（通信与信息系统专业论文）基于d2p+motohawk的发电机组调速策略的研究.pdf

论文题目：基于d 2 pm o t o h a w k 的发电机组调速策略的研究 学科专业：通信与信息系统 学位申请人：李玲 指导教师姓名：方祖华教授 论文类型：应用基础研究 摘要 汽油发电机组因其体积小、易操作和价格便宜等优点被广泛应用在各领域。 调速器作为汽油发电机组的一个重要部分，调速性能的优劣直接影响机组的发电 品质，同时也影响其动力性、经济性和排放性能。采用电子调速器来取代普遍采 用的机械式调速器，可大大提高机组的转速稳定性和发电品质。因此对汽油发电 机组调速策略的研究具有重要意义。 本文参考目前国内外汽油发动机调速器的研究现状，提出了基于d 2 p m o t o h a w k 汽油发电机组调速策略的研究方案。首先建立了电子节气门控制系统 的数学模型，包括直流电机数学模型、节气门体数学模型和控制系统数学模型。 其次，根据建立的数学模型得到电子节气门阀片运动的动力学方程。然后在 m a t l a b s i m u l i n k 上进行仿真，包括进行节气门控制系统的动态性能仿真、逐级加 减负载、突加减负载情况下的仿真。最后基于d 2 pm o t o h a w k 平台进行控制策略 的移植和实现：搭建硬件平台，编写控制程序，包括传感器数据采集，数据传输、 处理和执行等模块，对进行了电子节气门的半实物实验。 实验结果表明：p i d 算法在d 2 pm o t o h a w k 平台上容易进行移植，其参数易 整定，且性能稳定可靠。通过仿真确定p i d 算法中三个控制参数的取值范围，可 对电子节气门进行精确控制。本文是结合算法进行的软件仿真和硬件实现，不仅 研究了系统在p i d 控制算法下的动态特性，而且基于d 2 pm o t o h a w k 平台的移植 和应用也是一个全新的尝试，有助于缩短开发周期和提高系统的总体性能，具有 良好的可靠性和实际应用价值。 关键词l 调速策略、d 2 pm o t o h a w k 、m a t l a b s i m u l i n k 、电子节气门、控制算法 t i t l e ：s p e e dc o n t r o ls t r a t e g yo ng a s o l i n eg e n e r a t i n gs e tb a s e do nd 2 p m o t o h a w k m a j o r ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s d e g r e ea p p l i c a n t ：l i n gl i t u t o r ：p r o f e s s o rz u h u af a n g p a p e rt y p e ：a p p l i e df u n d a m e n t a lr e s e a r c h a b s t r a c t g a s o l i n eg e n e r a t i n gs e ti ss m a l l ，c h e a p e ra n de a s yt oo p e r a t e i ti sw i d e l ya p p l i e d i nm a n yf i e l d s t h es p e e dg o v e r n o ri sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ee n g i n eb e c a u s ei t s p e r f o r m a n c ed i r e c t l yi n f l u e n c e st h eq u a l i t yo fg e n e r a t o r ，t h ep o w e r ，e c o n o m ya n d e m i s s i o np e r f o r m a n c e u s i n ge l e c t r o n i cs p e e dg o v e r n o r si n s t e a do fm e c h a n i s mo n e s o n g a s o l i n eg e n e r a t i n gs e tc a l lg r e a t l yi m p r o v et h es p e e ds t a b i l i t ya n dq u a l i t y s oi t i so fi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et os t u d yt h es p e e dc o n t r o ls t r a t e g yo ns m a l lg a s o l i n e g e n e r a t i n gs e t o nt h eb a s i so fr e s e a r c hb a c k g r o u n d ，t h ep a p e rp r o p o s e das p e e dc o n t r o