发动机油门控制器的开发 - 宫文斌-

1、文章编号:1671-5497(200501-0049-03收稿日期:2004-08-15基金项目:国家自然科学基金资助项目(59705005.作者简介:宫文斌(1956-,男,副教授.研究方向:自动检测与控制.E -mail :gong0411sina .com通讯联系人:刘昕晖(1962-,男,教授,博士生导师.研究方向:流体传动与控制研究.E -mail :liuxh jlu .edu .cn发动机油门控制器的开发宫文斌,刘昕晖,魏中奎(吉林大学机械科学与工程学院,吉林长春130022摘要:利用PIC 系列单片机,采用参数在线PI D 控制方法设计了一种发动机油门控制器。该控器在不需要执行

2、机构精确数学模型的条件下,能根据设定值与测量值的偏差自动改变算法,实现对发动机油门开度的精确闭环电子控制。介绍了该系统的总体方案设计、在线PI D 参数的调节方法,并对系统的软件、硬件作了比较详细的论述。试验结果表明:该油门控制器响应速度快、超调量小、跟踪误差小,鲁棒性好。关键词:自动控制技术;油门控制器;PID 控制;单片机中图分类号:TP271.31文献标识码:ADevelopment of engine throttle controllerGONG Wenbin ,LIU Xinhui ,WEI Zhongkui(College of M echanical Science and E

3、ngineering ,Jilin Univers ity ,Changchun 130022,China Abstract :Based on PIC 16C73B single -chip microcomputer and PID contr ol method with self -adjusting on -line parameters ,an engine throttle controller was developed ,which can auto -regulate the algorithm according to the deviation between the

4、set value and the measured value ,and realized the closed -loop control for the position of engine throttle independent on the accurate mathematic model of the actuator .The overall design of the system and the on -line adjusting method of PID parameters were described ,the software and hardware wer

5、e discussed in detail .Experimental results showed that the controller is characterized by high response speed ,small overshoot and tracking error ,and good robustness .Key words :automatic control technology ;engine throttle controller ;PID control ;single -chip micr ocomputer0引言传统的工程机械油门控制一般由司机通过手

6、动控制油门拉杆的位置来调节发动机的供油量,从而控制发动机的转速。司机在操作过程中,由于操纵量多,有时难以顾及油门的调节,从而影响了整车的性能,造成燃料的无谓消耗。美国、日本等发达国家早在20世纪90年代就进行了发动机油门的电子化控制的研究,实现了节能控制1,2。我国目前仍然有大量的发动机油门没有实现电子自动控制,对节能控制及工程机械电子化的实现第35卷第1期吉林大学学报(工学版Vol .35No .12005年1月Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition J an .2005非常不利。作者设计的发动机油门控制

7、器系统由单片机控制发动机油门的位置,根据需要实现油门位置的电子闭环控制。它可以降低司机的劳动强度,提高油门的控制精度,节省燃料消耗,与其他系统配合,还可实现节能控制。1总体方案设计油门位置闭环系统如图1所示。油门控制器根据油门设定值采集当前油门位置,通过软件P I D 算法计算出PW M 的占空比,由单片机输出PWM 信号,经过光电耦合器至斩波稳流“H ”桥式放大电路,驱动直流伺服电机。通过齿轮减速传动机构带动油门拉杆,由油门拉杆轴上的角度传感器输出位置信号,再经过信号调理电路调节成05V 信号进入油门控制器,构成油门位置闭环控制系统 。图1油门位置闭环系统框图Fig .1Block diag

8、ram of engine throttle positionclosed loop controlsystem2硬件电路设计油门控制器的硬件组成原理如图2所示。PIC16C73B 微处理器具有5路A /D 通道转换、两路PWM 输出通道、4K 片内ROM 、192 字节图2电路组成原理图Fig .2Schematic diagram of the circuit片内RAM 、3个定时/计数器等资源。特别适合于车载控制器的开发与应用,且硬件设计简单,省去了A /D 转换及PW M 输出电路设计3。P I D 控制参数对位置闭环控制系统稳定性与系统动态特性有重大影响,这3个参数的计算取决于功率放

