汽車電子節(jié)氣門滑?？刂萍夹g(shù)研究

郭久一

(沈陽科技學(xué)院，遼寧沈陽 110167)

滑?？刂萍夹g(shù)是一種非線性結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，通過對控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，確定系統(tǒng)狀態(tài)和滑動(dòng)面的偏差結(jié)構(gòu)，讓控制過程滿足滑動(dòng)面規(guī)定[1]。本文對發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門角自適應(yīng)滑?？刂品椒ㄟM(jìn)行了研究。通過滑動(dòng)模態(tài)控制，節(jié)流閥可以直接機(jī)械地連接轉(zhuǎn)向裝置，從而取代傳統(tǒng)的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)前，直線傳動(dòng)系統(tǒng)主要用于重型設(shè)備，如推土機(jī)和農(nóng)業(yè)機(jī)械，將這些系統(tǒng)安裝到汽車上，需要有足夠安全可靠的機(jī)械連接，這種控制方法對控制參數(shù)的不確定有很強(qiáng)的魯棒性，可以用自適應(yīng)定律來估計(jì)節(jié)氣門體的庫侖摩擦力，使估計(jì)值趨于真值，可降低功耗控制。當(dāng)油門體摩擦超出正常范圍時(shí)，儀表會(huì)發(fā)出報(bào)警聲，提醒駕駛員。

1 汽車電子節(jié)氣門體

設(shè)計(jì)汽車電子節(jié)氣門，并在內(nèi)部設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)拋棄了傳統(tǒng)的機(jī)械式連接，采用了柔性控制方式。控制系統(tǒng)主要由油門踏板、油門體和電控單元三個(gè)模塊組成。駕駛踏板模塊是駕駛員向系統(tǒng)輸入信號的裝置；電子控制單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要用來處理踏板和油門傳感器的信號，計(jì)算電子油門的當(dāng)前工作狀態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)中的其他額定參數(shù)，向駕駛員發(fā)送控制信號；電子節(jié)氣門的作用不僅僅是旋轉(zhuǎn)節(jié)氣門，它還實(shí)時(shí)反饋節(jié)氣門的當(dāng)前位置。在電子加速器控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中：首先，當(dāng)駕駛員踩下油板后，利用傳感器實(shí)現(xiàn)電壓信號模擬，電子油門位置傳感器也測量實(shí)時(shí)模擬電壓信號B，然后，控制器將最后兩個(gè)模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號，由控制器計(jì)算出合適的燃油混合氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)間，最后，通過ECU 產(chǎn)生的PWM 控制直流電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，并將減速齒輪送至節(jié)氣門擋板，以保持相應(yīng)的開度[2]。

本文研究控制技術(shù)可將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩以一定的傳動(dòng)比傳遞到節(jié)流閥板上，從而降低轉(zhuǎn)速，增加轉(zhuǎn)矩，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)能更好地調(diào)節(jié)電子節(jié)流閥的開度。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括：驅(qū)動(dòng)輪、中間齒輪、扇齒等。但是齒輪之間必然存在一定的間隙，這也是影響系統(tǒng)非線性的一個(gè)因素，給系統(tǒng)控制增加了難度。

2 電子節(jié)氣門數(shù)學(xué)模型

在確定汽車電子節(jié)氣門體后，設(shè)計(jì)電子節(jié)氣門數(shù)學(xué)模型。電力節(jié)氣門使用的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)通常是直流馬達(dá)。對于直流電機(jī)的等效電路，線圈產(chǎn)生等效電阻和電感。研究發(fā)現(xiàn)，電樞阻抗以限流阻抗為主，電感阻抗以緩沖阻抗為主。兩者共同作用，使得電機(jī)的動(dòng)態(tài)平整度能得到很好地調(diào)節(jié)[3]。

該方法能有效地優(yōu)化等效電路，把它簡化，根據(jù)克里霍夫定律建立直流電機(jī)微分方程：

其中，Ra表示的是電樞繞組；Rr表示電源內(nèi)部產(chǎn)生的電阻；L 表示電樞產(chǎn)生的電感；i 表示產(chǎn)生的電流；N 表示由齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的減速比；kl表示規(guī)定的扭轉(zhuǎn)系數(shù)；w 表示電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度；u表示得到的真空比；E 表示電源產(chǎn)生的電壓。