l s t r a t e g yo ns m a l lg a s o l i n eg e n e r a t o rb a s e do nd 2 pm o t o h a w k f i r s t l y ，i te s t a b l i s h e d m a t h e m a t i c a lm o d e lo fe l e c t r o n i ct h r o t t l e s y s t e m ，i n c l u d i n gf o l l o w i n gp a r t s ： d i r e c t - c u r r e n td y n a m o ，e l e c t r o n i ct h r o t t l eb o d ya n dc o n t r o ls y s t e m t h e nk i n e t i c e q u a t i o no fe l e c t r o n i ct h r o t t l es y s t e mi se s t a b l i s h e d s i m u l a t i o nm o d e lw a sb u i l tb y m a t l a b s i m u l i n k i t a n a l y z e d t h e s y s t e md y n a m i cp e r f o r m a n c e o fd i f f e r e n t l o a d i n g u n l o a d i n gi n p u t t h ep a p e ru s e dd 2 p m o t o h a w kt oa c h i e v et h es p e e dc o n t r o l s t r a t e g y ，i n c l u d e ss e n s o r , d a t at r a n s m i s s i o n ，p r o c e s sa n de x e c u t i o nb l o c k a n dt h e p a p e rd o e sa h a r d w a r e i nt h e l o o ps i m u l m i o no ne l e c l r o n i ct h r o t t l es y s t e m t h er e s u l to fe x p e r i m e n ts h o w st h a ti ti se a s yt oa c h i e v et r a n s p l a n t a t i o no nd 2 p m o t o h a w kp l a t f o r m p i da l g o r i t h mi ss t a b l ea n dr e l i a b l e ，i t st h r e ep a r a m e t e r sa r ee a s y t os e t t h ec o n t r o ls t r a t e g yi nt h i sp a p e r na c h i e v ep r e c i s e l yc o n t r o lo ne l e c t r o n i c t h r o t t l es y s t e m s d 2 pm o t o h a w ki sh e l p f u lt os h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tt i m ea n di so f r o b u s t n e s s t h eg u d yh a sp r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s ：s p e e dc o n t r o ls w a t e g r y 、d 2 pm o t o h a w k 、m a t l a b s i m u l i n k 、e l e c t r o n i ct h r o t t l e s y s t e m 、a l g o r i t h m n 上海师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 汽油发电机组具有体积小、使用操作简便、便携和价格便宜等优点，成为 农林机械、通讯、石油、电力、军事等领域必不可少的重要设备。我国从2 0 世 纪5 0 年代开始生产小型汽油机，2 0 0 1 年加入w t o 后汽油机生产行业发展迅速， 成为国际通用小型汽油机制作业基地。如图l - l 图为1 9 9 2 年至2 0 1 0 年我国国 产小型汽油机的产量，近几年年产量达1 2 0 0 万台以上【1 】【2 】，显示出我国整个通 用小型汽油机行业良好的发展前景。 1 5 0 0 1 2 0 0 姐 r 9 0 0 避 雹6 0 0 l 3 0 0 0i 一i - - _ - 。 图1 11 9 9 2 年 2 0 1 0 年国产小型汽油机产量变化图 汽油发电机组需要其发电品质达到一定的标准。