9、大电路、电机机构等的精确数学模型,而这些精确数学模型又很难得到,所以工程上采用近似模型或在线调试法。在线调试法依据经验比较容易实现,所以作者在设计中添加了可以在控制器运行中修改PID 参数的功能4。将3个电位器接入3个A /D 口,分别对应调整3个PID 参数。单片机输出的PWM 信号经过光电耦合器到功率放大电路,再经过功率放大器驱动伺服电机,然后经减速机构带动油门拉杆。同时,油门位置传感器对位置信号进行检测,经过调零,放大到05V ,然后经A /D 转换输入到单片机ADRE S 寄存器。3软件程序设计控制器的软件设计主流程如图3所示。首先对单片机进行初始化,包括PW M 方式设定、A / D

10、图3程序流程图Fig .3Program flow chart口控制字、I /O 口控制方式设定等。如果开关闭合,则从记忆存储器中读取比例系数K p 、积分时间常数K i 、微分时间常数K d ,然后根据偏差和PID 算法,计算本采样周期的PWM 输出值;如果开关断开,则油门控制器处于PID 参数整定状态,由A /D 口分别读取K p 、K i 和K d ,然后进行控制。根据经验调整相应的电位器,直至油门控制达到满意效果为止,然后将这3个控制参数保存到记忆存储器。该方法可以在线整定,调试方便。为·50·吉林大学学报(工学版第35卷缩短调节时间、减小系统超调,在应用程序中还可

11、判断偏差的大小。如果偏差大于某一给定门槛值,则进行PD 控制;如果偏差小于这一门槛值,则进行PID 控制5。实践证明该方法十分有效。4试验结果系统的速度阶跃响应曲线如图4所示。根据试验曲线1和试验给定数据,得出系统的静态增益K =3.1,伺服电机机电时间常数T =0.14s ,延迟时间=0.03s 。根据以上参数,建立系统的传递函数为:G (s =K Ts +1e -s =e -0.03 s图4系统的速度阶跃响应曲线Fig .4Speed step response curves图5闭环位置系统阶跃响应曲线Fig .5Step response curves of closedloop pos

12、ition s y stem根据传递函数,用MATL AB 仿真系统的阶跃响应3,得到图4中的曲线2。再用另外一组试验数据与仿真曲线比较可以看出,试验曲线与仿真曲线拟合很好,说明所建模型是正确的。根据以上模型,作者利用非接触角度传感器及放大器构成了闭环位置伺服控制系统,采用了积分分离PI D 控制算法,试验结果如图5所示。由图5得出系统的超调量M p =17%,调节时间t s =1.25s ,该系统能很好地满足设计要求。参考文献:1国香恩,赵丁选,尚涛,张红彦.模糊控制在液压挖掘机节能中的应用J .吉林大学学报:工学版,2004,34(2:217-221.GUO Xiangen ,ZHAO D

13、ingxuan ,SHANG Tao ,ZHANG Hongyan .Application of fuzzy theory in electronic control s ystem of hydraulic excavator for energy -saving J .Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition ,2004,34(2:217-221.2尚涛,赵丁选,肖英奎,国香恩,金立生,张红彦.液压挖掘机功率匹配节能控制系统J .吉林大学学报:工学版,2004,34(4:592-596.SHANG Ta

14、o ,ZHAO Dingxuan ,XIAO Yingkui ,GUOXiangen ,JIN Lisheng ,ZHANG Hongyan .Power matching for energy -savin g control system of hydralic excavators J .Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition ,2004,34(4:592-596.3窦振中.PIC 系列单片机原理和程序设计M .北京:北京航空航天大学出版社,1998.4杨智.自整定PID 调节器设计方法J .甘肃工业大学学报,1998,