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)日趨激烈競爭的背景下，如何以科學的方法與手段，使我國汽車電控系統(tǒng)自主研發(fā)能力得到提升，以實現(xiàn)我國從消費大國向制造強國的轉(zhuǎn)型是我們目前所面臨的重大機遇與挑戰(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力性、舒適性以及行車安全性等。

傳統(tǒng)節(jié)氣門是機械式的，屬于剛性連接，即駕駛員通過踩踏油門踏板直接對進氣量進行控制，這種控制方式不僅不能實現(xiàn)進氣量的精確控制，而且駕駛員的誤操作會帶來嚴重的安全問題。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)車輛當前行駛工況下所需要的總扭矩，計算得到與之對應(yīng)的節(jié)氣門最佳開度，進而通過控制電機使節(jié)氣門閥片旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)的開度，這樣就會確保發(fā)動機在車輛處于不同工況下時發(fā)動機均能處于最佳工作狀態(tài)，以減少廢氣排放，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車輛性能的各種需求，電子節(jié)氣門及其控制問題應(yīng)運而生。

相比于傳統(tǒng)機械式的節(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。近年來，國內(nèi)外許多文獻表明電子節(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)動過程中，受到復位彈簧扭矩、阻尼力矩、粘性摩擦扭矩、包機驅(qū)動力矩、齒輪間隙扭矩及擾動的作用，并存在非線性不確定因素的影響，以致許多研究對其控制存在的問題考慮分析不全面，進而導致設(shè)計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)氣門的長時間使用會導致節(jié)氣門閥片產(chǎn)生油污積碳、電機老化、齒輪傳遞機械特性變差及節(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》(“基于分數(shù)階模糊pid控制器的電子節(jié)氣門果蠅優(yōu)化算”——非線性動力學,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)化算法對控制器的參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計。值得注意的是，在控制器的設(shè)計過程中并沒有考慮到齒輪間隙扭矩這一非線性因素對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力汽車魯棒自適應(yīng)速度控制”——非線性動力學,2014,76(1):305-321.)中提出了自學習模糊pid控制器，并設(shè)計了基于滑?？刂茩C理的模型參考系統(tǒng)，以獲得較好的魯棒性。遺憾的是，符號函數(shù)的使用會使滑?？刂飘a(chǎn)生高頻抖動，進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)電子學報,2008,55(11):3899-3907.)中探討了電子節(jié)氣門變結(jié)構(gòu)滑?？刂?，考慮到節(jié)氣門開度變化難以直接測量等問題，設(shè)計滑模觀測器以實現(xiàn)對節(jié)氣門開度變化的估計。應(yīng)該指出的是，針對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，雖然己有很多學者針對電子節(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)計過程中只針對電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)中存在的某一非線性特性進行側(cè)重探討，弱化了其他非線性特性、擾動及不確定因素對控制器性能的影響。

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)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為針對現(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，對腳踏板角度θd和當前節(jié)氣門輸出角度θt進行采樣，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換算出電機驅(qū)動器設(shè)定的占空比t；

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

步驟5，設(shè)檢驗終止條件為θt1＝θd，檢驗步驟4所得到理想節(jié)氣門輸出角θt1數(shù)值是否滿足檢驗終止條件，如果滿足檢驗終止條件，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)束運行；如果未滿足檢驗終止條件，則返回步驟2并重復步驟2～5，直至滿足檢驗終止條件。

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，其表達式為：

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

(3)求最佳控制電壓u，其表達式為：

式中，τfa0為節(jié)氣門系統(tǒng)的標稱摩擦力矩；τspa0為系統(tǒng)的彈簧回正力矩；a0為系統(tǒng)標稱參數(shù)1；b0為系統(tǒng)標稱參數(shù)2；為當前節(jié)氣門輸出角度θt的一階導數(shù)；為腳踏板角度θd的一階導數(shù)；為腳踏板角度θd的二階導數(shù)；為系統(tǒng)中總不確定集合的上界估計值，其中，為上一采樣周期系統(tǒng)中總不確定集合的上界估計值，為的一階導數(shù)，ξ1為學習率；k為設(shè)定的收斂速度正常數(shù)；sat(s)為邊界符號函數(shù)，表達式為其中，sign(s)為符號函數(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)實現(xiàn)了對非線性動力學的電子節(jié)氣門的快速、準確的控制。

