電子節氣門模糊控制策略仿真試驗研究

許凌，魯楊，張蓉，遲英姿，張文慶

（1.南京工業大學浦江學院，江蘇 南京 211134；2.南京農業大學工學院，江蘇 南京 210031）

引言

節氣門是控制空氣進入發動機的一道可控閥門，其性能的好壞對汽車的動力性、燃油經濟性以及舒適性有很大的影響[1]。

由于電子節氣門系統存在的非線性特性包括非線性彈簧、非線性摩擦、減速齒輪間隙的非線性和進氣氣流對節氣門閥片的非線性作用等，以及一些傳感器在控制系統的不斷使用過程中存在的可靠性變差和機械磨損等問題。與傳統的機械節氣門不同，電子節氣門系統中會增加很多傳感器并且還需要裝備控制單元以及驅動電機，其造價要比機械式節氣門高出很多。在設計電子節氣門系統時因無法考慮到不同的駕駛者的駕駛習慣以及車輛的所有行駛情況，電子節氣門系統的設計還不夠個性化。因此，要通過控制節氣門閥片開度來實現進氣量的精確控制，必須要研究電子節氣門的控制，以提高發動機工作性能[2]。

本文提出了基于模糊控制的電子節氣門控制系統的研究和實現，旨在提高電子控制系統和其他系統的可結合性、操縱性、舒適性和穩定性。

1　電子節氣門及其標定

1.1　電子節氣門系統

電子節氣門系統取消了機械式節氣門的剛性連接，采用一種柔性控制方式，電子節氣門系統主要由加速踏板位置傳感器、電子節氣門體總成、電子節氣門控制單元等組成（圖1）。

圖1　電子節氣門系統結構簡圖

（1）加速踏板位置傳感器：加速踏板是反映駕駛員意圖的裝置，它的核心是兩個電位計式位置傳感器，其內部主要是一個根據位移量變化的可變電阻，電壓值變化范圍為 0V到5V之間。根據踏板位移量的多少轉化成不同的電壓信號并傳遞給電子控制單元（ECU）。不同于傳統節氣門，節氣門開度不再是由油門踏板直接控制。

（2）電子節氣門體總成：電子節氣門體由閥體、閥片、回拉彈簧、節氣門位置傳感器、傳動軸、傳動齒輪、電機等結構組成。

（3）電子節氣門控制單元(ECU)：ECU 是整個電子節氣門控制系統的核心。駕駛員的意圖經由 ECU 分析做出判斷，給驅動電機發出指令，由電機驅動節氣門閥片轉動，調節其開度變化。

1.2　電子節氣門的標定

采用 90C51RD+型號單片機進行電子節氣門開度的位置標定，ET2046芯片主要用來進行A/D轉換，采集與輸出數據，試驗中采用動態數碼管模塊主要是為了將采集到的節氣門傳感器數據值顯示在動態數碼管上方便讀數。

圖2　電子節氣門偏轉角度示意圖

試驗過程與步驟：標定過程利用單片機數碼管顯示出當時傳感器輸出的模擬量，通過對輸出模擬量的處理將其轉換為電壓值的大小。因傳感器輸出模擬量，經過單片機上模數轉換成數字量，寄存器是 12位的，計算機里面都是 0和 1兩種數字，5V除以2的12次方就是單位代表的電壓值，再乘以采集出來的數值就是電壓值。角度通過數學轉換計算出相應的角度。電子節氣門偏轉角度示意圖如圖2所示。

記錄出數碼管顯示模擬值并計算此時節氣門位置，根據數學關系轉換計算出對應開度夾角，節氣門位置傳感器輸出電壓與節氣門開度關系表如表1所示。

表1　節氣門位置傳感器輸出電壓與節氣門開度關系表

電子節氣門系統特性參數是建立電子節氣門體的仿真模型的基礎，對于電子節氣門硬件和軟件的設計也非常重要。電子節氣門系統需要標定的模塊包括節氣門位置傳感器與節氣門開度的關系曲線。節氣門位置傳感器輸出特性指節氣門位置傳感器輸出電壓隨節氣門開度的變化關系曲線[3]。擬合節氣門位置傳感器輸出特性曲線如圖3所示。其中擬合關系曲線表達式為：

