第 20 卷第 1 期 　　 　　　　　　黑 　龙 　江 　工 　程 　学 　院 　学 　报 (自然科学版) 　　　　　　 V ol . 20 №. 1 2006 年 3 月 　　 　 　 　 　 　 　 Jou rnal of Heilongjiang Instit ute of Technology 　　 　　　　　　M ar. ,2006 汽车电子节气门控制器仿真设计 (1. 黑龙江工程学院 汽车工程系 ,黑龙江 哈尔滨 150050 ;2. 黑龙江工程学院 电子工程系 ,黑龙江 哈尔滨 150050) 张金柱1 ,张 　毅1 ,韩玉敏2 摘 　要 :分析汽车电子节气门控制器的仿真设计方法 。电子节气门控制器由参考输入信号整形系统与 PID 控制器 组成 ,辅以节气门非线性化控制 。由于采用消除摩擦影响的控制方法 , 使非线性最小化 , 故可利用线性系统分析技 术推导出节气门体在 6 种工作条件下的传递函数 , 并对传递函数的动态特性进行频域分析 。文中采用频域响应技 术 、M atlab 仿真等方法调整节气门控制器 。 关键词 :节气门控制器 ; PID ;频域响应 中图分类号 :U464. 136 + . 2 　　　文献标识码 :A 　　　文章编号 :1671 - 4679 (2006) 01 - 0060 - 04 The simulation and design of automobile electronic throttle controller ZHAN G Jin-zhu1 ,ZHAN G Yi1 ,HAN Yu- min2 (1. Dept . of Automobile Engineering , Helongjiang Institute of Technology , Harbin 150050 ,China ;2. Dept . of Electronic Engineer ing , Heilongjiang Institute of Technology , Harbin 150050 ,China) Abstract :It describes the simulation and design of electronic throttle controller. The general structure of the controllers consists of a reference shaping subsystem and a proportional-plus-integral-plus derivative ( PID) con troller supplemented with additional terms that deal with the nonlinearility of the electronic throttle body. Due to a friction cancellation term in the controller that minimizes the nonlinearity of the system , linear system anal ysis techniques are applied. The transfer functions of the electronic throttle body at six different operating condi tions are derived. Analysis of the closed-loop dynamics is performed based on the plant and the controller trans fer-functions. Controller fine tuning is performed by using frequency response techniques , MA TLAB simulations and testing on the actual system. Key words :throttle controller ; PID ;frequency response 　　电子节气门控制技术最早出现于 20 世纪 80 年 代初期 ,起初仅应用于高档轿车上 。随着电子技术 的日益发展 ,能源问题和环境问题的日益突出以及 对汽车性能要求的提高 ,电子节气门成为全电控发 动机上最重要的控制装置并已开始广泛应用到各种 车辆上 ,其优点在于可根据驾驶员愿望 、排放 、油耗 和安全需求 ,使节气门快速精确地控制在最佳开度 , 并可设置多种控制功能来改善驾驶安全性和舒适 性 。目 前 , 对 这 一 技 术 进 行 研 究 的 有 BMW、 BOSCH、丰田等公司 ,而且 BMW、通用 、丰田 、AUD I 等厂商在其部分车型上已经成功应用 。 由于电子节气门的结构导致电子节气门具有时 变性 、时滞性 、非线性 、不确定性等特点 ,其数学模型 收稿日期 :2005 - 09 - 12 项目来源 :黑龙江省自然科学基金资助项目 ( E200404) 作者简介 :张金柱 (1963～) ,男 ,副教授 ,研究方向 :汽车动力工程. 