基于模型的电子节气门控制系统开发

王　　魏　陈　　杰　刘少飞　王亚楠　乔志伟（1-长城汽车股份有限公司技术中心　河北　保定　071000　2-河北省汽车工程技术研究中心）

基于模型的电子节气门控制系统开发

王魏1，2陈杰1，2刘少飞1，2王亚楠1，2乔志伟1，2
（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

摘要：采用Simulink/Stateflow搭建被控对象的模型和PID控制器，经系统建模、MIL仿真验证、数据定标、RTW代码生成、编译生成A2L和可执行的HEX（S19）文件进行PIL、HIL和台架测试，以达到设计要求的无超调，响应时间小于100ms和静态误差范围在±0.075之内，证明基于模型的变结构PID可以兼顾系统在快速性和稳态精度等方面的要求。

关键词：Simulink/StateflowRTW代码生成变结构PIDETCPWM建模仿真

引言

发动机管理系统的目的是精确控制喷油、点火，在提高驾驶舒适性、安全性和汽车动力性的同时，减少有害气体排放、降低燃油消耗，以满足排放法规要求，而电子节气门的精确控制在发动机管理系统中则尤为重要。

基于模型的电子节气门控制系统（ETC）的开发，其核心是控制器的设计，传统的PI或PD控制对恒值控制系统或动态性能要求不高的控制系统的设计较为简单有效[1]；变结构PID控制能满足随动控制系统的设计和满足较高的动态性能要求[2-5]。本系统的开发采用Simulink/Stateflow进行系统建模、仿真验证、数据定标、代码生成、编译生成A2L和可执行的HEX（S19）文件进行PIL、HIL和台架测试。

1　技术方案

电子节气门直流电机的驱动采用脉宽调制方式（PulseWidth Modulation，缩写为PWM）。脉宽调制方式是利用功率晶体管的开关特性来调制电压恒定的直流电源，通过改变占空比来改变电枢的平均电压，以此控制直流电机的扭矩，这是目前直流电动机的主要控制方式。其控制原理图如图1所示。

在自主开发的发动机管理系统中，H桥采用TLE8209-2SA，该芯片为infineon开发的专门控制电子节气门的智能功率驱动芯片[6]，ECU主芯片采用Freescale的32位单片机MPC5634M[7]。

硬件选定后按照图2所示的控制结构以开度偏差（节气门期望开度-节气门实际开度）为控制量设计变结构PID控制器，这样在建模仿真阶段就不用考虑传感器的建模，使设计变得清晰、明确，减少工作量且从结构层提高了控制的稳定性。

图1　直流电机脉宽调制控制原理和电压波形图

图2　电子节气门控制结构图

2 变结构PID控制器的设计及系统仿真

2

.1PWM驱动模块的建模

在H桥TLE8209-2SA的脉宽调制方式中[8]，定义pwm和频率F为：

其中Duty为占空比，Dir为脉冲的方向，U为电池电压，TBS为simulink仿真的基础时间，counter为整数，与pwm的精度有关。

建立TLE8209-2SA的simulink仿真模型如图3所示，其中考虑仿真速度和输出精度定义counter等于10。

图3　pwm generator仿真模型

2.2节气门直流电机及执行机构的建模电子节气门原理图如图4所示。

图4　电子节气门原理图

依据图4电子节气门原理图节气门电机的微分方程如下[8-10]：

其中：U为电池电压，Eb为电机感应电动势，ωm为电机角速度，ω为节气门阀片的旋转角速度，L为电感，θ为阀片旋转角度，θnlp为跛行回家位，TD为堵转扭矩，θuma为机械下止点，θoma为机械上止点，Ke为感应电动势系数，Km为电机扭矩系数，N为转速比，Tsp为复位弹簧扭矩，Tf为静态摩擦力扭矩，Fm为摩擦力系数，D为弹簧扭矩补偿，TD为堵转扭矩。

