汽車電子節氣門滑模控制技術研究

郭久一

(沈陽科技學院，遼寧沈陽 110167)

滑模控制技術是一種非線性結構控制技術，通過對控制結構進行改變，確定系統狀態和滑動面的偏差結構，讓控制過程滿足滑動面規定[1]。本文對發動機節氣門角自適應滑?？刂品椒ㄟM行了研究。通過滑動模態控制，節流閥可以直接機械地連接轉向裝置，從而取代傳統的傳感器和執行機構。當前，直線傳動系統主要用于重型設備，如推土機和農業機械，將這些系統安裝到汽車上，需要有足夠安全可靠的機械連接，這種控制方法對控制參數的不確定有很強的魯棒性，可以用自適應定律來估計節氣門體的庫侖摩擦力，使估計值趨于真值，可降低功耗控制。當油門體摩擦超出正常范圍時，儀表會發出報警聲，提醒駕駛員。

1 汽車電子節氣門體

設計汽車電子節氣門，并在內部設計控制系統，這種控制系統拋棄了傳統的機械式連接，采用了柔性控制方式?？刂葡到y主要由油門踏板、油門體和電控單元三個模塊組成。駕駛踏板模塊是駕駛員向系統輸入信號的裝置；電子控制單元是整個系統的核心，主要用來處理踏板和油門傳感器的信號，計算電子油門的當前工作狀態。根據系統中的其他額定參數，向駕駛員發送控制信號；電子節氣門的作用不僅僅是旋轉節氣門，它還實時反饋節氣門的當前位置。在電子加速器控制系統運行過程中：首先，當駕駛員踩下油板后，利用傳感器實現電壓信號模擬，電子油門位置傳感器也測量實時模擬電壓信號B，然后，控制器將最后兩個模擬電壓信號轉換為相應的數字信號，由控制器計算出合適的燃油混合氣進入發動機的時間，最后，通過ECU 產生的PWM 控制直流電機產生轉動力矩，并將減速齒輪送至節氣門擋板，以保持相應的開度[2]。

本文研究控制技術可將驅動電機的輸出轉矩以一定的傳動比傳遞到節流閥板上，從而降低轉速，增加轉矩，使驅動電機能更好地調節電子節流閥的開度。驅動機構包括：驅動輪、中間齒輪、扇齒等。但是齒輪之間必然存在一定的間隙，這也是影響系統非線性的一個因素，給系統控制增加了難度。

2 電子節氣門數學模型

在確定汽車電子節氣門體后，設計電子節氣門數學模型。電力節氣門使用的驅動馬達通常是直流馬達。對于直流電機的等效電路，線圈產生等效電阻和電感。研究發現，電樞阻抗以限流阻抗為主，電感阻抗以緩沖阻抗為主。兩者共同作用，使得電機的動態平整度能得到很好地調節[3]。

該方法能有效地優化等效電路，把它簡化，根據克里霍夫定律建立直流電機微分方程：

其中，Ra表示的是電樞繞組；Rr表示電源內部產生的電阻；L 表示電樞產生的電感；i 表示產生的電流；N 表示由齒輪轉動的減速比；kl表示規定的扭轉系數；w 表示電機轉動的角速度；u表示得到的真空比；E 表示電源產生的電壓。

在智能節氣門控制系統中，機械傳動部分也是重要組成部分，因此需要設計相應的數學模型。實踐證明，該機構的機械傳動部分與機械節流傳動部分相吻合，各減速器把電動機輸出的扭矩傳給節流閥。但是，在電機轉速過高時，為了更好地控制油門開度，必須降低一定的轉角[4]。

3 汽車電子節氣門滑?？刂萍夹g

通過電子節氣門控制模型實現控制，通過傳遞函數進行線性穩定系統傳輸，實現輸出控制。該控制方法較為成熟，利用頻率響應法和根軌跡法分析了系統的輸入特性和輸出特性，建立了系統的數學模型。傳統控制理論中，用于綜合修正的修正網絡一般有：滯后修正網絡、超前修正網絡和滯后修正網絡，另外，PID 校正網絡在各種控制系統中也有廣泛的應用。在狀態空間的基礎上，現代控制理論能夠通過狀態方程和輸出方程對系統的運動狀況進行描述，利用時域分析實現設計[5]。本系統可在計算機上運行，為控制系統的進一步開發奠定了基礎。智能化控制理論是指使智能機器達到控制目標而無需人工干預的控制技術。隨著被控制的汽車電子節氣門復雜度的提高，控制系統已經從簡單線性轉化成非線性，這給建立其數學模型帶來很大困難，普通控制理論無法對其進行分析和計算，這種系統的定量研究是十分必要的?；诮浀淇刂评碚?、現代控制理論和計算機技術，結合定性分析，提出了難以建立精確數學模型的智能控制理論。在技術上進行了深入地研究與開發。電氣控制節氣門模糊控制器的控制原理是：在對控制量進行選擇時，要在最短的時間內消除誤差，以穩定的狀態實現出發。利用輸出模糊量轉換量來解決模糊問題，設計模糊決策，當存在模糊輸出變量時，需要根據模糊子集和隸屬函數度對控制變量進行分析。對輸出的模糊子集進行隸屬度定義，引入平均加權法將得到的模糊子集轉化成清晰子集，從而更好地發出信號。

