電子節(jié)氣門模糊控制策略仿真試驗研究

許凌，魯楊，張蓉，遲英姿，張文慶

（1.南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院，江蘇 南京 211134；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京 210031）

引言

節(jié)氣門是控制空氣進(jìn)入發(fā)動機(jī)的一道可控閥門，其性能的好壞對汽車的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性以及舒適性有很大的影響[1]。

由于電子節(jié)氣門系統(tǒng)存在的非線性特性包括非線性彈簧、非線性摩擦、減速齒輪間隙的非線性和進(jìn)氣氣流對節(jié)氣門閥片的非線性作用等，以及一些傳感器在控制系統(tǒng)的不斷使用過程中存在的可靠性變差和機(jī)械磨損等問題。與傳統(tǒng)的機(jī)械節(jié)氣門不同，電子節(jié)氣門系統(tǒng)中會增加很多傳感器并且還需要裝備控制單元以及驅(qū)動電機(jī)，其造價要比機(jī)械式節(jié)氣門高出很多。在設(shè)計電子節(jié)氣門系統(tǒng)時因無法考慮到不同的駕駛者的駕駛習(xí)慣以及車輛的所有行駛情況，電子節(jié)氣門系統(tǒng)的設(shè)計還不夠個性化。因此，要通過控制節(jié)氣門閥片開度來實現(xiàn)進(jìn)氣量的精確控制，必須要研究電子節(jié)氣門的控制，以提高發(fā)動機(jī)工作性能[2]。

本文提出了基于模糊控制的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)，旨在提高電子控制系統(tǒng)和其他系統(tǒng)的可結(jié)合性、操縱性、舒適性和穩(wěn)定性。

1　電子節(jié)氣門及其標(biāo)定

1.1　電子節(jié)氣門系統(tǒng)

電子節(jié)氣門系統(tǒng)取消了機(jī)械式節(jié)氣門的剛性連接，采用一種柔性控制方式，電子節(jié)氣門系統(tǒng)主要由加速踏板位置傳感器、電子節(jié)氣門體總成、電子節(jié)氣門控制單元等組成（圖1）。

圖1　電子節(jié)氣門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

（1）加速踏板位置傳感器：加速踏板是反映駕駛員意圖的裝置，它的核心是兩個電位計式位置傳感器，其內(nèi)部主要是一個根據(jù)位移量變化的可變電阻，電壓值變化范圍為 0V到5V之間。根據(jù)踏板位移量的多少轉(zhuǎn)化成不同的電壓信號并傳遞給電子控制單元（ECU）。不同于傳統(tǒng)節(jié)氣門，節(jié)氣門開度不再是由油門踏板直接控制。

（2）電子節(jié)氣門體總成：電子節(jié)氣門體由閥體、閥片、回拉彈簧、節(jié)氣門位置傳感器、傳動軸、傳動齒輪、電機(jī)等結(jié)構(gòu)組成。

（3）電子節(jié)氣門控制單元(ECU)：ECU 是整個電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的核心。駕駛員的意圖經(jīng)由 ECU 分析做出判斷，給驅(qū)動電機(jī)發(fā)出指令，由電機(jī)驅(qū)動節(jié)氣門閥片轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)其開度變化。

1.2　電子節(jié)氣門的標(biāo)定

采用 90C51RD+型號單片機(jī)進(jìn)行電子節(jié)氣門開度的位置標(biāo)定，ET2046芯片主要用來進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，采集與輸出數(shù)據(jù)，試驗中采用動態(tài)數(shù)碼管模塊主要是為了將采集到的節(jié)氣門傳感器數(shù)據(jù)值顯示在動態(tài)數(shù)碼管上方便讀數(shù)。

