電子節氣門非線性控制策略

王魏　于洪濤　劉少飛　孫志超　白洋

摘 要：電子節氣門控制（ETC）目的是提供穩健、精準的節氣門閥片位置。此控制策略由參數自適應PID控制器和摩擦力補償、跛行位置等非線性補償組成，試驗證明電子節氣門非線性策略具有較高的穩態精度，優良的跟蹤性能和較好的魯棒性。

關鍵詞：電子節氣門；前饋控制；非線性；自適應；魯棒性

中圖分類號：TK 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2016）05-0050-05

Abstract： The aim of electronic throttle control strategy is to provide robust and precise positioning of the throttle plate. The control strategy consists of an adaptive PID controller and a nonlinear compensator of friction and limp-home. Experiment verified that the nonlinear control strategy has the high steady-state precision， good tracking response and better robustness.

Key Words： Electronic throttle； Feedforward； Nonlinear； Adaptive； Robustness

1 前言

電子節氣門是發動機管理系統（EMS）中非常重要的裝置，通過節氣門閥片位置調節流入燃燒室的新鮮空氣質量。電子節氣門靠直流伺服電機驅動，目的是提供穩健、精準的閥片位置（圖1），提升燃油經濟性，改善車輛排放，提高駕駛性能。相比傳統的直流伺服電機驅動，電子節氣門包含一些特殊的設計特性，比如，缺少內部電流控制環路，使用電位計作為位置傳感器，有兩個強勁的復位彈簧會在跛行位置產生非線性作用力，電子節氣門驅動時摩擦力會影響電子節氣門的性能。

電子節氣門控制系統的主要需求是在任一參考點，任何幅值的非周期階躍信號激勵下，皆滿足系統響應無超調，響應時間小于100ms，穩態誤差范圍在±0.075度內。同時要求控制系統具備較強的魯棒性，有能力處理由于產品生產偏差造成的參數變化，或者因外部環境（溫度、老化）產生的變化，并且要求控制策略具有簡單的結構。

為了滿足以上需求設計電子節氣門非線性控制策略，圖1為控制策略原理圖，其控制策略分為四層[1-2]，基礎控制由PID控制器、前饋控制和電池電壓增益組成，自適應由參數部分和參數自動轉換部分組成，本文只對非線性策略對小階躍信號的改善進行分析。

2 過程模型

過程模型[3-5]包括PWM發生器（H橋）和電子節氣門體兩部分，如圖1所示。圖2為節氣門體的過程模型，包括直流電機的線性模型和非線性模型Fm（ω）（圖2虛框中所示）：摩擦力模型Tsp（θ） 和雙復位彈簧（過跛行位置） 。

PID控制器能有效地保證電子節氣門的響應，然而到達小階躍信號（偏差較小時）節氣門響應會發生嚴重的惡化，此原因取決于跛行回家位和摩擦力的非線性影響。

2.1 摩擦力影響補償

摩擦力矩包括粘性摩擦力矩和庫侖摩擦力矩，其中庫侖摩擦屬于靜摩擦，而粘性摩擦屬于動摩擦。粘性摩擦力矩與節氣門閥片的轉速大小有關，方向與轉動方向相反；庫侖摩擦力矩則與節氣門閥片運動方向有關，方向亦與其相反[6-7]，以下公式為摩擦力數學模型，對應的過程模型如圖2所示。

（2-1）

動態摩擦力和靜態摩擦力的影響在系統隨期望值調節過程中會產生相當程度的延遲，此影響難以控制，尤其是期望值在小范圍變化時，會很大程度影響系統控制精度，如圖4所示：

圖4為基于偏差的摩擦力影響的動態補償，其中 為滑動摩擦力補償的偏差限值， 靜態摩擦力補償的偏差限值，ETC_StatFricActv_s16_D為滑動摩擦力補償的速度限值， 為靜態摩擦力補償占空比， 為滑動摩擦力積分系數。

圖3所示，摩擦力影響的動態補償以額外的占空比作為預控值（前饋控制），其中靜態摩擦力補償以占空比常數作為預控值，滑動摩擦力補償以常數積分值作為預控值。當偏差絕對值大于 或落入 范圍時，摩擦力補償值為0，當偏差絕對值大于 時，靜態摩擦補償起作用，當偏差的速度落入 范圍時，滑動摩擦力動態補償起作用。

2.1.1 實驗數據分析

輸入小階躍測試信號，進行PIL測試，并用INCA采集數據。圖4表明系統響應有較大的延遲且在穩定狀態存在較大誤差，在階躍信號處占空比有較大波動且存在噪音干擾。反之圖6為帶有摩擦力補償的小階躍信號響應無超調，延遲時間短，穩態精度高，輸出占空比波動范圍小，較為集中，表明帶有摩擦力非線性動態補償的控制策略具有優秀的跟蹤性能，和較強的抗噪音能力。

2.2 過跛行回家位的非線性影響

節氣門閥片過平衡位置（跛行位置）會受到彈簧扭矩系數為 和 兩個彈簧力矩非線性作用，如圖2過程模型所示，尤其是在小階躍信號時其響應會有相當大的延遲如圖7所示：

輸入過跛行位置的階躍測試信號，并用INCA采集數據，圖7-a為未帶有跛行位置非線性補償其階躍響應在接近期望值時有較大延遲，圖8-b為帶有跛行位置非線性補償，其階躍響應延遲較小，表明經跛行位置非線性補償后系統更近似線性系統。

2.3 系統性能分析

綜上所述改善后系統小開度階躍響應的響應時間和震蕩時間，較改善前有明顯提升，改善前小階躍相應的超調量出現不確定性，而改善后系統的超調量為0%，如表2所示。穩態精度改善后較改善前有明顯提高，體現出較好的跟蹤性能。

3 結論

試驗證明摩擦力非線性動態補償和跛行位置非線性補償模型作為前饋控制能夠有效改善小階躍信號運行模式的性能，提升系統穩態精度和跟蹤性能，提升系統魯棒性， 增強系統的耐久性，使系統更接近于線性系統。

進一步說明對被控對象進行PID精確控制需要對被控對象的細節進行了解和分析。

參考文獻：

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