月1-农业机械学报第3-卷第1-期8-1

２００７年１１月农业机械学报第３８卷第１１期汽车电子节气门模糊控制器快速控制原型设计王斌刘昭度王仁广吴利军王国业【摘要】阐述了电子节气门控制系统的组成及其工作原理，设计了模糊控制器。基于ｄＳＰＡＣＥ公司的单板实时仿真系统ＤＳ１１０３ＰＰＣ，进行了电子节气门模糊控制器快速控制原型设计。试验表明，开发的模糊控制器能够很好地满足电子节气门控制的需要。关键词：电子节气门模糊控制器快速控制原型中图分类号：Ｕ４６４．１３４＋３文献标识码：Ａ﹥┈┃┄┅﹤┄┃┉┇┄━┇┄┉┄┉┎┅┃┄┇﹢┊┉┄│┄┉┋﹦━┉┇┄┃┇┄┉┉━﹨┊┏┏┎﹤┄┃┉┇┄━━┇ＷａｎｇＢｉｎＬｉｕＺｈａｏｄｕＷａｎｇＲｅｎｇｕａｎｇＷｕＬｉｊｕｎＷａｎｇＧｕｏｙｅ（爜牉牏牐牏牕牋爤牕牞牠牏牠牣牠牉牗牊爴牉牅牎牕牗牓牗牋牪）﹢┈┉┇┉Ｔｈｅｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｔｈｒｏｔｔｌｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄａｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｔｈｒｏｔｔｌｅｗａｓｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｒａｐｉｄｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇｏｆｔｈｅｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄＳＰＡＣＥＧｍｂＨ＇ｓｒｅａｌｔｉｍｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍＤＳ１１０３ＰＰＣｓｉｎｇｌｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｂｏａｒｄ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｃａｎｓａｔｉｓｆｙｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｒｕｎｎｉｎｇｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｔｈｒｏｔｔｌｅ．┎┌┄┇┈Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｔｈｒｏｔｔｌｅ，Ｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，Ｒａｐｉｄｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ收稿日期：２００６０６０９国家自然科学基金资助项目（项目编号：５０１２２１５５）王斌北京理工大学机械与车辆工程学院博士生，１０００８１北京市刘昭度北京理工大学机械与车辆工程学院教授博士生导师王仁广北京理工大学机械与车辆工程学院讲师吴利军北京理工大学机械与车辆工程学院讲师王国业北京理工大学机械与车辆工程学院副教授引言汽车电子节气门控制系统（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｔｈｒｏｔｔｌｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ，简称ＥＴＣＳ）是现代发动机电子控制技术之一，广泛地应用于汽车的怠速控制、驱动防滑控制、巡航控制以及自动变速控制等汽车动力学控制系统中［１］。ＥＴＣＳ取代传统的机械式节气门操作系统，是汽车发展的趋势。目前国外对该项技术的研究已经十分深入［２］，国内研究尚处于起步阶段。节气门在工作过程中，受到弹簧复位扭矩、阻尼力矩、进气扰流和粘性摩擦扭矩、电动机驱动力矩的作用，具有强非线性时变性和很强的不确定性［３～４］。这使得控制算法成为ＥＴＣＳ开发过程的核心和关键。快速控制原型（ｒａｐｉｄｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ，简称ＲＣＰ）技术作为汽车电子控制系统设计与开发的主要手段，具有开发周期短、成本低、容易验证研发方向的正确性，以及可将控制算法开发中的错误和不当之处消除于设计的初期阶段等优点。本文在Ｍａｔｌａｂ燉Ｓｉｍｕｌｉｎｋ和ＦｕｚｚｙＬｏｇｉｃＴｏｏｌｂｏｘ环境下构建ＥＴＣＳ模糊控制算法，采用ｄＳＰＡＣＥ公司的ＤＳ１１０３ＰＰＣ单板实时仿真系统，进行ＥＴＣＳ模糊控制器的快速控制原型设计。