圖3　節氣門位置傳感器輸出特性曲線

1.3　加速踏板位移量與傳感器電壓標定

在本試驗中，需要將加速踏板的位移量與加速踏板位置傳感器的輸出電壓值進行標定，利用電子節氣門試驗平臺、數據采集卡、裝有LabVIEW的計算機，將數據采集卡與踏板上的位置傳感器相連，之后將數據采集卡與計算機相連，在LabVIEW中設計簡單算法，讀取實時的傳感器輸出電壓值。

圖4　踏板角度與輸出電壓標定曲線

在試驗時，記錄踏板不同旋轉角度時所對應的輸出電壓，從而得到輸出電壓信號與踏板旋轉角度之間的關系曲線，關系曲線如圖4所示。

2　電子節氣門模糊控制器的設計

由于電子節氣門的機械系統存在著較強的非線性因素，驅動電機存在著磁滯性，因而在改變其轉動方向時有滯后性，使得電子節氣門的精確控制較為困難。因此選擇模糊算法作為控制策略。模糊控制以規則推理為核心，是建立在抽象水平上的控制，其最大特點是不需要控制對象的精確數學模型，特別適用于像電子節氣門和發動機怠速控制等這樣的非線性控制[4]。

2.1　電子節氣門模糊控制器設計

從電子節氣門數學模型可以看出，電子節氣門控制系統屬于二階系統，又由于一維模糊控制器具有動態性能不佳和多維模糊控制器控制規則復雜并難以實現。因此，選用二維模糊控制器進行電子節氣門控制，其結構如圖5所示。

圖5　二維控制結構簡圖

模糊控制器的輸入參量節氣門位置偏差 e(k)和位置偏差變化率ec(k)在第 k次采樣時刻有：

θd為電子節氣門系統的期望位置, 通過加速踏板位置傳感器信號電壓變化反映；θ為節氣門實際位置反饋, 通過節氣門位置傳感器的電壓來反映；誤差e及誤差變化率ec為模糊制器輸入變量；輸出參量u作為控制節氣門直流電機電壓的PWM占空比。

2.2　輸入、輸出模糊化過程

節氣門的位置誤差e實際變化范圍定義為[-0.1，0.1]，超過這個范圍的都把它當作邊界值來處理。誤差變化率ec的變化范圍為[-0.05，0.05]，u的范圍定義為[-1，1]。誤差語言變量e、誤差變化率語言變量ec和控制量語言變量U的論域等級均被定義為{?6，?5，?4，?3，?2，?1，0，1，2，3，4，5，6}。為了進行模糊化處理，須將輸入變量乘以相應的量化因子，然后將輸入變量從基本論域轉換到相應的模糊集的論域。誤差的量化因子及誤差變化的量化因子分別由下面兩個公式來確定，即：

由于模糊推理輸出的結果是一個模糊集合，電子節氣門系統只能接受一個精確量，而這個精確量只是模糊控制器輸出論域中的一個量或是論域中兩個元素之間的一個量，將它乘以比例因子，才能施加到電子節氣門控制系統上。控制量的比例因子為：

2.3　模糊推理

語言變量值的選取及語言變量論域上的模糊子集：誤差語言變量e、誤差變化率語言變量ec和控制量語言變量u的值均設定為｛負大，負中，負小，零，正小，正中，正大｝，用英文縮寫為{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝。語言變量模糊子集{ NM，NS，ZE，PS，PM}采用靈敏度較高的三角形函數,均勻分布,而語言變量{NB}和{PB}分別采用Z函數和S函數。

電子節氣門模糊控制器模糊控制規則：當誤差大或較大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主；而當誤差較小時，選擇控制量以系統的穩定性為主要出發點，要防止超調。本文采用Mamdani模糊推理方法。模糊控制規則共有49 條規則，如表2所示[5]。

表2　模糊控制規則表

2.4　清晰化

非模糊化把輸出模糊量轉化為輸出變量的值，它又叫模糊決策。由于對于一個輸出變量有多個模糊子集，因而有多個模糊輸出變量，這樣就需從多個模糊子集及它們的隸屬函數中判斷出一個控制量。非模糊化的方法與輸出模糊子集的隸屬函數定義方法有關，可以采用面積重心法，即加權平均法，把推理得到的模糊子集轉變為清楚的控制輸出信號。