难以准确推导 ,本文提出了辅以前馈控制的 PID 参 数控制算法 。 1 　电子节气门体结构与原理 本文设计的电子节气门体 , 是 BOSCH 公司生 产的电子节气门系统中的一个部件 。图 1 为节气门 体电器连接图 。 该节气门体由执行器 、节气门阀和节气门位置 传感器 3 部分组成 ,它们被封装为一体 。执行器由 一个直流电机和相关的传动部件组成 。通过 Motor + ( + ) 和 Motor - ( - ) 驱动直流电机 , TPS1 和 TPS2 分别是正向和反向的节气门开度反馈信号 , 它通过节气门体内部的一对高精度电位器获取当前 开度下相应的电压反馈值 ,该反馈值与节气门打开 角度成线性变化 。直流电机比步进电机移动快 , 随 动性能好 , 符合 ETC 的性能要求 , 所以 , 目前大多 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 

1 ·16· 第 1 期 　　　　　　　　　　　　　　张金柱 ,等 :汽车电子节气门控制器仿真设计 3 　节气门传递函数模型 根据基尔霍夫定律 ,节气门系统电路方程 v ( t) = Ri ( t) + L d d t i ( t) + kv d d t ωm ( t) . (1) T ( t) = kt i ( t) . (2) 其中 : v ( t ) 为 控 制 电 机 电 压 , i ( t ) 为 电 机 电 流 , T ( t) 为电机驱动力矩 ,ωm ( t ) 为电机转速 , R 为总 电阻 (包括电枢 、电池 、导线 、开关 、二级管 、H 桥等的 电阻) , L 为电枢电感 , kv 为反电动势系数 , k t 为扭 矩系数 。 据牛顿运动定律 ,节气门机械系统运动方程为 T ( t) = J m d d t ωm ( t) + B mωm ( t) + J th ωth ( t) + B thωth ( t) + Tfric + T spr = 1 n J m + d d t 1 n2 J th d d t d d t ωm ( t) + B m + 1 n2 B th ωm ( t) + Tfric + T spr = J tot ωm ( T) + B totωm ( t) + Tfric + T spr. (3) 1 ωm ( t) . n d θ( t) = ω( t) = d t 并且 其中 :θ为阀板转角 ,ω为阀板转速 , J m 为电机转动 惯量 , J th为节气门轴与阀的转动惯量 , n 为传动比 , B m 和 B th分别为电机和节气门的粘性摩擦 , T spr为 作用在节气门上的弹簧力矩 , J tot 为总的转动惯量 (包括电机 、节气门板和轴 , 折算至电机上) , B tot 为 总的粘性摩擦 。 对方程 (1) 、(2) 进行 Laplace 变换 I ( s) = 1 ( L s + R) ( v ( s) - kvΩm ( s) ) . T ( s) = kt I ( s) . (4) (5) Ωm ( s) = 1 ( J tot + B tot) ( T ( s) - Tfric ( s) - T spr ( s) ) . (6) (180/π) Kspr为折算到电机上的弹簧比 假定 Ks = 率 。单位为 N ·m/ rad , 忽略摩擦项 , 电机电压与节 气门角度的传递函数为 n2 P( s) = 1 + (180/π) kt/ n ( Ls + R) ( Jtot s + B tot) s k + kv ( Ls + R) ( Jtot s + B tot) + k (Jtot s + B tot) s (180/π) / kt/ n LJtot s3 + ( RJtot + LBtot) s2 + ( RBtot + Lks + kt + kv) s + Rks (7) 018 3 　　在室温 25 ℃时 , 各参数值如下 : kv = 0 = . 图 1 　节气门体电器连接图 电子节气门都采用直流电机做执行机构 。但直流电 机的控制要比步进电机的控制难度大 , 需利用两路 反馈信号 , 构建闭环控制系统 。 电子节气门在车上是一个重要部件 , 一旦出现 故障将非常危险 , 所以节气门体上设计了一套复位 弹簧 , 它能够保证当电子节气门控制出现故障 , 直 流电机无法工作的时候 , 节气门阀回到关闭位置 , 使发动机能够工作在高怠速的状态下 。这样的设 计 , 可以避免发动机飞车 , 出现危险 。为保证车上 的助力装置正常工作 , 使司机有充分的时间将出现 故障的汽车停在一个安全的地方 ,节气门应保持一 定开度 。控制装置采用一柱塞弹簧 ,使节气门在初 始状态保持 7 5°的开度 ,这时的节气门开度称为初 始开度 。由于节气门体上安装有复位弹簧和柱塞弹 簧 ,而这两个弹簧刚度不同 ,故节气门阀角度大于或 小于初始开度时动态特性不一样 。 2 　电子节气门的非线性问题 在电子节气门控制系统中 ,机械结构中存在的 主要问题是非线性问题 ,影响着电子节气门系统的 控制 。