本發(fā)明涉及一種電子節(jié)氣門控制方法，尤其是一種基于自適應(yīng)滑模技術(shù)的電子節(jié)氣門控制方法。

背景技術(shù)：

在全球汽車企業(yè)日趨激烈競(jìng)爭(zhēng)的背景下，如何以科學(xué)的方法與手段，使我國(guó)汽車電控系統(tǒng)自主研發(fā)能力得到提升，以實(shí)現(xiàn)我國(guó)從消費(fèi)大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)型是我們目前所面臨的重大機(jī)遇與挑戰(zhàn)。作為汽車工業(yè)不斷發(fā)展的重要手段，汽車電控技術(shù)的使用能夠有效地改善汽車的動(dòng)力性、舒適性以及行車安全性等。

傳統(tǒng)節(jié)氣門是機(jī)械式的，屬于剛性連接，即駕駛員通過踩踏油門踏板直接對(duì)進(jìn)氣量進(jìn)行控制，這種控制方式不僅不能實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣量的精確控制，而且駕駛員的誤操作會(huì)帶來嚴(yán)重的安全問題。電子節(jié)氣門的出現(xiàn)很好地解決了這一難題。區(qū)別于傳統(tǒng)節(jié)氣門，電子節(jié)氣門開度并不由駕駛員通過踩踏油門踏板直接決定，而是電子控制單元(electroniccontrolunit,ecu)根據(jù)車輛當(dāng)前行駛工況下所需要的總扭矩，計(jì)算得到與之對(duì)應(yīng)的節(jié)氣門最佳開度，進(jìn)而通過控制電機(jī)使節(jié)氣門閥片旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)的開度，這樣就會(huì)確保發(fā)動(dòng)機(jī)在車輛處于不同工況下時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)均能處于最佳工作狀態(tài)，以減少?gòu)U氣排放，提高車輛的行駛穩(wěn)定性。由于傳統(tǒng)節(jié)氣門己不能滿足人們對(duì)車輛性能的各種需求，電子節(jié)氣門及其控制問題應(yīng)運(yùn)而生。

相比于傳統(tǒng)機(jī)械式的節(jié)氣門，電子節(jié)氣門具有傳統(tǒng)節(jié)氣門無法比擬的優(yōu)勢(shì)。近年來，國(guó)內(nèi)外許多文獻(xiàn)表明電子節(jié)氣門控制算法的研究己趨向成熟，然而遺憾的是，電子節(jié)氣門在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，受到復(fù)位彈簧扭矩、阻尼力矩、粘性摩擦扭矩、包機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩、齒輪間隙扭矩及擾動(dòng)的作用，并存在非線性不確定因素的影響，以致許多研究對(duì)其控制存在的問題考慮分析不全面，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)計(jì)的控制器無法確保其魯棒性，使得控制器控制精度變差。此外，電子節(jié)氣門的長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)導(dǎo)致節(jié)氣門閥片產(chǎn)生油污積碳、電機(jī)老化、齒輪傳遞機(jī)械特性變差及節(jié)氣門參數(shù)變化等問題。

近年來，shengwang和baoyan在《nonlineardynamics》期刊上發(fā)表的論文《fruitflyoptimizationalgorithmbasedfractionalorderfuzzy-pidcontrollerforelectronicthrottle》(“基于分?jǐn)?shù)階模糊pid控制器的電子節(jié)氣門果蠅優(yōu)化算”——非線性動(dòng)力學(xué),2013,73(1-2):611-619.)中提出了電子節(jié)氣門分階模糊pid控制器，并應(yīng)用果蠅優(yōu)化算法對(duì)控制器的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。值得注意的是，在控制器的設(shè)計(jì)過程中并沒有考慮到齒輪間隙扭矩這一非線性因素對(duì)控制器控制性能的影響。