﹦﹤组成及工作原理ＥＴＣＳ由控制器、驱动电路、执行机构、传感器组成，图１为ＥＴＣＳ简图。ＥＴＣＳ根据加速踏板位置传感器和其它控制单元确定节气门的目标开度。通过对力矩电动机进行脉宽调制（ｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，简称ＰＷＭ）实现对电动机输出力矩的精细控制。电动机输出力矩与占空比成正比。当电动机的输出力矩与阻力矩平衡时，节气门稳定在目标开度；占空比增大时，电动机驱动力矩大于阻力矩，节气门开度增加；反之，节气门开度减小。节气门位置传感器将位置反馈给控制器，构成一个闭环反馈控制系统。图１ＥＴＣＳ结构简图Ｆｉｇ．１ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅＥＴＣＳ１．加速踏板２．加速踏板位置传感器３．控制器４．驱动电路５．力矩电动机及减速机构６．节气门阀片７．节气门体８．复位弹簧９．节气门位置传感器１０．其它控制单元﹦﹤模糊控制器快速原型设计﹢﹤﹦实时仿真系统ｄＳＰＡＣＥ实时仿真系统是由德国ｄＳＰＡＣＥ公司开发的一套基于Ｍａｔｌａｂ燉Ｓｉｍｕｌｉｎｋ控制系统开发及测试的实时仿真平台，它实现了与Ｍａｔｌａｂ燉Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的完全无缝连接，拥有方便的实现代码生成燉下载和试验燉调试的软件环境，可以完成从系统建模、分析、离线仿真直到实时控制的全过程。本文采用的ｄＳＰＡＣＥ公司ＤＳ１１０３ＰＰＣ单板实时仿真系统拥有ＰｏｗｅｒＰＣ７５０ＧＸ处理器，可进行浮点运算。它将Ｉ燉Ｏ、ＣＡＮ控制器以及ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０Ｆ２４０数字信号处理器集成在同一板卡上，可以方便地实现Ａ燉Ｄ、Ｄ燉Ａ、数字Ｉ燉Ｏ、ＰＷＭ信号发生器等功能，满足控制系统快速控制原型开发的需求。．模糊控制器设计模糊控制器具有不依赖于对象的数学模型、便于利用人的经验知识、鲁棒性好、简单实用等优点［５］，特别适合于电子节气门这类具有非线性、时变和难以精确建模的复杂控制过程。与常规的ＰＩＤ控制器相比，它的响应速度快，超调小。采用二维模糊控制器，以节气门目标开度与实际开度的误差牉及其变化率牉·作为输入语言变量；以占空比增量Δ牣为输出语言变量。牉的论域为［－１００，１００］，牉·的论域为［－２０００，２０００］，Δ牣的论域为［－１，１］。输入输出语言变量的模糊子集均分为７级：｛负大，负中，负小，零，正小，正中，正大｝，简记为｛ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，Ｚ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ｝。量化因子爦１、爦２与比例因子爦３的取值分别为１、１燉２０００、１。为了提高稳态点控制的精度，适应被控对象非线性的特点，输入输出变量的隶属函数均采用非对称结构［６］。图２为输入语言变量（牉、牉·）和输出语言变量（Δ牣）的隶属函数。模糊推理采用Ｍａｍｄａｎｉ推理法。图２输入、输出语言变量的隶属函数Ｆｉｇ．２Ｍｅｍｂｅｒｓｈｉｐｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆｉｎｐｕｔａｎｄｏｕｔｐｕｔｌａｎｇｕａｇｅｖａｒｉａｂｌｅｓ双输入单输出二维模糊控制器的模糊控制规则的形式为“ＩＦ牉ａｎｄ牉·ｔｈｅｎ牣”。根据手动控制策略，以及多次实时仿真试验结果，对模糊控制规则进行了修改、优化，最终制定了４９条模糊规则。模糊控制规则表如表１所示。表模糊控制规则表．┊━┉━┄┊┏┏┎┄┃┉┇┄━牉牉·ＮＢＮＭＮＳＺＰＳＰＭＰＢＮＢＮＢＮＢＮＢＮＢＮＭＮＳＺＮＭＮＢＮＢＮＢＮＭＮＳＺＰＳＮＳＮＢＮＢＰＳＮＳＺＰＳＰＭＺＮＢＮＭＮＳＺＰＳＰＭＰＢＰＳＮＭＮＳＮＳＰＳＰＳＰＢＰＢＰＭＮＳＮＳＺＰＭＰＢＰＢＰＢＰＢＺＰＳＰＳＰＭＰＭＰＢＰＢ快速控制原型模型构建ＤＳ１１０３ＰＰＣ单板实时仿真系统作为模糊控制０１农业机械学报２００７年算法及控制逻辑代码的硬件运行环境，实现ＥＴＣＳ控制器的功能。实时硬件负责与外部输入输出设备连接。用硬件接口关系代替原来的逻辑连接关系，交互控制信息与反馈信息，在原型控制算法和控制对象之间实现实时连接。控制对象选用的是西门子威迪欧Ｌ０６ＡＧ型电子节气门总成。它将图１所示的力矩电动机及减速机构，节气门体与阀片，以及复位弹簧和节气门位置传感器集成为一个整体。