圖2　電子節(jié)氣門偏轉(zhuǎn)角度示意圖

試驗過程與步驟：標(biāo)定過程利用單片機(jī)數(shù)碼管顯示出當(dāng)時傳感器輸出的模擬量，通過對輸出模擬量的處理將其轉(zhuǎn)換為電壓值的大小。因傳感器輸出模擬量，經(jīng)過單片機(jī)上模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，寄存器是 12位的，計算機(jī)里面都是 0和 1兩種數(shù)字，5V除以2的12次方就是單位代表的電壓值，再乘以采集出來的數(shù)值就是電壓值。角度通過數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換計算出相應(yīng)的角度。電子節(jié)氣門偏轉(zhuǎn)角度示意圖如圖2所示。

記錄出數(shù)碼管顯示模擬值并計算此時節(jié)氣門位置，根據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系轉(zhuǎn)換計算出對應(yīng)開度夾角，節(jié)氣門位置傳感器輸出電壓與節(jié)氣門開度關(guān)系表如表1所示。

表1　節(jié)氣門位置傳感器輸出電壓與節(jié)氣門開度關(guān)系表

電子節(jié)氣門系統(tǒng)特性參數(shù)是建立電子節(jié)氣門體的仿真模型的基礎(chǔ)，對于電子節(jié)氣門硬件和軟件的設(shè)計也非常重要。電子節(jié)氣門系統(tǒng)需要標(biāo)定的模塊包括節(jié)氣門位置傳感器與節(jié)氣門開度的關(guān)系曲線。節(jié)氣門位置傳感器輸出特性指節(jié)氣門位置傳感器輸出電壓隨節(jié)氣門開度的變化關(guān)系曲線[3]。擬合節(jié)氣門位置傳感器輸出特性曲線如圖3所示。其中擬合關(guān)系曲線表達(dá)式為：

圖3　節(jié)氣門位置傳感器輸出特性曲線

1.3　加速踏板位移量與傳感器電壓標(biāo)定

在本試驗中，需要將加速踏板的位移量與加速踏板位置傳感器的輸出電壓值進(jìn)行標(biāo)定，利用電子節(jié)氣門試驗平臺、數(shù)據(jù)采集卡、裝有LabVIEW的計算機(jī)，將數(shù)據(jù)采集卡與踏板上的位置傳感器相連，之后將數(shù)據(jù)采集卡與計算機(jī)相連，在LabVIEW中設(shè)計簡單算法，讀取實時的傳感器輸出電壓值。

圖4　踏板角度與輸出電壓標(biāo)定曲線

在試驗時，記錄踏板不同旋轉(zhuǎn)角度時所對應(yīng)的輸出電壓，從而得到輸出電壓信號與踏板旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系曲線，關(guān)系曲線如圖4所示。

2　電子節(jié)氣門模糊控制器的設(shè)計

由于電子節(jié)氣門的機(jī)械系統(tǒng)存在著較強(qiáng)的非線性因素，驅(qū)動電機(jī)存在著磁滯性，因而在改變其轉(zhuǎn)動方向時有滯后性，使得電子節(jié)氣門的精確控制較為困難。因此選擇模糊算法作為控制策略。模糊控制以規(guī)則推理為核心，是建立在抽象水平上的控制，其最大特點是不需要控制對象的精確數(shù)學(xué)模型，特別適用于像電子節(jié)氣門和發(fā)動機(jī)怠速控制等這樣的非線性控制[4]。

2.1　電子節(jié)氣門模糊控制器設(shè)計

從電子節(jié)氣門數(shù)學(xué)模型可以看出，電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)屬于二階系統(tǒng)，又由于一維模糊控制器具有動態(tài)性能不佳和多維模糊控制器控制規(guī)則復(fù)雜并難以實現(xiàn)。因此，選用二維模糊控制器進(jìn)行電子節(jié)氣門控制，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　二維控制結(jié)構(gòu)簡圖

模糊控制器的輸入?yún)⒘抗?jié)氣門位置偏差 e(k)和位置偏差變化率ec(k)在第 k次采樣時刻有：

θd為電子節(jié)氣門系統(tǒng)的期望位置, 通過加速踏板位置傳感器信號電壓變化反映；θ為節(jié)氣門實際位置反饋, 通過節(jié)氣門位置傳感器的電壓來反映；誤差e及誤差變化率ec為模糊制器輸入變量；輸出參量u作為控制節(jié)氣門直流電機(jī)電壓的PWM占空比。