机械行业标准 j b t 10 3 0 4 2 0 0 1 工频汽油发电机组技术条件、标准j b t 513 5 3 2 0 0 1 通用小 型汽油机技术条件和通用小型汽油机台架性能试验方法对工频汽油发电 机组的技术指标和台架实验方法制定了具体的规范和标准。一般发电机组的调 速性能指标需达到瞬时调速率盯。、稳定调速率盯：及过渡时间r 。t 吼5 ， 仃2s5 ，t 。3 5s 【3 1 。目前发电机组几乎都是采用同步电机，发电品质与汽 油机转速的稳定性能直接有关。所以汽油发电机组需要调速器以稳定转速来提 高输出电的品质。 第一章绪论上海师范大学硕士学位论文 调速器有两种形式：机械式调速和电子式调速。相对于机械调速，电子调 速器在功能、调节精度和可靠性方面有着明显的优势。但目前国内小型汽油发 电机组几乎都采用机械式调速【4 】，电子调速器在大中型柴油机已开始应用。我 国生产的通用小型汽油机技术上只相当于国外2 0 世纪8 0 年代的水平，调速性 能远远低于国外同类产品f 5 纠，导致整机性能大大下降。本文采用电子调速器 进行调速策略的研究，不仅能提高汽油发电机组的发电品质，而且对于减少废 气，提高机组动力性、经济性和排放性方面都具有重要意义。 1 2 汽油发电机组调速器的研究现状 17 8 4 年j 瓦特发明了用于蒸汽机调速控制的离心式机械调速器，是最早在 动力机械上出现的转速调节装置【7 1 。随着科学技术的发展，调速器在种类和性 能上得到了较大的提高。机械式调速器和电子式调速器的原理和特点如下。 ( 1 ) 机械式调速器 机械式调速器是目前国内外应用时间最长，范围最广的发电机组调速方式。 其工作原理是转速变化导致拉杆在弹簧和离心力的作用下来回运动，改变循环供 油量，达到调节转速的目的【8 11 9 。图1 2 为离心式机械调速器原理图。机械调速 的最大特点是结构简单，但其惯性滞后和摩擦阻力大的缺点也是显而易见的。小 型汽油发电机组质量较轻、转动惯性小，机械调速器引起的转速波动导致机组的 输出电流品质不高【1 1 】。 增大 增加 一u 纛 图卜2 离心式机械调速器原理 ( 2 ) 电子式调速器 电子式调速器是利用各种传感器对发动机的反馈值，通过编程的方式实现调 上海师范大学硕士学位论文第一章绪论 速系统的闭环控制，能避免机械调速器的惯性滞后和摩擦阻力大等固有缺陷。如 图1 3 所示为电子调速器原理图。它具有适应性强、功能扩展方便、调节精度和 可靠性高等优点，是取代机械调速的良好的转速控制系统【1 2 】【1 3 】。 国内外公开的研究电子式调速的文献和研究成果很少。目前高端汽油发电机 组的市场大多数是外国品牌。比较知名的汽油发动机品牌有雅马哈、科勒、本田、 德国熊猫等。国外某些公司已经将电子调速器应用于小型汽油机，且取得了较好 的效果【1 4 】。日本“雅马哈 和“本田 公司相继推出永磁逆变发电机组系列产品 1 1 5 】【16 1 ，它不仅体积小、控制方便，而且电子调速器能随着汽油机负荷的减小而 降低汽油机的排放和油耗，达到明显节能的作用，这是传统机械式调速器无法做 到的。 图卜3 电子调速器原理 相对于国外名牌产品在技术和市场上的优势，国内有些企业和单位对于提高 汽油发电机组调速性能也进行了关注与研究。综观国内外的研究成果，国内虽有 多家单位开始研究，但是相关的文献资料和成果较少。某些知名企业，例如长城、 东风等都有自主研发汽油机【1 7 1 ，国内一些高校对汽油发电机组的电子调速器作了 相关研究。 福建农林大学是较早进行汽油发电机组调速器研究的单位之一，采用单片机 a t 8 9 s 5 2 研制了用于k g e l 0 0 0 t i 汽油发电机组的数字电子调速器。该设计是针对 k g e i 0 0 0 t i 汽油发电机转速控制进行设计。主要内容为调速器电路设计并 f u z z y p i d 控制实验：数据采集是通过上下位机的串1 2 1 通信，在p c 机上进行显示、 保存和处理。实验结果与机械调速器控制的h o n d ae x 7 发动机的比较，稳态频 率带 l 习 脚 0 0 节气门开度 l o o 图2 - 4 节气门位置传感器的输出电压特性 ( 5 ) 复位弹簧 复位弹簧由两个不同弹性系数的弹簧组成，通过特定的安装方法使得节气门 阀片在静态时仍保持在大概1 0 度的开度，即“跛行回家 位置，且节气门阀片在 两个方向均存在一定的预紧力。当电子节气门控制系统出现故障时，节气门阀片 能够依靠复位弹簧的作用快速回到“跛行位置 ，使汽车能够“跛行回家”【3 4 】。 复位弹簧的引入虽然提高了汽车的安全性，但是由于弹簧存在非线性的因素，同 时也使得控制难度的加大，使控制策略变得更为复杂。 2 2 2 电子节气门体的工作原理 b o s c hd v o e 5 电子节气门采用直流电机作为驱动源。直流电机输出转矩的大 小和方向由控制器输出的p w m 控制信号决定f 3 5 】【3 6 】，输出力矩与p w m 信号的 占空比成正比1 3 7 】【3 8 】，从而驱动节气门达到预期位置。节气门阀片转动过程运行 9 第二章汽油发电机组调速系统及数学建模 上海师范大学硕士学位论文 中须克服节气门转轴的静摩擦和动摩擦，复位弹簧的预紧力和弹簧刚度等因素 的影响。 