基于扰动力矩观测器的电子节气门控制.pdfVIP

第 20卷 第 4期 广 西 工 学 院学 报 V01．20 No．4 2009年 12月 JOURNAIOFGUANGXIUNIVERSITYOFTECI-LNOLOGY Dec．2009 文章编号 1004—6410 (2009)04—0080。07 基于扰动力矩观测器的电子节气 门控制 何基都，张洪涛，张彦会 (广西工学院 汽车工程系，广西 柳州 545006) 摘 要：通过介绍汽车电子节气门控制系统的工作原理及其组成 ，以及对系统的非线性因素分析，建立其数学模型， 设计出数字PID控制器和扰动力矩补偿器 ，并在matlab／simulink中进行了仿真，对仿真结果分析得出：基于数字PID 控制器的控制精度较差，并且容易产生超调；基于扰动力矩观测器的PID控制器具有较好的跟踪性，可以较好地满 足控制要求． 关 键 词 ：电子节气门；数学模型；非线性；扰动力矩补偿器 中图分类号：U464．134 文献标识码 ：A 0 前言 电子节气门系统通过采用传感器、执行器及电控单元(ECU)代替机械式节气门的机械传动机构．它能 根据驾驶员的需求愿望、排放、油耗和整车行驶状况，实现发动机空燃比的精确控制，从而改善驾驶安全性和 乘坐舒适性 1【J．目前，电子节气门是新型电控发动机的关键部件 ，同时也是实现发动机完全电控化的一个重 要模块 ．但在电子节气门系统的机械结构部分存在着系统固有的非线性和时变性，影响了节气门开度的快速 精确控制的实现 J．其中，在非线性因素中，复位弹簧非线性的影响最大，非线性摩擦力的影响次之，最后是 齿隙非线性的影响．本文将非线性摩擦力及其它的非线性影响看作扰动，针对扰动问题，设计了一种基于扰 动力矩观测器的PID控制器，可以补偿系统扰动，达到精确控制节气 门开度的目的． 1 电子节气门控制系统工作原理及组成 电子节气门控制系统(ElectronicThrottleControlSystem，ETCS)是一种柔性控制系统(如图1所示)，采 用电机来控制节气门的开度位置，油门踏板带动一个位置传感器，将油门踏板移动量转化为一个 电压信号， 同时，节气门位置传感器也将节气门的实际开度转化为另一个电压信号，这两个电压信号同时被送入ECU， ECU经过分析判断之后控制节气门驱动电机，如果两个电压信号不相等，说明节气门的实际开度没有达到 期望的开度，因此，ECU发出一个控制信号，控制节气门驱动电机正转或反转，直到两个 电压信号的偏差为 零为止，从而达到准确控制节气门开度的目的3J． 图1 电子节气门控制系统简图 收稿 日期：2009一l0—11 基金项 目：广西自然科学基金项 目(桂科 资助． 作者简介：何基都(1982一)，男 ，广西来宾人，广西工学院汽车工程系研究生． 通信作者：张洪涛(1961一)，男 ，广西柳州人，广西工学院汽车工程系副教授． 第4期 何基都等 ：基于扰动力矩观测器的电子节气门控制 81 该系统主要由油门踏板、油门踏板位置传感器、ECU(电控单元)和电子节气门体等部分组成．其中，油 门踏板位置传感器用来体现驾驶员的控制意图；节气门位置传感器用来检测节气门开度信号，使 ECU判别 发动机工况和负荷，即给控制系统提供反馈控制信号；ECU包括信息处理模块和电机驱动电路模块：信息处 理模块接受来 自油门踏板位置传感器的电压信号，经过处理后得到节气门的最佳开度，并把相应的电压信号 发送到电机驱动电路模块，而电机驱动电路模块接受来 自信息处理模块的信号，控制电机转动相应的角度， 使节气门达到或保持相应的开度 ；执行器包括减速机构和执行电机，通常采用步进电机或脉宽调制控制的直 流电机来控制执行电机 ． 2 电子节气门非线性因素分析 电子节气门系统是一个非线性时变系统，在系统的机械结构中存在三类非线性因素影响着 电子节气门 系统的精确控制． 1)非线性摩擦力 节气门阀在运动过程中会同时受到粘性摩擦力矩和库仑摩擦力矩的作用，在动态过程中造成摩擦力变 化的不稳定-4J．非线性摩擦力矩可以用下式表示