throttle.The results of simulation show that,under certain conditions, response rate of fuzzy PID+feedforward control system is slower than that of PID+feedforward control system,however,the former control stably with better control accuracy and precision than the later.

Electronic throttle,PID+Feedforward control system,Fuzzy PID+Feedforward control system

電子節(jié)氣門 PID+前饋控制系統(tǒng) 模糊PID+前饋控制系統(tǒng)

U464

A

1000-3703（2015）11-0044-03