电子节气门开度控制过程为，e c u 输出控制信号，实际为给电子节气门控 制系统输入一个预设的角度值，传感器将得到的位置变化信号输入e c u 。e c u 计算输出p w m 信号驱动直流电机，经两级减速增矩齿轮带动节气门盘片转动， 达到目标开度。同时通过节气门位置传感器获得当前节气门开度的电压反馈值 【3 9 】【柏】【4 1 1 ，经闭环控制达到改变发动机进气量的目的。 2 2 3 电子节气门体参数的确定 根据电子节气门结构和数学模型，以及其工作原理可知，整个模型的输入 为驱动电机两端的平均电压，输出为目标开度。其中，模型的许多参数需要确 表2 - 1电子节气门d v e 5 的相关结构参数 参数( 单位) 符号 取值 减速机构齿轮传动比 n2 0 节气门内径( c m ) d5 7 电机电阻( q ) 兄 1 8 电源电压( v ) u1 2 0 电源内阻( q ) ro 5 电机电感( h ) 三o 0 0 1 5 反电动势常数( v s ) k c 0 0 1 2 电机转矩系数( n m a ) k t 0 o l l 9 复位弹簧扭矩系数俏m r a d ) k 3 0 0 1 9 5 库仑摩擦力系数州m ) k f 0 0 0 7 粘滞摩擦力系数州m s r a d ) k d 0 0 0 0 0 5 复位弹簧扭矩补偿量州m ) d1 7 节气门平衡位置转角( t a d ) 岛 0 2 5 位置传感器电玉, ( r a d ) 5 位置传感器电阻( 1 ( q ) k p s 1 2 5 电机转动惯量( g 锄2 ) j l 4 0 总转动惯量幢c m 2 ) 35 0 0 定，这些参数可由标定或电子节气门体生产厂家提供。本文通过参考国内外参考 1 0 上海师范大学硕士学位论文第二章汽油发电机组调速系统及数学建模 文献、实验测量以及厂家资料，得到d v - e 5 型电子节气门的相关实验参数，如表 2 1 所示。 2 3 电子节气门控制系统数学模型 为了进一步研究电子节气门控制系统，进行仿真和实现，本节将对电子节 气门控制系统建立数学模型，包括以下模块：直流电机数学模型、节气门体数 学模型、控制系统数学模型。 2 3 1 直流电机数学模型 b o s c hd v - e 5 的直流电机是由控制器e c u 根据发动机转速变化产生的占空 比不同的p w m 信号驱动的，达到电子节气门的目标开度。电子节气门的直流电 机的工作过程是将输入的电能转换为机械能输出，其物理结构由定子和转子构 成。转子和定子的磁场作切割磁感线运动，产生感应电动势，其等效电路如图所 示2 5 所示。电枢输入电压为u 。( ，) ，r 。为电机等效电阻；l 。为电机等效感抗： i o ( t ) 为电机电流，m 。( f ) 是回路电流与励磁磁通相互作用产生的电磁转矩。 图2 - 5 互派电机等效电路 根据基尔霍夫电压定律可得直流电机电枢方程： 啪) = 厶警+ r 。i o ( t ) + e o ( 2 - 1 ) e o = e ( f ) ( 2 2 ) e 是电枢反电势。c 为反电势系数，( ，) 激磁磁通。 驱动直流电动机的p w m 电路是一种直流斩波电路。设电机绕组两端输入电 压为c ，得到的电压为u 。，则电压平均值u 。，为： 第二章汽油发电机组调速系统及数学建模上海师范大学硕士学位论文 一t 丁o nu 。= d 以 ( 2 - 3 ) 式中： t o n ：每周期电子开关的接通时间； n 开关周期； d ：占空比，其中d = 等。( 2 - 4 ) 由式( 2 - 4 ) 可得，通过改变t o 和周期丁的比值即可改变p w m 的占空比。因此 p w m 信号的控制为信号频率和占空比的调制，以此改变电枢两端的等效电压， 实现对转矩的控制。 2 3 2 节气门体数学模型 下面对各力矩和阻力转矩做具体分析。 ( 1 ) 驱动力矩数学模型 电机扭矩和电流的一般关系为 m m ( ，) = k 7 i o ( t ) ( 2 5 ) ( 2 ) 阻力矩数学模型 电子节气门工作过程中，阀片同时受到电机的驱动转矩l ( ，) ，以及阻力矩 的影响【4 3 5 1 ，其中作用效果较明显的阻力矩为复位弹簧力矩l 、节气门阀片工 巾 作过程中受到的粘性摩擦力矩乃以及库伦摩擦力矩1 ，下面对节气门工作过程 中的阻力矩进行分析： ( 一) 库伦摩擦力矩 节气门系统在运动过程中与接触面间存在各种摩擦，库伦摩擦是主要的摩 擦之一，是大小是与速度方向相反的一个恒定的阻力。其数学模型如下。 t 1 = kfs gn(co(t)(2-6) ( 二) 粘性摩擦力矩 此外，电机和节气门轴运动过程中液体间的摩擦也产生力矩，它是一个与 速度成正比，方向与转动方向相反的阻力矩。其数学模型如下。 1 2 上海师范大学硕士学位论文 第二章汽油发电机组调速系统及数学建模 乃= k n o j ( t ) 扣 ( 2 7 ) ( 三) 复位弹簧力矩 复位弹簧机构是使节气门系统实现开度变化快速响应的重要组成部分。复 位弹簧位于阀片的中心转轴上，在节气门工作过程中复位弹簧能产生一个较大 力矩。