基于RTWT的汽车电子节气门半实物仿真平台

陈凤祥，孙泽昌，赵治国，章 桐

(同济大学汽车学院，新能源汽车工程中心，上海 201804)

0 引言

汽车电子技术对汽车工业的促进作用已成为当今社会的共识［1］。但是相应汽车电子的教材难以适应当今汽车工业发展的要求，如经典控制论的教材没有较好反映出汽车电子的特色。同时，现有的自动控制实验平台也无法满足培养汽车电子这个新兴专业的人才需求。因此，为学生提供一套具有汽车电子特色的自动控制实验平台迫在眉睫。

以汽车电子节气门作为控制对象建立的实验平台已在高校里出现。选用该控制对象的理由如下:①结构较为简单、建模相对容易;②业已成为发动机管理系统中的一个重要的模块;③具有典型的机电混合特性;④该对象是一个较为典型的线性系统。

我国高校已建成一些电子节气门的控制平台，如清华大学设计出了一种电子节气门控制系统［2］。该控制器以摩托罗拉单片机MC68HC912DG 128A为核心，用MC33186作H桥驱动芯片。测试系统向节气门控制器发送目标开度值，控制节气门完成动作，同时记录并分析实际控制效果。但是控制算法的实现较为复杂，需要了解单片机的具体资源且参数修改十分麻烦。

北京理工大学基于dSPACE设计了电子节气门半实物仿真实验台［3］。由于dSPACE附件价格昂贵，而且利用Matlab生成的PWM的载波频率小于1kHz，无法提高到10kHz以上。因此该平台会伴有较为明显的噪音，控制精度也相对较低，并不适合先进控制算法的实现。

考虑到教学对象主要为机械类本科生，他们的嵌入式系统软件编程能力相对较弱，而且课时有限，为了让每一位学生能够快速实现控制算法并在线修改相关参数，我们提出并实现了一种基于Matlab实时视窗目标RTWT(Real-Time Windows Target)低廉高效的电子节气门半实物仿真平台。

1 Matlab/RTWT介绍

实时视窗目标RTWT是Matlab以PC机进行半实物仿真的软件平台。通过RTWT中所提供的输入和输出模块(目前模块库中已支持多达200种以上的数据采集板卡)，可以方便地把Simulink环境下搭建的控制器算法直接用于实际物理对象构成闭环控制系统。在该方案中，PC机既作为宿主机，同时又作为目标机存在。就控制实时性而言，Windows本身是一个非实时操作系统，一般而言其定时精度最多只能达到1ms，因此对于一些高精度实时控制场合是不合适的。RTWT则应用一个小型实时内核，该内核以PC时钟作为基本时钟源并优先从Windows操作系统获得来自PC时钟的中断，这样就阻断了任何来自Windows操作系统的调用请求，从而保证了系统的实时性。一般而言，对于较小的模型可以保证10kHz以上的采样频率。

2 电子节气门半实物仿真平台设计

2.1 电子节气门系统组成

本实验平台以RTWT为基础将普通PC机模拟成宿主机和目标机，实现电子节气门ETCS的半实物实时仿真，系统原理图如图1所示。在图1中数据采集板卡(PCI-1711)起着A/D和D/A的作用，它负责把模拟电压信号(节气门位置)经过采集后转换数字信号，同时又把驱动器的输入电压的数字信号转换成模拟电压信号。图中板卡和PC机所交换的信号为数字信号，用后缀［D］表示，板卡和电机驱动系统以及电子节气门所交换信号为模拟信号，用后缀［A］表示。电子节气门采用博世公司的DVE-5。电机驱动系统定制购买，其主要功能如下:通过输入电压改变PWM占空比，从而控制电机的实时供电电压，其中输入电压0-2.4V正转，2.4V-2.6V停转，2.6V-5.0V反转。考虑到电机驱动时的噪音问题，选取系统PWM载波频率为12kHz。

图1 电子节气门实验样机系统原理图

2.2 软件系统

在Simulink环境下搭建的电子节气门控制系统如图2所示。图中Analog Output为输出到电机驱动系统控制电压信号;Analog Input为电子节气门位置传感器的电压信号;如图3所示的Controller为静态前馈+PID反馈的控制器，其中PID反馈控制器部分添加了死区以克服节气门因噪声或扰动的频繁作动;Filter1为系统前置滤波器(主要为了减少系统的超调量);Filter为传感器信号滤波器(主要为了剔除采样噪声);Saturation模块实现上限为+10，下限为－10的饱和输出;chg模块实现如下映射:

式中，y为输出，u为输入，h＞0为死区值，实验中取h=0.0001。该映射的目的就是实现如下区间的转换:(h，10］→［0，2.4］，［-h，h］→［2.4，2.6］，［-10，-h)→(2.6，5］，以方便控制算法的参数调节。

图2 基于RTWT的实时控制框图

图3 Controller模块的内部结构图

3 实验结果

系统的阶跃响应曲线如图4所示，其中纵坐标表示节气门位置的反馈电压信号及控制电压信号，横坐标表示时间(单位秒)。从图4(a)可以看出，期望输入为单位阶跃信号，系统动态响应曲线的调整时间小于100毫秒，经过大量仿真实验表明，系统的调整时间不大于200毫秒(这是由于本半实物仿真并未对节气门体的复位弹簧进行拆除，因此系统带有较强的非线性，从而导致不同工作点的调整时间的差异性)，稳态误差小于0.6%。图4(b)则描述了驱动器输入的控制电压信号。由此可见，该实验平台的搭建是成功的，不仅可以满足一般的本科教学，而且还可以满足科研单位对高性能节气门控制器研发的需要。

图4 系统阶跃响应及其电机驱动器输入电压

4 结语

基于Matlab/RTWT和PCI-1711数据采集卡所建立的电子节气门半实物仿真平台，具有结构简单，成本低廉，参数修改简单，系统实时性强等特点。本实验平台可以让学生完全从硬件实现和嵌入式软件编程中解放出来，在数分钟内实现控制算法的设计并实时得到相应控制效果。对于经典控制论的本科生教学意义上，这样的一个实验平台至少可以实现三种实验课程设计:系统建模，频率特性测试和系统辨识和串联校正。

［1］ 周云山，钟勇，汽车电子控制技术［M］，北京:机械工业出版社，2004

［2］ 李雅博，张俊智，卢青春，甘海云，发动机电控节气门控制器的研发［J］，北京:公路交通科技，2004，21(3):106-109

［3］ 王斌等，基于dSPACE的汽车电子节气门半实物仿真试验台［J］，天津:小型内燃机与摩托车，2007，36(4):1-4