（交通信息工程及控制专业论文）怠速工况电子节气门ANFIS控制仿真研究.pdf

哈尔滨丁程大学硕七学位论文 摘要 发动机节气门采用电子控制技术，解决了节气门机械控制方式由于其动 态特性的限制而很难根据汽车的不同工况相应做出精确、及时调整的问题。 通过控制算法调整节气门丌度，能够精确控制进气量，使发动机空燃比控制 达到最优，从而实现发动机的最佳性能，提高车辆动力性和经济性，减少有 害物质的排放。本文在电子节气门控制研究的基础上结合发动机怠速工况的 特点，对发动机怠速稳定性控制进行了仿真研究。 本文采用b o s c h 电子节气门，取消了传统节气门的怠速旁通阀，怠速空 气流量通过节气门的开度进行控制。选用i n t e l 公司的1 6 位单片机8 0 c 1 9 6 k b 为主芯片，开发了怠速工况电子节气门控制系统的硬件电路，采用h 桥 l m d l 8 2 0 0 芯片来实现直流电机的正反转控制，从而实现对节气门开度的控 制。 根据发动机怠速工况的不确定性、非线性、时变性的特性，本文提出将 自适应神经模糊推理系统( a d a p t i v en e t w o r kf u z z yi n f e r e n c es y s t e m ， a n f i s ) 控制算法应用于怠速工况电子节气门控制系统。基于t s 模型的a n f i s 借助神经网络的信息贮存能力和学习能力，通过对系统的结构辨识和参数辨 识，自动地初始化模糊规则，并自适应调整前提参数和结论参数，优化控制 规则、隶属函数和输出函数，从而实现对系统的有效控制。 利用m a t l a b s i m u l i n k 建立怠速工况电子节气门控制器模型和发动机模 型。基于m a t l a b x p ct a r g e t 构建的电子节气门硬件在环仿真系统，对a n f i s 怠速控制算法的有效性进行了实时仿真验证。仿真结果表明：a n f i s 控制算 法用于发动机怠速稳定性的控制是可行且有效的，控制效果佳，具有良好的 稳态性和动态性，满足了发动机怠速稳定性控制的要求：基于x p ct a r g e t 构建的硬件在环仿真系统为怠速工况电子节气门控制系统提供了一个友好的 开发和测试环境，缩短了研发周期。 关键词：电子节气门；控制算法；怠速；发动机模型；硬件在环仿真 哈尔滨一l ：程火学硕十学位论文 a b s t r a c t e l e c t r o n i ct h r o t t l ec o n t r o lt e c h n o l o g ys o l v e dt h ep r o b l e m st h a tm e c h a n i c a l t h r o t t l ec o n t r o lc o u l d n ，td o b e c a u s eo fm e c h a n i c a lt h r o t t l e sr e s t r i c t i o n so nt h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，i tw a sv e r yd i f f i c u l tt om a k ea c c u r a t et i m e l ya d j u s t m e n t u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n so ft h ev e h i c l e n l et h r o t t l ed e g r e ew a sa d j u s t e db y c o n t r o la l g o r i t h m ，w h i c hc o n t r o ll e dt h ea i rr a t ep r e c i s e l yt oo b t a i nt h eb e s te n g i n e a i r f u e l r a t i o ，w i t har e s u l to fa c h i e v i n gt h ee n g i n eo p t i m a lp e r f o r m a n c e ， e n h a n c i n g v e h i c l e d y n a m i ca n de c o n o m i cp e r f o r m a n c e a n d r e d u c i n gt h e d i s c h a r g e o fh a r m f u ls u b s t a n c e s i nt h i s 。