复位弹簧有一个平衡位置岛，节气门转角e d 、于平衡位i o o 和大于平衡 位置或时呈现出不同的特性，因此复位弹簧的扭矩曲线是非线性的。由于弹簧 在平衡位置岛时产生的扭矩为瓦= k s e o ，因此当转角口大于平衡位置转角o o 时，节气门轴受到复位弹簧使它回复到平衡位置的紧力，此时产生的扭矩为： z = 墨( p e o ) + 疋吼( 2 - 8 ) 同理可得当转角小于见时，复位弹簧产生的扭矩为： 互= k ，( 秒一吼) 一k ，吼( 2 - 9 ) 综合上式( 3 7 ) ，( 3 8 ) ，( 3 9 ) 则总的弹簧扭矩为 z = 墨( 目一吼) - i - d s g n ( o - e o )( 2 1 0 ) 其中，正为节气门复位弹簧扭矩；k ，为复位弹簧的刚度；e 为阀片的转角； 吼为阀片平衡位置角度值，d 为补偿系数。复位弹簧的扭矩在经过平衡位置时 会突变，复位弹簧的刚度系数和补偿系数刃直接影响复位弹簧的扭矩性能，这 两个参数由物理器件的结构和材料决定。 ( 四) 其他因素 节气门阀片在实际的转动过程中受到的非理想因素有多个，除了上述四个 力矩外，同时也受到齿轮减速机构的齿隙和空气阻力等因素的影响。 齿隙非线性分析：电子节气门装有减速齿轮机构，目的是增大作用在节气 门中心轴上的扭矩。其结构包括主动齿轮、中间齿轮和从动齿轮。图2 - 6 所示， 齿轮啮合时会产生间隙，则当主动轴处于图所示的中间位置时，那么主动轴转 过万角后才跟着带动从动轮转动，当反向转动时，则需转过更大的角度来带动 从动轮。因此，减速机构的齿轮产生的力矩存在非线性。 1 3 第二章汽油发电机组调速系统及数学建模上海师范大学硕士学位论文 图2 6 传动机构中的齿轮间隙 空气阻力分析：节气门控制着空气的进入量，因此在阀片转动的过程中， 势必受到空气阻力的作用。空气阻力矩的大小与阀片的形状、节气门开度和空 气流速有关，因此空气在节气门处产生的阻力矩为： o = 三以妻c o s 秒( 2 - 1 1 ) 式中，p 为空气的密度，1 ，为节气门处空气流速，f 为空气阻力系数。由 于齿隙因素和空气阻力的对发动机的影响通常较小，可以通过在实际控制系统 设计中加如修正量进行修正，因此为简化模型，不考虑这些因素的影响。 2 3 3 控制系统数学模型 电子节气门的阀片运动受到电机的驱动转矩乙( ) 及阻力转矩( f ) 的共同 作用，其中阻力转矩包括库伦摩擦力矩乃、阀片运动过程中受到的粘性摩擦力 矩乃以及复位弹簧力矩正。转速控制系统中，节气门转矩平衡方程为： 厶生字+ 厶( ，) = m 。( ，) 一m ( ，) ( 2 1 2 ) 口， 电动机用于转速控制系统时，其输出为转速( f ) ，转子的角位移为以( ，) 的 关系为 啪) = 掣 ( 2 - 1 3 ) 式中，以为电动机和负载折合到电动机上的转动惯量，兀为电动机和负载折合 到电动机轴上的粘性摩擦系数，k r 为电动机转矩系数。 1 4 上海师范大学硕士学位论文第二章汽油发电机组调速系统及数学建模 2 4 本章小结 本章介绍了汽油发电机组调速系统原理并建立电子节气门控制系统数学模 型。在分析电子节气门的结构和工作原理的基础上，分别对直流电机、节气门 体和控制系统模型进行建模，为进行调速系统的动态性能仿真打下基础。其中 电子节气门的工作原理和数学模型的建立是研究调速策略重要部分。 1 5 第三章电子节气门控制系统的仿真上海师范大学硕士学位论文 第三章电子节气门控制系统的仿真 汽油发电机组的控制是一个复杂、迅速变化的过程。在分析电子节气门控 制系统诸多非线性力矩的基础上，本章将对其动态性能和稳态性能进行仿真研 究。 3 1pid 参数对系统动态性能的影响 ( 1 ) 评价系统性能的指标 性能指标是对系统性能的定量表述，用来反映系统在典型输入信号作用下其 响应过程中的一些能反映系统控制质量的特征量。一般在定义动态性能时，输入 信号为单位阶跃输入，认为阶跃输入使系统处于最不利的工作状态。常用的动态 性能指标如下： 延迟时间t d ：响应曲线第一次达到终值( 稳态值) 的一半所需要的时间。 上升时间t ：响应曲线从终值的1 0 上升到9 0 ( 或从终值的o 上升到 1 0 0 ) 所需要的时间。上升时间越短，响应速度越快。 超调量仃：表征了系统的振荡程度。响应曲线的最大偏离量h ( f 口) - 与终f f h ( ) 之差和终值h ( ) 之比的百分数，即 o r ：掣1 0 0 ( 3 - 1 ) 厅i ) 稳态误差：系统稳定时与输入信号的差值，是对输入信号跟踪性能优劣的体 现。 在上述性能指标中，延迟时间t d 和上升时间t ，用于评价系统的响应速度，超 调量盯用于评价系统的阻尼程度或响应的平稳性，稳态误差用于评价系统的总 体性能。 ( 2 ) p i d 控制器的仿真 p i d 控制器是最早发展起来的控制策略之一，这种控制具有简单的控制结构， 在实际应用中又较易于整定，它在控制中有着广泛的应用。p i d 控制器的原理是 1 6 上海师范大学硕士学位论文 第三章电子节气门控制系统的仿真 把系统反馈的实际值y o ) 和设定的理想值，( f ) 产生的偏差，通过p i d 控制器比例、 积分、微分的运算，使系统的偏差不断减小。p i d 控制算法有模拟和数字式两种， 模拟p i d 控制器的数学表达式见式3 2 。 