基于PID控制的电子节气门设计与仿真

宛传平，张海涛，陈杰平，范智平

（安徽科技学院 机电与车辆工程学院，安徽 凤阳 233100）

基于PID控制的电子节气门设计与仿真

宛传平，张海涛，陈杰平，范智平

（安徽科技学院 机电与车辆工程学院，安徽 凤阳 233100）

文章主要阐述了电子节气门的结构、工作原理，分析了电子节气门的控制特点以及非线性因素的产生和控制方法。根据电子节气门的工作过程建立了其动力学模型和电路模型。结合数学模型和增量式PID控制的特点设计了电子节气门控制系统，并进行了Matlab仿真。由仿真结果可以看出，电子节气门采用增量式PID控制，具有超调量较小、性能稳定、跟踪效果好、稳态误差小、抗干扰能力强、动静态性能好和可靠性高等优点。

电子节气门；非线性；增量式PID控制；Matlab仿真

随着汽车工业的发展，对于汽车的舒适性和安全性的要求越来越高。现代汽车的发展的方向是由传统的机械系统向机电系统转变。节气门是汽车发动机控制系统中的一个重要组成部分，其作用是通过调节进入发动机的空气流量来改变发动机的运行状态。传统的节气门采用机械式的连杆连接，驾驶员通过踩动油门踏板来直接控制节气门开度的大小。但是，由于传统的节气门受油门踏板直接控制，不能根据汽车的当前速度、路况、油耗以及安全要求等因素智能的自动调节。因而，在汽车的安全性能、环保性和节能性等方面已不能满足要求。随着汽车电子技术的不断发展，电子节气门已经成为全电控发动机的重要控制部分而在越来越来的汽车上得到广泛的应用［1］。尤其是在国外生产的汽车上，如通用汽车公司，宝马等。而国内在电子节气门方面的研究起步较晚，目前发展还较慢，大多数国内生产的汽车的电子节气门控制系统仍是采用国外的［1－3］。

1 电子节气门的系统组成与数学建模

与传统的机械连杆式节气门直接受驾驶员控制不同，电子节气门通过安装在油门踏板上的双电位器传感器来感知驾驶员的意愿，并且根据汽车的当前运行状态、汽车的安全要求和舒适性要求等来间接控制节气门。

1.1 电子节气门系统的组成与分析

电子节气门（ETCs，Electronic throttle control system）是一种柔性控制系统［2］，主要由油门踏板、踏板位置传感器、MCU、直流电机、节气门体和节气门体位置传感器等组成，如图1所示。驾驶员踩动油门踏板，传感器将油门踏板的位置信号转换为电信号，并传到MCU中。MCU根据汽车的当前运行状态、路况、安全性等因素进行判断，同时向驱动电机发出控制信号，从而精确控制节气门的开度。同时，节气门的位置传感器将节气门的开度大小转换为电信号，实时的反馈给MCU，形成了闭环控制，提高了系统的控制精度。

图1 电子节气门控制系统简图

电子节气门的结构组成

1）油门踏板

油门踏板用于感知驾驶员的意图，其核心是一个双电位器式位置传感器［3］。它被安装在油门踏板的总成内部，用于将踏板的位移量转换成电信号。位置信号经处理后送入电子控制单元ECU，由ECU运算得出与驾驶员当前意图相对应的节气门开度，并向电机驱动系统发出控制信号，精确控制电子节气门阀片转到相应的位置。双电位计式位置传感器可以同时发出两路大小相同但斜率不同的电压信号，提高了位置检测的精度，从而使ECU对节气门的控制更加精确。与传统的机械连杆式的节气门不同，在电子节气门控制系统中，驾驶员不能直接控制节气门的开度大小。

2）节气门体

节气门体是电子节气门控制系统中的执行部件，主要由驱动电机、减速齿轮、节气门阀片、双向复位弹簧、节气门位置传感器和怠速开关位置传感器等组成，如图2所示。

图2 电子节气门体结构简图

驱动电机接收到ECU发出的控制信号后，经主动轮、传动轮和从动轮的减速后，带动节气门阀片转过相应的角度。驱动电机一般为直流伺服电机。当节气门出现故障或直流电机的驱动信号被截断时，节气门阀体将在双向复位弹簧的作用下保持在一定的开度位置，从而保证发动机的正常工作。节气门位置传感器采用双电位计式位置传感器，精确检测节气门阀片的位置，并实时反馈给ECU，从而形成了ECU对电子节气门开度的闭环控制，提高了控制精度。

3）ECU

ECU是电子节气门控制系统的核心。驾驶员的意图由踏板位置传感器感知，经ECU分析判断后，结合汽车的当前运行状态，由ECU向驱动电机发出控制信号，调节节气门阀片的开度大小。ETCs一般采用Motorla MPC555微处理器作为控制芯片或者与汽车ECU作为一个整体实现。

1.2 电子节气门的非线性分析

电子节气门是一个非线性时变系统，其非线性问题主要是由于机械结构产生的，严重影响了电子节气门系统的控制。其非线性因素主要有以下3个方面［4］：

1）粘性摩擦和滑动摩擦

节气门的阀片在转动过程中，会同时受到粘性摩擦和滑动摩擦的作用，在运动过程中，摩擦力的变化具有不确定性。为了便于研究，现将该系统摩擦简化为库伦摩擦（Coulomb Friction），可以用下式表示：