2.2　輸入、輸出模糊化過程

節(jié)氣門的位置誤差e實際變化范圍定義為[-0.1，0.1]，超過這個范圍的都把它當(dāng)作邊界值來處理。誤差變化率ec的變化范圍為[-0.05，0.05]，u的范圍定義為[-1，1]。誤差語言變量e、誤差變化率語言變量ec和控制量語言變量U的論域等級均被定義為{?6，?5，?4，?3，?2，?1，0，1，2，3，4，5，6}。為了進(jìn)行模糊化處理，須將輸入變量乘以相應(yīng)的量化因子，然后將輸入變量從基本論域轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的模糊集的論域。誤差的量化因子及誤差變化的量化因子分別由下面兩個公式來確定，即：

由于模糊推理輸出的結(jié)果是一個模糊集合，電子節(jié)氣門系統(tǒng)只能接受一個精確量，而這個精確量只是模糊控制器輸出論域中的一個量或是論域中兩個元素之間的一個量，將它乘以比例因子，才能施加到電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)上?？刂屏康谋壤蜃訛椋?/p>

2.3　模糊推理

語言變量值的選取及語言變量論域上的模糊子集：誤差語言變量e、誤差變化率語言變量ec和控制量語言變量u的值均設(shè)定為｛負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大｝，用英文縮寫為{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝。語言變量模糊子集{ NM，NS，ZE，PS，PM}采用靈敏度較高的三角形函數(shù),均勻分布,而語言變量{NB}和{PB}分別采用Z函數(shù)和S函數(shù)。

電子節(jié)氣門模糊控制器模糊控制規(guī)則：當(dāng)誤差大或較大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主；而當(dāng)誤差較小時，選擇控制量以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點，要防止超調(diào)。本文采用Mamdani模糊推理方法。模糊控制規(guī)則共有49 條規(guī)則，如表2所示[5]。

表2　模糊控制規(guī)則表

2.4　清晰化

非模糊化把輸出模糊量轉(zhuǎn)化為輸出變量的值，它又叫模糊決策。由于對于一個輸出變量有多個模糊子集，因而有多個模糊輸出變量，這樣就需從多個模糊子集及它們的隸屬函數(shù)中判斷出一個控制量。非模糊化的方法與輸出模糊子集的隸屬函數(shù)定義方法有關(guān)，可以采用面積重心法，即加權(quán)平均法，把推理得到的模糊子集轉(zhuǎn)變?yōu)榍宄目刂戚敵鲂盘枴?/p>

在仿真試驗中，在Mamdani 型模糊推理中的模糊邏輯算法的清晰化中選用面積中心法，即使用面積重心法使信號精確輸出，得到模糊控制器的輸出為：

式中，u(xi)為 xi點處的隸屬度函數(shù)值。

利用單片機(jī)可以把預(yù)先算好的控制量u的表格存在 ECU中，查表即可得到相應(yīng)的控制量。

3　電子節(jié)氣門模糊控制仿真試驗分析

3.1　建立電子節(jié)氣門數(shù)學(xué)模型

在電子節(jié)氣門的控制中，主要受到彈簧非線性、摩擦非線性以及齒輪非線性的影響。需要對這三種非線性因素進(jìn)行分析。其中彈簧非線性的影響最為重要，摩擦非線性次之，齒輪非線性最小。根據(jù)經(jīng)驗公式，可以總結(jié)出傳動系統(tǒng)的微分方程為[6]：

式中，N—齒輪傳動比；Jm—電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量；J—節(jié)流閥轉(zhuǎn)動慣量；fm—電機(jī)粘性摩擦系數(shù)；Kf—庫倫摩擦系數(shù)；Ks—扭轉(zhuǎn)剛度；Km—電機(jī)扭矩系數(shù)。

