汽车电子节气门滑模控制技术研究

郭久一

(沈阳科技学院，辽宁沈阳 110167)

滑模控制技术是一种非线性结构控制技术，通过对控制结构进行改变，确定系统状态和滑动面的偏差结构，让控制过程满足滑动面规定[1]。本文对发动机节气门角自适应滑模控制方法进行了研究。通过滑动模态控制，节流阀可以直接机械地连接转向装置，从而取代传统的传感器和执行机构。当前，直线传动系统主要用于重型设备，如推土机和农业机械，将这些系统安装到汽车上，需要有足够安全可靠的机械连接，这种控制方法对控制参数的不确定有很强的鲁棒性，可以用自适应定律来估计节气门体的库仑摩擦力，使估计值趋于真值，可降低功耗控制。当油门体摩擦超出正常范围时，仪表会发出报警声，提醒驾驶员。

1 汽车电子节气门体

设计汽车电子节气门，并在内部设计控制系统，这种控制系统抛弃了传统的机械式连接，采用了柔性控制方式。控制系统主要由油门踏板、油门体和电控单元三个模块组成。驾驶踏板模块是驾驶员向系统输入信号的装置；电子控制单元是整个系统的核心，主要用来处理踏板和油门传感器的信号，计算电子油门的当前工作状态。根据系统中的其他额定参数，向驾驶员发送控制信号；电子节气门的作用不仅仅是旋转节气门，它还实时反馈节气门的当前位置。在电子加速器控制系统运行过程中：首先，当驾驶员踩下油板后，利用传感器实现电压信号模拟，电子油门位置传感器也测量实时模拟电压信号B，然后，控制器将最后两个模拟电压信号转换为相应的数字信号，由控制器计算出合适的燃油混合气进入发动机的时间，最后，通过ECU 产生的PWM 控制直流电机产生转动力矩，并将减速齿轮送至节气门挡板，以保持相应的开度[2]。

本文研究控制技术可将驱动电机的输出转矩以一定的传动比传递到节流阀板上，从而降低转速，增加转矩，使驱动电机能更好地调节电子节流阀的开度。驱动机构包括：驱动轮、中间齿轮、扇齿等。但是齿轮之间必然存在一定的间隙，这也是影响系统非线性的一个因素，给系统控制增加了难度。

2 电子节气门数学模型

在确定汽车电子节气门体后，设计电子节气门数学模型。电力节气门使用的驱动马达通常是直流马达。对于直流电机的等效电路，线圈产生等效电阻和电感。研究发现，电枢阻抗以限流阻抗为主，电感阻抗以缓冲阻抗为主。两者共同作用，使得电机的动态平整度能得到很好地调节[3]。

该方法能有效地优化等效电路，把它简化，根据克里霍夫定律建立直流电机微分方程：

其中，Ra表示的是电枢绕组；Rr表示电源内部产生的电阻；L 表示电枢产生的电感；i 表示产生的电流；N 表示由齿轮转动的减速比；kl表示规定的扭转系数；w 表示电机转动的角速度；u表示得到的真空比；E 表示电源产生的电压。

在智能节气门控制系统中，机械传动部分也是重要组成部分，因此需要设计相应的数学模型。实践证明，该机构的机械传动部分与机械节流传动部分相吻合，各减速器把电动机输出的扭矩传给节流阀。但是，在电机转速过高时，为了更好地控制油门开度，必须降低一定的转角[4]。

3 汽车电子节气门滑模控制技术

通过电子节气门控制模型实现控制，通过传递函数进行线性稳定系统传输，实现输出控制。该控制方法较为成熟，利用频率响应法和根轨迹法分析了系统的输入特性和输出特性，建立了系统的数学模型。传统控制理论中，用于综合修正的修正网络一般有：滞后修正网络、超前修正网络和滞后修正网络，另外，PID 校正网络在各种控制系统中也有广泛的应用。在状态空间的基础上，现代控制理论能够通过状态方程和输出方程对系统的运动状况进行描述，利用时域分析实现设计[5]。本系统可在计算机上运行，为控制系统的进一步开发奠定了基础。智能化控制理论是指使智能机器达到控制目标而无需人工干预的控制技术。随着被控制的汽车电子节气门复杂度的提高，控制系统已经从简单线性转化成非线性，这给建立其数学模型带来很大困难，普通控制理论无法对其进行分析和计算，这种系统的定量研究是十分必要的。基于经典控制理论、现代控制理论和计算机技术，结合定性分析，提出了难以建立精确数学模型的智能控制理论。在技术上进行了深入地研究与开发。电气控制节气门模糊控制器的控制原理是：在对控制量进行选择时，要在最短的时间内消除误差，以稳定的状态实现出发。利用输出模糊量转换量来解决模糊问题，设计模糊决策，当存在模糊输出变量时，需要根据模糊子集和隶属函数度对控制变量进行分析。对输出的模糊子集进行隶属度定义，引入平均加权法将得到的模糊子集转化成清晰子集，从而更好地发出信号。

