电子节气门非线性控制策略

王魏　于洪涛　刘少飞　孙志超　白洋

摘 要：电子节气门控制（ETC）目的是提供稳健、精准的节气门阀片位置。此控制策略由参数自适应PID控制器和摩擦力补偿、跛行位置等非线性补偿组成，试验证明电子节气门非线性策略具有较高的稳态精度，优良的跟踪性能和较好的鲁棒性。

关键词：电子节气门；前馈控制；非线性；自适应；鲁棒性

中图分类号：TK 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2016）05-0050-05

Abstract： The aim of electronic throttle control strategy is to provide robust and precise positioning of the throttle plate. The control strategy consists of an adaptive PID controller and a nonlinear compensator of friction and limp-home. Experiment verified that the nonlinear control strategy has the high steady-state precision， good tracking response and better robustness.

Key Words： Electronic throttle； Feedforward； Nonlinear； Adaptive； Robustness

1 前言

电子节气门是发动机管理系统（EMS）中非常重要的装置，通过节气门阀片位置调节流入燃烧室的新鲜空气质量。电子节气门靠直流伺服电机驱动，目的是提供稳健、精准的阀片位置（图1），提升燃油经济性，改善车辆排放，提高驾驶性能。相比传统的直流伺服电机驱动，电子节气门包含一些特殊的设计特性，比如，缺少内部电流控制环路，使用电位计作为位置传感器，有两个强劲的复位弹簧会在跛行位置产生非线性作用力，电子节气门驱动时摩擦力会影响电子节气门的性能。

电子节气门控制系统的主要需求是在任一参考点，任何幅值的非周期阶跃信号激励下，皆满足系统响应无超调，响应时间小于100ms，稳态误差范围在±0.075度内。同时要求控制系统具备较强的鲁棒性，有能力处理由于产品生产偏差造成的参数变化，或者因外部环境（温度、老化）产生的变化，并且要求控制策略具有简单的结构。

为了满足以上需求设计电子节气门非线性控制策略，图1为控制策略原理图，其控制策略分为四层[1-2]，基础控制由PID控制器、前馈控制和电池电压增益组成，自适应由参数部分和参数自动转换部分组成，本文只对非线性策略对小阶跃信号的改善进行分析。

2 过程模型

过程模型[3-5]包括PWM发生器（H桥）和电子节气门体两部分，如图1所示。图2为节气门体的过程模型，包括直流电机的线性模型和非线性模型Fm（ω）（图2虚框中所示）：摩擦力模型Tsp（θ） 和双复位弹簧（过跛行位置） 。

PID控制器能有效地保证电子节气门的响应，然而到达小阶跃信号（偏差较小时）节气门响应会发生严重的恶化，此原因取决于跛行回家位和摩擦力的非线性影响。

2.1 摩擦力影响补偿

摩擦力矩包括粘性摩擦力矩和库仑摩擦力矩，其中库仑摩擦属于静摩擦，而粘性摩擦属于动摩擦。粘性摩擦力矩与节气门阀片的转速大小有关，方向与转动方向相反；库仑摩擦力矩则与节气门阀片运动方向有关，方向亦与其相反[6-7]，以下公式为摩擦力数学模型，对应的过程模型如图2所示。

（2-1）

动态摩擦力和静态摩擦力的影响在系统随期望值调节过程中会产生相当程度的延迟，此影响难以控制，尤其是期望值在小范围变化时，会很大程度影响系统控制精度，如图4所示：

图4为基于偏差的摩擦力影响的动态补偿，其中 为滑动摩擦力补偿的偏差限值， 静态摩擦力补偿的偏差限值，ETC_StatFricActv_s16_D为滑动摩擦力补偿的速度限值， 为静态摩擦力补偿占空比， 为滑动摩擦力积分系数。

图3所示，摩擦力影响的动态补偿以额外的占空比作为预控值（前馈控制），其中静态摩擦力补偿以占空比常数作为预控值，滑动摩擦力补偿以常数积分值作为预控值。当偏差绝对值大于 或落入 范围时，摩擦力补偿值为0，当偏差绝对值大于 时，静态摩擦补偿起作用，当偏差的速度落入 范围时，滑动摩擦力动态补偿起作用。

2.1.1 实验数据分析

输入小阶跃测试信号，进行PIL测试，并用INCA采集数据。图4表明系统响应有较大的延迟且在稳定状态存在较大误差，在阶跃信号处占空比有较大波动且存在噪音干扰。反之图6为带有摩擦力补偿的小阶跃信号响应无超调，延迟时间短，稳态精度高，输出占空比波动范围小，较为集中，表明带有摩擦力非线性动态补偿的控制策略具有优秀的跟踪性能，和较强的抗噪音能力。

2.2 过跛行回家位的非线性影响

节气门阀片过平衡位置（跛行位置）会受到弹簧扭矩系数为 和 两个弹簧力矩非线性作用，如图2过程模型所示，尤其是在小阶跃信号时其响应会有相当大的延迟如图7所示：

输入过跛行位置的阶跃测试信号，并用INCA采集数据，图7-a为未带有跛行位置非线性补偿其阶跃响应在接近期望值时有较大延迟，图8-b为带有跛行位置非线性补偿，其阶跃响应延迟较小，表明经跛行位置非线性补偿后系统更近似线性系统。

2.3 系统性能分析

综上所述改善后系统小开度阶跃响应的响应时间和震荡时间，较改善前有明显提升，改善前小阶跃相应的超调量出现不确定性，而改善后系统的超调量为0%，如表2所示。稳态精度改善后较改善前有明显提高，体现出较好的跟踪性能。

3 结论

试验证明摩擦力非线性动态补偿和跛行位置非线性补偿模型作为前馈控制能够有效改善小阶跃信号运行模式的性能，提升系统稳态精度和跟踪性能，提升系统鲁棒性， 增强系统的耐久性，使系统更接近于线性系统。

进一步说明对被控对象进行PID精确控制需要对被控对象的细节进行了解和分析。

参考文献：

[1]Jo?koDeur， DanijelPavkovi. An Adaptive Nonlinear Strategy of Electronic Throttle Control.SAE TECHNICAL PAPER SERIES， Detroit， 2004-3.

[2]Xun Gong， Yunfeng Hu. A Nonlinear Feedforward-Feedback Controller Design for Electronic Throttle Based on Flatness [C]. Chinese Control and Decision Conference （CCDC）， 2012， 24th： 1542-1547.

[3]孙亮亮. 汽车发动机电子节气门控制系统建模与仿真[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.

[4]朱二欣. 电子节气门控制系统的开发研究[D]. 长春：吉林大学，2004.

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[6]Oguz Hasan Dagci， Yaodong Pan， UmitOzguner. Sliding mode Control of Electronic Throttle valve. In Proceedings of the American Conference. 2002：196-198.

[7] U. Ozguner， S. Hong， and Y. Pan. Discrete-time sliding mode control of electronic throttle valve. In Proc. 40th IEEE Conf. Decision Contr， 2001， pp： 1819-1824.

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