基于自适应积分终端滑模技术的电子节气门控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于自适应积分终端滑模技术的电子节气门控制方法。该方法包括：实时采样脚踏板的开度角θref和实际节气门的开度角θt，并计算出系统的误差e；通过基于不确定性观测器自适应积分终端滑模控制算法计算出节气门的最佳控制电压u，从而保证了输出跟踪误差e具有有限时间收敛特性；并且按照公式T＝u/12换算出电机驱动器设定的占空比T；驱动器从电子控制单元获得的占空比T来驱动节气门，得到节气门输出角度θt1。本发明专利技术克服了现有技术中节气门参数干扰问题以及控制精度低的问题，该方法保证了误差的快速收敛和参数扰动下系统的高精度追踪性能，以及闭环系统对不确定性和非线性的鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
基于自适应积分终端滑模技术的电子节气门控制方法
本专利技术涉及一种电子节气门控制方法，尤其是一种基于自适应积分终端滑膜技术的电子节气门控制方法。技术背景滑模控制已被成功证明是具有非平滑、非线性，参数不确定性和干扰的线性和非线性系统的强大的控制工具。由于保持优异的性能和抗干扰能力的优点，基于滑模的控制系统已被成功的应用于电子节气门系统中，以提高闭环跟踪的鲁棒性。在过去的几十年中，汽车电子节气门系统广泛应用于汽车发动机控制系统当中，因为它具有许多优于其机械对应物的优点。近年来，国内外许多文献表明电子节气门控制算法的研究己趋向成熟，然而，电子节气门系统存在的传动摩擦，非线性弹簧和齿轮间隙以及外部扰动的不确定性和非线性成为一项严峻的挑战，这对闭环跟踪和控制设计的灵活性产生了重大影响。为了改进系统响应和鲁棒性，如题为"TerminalslidingmodecontrolofMIMOlinearsystems，"Z.ManandX.Yu,IEEETrans.CircuitsandSyst.I:FundamentalTheoryandAppl,vol.44,no.11,pp.1065-1070,1997.(“MIMO线性系统的终端滑模控制”Z.ManandX.Yu，《IEEE学报-电路与系统》1997年第44卷第11期1065页-1070页)的文章中有限时间收敛可以为系统的响应和鲁棒性带来很好地改进，因此开发了具有非线性滑模面(SS)的终端滑模(TSM)技术来实现滑模的有限时间收敛。遗憾的是在TSM控制输入中引入了内部奇点问题。为了解决这个问题，通过修改终端滑动变量的状态来设计非奇异TSM(NTSM)控制器，并且仍然保持有限时间可达特性。为了在不牺牲跟踪精度的情况下避免控制抖动，如题为"Continuousfinite-timecontrolforroboticmanipulatorswithterminalslidingmode，"S.Yu,X.Yu,B.Shirinzadeh,andZ.Man，Automatica,vol.41,no.11,pp.1954-1964,2005.(“终端滑模机器人连续有限时间控制”S.Yu,X.Yu,B.Shirinzadeh,andZ.Man，《自动化》2005年第41卷第11期1954页-1964页)的文章中提出来快速非奇异终端滑模控制(NTSM)，因此可以保证有限时间收敛和控制的平滑性。然而，上述的滑模控制系统在控制设计之前应该需要不确定约束信息，这在实际上很难获得。因此，为了放宽不确定性的约束条件，进一步研究了自适应SM控制、模糊SM和神经网络滑模控制等智能控制。为了进一步确保闭环性能和系统的鲁棒性，如题为"Hybridtheory-basedtime-optimalcontrolofanelectronicthrottle，″M.Vasak，M.Baotic，I.Petrovic，andN.Peric，IEEETrans.Ind.Electron，vol.54，no.3，pp.1483-1494，2007.