p ( f ) = ，( r ) 一y ) ( 3 - 2 ) 如图3 1 所示为模拟p i d 原理图。 图3 - l 模拟p i d 控制原理 在数字控制系统中，一般处理的是数字信号，传感器采集到的模拟量转化为 数字量，经程序计算处理，输出控制命令。数字p i d 控制表达式即是将模拟p i d 控制表达式离散化。根据输出值材。输出的情况，将数字p i d 控制器分为位置式p i d 控制器和增量式p i d 控制器。数字位置式p i d 控制器的表达式为： ti v = x ，气+ 墨丁+ 等( 气一e ) ( 3 3 ) 式中，七，朋为整数。将搬札，可得数字增量式p i d 控制器的表达式为： 一一l = 髟( 一1 ) + 墨乃l + 杨( 气+ l + l 一弛) = a u 七 ( 3 4 ) 式中，k p 一比例常数，k ，一积分常数，k d 一微分常数，t 为采样时间常 数。增量式p i d 控制器是保持材h 的作用下，每一次输出一个控制增量缸。， 这样可以避免发生故障时节气门的大幅度变化造成停机等故障。 本文采用数字增量式p i d 控制器进行仿真和控制，图3 2 建立了数字增量 式p i d 控制器的s i m u l i n k 模型，巧、丘、k d 分别为比例调节、积分调节和微 分调节的参数。为了研究这三个参数取值对系统动态性能的影响，本节采用单 位阶跃信号作为输入，分析了三个参数对系统响应的调节作用。 参数调节先将足，、k d 设为0 ，调节巧，调好后把参数值减少1 0 ：其次 1 7 第三章电子节气门控制系统的仿真 上海师范大学硕士学位论文 调节疋，从0 开始，当响应曲线开始波动时或失调时，停止增大豇，最后从0 开始增大k d 。仿真过程中如参数的选择不恰当，则系统不稳定，出现严重失调， 如图3 3 所示。 窭 譬 罩 撮 辩 c r 舡 图3 2 数字增量式p i d 控制器 图3 - 3 啊匝失调曲线 经过选取不同的参数和调试，得到不同的响应曲线。如图3 - 4 所示为比例系 数巧的分别为5 0 0 0 ，1 0 0 0 ，5 0 0 ，4 0 0 的阶跃响应。响应曲线反映出的动态性能， 可见比例控制常数巧的控制目标是使误差趋于减小。增大巧能减小误差，响应 曲线快速收敛，但过大的巧会导致闭环系统不稳定。 1 i t 3 5 为积分参数k ，分别为5 0 0 0 ，2 5 0 0 ，1 0 0 0 ，5 0 0 时的阶跃响应。积分控制 的特点为：控制目标是减少响应超调量，增大k t 使响应曲线平稳，减小静差， 但x t 过大会延长稳定时间，甚至失调。 图3 _ 6 为微分参数k d 取值为3 0 ，1 5 ，8 ，5 时阶跃响应。其特点为：对误差进 1 2 行微分，增大微分控制作用k j 可加快系统响应，使超调量减少，增加系统的稳 定性。缺点是对于干扰敏感，同时可能会带来静差。 塞 零 暮 援 辩 c r p 墨 暮 畏 样 c r 舡 塞 譬 暮 倒 般 r 扭 厂k ll x 一7 n o v k p = 5 咖 i i p = u w 0 i k n ! s n n 睿 k p = 4 0 0 时间，l 图3 - 4k f _ 8 0 0 ，k d ：8 时，比例参数巧的系统阶跃响应 队 徽 矿 n k i l l l k 1 = 5 0 0 0 一k = 2 5 一- r l 一1 n n ；i k i = s 图3 5 巧：5 0 0 ，k d ：8 n 寸，积分参数k ，的系统阶跃响应 广 ，一一、： ：i 、 二， j ，一r l ： 、 w l 蚺电流产生模块 如图3 8 为p w m 信号的仿真结果。选取的仿真参数f = - 2 0 0 0 h z ，电压o - 5 v ， 电源内阻为0 5q 。 3 2 2 控制系统的仿真 时问愚 图3 - 8 p w m 波形图 ( 1 ) 节气门阀片运动仿真模型的建立 节气门阀片在运动过程中，受到直流电机输出扭矩的作用，同时也受到弹 上海师范大学硕士学位论文 第三章电子节气门控制系统的仿真 簧的拉力，库伦摩擦、空气阻力等因素的影响，运动的稳定性和可控性难以确 切估计。如图3 - 9 建立了电子节气门控制系统的仿真模块。闭环控制中，控制 系统的目标开度与实际开度的差值，经p i d 算法输出控制电流，驱动电机输出 转矩，使节气门达到目标开度。 d e s i i a c t u a la n g l e t h r o t t l e a n g l e l i c r l 。b i a l t o rc u r r e n t ， 一 m o l e r _ t o r q u e k t ；l e e i r e da n g l e b a c k _ e m f p i d - jy o u r 3 t h r o t t l s i g n a lt o w o r k s p a c 0 3 图3 - 9 电子节气门控制系统的仿真 s i g n a lt o w o r k s p a c e 图3 - 1 0 电子节气门体模块 其中，节气门体模块的特性尤为重要，联立第二章式2 - 5 、式2 - 6 、式2 7 、 2 - 8 、式2 1 0 、2 1 2 、式2 1 3 可得电子节气门阀片的动力学方程，见式( 3 5 ) 。 