基于Simulink的电子节气门控制策略开发

摘要：针对车用电子节气门的非线性特征，提出了带复位弹簧和摩擦补偿器的PID控制策略。先分析电子节气门的物理特性，根据此特性使用Simulink建立了物理模型和控制策略模型，并进行模型仿真和参数初步整定，然后使用Simulink的Embedded-Coder工具将控制策略模型自动生成C代码，集成到自主开发的ECU中，最后在硬件在环仿真系统和实际车辆上对控制代码进行实际验证，结果表明该控制策略可以取得良好的动态控制效果，满足实际车辆的要求。

关键词：电子节气门；Simulink；控制策略；自动代码生成

中图分类号：U464.149 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2011）06-0014-05

Development of Electronic Throttle Control Strategy by Using Simulink

LI Ru-long，CHEN Wei-fang，ZHANG Fan-wu

（Dongfeng Motor Corporation Technical Center，Wuhan 430058，China）

Abstract：In this paper we present a PID controller with limp-home spring and friction torque compensator in response to the nonlinear characteristic of the electronic throttle body. At first the physical characteristic of the throttle body is analyzed and the electronic throttle model and the PID control model are established. Based on the simulation result using the two models，the control parameters of the strategy are fixed. Then the control model is transformed to C code automatically using the Simulink Embedded-Coder toolbox. The throttle control code is integrated and burned into ECU. Through Hard-Ware-Inloop simulation and the real vehicle test，the above control strategy is manifested to have good dynamic performance of throttle control，and can be used to the vehicle.

Key Words：electronic throttle；simulink；control strategy；automatic code generation

现动机广泛采用电子节气门进行进气量控制。快速并精确地对电子节气门实施控制影响到发动机能否达到法规要求，同时也可以改善燃油经济性能和车辆驾驶性能，是一项非常重要的技术［1-2］。

电子节气门体的机械部件主要由执行电机、节气门阀体、减速齿轮组成，其中直流电机一般采用脉宽调制（PWM）技术和H桥电路进行驱动。电子节气门在工作过程中，受到电机驱动力矩、弹簧复位扭矩、阻尼力矩、粘性摩擦扭矩以及进气扰流等因素的共同作用，具有很强的非线性特征。非线性系统的控制策略主要有PID控制、滑模控制以及模糊控制等［1-7］。但是目前在汽车中有成熟应用的仍然为PID控制［1-4］。本文在自主ECU开发的背景下，选择了带前馈控制的PID控制策略。电子节气门控制系统原理图如图1所示。

本文先对电子节气门的物理特性进行分析，在此基础上使用Simulink对被控对象进行建模，并设计了控制策略模型。通过控制策略模型与被控对象的联合仿真，验证上述控制策略的可行性，同时对PID控制参数进行了初步的整定。最后本文使用Simulink的Embedded-Coder工具箱对上述控制策略进行自动代码生成，将生成的代码集成到自主开发的ECU中，通过在实际发动机上的控制效果对控制策略进行最终的验证。

1 电子节气门系统数学模型

电子节气门主要受电机驱动力矩、弹簧复位力矩和摩擦阻力的作用，特别是弹簧复位力矩和摩擦阻力具有明显的非线性特征。下面分别进行描述。

1.1 电机驱动力矩

根据基尔霍夫定律，可以建立直流电机的方程：

式中：Ra为电枢电阻；Rr为电源内阻；L为电枢电感；u为电枢电压；?棕为电机角速度；N为减速比；Kt为电机扭矩系数。

由于磁场是恒定的，电磁力矩Ta与电枢电流ia成正比：

1.2 弹簧复位力矩

为了保证在电子节气门供电出现故障之后发动机依然能运转，电子节气门有一个10%左右的初始位置，当节气门阀片偏离初始位置时，都将受到一个反向的作用力。

式中：Ks为弹簧的扭转刚度；?兹为节气门盘片转角；?兹0为节气门盘片处于自然状态时的节气门转角；Ts0为节气门盘片处于自然状态时的弹簧预紧扭矩。

1.3 摩擦阻力矩

节气门盘片在克服了库伦摩擦（静摩擦）阻力之后才能转动，而在转动的过程中要克服粘滞摩擦阻力。库伦摩擦为一定值，符号与转速相反；而粘滞摩擦与节气门盘片的角速度成比例。总的摩擦力矩如下式：

式中：?滋d为粘滞摩擦系数；Tf0为库仑摩擦力矩；为节气门盘片的转速。

1.4 运动学模型

根据动力学原理可知节气门系统的力学方程为：

式中：J为节气门轴上的总转动惯量。

2 Simulink建模与仿真

2.1 电子节气门物理建模

根据上文对电子节气门特性的描述，可以使用Simulink进行被控对象建模，主要有两种方法，一种是使用上述数学模型进行数学建模，第二种是采用Simscape工具箱对电子节气门进行物理建模。本文采用第二种方法，结果如图2所示。模型输入参数为供电电压，输出为电子节气门百分比开度。电压驱动直流电机，经过齿轮变速后克服弹簧复位力矩、摩擦力矩，最终驱动节气门阀片，模型中还考虑了阻尼和转动惯量的因素。可以看出，采用Simscape进行物理建模与普通数学建模相比更加直观，在不完全了解系统微分方程的情况下也能进行系统建模。

