許凌，魯楊，張蓉，遲英姿，張文慶

（1.南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院，江蘇 南京 211134；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京 210031）

引言

節(jié)氣門是控制空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的一道可控閥門，其性能的好壞對(duì)汽車的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性以及舒適性有很大的影響[1]。

由于電子節(jié)氣門系統(tǒng)存在的非線性特性包括非線性彈簧、非線性摩擦、減速齒輪間隙的非線性和進(jìn)氣氣流對(duì)節(jié)氣門閥片的非線性作用等，以及一些傳感器在控制系統(tǒng)的不斷使用過程中存在的可靠性變差和機(jī)械磨損等問題。與傳統(tǒng)的機(jī)械節(jié)氣門不同，電子節(jié)氣門系統(tǒng)中會(huì)增加很多傳感器并且還需要裝備控制單元以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其造價(jià)要比機(jī)械式節(jié)氣門高出很多。在設(shè)計(jì)電子節(jié)氣門系統(tǒng)時(shí)因無法考慮到不同的駕駛者的駕駛習(xí)慣以及車輛的所有行駛情況，電子節(jié)氣門系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還不夠個(gè)性化。因此，要通過控制節(jié)氣門閥片開度來實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣量的精確控制，必須要研究電子節(jié)氣門的控制，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能[2]。

本文提出了基于模糊控制的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)，旨在提高電子控制系統(tǒng)和其他系統(tǒng)的可結(jié)合性、操縱性、舒適性和穩(wěn)定性。

1　電子節(jié)氣門及其標(biāo)定

1.1　電子節(jié)氣門系統(tǒng)

電子節(jié)氣門系統(tǒng)取消了機(jī)械式節(jié)氣門的剛性連接，采用一種柔性控制方式，電子節(jié)氣門系統(tǒng)主要由加速踏板位置傳感器、電子節(jié)氣門體總成、電子節(jié)氣門控制單元等組成（圖1）。

圖1　電子節(jié)氣門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

（1）加速踏板位置傳感器：加速踏板是反映駕駛員意圖的裝置，它的核心是兩個(gè)電位計(jì)式位置傳感器，其內(nèi)部主要是一個(gè)根據(jù)位移量變化的可變電阻，電壓值變化范圍為 0V到5V之間。根據(jù)踏板位移量的多少轉(zhuǎn)化成不同的電壓信號(hào)并傳遞給電子控制單元（ECU）。不同于傳統(tǒng)節(jié)氣門，節(jié)氣門開度不再是由油門踏板直接控制。

（2）電子節(jié)氣門體總成：電子節(jié)氣門體由閥體、閥片、回拉彈簧、節(jié)氣門位置傳感器、傳動(dòng)軸、傳動(dòng)齒輪、電機(jī)等結(jié)構(gòu)組成。

（3）電子節(jié)氣門控制單元(ECU)：ECU 是整個(gè)電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的核心。駕駛員的意圖經(jīng)由 ECU 分析做出判斷，給驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)出指令，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門閥片轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)其開度變化。

1.2　電子節(jié)氣門的標(biāo)定

采用 90C51RD+型號(hào)單片機(jī)進(jìn)行電子節(jié)氣門開度的位置標(biāo)定，ET2046芯片主要用來進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，采集與輸出數(shù)據(jù)，試驗(yàn)中采用動(dòng)態(tài)數(shù)碼管模塊主要是為了將采集到的節(jié)氣門傳感器數(shù)據(jù)值顯示在動(dòng)態(tài)數(shù)碼管上方便讀數(shù)。

圖2　電子節(jié)氣門偏轉(zhuǎn)角度示意圖

試驗(yàn)過程與步驟：標(biāo)定過程利用單片機(jī)數(shù)碼管顯示出當(dāng)時(shí)傳感器輸出的模擬量，通過對(duì)輸出模擬量的處理將其轉(zhuǎn)換為電壓值的大小。因傳感器輸出模擬量，經(jīng)過單片機(jī)上模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，寄存器是 12位的，計(jì)算機(jī)里面都是 0和 1兩種數(shù)字，5V除以2的12次方就是單位代表的電壓值，再乘以采集出來的數(shù)值就是電壓值。角度通過數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換計(jì)算出相應(yīng)的角度。電子節(jié)氣門偏轉(zhuǎn)角度示意圖如圖2所示。

