一种用于电子节气门系统的终端滑模复合抗干扰控制系统及方法

本发明属于电子节气门系统控制领域，涉及一种电子节气门系统的干扰抑制系统及方法，尤其涉及一种用于电子节气门系统的终端滑模复合抗干扰控制系统及方法。

背景技术：

1、发动机作为汽车的动力源，改良发动机系统、优化发动机控制能有效地改善汽车的动力性、经济性及环保性。燃料能否充分燃烧是影响发动机性能的一个关键因素，而节气门作为车辆发动机的“咽喉”，其开度大小通过控制进气量影响汽油与空气的混合比，进而影响燃油的燃烧效率和废气排放。电子节气门如果可以实现更高精度和灵活的进气量控制，就达到降低油耗和排放的目的，因此研究电子节气门控制对节能和环保意义重大。

2、电子节气门控制系统主要由三部分构成：油门踏板模块、节气门本体模块(electronic throttle body，etb)、电子控制单元模块(electronic control unit，ecu)。油门踏板模块是驾驶员对系统给出输入信号的装置；电子控制单元是整个系统的核心，主要用来处理脚踏板和节气门中传感器信号，根据处理过后信号以及实时系统中其他标称参数来算出当前电子节气门阀片的准确开度以及发出控制信号给电机驱动器；电子节气门本体的功能不仅是执行节气门阀片的转动，同时使用也位置传感器获取节气门开度信息，实时反馈节气门阀片当前的位置并传送给ecu，从而形成闭环控制，具体的电子节气门系统的结构框图如图1所示。

3、节气门开度控制模块通过控制节气门阀片开度来跟踪节气门目标开度，电子节气门的控制难度在于其自身就是一个复杂的非线性系统，快速、精确的控制以及稳定性都是评价系统性能的重要因素，由于生产偏差、外部环境变化、机械磨损、部件老化等因素的影响，其物理参数会存在一定的不确定性，传统控制器难以保持令人满意的性能。目前，国内外学者对电子节气门控制系统进行了深入分析并研究了多种控制算法，极大地提高了电子节气门控制领域的发展，如比例积分微分(pid)控制、滑模控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控等。其中滑模控制器作为一种鲁棒控制器，可用于处理非线性系统建模和参数的不确定性，使系统具有稳定性，其具有主要鲁棒性、补偿动态的降阶性的优势，因此，在电子节气门控制方法中，滑模控制策略是一种有效的位置控制技术，能够处理连续时间系统中由于摩擦、弹簧跛行等引起的参数和模型的不确定性、非线性。尽管滑模控制具有诸多优点，但是由于变结构控制带来的不连续开关特性也导致了系统控制量的抖振现象，抖振在实际控制系统中不仅影响系统的跟踪精度，还会激发系统的未建模动态，导致系统的不稳定性；此外，线性滑模控制仅能使系统渐进收敛而非有限时间收敛，因此，无法满足系统的快速响应和跟踪精度的要求。基于以上背景，亟待设计一种新型滑模控制方法，提高电子节气门的瞬态性能和抗干扰能力，更切实有效地满足实际工程需求。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于电子节气门系统的终端滑模复合抗干扰控制系统及方法，能够有效地在电子节气门系统在存在各种干扰的情况下完成对节气门干扰抑制的目标，实现节气门阀片对期望开度的快速精确跟踪。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种用于电子节气门系统的终端滑模复合抗干扰控制系统，包括电控单元、节气门本体以及油门踏板，电控单元内至少配置微控制器和驱动电路，节气门本体内至少包括与驱动电路连接的直流电机、节气门节流阀以及与直流电机通过齿轮连接的节气门阀片，其中，

4、微控制器为复合控制器，复合控制器包括终端滑模控制器和干扰观测器，终端滑模控制器用于计算所需的脉冲调制信号，干扰观测器用于估计电子节气门系统的集总干扰；复合控制器先根据目标开度初步计算出调制信号使得节气门阀片发生偏转，节气门节流阀中的位置传感器将节气门阀片的实际开度转换为电压信号并返回至复合控制器，复合控制器根据目标开度和实际开度再次计算出所需脉宽调制信号输送给驱动电路，驱动电路通过直流电机产生扭矩，由齿轮传递到板轴使节气门阀片运动；并且在节气门阀片运动过程中，节气门节流阀中的位置传感器持续将节气门阀片的实际开度返回至复合控制器，构成闭环控制系统。