将所有的输入输出设备与ＤＳ１１０３ＰＰＣ单板系统、控制对象直接连接，通过Ｍａｔｌａｂ燉Ｓｉｍｕｌｉｎｋ、ＦｕｚｚｙＬｏｇｉｃＴｏｏｌｂｏｘ和ｄＳＰＣＡＣＥ提供的实时硬件接口库ＲＴＩ（ｒｅａｌｔｉｍｅｉｎｔｅｒｆａｃｅ），就可以采用图形化方式方便快捷地搭建电子节气门模糊控制器快速控制原型。如图３所示，信号模拟器用于产生节气门的目标开度，ＤＳ１１０３ＳＬ＿ＤＳＰ＿ＡＤＣ＿Ｃ１模块连接节气门位置传感器的反馈信号，通过一维查表模块，将Ａ燉Ｄ采集的电压信号转换为节气门实际开度信号。在控制过程中，模糊控制器根据牉和牉·，实时地计算出占空比的增量Δ牣。Δ牣与前一采样时刻控制输出牣（牑－１）叠加后即为当前时刻占空比输出牣（牑），通过ＤＳ１１０３ＳＬ＿ＤＳＰ＿ＰＷＭ模块产生ＰＷＭ信号，再经驱动电路直接驱动节气门执行机构动作，实现电子节气门的模糊控制。图３模糊控制器快速控制原型Ｆｉｇ．３Ｒａｐｉｄｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇｆｏｒｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ试验结果与分析在控制系统快速控制原型模型搭建完成后，通过ＲＴＩ与Ｍａｔｌａｂ实时工作空间ＲＴＷ就可实现从Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型到ｄＳＰＡＣＥ实时硬件代码的无缝自动下载，并自动在ＤＳ１１０３ＰＰＣ单板系统中执行。通过ｄＳＰＡＣＥ的综合试验软件ＣｏｎｔｒｏｌＤｅｓｋ可以实现对实时硬件的图形化管理，建立用户虚拟仪表，实现变量和参数的可视化、试验数据采集以及试验过程自动化管理。通过信号模拟器分别进行了电子节气门对不同信号的跟随控制试验。试验时，系统的采样周期为００１ｓ，占空比频率为２５０Ｈｚ。图４～６分别为电子节气门在阶跃信号、变频正弦信号以及变幅锯齿信号输入下的响应曲线。图４阶跃信号输入的响应曲线Ｆｉｇ．４Ｒｅｓｐｏｎｓｅｗａｖｅｆｏｒｍｏｆｓｔｅｐｉｎｐｕｔ图５变频正弦信号输入的响应曲线Ｆｉｇ．５Ｒｅｓｐｏｎｓｅｗａｖｅｆｏｒｍｏｆｖａｒｉａｂｌｅｓｉｎｅｉｎｐｕｔ图６变幅锯齿信号输入的响应曲线Ｆｉｇ．６Ｒｅｓｐｏｎｓｅｗａｖｅｆｏｒｍｏｆｖａｒｉａｂｌｅｓａｗｔｏｏｔｈｉｎｐｕｔ电子节气门在阶跃输入响应的上升时间不超过１００ｍｓ，下降时间不超过２００ｍｓ。上升时间与下降时间不同，是由于电子节气门采用单极性驱动造成的。从试验结果可以看出，采用设计的模糊控制器能很好地解决电子节气门控制中非线性问题，控制器具有较强的鲁棒性。对阶跃信号、变频正弦信号、变幅锯齿波信号都能有很好的跟踪性能，超调量较小，获得了比较满意的控制效果，能满足实际电子节气门控制的要求。结束语基于Ｍａｔｌａｂ燉Ｓｉｍｕｌｉｎｋ、ＦｕｚｚｙＬｏｇｉｃＴｏｏｌｂｏｘ以及ＤＳ１１０３ＰＰＣ单板系统进行了电子节气门模糊控制器的快速控制原型设计。试验表明：所构建的模糊控制器具有较好的控制效果。在电子节气门模糊控制器快速控制原型开发过程中，需要编写的代码少，模型参数的修改、代码的生成及下载非常方便。（下转第页）１１第１１期王斌等：汽车电子节气门模糊控制器快速控制原型设计图１１比热容对温度场的影响Ｆｉｇ．１１Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｓｐｅｃｉｆｉｃｈｅａｔｔｏｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ的对比表明数学模型具有很好的精度。（２）未耦合值、耦合值、试验值的对比可以看出：耦合值略高于试验值，是由于转子鼓轮辐和联轴器的散热途径未考虑在内。（３）耦合因素电阻率、磁导率对温度场影响很大，在温度场、磁场分析中必须考虑。（４）转子鼓物性参数变化会引起温度场的变化。导热系数的变化不能忽略，而在满足工程需求的情况下，比热容的变化可以忽略不计。参考文献１ＳａｋａｍｏｔｏＨ，ＡｒａｋＫ，ＡｋｉｙｏｓｈｉＩ，ｅｔａｌ．ＤｅｓｉｇｎｏｆｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｔｙｐｅｃｏｍｐａｃｔＥＣＢｒｅｔａｒｄｅｒ［Ｊ］．ＳＡＥＰａｐｅｒ９７３２２８，１９９７．２何仁，衣丰艳，刘成晔．车用缓速器结构参数对制动力矩的影响分析［Ｊ］．农业机械学报，２００５，３６（９）：２１～２４．３ＳｈｉｒａｉｓｈｉＲ，ＤｅｍａｃｈｉＫ，ＵｅｓａｋａＭ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｃｏｕｐｌｅｄｐｒ