汽车发动机电子节气门控制系统建模与仿真

论文摘要

随着汽车工业的不断发展,人们在努力追求汽车动力性、稳定性的同时,对汽车行驶的安全性、经济性以及降低排放污染也提出了更高的要求。传统的机械调节和控制方法很难实现汽车的最佳控制,同时,随着电子技术的不断发展,给汽车的控制装置带来了巨大的变革,因此汽车的各种操纵系统向电子控制方向发展。电子节气门控制系统能根据发动机的转矩需求实现最佳的进气控制,被认为是传统节气门的理想替代品,其原理是踏板的输入信号被看作是驾驶员的转矩需求,发动机管理系统协调各功能模块的转矩需求后确定最终输出转矩,由此决定实际进气量,并输出相应的控制信号使节气门到达目标开度。本文分析了电子节气门控制系统的机械系统中的非线性因素及特性,建立了电子节气门控制系统各部分的数学模型,包括进气流量、进气扰动对节气门的影响、弹簧扭矩模型、摩擦力分析及模型、电机模型、传感器模型以及节气门执行机构模型,同时,采用系统的辨识的方法,获得系统的部分参数。在所建立的数学模型的基础上,给出了电子节气门的控制策略。本文设计了四种控制器,来对节气门进行控制,分别是:普通的PID控制器、对比例系数K p及积分系数进行模糊控制的模糊PID控制器、滑模变结构控制器、对切换增益进行模糊控制的全局滑模控制器。在此基础上,本文以matlab/simulink和stateflow工具箱为仿真工具,建立了电子节气门控制系统的仿真模型,最后以DV-E5电子节气门为研究对象,对电子节气门控制系统进行仿真研究,通过对四种控制方式的仿真分析,得出了如下结论:全局滑模控制器是最令人满意的控制方法,与单纯的滑模控制相比提高了响应速度,且具有比模糊结合PID控制器更小的超调量,系统响应特性优良,能够使电子节气门系统达到较好的控制效果,并具有较强的鲁棒性,可适应节气门长期使用后参数的变化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 车用节气门的类型及其发展过程
• 1.3 国内外在该方向的研究现状及分析
• 1.3.1 国外发展现状
• 1.3.2 国内发展现状
• 1.4 ETC现存问题、难点及未来发展趋势
• 1.4.1 现存的问题和难点
• 1.4.2 ETC未来发展趋势
• 1.5 课题研究内容
• 第2章 电子节气门控制系统分析
• 2.1 电子节气门的结构和原理
• 2.2 电子节气门驱动模块及其非线性因素分析
• 2.2.1 PWM脉宽调制驱动功率模块方案
• 2.3 节气门驱动电机
• 2.3.1 齿轮减速机构及齿隙非线性
• 2.4 电子节气门总成结构及非线性因素分析
• 2.4.1 节气门复位弹簧及其非线性
• 2.4.2 非线性摩擦力及其特性
• 2.4.3 进气流量的分析
• 2.4.4 进气气流的影响
• 2.5 加速踏板位置传感器与节气门开度传感器
• 2.6 电子节气门系统的相关参数
• 2.7 本章小结
• 第3章 电子节气门系统数学模型
• 3.1 PWM控制驱动模块数学模型
• 3.2 电子节气门直流电机的数学模型
• 3.3 电子节气门执行机构的数学模型
• 3.4 节气门位置传感器数学模型
• 3.5 本章小结
• 第4章 电子节气门控制算法研究
• 4.1 PID控制
• 4.2 模糊PID
• 4.2.1 PID参数的模糊控制
• 4.2.2 模糊控制规则
• 4.3 滑模变结构控制
• 4.3.1 滑动模态定义
• 4.3.2 滑动模态的数学表达式
• 4.3.3 滑模变结构控制的定义
• 4.3.4 滑模变结构控制的应用
• 4.4 全局滑模控制
• 4.4.1 系统的描述
• 4.4.2 切换函数的设计
• 4.4.3 全局滑模控制器设计
• 4.4.4 控制系统的达到条件与稳定性分析
• （t） 的模糊控制'>4.4.5 切换增益K_（t）的模糊控制
• 4.5 本章小结
• 第5章 电子节气门控制系统仿真
• 5.1 控制系统总体模型
• 5.2 输入模块
• 5.3 传感器模块
• 5.4 控制器模块
• 5.4.1 PID控制器模型
• 5.4.2 模糊PID控制器模型
• 5.4.3 滑模变结构控制器模型
• 5.4.4 全局滑模控制器
• 5.5 PWM脉宽驱动模块
• 5.6 驱动电机模型
• 5.7 节气门体模型
• 5.8 控制结果分析
• 5.8.1 PID控制仿真试验结果
• 5.8.2 模糊PID控制仿真试验结果
• 5.8.3 滑模变结构控制仿真试验结果
• 5.8.4 全局滑模控制仿真试验结果
• 5.8.5 总结果分析
• 5.9 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