电子节气门控制系统设计与仿真

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 2.58MB 71 页 15积分
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摘要
当前，ETC 技术已成为先进车辆控制与安全系统的关键技术之一，实现 ETC 系
统的自主开发，对于推进我国汽车节能减排和自主品牌建设具有重要的意义。本
文主要针对电子节气门的控制仿真问题进行了研究，主要工作和结论如下：
1、 深入分析了电子节气门系统的结构组成和工作原理，对电子节气门开度与输出
电压信号之间的对应关系进行了标定。
2、 深入分析系统中存在的非线性因素对电子节气门动态特性的影响规律，构建了
电子节气门系统的数学仿真模型。
3、 借助 Matlab/Simulink 软件，仿真研究了 PID 控制、模糊控制、模糊 PID 控制
和滑膜控制等不同控制方法对电子节气门的控制效果，为电子节气门实际控制
策略制定提供了理论依据。其中模糊 PID 控制器和滑模控制器有相对较好的控
制效果。
4、以80C196KC 单片机为核心开发了电子节气门的硬件电路。
5、 针对电子节气门控制器进行了软件编程的构架工作，构建了电子节气门控制软
件流程图，为今后软件的进一步开发奠定了坚实的基础。
关键词：电子节气门控制系统 数学模型 PID 控制器
模糊控制器 滑膜控制器
ABSTRACT
At present, ETC technology has become one of the key technologies of the
advanced vehicle control and safety systems. It is of great significance for promoting
China's auto energy-saving emission reduction and self-brand-building to achieve ETC
system with self-development. In this paper, it is research for the simulation of the
ETC .The main work and the conclusions were as follows:
1、The composition and working principle of the electronic throttle system is analysis
in depth. It is calibration to the electronic throttle opening and the output voltage
signal corresponding to the relationship.
2、The affect the laws of the response characteristics in a variety of non-linear factors
on ETC are analysis in depth. The mathematical simulation model of the ETC is
built up.
3、It is to research the control effect of the PID control, fuzzy control, PID_fuzzy
control and sliding mode control with Matlab / Simulink software. The fuzzy PID
controller and the sliding mode controller have good control effect. It provided
theoretical foundation for actual control of ETC.
4、It developed the hardware circuit of ETC with 80C196KC.
5、It is carried on the preliminary work of the software programming to the ETC. The
software flow chart of the ETC is Constructed .It laid a solid foundation for the
further development of the software in the future.
Key Word: Electronic throttle control system, Mathematical model,
PID control ,Fuzzy control, Sliding mode control
目录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论.............................................................................................................. 1
§1.1 电子节气门控制系统组成及工作原理.................................................................. 1
§1.2 电子节气门的优点与不足.................................................................................... 2
§1.2.1 电子节气门的优点..................................................................................... 2
§1.2.2 电子节气门的不足..................................................................................... 3
§1.3 电子节气门的发展:从机械控制到电子控制........................................................ 3
§1.3.1 电子节气门的发展..................................................................................... 3
§1.3.2 节气门从机械控制到电子控制................................................................... 4
§1.4 电子节气门国内外技术现状................................................................................ 5
§1.5 控制方法的发展.................................................................................................. 6
§1.6 本文研究的主要内容........................................................................................... 7
第二章 电子节气门的数学模型................................................................................... 9
§2.1 数学模型的定义.................................................................................................. 9
§2.2 建立数学模型的方法和步骤................................................................................ 9
§2.3 电子节气门的数学模型......................................................................................10
§2.3.1 节气门的数学模型................................................................................... 10
§2.3.2 直流电机的扭矩
L
T
.................................................................................. 11
§2.3.3 弹簧扭矩分析.......................................................................................... 12
§2.3.4 摩擦力分析.............................................................................................. 12
§2.3.5 节气门阻力距
airflow
T
................................................................................ 14
§2.4 电子节气门控制系统仿真模型........................................................................... 14
§2.4.1 Matlab/Simulink 简介.................................................................................14
§2.4.2 电子节气门仿真模型................................................................................15
§2.5 本章小结........................................................................................................... 15
第三章 PID 控制器的设计与仿真.............................................................................. 17
§3.1 PID 控制原理......................................................................................................17