(“基于混合理论的电子节气门时间最优控制”M.Vasak，M.Baotic，I.Petrovic，andN.Peric，《IEEE学报-电子期刊》2007年第54卷第3期1483页-1494页)的文章中采用了最优控制的比例-积分-微分(PID)控制，来处理不确定因素的影响并确保闭环性能和鲁棒性。但是在大范围参数不确定性和扰动存在的情况下，很难确保一致的跟踪性能和鲁棒性。基于以上分析可知，虽然己有很多学者针对电子节气门提出了各种控制算法，但是现有的电子节气门控制方法还存在以下不足：1、使用大的开关控制增益来抑制大的不确定性和干扰的影响，这将导致严重的控制抖动和大的控制幅度。2、由于采用了线性滑动面，可能无法实现快速误差收敛，从而很难实现出色的跟踪和强大的鲁棒性。3、传统滑模控制系统滑动面中的固定滑动参数可能无法在阶跃和正弦跟踪情况下保持令人满意的跟踪响应，因为大的滑动参数可以在正弦跟踪中获得快速和出色的跟踪效果，但是在阶跃跟踪中会引入超调量。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为针对现有技术中存在的节气门参数不确定性以及控制精度低的问题，提供了一种在不同工况下能够克服节气门参数不确定性及电子节气门控制系统的非线性特性，并且具有响应速度快和鲁棒跟踪性能的基于自适应滑模技术的电子节气门控制方法。为了实现本专利技术的目的，本专利技术提供了一种基于自适应积分终端滑模技术的电子节气门控制方法，包括脚踏板和节气门位置信号的实时采集，使用基于滑模的不确定观测器对系统集总不确定性进行在线估计，步骤如下：步骤1，踩下油门脚踏板，使得脚踏板开度角θref≥1°；步骤2，对脚踏板开度角θref和当前节气门输出角度θt进行采样，采样周期为1ms；步骤3，根据步骤2得到的脚踏板开度角θref和当前节气门输出角度θt，利用公式算出系统误差e＝θt-θref，然后通过不确定观测器自适应积分终端滑模控制算法计算出节气门的最佳控制电压u，并按照公式T＝u/12换算出电机驱动器设定的占空比T；步骤4，将换算后得到的占空比T传送给电机驱动器，电机驱动器输出电压U驱动节气门，输出理想节气门输出角度θt1；步骤5，设检验终止条件为θt1＝θref，检验步骤4所得到的理想节气门输出角度θt1数值是否满足检验终止条件，如果满足检验终止条件，即脚踏板开度角θref和所输出的理想节气门输出角度θt1数值相等，则结束运行；如果未满足检验终止条件，则返回步骤2并重复步骤2～5，直至满足检验终止条件。优选地，步骤3所述不确定观测器自适应积分终端滑模控制算法包括以下步骤：步骤3.1，电子节气门系统数学模型的建立；根据系统建模得到电子节气门系统的数学模型如下：式中：为当前节气门输出角度θt的二阶导数；为当前节气门输出角度θt的一阶导数；dlump为电子节气门系统的集总扰动；Jaet0为电子节气门系统的等效转动惯量Jaet的标称参数，Baet0为电子节气门系统的等效阻尼系数Baet的标称参数，为控制输入的系数的标称参数；τf，sp0为摩擦弹簧转矩τf，sp的标称值，且τf，sp＝τf+τsp，其中τf为电子节气门系统的摩擦力矩，τsp为系统的弹簧回正力矩；步骤3.2，通过设计二阶有限时间精确观测器计算得到系统误差e的一阶导数基于不确定性观测器的电子节气门自适应积分终端滑模控制设计系统误差e＝θt-θref，二阶有限时间精确观测器的设计公式如下：式中：为系统误差e的一阶导数，且其中，为脚踏板开度角θref的一阶导数，为脚踏板开度角θref的二阶导数；v0为二阶有限时间精确观测器1的中间变量，v1为二阶有限时间精确观测器2的中间变量；λ0为二阶有限时间精确观测器参数1，且是一个正数；λ1为二阶有限时间精确观测器参数2，且是一