二= 一等p ( ，) 一了k d 国( ，) 一了k s 鲫) ) 一k ，岛 ( 3 5 ) 2 1 第三章电子节气门控制系统的仿真上海师范大学硕士学位论文 如图3 - 1 0 为根据电子节气门阀片的动力学方程建立的节气门体模型子程 序。下面通过仿真来分析这些因素在节气门运动过程中的运动特性。 ( 2 ) p i d 控制器的参数选取 电子节气门体模块的仿真模型参数设置见本文表2 - 1 。模块的参数经整定， 在仿真过程中就不会再做修改。仿真过程中需要对控制系统的两个变量，即电 流和转矩进行观测。峰值电流可达5 a 至7 6 a ，转矩达到1 7 n m 。调整仿真参数 的过程中，通过观测两个变量的范围，使仿真更接近b o s c hd v - e 5 的实际特性。 根据本章3 1 节得到的p i d 控制器的三个参数，k t ，k d 的控制规律， 不同的取值对系统的响应有不同的效果。如图3 1 l 、图3 1 2 所示为节气门开度 从0 度至3 0 度时的动态性能的仿真。仿真结果表明：参数取值范围a p 在15 - 8 0 0 ， k ，在0 - 4 5 ，k d 在0 2 5 的时稳定时间t s 0 3 5 s ，超调量 1 7 n m 。电子节气门的阀片运动受到电机的驱动转矩7 r e ( t ) 及阻力转矩 礓( f ) 的共同作用，因此下面对这些阀片运动过程中的力矩进行仿真及研究。 ( 1 ) 阻力转矩分析 阻力转矩包括库伦摩擦力矩弓、阀片运动过程中受到的粘性摩擦力矩乃以 及复位弹簧力矩瓦。库伦摩擦力矩乃、粘性摩擦力矩乃以及复位弹簧力矩的 仿真曲线如图3 2 7 ，图3 2 8 ，图3 2 9 所示。图3 3 0 为三个阻力转矩的合力矩。 库仑摩擦力是一个与速度不成比例而是与速度方向相反的一个恒定阻力。 由图可知三个阻力矩中，阻力矩最大的为库伦摩擦的力矩。复位弹簧力矩的工 作过程增加开度时达到最大弹性，由于弹簧的自身特性，会产生往复的振动， 2 0 第三章电子节气门控制系统的仿真上海师范大学硕士学位论文 因此带来响应的波动。粘性摩擦的力矩，和复位弹簧的力矩产生使阻力矩波形 变得不稳定，因此系统的非线性因素更复杂了。所以需要加入控制算法以减少 阻力转矩的影响。 厂 l 时间， 图3 - 2 7 库伦摩擦力矩响应 f 0 8 2 x 1 矿 时间愚 图3 - 2 8 粘性摩擦力矩响应 乱啦0 5 0 6 们1 时问风 图3 2 9 复位弹簧力矩响应 e 毛- 卜 上海师范大学硕士学位论文第三章电子节气门控制系统的仿真 ，rl- - i-i - - i - - - i- - - - | 1 。m lf刖l 刖1ji! f l m li ，vvvv 1代 ，、7v 1n - v 1 1 7vi ，、，v l - - -ii ii-il-ii ，o 1o 2o 3o 4o 5o 6o 7o 8o 9 。 ( 2 ) 驱动转矩分析 e 重 图3 - 3 0 阻力合力矩响应 厂 时同地 图3 - 3 1 驱动力矩 图3 - 3 1 为采用p i d 控制算法后的驱动力矩的响应曲线。由于系统存在非线 性阻力矩的影响，因此驱动力矩要作用一段时间后才能达到目标值。根据增量 式的p i d 控制器原理，由图可知驱动力矩达到最大值后，经过系统负反馈调节， 增量反复调节，变小，最后使节气门开度达到目标值。 ( 3 ) 转矩合转矩分析 图3 - 3 2 为仿真波形的合转矩响应曲线，由于阻力矩相对于驱动力矩要小得 多，因此合转矩响应曲线与驱动力矩响应曲线较为相似，电子节气门控制系统 经过p i d 控制器计算和闭环控制，达到目标开度。 e 毛匣卜 第三章电子节气门控制系统的仿真 上海师范大学硕士学位论文 厂 3 5 本章小结 时间，。 图3 - 3 2 合转矩响应 本章主要是在数学建模后对电子节气门系统进行s i m u l i n k 的建模和仿真。 通过对直流电机模块，控制系统两个模块的进行仿真。首先分别对两模块在p i d 控制下的系统动态和稳态响应；其次逐级加减载，突加减负载的仿真；最后将 系统的两个重要中间参数电流、扭矩进行了讨论。 3 2 上海师范大学硕士学位论文第四章基于d 2 pm o t o h a w k 的调速系统控制策略的实现 第四章基于d 2 pm o t o h a w k 调速控制策略的实现 4 1 基于d 2 pm o t o h a w k 的实验装置 ；懈md 2 pm o t o h a w k ( f r o m d e v e l o p m e n t t op r o d u c t i o n ，简称“d 2 p ”) 平台进行对控制策略的实现研究。如图4 1 所示为实验平台的实验装置。表4 1 为 实验平台的软硬件清单。 