電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)設計與仿真分析

俞涵青

（福建船政交通職業(yè)學院，福州 350007）

電子節(jié)氣門是機械發(fā)動機的核心部件，將其與控制系統(tǒng)實現(xiàn)通信連接后，能夠?qū)崿F(xiàn)多種控制功能，從而提升機械運行性能，相較于傳統(tǒng)的機械連接方式，電子節(jié)氣門系統(tǒng)更加簡單，便于操作，而且能夠?qū)刂葡到y(tǒng)運行狀態(tài)進行監(jiān)控，具有較好的應用價值。

1 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)設計

針對電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的設計，控制器是核心，主要負責采集和處理輸入信號，并采用特定的算法，在微處理器的分析計算后得到最終的控制量，再將控制量傳輸至執(zhí)行器，從而完成控制任務及操作。為實現(xiàn)電子節(jié)氣門的控制功能，需要對裝置的硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)進行設計。

1.1 電子節(jié)氣門控制器硬件設計

控制器硬件設計要求具體為：控制器采集機械拉桿位置→通過傳感器輸入信號→節(jié)氣門位置傳感器反饋信號→分析輸入信號及反饋信號→快速調(diào)節(jié)節(jié)氣門電機轉(zhuǎn)速→減速機構(gòu)將扭矩傳到節(jié)氣門轉(zhuǎn)軸→配合復位彈簧的作用→控制節(jié)氣門閥片的轉(zhuǎn)角。為了提升機械控制系統(tǒng)性能，控制器的硬件需設計4 路信號采集電路、電機控制電路、故障報警電路和電源電路，并且配合1 臺微型計算機進行數(shù)據(jù)的計算分析，微型計算機是控制器的核心，主要進行信號采集，并發(fā)出電機控制信號及故障報警信號。

1.1.1 信號采集電路

1）結(jié)合節(jié)氣門控制系統(tǒng)應用要求，本文的設計中選用了BOSCH（F011200Y015）型號的電子節(jié)氣門。

2）傳感器部分應用冗余設計，在標定后確定為線性電位計，因此兩路信號的和是一個常數(shù)。

3）機械拉桿開關也應用以上設計方法。

4）4 路信號均為模擬信號（電壓信號），在操作中需提升信號獲取的準確度，因此對信號采集電路中的4 路信號需進行濾波處理，采用RC 濾波電路對4 路信號進行高頻干擾成分的過濾，再將4 路信號分別接入到Atmegal16L 上的PA0、PA1、PA2 和PA3 引腳上。

5）對濾波后的數(shù)字信號進行整形、去耦處理。

6）安裝A/D 轉(zhuǎn)化器，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，進一步傳輸至微控制單元（MCU）處，進行下一步處理[1]。

1.1.2 電機驅(qū)動電路

1）驅(qū)動電機采用L298 芯片，封裝形式設計為直插式，能夠同時驅(qū)動2 臺電機。

2）驅(qū)動電機安裝完成后進行正反轉(zhuǎn)及調(diào)速測試，將工作電壓設置為36 V，輸出電流設置為3.5 A。

3）在驅(qū)動電機處安裝4 個單片機IO 口，為驅(qū)動指令提供信號。

4）將使能信號ENA 及ENB 接入控制使能端，從而控制電機的停止及轉(zhuǎn)動。

5）運用驅(qū)動電路中的5、7、10 和12 腳來控制電機正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)，將使能信號ENA 接入Atmegal16L 的PD7 引腳上，并將IN1 及IN2 分別接入到PD4 及PD5引腳上，如圖1 所示。

圖1 電機驅(qū)動電路圖

1.1.3 串口通信電路設計

機械控制器的控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信采用的是RS232 串口通信標準，并采用MAX232 進行上機位與下機位之間的電平轉(zhuǎn)化，這種通信協(xié)議設計安裝及操作環(huán)節(jié)簡單可靠，應用價值較高。

1.1.4 MCU 設計

微控制單元（MCU）為控制器的核心元件，配合機械使用性能，本文選擇了8 位的AVR 單片機，型號為Atmegal16L，具有較高的性價比；模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）為8 路10 位，脈沖寬度調(diào)制（PWM）為4 通道，工作額定電壓設計為2.7～5.5 V，配合安裝2 個8 位定時計數(shù)器及1 個16 位定時計數(shù)器；硬件系統(tǒng)中一般指令執(zhí)行時間設定為1 個時鐘的周期，系統(tǒng)能夠運用ISP 進行軟件編程及下載操作，能夠滿足數(shù)據(jù)存儲容量大、程序非易失性等要求；單片機的設計需滿足最小系統(tǒng)要求，即能夠包含復位電路、晶振電路、電源電路及A/D 轉(zhuǎn)換濾波電路[2]。

