CN1552003A - 电子节流系统的跟踪控制 - Google Patents

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Abstract

电子节流控制器(200)包括前馈控制(222)、PID(224)、滑动模式控制(226)以及加法器(230)。PID(224)可以产生用于补偿误差信号的第一反馈项。滑动模式控制(226)可以产生第二反馈项，第二反馈项包含应用于误差信号的Lyapunov等式的解，滑动增益通过估计未知动态特性更新。加法器(230)将第一反馈项、第二反馈项以及前馈控制(222)相加以产生控制信号(232)。

Description

电子节流系统的跟踪控制
技术领域
本发明涉及控制系统，更具体地说，本发明涉及一种用于电子节流系统(electronic throttle system)的跟踪控制设计。
背景技术
通过根据高级控制请求的要求节流位置(throttle position)驱动直流(DC)马达，电子节流控制系统控制节流阀(throttlevalve)的开度。在该节流控制中，根据节流位置测量值和来自更高级控制或加速器位置传感器的要求位置信号，产生脉宽调制占空因数，加速器位置传感器根据加速器踏板的压下量，检测加速器位置。具有正确计算的占空因数的PWM通过齿轮组驱动DC马达以将节流阀开启或关闭到精确要求位置，从而控制发动机的进气量。对DC马达执行比例、积分和微分(PID)控制的反馈控制，以降低用于检测节流阀的实际节流开度(throttle opening)的节流开度传感器输出的信号与作为加速器位置传感器(踏板随动模式)测量的信号或更高级控制产生的信号的要求位置信号之间的误差。
通常的设计习惯是将PID控制的P(比例)项、I(积分)项和D(微分)项中的每个控制常数确定为固定中间值，以满足系统所有运行条件的要求。特别是在非线性系统中，由于这样确定的控制常数不是特定运行条件下的最佳值，所以可能降低节流阀控制的响应性和稳定性。例如，在在发动机空载条件下，使发动机转速稳定到预定速度的慢速控制过程中，节流阀的响应速度可以低，但是稳定性必须要高，而且该控制必须对诸如电池电压降低的任何扰动鲁棒。此外，在根据路面条件，最佳控制内燃机驱动的驱动轮的驱动力的牵引控制过程中，在某种程度上，可以降低节流阀的稳定性，但是必须保持高响应速度。在采用不操作加速器踏板而控制车辆匀速行驶的巡航控制时，要求高响应性和高稳定性。控制目标是在所有情况下实现快速、稳定跟踪。
对于每个使用阶段，现有PID控制器采用的各常数的固定中间值均不是最佳的。某些现有控制器通过对每个使用阶段应用增益调度PID控制，即应用不同组的常数，对此进行补偿。然而，这样做提高了复杂性，从而降低了动态跟踪性能，并降低了系统的鲁棒性。此外，校准不同运行条件下的所有控制参数要做大量工作。
因此，需要一种响应快、鲁棒而且快速跟踪的鲁棒电子节流控制系统。
附图说明
图1是根据本发明的电子节流控制系统的方框图；
图2是本发明的一个说明性实施例的方框图；
图3是示出本发明一个实施例的设计过程顺序和运行顺序的示意图。
具体实施方式
现在，将详细说明本发明的优选实施例。在本说明以及全部权利要求中，除非上下文中明确指出，下面的术语取与在此显然有关的意思：“一个”和“该”的意思包括多个参考，“内”的意思包括“内”和“上”。
如图1所示，在一个说明性实施例中，在作为节流控制系统100的一部分的微控制器118或数字信号处理(DSP)芯片上实现本发明。节流控制系统100包括机械部分102和电气部分110。本技术领域内常见的典型类型的机械部分102包括诸如为直流(DC)致动器马达的节流片致动器106，该节流片致动器106通过齿轮箱108连接到节流片(throttle blade)104。通常，节流片104是弹簧加载的(spint-loaded)，以便在没有节流片致动器106施加的附加力时，趋向于保持固定位置。节流片致动器106响应电气部分110输出的脉宽调制(PWM)信号。
在设计阶段，电气部分110包括迅速建模工具118，例如AIDRTS或dspace Autobox，在迅速建模工具上运行的算法响应要求的节流位置(TPS)输入116和实际节流位置输入114。迅速建模工具118可以被类似功能的微控制器或实际工作系统内的DSP代替。与节流片104相连的TPS传感器112产生实际TPS输入114。要求的TPS输入116对应于外部控制输入，该外部控制输入来自诸如发动机的另一个部分或加速器踏板作为控制输入。微控制器118将产生PWM控制，而集成电路120对PWM控制信号122进行放大，该PWM控制信号122连接到节流片致动器106的功率连接器，将节流片致动器106驱动到要求的位置。
如图2所示，电气部分200是电子节流控制器的一部分，电子节流控制器包括：前馈222、PID 224、自适应增益滑动模式控制226和加法器230。前馈222产生对应于系统的设定点(set point)214的要求位置信号，该设定点214对应于要求的节流位置。可以将前馈222实现为用于模拟系统的理想行为的等式，或者，在典型情况下，可以将它实现为简单查用表。PID 224响应误差信号发生器228，误差信号发生器228是简单加法器，它将系统的设定值214减去从电子节流设备208检测的实际测量位置212。PID 224产生用于补偿误差信号的第一反馈项。滑动模式控制226产生第二反馈项，第二反馈项包含用于误差信号的Lyapunov(莱阿波诺夫)等式的解。加法器230将前馈控制信号、第一反馈项以及第二反馈项相加，以产生控制信号PWM占空因数232。下式给出PID项：
PID = K pe + K i ∫ edt + K d de dt
其中Kp，Ki和Kd是根据稳定性分析对标称数学模型设计的常数，而且其中将e定义为：
e＝yd-y
其中yd是要求的节流位置，而y是实际节流位置。
下式给出滑动模式控制(SMC，sliding mode control)：
SMC＝Ksm*sgn(P11e+P12e’+P13e”)
下面给出其简化形式：
SMC＝Ksmsgn(e)
其中P＝(Pij)是3×3矩阵，即Lyapunov代数等式的解；其中e’是e的导数，而e”是e的二阶导数；其中滑动增益Ksm是通过利用已知输入和测量值进行估计选择的变量，即：
Ksm(k)＝(E(e(k)，e(k-1)，e(k-2)，e(k-3)，Ksm(k-1))，(E(·)＞0)
这样设计的SMC可以有效补偿系统内的非线性、扰动和不定性。
利用Lyapunov稳定性分析，确保渐近跟踪。
在选择控制参数时，以下内容可能对设计者有用：
·可以根据对电子节流数学模型进行的稳定性分析，选择Kp，KI和Kd。
·根据对未知动态特性所做的在线估计，更新Ksm。
·P11、P12和P13是选择了PID后的Lyapunov等式的解。
如图3所示，由用于产生前馈控制信号322的更高级控制器产生要求节流位置314。该信号基于控制系统的标称模型和要求节流位置314。假定已知标称数学系统模型340。由此确定动态误差342，并利用稳定性分析，根据其确定PID项。根据代数Lyapunov等式或上述给出的简化形式，确定构成SMC项的基础的滑动面(slidingsurface)(346)。这样就产生了系统的初始滑动增益348。通常，利用基于计算机的控制系统设计工具，离线产生该部分模型。如果采用在线自适应滑动增益，则可以将初始滑动增益设置为任意小的数，在后续步骤，正确更新Ksm。
估计未建模动态特性350，并根据上述估计，选择滑动增益Ksm(350)。既可以离线也可以在线执行这两个步骤。如果离线执行，则必须选择较大常数Ksm。如果在线执行，则在每个控制回路更新Ksm。在线更新Ksm可以提供较好的控制性能。
操作系统执行的在线步骤包括根据PID项、前馈项以及滑动模式项设置控制输出，以产生脉宽调制占空因数354。将它反馈到电子马达驱动器320，以驱动节流杆控制马达。检测节流体的位置(330)，然后，将它反馈到动态误差步骤。
本发明提供了一种鲁棒的电子节流控制系统。它比其他类似控制器的响应快而且精度高。通过根据Lyapunov原理进行设计，可以确保诸如跟踪和鲁棒性的控制特性。
应该注意，尽管以上公开了电子节流控制器，但是本发明并不局限于电子节流控制器。因此，所附权利要求所述的范围可以应用于任何电子控制器。此外，术语PID包括如下类型：P、PI、PD和PID的控制器。
所提供的上述实施例仅作为说明性例子。很容易明白，在本发明范围内，可以对该说明书公开的特定实施例进行许多变化。因此，本发明范围并不局限于以上特别说明的实施例，而由所附权利要求确定本发明范围。