2.2 电子节气门控制模型的设计

在PID控制的基础上，本文增加了克服弹簧复位力矩和库伦摩擦扭矩的分量，以加快电子节气门的响应速度，对应的Simulink控制模型如图3所示。输入参数为当前节气门开度（?兹cur）、目标节气门开度（?兹des）以及节气门自然开度（?兹0），输出为控制电压，该控制电压经过转换后以PWM波形式输出，本文对驱动部分不进行详细阐述。

对于PID控制，特别需要注意I相和D相复位的条件。如电子节气门在接近目标位置时，为了避免阀片出现晃动的现象，需要将积分暂时停止，同时将D相暂时禁止。

2.3 模型在环仿真分析

本文将上述物理模型和控制模型进行联合仿真。在仿真的过程中通过调整各个控制参数，并分析模型的输出结果，最终确定控制参数的合理范围。

图4为电子节气门从0～60%开度的阶跃响应仿真结果，节气门响应时间0.15秒，超调量0.5%。从仿真结果可以看出，本文提出的控制策略具有很好的动态响应特性。

3 代码生成及控制功能测试

3.1 自动代码生成

随着汽车控制器数量、功能的不断庞大，包括BOSCH在内的很多公司都已经逐步在开始采用自动代码生成技术来提高软件开发的效率。本文采用Simulink的RTW Embedded Coder工具箱进行自动代码生成。

由于目前多数单片机进行浮点数运算速度相比定点数运算较慢，因此在进行自动代码生成之前需要将上述建立的浮点数模型转化成定点数模型。在进行自动代码生成的过程中，Simulink还提供很多对代码可读性和安全性的设置，确保能生成高质量的代码。

将自动生成的C代码集成到自主开发的ECU中就可以进行电子节气门的控制。另外，Simulink在生成C代码的同时，还可以生成符合ASAP2标准的a2l标定文件，结合该文件，标定软件INCA可以实时获取ECU中的变量信息，并进行控制参数的标定，从而得到合适的控制参数。

3.2 硬件在环仿真

为验证本文所提出的控制策略对电子节气门的动态控制效果，本文将自主开发的ECU和美国德尔福公司的节气门组成一个硬件在环仿真系统，如图5所示。由于实际节气门和上述建立的物理模型会有一定差异，需要使用INCA对控制参数进行进一步标定调整。

图6为电子节气门从全关状态阶跃到60%开度时的响应曲线，响应时间为0.20s，超调量为1%，此结果与模型在环仿真结果相当。图7为电子节气门随目标开度逐步变化的跟随响应特性，由图可以看出，实际节气门开度能快速跟随目标开度，具有良好的动态跟随性能。

3.3 实际车辆验证

由于本文的研究是自主ECU开发项目中的一个环节，因此需要将节气门控制策略最终应用到实际的车辆中。本文将集成后的控制策略代码下载到自主开发的ECU中在实际车辆上对控制效果进行了最终的验证。图8为整车测试循环中的电子节气门响应特性曲线的一部分。由图可以看出在实际车辆上电子节气门能快速跟随需求变化，满足实际车辆的要求。

4 结论

使用带复位弹簧和摩擦补偿器的PID控制策略能够取得较好的动态响应特性，通过仿真和实际应用证明该控制策略满足实际车辆对电子节气门控制的需求；另外Simulink工具能完成被控对象建模、控制系统建模、模型仿真、自动代码生成等一系列的工作，能有效协助进行控制策略开发和工程应用。

参考文献：

［1］ Salem AI-Assadi，Jens Breitinger and Nathan Murphy. Model-Based Friction and Limp Home Compensation in Electronic Throttle Control. SAE Paper 2006-01-0857.

［2］ Josko Deur，Danijel Pavkovi and Nedjeljko Peri. An Adaptive Nonlinear Strategy of Electronic Throttle Control. SAE Paper 2004-01-0897.

［3］ Salem AI-Assadi，Jens Breitinger and Nathan Murphy. Tuning An Electronic Throttle Controllers Using Computer-Aided Calibration Method．SAE Paper 2006-01-0307.

［4］ Chang Yang. Model-Based Analysis and Tuning of Electronic Throttle Controllers. SAE Paper 2004-01-0524.

［5］ 张亚明，张逢春，杨良会. 混合动力车电子节气门控制研究［J］. 北京理工大学学报，2009，10.

［6］ 张帅，孙仁云，单玉梅. 基于滑模控制的发动机电子节气门研究［J］. 科学技术与工程，2009，11.

［7］ 赵宁，吕建超，牛秦玉. 电子节气门模糊自适应调节滑膜控制及仿真［J］. 计算机仿真，2010，4.