d i s s e r t a t i o n ，t h e s t a b i l i t y c o n t r o l s i m u l a t i o no fe n g i n ei d l es p e e dw a ss t u d i e do nt h eb a s i so fe l e c t r o n i ct h r o t t l e c o n t r o lw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fi d i ec o n d i t i o n e l e c t r o n i ct h r o t t l eo fb o s c ha b o l i s h i n gt h et r a d i t i o n a li d l eb y p a s sv a l v ew a s a d o p t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w h i c hc o n t r o l l e di d l ea i rt of l o wt h r o u g ht h eo p e n i n g o ft h r o t t l e f o ra c h i e v i n gt h eo p e n i n go ft h et h r o t t l ec o n t r o l ，t h ei n t e l s16 - b i t s c m8 0 c19 6 k bm a i nc h i pw a su s e dt od e v e l o pe l e c t r o n i ct h r o t t l ec o n t r o ls y s t e m h a r d w a r ec i r c u i to nt h ec o n d i t i o no fe n g i n ei d l i n g ，a n dh b r i d g el m d 18 2 0 0c h i p w a su s e dt oa c h i e v er e v e r s i b l ec o n t r 0 1o ft h ed cm o t o r b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fu n c e r t a i n t y ，n o n l i n e a ra n dt i m ev a r i a b i l i t yo f t h ee n g i n ei d l i n g ，a na d a p t i v en e t w o r kf u z z yi n f e r e n c es y s t e m ( a n f i s ) w a s p r o p o s e di n t h i sd i s s e r t a t i o n ，w h i c hc o m b i n e dt h ef u z z yr e a s o n i n ga n dn e u r a l n e t w o r ka d a p t i v em o d e l i n g t h ei d l es p e e ds y s t e mw a sc o n t r o l l e de f f e c t i v e l yb y t h ea n f i sb a s e do nt h et - sm o d e l i nv i r t u eo ft h en e u r a ln e t w o r k si n f o r m a t i o n s t o r a g ec a p a c i t ya n dt h ea b i l i t yo fs e l f - l e a r n i n g ，a n f i si n i t i a l i z e da u t o m a t i c a l l y t h e f u z z yr u l e s a n da d j u s t e da d a p t i v e l yp r e m i s ea n d c o n c l u s i o np a r a m e t e r s t h r o u g ht h es t r u c t u r ei d e n t i f i c a t i o na n dp a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o no ft h es y s t e m a s t h er e s u l t ，t h e c o n t r o l r u l e s ，m e m b e r s h i pf u n c t i o na n do u t p u t f u n c t i o nw a s o p t i m i z e d t h es i m u l a t i o nm o d e lo fe l e c t r o n i ct h r o t t l ec o n t r o l l e ra n de n g i n ew a sb u i l t 哈尔滨工程大学硕士学位论文 w i t ht h et o o lo fm a t l a b s i m u l i n k t h ev a l i d i t yo ft h ee l e c t r o n i ct h r o t t l ec o n t r o l a l g o r i t h mw a st e s t e do nt h eh a r d w a r e i n t h e 1 0 0 p s i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do