教学用汽车电子节气门半实物仿真装置的开发

葛建中 (芜湖职业技术学院机械工程系,安徽芜湖241000)

由于汽车电子课程教学的需要,半实物仿真装置的应用越来越广泛,其可以让用户仿真不同的使用环境,从而观察汽车内部相关系统的控制过程。9S12半实物仿真系统是一套基于Simulink的控制系统开发及半实物仿真工作平台,其采用飞思卡尔9S12单片机作为实时仿真机,以普通PC机作为系统主机,可实现与Simulink的无缝连接,能快速实现代码生成、代码下载及调试,完成从系统建模、分析、离线仿真到实时控制的全过程[1-4]。为此,笔者利用9S12半实物仿真系统开发了汽车电子节气门半实物仿真教学装置。

1 半实物仿真装置的组成

根据汽车电子课程教学特点与电子节气门控制策略,在满足各项实验项目的前提下力求简化,设计的汽车电子节气门半实物仿真装置主要由电子节气门体、加速踏板位置传感器、空调开关以及接口电路板、9S12单片机开发板和上位机组成,此外为便于使用还提供了1个12V的电源和开发板的支架。

2 半实物仿真装置模型构建

将所有输入/输出设备与控制对象直接连接。通过9S12半实物仿真系统中的实时硬件接口库,自动生成Simulink中的电子节气门控制算法,且下载到9S12单片机中。使用9S12半实物仿真系统的 “一键自动生成”功能,就可完成编译、生成代码、下载的过程。电子节气门半实物仿真系统模型如图1所示。图中AtoD Converter Channel 1为加速踏板位置传感器电阻1的信号 (系统输入信号);AtoD Converter Channel 0为节气门位置传感器电阻1的信号 (系统反馈信号);AtoD Converter Channel 3为空调开关的信号;AtoD Converter Channel 2为节气门位置传感器电阻2的信号;PWM-A为系统对节气门定位电机1脚的输出信号;PWM-B为系统对节气门定位电机2脚的输出信号[5-6]。

3 硬件接口电路设计

3.1 传感器信号处理电路

模拟信号会带来较多毛刺或因干扰、突发故障等产生较大电压波动,为了抗干扰,对加速踏板位置传感器信号、节气门位置传感器信号和空调开关信号进行跟随和滤波。传感信号处理电路由4只单电源供电的LM324完成信号跟随,外接电阻电容RC组合滤波,传感器信号经过处理后与9S12单片机的AD通道直接相连。

图1 电子节气门半实物仿真系统模型

3.2 驱动电路

采用脉宽调制方式,通过改变占空比来改变节气门定位电机电枢的平均电压,以此实时控制电机的扭矩,采用电机驱动芯片MC33886驱动直流电机。

4 控制算法及其调试

采用PID控制,将偏差比例P、积分I和微分D通过线性组合构成控制量,对被控对象进行控制。控制偏差e(t)为目标值与实际输出值之差,即:

PID控制规律为:

式中,s指对连续系统的拉氏变换,输出的是连续系统的传递函数模型。

用Simulink设计出来的控制器可直接控制受控对象,若出现节气门卡滞、振动等现象,则可在Simulink上利用其Function Block Parameters:PID Controller对话框功能调整控制器的结构或调试控制器的参数,直至获得满意的控制效果。

式中,Kp为比例系数;Ti为积分时间常数;Td为微分时间常数。

设置合理的P、I、D参数组合并加以调试,在Simulink下建立的PID控制软件仿真模型如图2所示。

图2 PID控制软件仿真模型

如何确定传递函数是仿真成败的关键。根据文献 [2],在Matlab环境中,当电机电压与节气门角度的传递函数在节气门阀转角小于初始开度时,其表达式为:

5 实例分析

电子节气门最主要的功能是完成非线性控制,通过控制节气门至最佳节气门开度来适应加速踏板位移量和发动机转速等行驶条件。由于采用加速踏板位置传感器信号时,输出的效果比对不很明显,因而采用Simulink中自动产生的方波信号来模拟驾驶员操作加速踏板的动作,相当于瞬间踩加速踏板到底的工况,观察此时的节气门响应情况 (即节气门定位电位计上的反馈电压的变化),由此判断当前控制参数是否合理。

根据经验做法,先调试偏差比例P(设定P值较大),再调试积分I和微分D(设定I、D的值较小)。输入组合Ⅰ (10、0.1、0.1),观察输入方波与节气门响应,其结果如图3(a)所示,可以看出系统响应太快,经1/5周期后节气门就达到预定位置。输入组合Ⅱ(2、0.1、0.1),观察输入方波与节气门响应,其结果如图3(b)所示,可以看出系统响应太慢,经1/2周期节气门才达到预定位置。输入组合Ⅲ(4.5、0.1、0.1),其结果如图3(c)所示,可以看出阶跃响应较为理想,表明此时控制器是稳定的,由此确定P值为4.5。

按照同样的方法依次调试积分、微分的数值,输入组合Ⅳ (4.5、1、0.1)其结果如图3(d)所示,可以看出系统响应又趋于缓慢,不如图3(c)所示的阶跃响应快。

图3 不同控制参数组合状态下系统对方波信号的实际响应

综上所述,输入组合Ⅲ(4.5、0.1、0.1)的控制效果最为理想,因而确定该组合为系统最佳控制参数。

6 结 语

基于9S12半实物仿真系统开发了汽车电子节气门半实物仿真装置。教学实践表明,通过该装置能测试和观察发动机转速随节气门角度和负载转矩的实时变化,分析比较控制器模型控制策略的优劣并自动生成控制代码,从而测试出汽车在非行驶状态下的各种实际运行参数,也可以仿真不同的使用环境来观察汽车内部相关系统的控制过程。因此,该半实物仿真装置是学生进行汽车电子实训和开发的理想操作平台。

[1]薛定宇.基于Matlab/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京:清华大学出版社,2002.

[2]张金柱,张毅.汽车电子节气门控制器仿真设计[J].黑龙江工程学院学报,2006,20(1):60-63.

[3]王玉顺,张振东.电子节气门控制系统研究 [J].传动技术,2008,22(1):29-33.

[4]杨涤,李立涛.系统实时仿真开发环境与应用 [M].北京:清华大学出版社,2002.

[5]王斌,刘昭度,吴利军,等.基于dSPACE的汽车电子节气门半实物仿真试验台[J].小型内燃机与摩托车,2007,36(4):1-4.

[6]潘峰,薛定宇.基于dSPACE半实物仿真技术的伺服控制研究与应用 [J].系统仿真学报,2004,16(5):936-939.