記錄出數(shù)碼管顯示模擬值并計(jì)算此時(shí)節(jié)氣門位置，根據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系轉(zhuǎn)換計(jì)算出對(duì)應(yīng)開度夾角，節(jié)氣門位置傳感器輸出電壓與節(jié)氣門開度關(guān)系表如表1所示。

表1　節(jié)氣門位置傳感器輸出電壓與節(jié)氣門開度關(guān)系表

電子節(jié)氣門系統(tǒng)特性參數(shù)是建立電子節(jié)氣門體的仿真模型的基礎(chǔ)，對(duì)于電子節(jié)氣門硬件和軟件的設(shè)計(jì)也非常重要。電子節(jié)氣門系統(tǒng)需要標(biāo)定的模塊包括節(jié)氣門位置傳感器與節(jié)氣門開度的關(guān)系曲線。節(jié)氣門位置傳感器輸出特性指節(jié)氣門位置傳感器輸出電壓隨節(jié)氣門開度的變化關(guān)系曲線[3]。擬合節(jié)氣門位置傳感器輸出特性曲線如圖3所示。其中擬合關(guān)系曲線表達(dá)式為：

圖3　節(jié)氣門位置傳感器輸出特性曲線

1.3　加速踏板位移量與傳感器電壓標(biāo)定

在本試驗(yàn)中，需要將加速踏板的位移量與加速踏板位置傳感器的輸出電壓值進(jìn)行標(biāo)定，利用電子節(jié)氣門試驗(yàn)平臺(tái)、數(shù)據(jù)采集卡、裝有LabVIEW的計(jì)算機(jī)，將數(shù)據(jù)采集卡與踏板上的位置傳感器相連，之后將數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)相連，在LabVIEW中設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單算法，讀取實(shí)時(shí)的傳感器輸出電壓值。

圖4　踏板角度與輸出電壓標(biāo)定曲線

在試驗(yàn)時(shí)，記錄踏板不同旋轉(zhuǎn)角度時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出電壓，從而得到輸出電壓信號(hào)與踏板旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系曲線，關(guān)系曲線如圖4所示。

2　電子節(jié)氣門模糊控制器的設(shè)計(jì)

由于電子節(jié)氣門的機(jī)械系統(tǒng)存在著較強(qiáng)的非線性因素，驅(qū)動(dòng)電機(jī)存在著磁滯性，因而在改變其轉(zhuǎn)動(dòng)方向時(shí)有滯后性，使得電子節(jié)氣門的精確控制較為困難。因此選擇模糊算法作為控制策略。模糊控制以規(guī)則推理為核心，是建立在抽象水平上的控制，其最大特點(diǎn)是不需要控制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，特別適用于像電子節(jié)氣門和發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制等這樣的非線性控制[4]。

2.1　電子節(jié)氣門模糊控制器設(shè)計(jì)

從電子節(jié)氣門數(shù)學(xué)模型可以看出，電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)屬于二階系統(tǒng)，又由于一維模糊控制器具有動(dòng)態(tài)性能不佳和多維模糊控制器控制規(guī)則復(fù)雜并難以實(shí)現(xiàn)。因此，選用二維模糊控制器進(jìn)行電子節(jié)氣門控制，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　二維控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

模糊控制器的輸入?yún)⒘抗?jié)氣門位置偏差 e(k)和位置偏差變化率ec(k)在第 k次采樣時(shí)刻有：

θd為電子節(jié)氣門系統(tǒng)的期望位置, 通過加速踏板位置傳感器信號(hào)電壓變化反映；θ為節(jié)氣門實(shí)際位置反饋, 通過節(jié)氣門位置傳感器的電壓來反映；誤差e及誤差變化率ec為模糊制器輸入變量；輸出參量u作為控制節(jié)氣門直流電機(jī)電壓的PWM占空比。