隨后，yadavak和gaurp將電子節(jié)氣門控制應(yīng)用于混合動(dòng)力車輛的速度控制，在《nonlineardynamics》期刊上發(fā)表的論文《robustadaptivespeedcontrolofuncertainhybridelectronicvehicleusingelectronicthrottlecontrolwithvaryingroadgrade》(“采用變坡度電子節(jié)氣門的不確定混合動(dòng)力汽車魯棒自適應(yīng)速度控制”——非線性動(dòng)力學(xué),2014,76(1):305-321.)中提出了自學(xué)習(xí)模糊pid控制器，并設(shè)計(jì)了基于滑模控制機(jī)理的模型參考系統(tǒng)，以獲得較好的魯棒性。遺憾的是，符號(hào)函數(shù)的使用會(huì)使滑模控制產(chǎn)生高頻抖動(dòng)，進(jìn)而影響控制器的控制性能。

panyaodong和ozguneru以及dagcioh在《ieeetransactionsonindustrialelectronics》期刊上發(fā)表的論文《variable-structurecontrolofelectronicthrottlevalve》(“電子節(jié)氣門的變結(jié)構(gòu)控制”——ieee工業(yè)電子學(xué)報(bào),2008,55(11):3899-3907.)中探討了電子節(jié)氣門變結(jié)構(gòu)滑模控制，考慮到節(jié)氣門開度變化難以直接測(cè)量等問題，設(shè)計(jì)滑模觀測(cè)器以實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)氣門開度變化的估計(jì)。應(yīng)該指出的是，針對(duì)摩擦扭矩只考慮了庫倫摩擦的影響，而忽略了粘滑摩擦的影響。

基于以上分析可知，雖然己有很多學(xué)者針對(duì)電子節(jié)氣門提出了各種控制算法，但是現(xiàn)有的電子節(jié)氣門控制方法還存在以下不足：

1、在控制器設(shè)計(jì)過程中只針對(duì)電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)中存在的某一非線性特性進(jìn)行側(cè)重探討，弱化了其他非線性特性、擾動(dòng)及不確定因素對(duì)控制器性能的影響。

2、研究者很少考慮到節(jié)氣門閥片阻力矩對(duì)控制器性能的影響。

3、電子節(jié)氣門的控制精度和響應(yīng)速度沒有明顯的提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中節(jié)氣門參數(shù)不確定性問題及齒輪間隙扭矩的存在增加了電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的非線性特性，提供一種在不同工況下能夠克服節(jié)氣門參數(shù)不確定性及電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的非線性特性，并且具有響應(yīng)速度快和魯棒跟蹤性能的基于自適應(yīng)滑模技術(shù)的電子節(jié)氣門控制方法。

為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于自適應(yīng)滑模技術(shù)的電子節(jié)氣門控制方法，包括腳踏板和節(jié)氣門的位置信號(hào)采集，主要步驟如下：

步驟1，踩下油門腳踏板，并令腳踏板角度θd≥1°；

步驟2，對(duì)腳踏板角度θd和當(dāng)前節(jié)氣門輸出角度θt進(jìn)行采樣，采樣周期為δt；

步驟3，先根據(jù)步驟2得到的腳踏板角度θd和當(dāng)前節(jié)氣門輸出角度θt利用公式e＝θt-θd算出系統(tǒng)誤差e，然后通過自適應(yīng)魯棒滑模控制算法計(jì)算出節(jié)氣門的最佳控制電壓u，并按照公式t＝u/12換算出電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)定的占空比t；

步驟4，將換算后得到的占空比t傳送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出電壓u驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門，輸出理想節(jié)氣門輸出角度θt1；

步驟5，設(shè)檢驗(yàn)終止條件為θt1＝θd，檢驗(yàn)步驟4所得到理想節(jié)氣門輸出角θt1數(shù)值是否滿足檢驗(yàn)終止條件，如果滿足檢驗(yàn)終止條件，即腳踏板角度θd和所輸出的理想節(jié)氣門輸出角度θt1數(shù)值相等，則結(jié)束運(yùn)行；如果未滿足檢驗(yàn)終止條件，則返回步驟2并重復(fù)步驟2～5，直至滿足檢驗(yàn)終止條件。

