汽油发动机电子节气门控制系统研究

论文摘要

随着全球石油日益匮乏和空气污染日益严重,如何开发新一代汽车电子节能技术成为当前我国汽车技术转型的核心所在和当务之急。作为汽油发动机整个电控系统不可或缺的一部分,电子节气门控制系统直接控制发动机进气量,其性能的优劣对汽车的燃油经济性和动力性有着直接的影响。本文研究对象是上海联合汽车电子公司为上海大众设计的桑塔纳3000专用电子节气门,型号为0280750189。原控制系统采用PID控制算法,由于很难在提高系统响应速度的同时实现超调量的抑制,其控制效果并不十分理想。同时该款电子节气门内部存在的非线性因素也影响了PID算法的控制效果。模糊控制可以对电子节气门的非线性因素进行有效补偿,从而得到比较好的动态性能,但作为一种非线性控制算法,不易消除系统稳态误差。为了提高电子节气门的控制效果,本文综合模糊控制和PID控制的优点提出了模糊PID控制算法。在电子节气门结构分析的基础上建立数学模型,并通过仿真实验对比了模糊PID控制和PID控制的控制效果。仿真结果表明模糊PID控制有着更优良的控制效果,能够满足控制需求。本文采用MSP430F169芯片作为主控芯片开发了电子节气门控制系统;使用H桥驱动芯片TLE6209驱动电子节气门直流电机;采用芯片SP3220E设计了串行口通信模块,实现了控制系统与PC机的数据传输。本文以模糊PID控制为核心算法通过C语言编程完成了整个控制系统的软件设计。本文最后在实验室设计并搭建了电子节气门控制系统实验平台,对控制系统进行了实验研究及结果分析。实验结果表明,本文设计的以模糊PID控制为核心算法的控制系统可以在提高系统响应速度的同时抑制超调量,能够满足桑塔纳3000电子节气门0280750189的控制需求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 电子节气门控制系统现存问题及发展趋势
• 1.3.1 电子节气门控制系统现存的主要问题
• 1.3.2 电子节气门控制系统的发展趋势
• 1.4 课题主要研究内容
• 第2章 电子节气门数学建模与仿真分析
• 2.1 电子节气门控制需求分析
• 2.1.1 课题研究背景介绍
• 2.1.2 电子节气门控制需求分析
• 2.2 电子节气门非线性因素
• 2.2.1 摩擦力矩非线性
• 2.2.2 复位弹簧的非线性
• 2.2.3 齿隙非线性
• 2.3 电子节气门的数学建模
• 2.3.1 直流电机电气特性微分方程
• 2.3.2 节气门体机械特性微分方程
• 2.3.3 节气门参数的识别
• 2.3.4 电子节气门的标定
• 2.4 电子节气门模糊PID 控制器设计
• 2.4.1 电子节气门控制方案选择
• 2.4.2 变量隶属度函数的确定
• 2.4.3 模糊PID 控制规则的制定
• 2.5 电子节气门MATLAB 仿真实验研究
• 2.5.1 电子节气门响应特性评价
• 2.5.2 基于MATLAB 的电子节气门仿真实验
• 2.6 本章小结
• 第3章 电子节气门控制系统硬件电路设计
• 3.1 硬件电路总体方案设计
• 3.1.1 电子节气门控制系统硬件电路设计要求分析
• 3.1.2 电子节气门控制系统组成
• 3.2 控制系统硬件电路设计
• 3.2.1 主控芯片介绍
• 3.2.2 时钟信号模块设计
• 3.2.3 信号采集模块设计
• 3.2.4 串行口通信模块的设计
• 3.2.5 电源管理模块设计
• 3.2.6 电机驱动模块设计
• 3.3 硬件电路可靠性设计
• 3.4 PCB 板设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 电子节气门控制系统软件设计
• 4.1 控制系统软件总体设计
• 4.2 模糊PID 控制算法的软件实现
• 4.3 控制系统子程序设计
• 4.3.1 信号采集处理子程序
• 4.3.2 系统故障判断子程序
• 4.3.3 角度计算子程序
• 4.3.4 模糊PID 算法子程序
• 4.3.5 PWM 输出子程序
• 4.3.6 串行口通信子程序
• 4.4 控制系统软件编程及调试
• 4.5 MATLAB 数据处理编程
• 4.6 本章小结
• 第5章 实验及结果分析
• 5.1 实验平台的设计
• 5.2 实验所用设备
• 5.3 节气门模糊PID 控制实验及分析
• 5.3.1 节气门小开度到大开度响应实验
• 5.3.2 节气门大开度到小开度响应实验
• 5.3.3 节气门模糊PID 控制的仿真结果与实验结果对比
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录一 硬件电路原理图及PCB 图
• 致谢