汽车发动机电子节气门智能控制系统研究

朱刘宁 马鞍山职业技术学院

汽车发动机电子节气门智能控制系统研究

朱刘宁 马鞍山职业技术学院

项目编号：2015zjjh047，安徽省质量工程项目：卓越人才教育培养计划

汽车发动机是汽车运行的核心配件，对于汽车安全有着非常重要的作用，所以重视发动自的控制安全是发动机设计和生产的重要内容。在技术不断发展的今天，汽车发动机的智能化控制系统逐步的实现，但是从目前的研究来看，在汽车发动机电子节气门智能控制系统方面还存在一些问题，所以深化现状研究，并针对现状进行相应模型的设计，从而实现智能化控制系统的性能提升和安全度提高具有重要的意义。本文就汽车发动机电子节气门智能控制系统进行研究，其目的就是要强化控制系统的优化设计，实现其安全和性能的提升。

汽车发动机；电子节气门；智能控制系统

随着汽车技术的不断发展和人们对于社会生活质量追求的不断提升，人们对于汽车制造提出了更高的要求，而发动机作为汽车的重要部件，其变速性能自然也受到了人们更多的关注。从目前的汽车生产实践来看，发动机减速响应时间的缩短和舒适性的提升已经成为了汽车控制所追求的全新目标。从生产实践经验来看，减速快速响应性能的提高，会造成汽车在减速瞬间出现巨大的振荡，所以对减速响应和舒适性提高进行研究深入，促进二者的平衡至关重要。电子节气门是汽车发动机的重要组成部分，能够精确的控制发动机空气的进入，所强化电子节气门的智能控制系统能力提升，可以有效的提升发动机控制性能。

1.电子节气门控制系统组成和数学模型的建立

1.1 电子节气门控制系统的组成

电子节气门是汽车发动机的重要组成部分，其智能控制系统主要包含三项内容：分别是传感器、智能控制器和执行机构。传感器在实际应用的过程中对节气门的开度信息进行采集，将其传递给智能控制器之后，控制器会对节气门开度进行相应的处理，在对节气门的状态进行控制之后，由决策机构做出执行指令，最后由执行机构执行相应的决策指令。

因为在目前的汽车技术中，电子技术被广泛的利用，所以使用的节气门也基本都是电子式节气门。从构成要素来看，电子式节气门的主要构成元件有四部分，分别是驱动电机、复位弹簧、节气门位置传感器和减速齿轮组。从实际的分析来看，电子节气门其实就是一个机电传动系统。这个系统在直流伺服电机、减速齿轮装置以及复位弹簧传动的共同作用下发生作用。在作用的同时，节气门阀门和负载的转矩可以得到克服，从而实现了节气门的精准控制。从这个层面来看，电子节气门的数学模型结构主要由两部分构成，第一部分是驱动电机的数学模型，第二部分则是传动系统的数学模型。从结构上来看，电子式节气门和机械节气门的传动部分结构具有相似性。

1.2 驱动电机数学模型

在电子节气门当中，采用的驱动电机一般是直流电机。直流电机的等效电路图中，线圈因为等效产生电阻和电感。在实际利用中发现，电枢的电阻主要作用是限流，而电感的主要作用则是缓冲。通过这两者的作用，电机的动态性能可以得到很好的调节。

在实际应用的过程中，等效电路图可以进行相应的简化，而在简化之后，根据基尔霍夫定律，可以建立起直流电机的微分方程：

这个公式涉及的量比较多，其中Ra指的是电枢绕组，Rr指的是电源的内阻，L表示的是电枢的电感，而i则表示电流。N是齿轮所产生的减速比，kt是电机的扭矩系数，w表示的是电机的角速度，u表示真空比，E是电源的电压。

1.3 机械传动部分

机械传动部分也是节气门智能控制系统中的重要部分，所以也需要进行相应的数学模型设计。从实际应用来看，机械传动部分和机械节气门的传动具有一致性，减速齿轮都会将电机输出的扭矩传送至节气门，但是电机转速在过快的情况下，其转动角度必须要按照一定的比例进行缩小，这样才能更好的控制节气门的开度。对整个机械传动部分涉及到的要素进行公式列举，然后将公式进行综合后得到以下式子：

这三个式子综合，则构成了电子节气门数学模型。

2.控制器仿真实验

从结构分析上来看，电子节气门主要是由直流电机和传动机构两部分来构成。直流电机在运行至稳定状态的时候，表现出的显著特征是线性，而当其处于变速的时候，表现出的特征又是非线性，所以在进行划分的时候，需要进行整体的考虑，而不是单纯的划分为线性或者非线性。电子节气门的传动部分包含了较多的零部件，其中有弹簧、齿轮等，而在运行过程中表现出来的弹簧非线性，齿隙非线性以及摩擦非线性等，属于非常典型的非线性系统。因此，在进行控制的时候，要采用模糊自适应PID策略，这样便可以实现对电子节气门快速平稳的的响应控制。从仿真实验来看，表明了三方面的控制结果。

第一是在利用普通PID进行控制的时候，非常容易出现超调的现象，但是这种控制方法的结构比较简单，在硬件实现方面特别的容易。第二是利用滑膜变结构进行控制，超调量相比于PID控制会有比较显著的改善，在控制中的动态跟随性也比较良好，但是在变速运动的时候，抖动非常的严重，控制效果的毛刺曲线比较明显，而动态响应的时候，稳定性也会变差。第三，从仿真实验结果来看，模糊自适应PID不仅具有比较好的动态跟随性，变速的平稳性也比较突出。所以这种控制系统在汽车电子节气门的快速响应和变速平稳性方面有着突出的效果。

3.结束语

汽车发动机是汽车运行的关键设备，而电子节气门则是发动机性能的重要调节配件。就目前的情况而言，电子节气门能够对发动机的性能进行有效的调节，但是在调节的过程中，智能控制系统的不佳会造成调节效果的减弱，所以深入的分析电子节气门的构成，并将其运行利用数学模型进行仿真实验，通过实验结果的分析，能够更加准确的探讨出电子节气门智能控制系统的设计方案。

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朱刘宁（1981.3－ ），女,汉族，河南郸城人，马鞍山职业技术学院，工学硕士，讲师，从事自动化、汽车电子等问题研究。