有 3 类非线性因素 ,分别是 :1) 粘性摩擦和滑 动摩擦节气门阀片在运动过程中会同时受到粘性摩 擦和滑动摩擦的作用 ,在动态过程中造成摩擦力变 化不稳定 。2) 弹簧非线性 。3) 齿隙非线性齿轮减速 机构将电机驱动转矩传递到节气门阀片 ,齿轮间存 在啮合间隙 。 在 3 种非线性因素中 ,影响最大的是弹簧非线 性 ,其次是粘滑摩擦和齿隙非线性 。对于电子节气 门存在的非线性问题 ,采用一些特殊措施 。首先对 输入指令重新整形 ,以形成光滑的参考信号 ,然后再 采用 PID 控制器 。光滑的参考信号可将导数控制 直接加到前馈回路 ,增加了一个零点 ,改善控制器的 瞬态性能 。其次增加一摩擦衰减装置 ,产生高频小 幅振动 ,减小非线性干摩擦 。 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 

1 1 ·26· 黑 　龙 　江 　工 　程 　学 　院 　学 　报 (自然科学版) 　　　　　　　　　　　第 20 卷 8Ω, L = 018 3 N·m/ A , R = 2 0 ×10 - 8 kg ·m2 , B tot = 0 , n = V/ (rad·s - 1) , k t = 0 001 1 H , J tot = 4 0 95 。 16 根据节气门阀转角大于或小于初始开度 , 可得 到两个传递函数 。当节气门阀转角大于初始开度 时 ,弹簧系数 k sa = 1 877 ×10 - 4kg·m2 得到 0 061 85 12 ×10- 5 s2 + 3 4 Pa( s) = 4 ×10- 9 s3 + 1 256 ×10- 3. (8) 当节气门阀转角小于初始开度时 , 弹簧系数 k sa = 1 384 ×10 - 4kg·m2 ,得到 351 ×10- 4 s + 5 pb( s) = 4 4 ×10- 9 s3 + 1 0 061 85 12 ×10- 5 s2 + 3 364 ×10- 4 s + 3 874 ×10- 3. (9) 6 、 2 、- 28 传递 函 数 pa ( s ) 的 极 点 为 - 2 515 - 1 66 ; pb ( s) 的极点为 - 2 515 01 在每个传递函数中 ,实极点 - 2 515 2、- 15 j11 2 远大于其 他极点 ,故可忽略 。传递函数可简化为二阶 。降阶 的传递函数为 13、和 - 15 13 - p a ( s) = 117 349 s + 1) (0 7 002 1 s + 1) (0 p b ( s) = 0 97 002 857 s2 + 0 15 086 44 s + 1 . . (10) (11) 很明显 , pa ( s) 表现为过阻尼特性 , 弹簧刚度较弱 ; p b ( s) 表现为不足阻尼特性 ,弹簧刚度较大 。因此 , 弹簧的刚度不同导致电机增益不同 。 温度也是影响节气门动态特性变化的主要因 素 ,电阻值与温度的变化关系 k T = R 25 (1 + 0 04 ( T - 25) ) . (12) 8Ω,表示室温为 25 ℃时的总电阻 ;温 92 Ω; 温度为 - 40 ℃ 其中 : R 25 = 2 度为 125 ℃时 , 电阻 R 125 = 3 时电阻 R - 40 = 2 07Ω。 其中 : C ( z ) 为 PID 控制器传递函数 , KP , KI , KD 分 别为比例 、积分和导数项系数 , T s 为采样时间 。 闭环系统稳定性取决于开环增益 C ( z ) P ( z ) , 其中 P ( z ) 为离散节气门传递函数 。通过分析与计 算 ,可确定 KP = 1 132 8 V/ (°) ; KI = 56 V/ s; KD = 0 002 266 V/ (°/ s) , 采样时间 T s = 0 002 s。 对前述的 6 种连续函数用零阶保持器方法离散 化 ,采 样 周 期 选 0 002 s , 并 分 别 表 示 为 Pa ( z ) 、 Pah ( z ) 、Pac ( z ) 、Pb ( z ) 、Pbh ( z ) 和 Pbc ( z ) 。相应开 环增益为 C ( z ) Pa ( z ) 、C ( z ) Pah ( z ) 、C ( z ) Pac ( z ) 、 C ( z ) Pb ( z ) 、C ( z ) Pbh ( z ) 和 C ( z ) Pbc ( z ) , 如图 2 所示 。 图 2 　控制器的 Bode 图 在这 6 种情况下 ,闭环传递函数的理论阶跃响 应曲线如图 3 所示 。调整时间不超过 200 ms。Bode 图和阶跃响应表明节气门阀转角大于初始开度比小 于初始开度时控制器稳定 ,低温时比高温时控制器 稳定 。 不同温度的 3 个电阻值 R 25 , R 125 , R - 40与节气 门阀转角大于或小于初始开度时弹簧系数 k sa和 k sb 的组合 , 产生 6 种不同工作状态 。在本文中用 a 、 ah 、ac 表示节气门阀转角大于初始开度时室温 、热 和冷状态 , 用 b 、bh 、bc 表示节气门阀转角小于初始 开度时工作的状态 。 4 　节气门控制器的分析 控制器采用 PID 控制方案 ,其离散化方程 C ( z ) = Kp + KI T s z z - 1 + KD T s 1 - 1 z . (13) 图 3 　控制器的理论阶跃响应 PID 的增益可通过实验得到 ,Bode 曲线表明控 2 dB , 相 制器具有良好的稳定裕量 ,幅值裕量为15 位裕量为 60 7°。但可以看到相位图低频区非常 接近 - 180°,有些部分甚至穿过 - 180°。故低频 区的稳定性不好 。在试验时 ,若人为地给节气门 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 

