基于模糊PID电子节气门控制系统的研究与开发

论文摘要

电子节气门产品自20世纪80年代问世以来,已逐渐应用到各种中、高级轿车中。相对于传统的机械式节气门,电子节气门系统（ETCS）能根据驾驶员的驾驶意图以及整车行驶状况确定节气门的最佳开度,保证车辆具有最佳的动力性和燃油经济性,并能够为怠速控制（IDL）、驱动防滑控制（ASR）和巡航控制（CCS）等电子控制功能的实现奠定基础,从而提高安全性和乘坐舒适性。同时,对于混合动力汽车,为了实现能量的管理和分配,电子节气门也成为了必然的选择。本文对电子节气门系统进行了研究和开发,为电子节气门在混合动力轿车上的应用奠定了基础。本文分析了电子节气门系统的工作原理、基本结构以及机械结构中存在的非线性因素和各自的特性,如复位弹簧、气流的冲击、库伦+粘滑摩擦等。测定了电子节气门的关键参数,建立了电子节气门系统的数学模型。为了适应电子节气门控制系统的快速动态特性,抑制由于电子节气门体的非线性因素对控制特性的影响,提出了一种新的模糊PID复合控制策略,通过模糊控制提高电子节气门系统的动态性能,用智能积分PID控制保证系统的稳态性能,利用权重因子函数改善控制切换过程。在MATLAB/Simulink环境中建立了电子节气门控制系统仿真模型。电子节气门控制器采用飞思卡尔公司的MC9S12DG128单片机作为主控芯片,同时硬件系统还包括控制器的供电电源模块、直流电机的脉宽调制驱动模块、串行通信模块和CAN总线通信模块等。采用CodeWarrior编译的程序软件,完成了控制功能和调试功能。为了对系统状态实时显示和故障报警,以及在控制过程中进行数据采集,本文开发出基于LabWindows/CVI的串口通信系统。仿真和试验结果表明:模糊PID复合控制相对于PID控制和智能积分PID控制能够较精确地控制节气门开度,减小超调量,瞬态误差较小,滞后时间较短。所开发的模糊PID复合控制器能够完成电子节气门系统的控制功能要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 电子节气门产生的背景
• 1.3 节气门的控制从机械控制到电子控制
• 1.4 电子节气门在国内外的发展状况
• 1.4.1 电子节气门在国外的发展状况
• 1.4.2 电子节气门在国内的发展状况
• 1.5 电子节气门存在的问题及未来的发展趋势
• 1.5.1 电子节气门存在的问题
• 1.5.2 电子节气门系统发展的趋势
• 1.6 本论文主要研究工作
• 1.7 本章小结
• 第2章 电子节气门的结构分析及工作原理
• 2.1 机械式节气门结构和工作原理
• 2.2 电子节气门系统的结构和工作原理
• 2.2.1 电子节气门体
• 2.2.2 加速踏板
• 2.2.3 电控单元ECU
• 2.3 驱动电机的脉冲调制方式
• 2.4 电子节气门系统的控制功能
• 2.5 本章小结
• 第3章 电子节气门系统非线性分析及数学建模
• 3.1 电子节气门系统非线性分析
• 3.1.1 复位弹簧的非线性
• 3.1.2 传动齿轮齿隙非线性
• 3.1.3 节气门阀片运动中的非线性
• 3.1.4 节气门阀片气流冲击特性
• 3.2 电子节气门系统的数学模型
• 3.2.1 直流电机的数学模型
• 3.2.2 节气门的数学模型
• 3.2.3 节气门体的仿真模型
• 3.2.4 节气门位置传感器数学模型
• 3.3 电子节气门系统的物理参数标定
• 3.4 本章小结
• 第4章 电子节气门控制策略分析
• 4.1 电子节气门控制策略现状分析
• 4.2 控制策略的选择
• 4.3 电子节气门普通PID 控制策略
• 4.4 电子节气门智能积分PID 控制策略
• 4.5 电子节气门模糊PID 复合控制策略
• 4.5.1 平稳切换模糊PID 复合控制策略
• 4.5.2 平稳切换权重因子函数设计
• 4.5.3 电子节气门模糊控制器设计
• 4.5.4 电子节气门模糊PID 复合控制的仿真模型
• 4.6 本章小结
• 第5章 电子节气门控制系统的试验台设计
• 5.1 试验台设计
• 5.2 硬件电路设计
• 5.2.1 控制单元ECU 的设计
• 5.2.2 电源管理模块的设计
• 5.2.3 电机驱动电路的设计
• 5.3 控制系统软件设计
• 5.3.1 软件的总体功能分析
• 5.3.2 软件子程序流程图
• 5.4 串行通信系统的开发
• 5.4.1 LabWindows/CVI 简介
• 5.4.2 串行通信协议设计
• 5.4.3 串行通信程序设计
• 5.5 本章小结
• 第6章 电子节气门控制系统的仿真与试验
• 6.1 电子节气门控制效果评价指标的建立
• 6.2 电子节气门系统的仿真
• 6.2.1 电子节气门系统仿真的总体模型
• 6.2.2 阶跃响应仿真结果
• 6.2.3 正弦追逐响应仿真结果
• 6.3 电子节气门控制系统试验设备及试验条件
• 6.4 PID 控制试验结果
• 6.4.1 电子节气门由小开度向大开度阶跃
• 6.4.2 电子节气门大开度向小开度阶跃
• 6.4.3 电子节气门随动跟踪试验
• 6.5 模糊PID 复合控制试验结果
• 6.5.1 电子节气门小开度向大开度阶跃
• 6.5.2 电子节气门大开度向小开度阶跃
• 6.5.3 随动跟踪试验
• 6.6 模糊PID 复合控制仿真结果与试验结果的比较
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间的发表的论文目录
• 附录B 试验相关图片