基于Simulink的電子節氣門控制策略開發

摘要：針對車用電子節氣門的非線性特征，提出了帶復位彈簧和摩擦補償器的PID控制策略。先分析電子節氣門的物理特性，根據此特性使用Simulink建立了物理模型和控制策略模型，并進行模型仿真和參數初步整定，然后使用Simulink的Embedded-Coder工具將控制策略模型自動生成C代碼，集成到自主開發的ECU中，最后在硬件在環仿真系統和實際車輛上對控制代碼進行實際驗證，結果表明該控制策略可以取得良好的動態控制效果，滿足實際車輛的要求。

關鍵詞：電子節氣門；Simulink；控制策略；自動代碼生成

中圖分類號：U464.149 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）06-0014-05

Development of Electronic Throttle Control Strategy by Using Simulink

LI Ru-long，CHEN Wei-fang，ZHANG Fan-wu

（Dongfeng Motor Corporation Technical Center，Wuhan 430058，China）

Abstract：In this paper we present a PID controller with limp-home spring and friction torque compensator in response to the nonlinear characteristic of the electronic throttle body. At first the physical characteristic of the throttle body is analyzed and the electronic throttle model and the PID control model are established. Based on the simulation result using the two models，the control parameters of the strategy are fixed. Then the control model is transformed to C code automatically using the Simulink Embedded-Coder toolbox. The throttle control code is integrated and burned into ECU. Through Hard-Ware-Inloop simulation and the real vehicle test，the above control strategy is manifested to have good dynamic performance of throttle control，and can be used to the vehicle.

Key Words：electronic throttle；simulink；control strategy；automatic code generation

現代發動機廣泛采用電子節氣門進行進氣量控制。快速并精確地對電子節氣門實施控制影響到發動機能否達到法規要求，同時也可以改善燃油經濟性能和車輛駕駛性能，是一項非常重要的技術［1-2］。

電子節氣門體的機械部件主要由執行電機、節氣門閥體、減速齒輪組成，其中直流電機一般采用脈寬調制（PWM）技術和H橋電路進行驅動。電子節氣門在工作過程中，受到電機驅動力矩、彈簧復位扭矩、阻尼力矩、粘性摩擦扭矩以及進氣擾流等因素的共同作用，具有很強的非線性特征。非線性系統的控制策略主要有PID控制、滑模控制以及模糊控制等［1-7］。但是目前在汽車中有成熟應用的仍然為PID控制［1-4］。本文在自主ECU開發的背景下，選擇了帶前饋控制的PID控制策略。電子節氣門控制系統原理圖如圖1所示。

本文先對電子節氣門的物理特性進行分析，在此基礎上使用Simulink對被控對象進行建模，并設計了控制策略模型。通過控制策略模型與被控對象的聯合仿真，驗證上述控制策略的可行性，同時對PID控制參數進行了初步的整定。最后本文使用Simulink的Embedded-Coder工具箱對上述控制策略進行自動代碼生成，將生成的代碼集成到自主開發的ECU中，通過在實際發動機上的控制效果對控制策略進行最終的驗證。

1 電子節氣門系統數學模型

電子節氣門主要受電機驅動力矩、彈簧復位力矩和摩擦阻力的作用，特別是彈簧復位力矩和摩擦阻力具有明顯的非線性特征。下面分別進行描述。

1.1 電機驅動力矩

根據基爾霍夫定律，可以建立直流電機的方程：

式中：Ra為電樞電阻；Rr為電源內阻；L為電樞電感；u為電樞電壓；?棕為電機角速度；N為減速比；Kt為電機扭矩系數。

由于磁場是恒定的，電磁力矩Ta與電樞電流ia成正比：

1.2 彈簧復位力矩

為了保證在電子節氣門供電出現故障之后發動機依然能運轉，電子節氣門有一個10%左右的初始位置，當節氣門閥片偏離初始位置時，都將受到一個反向的作用力。

式中：Ks為彈簧的扭轉剛度；?茲為節氣門盤片轉角；?茲0為節氣門盤片處于自然狀態時的節氣門轉角；Ts0為節氣門盤片處于自然狀態時的彈簧預緊扭矩。

1.3 摩擦阻力矩

節氣門盤片在克服了庫倫摩擦（靜摩擦）阻力之后才能轉動，而在轉動的過程中要克服粘滯摩擦阻力。庫倫摩擦為一定值，符號與轉速相反；而粘滯摩擦與節氣門盤片的角速度成比例。總的摩擦力矩如下式：

式中：?滋d為粘滯摩擦系數；Tf0為庫侖摩擦力矩；為節氣門盤片的轉速。

1.4 運動學模型

根據動力學原理可知節氣門系統的力學方程為：

式中：J為節氣門軸上的總轉動慣量。

2 Simulink建模與仿真

2.1 電子節氣門物理建模

根據上文對電子節氣門特性的描述，可以使用Simulink進行被控對象建模，主要有兩種方法，一種是使用上述數學模型進行數學建模，第二種是采用Simscape工具箱對電子節氣門進行物理建模。本文采用第二種方法，結果如圖2所示。模型輸入參數為供電電壓，輸出為電子節氣門百分比開度。電壓驅動直流電機，經過齒輪變速后克服彈簧復位力矩、摩擦力矩，最終驅動節氣門閥片，模型中還考慮了阻尼和轉動慣量的因素。可以看出，采用Simscape進行物理建模與普通數學建模相比更加直觀，在不完全了解系統微分方程的情況下也能進行系統建模。