2.2　輸入、輸出模糊化過程

節(jié)氣門的位置誤差e實(shí)際變化范圍定義為[-0.1，0.1]，超過這個(gè)范圍的都把它當(dāng)作邊界值來處理。誤差變化率ec的變化范圍為[-0.05，0.05]，u的范圍定義為[-1，1]。誤差語言變量e、誤差變化率語言變量ec和控制量語言變量U的論域等級(jí)均被定義為{?6，?5，?4，?3，?2，?1，0，1，2，3，4，5，6}。為了進(jìn)行模糊化處理，須將輸入變量乘以相應(yīng)的量化因子，然后將輸入變量從基本論域轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的模糊集的論域。誤差的量化因子及誤差變化的量化因子分別由下面兩個(gè)公式來確定，即：

由于模糊推理輸出的結(jié)果是一個(gè)模糊集合，電子節(jié)氣門系統(tǒng)只能接受一個(gè)精確量，而這個(gè)精確量只是模糊控制器輸出論域中的一個(gè)量或是論域中兩個(gè)元素之間的一個(gè)量，將它乘以比例因子，才能施加到電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)上?？刂屏康谋壤蜃訛椋?/p>

2.3　模糊推理

語言變量值的選取及語言變量論域上的模糊子集：誤差語言變量e、誤差變化率語言變量ec和控制量語言變量u的值均設(shè)定為｛負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大｝，用英文縮寫為{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝。語言變量模糊子集{ NM，NS，ZE，PS，PM}采用靈敏度較高的三角形函數(shù),均勻分布,而語言變量{NB}和{PB}分別采用Z函數(shù)和S函數(shù)。

電子節(jié)氣門模糊控制器模糊控制規(guī)則：當(dāng)誤差大或較大時(shí)，選擇控制量以盡快消除誤差為主；而當(dāng)誤差較小時(shí)，選擇控制量以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點(diǎn)，要防止超調(diào)。本文采用Mamdani模糊推理方法。模糊控制規(guī)則共有49 條規(guī)則，如表2所示[5]。

表2　模糊控制規(guī)則表

2.4　清晰化

非模糊化把輸出模糊量轉(zhuǎn)化為輸出變量的值，它又叫模糊決策。由于對(duì)于一個(gè)輸出變量有多個(gè)模糊子集，因而有多個(gè)模糊輸出變量，這樣就需從多個(gè)模糊子集及它們的隸屬函數(shù)中判斷出一個(gè)控制量。非模糊化的方法與輸出模糊子集的隸屬函數(shù)定義方法有關(guān)，可以采用面積重心法，即加權(quán)平均法，把推理得到的模糊子集轉(zhuǎn)變?yōu)榍宄目刂戚敵鲂盘?hào)。

在仿真試驗(yàn)中，在Mamdani 型模糊推理中的模糊邏輯算法的清晰化中選用面積中心法，即使用面積重心法使信號(hào)精確輸出，得到模糊控制器的輸出為：

式中，u(xi)為 xi點(diǎn)處的隸屬度函數(shù)值。

利用單片機(jī)可以把預(yù)先算好的控制量u的表格存在 ECU中，查表即可得到相應(yīng)的控制量。

3　電子節(jié)氣門模糊控制仿真試驗(yàn)分析

3.1　建立電子節(jié)氣門數(shù)學(xué)模型

在電子節(jié)氣門的控制中，主要受到彈簧非線性、摩擦非線性以及齒輪非線性的影響。需要對(duì)這三種非線性因素進(jìn)行分析。其中彈簧非線性的影響最為重要，摩擦非線性次之，齒輪非線性最小。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，可以總結(jié)出傳動(dòng)系統(tǒng)的微分方程為[6]：

式中，N—齒輪傳動(dòng)比；Jm—電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J—節(jié)流閥轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；fm—電機(jī)粘性摩擦系數(shù)；Kf—庫倫摩擦系數(shù)；Ks—扭轉(zhuǎn)剛度；Km—電機(jī)扭矩系數(shù)。