3.2　電子節(jié)氣門仿真試驗相應(yīng)特性分析

根據(jù)分析所得的數(shù)學(xué)模型，在 MATLAB/Simulink將節(jié)氣門體和模糊控制器結(jié)合起來成為一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)。電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的仿真模型如圖6所示，圖7和圖8為采用模糊策略進(jìn)行控制電子節(jié)氣門階躍跟蹤信號仿真結(jié)果圖。

圖6　電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)仿真圖

圖7　階躍信號跟蹤試驗結(jié)果圖

圖8　正弦信號跟蹤試驗結(jié)果圖

由圖7、圖8仿真曲線可看出，模糊控制輸出曲線超調(diào)量明顯減小，快速性也明顯提高，穩(wěn)定性增加，調(diào)節(jié)時間縮短，魯棒性提高，干擾和參數(shù)變化對控制效果的影響被大大減弱，大大改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。

通過模糊控制的啟發(fā)性的知識及語言決策規(guī)則設(shè)計，有利于模擬節(jié)氣門人工控制的過程和方法，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力，使之具有一定的智能水平。

圖7為采用模糊控制算法時，節(jié)氣門對階躍信號的響應(yīng)曲線，從圖中可以看出，系統(tǒng)不存在超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)誤差較大，且和階躍量成正比，最大可達(dá) 5%。系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢，上升時間可達(dá)300ms。由此可見采用模糊控制算法時，系統(tǒng)對階躍輸入不能實現(xiàn)太好的跟蹤，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

圖8為采用模糊控制時，節(jié)氣門對正弦信號的響應(yīng)曲線，從圖中可以看出，系統(tǒng)沒有超調(diào)量，最大延遲為200ms左右，沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的延遲和穩(wěn)態(tài)誤差，因此系統(tǒng)比較穩(wěn)定。

4　結(jié)論

（1）以階躍信號作為系統(tǒng)輸入，模糊控制的響應(yīng)曲線幾乎不存在超調(diào)量，但響應(yīng)曲線的上升時間比較長，并且存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差。

（2）以正弦信號作為系統(tǒng)輸入，模糊控制的跟蹤信號稍微落后于給定的輸入信號,存在一定的延遲，但沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的延遲和穩(wěn)態(tài)誤差。

（3）模糊控制輸出曲線超調(diào)量明顯減小，快速性也明顯提高，穩(wěn)定性增加，調(diào)節(jié)時間縮短，魯棒性提高，干擾和參數(shù)變化對控制效果的影響被大大減弱，大大改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。但模糊控制策略在響應(yīng)時間和控制精度都比較差，可能是選取的模糊子集范圍太小、對隸屬分布函數(shù)選得不夠精確造成的，需要在這方面加以改進(jìn),尤其是模糊控制規(guī)則的制定；或者結(jié)合PID與模糊控制兩種思想實現(xiàn)對電子節(jié)氣門更精確的控制。

[1] 羅欽.智能電子節(jié)氣門控制策略研究[D].重慶交通大學(xué),2016.

[2] 劉奇.汽油發(fā)動機(jī)電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011

[3] 馮鎮(zhèn),肖壽高,焦磊.電子節(jié)氣門控制策略仿真研究[J].計算機(jī)工程與設(shè)計,2012,33(04):1665-1669.

[4] 陳劍.汽油機(jī)電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)設(shè)計與控制方法研究[D].長安大學(xué),2011.

[5] 侯麗春.某型電子節(jié)氣門 PID 模糊控制系統(tǒng)仿真分析[J].汽車技術(shù),2015(11):44-46+51.

[6] 文愛民,刁秀永,高強(qiáng). 搭建試驗平臺研究電子節(jié)氣門控制策略[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報,2015,36（5）：180-184.

[7] B.Ashok,S.Denis Ashok,C.Ramesh Kumar.Trends and future perspec-tives of electronic throttle control system in a spark ignition engine[J]. Annual Reviews in Control,2017,44:97-115.