在智能節(jié)氣門控制系統(tǒng)中，機(jī)械傳動(dòng)部分也是重要組成部分，因此需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。實(shí)踐證明，該機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動(dòng)部分與機(jī)械節(jié)流傳動(dòng)部分相吻合，各減速器把電動(dòng)機(jī)輸出的扭矩傳給節(jié)流閥。但是，在電機(jī)轉(zhuǎn)速過高時(shí)，為了更好地控制油門開度，必須降低一定的轉(zhuǎn)角[4]。

3 汽車電子節(jié)氣門滑?？刂萍夹g(shù)

通過電子節(jié)氣門控制模型實(shí)現(xiàn)控制，通過傳遞函數(shù)進(jìn)行線性穩(wěn)定系統(tǒng)傳輸，實(shí)現(xiàn)輸出控制。該控制方法較為成熟，利用頻率響應(yīng)法和根軌跡法分析了系統(tǒng)的輸入特性和輸出特性，建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。傳統(tǒng)控制理論中，用于綜合修正的修正網(wǎng)絡(luò)一般有：滯后修正網(wǎng)絡(luò)、超前修正網(wǎng)絡(luò)和滯后修正網(wǎng)絡(luò)，另外，PID 校正網(wǎng)絡(luò)在各種控制系統(tǒng)中也有廣泛的應(yīng)用。在狀態(tài)空間的基礎(chǔ)上，現(xiàn)代控制理論能夠通過狀態(tài)方程和輸出方程對系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行描述，利用時(shí)域分析實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)[5]。本系統(tǒng)可在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，為控制系統(tǒng)的進(jìn)一步開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。智能化控制理論是指使智能機(jī)器達(dá)到控制目標(biāo)而無需人工干預(yù)的控制技術(shù)。隨著被控制的汽車電子節(jié)氣門復(fù)雜度的提高，控制系統(tǒng)已經(jīng)從簡單線性轉(zhuǎn)化成非線性，這給建立其數(shù)學(xué)模型帶來很大困難，普通控制理論無法對其進(jìn)行分析和計(jì)算，這種系統(tǒng)的定量研究是十分必要的?；诮?jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)，結(jié)合定性分析，提出了難以建立精確數(shù)學(xué)模型的智能控制理論。在技術(shù)上進(jìn)行了深入地研究與開發(fā)。電氣控制節(jié)氣門模糊控制器的控制原理是：在對控制量進(jìn)行選擇時(shí)，要在最短的時(shí)間內(nèi)消除誤差，以穩(wěn)定的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)出發(fā)。利用輸出模糊量轉(zhuǎn)換量來解決模糊問題，設(shè)計(jì)模糊決策，當(dāng)存在模糊輸出變量時(shí)，需要根據(jù)模糊子集和隸屬函數(shù)度對控制變量進(jìn)行分析。對輸出的模糊子集進(jìn)行隸屬度定義，引入平均加權(quán)法將得到的模糊子集轉(zhuǎn)化成清晰子集，從而更好地發(fā)出信號。

在語言變量中，可以選擇語言變量的值，也可以選擇模糊子集：錯(cuò)誤語言變量e，錯(cuò)誤率會(huì)改變。用{NB, nano, NS, Ze, PS,PB}來控制數(shù)量語言變量u 的大小，其中包括u,負(fù)小，0，中，大}和其英文縮寫。一個(gè)函數(shù)語言變量的子集{NM, NS, ZE, PS,PM}使用均勻分布的敏感三角，Z 函數(shù)和S 函數(shù)分別用于語言變量{NB}和{PB}。

4 控制器仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本文提出的汽車電子節(jié)氣門滑?？刂萍夹g(shù)有效性，選用本文控制技術(shù)與傳統(tǒng)控制技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比。設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：工作電壓為200V，工作電流為150A，工作頻率為100Hz，操作系統(tǒng)為Windows10。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)，選用本文提出的控制技術(shù)和傳統(tǒng)控制技術(shù)同時(shí)對同一個(gè)汽車電子節(jié)氣閥門進(jìn)行控制，記錄控制時(shí)間、控制超調(diào)量、控制穩(wěn)態(tài)誤差。