将以上公式两边取拉氏变换，整理得到电子节气门连续系统的仿真模型，如图5所示。

图5　电子节气门总成仿真模型

2.3变结构PID控制器的设计

对于随动控制系统单个PI、PD或者PID控制器很难满足较高的动态性能要求，经典PID的3个参数Kp、Ki和Kd在整个控制过程中保持不变；而在变结构PID中，Kp、Ki和Kd3个参数都是以误差信号为自变量的函数，能够根据输入的误差信号进行实时的调整。常见的变结构PID算法有积分分离PID算法和不完全微分法等[11]。

本系统采用在不同的响应阶段选用不同控制器的变结构PID控制器的设计思路来满足系统设计要求的动态性能，变结构PID算法如下：

其中：α＜1；fkp（e（k））、fki（e（k））和fkd（e（k））分别是以e（k）为自变量的比例增益函数、积分增益函数和微分增益函数。

P部设计时应遵循e（k）越大fkp（e（k））越大、e （k）越小fkp（e（k））越大；而I部和D部的设计则遵循e（k）越大fki（e（k））和fkd（e（k））越小的原则，反之亦然。

如图6 a）所示，把系统控制按照偏差分为三个阶段。

第一方案：第一阶段主要关注系统的响应时间，采用P控制器，I部冻结，D部不起作用；第二阶段采用DI控制，目的是进行减速以减小超调；第三阶段，也就是小偏差阶段，关注的是系统的稳定性采用的是I控制器，P部失效。

第二个方案：第一阶段采用PD控制器，I部冻结；第二阶段采用PID控制，目的是进行再加速；第三阶段，也就是小偏差阶段，关注的是系统的稳定性采用PI控制器，比例P三个阶段全部参与。

经验证第二种方案效果较好。

由于节气门在跛行回家位（NLP）存在非线性，所以设计控制器时要注意非线性处理。采用simulink/ stateflow对PID控制器建模，如图6 b）所示。

2.4系统仿真

H桥E8209-2SA的设定工作频率为2 kHz，而数字PID控制器为1ms任务。因此利用matlab对ETC系统进行仿真时需采用调度触发方式实现上述的需求。系统的基时（base time）为0.00005 s，依据公式2得到PWM_generator的周期为5ms，PID控制器采用10ms，所以在仿真时1 s对应的是100ms。图7 为ETC控制系统的仿真结构图。

3　仿真及测试结果分析

测试过程自定义斜坡、速度、加速度、正弦和阶跃信号经MIL、PIL、HIL和台架测试。在系统稳定情况下，ETC更为关注系统在阶跃信号激励下的快速性。

3.1M IL仿真结果分析

MIL测试只在开发阶段验证系统的稳定性和初调系统参数。由2.4节可知1s代表100ms。测试结果如图8所示。

图6　控制器设计的三个阶段及控制器Simulink模型

图7　系统仿真结构图

图8　正弦信号测试结果对比图

如图8所示，因正弦信号的周期较小，加之初始值的设定等因素造成起始阶段有较大偏差，但总体偏差在[0%，5%]范围内，且在跛行回家位（NLP）处的过渡平稳，节气门关闭时的跟随特性较好于节气门开启时的特性。

4%~90%阶跃信号测试结果对比如图9所示。

由2.4节得知仿真时间1 s代表100ms，从图9的阶跃响应可以得出：I部的限制值越大超调量越大且关闭时调节时间较长，如图9 a）所示。I部的限制值越小超调量会减小，但会有较大的静差，当I部限制值为40时阶跃响应效果最好。如图9 b）所示开启阶跃无超调，关闭阶跃响应时间短，开启和关闭时的阶跃响应时间均小于200ms，且关闭时阶跃响应时间小于开启时的阶跃响应时间。因此在PIL或台架标定的过程中调整I部限制值会有效地减小超调。

3.2PIL和PIL测试结果分析

经MIL仿真确保定标后的系统稳定且数据无溢出后，采用RTW生成代码和A2L，下载到ECU硬件进行PIL和HIL测试，使用CANAPE标定工具标定I部限制值为35并采集数据如图10~13所示。