優(yōu)選地，步驟3所述自適應(yīng)魯棒滑模控制算法包括以下步驟：

(1)求滑模函數(shù)s，其表達(dá)式為：

式中是系統(tǒng)誤差e的一階導(dǎo)數(shù)，c為滑模正常數(shù)；

(3)求最佳控制電壓u，其表達(dá)式為：

式中，τfa0為節(jié)氣門系統(tǒng)的標(biāo)稱摩擦力矩；τspa0為系統(tǒng)的彈簧回正力矩；a0為系統(tǒng)標(biāo)稱參數(shù)1；b0為系統(tǒng)標(biāo)稱參數(shù)2；為當(dāng)前節(jié)氣門輸出角度θt的一階導(dǎo)數(shù)；為腳踏板角度θd的一階導(dǎo)數(shù)；為腳踏板角度θd的二階導(dǎo)數(shù)；為系統(tǒng)中總不確定集合的上界估計(jì)值，其中，為上一采樣周期系統(tǒng)中總不確定集合的上界估計(jì)值，為的一階導(dǎo)數(shù)，ξ1為學(xué)習(xí)率；k為設(shè)定的收斂速度正常數(shù)；sat(s)為邊界符號(hào)函數(shù)，表達(dá)式為其中，sign(s)為符號(hào)函數(shù)，ξ2為設(shè)定的邊界正常數(shù)。

優(yōu)選地，步驟2所述采樣周期δt＝0.001秒。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是：

(1)克服了現(xiàn)有技術(shù)中電子節(jié)氣門參數(shù)不確定性問題；

(2)解決了齒輪間隙扭矩的存在增加了電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的非線性特性以及控制精度低的問題；

(3)實(shí)現(xiàn)了對(duì)非線性動(dòng)力學(xué)的電子節(jié)氣門的快速、準(zhǔn)確的控制。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中控制方法的流程圖。

圖2是本發(fā)明中實(shí)施例中控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)原理圖。

圖3是對(duì)電子節(jié)氣門系統(tǒng)使用本發(fā)明進(jìn)行控制后的階躍信號(hào)跟蹤曲線圖。

圖4是對(duì)電子節(jié)氣門系統(tǒng)使用本發(fā)明進(jìn)行控制后的階躍信號(hào)誤差曲線圖。

圖5是對(duì)電子節(jié)氣門系統(tǒng)使用本發(fā)明進(jìn)行控制后的正弦信號(hào)跟蹤曲線圖。

圖6是對(duì)電子節(jié)氣門系統(tǒng)使用本發(fā)明進(jìn)行控制后的正弦信號(hào)誤差曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式，通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。

圖1是本發(fā)明中控制方法的流程圖。由該圖可見，本發(fā)明控制方法，包括腳踏板和節(jié)氣門的位置信號(hào)采集，主要步驟如下：

步驟1，踩下油門腳踏板，并令腳踏板角度θd≥1°。

步驟2，對(duì)腳踏板角度θd和當(dāng)前節(jié)氣門輸出角度θt進(jìn)行采樣，采樣周期為δt。本實(shí)施例中，δt＝0.001秒。

步驟3，先根據(jù)步驟2得到的腳踏板角度θd和當(dāng)前節(jié)氣門輸出角度θt利用公式e＝θt-θd算出系統(tǒng)誤差e，然后通過自適應(yīng)魯棒滑模控制算法計(jì)算出節(jié)氣門的最佳控制電壓u，并按照公式t＝u/12換算出電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)定的占空比t。