n m a t l a b x p ct a r g e t t h er e a l - t i m es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a ti d i es p e e d c o n t r o ls t r a t e g yb a s e do na n f i sw a sf e a s i b l ea n de f f e c t i v eo ft h ei d l es p e e d c o n t r o l s t a b i l i t y w h i c hh a db e t t e r s t a b i l i t y a n dd y n a m i c a l p e r f o r m a n c e ， a c c o r d i n g l ym e e t i n gt h es t a b i l i t yr e q u i r e m e n t so fe n g i n ei d l es p e e dc o n t r o l ； h a r d w a r e i n t h e 1 0 0 ps i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do nx p ct a r g e tp r o v i d e daf r i e n d l y e x p e r i m e n te n v i r o n m e n t f o rd e s i g n i n ga n dt e s t i n go fi d l es p e e dc o n t r o l l e r ，a n dt h e d e v e l o p m e n tp e r i o dw a ss h o r t e n e d e l e c t r o n i ct h r o t t l e ；c o n t r o la l g o r i t h m ；i d l i n g ；e n g i n em o d e l ； h a r d w a r e i n t h e l o o ps i m u l a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 日期：如占年3 月7 0 日 哈尔滨工稗火学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景 传统的机械式节气门，即刚性节气门，采用的是纯机械的方式对节气门 进行控制。在这种结构中加速踏板与节气门采用刚性连接又称为硬连接，呈 线性关系。如图1 1 所示为机械式节气门结构简图，加速踏板与节气门之间 通过油门拉线、杠杆等装置进行机械连接。当驾驶员希望提高发动机转速时， 踏下加速踏板，通过拉线杠杆等联动机构将节气门的开度调大，松开油门后 节气门在回位弹簧的作用下复位。 机械式节气门不能实现对开度的优化控制，而是严格服从驾驶员意图及 其操作，因此控制精度较差，难以根据汽车的不同工况做出相应地精确调整， 特别是在冷启动、低负荷和怠速工况下会导致经济性下降、有害物质排放量 增加等问题。在现代汽车中电子节气门采用电控技术能够很好的控制节气门 的开度。 通 图1 1 机械式节气门结构简图 电子节气门控制( e l e c t r o n i ct h r o t t l ec o n t r o l ，简称e t c ) 系统采用 微电子技术对节气门开度进行控制。图1 2 所示为电子节气门控制系统简 图。从图中可以看出电子节气门是由传感器、执行器及控制单元等组成的电 控系统，替代了原来加速踏板和发动机节气门之间的传动机构，即加速踏板 与节气门之间采用导线连接，因此电子控制节气门为柔性连接又称为软连接。 哈尔滨：i ：程火学硕十学位论文 加速踏控制pwm 图1 2 电子节气门控制系统简图 发动机电控单元根据加速踏板的位置、发动机的工况、状态及环境条件 等，按照发动机的特性，通过控制算法调整节气门开度，从而能够精确地控 制进气量，实现发动机最优空燃比控制，从而实现发动机最佳性能，提高车 辆的动力性和经济性，减少有害物质的排放。电子节气门控制解决了在节气 门机械控制方式中由于其动态特性的限制，很难根据汽车的不同工况相应地 做出精确而及时地调整等问题，并且通过增加各种功能来改善驾驶的安全性 和舒适性，。如牵引力控制、巡航控制、怠速控制等，从而使发动机控制更加 理想。 目前国外的发动机电控技术已经比较成型和完善，各大汽车公司针对自 己的汽车产品都开发和应用了相对完善和有效的控制技术和策略，使其发动 机产品能有较好的工作性能和相当的市场竞争力，同时也都针对排放、安全 等使用性能要求的提高，对发动机控制策略进行更进一步的研究与开发工作。 国内在发动机电控技术方面的有效研究要远远落后于国外，尤其是产品 上几乎是全面引进国外技术，没有自己自主开发的成型产品，造成在技术上 受控于国外的不利局面m - 。近几年实验室一直从事发动机电控系统的开发， 主要以捷达汽车发动机为控制对象，旨在研制出可在国内实用化的、价格低 廉的和易改装的汽车发动机电控系统，并申请了燃气发动机电控喷射控制设 备及控制方法的专利和两个基金项目：黑龙江省博士后基金和哈尔滨科技创 新人才研究专项资金。