Claims (10)

1.一种电子控制器，该电子控制器包括：
(a)PID，可以产生用于补偿误差信号的第一反馈项；
(b)滑动模式控制，可以产生第二反馈项，第二反馈项包含应用于误差信号的Lyapunov等式的解，滑动增益通过估计未知动态特性更新；以及
(c)加法器，将第一反馈项与第二反馈项相加以产生控制信号。
2.根据权利要求1所述的电子控制器，该电子控制器进一步包括前馈，用于根据要求位置信号产生PWM占空因数。
3.根据权利要求2所述的电子控制器，其中加法器将前馈产生的信号与控制信号相加。
4.根据权利要求1所述的电子控制器，其中在数字信号处理芯片上实现PID。
5.根据权利要求1所述的电子控制器，其中在微控制器上实现PID。
6.根据权利要求1所述的电子控制器，其中在数字信号处理芯片上实现滑动模式控制电路。
7.根据权利要求1所述的电子控制器，其中在微控制器上实现滑动模式控制电路。
8.根据权利要求1所述的电子控制器，其中在数字信号处理芯片上实现加法器。
9.一种电子控制器，该电子控制器包括：
(a)PID，可以产生用于补偿误差信号的第一反馈项；
(b)滑动模式控制，可以产生第二反馈项，第二反馈项包含应用于误差信号的Lyapunov等式的解，滑动增益通过估计未知动态特性更新；以及
(c)前馈，根据要求的位置信号产生；以及
(d)加法器，将第一反馈项、第二反馈项以及要求位置信号相加以产生控制信号。
10.一种用于控制电子节流阀的方法，该方法包括步骤：
(a)产生用于补偿误差信号的第一反馈项；
(b)产生第二反馈项，可以产生第二反馈项，第二反馈项包含应用于误差信号的Lyapunov等式的解，滑动增益通过估计未知动态特性更新；以及
(c)将第一反馈项与第二反馈项相加以产生电子节流控制信号。
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