在语言变量中，可以选择语言变量的值，也可以选择模糊子集：错误语言变量e，错误率会改变。用{NB, nano, NS, Ze, PS,PB}来控制数量语言变量u 的大小，其中包括u,负小，0，中，大}和其英文缩写。一个函数语言变量的子集{NM, NS, ZE, PS,PM}使用均匀分布的敏感三角，Z 函数和S 函数分别用于语言变量{NB}和{PB}。

4 控制器仿真实验

为验证本文提出的汽车电子节气门滑模控制技术有效性，选用本文控制技术与传统控制技术进行实验对比。设定实验参数如下：工作电压为200V，工作电流为150A，工作频率为100Hz，操作系统为Windows10。

根据上述实验参数，选用本文提出的控制技术和传统控制技术同时对同一个汽车电子节气阀门进行控制，记录控制时间、控制超调量、控制稳态误差。

得到的控制时间实验结果如表1 所示。

表1 控制时间表

根据上表可知，本文提出的汽车电子节气门滑模控制技术控制消耗时间要少于传统的控制技术消耗时间，本文提出的控制消耗时间能够在更短时间内实现控制，完成信息的处理。

控制超调量实验结果如图1 所示。

图1 控制超调量实验结果

根据图1 可知，本文提出的控制超调量远远小于传统控制技术的控制超调量。当控制时间为0.05s 时，本文提出的控制技术控制超调量为67，传统控制技术控制超调量为93；当控制时间为0.1s 时，本文提出的控制技术控制超调量为69，传统控制技术控制超调量为90；当控制时间为0.15s 时，本文提出的控制技术控制超调量为66，传统控制技术控制超调量为88；当控制时间为0.2s 时，本文提出的控制技术控制超调量为71，传统控制技术控制超调量为91；当控制时间为0.25s 时，本文提出的控制技术控制超调量为70，传统控制技术控制超调量为92，随着时间的增加，此种方法呈线性关系。

由此可见，本文提出的控制技术控制误差小于传统控制技术的控制误差。

通过对电子节流阀结构特点的分析，得出结论，汽车电子节气门主要由直流电机和驱动机构组成，在直流电机运行至稳态时，线性极化是其最显著的特征，而在调速时，特征是非线性的。电动节流阀的传动部分由弹簧、齿轮等多种零件组成。在工作过程中出现的弹簧非线性、间隙非线性、摩擦非线性等都是典型的非线性系统。为此，在进行电子节气门控制时，应采用模糊自适应PID 控制策略，以达到稳定、快速的目的。通过模拟实验研究了三种控制效果。

虽然普通PID 控制易出现超调现象，但这种控制方法结构简单，尤其适用于硬件实现，滑膜变结构控制，与PID 控制相比，超调量有较大提高。该系统具有良好的动态跟踪性能，但是，换挡时抖动比较严重，控制效果曲线的小故障问题也比较明显。仿真实验结果表明，本文提出的模糊自适应PID 控制方法能够更好地实现动态跟踪，分析平滑的速度。所以，控制系统对汽车电子节流阀的快速响应、平滑调速具有重要作用。

在此基础上，模糊控制输出曲线的超调量明显减少，控制速度明显提高，稳定性得到改善，系统具有更好的动态性能，虽然模糊控制策略效能感应时间较长，控制精度较低，但是本文利用隶属度重建的方法实现精准控制，确保控制结果的准确性。

结束语

因为系统的输入采用阶跃信号，所以模糊控制的响应曲线基本上没有超调，但是上升时间很长，并且存在一定的稳态误差。在输入为正弦信号的情况下，通过模糊控制得到的跟踪信号速度较慢，且存在时滞，但稳态误差较小。