图9 4%~90%阶跃信号测试结果对比图

图10　CANAPE采集的大开度阶跃信号测试结果

图11　CANAPE采集的过NLP两侧小开度阶跃信号测试结果

图12 CANAPE采集的3.5%~3.8%阶跃

图13 静态误差

从图10可以看出开度从4%到95%无超调，响应时间为90ms，从95%到4%时无超调响应时间为60ms。

从图11可以看出当过NLP（6%），开度从4%~ 8%时无超调，响应时间为69ms，从8%到4%时没有超调，响应时间为80ms。

从图12可以看出开度从3.5%~3.8%时无超调，响应时间最大为30ms，节气门关闭时的静态误差要优于节气门开启时的静态误差，但其偏差均在±0.03范围之内。

系统阶跃响应特性如表1所示。

表1　系统阶跃响应特性

综上所述，节气门开启时的响应时间较节气门关闭时的响应时间大，因为开启时要克服回位弹簧的阻力，如表1所示，额定阶跃响应无超调，且响应时间小于100ms，震荡时间最大为50ms。

从图13可以看出系统在大开度（94.9975）时的静态误差在±0.015，在小开度（3.9795）时的静态误差为±0.03，大开度时要优于小开度时的静态误差，但其范围均未超过±0.075。

4　结论

通过建立被控对象模型，可以在模型级别与控制模型进行闭环仿真（MIL），并能初步标定系统参数，提前验证系统控制的稳定性和快速性，从而缩短开发周期，降低开发风险。

基于模型开发的电子节气门变结构PID系统能够满足系统无超调的要求，响应时间小于100ms，震荡时间小于50ms，稳态误差范围在±0.075内，证明基于模型的变结构PID控制可以兼顾系统在快速性和稳态精度等方面的要求。

参考文献

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3GaoW B,Wang Y F.,Humaifa A.Diserete-time variable structure control system[J].IEEE Trans.On Ind Electr., 1995,42(2):117-122

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5U.Ozguner,S.Hong,Y.Pan.Discrete-time slidingmode control of electronic throttle valve[C].Proc.40th IEEE Conf.Decision Contr,2001:1819-1824

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8孙亮亮.汽车发动机电子节气门控制系统建模与仿真[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008

9朱二欣.电子节气门控制系统的开发研究[D].长春：吉林大学，2004

10陈剑.汽油机电子节气门控制系统设计与控制方法研究[D].西安：长安大学，2011

11 Josˇko Deur，Deur,DanijelPavkovi,Nedjeljko Peri.An adaptive nonlinear strategy of electronic throttle control[C]. SAEPaper2004-01-0897

中图分类号：TK413.8

文献标识码：A

文章编号：2095-8234（2015）05-0057-06

收稿日期：（2015-05-29）

作者简介：王魏（1984-），男，硕士，工程师，主要研究方向为缸内直喷汽油机、混动HCU控制策略开发。

Design of Variable Structure PID to ETC Based on M odel

Wang Wei1,2,Chen Jie1,2,Liu Shaofei1,2,Wang Yanan1,2,Qiao Zhiwei1,2
1-Technology CenterofGreatWallMotor Company Ltd.(Baoding,Hebei,071000,China)
2-Automotive Engineering Technology Research CenterofHebeiProvince

Abstract：This system adopts Simulink/Stateflow to develop controlled device and PID controller,in order to satisfy the design requirements(including overshoot-free,response timeare less than 100ms and static error is less than±0.075),we carried out PIL,HIL and bench test after all the preparations including modeling,MIL verification,data calibration,RTW codegeneration,and A2L&HEX(S19)generation.Ithas proved thatmodel-based variable-structure PID canmeet the requirements in terms of rapidity and stable state accuracy aswell.

Keywords：Simulink/Stateflow,RTW code generate,Variable structure PID,ETC,PWM,Modeling and simulation