式中：Tf为库伦摩擦力；ω为电机转速；Fs＞0。

2）弹簧非线性

在节气门左侧有一个双向复位弹簧（图2）。直流电机通过减速齿轮带动节气门阀片克服弹簧回复力、摩擦力等阻力转动，实现一定的开度。当节气门体出现故障或者驱动电机的控制信号被切断时，在双向复位弹簧的作用下回到初始状态，此时节气门保持一个较小的开度，称为自然开度［5］。由于复位弹簧是扭转弹簧，具有非线性特性，其非线性特性方程为：

式中：Tsp为复位弹簧弹力；θ为节气门阀片转角；θ0为复位弹簧平衡位置；m1复位弹簧增益；D为弹簧偏移量。

3）齿隙非线性

驱动电机到节气门转动轴之间采用了齿轮传动机构。由于齿轮机构在啮合时存在齿间间隙，一般将齿间间隙非线性视为输入扭矩的函数，表示为［6］：

式中：x为输入转矩；y为输出转矩；δ为死区宽度。

在这3中非线性因素中，影响最大的是弹簧非线性，其次是粘滑摩擦非线性和齿隙非线性［7］。

1.3 节气门系统的数学模型

电子节气门的工作时，驱动电机接收到控制单元发出的控制信号而转动，经减速齿轮传动带动节气门阀片克服回复弹簧弹力等阻力转到需要的开度位置。由此可以建立节气门系统的动力学模型，其运动微分方程为［8］：

式中：ω为驱动电机电机转速；J为节气门阀片转动惯量；ia为直流电机的电流；B为粘性阻尼系数；Kt为电机转矩常数，Tf为摩擦力矩。

根据齿轮传动的特性可知，节气门阀片的转角θ与驱动电机转速ω之间的关系：

式中：N为齿轮传动比。

图3为直流电机的电路模型。

图3 直流电机电路模型

根据基尔霍夫电压定律，直流电机的系统微分方程为：

式中：La为直流电机电枢电感；Ra为电枢电阻；ia为电枢电流；μa为电枢电压；Kv为直流电机反电动势系数。

2 电子节气门系统的设计与仿真

在电子节气门控制系统中，由于上述非线性因素的存在使得电子节气门的动态性能容易受到影响。PID控制是最早发展起来的控制策略之一，其算法简单、鲁棒性好、可靠性高。PID控制器的控制原理是根据给定值r（t）与实际输出值c（t）之间的偏差实现控制过程：

PID控制的数学模型如下：

式中：u（t）为PID控制器输出函数；e（t）为PID控制器输入函数，即偏差；Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数。

所设计的电子节气门PID控制系统的系统框图如图4所示：

图4 电子节气门控制系统框图

系统对汽车在各种运行状态下的节气门期望开度和实际开度进行PID控制，产生一个控制量，通过驱动系统驱动电机，根据控制效果改变PID控制参数，最终达到最佳控制。本次设计当中，Kp、Ki、Kd分别为 0.75，7.6，0.2。图5是输入信号分别为1V、2V和2.5V时，PID控制器的输出波形。图6是输出信号随输入信号的变化曲线。

图5 控制信号为1V、2V和2.5V时的实验波形

3 结 论

电子节气门控制系统是一个复杂的非线性时变系统。本文主要阐述了电子节气门控制系统的构造原理，分析了3个主要的非线性因素，并且建立了系统的数学模型。利用此模型，结合增量式PID控制原理，设计了基于增量式PID控制的电子节气门控制系统，并进行了Matlab仿真。仿真结果显示，电子节气门采用增量式PID控制，具有超调量较小、性能稳定、跟踪效果好、稳态误差小、抗干扰能力强、动静态性能好和可靠性高等优点。

图6 输入和输入的关系曲线

［1］杜开明，秦大同，刘振军，等.电子节气门仿真控制［J］.重庆大学学报（自然科学版），2005，28（4）：14－18.

［2］冯能莲，董春波，宾 洋，等.电子节气门控制系统研究［J］.汽车技术，2004（1）：1－4.

［3］郭 连.汽车发动机电子节气门控制系统设计研究［D］.杭州：浙江大学，2004：23－26.

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［8］Pan YD，Dung，iOzgunerO.Variable－Structure Control o f Electronic Throttle Valve［J］.Industrial Electronics，2008，55（11）：3899－3907.

Control Design and Simulation of Electronic Throttle Based on the PID

Wan Chuanping，Zhang Haitao，Chen Jieping

This paper describes the structure and working principle of the electronic throttle and analyzes its control characteristics and its production and control methods of Non－Linear factors.According to its working process the dynamic model and circuit model of the electronic throttle are established.Combining with the mathematical model and the characteristics of incremental PID control，the control system of the electronic throttle is designed and a Matlab simulation is made.Based on the simulation results，using incremental PID control has advantages of smaller overshot，stable performance，small steady－state error，good tracking，good performance of dynamic and static performance，capability of anti－interference and high reliability.

Electronic throttle；Non－Linear；incremental PID control；Matlab simulation

TP273

A

1673-1794（2012）05-0025-03

宛传平（1975－），男，安徽庐江人，实验师，硕士，研究方向：机械工程。

安徽高校省级自然科学研究项目（KJ2012Z057）；安徽科技学院青年基金（ZRC2011287）；安徽科技学院重点建设学科（AKXK20102－5）

2012-02-24