本文在这一研究背景下，针对国内电子节气门研究的 现状，对电子节气门进行进一步的研究，完善电子节气门的功能，提高电子 节气门的响应性和稳定性，从而改善发动机控制的稳定性。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 电子节气门控制技术的研究现状及发展趋势 1 2 1 电子节气门控制技术的发展 国外对电子节气门控制的研究已有2 0 多年的历史，但由于受价格、技术 和市场不成熟等因素的制约，电子节气门控制发展缓慢。直到近年来，电子 节气门控制作为先进车辆控制与安全系统( a d v a n c e dv e h i c l e c o n t r o la n d s a f e t y s y s t e m ，a v c s s ) 的关键技术之一，才重新备受重视。美国d e l p h i 、 v i s t e o n ，德国的b o s c h 、p i e r b u r g 和日本h i t a c h i 等汽车公司和零部件厂商 均投入大量人力和财力进行研究，促进了电子节气门技术的迅速发展。其中， d e l p h i 和b o s c h 公司的产品在综合控制和监测性能上堪称楷模，已批量投入 市场。目前，b m w 、d a i m l e r c h r y s l e r 、f o r d 及t o y o t a 等汽车公司在一些高 档车型上均安装了电子节气门控制系统。 b o s c h ，d e l p h i 等公司已经推出了新一代的电子节气门。d e l p h i 开发的 第二代电子节气门控制系统n ，如图1 3 所示，主要用于大排量汽车上。 】r s e n g i n e 一 气 c o n t r o i ， m o d u l e w i t h c h e c k i n g c p u 1 p o s i t i o n 一瞄皇孥幽 图1 3d e l p h i 电子节气门控制系统 与第一代系统不同，第二代电子节气门控制的处理器集成于发动机e c u 中，并采用一个单独的微处理器监测电子节气门控制的主要输入信号。第二 代电子节气门集成了几项独特的驾驶性能，如改变车辆对加速踏板响应的灵 敏度；驾驶模式选择( 正常模式，动力模式，雪地模式) ；对海拔高度的补偿； 发动机最高转速及车速控制等。 b o s c h 推出了新的发动机管理系统m e m o t r o n i c 7 4 ，实现了基于转矩的 控制哺。与其他发动机管理系统不同，m e - m o t r o n i c 7 4 系统能测定给定条件 下发动机的转矩需求，并能使节气门达到相应开度以获得所需转矩。该系统 集成了电子节气门控制系统，发动机e c u 接收各个传感器采集到的信号，同 哈尔滨- t 程大学硕十学位论文 时接收加速踏板模块的输入信号，经过微处理计算后输出控制信号来驱动电 子节气门。系统中有专用的检测模块对电子节气门进行检测和故障诊断，提 高了安全性和可靠性。 国内对电子节气门控制研究尚处于起步阶段。虽然一汽大众、上海大众、 上海通用及广州本田等公司生产的部分高级轿车上已经配置了电子节气门控 制系统，但都属国外引进的技术，其关键技术未能消化吸收，未能形成具有 我国自主知识产权的电子节气门控制系统。2 0 0 4 年，我国奇瑞公司开发了电 子节气门系统，用于其生产的旗云c v t 轿车上。另外，国内部分高校近年来 也对电子节气门控制开展了研究与技术探索，并取得了阶段性成果。清华大 学李雅博等人设计出了一种电子节气门控制系统佃，。控制器以摩托罗拉的单片 机m c 6 8 h c 9 1 2 d g1 2 8 a 为核心，用m c 3 3 1 8 6 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。武汉理工大学进行了基于d s p 的电子节气门的控制 1 ，该节气门控制器 在电动汽车和混合动力电动汽车中具有很高的应用价值。重庆大学研究了由 高速开关阀控制的电液式节气门执行器旧，使用电液式执行器作为节气门控制 的执行机构，利用高速开关阀对执行器进行连续的流量控制。 1 2 2 电子节气门控制策略的研究现状 电子节气门控制系统是非线性时变系统，其控制难度较大，因此人们一 直在不断地对其控制方法进行研究。就控制策略而言，目前的发展方向是从 经典的p i d 控制发展到采用p i d 与现代控制方法相结合以及采用一些鲁棒性 更强的控制算法，从线性控制发展到非线性控制，从单一模式控制发展到多 模式控制。 针对由回位弹簧引起的非线性，1 9 9 6 年日本东京大学的a s a k ak i t a h a r a 等人采用了l q g ( l i n e a rq u a d r a ti c6 a u s s i a n ) 控制方法协。该方法设计了 一个l q g 控制器，控制器由卡尔曼滤波器和状态反馈构成。但单独的l q g 控 制器不能补偿弹簧系统的非线性，为此他们又在基于扰动观测器的思想上设 计了比例控制器。整个控制系统为二自由度的控制结构，包括l q g 控制器和 比例控制器。在阶跃输入下仿真结果显示其很好的克服了弹簧的非线性，且 鲁棒性较好。 