5、本发明还提出了一种适用于前述的用于电子节气门系统的终端滑模复合抗干扰控制系统的控制方法，该方法包括以下步骤：

6、s1、建立电子节气门的数学模型以描述电子节气门系统的系统特性，并构建系统的状态空间方程；

7、s2、在建立的数学模型基础上，利用可测信息设计干扰观测器，用以估计系统的集中扰动τ，并计算得到干扰观测器所输出的估计值z3；

8、s3、结合干扰观测器观测得到的节气门系统的干扰的估计值z3，基于非奇异快速终端滑模控制方法设计复合控制器；

9、s4、根据设计的复合控制器控制节气门系统的节气门阀片的开度。

10、进一步，在步骤s1中，建立的系统的状态空间方程表示为：

11、

12、式中η1表示电子节气门阀门的转动角度；η2表示节气门阀门的转动角速度；b为系统参数；ν(η1,η2)为η1,η2的函数；τ为集总干扰；y为系统输出；

13、作用在系统上的集总干扰τ二阶可导，且对于第二阶导数有

14、更进一步，在步骤s1中，构建系统的状态空间方程包括以下过程：

15、根据直流电机的运行原理，得到电机绕组回路的电压平衡方程为：

16、

17、式中，ea为输入电压，vbat为电源电压；u为电压占空比；r为电枢绕组电阻；l为电机感抗；i为电枢电流，；vb为电机反向电动势；

18、驱动电机电枢两端的反电动势，正比于电机转轴的角速度，即反向电动势：

19、

20、式中，ke为电机反电动势常数，为电机轴转角；

21、由于直流驱动电机的电感很小，忽略不计，则电枢电流为：

22、

23、根据电磁感应定律,电机电磁转矩与电流成正比，电机所产生的转矩有：

24、tm＝kmi

25、式中，tm为电机转矩，km为电机转矩系数；

26、故电机转矩为：

27、

28、以电机轴作为研究对象，其力矩平衡方程为：

29、

30、式中，jm为电机转动惯量；fm为电机粘性摩擦系数；tl为电机轴承受的负载转矩；

31、针对节气门轴列写力矩平衡方程式：

32、

33、式中，tg节气门阀片轴上的驱动转矩；jg为节气门转动惯量；θ为节气门阀门的转角；ts节气门复位弹簧的转矩；tf为节气门摩擦力矩；ta为进气流冲击力矩；

34、根据传动比关系式，节气门体减速齿轮组的传动比为：

35、

36、式中，n齿轮组的传动比；

37、则力矩平衡方程式进一步表示为：

38、

39、根据弹性定律得到节气门复位弹簧的扭矩方程：

40、ts＝ks(θ-θ0)+tlhsgn(θ-θ0)

41、式中，ks为复位弹簧的弹性系数；θ0为节气门“跛行回家”位置开度；tlh为复位弹簧预紧力矩；

42、节气门摩擦力矩为：

43、

44、式中，tf为节气门摩擦力矩；kd为节气门粘性摩擦系数；kf为节气门库伦摩擦系数；

45、进气流冲击力矩ta与节气门阀门开度θ、大气压强、进气歧管的压强、节气门直径、节气门开度变化率先关，其大小为：

46、

47、其中：

48、δp＝pa-pm

49、式中，δp为节气门前后压强之差，即大气压强pa与进气歧管压强pm之差；d为节气门的直径；

50、将上述公式整理后代入式得：

51、

52、节气门执行机构总微分方程为：

53、

54、令j＝(jg+n2jm)，选取状态变量η1＝θ，系统输入为u，输出y＝θ，节气门系统集总干扰为τ，则最终推导得到的节气门的状态空间表达式为：

55、

56、式中，

57、状态空间表达式进一步简写得到系统的状态空间方程。

58、进一步，在步骤s2中，基于电子节气门的数学模型和状态空间表达式，根据广义比例积分观测器的理论，令τ＝η3，将系统的状态空间方程扩展为：

59、

60、式中g(η)表示干扰的二阶导数，且满足

61、利用可测信息设计得到干扰观测器，其表示为：

62、

63、式中，z1、z2、z3、z4分别为η1、η2、η3、η4的估计值，χ1、χ2、χ3、χ4为观测器的调节参数。

64、进一步，在步骤s3中，包括以下步骤：

65、s31、定义电子节气门阀片的位置误差为：

66、e1＝η1d-η1

67、式中，η1d为阀片期望位置；η1为阀片实际位置；

68、跟踪误差的导数为：

69、

70、式中，为阀片期望角速度；η2为阀片实际角速度；

71、设计如下的非奇异快速终端滑模面：

72、

73、式中，α、β、k＞0均为常数；p、q为正奇数且满足：1＜p/q＜2；

74、设计趋近律为：

75、

76、式中δ>0，sgn为标准符号函数；

77、s32、结合广义比例积分观测器观测的估计值，用z2代替η2，可得：

78、

79、从而滑模面可改写为：

80、

81、设计基于非奇异快速终端滑模控制方法得到的复合控制器：

82、

83、其中，u为复合控制器的控制输出；为目标开度的二阶导数；z3为系统集总干扰d的估计值。

84、本发明的有益效果在于：

85、1、使用广义比例积分观测器进行干扰估计的方法，对电子节气门系统的集总干扰进行实时估计，由于考虑了干扰的高阶导数的信息，因此对实际应用时存在变化较快的时变干扰有更好的估计精度。

86、2、相比于传统的滑模控制器，本发明的复合控制器调节时间短，在有限时间内实现了对电子节气门阀片开度的精准控制。

87、3、相比于传统的滑模控制器，本发明的复合控制器能够抑制电子节气门系统的多源干扰、不确定性、非线性及系统故障带来的影响。

88、4、本发明的复合控制器可以使电子节气门系统在有限时间内收敛，而传统的线性控制方法只能使电子节气门系统渐近收敛。

89、5、相比于传统pi控制，本发明的复合控制器调节时间短，超调量小，提高了电子节气门的动态特性、稳态特性和抗干扰性能。

90、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。