个正数；λ2为二阶有限时间精确观测器参数3，且是一个正数；K为二阶有限时间精确观测器参数4，且是一个正数；z0为二阶有限时间精确观测器1的输出值，且其中为系统误差的一阶导数的估计值，为有限时间精确观测器1的输出值z0的一阶导数；z1为二阶有限时间精确观测器2的输出值，且其中是电子节气门系统的集总扰动dlump的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于自适应积分终端滑模技术的电子节气门控制方法，包括脚踏板和节气门位置信号的实时采集，其特征在于，使用基于滑模的不确定观测器对系统集总不确定性进行在线估计，步骤如下：步骤1，踩下油门脚踏板，使得脚踏板开度角θref≥1°；步骤2，对脚踏板开度角θref和当前节气门输出角度θt进行采样，采样周期为1ms；步骤3，根据步骤2得到的脚踏板开度角θref和当前节气门输出角度θt，利用公式算出系统误差e＝θt‑θref，然后通过不确定观测器自适应积分终端滑模控制算法计算出节气门的最佳控制电压u，并按照公式T＝u/12换算出电机驱动器设定的占空比T；步骤4，将换算后得到的占空比T传送给电机驱动器，电机驱动器输出电压U驱动节气门，输出理想节气门输出角度θt1；步骤5，设检验终止条件为θt1＝θref，检验步骤4所得到的理想节气门输出角度θt1数值是否满足检验终止条件，如果满足检验终止条件，即脚踏板开度角θref和所输出的理想节气门输出角度θt1数值相等，则结束运行；如果未满足检验终止条件，则返回步骤2并重复步骤2～5，直至满足检验终止条件。

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应积分终端滑模技术的电子节气门控制方法，包括脚踏板和节气门位置信号的实时采集，其特征在于，使用基于滑模的不确定观测器对系统集总不确定性进行在线估计，步骤如下：步骤1，踩下油门脚踏板，使得脚踏板开度角θref≥1°；步骤2，对脚踏板开度角θref和当前节气门输出角度θt进行采样，采样周期为1ms；步骤3，根据步骤2得到的脚踏板开度角θref和当前节气门输出角度θt，利用公式算出系统误差e＝θt-θref，然后通过不确定观测器自适应积分终端滑模控制算法计算出节气门的最佳控制电压u，并按照公式T＝u/12换算出电机驱动器设定的占空比T；步骤4，将换算后得到的占空比T传送给电机驱动器，电机驱动器输出电压U驱动节气门，输出理想节气门输出角度θt1；步骤5，设检验终止条件为θt1＝θref，检验步骤4所得到的理想节气门输出角度θt1数值是否满足检验终止条件，如果满足检验终止条件，即脚踏板开度角θref和所输出的理想节气门输出角度θt1数值相等，则结束运行；如果未满足检验终止条件，则返回步骤2并重复步骤2～5，直至满足检验终止条件。2.根据权利要求1所述的一种基于自适应积分终端滑模技术的电子节气门控制方法，其特征在于，步骤3所述不确定观测器自适应积分终端滑模控制算法包括以下步骤：步骤3.1，电子节气门系统数学模型的建立；根据系统建模得到电子节气门系统的数学模型如下：式中：为当前节气门输出角度θt的二阶导数；为当前节气门输出角度θt的一阶导数；dlump为电子节气门系统的集总扰动；Jaet0为电子节气门系统的等效转动惯量Jaet的标称参数，Baet0为电子节气门系统的等效阻尼系数Baet的标称参数，为控制输入的系数的标称参数；τf，sp0为摩擦弹簧转矩τf，sp的标称值，且τf，sp＝τf+τsp，其中τf为电子节气门系统的摩擦力矩,τsp为系统的弹...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海，胡友豪，叶茂，刘想想，郁明，姜苍华，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34