4 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 美国俄亥俄州立大学的s h o n g 等人和日本新泻大学的m y o k o y a m a 等人 均采用了滑模( s l i d i n g - m o d e ) 控制方法来控制电动节气门n ”。滑模变结构 控制是变结构控制系统的一种控制策略，这种控制策略与常规控制的根本区 别在于控制的不连续性，即一种使系统“结构”随时变化的开关特性。俄亥 俄州立大学在建立了节气门阀体的数学模型的基础上设计了一种带有滑动模 态观测器的离散滑模控制器。但由于节气门的非线性因素，其数学模型只是 近似模型，控制策略的适应性不强。节气门控制要求响应速度快且无超调， 因此日本新泻大学设计了三种滑模伺服控制器，相互比较控制效果。虽然对 节气门控制性能有所改善，但仿真结果显示执行器仍然存在由齿隙、摩擦引 起的迟滞现象。 z a g r e b 大学d p a v k o v i c 等人与福特公司m j a n s z 等人合作，针对非线 性的电子节气门控制系统采用了自调整( s e l f - t u n i n g ) 控制策略1 。这种控 制策略能够估计在发动机运行时不断变化的过程参数( 主要是电枢电阻和节 气门阀片“跛行 位置) ，并基于这些估计值自动调整控制参数。此外，在 电子节气门的控制中从信号加到e d t c 至发动机产生响应有时间延迟，因此日 本日立公司的t a o n o 等人采用了t i m e - o p t i m a l 控制方法来补偿时间延迟“2 ，； 意大利c r o s s i 等人对汽车发动机线控操作的节气门体采用鲁棒控制n 3 1 。 国内开展电子节气门控制策略研究的机构主要有清华大学，吉林大学， 一汽集团公司，重庆大学，重庆交通学院，湖南大学等，研究的控制策略包 括模糊控制、神经网络控制及模糊神经网络控制等。 模糊控制采用人类语言信息，模拟人类思维，易于接受，设计简单，抗 干扰能力强。模糊控制系统的结构如图1 4 所示。模糊控制器基于包含模糊 信息的控制规则，在改善系统特性时，模糊控制系统除了像常规控制系统那 样能调节参数外，还可以通过改变控制规则、隶属函数、推理方法及决策方 法来修正系统特性。模糊控制器无须建立被控对象的数学模型，对被控对象 的时滞、非线性和时变性具有一定的适应能力，且鲁棒性较好，但模糊控制 不能在线调整控制规则和参数n ”1 7 。 人工神经网络的最大益处就在于它善于对网络参数的自适应学习，并且 具有并行处理及泛化能力。基于r b f 神经网络结构的电子节气门控制系统如 图1 5 所示。神经网路可充分逼近任意复杂的非线性关系，对环境的变化具 5 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 有极强的自学习能力。神经网络具有无限逼近非线性函数的能力，它具有并 行处理、分布式存贮、容错等的优点n 。“： x o 驴 七- 卜 量化 控 剥削对象f 制 ：竺厂- 肥广 剧儿i ，i y o 表 图1 4 模糊控制系统结构图 ；输入层隐含层输出层l 图1 5r b f 神经网络电子节气门控制系统 由于发动机的时变性、非线性和模型的不确定性，使得控制过程中的模 型参数的辩识和控制参数的整定等都不是容易的事，给基于模型的发动机怠 速控制带来一定困难。将不基于模型的模糊控制理论应用于发动机的电子节 气门控制中，可避免上述的困难但模糊控制规则缺乏自适应性，不能保证控 制精度。模糊系统可用一个四层的模糊神经网络( f n n ) 来实现，如图1 6 所示啪“1 。 应用神经网络的联想记忆功能、自学习和自适应性，可构成具有自学习 能力的模糊控制器，可自动获得最佳模糊推理规则，进一步提高控制系统的 控制性能。模糊神经网络控制方法有着良好的鲁棒性和很强的非线性，该方 法可提高电子节气门控制系统的自适应能力，体现了电子节气门控制方式未 来的发展方向。 6 反模糊层 规则层 隶属函数层 输入层 图1 6 模糊神经网络结构 a n f i s 控制算法，它是一种基于t - s 模型的神经模糊控制方法，是由学 者j 一s r j a n g 在上世纪9 0 年代初提出的”，它将模糊控制的模糊化、模糊 推理和反模糊化三个基本过程全部用神经网络来实现。基于t s 模型的a n f i s 借助神经网络的信息贮存能力和学习能力，通过对系统的结构辨识和参数辨 识，自动地初始化模糊规则，并自适应调整前提( 非线性) 参数和结论( 线 性) 参数，优化了控制规则、隶属函数和输出函数，从而实现对系统的有效 控制，尤其对非线性系统有更大的应用意义。台湾的j e i c hm a r 将a n f i s 控 制算法应用于汽车碰撞预测系统，使汽车获得了安全且舒适的驾驶性能。 m a l a y a 的a a s a i f i z u l 和m z z a i n o n 将a n f i s 控制策略应用于基于视觉 的侧向汽车控制系统中，仿真结果表明该控制器使得系统的侧向误差和偏 航误差在可接受范围内。 1 3 发动机电控系统硬件在环仿真技术的研究现状 仿真的基本思想是利用物理的或数学的模型来类比模仿现实过程，它是 基于相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术，以计算 机和各种物理效应设备为工具，利用数学模型或物理模型代替实际系统进行 实验研究的一门学科。 仿真的方法大体分为三类：实物仿真、数学仿真和半物理仿真。其中半 物理仿真方法是将物理模型和数学模型联合在一起进行试验的一种方法，这 样往往可以获得比较好的效果。在硬件在环仿真中，将实际系统的一部分设 备和计算机相互联结，用数学仿真的方式对其中不存在或不便于实验的部分 7 哈尔滨工程大学硕士学佗论文 系统进行仿真，同时保证整个系统在实时运转i 。 随着汽车发动机的电控系统日益复杂，控制日益优化，研制开发的难度 也越来越大。电控系统传统的设计方案为：首先设计电控单元，接着对原机 型进行改造，然后通过台架试验进行匹配测试，由测试结果修正电控部分及 相应样机结构，然后再进行台架试验。这一系列的过程反复进行，不仅开发 周期长，耗费了大量的人力物力i 不利于电控系统紧跟市场需求，更新换代， 而且有时周围的环境条件不能保证测试工况的实现，不易保证调试电控系统 时所需工况的可重复性；此外电控系统设计时需大量的发动机实验数据，而 一般的试验台架系统很难提供标准的动态工况。实际上由于条件限制，进行 大量动态试验都是不可能的。 福特汽车公司的d e e p ar a m a s w a m y 在汽车混合动力总成控制器( p o w e r t r a i nc o n t r o l l e r ) 的开发中，通过建立动力总成控制器硬件在环仿真系统， 可以方便快捷地建立动力总成控制器的模型，并对其进行参数优化匹配，是制 定和优化动力总成系统控制策略的有效方法扭：，。h a n y a n g 大学的t o n g j i n p a r k 等人在汽车线控转向( s t e e r b y w i r e ，简称s b w ) 系统的丌发中，建立了 线控转向硬件在环仿真系统，用来评估线控转向系统的控制算法和功能特性， 并可在试验室中对线控转向系统中的自动防故障系统的动态特性进行测试研 究，为线控转向系统的开发提供了方便和安全的手段啪1 。s o o j i nl e e 等人对 汽车防抱制动系统( a n t i - l o c kb r a k i n gs y s t e m ，a b s ) 建立了防抱制动硬件 在环仿真系统，该系统可以完成对防抱制动系统制动功能的试验验证，为防抱 制动系统的测试提供良好的试验平台，大大减少了实车试验的次数，提高了系 统的开发效率，降低了系统的开发费用，。h u i y iw a n g 在汽车牵引力控制系统 ( t r a c t i o nc o n t r o ls y s t e m ，t c s ) 的开发中，通过建立牵引力控制硬件在环 仿真系统，可以测试牵引力控制系统控制策略的有效性，完成牵引力控制系统 软、硬件的性能匹配，从而实现快速、有效地开发牵引力控制系统m 。 利用基于m a t l a b x p ct a r g e t 构建的硬件在环仿真系统阳”，充分利用计 算机建模的简易性，减少了费用，便于对系统的模型部分进行灵活快捷的仿 真、变更，保证了在实时改变参数的同时就可详细观察系统性能的变化，直 接将电子节气门连入整个仿真系统，配合发动机模型进行实时仿真运转，而 不必花费过多的精力去对系统的全部细节进行数学建模。因此利用硬件在环 哈尔滨丁j 程大学硕十学位论文 不必花费过多的精力去对系统的全部细节进行数学建模。因此利用硬件在环 仿真作为整个系统的开发平台，可以预先逐步检验控制系统设计的合理性和 可靠性，从而大大提高控制系统的研制质量，减小研制风险和开发成本。 1 4 本文的主要工作 本文在电子节气门研究的基础上结合发动机怠速工况的特点，通过控制 算法调整节气门丌度，从而能够精确地控制进气量，实现发动机最优空燃比 控制，从而实现发动机怠速时的最佳性能，提高怠速稳定性。 汽车发动机电控技术的研究已经从基于参数模型控制向无须精确模型转 变。模糊控制不依赖于精确的系统模型，采用i f t h e n 规则，能够很好地模 仿人在控制活动中模糊概念和控制策略。但是，在模糊控制系统设计过程中， 模糊规则的建立和隶属函数的调整是该系统设计的难点。本文采用a n f i s 控 制算法，将模糊控制的模糊化、模糊推理和反模糊化三个基本过程全部用神 经网络来实现，优化了控制规则、隶属函数和输出函数，对怠速控制取得很 好的控制效果。 本文主要进行以下几个方面的研究工作： 1 、广泛查阅中外文献，了解发动机电子节气门控制技术的发展趋势和研 究现状，对国内外发动机电控系统硬件在环仿真技术的研究现状进行了阐述。 2 、针对b o s c h 电子节气门的结构、各组成部分特点及功能，对其特性进 行标定。开发基于8 0 c 1 9 6 k b 的硬件电路，选用h 桥l m d l 8 2 0 0 芯片对节气门 直流电机进行可逆控制，设计传感器信号调理电路及信号隔离电路。 3 、依据发动机怠速系统的结构原理和控制策略的要求，+ 将基于t s 模型 的a n f i s 控制策略应用于发动机怠速工况电子节气门控制系统。 4 、应用m a t l a b s i m u li n k 软件对发动机怠速系统进行建模。