图4 1 实验装置 表4 1 设备列表 设备名称 个数 e c m 0 5 6 5 12 8 l 1 2 8 p i n 线束1 硬件 k v a s e rc a n 传输线 1 电脑l 电子节气门b o s c hd v - e 51 软件m o t o h a w k 平台开发环境l 第四章基于d 2 pm o t o h a w k 的调速系统控制策略的实现 上海师范大学硕士学位论文 l )( l 图4 - 2 系统的硬件设备 ( 1 ) 控制器e c m 0 5 6 5 1 2 8 简介 本文采用的e c u 控制器型号为e c m 0 5 6 5 1 2 8 ，如图4 - 2 ( a ) 所示。该控制 器采用m o t o r o l am p c 5 6 5 高级微处理器，运算速度快、处理能力强，同时集成 了丰富的i o 接口，能够实现复杂的控制策略。该控制器有控制器与被控对象 连线后，通过s i m u l i n k 建立项目文件，编译后自动生成代码；通过m o t o t u n e 刷写代码的和在环调试。这种产品的工作温度范围为一4 0 。1 0 5 。c 【4 6 i 【4 7 1 ，并进行 了密封防水设计，非常可靠耐用。该控制器功能强大，根据实际项目需求对引 脚进行选用。d 2 p 平台e c ue c m 0 5 6 5 1 2 8 的基本参数见表4 - 2 4 8 】【4 9 】。 ( 2 ) k v a s e rc a n 传输线和1 2 8 p i n 线束 控制器e c u 通过线束和电源、电脑、电子节气门相连接，通过k v a s e rc a n 传输线进行程序的刷写和编译、在线调试。图4 2 ( b ) 为k v a s e rc a n 线。电 子节气门控制系统作为c a n 总线的节点，其数据可通过c a n 进行实时通信。 选用的e c m 0 5 6 5 1 2 8 内部集成了2 个c a n2 0 b 通道，其中c a n lv i 通道是 上海师范大学硕士学位论文第四章基d 2 pm o t o h a w k 的调速系统控制策略的实现 刷写程序通道，并且同时能进行c a n 通信。1 2 8 p i n 线束是用来连接控制器和 电源、执行器的导线。根据控制器型号和引脚的不同，制作与之匹配的线束。 表4 - 2d 2 pe c ue c m - 0 5 6 5 12 8 配置 微处理器：m o t o r o l am p c 5 6 5 ，5 6 m h z 内存：lmf l a s h ，5 4 8 kr a m ，8 k s e r i a le e p r o m ，6 4 k x 8 p a r a i l e le e p r o m 工作电压6 3 2 v d c 工作温度 4 0 。一10 5 0c 密封防水设计 支持m a t l a b s i m u l i n k s t a t e f l o w 编程语言与自动代 码生成技术 输入：输出： 3 0 个模拟输入 6 个3 a ia 峰值保持喷油器驱动 4 个低频离散输入6 - ? - 7 3 a 或3 a ia 峰值保持喷油器驱动 4 个虚拟频率输入1 6 个1 v r l 点火系统输出 2 个宽域氧传感器输入1 个1 5 a 转速计输出 2 个宽带双传感器爆震检测2 i , - 5 ah 桥p w m s 器1 个1 0 ahp w m 1 个r e l a yd r i v e r 继电器驱动 数据链接： 2 个c a n2 0 b 通道；1 个i s o9 1 4 1 通道；1 个r s 4 8 5 通道 ( 3 ) 建模软件m o t o h a w k 和编译软件g r e e n h i l l m o t o h a w k 是软件m a t l a b 系统的一个插件，建立工程后自动搭建控制平 台软件框架，利用m o t o h a w k 模块建立控制模型。图4 3 所示为m o t o h a w k 模 块库。程序经编译软件g r e e n h i i l 编译后，生成的“* s r z 文件。k v a s e rc a n 数据线连接电脑和线束的c a n 接口，将编译文件刷写到控制器中，再进行下一 步的进行硬件在环测试。 3 5 第四章基于d 2 pm o t o h a w k 的调速系统控制策略的实现 上海师范大学硕士学位论文 图4 3m o t o h a w k 模块厍 ( 4 ) 标定软件m o t o t u n e m o t o t u n e 是d 2 p 平台用来进行e c u 标定的工具，它采用可视化的软件界 面，在线从控制器r a m 和r o m 内中获取相关参数。m o t o t u n e 能同时连接多 个e c u ，每个e c u 可以连接多个应用程序。m o t o t u n e 采用可视化的操作界面， 可进行项目参数的在线调试。图4 - 4 为m o t o t u n e 软件的操作界面。c a l i b r a t i o n e x p l o r e r 栏显示项目中可在线调试的变量模块；d i s p l a ye x p l o r e r 栏显示项目中 “p r o b e ”模块指向的过程参数。通过在项目建立时的“c a l i b r a t i o n ”和“p r o b e ” 两种模块，即可在m o t o t u n e 软件中实现参数的在线调试和标定。 bi 。t 。t