§3.2 PID 控制仿真......................................................................................................18
§3.3 PID 控制参数整定.............................................................................................. 19
§3.3.1 微分常数..................................................................................................19
§3.3.2 比例常数..................................................................................................19
§3.3.3 积分常数..................................................................................................21
§3.4 PID 控制器的随动特性分析................................................................................ 21
§3.5 本章小结........................................................................................................... 22
第四章 电子节气门模糊控制器设计与仿真............................................................... 23
§4.1 模糊控制解决的问题......................................................................................... 23
§4.2 模糊控制系统的基本组成.................................................................................. 24
§4.2.1 从传统控制系统到模糊控制系统..............................................................24
§4.2.2 模糊控制器的结构................................................................................... 25
§4.3 电子节气门模糊控制器的设计........................................................................... 27
§4.3.1 模糊化..................................................................................................... 27
§4.3.2 模糊推理..................................................................................................28
§4.3.3 非模糊化..................................................................................................29
§4.4 电子节气门模糊控制仿真.................................................................................. 29
§4.4.1 电子节气门模糊控制仿真........................................................................ 29
§4.4.2 电子节气门模糊控制仿真结果................................................................. 30
§4.5 本章小结........................................................................................................... 32
第五章 电子节气门模糊 PID 控制器的设计和仿真....................................................33
§5.1 模糊 PID 控制原理............................................................................................ 33
§5.1.1 模糊 PID 控制系统结构........................................................................... 33
§5.1.2 模糊 PID 控制器的设计思想.................................................................... 34
§5.2 模糊 PID 控制器设计.........................................................................................35
§5.2.1 模糊化..................................................................................................... 35
§5.2.2 模糊推理..................................................................................................36
§5.3 模糊 PID 控制系统应用及其仿真.......................................................................37
§5.4 模糊 PID 控制器性能分析..................................................................................38
§5.5 本章小结........................................................................................................... 39
第六章 电子节气门滑模控制器的设计和仿真............................................................41
§6.1 滑模变结构控制的基本问题...............................................................................41
§6.2 滑动模态的存在性和到达条件........................................................................... 42
§6.3 滑模运动的稳定性............................................................................................. 42
§6.4 电子节气门滑模控制器设计...............................................................................43
§6.5 滑模控制系统仿真............................................................................................. 43
§6.6 滑模控制器性能分析......................................................................................... 44
§6.7 本章小结........................................................................................................... 46
第七章 电子节气门控制器试验台设计...................................................................... 47
§7.1 试验台设计........................................................................................................47
§7.2 电子节气门硬件电路设计.................................................................................. 48
§7.2.1 控制芯片的选择.......................................................................................48
§7.2.2 单片机外部存储器的扩展........................................................................ 49
§7.2.3 电机驱动电路的设计................................................................................49
§7.2.4 信号处理电路设计................................................................................... 51
§7.2.5 电源稳压电路.......................................................................................... 51