利用基于 m a t l a b x p ct a r g e t 构建的怠速工况电子节气门硬件在环仿真系统，对a n f i s 怠速控制算法的有效性进行实时仿真验证。 9 哈尔滨 j 程大学硕十学位论文 第2 章电子节气门控制系统的硬件设计 电子节气门在整个工作范围都由直流电机控制，因此电子节气门开度的 精确控制是通过直流电机的精确控制来实现的。本章介绍了电子节气门结构 及各组成部分功能和特性，设计了电子节气门控制系统的结构图，主要包括 传感器、控制单元和执行器。采用可逆p w m 驱动方式，设计了直流电机的驱动 电路，实现了驱动电机的双向转动，从而实现节气门开度的控制。 2 1 电子节气门结构原理 2 1 1 电子节气门结构 本选用b o s c h 公司生产的电子节气门，其结构如图2 1 所示- 。这种整 体式节气门，取消了节气门的旁通气道，通过怠速电机调节节气门的开度， 从而实现发动机的怠速控制。节气门体主要由节气门阀和整体式怠速稳定装 置组成。其中，整体式怠速稳定装置主要由怠速直流电机、齿轮减速机构、 复位弹簧、节气门电位计、怠速节气门电位计和怠速开关等构成。节气门电 位计相当于传统电喷发动机的节气门位置传感器，怠速节气门电位计相当于 一个高灵敏度的仅用于检测节气门怠速开度的节气门位置传感器，怠速开关 则用来判定节气门是否进入怠速状态。 图2 1 电子节气门结构图 l o 哈尔滨t 程人学硕士学位论文 根据转速、水温、空调开关等信号判定需要调节节气门开度来稳定或控 制发动机的怠速转速时，控制器就会向怠速电机提供正向或反向工作电流， 使怠速电机正向或反向运转，并通过齿轮减速机构驱动节气门开度增大或减 小，怠速节气门电位计则将节气门开度的变化情况随时反馈给e c u 。当发动 机转速或节气门开度达到理想值时，e c u 又会将怠速电机锁定，从而使节气 门开度锁定。当节气门由大开度突然关闭时，怠速电机还可以减缓节气门的 关闭速度，起到节气门缓冲器的作用。在控制电路或怠速电机等发生故障的 情况下，应急弹簧还可将节气门拉开到某一预定的开度，保证了发动机能以 较高怠速应急运转，从而避免了熄火啪“，。 节气门控制单元设计为8 个引脚结构，目前只使用了7 个引脚，为防止 节气门阀结冰，节气门阀采用了发动机冷却液预热，冷却水管一端与散热器 相连，另一端通往储液。引脚含义如图2 2 所示m ，。 246 8 l 一怠速电机正极；2 一怠速电机负极；3 一怠速开关正极；4 一电位计正极； 5 一节气门电位计；6 一未占用；7 一怠速开关负极、电位计负极：8 一怠速节气门电位计 图2 2 节气门控制单元引脚图 1 、节气门电位计 节气门电位计的作用是向电子控制单元提供节气门调整范围内的当时节 气门开度位置信号，对闭环控制进行位置反馈，是电子节气门工作状态的唯 一检测元件。节气门电位计连接在节气门轴上，这是一种线性电位器。当驾 驶员踩动油门踏板，节气门电位计同时转动。由于电位计在节气门轴一端的 滑臂上滑动，其电阻值随节气门的开度增大而减小，电阻值变化转换成相应 的电压信号输入电子控制单元。节气门电位计输出的电压信号随节气门开度 增大而逐渐减小。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 2 、怠速节气门电位计 怠速节气门电位计直接与怠速调节电机连在一起，向控制器提供节气门 当时的位置及怠速范围内电机的位置。当怠速节气门达到调节范围极限时， 如果节气门继续开启，怠速节气门电位计将不再起作用，如果怠速节气门电 位计信号中断，节气门将通过应急弹簧进入机械应急运转状态，怠速转速将 有所提高。怠速节气门电位计是一种线性电位器，其输出的电压信号随节气 门开度增大而逐渐减小。 3 、怠速开关 怠速开关的作用是向电子控制单元提供怠速开关触点闭合信号，以便用 来识别发动机怠速工况。在怠速控制范围内，怠速开关触点是闭合的。 4 、节气门阀 因节气门阀具有一定的厚度，为了避免节气门阀在全关闭位置时卡在进 气道中，节气门的全关闭角度( 节气门与进气流垂直方向的夹角) 不是0 度， 而是有2 度的夹角，相应地节气门形状设计成椭圆形，节气门的开度范围为 0 8 8 度。静态时节气门并非完全关闭，靠复位弹簧保持在7 度的开度。节 气门开度为臼时，其有效面积为节气门在垂直于空气流动方向的投影面积。 5 、怠速电机 电子节气门怠速电机的主要功能是为节气门阀片提供适当的转矩，以驱 动节气门阀片运转到适当的节气门开度位置。节气门的角度变化引起进气通 道截面积的变化，进而引起发动机空燃比的变化，从而最终达到调节发动机 转速和转矩的目的。本文节气门控制是采用直流电机。直流电机由控制器输 出的p w m 控制信号控制电机电流大小和方向，即控制扭矩的大小和方向，从 而驱动节气门达到预期位置。 6 、复位弹簧 在节气门工作时，当节气门需要从较大开度位置降到较小开度或回到节 气门关闭位置时，为了保证系统的可靠性及响应的快速性，在节气门阀片中 心轴韵另端设计有复位弹簧，该弹簧提供一个较大的扭转力矩，使节气门 阀片可以快速地回至| j 要求位置。 节气门转轴上作用的扭矩有复位弹簧扭矩和电机扭矩。节气门开度范围 和开度变化趋势不同，节气门转轴的受力情况不同，因而电机的驱动转矩大 哈尔滨工程大学硕士学位论文 小和方向不同，所需的控制量也不同，这就是电子节气门动态特性中存在的 非线性变结构现象，它增加了控制的难度，需要相应的非线性控制算法来实 现。 