得到的控制時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 控制時(shí)間表

根據(jù)上表可知，本文提出的汽車電子節(jié)氣門滑?？刂萍夹g(shù)控制消耗時(shí)間要少于傳統(tǒng)的控制技術(shù)消耗時(shí)間，本文提出的控制消耗時(shí)間能夠在更短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)控制，完成信息的處理。

控制超調(diào)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 控制超調(diào)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖1 可知，本文提出的控制超調(diào)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)控制技術(shù)的控制超調(diào)量。當(dāng)控制時(shí)間為0.05s 時(shí)，本文提出的控制技術(shù)控制超調(diào)量為67，傳統(tǒng)控制技術(shù)控制超調(diào)量為93；當(dāng)控制時(shí)間為0.1s 時(shí)，本文提出的控制技術(shù)控制超調(diào)量為69，傳統(tǒng)控制技術(shù)控制超調(diào)量為90；當(dāng)控制時(shí)間為0.15s 時(shí)，本文提出的控制技術(shù)控制超調(diào)量為66，傳統(tǒng)控制技術(shù)控制超調(diào)量為88；當(dāng)控制時(shí)間為0.2s 時(shí)，本文提出的控制技術(shù)控制超調(diào)量為71，傳統(tǒng)控制技術(shù)控制超調(diào)量為91；當(dāng)控制時(shí)間為0.25s 時(shí)，本文提出的控制技術(shù)控制超調(diào)量為70，傳統(tǒng)控制技術(shù)控制超調(diào)量為92，隨著時(shí)間的增加，此種方法呈線性關(guān)系。

由此可見，本文提出的控制技術(shù)控制誤差小于傳統(tǒng)控制技術(shù)的控制誤差。

通過對電子節(jié)流閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析，得出結(jié)論，汽車電子節(jié)氣門主要由直流電機(jī)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，在直流電機(jī)運(yùn)行至穩(wěn)態(tài)時(shí)，線性極化是其最顯著的特征，而在調(diào)速時(shí)，特征是非線性的。電動(dòng)節(jié)流閥的傳動(dòng)部分由彈簧、齒輪等多種零件組成。在工作過程中出現(xiàn)的彈簧非線性、間隙非線性、摩擦非線性等都是典型的非線性系統(tǒng)。為此，在進(jìn)行電子節(jié)氣門控制時(shí)，應(yīng)采用模糊自適應(yīng)PID 控制策略，以達(dá)到穩(wěn)定、快速的目的。通過模擬實(shí)驗(yàn)研究了三種控制效果。

雖然普通PID 控制易出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，但這種控制方法結(jié)構(gòu)簡單，尤其適用于硬件實(shí)現(xiàn)，滑膜變結(jié)構(gòu)控制，與PID 控制相比，超調(diào)量有較大提高。該系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)跟蹤性能，但是，換擋時(shí)抖動(dòng)比較嚴(yán)重，控制效果曲線的小故障問題也比較明顯。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的模糊自適應(yīng)PID 控制方法能夠更好地實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤，分析平滑的速度。所以，控制系統(tǒng)對汽車電子節(jié)流閥的快速響應(yīng)、平滑調(diào)速具有重要作用。

在此基礎(chǔ)上，模糊控制輸出曲線的超調(diào)量明顯減少，控制速度明顯提高，穩(wěn)定性得到改善，系統(tǒng)具有更好的動(dòng)態(tài)性能，雖然模糊控制策略效能感應(yīng)時(shí)間較長，控制精度較低，但是本文利用隸屬度重建的方法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，確?？刂平Y(jié)果的準(zhǔn)確性。

結(jié)束語

因?yàn)橄到y(tǒng)的輸入采用階躍信號，所以模糊控制的響應(yīng)曲線基本上沒有超調(diào)，但是上升時(shí)間很長，并且存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差。在輸入為正弦信號的情況下，通過模糊控制得到的跟蹤信號速度較慢，且存在時(shí)滯，但穩(wěn)態(tài)誤差較小。