所述自適應(yīng)魯棒滑模控制算法包括以下步驟：

(1)求滑模函數(shù)s，其表達(dá)式為：

式中是系統(tǒng)誤差e的一階導(dǎo)數(shù)，c為滑模正常數(shù)。

(2)求最佳控制電壓u，其表達(dá)式為：

式中，τfa0為節(jié)氣門系統(tǒng)的標(biāo)稱摩擦力矩；τspa0為系統(tǒng)的彈簧回正力矩；a0為系統(tǒng)標(biāo)稱參數(shù)1；b0為系統(tǒng)標(biāo)稱參數(shù)2；為當(dāng)前節(jié)氣門輸出角度θt的一階導(dǎo)數(shù)；為腳踏板角度θd的一階導(dǎo)數(shù)；為腳踏板角度θd的二階導(dǎo)數(shù)；為系統(tǒng)中總不確定集合的上界估計(jì)值，其中，為上一采樣周期系統(tǒng)中總不確定集合的上界估計(jì)值，為的一階導(dǎo)數(shù)，ξ1為學(xué)習(xí)率；k為設(shè)定的收斂速度正常數(shù)；sat(s)為邊界符號(hào)函數(shù)，表達(dá)式為其中，sign(s)為符號(hào)函數(shù)，ξ2為設(shè)定的邊界正常數(shù)。

步驟4，將換算后得到的占空比t傳送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出電壓u驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門，輸出理想節(jié)氣門輸出角度θt1。

步驟5，設(shè)檢驗(yàn)終止條件為θt1＝θd。檢驗(yàn)步驟4所得到理想節(jié)氣門輸出角θt1數(shù)值是否滿足檢驗(yàn)終止條件，如果滿足檢驗(yàn)終止條件，即腳踏板角度θd和所輸出的理想節(jié)氣門輸出角度θt1數(shù)值相等，則結(jié)束運(yùn)行；如果未滿足檢驗(yàn)終止條件，則返回步驟2并重復(fù)步驟2～5，直至滿足檢驗(yàn)終止條件。

圖2是本發(fā)明中實(shí)施例中控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)原理圖。由該圖可見，實(shí)施例中的控制系統(tǒng)包括油門腳踏板模塊、單片機(jī)控制模塊、驅(qū)動(dòng)器模塊、節(jié)氣門模塊。其中：

油門腳踏板模塊，用于獲取腳踏板的角度模擬電壓信號(hào)a1，當(dāng)油門腳踏板被踩下后，腳踏板里的傳感器就會(huì)獲取相應(yīng)的角度模擬電壓信號(hào)a1。

單片機(jī)控制模塊，用于將腳踏板的角度模擬電壓信號(hào)a1和節(jié)氣門的角度模擬電壓信號(hào)a2通過單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊即采集到腳踏板角度θd和當(dāng)前節(jié)氣門輸出角度θt。然后根據(jù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元(ecu)傳輸?shù)能囕d以及路況數(shù)據(jù)信息，通過自適應(yīng)魯棒滑模控制算法計(jì)算出節(jié)氣門的最佳控制電壓u，并按照公式t＝u/12換算出電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)定的占空比t。

驅(qū)動(dòng)器模塊，用于從電子控制單元得到的占空比t來驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門，單片機(jī)發(fā)出的占空比t給驅(qū)動(dòng)器后，驅(qū)動(dòng)器就會(huì)根據(jù)占空比t來調(diào)節(jié)電壓u然后發(fā)送到節(jié)氣門模塊。

節(jié)氣門模塊，用于實(shí)現(xiàn)理想節(jié)氣門輸出角度θt1，接收到驅(qū)動(dòng)器發(fā)送的電壓u后，節(jié)氣門就會(huì)相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)節(jié)氣門里面的傳感器也會(huì)獲取相應(yīng)的角度模擬電壓信號(hào)a2，被單片機(jī)采集。

為驗(yàn)證本發(fā)明的實(shí)施效果，在電子節(jié)氣門實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了自適應(yīng)魯棒滑模法的驗(yàn)證。得到了如圖3、圖4、圖5和圖6所示的曲線。從這四條曲線中可看出本發(fā)明的控制方法對(duì)節(jié)氣門參數(shù)不確定性問題及電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的非線性特性具有較強(qiáng)的魯棒性，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)氣門快速、準(zhǔn)確的控制。

以上依據(jù)圖式所示的實(shí)施例詳細(xì)說明了本發(fā)明的構(gòu)造、特征及作用效果，其所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，但本發(fā)明不以圖面所示限定實(shí)施范圍，凡是依照本發(fā)明的構(gòu)想所作的改變，或修改為等同變化的等效實(shí)施例，仍未超出說明書與圖示所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。