电子节气门执行器是闭环操作，执行器位置及时反馈到e c u 中以决定控 制参数，怠速控制精确程度和时间响应比原有执行器有提高。在可靠性方面， 当电机失效后，电子节气门系统在复位弹簧作用下会预留大约7 节气门开度 维持怠速，以防发动机失速。 7 、齿轮减速机构 由于节气门驱动电机转速较高而输出扭矩较小，节气门阀片本身有一定 的转动惯量并受到一定的摩擦力和复位弹簧作用力，如果由直流电机直接驱 动节气门阀片中心轴，则需要功率较大的电机。因此电子节气门体都设计有 一套齿轮减速机构，包括主动齿轮、中间齿轮和从动齿轮。其中主动齿轮安 装于电机输出轴上，从动齿轮装于阀片中心轴端，通过固定于节气门体的中 间齿轮传递输出扭矩给阀片中心轴。直流电机的扭矩通过减速齿轮组驱动节 气门转轴。减速齿轮组使电机可以与节气门的转轴平行放置，从而使节气门 尺寸减小，结构更加紧凑。齿轮减速机构不仅增大了施加于中心轴上的扭矩， 同时还降低了节气门阀片的转速，减少了工作时的冲击，有利于节气门控制。 本文选用的电子节气门测得直流电机驱动齿轮齿数为9 ，中间过渡轮大齿轮 齿数为5 9 ，小齿轮齿数为1 0 ，节气门转轴扇形齿轮齿数为9 。 依据对电子节气门结构的分析，可以得到电子节气门具有以下优点n 引： 1 、节气门开度的精确控制：由e c u 对应于驾驶状况来计算出最佳的节气 门开度，由控制电机驱动节气门来实现。 2 、集成多种控制功能：电子节气门控制系统作为发动机控制的一个功能 模块，除了维持发动机正常运转所进行的加速、怠速控制外，还可以完成与 进气控制有关的巡航控制、防抱死控制、车辆稳定控制以及换档防冲控制等， 实现信息共享，通过电子节气门中的驱动电机控制节气门的开度来实现综合 控制a 3 、最佳的操控及稳定性：在接到驾驶员踩油门到底指令时，并不会直接 将节气门全开，而是根据发动机的负荷及转速增加的速度，节气门先打开一 个基本角度，然后缓慢的增大，这种渐进式的开启方式可以减轻因发动机转 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 速突变带来的振动，并得到最有效率的进气控制，从而使发动机加速更柔顺， 更快速，也更省油。 4 、排放降低：由于在各种情况下对过量空气系数的精确控制，使得燃烧 更加完全；在怠速时又只允许极小的开度来增进稳定燃烧，提高了燃油经济 性，排放也得到进一步控制。 5 、海拔高度补偿：由于在高海拔时吸入发动机的空气更加稀薄，降低了 发动机的有效扭矩。为了弥补这种性能损失，电子节气门可以根据压力传感 器信号来增加节气门的开度，从而获得与平地一样的行车性能。 2 1 2 怠速电子节气门的标定 节气门位置传感器输出特性的研究，是获得精确控制的前提和基础。为 此，对其进行标定，得到节气门位置传感器输出电压与节气门角度的关系曲 线。图2 3 是设计的简单标定装置。为了把节气门位置传感器1 输出的电压 信号转换成节气门2 的旋转角度，在节气门转轴3 中心固定一枚刚性细长指 针4 ，临近转轴端面处固定角度刻度盘5 ，刻度盘中心位于转轴的轴线上。标 定时，给节气门位置传感器提供5 v 电压。调节p w m 的大小，随着p w m 的变化， 直流电机电压改变，使节气门的开度改变，记录节气门旋转角度乡及t p s 相 应的输出电压。经过实验标定得到怠速节气门与t p s 输出电压的关系，如图 2 4 所示。 l2345 1 节气门位置传感器；2 了气门阀： 3 节气门转轴；4 - 手旨针；5 角度刻度盘 图2 3 怠速节气门标定示意图 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 5 4 5 ： 4 山 一 3 5 讯 、 j ； 。1 、1 。 r 传感器控制单元执行器 单片机8 0 c 16 k b ：市气门传感器 输 控 a d制直流电机 歧管压力传感器 入 转换输 驱动电路 接 电路出 冷却水温传感器 口 r o m r a m 转速传感器 输 电子 ： ：1 ，气门 空调开关 入 电 i o c p u 怠速开关路 图2 5 电子节气门控制系统结构 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表2 1 电子节气门控制系统各组成部分的功能 组件 功能 转速传感器 检测发动机转速 节气门位置传感器 检测发动机是否处于工作状态 歧管压力传感器 检测进气压力的大小 传感器 怠速开关 判断是否处于怠速工况 空凋开关 检测是否开启空调 水温传感器检测发动机冷却水温度 根据从各传感器输入的信号所决定的目标转速与 控制 发动机的实际转速的差值，确定相当于目标转速 单元单片机8 0 c 1 9 6 k b 的控制量，驱动控制进气量的执行机构，使怠速 转速保持在目标转速上 执行器 直流电机控制节气门开度 本文选用i n t e l 公司的8 0 c 1 9 6 k b 单片机为主芯片，8 0 c 1 9 6 k b 的a d 转 换器将输入的模拟信号转化为数字信号，控制算法计算出相应的控制量后通 过高速输出口( h s o ) 和i o 口输出控制信号，控制直流电机驱动器。选用h 桥组件l m d l 8 2 0 0 芯片设计直流电机可逆脉宽调