3.2　電子節(jié)氣門仿真試驗(yàn)相應(yīng)特性分析

根據(jù)分析所得的數(shù)學(xué)模型，在 MATLAB/Simulink將節(jié)氣門體和模糊控制器結(jié)合起來成為一個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)。電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的仿真模型如圖6所示，圖7和圖8為采用模糊策略進(jìn)行控制電子節(jié)氣門階躍跟蹤信號(hào)仿真結(jié)果圖。

圖6　電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)仿真圖

圖7　階躍信號(hào)跟蹤試驗(yàn)結(jié)果圖

圖8　正弦信號(hào)跟蹤試驗(yàn)結(jié)果圖

由圖7、圖8仿真曲線可看出，模糊控制輸出曲線超調(diào)量明顯減小，快速性也明顯提高，穩(wěn)定性增加，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，魯棒性提高，干擾和參數(shù)變化對(duì)控制效果的影響被大大減弱，大大改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

通過模糊控制的啟發(fā)性的知識(shí)及語言決策規(guī)則設(shè)計(jì)，有利于模擬節(jié)氣門人工控制的過程和方法，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力，使之具有一定的智能水平。

圖7為采用模糊控制算法時(shí)，節(jié)氣門對(duì)階躍信號(hào)的響應(yīng)曲線，從圖中可以看出，系統(tǒng)不存在超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)誤差較大，且和階躍量成正比，最大可達(dá) 5%。系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢，上升時(shí)間可達(dá)300ms。由此可見采用模糊控制算法時(shí)，系統(tǒng)對(duì)階躍輸入不能實(shí)現(xiàn)太好的跟蹤，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

圖8為采用模糊控制時(shí)，節(jié)氣門對(duì)正弦信號(hào)的響應(yīng)曲線，從圖中可以看出，系統(tǒng)沒有超調(diào)量，最大延遲為200ms左右，沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的延遲和穩(wěn)態(tài)誤差，因此系統(tǒng)比較穩(wěn)定。

4　結(jié)論

（1）以階躍信號(hào)作為系統(tǒng)輸入，模糊控制的響應(yīng)曲線幾乎不存在超調(diào)量，但響應(yīng)曲線的上升時(shí)間比較長(zhǎng)，并且存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差。

（2）以正弦信號(hào)作為系統(tǒng)輸入，模糊控制的跟蹤信號(hào)稍微落后于給定的輸入信號(hào),存在一定的延遲，但沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的延遲和穩(wěn)態(tài)誤差。

（3）模糊控制輸出曲線超調(diào)量明顯減小，快速性也明顯提高，穩(wěn)定性增加，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，魯棒性提高，干擾和參數(shù)變化對(duì)控制效果的影響被大大減弱，大大改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。但模糊控制策略在響應(yīng)時(shí)間和控制精度都比較差，可能是選取的模糊子集范圍太小、對(duì)隸屬分布函數(shù)選得不夠精確造成的，需要在這方面加以改進(jìn),尤其是模糊控制規(guī)則的制定；或者結(jié)合PID與模糊控制兩種思想實(shí)現(xiàn)對(duì)電子節(jié)氣門更精確的控制。

[1] 羅欽.智能電子節(jié)氣門控制策略研究[D].重慶交通大學(xué),2016.

[2] 劉奇.汽油發(fā)動(dòng)機(jī)電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011

[3] 馮鎮(zhèn),肖壽高,焦磊.電子節(jié)氣門控制策略仿真研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2012,33(04):1665-1669.

[4] 陳劍.汽油機(jī)電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制方法研究[D].長(zhǎng)安大學(xué),2011.

[5] 侯麗春.某型電子節(jié)氣門 PID 模糊控制系統(tǒng)仿真分析[J].汽車技術(shù),2015(11):44-46+51.

[6] 文愛民,刁秀永,高強(qiáng). 搭建試驗(yàn)平臺(tái)研究電子節(jié)氣門控制策略[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào),2015,36（5）：180-184.

[7] B.Ashok,S.Denis Ashok,C.Ramesh Kumar.Trends and future perspec-tives of electronic throttle control system in a spark ignition engine[J]. Annual Reviews in Control,2017,44:97-115.