1.2 電子節(jié)氣門控制器軟件設計

本文設計的機械電子節(jié)氣門軟件控制系統(tǒng)中的AVR 單片機采用C 語言編程，并采用ICCAVR 編譯環(huán)境開發(fā)軟件。在設計中需注意提升節(jié)氣門閥片的響應能力，要能夠根據(jù)系統(tǒng)指令進行調(diào)節(jié)，并且具備一定的外界抗干擾能力，采用控制算法及濾波算法，對閉環(huán)反饋控制及程序結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，實現(xiàn)主程序與各個子程序之間的快速通信，從而分析及評估控制效果，提升軟件系統(tǒng)的操作性能。

1.2.1 系統(tǒng)主程序設計

結(jié)合硬件系統(tǒng)功能要求及電路結(jié)構(gòu)來編寫系統(tǒng)軟件程序，軟件系統(tǒng)包含主程序及應用子程序，其中主程序包括初始化部分及循環(huán)部分，而初始化部分主要包含常量初始化、I/O 端口初始化、定時器0 和定時器2初始化、ADC 初始化、串口初始化及控制參數(shù)初始化；循環(huán)部分主要包括中斷服務子程序、PWM 子程序、故障診斷子程序、控制算法子程序、串行通信子程序及角度計算子程序。

1.2.2 系統(tǒng)子程序設計

1）PWM 子程序。該子程序是利用脈沖寬度調(diào)制來指揮電子節(jié)氣門，從而控制電機的調(diào)速，在設計時需將電機電樞上的脈沖電壓頻率設定為固定值，通過不斷調(diào)節(jié)脈沖寬度來控制電機轉(zhuǎn)速。結(jié)合Atmegal16L 型號單片機+定時器+計數(shù)器的硬件組合，需在軟件設計中對TC2 進行參數(shù)設置，進而得出頻率及占空比任意的PWM 波。PWM 頻率可以通過電機調(diào)速來控制，在設計過程中將頻率固定為1 kHz，在改變控制量后，可以相應地改變占空比，因此用PWM 表示占空比。

2）數(shù)據(jù)采集子程序。結(jié)合信號采集電路結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)總共需要采集4 路模擬信號，由于Atmegal16L 單片機內(nèi)配備有8 路A/D 轉(zhuǎn)換電路，因此可在單片機PA 口處直接接入節(jié)氣門處傳感器信號（TPS）及操作桿處傳感器信號（PPS）。單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換器選擇單端電壓輸入方式，其轉(zhuǎn)換精度有10 位，能夠滿足機械控制需求，此環(huán)節(jié)需注意單端輸入方式能夠同時采集4 路模擬信號，因此需配置多路選擇器（ADMUX），再對各路信息進行輪流采集；模擬信號采集完畢后通過定時器/計數(shù)器TC0 來對比配比中斷，將合適的信號源通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為觸發(fā)源。

3）PID 控制子程序設計。該子程序在運行時，對系統(tǒng)的被控量進行實際測量，得出數(shù)值后對比設定量，如果存在偏差，進一步通過偏差的比例、積分、微分計算得出被控對象的控制量，其中控制器輸出與輸入關系公式為

式中：Kp表示比例系數(shù)；Ti表示積分時間常數(shù)；Td表示微分時間常數(shù)；e（t）表示將節(jié)氣門實際開度與期望開度做差值得到的角度偏差，p、i、d 表示控制器規(guī)律選項，其中p 為比例控制規(guī)律，i 為比例積分控制規(guī)律，d為比例微分控制規(guī)律。單片機控制前需進行采樣，通過對公式（1）的離散化處理，得出離散化PID 公式為

對公式（2）進行增量推導得出增量式的PID 公式為

PID 控制子程序設計需對比例、積分、微分3 個參數(shù)進行調(diào)節(jié)設定，3 個參數(shù)之間相互制約并影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此需要在不斷調(diào)節(jié)的過程中進行優(yōu)化，具體參數(shù)調(diào)節(jié)方式見表1。

表1 PID 參數(shù)調(diào)節(jié)表

4）滑模變結(jié)構(gòu)控制子程序。該控制程序需要結(jié)合機械設備狀態(tài)方程、切換函數(shù)及指數(shù)趨近率進行系統(tǒng)設計，采集系統(tǒng)程序中的節(jié)氣門開度參數(shù)，并計算出開度偏差、節(jié)氣門角速度、拉桿角速度、開度偏差變化率、控制器加速度、摩擦力和彈簧力，在此基礎上求出切換函數(shù)，并進一步計算控制量，得出控制電壓，如符合設定參數(shù)，則滑模變結(jié)構(gòu)控制子程序設計合理。

5）傳感器故障診斷子程序。傳感器采用電位計式冗余設計模式，其中2 個節(jié)氣門處的傳感器輸出電壓之和為常數(shù)5 V，2 個機械開關控制桿處的傳感器輸出電壓比值為常數(shù)2，由此可知傳感器輸出電壓不為0，而且供電電壓為5 V，2 處傳感器實現(xiàn)了互相監(jiān)測的目的，能夠進行傳感器故障診斷，提高軟件系統(tǒng)運行的可靠性[3]。