§7.2.6 通信电路..................................................................................................52
§7.2.7 复位电路..................................................................................................52
§7.2.8 时钟信号电路及锁相环的滤波电路.......................................................... 53
§7.2.9 硬件总体结构.......................................................................................... 53
§7.3 电子节气门控制系统软件构架........................................................................... 55
§7.3.1 软件的总体结构.......................................................................................55
§7.3.2 利用 HSO 产生 PWM 信号...................................................................... 56
§7.3.3 定时器中断程序.......................................................................................58
§7.3.4 信号采集程序.......................................................................................... 58
§7.3.5 控制算法子程序.......................................................................................59
§7.4 本章小结........................................................................................................... 60
第八章 全文总结.......................................................................................................61
§8.1 主要工作和结论.................................................................................................61
§8.2 展望...................................................................................................................62
参考文献................................................................................................................... 63
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果............................................... 67
致谢...........................................................................................................................69
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
电控汽油喷射系统在汽车发动机上的普及和发展，使汽车发动机的整机性能
和控制水平都有了质的飞跃。但是随着汽车的日益增多，能源问题也由于紧缺被
提上了日程，不仅对汽车的经济性、动力性和排放性能提出了更高的要求，而且
同时也需要提高驾驶的舒适性和电子化程度。汽车怠速控制、巡航控制等很多领
域越来越多地运用电子节气门技术，目的只是为了进一步提高汽车行驶性能、降
低排放污染。
ETC 技术最早出现于 20 世纪 80 年代初期起初仅应用于高档轿车上。随着电
子技术的日益发展能源问题和环境问题的日益突出以及对汽车性能要求的提高，
ETC 成为全电控发动机上最重要的控制装置并已开始广泛应用到各种车辆上，其
优点在于可根据驾驶员愿望、排放、油耗和安全需求，使节气门快速精确地控制
在最佳开度，并可设置多种控制功能来改善驾驶安全性和舒适性。
当前，
ETC 技术已成为先进车辆控制与安全系统的关键技术之一，实现 ETC
系统的自主开发，对于推进我国汽车节能减排和自主品牌建设具有重要的意义。
§1.1 电子节气门控制系统组成及工作原理
汽车电子节气门技术（ Electronic Throttle Control, ETC）是随汽车电子驱动
理念（Drive - by – Wire）而诞生的。传统意义上发动机节气门间的连接时使用传
统的油门踏板，而今已经改成采用钢丝绳或是杠杆机构。节气门技术不论是通过
增加相应的传感器，还是通过增加电控单元，最终的目的是为了实时精确控制节
气门开度
]3[
。业内人士广泛推崇电子节气门技术，因为它不但实现了扭矩控制，
还能精确地控制空燃比。不仅如此，汽车行驶的动力性、经济性和平稳性都有很
大幅度的提高，而在减排意义上，它也是一个里程碑。目前，驱动防滑控制（ASR）、
巡航控制（CCS）等汽车控制系统普遍使用电子节气门技术。一开始它就是仅应
用在高档轿车身上，现在它已近是高档轿车不可或缺的配置。
图1.1 为ETC 系统示意图,主要由加速踏板、加速踏板位置传感器、节气门位
置传感器，节气门体、控制单元、电机等部分组成
]3[
。加速踏板位置传感器用于
完成加速踏板信号的输入；节气门位置传感器作为控制系统的反馈控制信号;控制
单元包括信息处理模块和驱动电路;具体工作时,加速踏板位置传感器将信号传递
给控制单元，控制单元进行综合分析计算后输出电机控制信号，电机接受信号后
电子节气门控制系统设计与仿真
2
经过处理又传给节气门体，最后输出期望的节气门开度值。通过期望值与节气门
位置传感器反馈回来的节气门开度值进行比较，实现不同节气门开度的优化控制。
整个系统控制过程是典型的闭环位置反馈控制。
1. 加速踏板 2. 加速踏板位置传感器 3. ETC 控制单元 4. 其它控制单元
5. 电机及减速机构 6. 节气门 7. 节气门位置传感器 8. 反馈信号
图1.1 ETC 控制系统工作原理示意图
§1.2 电子节气门的优点与不足
§1.2.1 电子节气门的优点
]1[
1、 节气门开度的精确控制
由控制电机驱动节气门来计算出最佳的节气门开度。
2、 控制系统结构紧凑，节约成本
电子节气门控制系统使用同一个执行器控制节气门，车辆的结构被简化了很
多。
3、 车辆行驶可靠性优良
ETCS 提供了双重操纵系统和容错处理的能力。
4、 最佳的操控及稳定性
节气门的开启过程是个渐进的过程，不会因为接到指令就全部开启，而是根
据实际情况，先打开一个较小的角度，然后缓慢地像第二个较大的角度前进。因
发动机转速突变所带来的振动大大地被减轻了，进气装置得到了最有效的控制。
由于有了节气门，发动机的加速能更柔顺，更快速，同时也能更省油。
5、 排放降低
开度
得到了精确地控制，燃烧也被执行得更完全。而在怠速情况下仅仅使
用极小的开度来增加燃烧和稳定燃烧，这不但大大地提高了燃油的经济性，同时
也进一步控制了排放。
第一章 绪论
3
6、 海拔高度补偿
在海拔高的时候，发动机吸入的空气由于很稀薄，致使它有效地扭矩大大地
减少了，节气门的反应也不灵敏了。为了减少这种损失，电子节气门系统可以根
据压力传感器的信号来增大节气门开度，从而获得它在行车时像在平稳的空地上
行车一样。
§1.2.2 电子节气门的不足
1、 为了在行车时能安全可靠，汽车上用的电机和传感器都有很高的精确性和很
快的响应速度。而为了达到目的，不仅得使用冗余的设计，且花费很高的成本，
这大大阻碍了它的广泛应用。
2、 为了保证整个系统在失效后发动机能继续运转，需要一个回位弹簧使得节气
门在各种情况下都能保持一个微小的开度，这个需要就成就了一个非线性弹簧。
非线性弹簧的存在，非线性阻尼的不固定性和进气扰流阻矩的不稳定性，都妨碍
了系统高精度的控制。
3、 虽然ECU处理的速度已经非常快了，但是空气经过节气门通过进气歧管进入
气缸的时间更短，所以节气门对信号的响应产生了10个毫秒级的延迟
]4[
。使得发
动机不能很好地形成均匀混合气。
4、ETCS 异常敏感，如果节气门积碳变脏超过极限，信号就会极度的不准确，使
得系统产生控制的失误，发动机就不能很好的控制。
5、 控制系统复杂，不便于维修。
§1.3 电子节气门的发展:从机械控制到电子控制
]1[
§1.3.1 电子节气门的发展
20 世纪 70 年代后期，电子节气门技术的研究随着电驱动理念开始出现了。
20 世纪 80 年代，有相关的产品开始相继问世， Bosch（博世）公司的 ETC 产品
已经应用到了赛车上。
1988 年，在宝马（BWM750iL）轿车上我们也找到了 ETC 的影子。但是当
时它的发展及其缓慢，纵观原因，不外乎是它价格的昂贵，还有技术条件和市场
条件的不成熟。
直到 20 世纪 90 年代初，德国、日本和美国等一些汽车电子类公司大力发展
对电子节气门的研究，ETC 产品开始活跃在市场上了。
1993 年，Toyota（丰田）研制了电子节气门系统，采用步进电机驱动辅助的
摘要：

摘要当前，ETC技术已成为先进车辆控制与安全系统的关键技术之一，实现ETC系统的自主开发，对于推进我国汽车节能减排和自主品牌建设具有重要的意义。本文主要针对电子节气门的控制仿真问题进行了研究，主要工作和结论如下：1、深入分析了电子节气门系统的结构组成和工作原理，对电子节气门开度与输出电压信号之间的对应关系进行了标定。2、深入分析系统中存在的非线性因素对电子节气门动态特性的影响规律，构建了电子节气门系统的数学仿真模型。3、借助Matlab/Simulink软件，仿真研究了PID控制、模糊控制、模糊PID控制和滑膜控制等不同控制方法对电子节气门的控制效果，为电子节气门实际控制策略制定提供了理论依据...

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