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)明中實施例中控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)原理圖。

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

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

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

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

具體實施方式

下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的具體實施方式，通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(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，對腳踏板角度θd和當前節(jié)氣門輸出角度θt進行采樣，采樣周期為δt。本實施例中，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?？刂扑惴ㄓ嬎愠龉?jié)氣門的最佳控制電壓u，并按照公式t＝u/12換算出電機驅(qū)動器設(shè)定的占空比t。

所述自適應(yīng)魯棒滑?？刂扑惴òㄒ韵虏襟E：

(1)求滑模函數(shù)s，其表達式為：

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

(2)求最佳控制電壓u，其表達式為：

式中，τfa0為節(jié)氣門系統(tǒng)的標稱摩擦力矩；τspa0為系統(tǒng)的彈簧回正力矩；a0為系統(tǒng)標稱參數(shù)1；b0為系統(tǒng)標稱參數(shù)2；為當前節(jié)氣門輸出角度θt的一階導數(shù)；為腳踏板角度θd的一階導數(shù)；為腳踏板角度θd的二階導數(shù)；為系統(tǒng)中總不確定集合的上界估計值，其中，為上一采樣周期系統(tǒng)中總不確定集合的上界估計值，為的一階導數(shù)，ξ1為學習率；k為設(shè)定的收斂速度正常數(shù)；sat(s)為邊界符號函數(shù)，表達式為其中，sign(s)為符號函數(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傳送給電機驅(qū)動器，電機驅(qū)動器輸出電壓u驅(qū)動節(jié)氣門，輸出理想節(jié)氣門輸出角度θt1。

步驟5，設(shè)檢驗終止條件為θt1＝θd。檢驗步驟4所得到理想節(jié)氣門輸出角θt1數(shù)值是否滿足檢驗終止條件，如果滿足檢驗終止條件，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)束運行；如果未滿足檢驗終止條件，則返回步驟2并重復步驟2～5，直至滿足檢驗終止條件。

圖2是本發(fā)明中實施例中控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)原理圖。由該圖可見，實施例中的控制系統(tǒng)包括油門腳踏板模塊、單片機控制模塊、驅(qū)動器模塊、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a1，當油門腳踏板被踩下后，腳踏板里的傳感器就會獲取相應(yīng)的角度模擬電壓信號a1。

單片機控制模塊，用于將腳踏板的角度模擬電壓信號a1和節(jié)氣門的角度模擬電壓信號a2通過單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊即采集到腳踏板角度θd和當前節(jié)氣門輸出角度θt。然后根據(jù)汽車發(fā)動機電子控制單元(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?？刂扑惴ㄓ嬎愠龉?jié)氣門的最佳控制電壓u，并按照公式t＝u/12換算出電機驅(qū)動器設(shè)定的占空比t。

驅(qū)動器模塊，用于從電子控制單元得到的占空比t來驅(qū)動節(jié)氣門，單片機發(fā)出的占空比t給驅(qū)動器后，驅(qū)動器就會根據(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，用于實現(xiàn)理想節(jié)氣門輸出角度θt1，接收到驅(qū)動器發(fā)送的電壓u后，節(jié)氣門就會相應(yīng)的轉(zhuǎn)動，同時節(jié)氣門里面的傳感器也會獲取相應(yīng)的角度模擬電壓信號a2，被單片機采集。

為驗證本發(fā)明的實施效果，在電子節(jié)氣門實驗平臺上進行了自適應(yīng)魯棒滑模法的驗證。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的魯棒性，同時又能實現(xiàn)對節(jié)氣門快速、準確的控制。

以上依據(jù)圖式所示的實施例詳細說明了本發(fā)明的構(gòu)造、特征及作用效果，其所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，但本發(fā)明不以圖面所示限定實施范圍，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施例，仍未超出說明書與圖示所涵蓋的精神時，均應(yīng)在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。