一種基于預(yù)估算法的電磁閥電流閉環(huán)控制及仿真

王建軍，楊 佳，李 睿

（陜西法士特汽車(chē)傳動(dòng)工程研究院智能傳動(dòng)研究所，陜西 西安 710077）

引言

現(xiàn)代汽車(chē)電控中，各種氣動(dòng)元件種類(lèi)繁多，需要用電磁閥對(duì)氣動(dòng)元件進(jìn)行控制，電磁閥的控制效果直接影響了氣動(dòng)元件的執(zhí)行效果，從而影響汽車(chē)的使用效果。

本文提出了一種基于預(yù)估算法的電磁閥電流閉環(huán)PID 控制方法，通過(guò)軟件和硬件相結(jié)合，優(yōu)化了傳統(tǒng)電磁閥電流閉環(huán)PID 控制，可以有效提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)并且自動(dòng)適應(yīng)控制對(duì)象本身電參數(shù)的變化。

1 傳統(tǒng)電磁閥電流閉環(huán)PID 控制分析

1.1 傳統(tǒng)電磁閥電流閉環(huán)PID 控制結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)電磁閥電流PID 閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖1 所示。PID 控制器以輸入的目標(biāo)控制電流數(shù)值和實(shí)際電流反饋值的誤差為輸入，通過(guò)PID 算法計(jì)算輸出控制所需的PWM 占空比，再通過(guò)硬件驅(qū)動(dòng)電路去驅(qū)動(dòng)電磁比例閥。

圖1 電磁閥電流PID 閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)

1.2 傳統(tǒng)電磁閥電流閉環(huán)PID 控制分析

傳統(tǒng)電磁閥電流閉環(huán)控制在車(chē)輛控制應(yīng)用中存在局限性。

首先，電流PID 閉環(huán)控制過(guò)程中，實(shí)際電流響應(yīng)如圖2所示，系統(tǒng)存在t0～t1 振蕩收斂過(guò)程，這個(gè)收斂過(guò)程是PID控制無(wú)法回避的[1]。

圖2 PID 閉環(huán)響應(yīng)

其次，在汽車(chē)行業(yè)，由于車(chē)輛數(shù)量多，電磁閥控制對(duì)象自身參數(shù)的離散性比較大，參數(shù)的離散性足以影響控制效果。

再次，車(chē)輛上的電磁閥屬于一個(gè)時(shí)變系統(tǒng)，閥的直流內(nèi)阻會(huì)隨著環(huán)境溫度的變化而變化，這些變化將直接影響控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

2 基于預(yù)估算法電磁閥電流閉環(huán)控制

2.1 系統(tǒng)原理

如圖3 所示。在線監(jiān)控部分為硬件電路實(shí)現(xiàn)，完成電磁閥直流內(nèi)阻采樣。PID 估算部分為軟件實(shí)現(xiàn)，根據(jù)在線測(cè)試的電磁閥直流內(nèi)阻，結(jié)合控制目標(biāo)和其他電參數(shù)，完成對(duì)PID初始輸出的預(yù)估計(jì)算，避免直接使用PID 控制引起系統(tǒng)的振蕩和收斂，影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

圖3 基于預(yù)估算法電磁閥變流閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)

2.2 硬件設(shè)計(jì)原理

硬件設(shè)計(jì)如圖4 所示。電磁閥由電阻R14、電感L1 串聯(lián)等效。電阻R14、R7、R8、R17 組成電橋，對(duì)電磁閥內(nèi)阻進(jìn)行測(cè)量。U4 和U5 組成隔離運(yùn)放，對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行放大和濾波。U2 為電源隔離模塊，為在線測(cè)試電路部分提供一個(gè)與控制系統(tǒng)完全隔離的電源。Q1 三極管，Q2 功率MOS 管，與電阻R1、R2、R11、R6 電阻網(wǎng)絡(luò)組成比例閥的PWM 驅(qū)動(dòng)電路，完成電磁閥的PWM 調(diào)制驅(qū)動(dòng)。U3 為電磁閥實(shí)際電流采集芯片。U1 為MCU，MCU 完成預(yù)估算法和PID 控制算法，完成對(duì)電磁閥的控制。

圖4 硬件電路原理

2.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件算法流程如圖5 所示，軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控控制目標(biāo)的更新輸出，如果沒(méi)更新則維持上一狀態(tài)輸出，如果有更新則只能在線監(jiān)控模塊電路，完成電磁閥直流內(nèi)阻在線測(cè)量。根據(jù)電磁閥直流內(nèi)阻，結(jié)合控制目標(biāo)和控制環(huán)境參數(shù)，完成對(duì)PID初始輸出的估算計(jì)算。

圖5 軟件結(jié)構(gòu)流程圖

2.4 仿真驗(yàn)證

2.4.1 仿真模型搭建

使用Matlab 平下的Simulink 和Simscape 工具箱聯(lián)合完成仿真。如圖6 所示，以法士特液力緩速器所使用的電磁閥為對(duì)象，由電阻R2（24 歐）和電感L2（20 mH）串聯(lián)等效，D1 為續(xù)流二極管，DC24V 為電源，Current Sensor 為電流采樣，三極管Q1 和電阻R1 完成對(duì)電磁閥的PWM 驅(qū)動(dòng)，Controlled PWM 為PWM 發(fā)生器，根據(jù)輸入的占空比輸出對(duì)應(yīng)的PWM，PWM 的頻率選2 kHz，Discrete PID Controller 為PID 控制器[2]。

圖6 仿真模型

仿真模型中，Discrete PID Controller 控制器控制邏輯如圖7 所示。常數(shù)TargetCurrent 模塊仿真目標(biāo)控制電流，常數(shù)CalPWM 仿真預(yù)估模塊計(jì)算的給PID 控制器初始化的起始占空比。PWMout 端口輸出該模型計(jì)算出來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁閥所需的PWM 占空比。

圖7 PID 控制模型

2.4.2 傳統(tǒng)電磁閥電流閉環(huán)PID 控制仿真

以目標(biāo)控制電流800 mA 為控制目標(biāo)，選PWM 的基礎(chǔ)頻率為2 000 Hz，分別以施加大激勵(lì)和不施加大激勵(lì)的傳統(tǒng)方式進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖8 所示。

圖8 電磁閥標(biāo)準(zhǔn)PID 電流閉環(huán)仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出，傳統(tǒng)電磁閥PID 電流閉環(huán)控制系統(tǒng)在0.015 s 左右基本達(dá)到了目標(biāo)穩(wěn)態(tài)電流，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果差。

2.4.3 基于預(yù)估算法電磁閥電流閉環(huán)PID 控制仿真

以同樣控制對(duì)象和仿真條件進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖9 所示。

圖9 基于預(yù)估算法的電磁閥PID 電流閉環(huán)仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出，基于預(yù)估算法的電磁閥電流PID控制方法，在PID 開(kāi)始控制之前，由于估算出了相對(duì)準(zhǔn)確的PID 初始輸出數(shù)值，使得PID 控制器能在與控制目標(biāo)相對(duì)接近的位置進(jìn)行控制，從而可以大大減少系統(tǒng)的振蕩調(diào)節(jié)時(shí)間，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

3 結(jié)論

本文通過(guò)以上對(duì)傳統(tǒng)電磁閥電流PID 控制和基于預(yù)估算法的電磁閥電流閉環(huán)控制方法的分析對(duì)比和仿真可以看出，本文所提出的這種電磁閥電流閉環(huán)控制方法可以大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，通過(guò)仿真可以看出，在同樣條件下，可以比傳統(tǒng)的電磁閥電流閉環(huán)控制算法的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)改善很大。