1 1 第 1 期 　　　　　　　　　　　　　　张金柱 ,等 :汽车电子节气门控制器仿真设计 ·36· 加大摩擦力会造成系 统 振 荡 。从 实 际 使 用 角 度 来看 ,节气门体的老化会明显降低电 机 的 性 能 , 稳定性也下降 。 5 　节气门控制器的调整 采用 Ziegler- Nichols 法则计算控制器初始值 , 然后用频域Bode图进行分析 。 0 V/ (°) ,总的时间为 T ub = 0 首先应用比例控制 ,确定节气门阀转角大于初 始开度 时 的 临 界 不 稳 定 振 动 。设 定 最 大 增 益 为 047 4 s ,为验 Kub = 2 证此值是否合适 ,可用离散传递函数 Pb (z) ,在只有 比例控制时 ,计算理论最大增益和总的时间 。实际 上 ,最大增益可用 Bode 图的增益幅值确定 。最大周 期对应相位线与 - 180°线交叉点的频率 。对于室温 节气门阀转角小于初始开度时的动态 。对应的节气 25 dB (频率为 112 rad/ s) ,转换成最 门增益值为 7 大增益为 Kub = 2 056 s。这与 忽略其它因素的试验结果一致 。照此方法 ,有关的 PID 增益值为 Kpb = 0 304 ,周期为 T ub = 0 6 Kub = 1 2 V/ (°) , Kib = 2 Kpb/ T ub = 50 Kdb = Dpb T ub/ 8 = 0 63 V/ (s ·(°) - 1) , 007 1V/ ( (°) ·s- 1) . 　　图 4 为对应 6 种状态下 ,控制器的开环增益离 散性 Bode 图 。从图可看出 ,系统的幅值裕量合适 , 但相位裕量较小 。原因主要有 :1) 具体测试的节气 门与根据厂家参数推导的模型有差异 。2) 传递函数 中 ,没有反映不能消除的摩擦 。为此 ,也确定下一步 必须调整增益 ,增大系统鲁棒性 。 图 4 　调整后的控制器 Bode 图 可以看到 ,没有完全发挥控制器相位超前这一 特性 ,可将控制器频率响应曲线左移 ,如左移 1 个倍 程 ,这样增大开环增益相伴图的低频部分 。在连续 系统中 ,可将导数增益项增大一倍 ,积分增益减小一 半 ,而比例增益不变 。即 : Kp = 1 31 , 2 , KI = 25 014 2 。改进的 Bode 图如图 5 所示 。从图 5 KD = 0 可看出 ,相位裕量明显增大 ,超过 43°,并且穿越频 率到低频区都很平坦 。良好的稳定裕量确保即便节 气门老化也不会有明显的增益下降 。也可以看到穿 越频率左侧几乎没有向上空间 ,则意味着调整点达 到最优化 ,若频率相应曲线进一步左移也不会得到 有效的相位超前 。 图 5 　稳定裕量加大的 Bode 图 6 　结 　论 通过建立节气门控制模型 ,分析节气门在 6 种 状态下工作状况 。频域分析节气门控制器传递函 数 。采用频率分析法调整节气门参数 ,以提高控制 器的稳定性和性能鲁棒性 。表明基于模型的控制器 设计是一种很有价值的分析与调整方法 ,这些优点 是采用经验法或试验法所达不到的 。 参考文献 1 Mike Dale. 电子节气门控制系统结构特点及其优势 J . 韩建保 ,杨训敏 ,译. 汽车维修与保养 ,2005 (4) :48 - 49. 2 杜开明 ,秦大同 ,刘振军 ,等. 电子节气门仿真控制 J . 重 庆大学学报 :自然科学版 ,2005 ,28 (4) :14 - 18. 3 陈 　华 ,王耀南 ,孙 　炜 ,等. 基于模糊高斯基函数神经网 络的电子节气门控制 J . 计算技术与自动化 ,2005 ,24 (2) :10 - 12. 4 李雪飞 ,凌永成. 基于 80C196 KB 单片机汽车智能电子节 气门控制系统的设计 J . 微计算机应用 ,2005 ,26 (1) : 103 - 105. 5 陶国良 ,郭 　连 ,刘 　昊 ,等. 电子节气门变结构滑模控制 及仿真与试验J . 内燃机工程 ,2005 ,26 (3) :39 - 42. 6 刘振军 ,秦大同 ,胡建军. 现代轿车电子节气门系统及其 控制J . 汽车技术 ,2004 (3) :13 - 15. 7 于秀丽 ,王大志. 模糊自适应整定 PID 控制系统 J . 沈阳 工业学院学报 ,2004 ,23 (2) :41 - 44. 8 冯能莲 ,董春波 ,宾 　洋 ,等. 电子节气门控制系统研究 J . 汽车技术 ,2004 (1) :1 - 3. [责任编辑 :刘文霞 ] © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net