2 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的仿真分析

2.1 仿真試驗設計

本設計的仿真試驗環(huán)節(jié)采用Matlab/Simulink 進行電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)建模，先建立ETC（電控系統(tǒng)）總體仿真模型，對其響應速度及控制精度進行測定，并結(jié)合機械設備運行情況設計出動態(tài)特性指標如下。

2.1.1 最大超調(diào)量

當節(jié)氣門開度在96%時，動態(tài)曲線最大值處的減穩(wěn)態(tài)值存在的誤差要小于6%。

2.1.2 上升時間對動態(tài)曲線的初始值到穩(wěn)態(tài)值進行計時，占90%比例的運行時間要在100 ms 以內(nèi)。

2.1.3 調(diào)整時間

整個運行過程中動態(tài)曲線的誤差需控制在300 ms以內(nèi)。

2.1.4 穩(wěn)態(tài)誤差

當動態(tài)曲線達到穩(wěn)定狀態(tài)后，進行計算，應用（實際轉(zhuǎn)角－目標轉(zhuǎn)角/期望開度值）公式得出最終百分比值，需控制在2%以內(nèi)[4]。

設定好動態(tài)性能指標后，通過仿真系統(tǒng)進行電子節(jié)氣門基礎數(shù)據(jù)測試，主要包括以下幾個方面：占空比（PWM）與節(jié)氣門處的傳感器輸出電壓、控制電機的平均電流、控制電機平均電壓U 的關系曲線和根據(jù)TPS及PPS 處信號繪制出階躍響應曲線，從而判斷電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的設計性能。

仿真測試開始前需要搭建試驗裝置，其中電位器給機械操作桿傳輸信號，單片機對電路采集電位器及節(jié)氣門處傳感器信號進行采集，應用控制算法對采集數(shù)據(jù)進行計算，得出控制量，通過電機驅(qū)動電路，帶動電機運轉(zhuǎn)，再帶動節(jié)氣門閥片轉(zhuǎn)動，直至符合設定的開度，再同步至操作桿轉(zhuǎn)角；單片機電路同時采集電位器及節(jié)氣門處傳感器信號，傳輸至串口通信電路后，最終達到PC 機，獲取給定信號及跟蹤信號后，處理分析數(shù)據(jù)，進行參數(shù)調(diào)節(jié)控制[5]。

2.2 仿真試驗結(jié)果分析

通過Matlab/Simulink 處理數(shù)據(jù)并繪制關系特征曲線及響應曲線，分別包括了占空比與節(jié)氣門處傳感器輸出電壓、與控制電機驅(qū)動電壓、與控制電機驅(qū)動電流的關系曲線，以及階躍響應曲線，如圖2—圖5 所示。

圖2 占空比與節(jié)氣門處傳感器輸出電壓關系曲線圖

結(jié)合圖2 分析可知，占空比與節(jié)氣門開度之間關系曲線變化不存在線性關系，輸出占空比在-40%～40%之間時，其輸出電壓維持在0.94 V，此時閥片角度在10°左右，當占空比達到40%以上時，閥片逐漸開啟，當數(shù)值達到70%時，輸出電壓接近最大額定值，為4.48 V，此時閥片開啟達到85°轉(zhuǎn)角，占空比在-100%～-60%之間時，表示節(jié)氣門完全關閉。

分析圖3，控制電機驅(qū)動電壓輸出與占空比呈正相關性，但是在原點處，增加占空比后電壓發(fā)生突變，這與OCR2 初始值設定有關，因此占空比為0，驅(qū)動電壓并不為0，但是不會影響控制系統(tǒng)驅(qū)動性能。

圖3 占空比與控制電機驅(qū)動電壓關系曲線圖

結(jié)合圖4 可知，占空比與控制電機驅(qū)動電流不存在線性關系，當占空比最大時，驅(qū)動電流達到2.9 A，這是由于驅(qū)動芯片滿負荷工作導致電流產(chǎn)生較大變化，因此需在機械運行過程中做好散熱措施。

圖4 占空比與控制電機驅(qū)動電流關系曲線圖

圖5 是通過PID 控制算法得出的階躍響應曲線，當轉(zhuǎn)角超調(diào)量在8%左右時，穩(wěn)態(tài)誤差為1.4%，上升時間用時90 ms，調(diào)整時間用時200 ms，符合最初設定的動態(tài)性能指標，因此控制系統(tǒng)設計性能良好，可以投入使用。

圖5 階躍響應曲線圖

3 結(jié)論

文章通過對電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的硬件及軟件結(jié)構(gòu)進行分析，在此基礎上搭建起仿真試驗裝置，取得系統(tǒng)測試結(jié)果后繪制相應的曲線關系圖，再對數(shù)據(jù)及曲線關系進行分析后可知，本文設計的電控系統(tǒng)能夠滿足機械系統(tǒng)運行要求。