2.2 電子節氣門控制模型的設計

在PID控制的基礎上，本文增加了克服彈簧復位力矩和庫倫摩擦扭矩的分量，以加快電子節氣門的響應速度，對應的Simulink控制模型如圖3所示。輸入參數為當前節氣門開度（?茲cur）、目標節氣門開度（?茲des）以及節氣門自然開度（?茲0），輸出為控制電壓，該控制電壓經過轉換后以PWM波形式輸出，本文對驅動部分不進行詳細闡述。

對于PID控制，特別需要注意I相和D相復位的條件。如電子節氣門在接近目標位置時，為了避免閥片出現晃動的現象，需要將積分暫時停止，同時將D相暫時禁止。

2.3 模型在環仿真分析

本文將上述物理模型和控制模型進行聯合仿真。在仿真的過程中通過調整各個控制參數，并分析模型的輸出結果，最終確定控制參數的合理范圍。

圖4為電子節氣門從0～60%開度的階躍響應仿真結果，節氣門響應時間0.15秒，超調量0.5%。從仿真結果可以看出，本文提出的控制策略具有很好的動態響應特性。

3 代碼生成及控制功能測試

3.1 自動代碼生成

隨著汽車控制器數量、功能的不斷龐大，包括BOSCH在內的很多公司都已經逐步在開始采用自動代碼生成技術來提高軟件開發的效率。本文采用Simulink的RTW Embedded Coder工具箱進行自動代碼生成。

由于目前多數單片機進行浮點數運算速度相比定點數運算較慢，因此在進行自動代碼生成之前需要將上述建立的浮點數模型轉化成定點數模型。在進行自動代碼生成的過程中，Simulink還提供很多對代碼可讀性和安全性的設置，確保能生成高質量的代碼。

將自動生成的C代碼集成到自主開發的ECU中就可以進行電子節氣門的控制。另外，Simulink在生成C代碼的同時，還可以生成符合ASAP2標準的a2l標定文件，結合該文件，標定軟件INCA可以實時獲取ECU中的變量信息，并進行控制參數的標定，從而得到合適的控制參數。

3.2 硬件在環仿真

為驗證本文所提出的控制策略對電子節氣門的動態控制效果，本文將自主開發的ECU和美國德爾福公司的節氣門組成一個硬件在環仿真系統，如圖5所示。由于實際節氣門和上述建立的物理模型會有一定差異，需要使用INCA對控制參數進行進一步標定調整。

圖6為電子節氣門從全關狀態階躍到60%開度時的響應曲線，響應時間為0.20s，超調量為1%，此結果與模型在環仿真結果相當。圖7為電子節氣門隨目標開度逐步變化的跟隨響應特性，由圖可以看出，實際節氣門開度能快速跟隨目標開度，具有良好的動態跟隨性能。

3.3 實際車輛驗證

由于本文的研究是自主ECU開發項目中的一個環節，因此需要將節氣門控制策略最終應用到實際的車輛中。本文將集成后的控制策略代碼下載到自主開發的ECU中在實際車輛上對控制效果進行了最終的驗證。圖8為整車測試循環中的電子節氣門響應特性曲線的一部分。由圖可以看出在實際車輛上電子節氣門能快速跟隨需求變化，滿足實際車輛的要求。

4 結論

使用帶復位彈簧和摩擦補償器的PID控制策略能夠取得較好的動態響應特性，通過仿真和實際應用證明該控制策略滿足實際車輛對電子節氣門控制的需求；另外Simulink工具能完成被控對象建模、控制系統建模、模型仿真、自動代碼生成等一系列的工作，能有效協助進行控制策略開發和工程應用。

參考文獻：

［1］ Salem AI-Assadi，Jens Breitinger and Nathan Murphy. Model-Based Friction and Limp Home Compensation in Electronic Throttle Control. SAE Paper 2006-01-0857.

［2］ Josko Deur，Danijel Pavkovi and Nedjeljko Peri. An Adaptive Nonlinear Strategy of Electronic Throttle Control. SAE Paper 2004-01-0897.

［3］ Salem AI-Assadi，Jens Breitinger and Nathan Murphy. Tuning An Electronic Throttle Controllers Using Computer-Aided Calibration Method．SAE Paper 2006-01-0307.

［4］ Chang Yang. Model-Based Analysis and Tuning of Electronic Throttle Controllers. SAE Paper 2004-01-0524.

［5］ 張亞明，張逢春，楊良會. 混合動力車電子節氣門控制研究［J］. 北京理工大學學報，2009，10.

［6］ 張帥，孫仁云，單玉梅. 基于滑模控制的發動機電子節氣門研究［J］. 科學技術與工程，2009，11.

［7］ 趙寧，呂建超，牛秦玉. 電子節氣門模糊自適應調節滑膜控制及仿真［J］. 計算機仿真，2010，4.