在仿真試驗中，在Mamdani 型模糊推理中的模糊邏輯算法的清晰化中選用面積中心法，即使用面積重心法使信號精確輸出，得到模糊控制器的輸出為：

式中，u(xi)為 xi點處的隸屬度函數值。

利用單片機可以把預先算好的控制量u的表格存在 ECU中，查表即可得到相應的控制量。

3　電子節氣門模糊控制仿真試驗分析

3.1　建立電子節氣門數學模型

在電子節氣門的控制中，主要受到彈簧非線性、摩擦非線性以及齒輪非線性的影響。需要對這三種非線性因素進行分析。其中彈簧非線性的影響最為重要，摩擦非線性次之，齒輪非線性最小。根據經驗公式，可以總結出傳動系統的微分方程為[6]：

式中，N—齒輪傳動比；Jm—電機轉子轉動慣量；J—節流閥轉動慣量；fm—電機粘性摩擦系數；Kf—庫倫摩擦系數；Ks—扭轉剛度；Km—電機扭矩系數。

3.2　電子節氣門仿真試驗相應特性分析

根據分析所得的數學模型，在 MATLAB/Simulink將節氣門體和模糊控制器結合起來成為一個閉環的控制系統。電子節氣門控制系統的仿真模型如圖6所示，圖7和圖8為采用模糊策略進行控制電子節氣門階躍跟蹤信號仿真結果圖。

圖6　電子節氣門控制系統仿真圖

圖7　階躍信號跟蹤試驗結果圖

圖8　正弦信號跟蹤試驗結果圖

由圖7、圖8仿真曲線可看出，模糊控制輸出曲線超調量明顯減小，快速性也明顯提高，穩定性增加，調節時間縮短，魯棒性提高，干擾和參數變化對控制效果的影響被大大減弱，大大改善了系統的動態性能。

通過模糊控制的啟發性的知識及語言決策規則設計，有利于模擬節氣門人工控制的過程和方法，增強控制系統的適應能力，使之具有一定的智能水平。

圖7為采用模糊控制算法時，節氣門對階躍信號的響應曲線，從圖中可以看出，系統不存在超調量，穩態誤差較大，且和階躍量成正比，最大可達 5%。系統響應速度較慢，上升時間可達300ms。由此可見采用模糊控制算法時，系統對階躍輸入不能實現太好的跟蹤，需要進一步優化。

圖8為采用模糊控制時，節氣門對正弦信號的響應曲線，從圖中可以看出，系統沒有超調量，最大延遲為200ms左右，沒有出現嚴重的延遲和穩態誤差，因此系統比較穩定。

4　結論

（1）以階躍信號作為系統輸入，模糊控制的響應曲線幾乎不存在超調量，但響應曲線的上升時間比較長，并且存在一定的穩態誤差。

（2）以正弦信號作為系統輸入，模糊控制的跟蹤信號稍微落后于給定的輸入信號,存在一定的延遲，但沒有出現嚴重的延遲和穩態誤差。

（3）模糊控制輸出曲線超調量明顯減小，快速性也明顯提高，穩定性增加，調節時間縮短，魯棒性提高，干擾和參數變化對控制效果的影響被大大減弱，大大改善了系統的動態性能。但模糊控制策略在響應時間和控制精度都比較差，可能是選取的模糊子集范圍太小、對隸屬分布函數選得不夠精確造成的，需要在這方面加以改進,尤其是模糊控制規則的制定；或者結合PID與模糊控制兩種思想實現對電子節氣門更精確的控制。

[1] 羅欽.智能電子節氣門控制策略研究[D].重慶交通大學,2016.

[2] 劉奇.汽油發動機電子節氣門控制系統研究[D].哈爾濱工業大學,2011

[3] 馮鎮,肖壽高,焦磊.電子節氣門控制策略仿真研究[J].計算機工程與設計,2012,33(04):1665-1669.

[4] 陳劍.汽油機電子節氣門控制系統設計與控制方法研究[D].長安大學,2011.

[5] 侯麗春.某型電子節氣門 PID 模糊控制系統仿真分析[J].汽車技術,2015(11):44-46+51.

[6] 文愛民,刁秀永,高強. 搭建試驗平臺研究電子節氣門控制策略[J].中國農機化學報,2015,36（5）：180-184.

[7] B.Ashok,S.Denis Ashok,C.Ramesh Kumar.Trends and future perspec-tives of electronic throttle control system in a spark ignition engine[J]. Annual Reviews in Control,2017,44:97-115.