在語言變量中，可以選擇語言變量的值，也可以選擇模糊子集：錯誤語言變量e，錯誤率會改變。用{NB, nano, NS, Ze, PS,PB}來控制數量語言變量u 的大小，其中包括u,負小，0，中，大}和其英文縮寫。一個函數語言變量的子集{NM, NS, ZE, PS,PM}使用均勻分布的敏感三角，Z 函數和S 函數分別用于語言變量{NB}和{PB}。

4 控制器仿真實驗

為驗證本文提出的汽車電子節氣門滑?？刂萍夹g有效性，選用本文控制技術與傳統控制技術進行實驗對比。設定實驗參數如下：工作電壓為200V，工作電流為150A，工作頻率為100Hz，操作系統為Windows10。

根據上述實驗參數，選用本文提出的控制技術和傳統控制技術同時對同一個汽車電子節氣閥門進行控制，記錄控制時間、控制超調量、控制穩態誤差。

得到的控制時間實驗結果如表1 所示。

表1 控制時間表

根據上表可知，本文提出的汽車電子節氣門滑?？刂萍夹g控制消耗時間要少于傳統的控制技術消耗時間，本文提出的控制消耗時間能夠在更短時間內實現控制，完成信息的處理。

控制超調量實驗結果如圖1 所示。

圖1 控制超調量實驗結果

根據圖1 可知，本文提出的控制超調量遠遠小于傳統控制技術的控制超調量。當控制時間為0.05s 時，本文提出的控制技術控制超調量為67，傳統控制技術控制超調量為93；當控制時間為0.1s 時，本文提出的控制技術控制超調量為69，傳統控制技術控制超調量為90；當控制時間為0.15s 時，本文提出的控制技術控制超調量為66，傳統控制技術控制超調量為88；當控制時間為0.2s 時，本文提出的控制技術控制超調量為71，傳統控制技術控制超調量為91；當控制時間為0.25s 時，本文提出的控制技術控制超調量為70，傳統控制技術控制超調量為92，隨著時間的增加，此種方法呈線性關系。

由此可見，本文提出的控制技術控制誤差小于傳統控制技術的控制誤差。

通過對電子節流閥結構特點的分析，得出結論，汽車電子節氣門主要由直流電機和驅動機構組成，在直流電機運行至穩態時，線性極化是其最顯著的特征，而在調速時，特征是非線性的。電動節流閥的傳動部分由彈簧、齒輪等多種零件組成。在工作過程中出現的彈簧非線性、間隙非線性、摩擦非線性等都是典型的非線性系統。為此，在進行電子節氣門控制時，應采用模糊自適應PID 控制策略，以達到穩定、快速的目的。通過模擬實驗研究了三種控制效果。

雖然普通PID 控制易出現超調現象，但這種控制方法結構簡單，尤其適用于硬件實現，滑膜變結構控制，與PID 控制相比，超調量有較大提高。該系統具有良好的動態跟蹤性能，但是，換擋時抖動比較嚴重，控制效果曲線的小故障問題也比較明顯。仿真實驗結果表明，本文提出的模糊自適應PID 控制方法能夠更好地實現動態跟蹤，分析平滑的速度。所以，控制系統對汽車電子節流閥的快速響應、平滑調速具有重要作用。

在此基礎上，模糊控制輸出曲線的超調量明顯減少，控制速度明顯提高，穩定性得到改善，系統具有更好的動態性能，雖然模糊控制策略效能感應時間較長，控制精度較低，但是本文利用隸屬度重建的方法實現精準控制，確?？刂平Y果的準確性。

結束語

因為系統的輸入采用階躍信號，所以模糊控制的響應曲線基本上沒有超調，但是上升時間很長，并且存在一定的穩態誤差。在輸入為正弦信號的情況下，通過模糊控制得到的跟蹤信號速度較慢，且存在時滯，但穩態誤差較小。