一种针对电子节气门系统的非线性抗干扰控制方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种针对电子节气门系统的非线性抗干扰控制方法及装置，基于系统控制模型和连续有限时间抗干扰控制方法，针对电子节气门阀门开度的跟踪控制问题设计了一种控制装置及设计方法。对于由进气气流、摩擦、弹簧扭矩、齿隙等因素引起的多源干扰、不确定性及非线性，本发明专利技术设计了一种观测方法及装置，在有限时间内实现了对集总干扰和系统状态变量的准确估计。本发明专利技术将连续终端滑模控制方法和输出反馈控制方法相结合，有效地抑制了电子节气门系统中的多源干扰、不确定性及非线性的不利影响，使系统在受扰的情况下，在有限时间内实现了对电子节气门阀门开度的精确跟踪控制，同时降低了系统的硬件成本，提高了系统动态特性、稳态特性及抗干扰能力。

【技术实现步骤摘要】
一种针对电子节气门系统的非线性抗干扰控制方法及装置
本专利技术涉及一种电子节气门系统控制技术，属于车辆发动机内燃系统控制

技术介绍
近年来，随着能源短缺问题逐渐加剧，车辆发动机控制系统中的能源问题愈发得到重视。与传统节气门不同，电子节气门因其高效、环保、节能等优势成为了近期研究的热点并得以广泛应用。在传统节气门系统中，节气门阀体通过线圈与油门踏板直接相连，其开度仅与踏板的位移量有关，纯机械结构使得其控制方法相对简单，属于直接控制。而在电子节气门系统中，控制方式为间接控制，电控单元通过接收踏板的位移量信息，实现对电子节气门阀门开度的控制。因此，电子节气门被广泛应用于发动机内燃控制系统中，被视为车辆发动机内燃系统中的“咽喉”。通过控制不同工况下的进气量，电子节气门能够对发动机空气-燃油比例进行控制和调节，在实际过程中还需要考虑发动机运行工况、发动机转速、发动机转矩以及各类环境因素的影响。如图1、图2所示，本专利技术所研究的电子节气门系统100与传统节气门不同，其运行原理可以具体描述如下：当驾驶员踩下油门踏板101时，踏板位置传感器107可以检测到当前的踏板位置信号，并将踏板位移量传送至电控单元102，通过计算空气-燃油的期望比例，得到对应的阀门期望开度。同时，电控单元通过脉冲宽度调制(PWM)方法驱动直流电机103，获得初始旋转转矩。由于减速齿轮组105可以实现直流电机轴承209与电子节气门风门轴215之间的转矩传动，因此，可以通过调节直流电机103的转矩控制电子节气门104的阀门开度。此外，阀门角度传感器可以测得电子节气门104的阀门开度，复位弹簧对106a、106b可以控制电子节气门104的阀门运动，并使其回到默认位置，且在失电情况下使其稳定在安全区域内。由于在实际工程应用中，电子节气门系统需具备排污量低、工况适应度高等特质，因此其控制性能还需满足如下要求：响应快、无超调、稳态精度高、工程实现便捷等等。然而，由于实际工程环境较为复杂，电子节气门系统往往受到发动机抖动、高温、排碳量增加等因素引起的多源干扰、不确定性以及非线性的影响。其中，多源干扰包括传动摩擦、弹簧复位转矩、齿轮齿隙以及由进气气流、生产区别、使用时长等所引起的外部干扰；不确定性主要为发动机运行工况、海拔、气温、湿度、气压变化等因素所导致的系统元器件的参数不确定性；未知非线性量主要由上述因素(如传动摩擦、弹簧复位转矩、齿轮齿隙等)引起，并会对整个系统的性能产生不良影响。为了进一步提高电子节气门系统的控制性能，多种先进控制方法得以研究并成功应用，例如，PID控制、模糊控制、神经网络控制、自适应控制、滑模控制等，上述方法从不同方面推动了电子节气门控制技术的进步。其中，滑模控制方法因其在跟踪精度和鲁棒性上的双重优势而备受关注，但由于其控制律中包含符号函数，控制量的不连续性将带来抖颤，甚至降低系统的跟踪精度和鲁棒性。此外，现有的方法多采用状态反馈控制，即需要获得系统状态量的全部信息，并且仅能使系统渐近收敛而非在有限时间内收敛，因此，在一定程度上增加了系统的成本，且无法满足系统的快速跟踪和高容错性要求。基于上述背景，亟待设计一种切实有效的控制策略，提高电子节气门系统的收敛速度和抗干扰性能，并满足实际工程要求。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术公开了一种针对电子节气门系统的非线性抗干扰控制方法及装置，达到连续有限时间抗干扰控制的目标，实现对电子节气门阀门期望开度的快速准确跟踪以及对多类型干扰的精确补偿抑制。为了达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种针对电子节气门系统的非线性抗干扰控制装置，包括控制子装置和观测子装置。一种针对电子节气门系统的非线性抗干扰控制装置的设计方法，包括如下步骤：步骤1，分析电子节气门系统的工作原理，分别建立系统数学模型和控制模型，并引入集总扰动的思想，以便后续设计；步骤2，在步骤1建立的系统控制模型基础上，设计观测子装置，设计有限时间观测器，在有限时间内获得系统状态量和集总扰动的估计值；步骤3，在步骤2设计的观测子装置基础上，设计控制子装置，设计连续终端滑模有限时间控制器，结合前馈补偿与输出反馈控制方法，设计一种非线性抗干扰控制方法及装置。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：本专利技术实现了对电子节气门阀门期望开度的有限时间控制，从而有效地提高系统的动、静态性能与抗干扰性能。本专利技术将对电子节气门系统性能产生显著影响的诸多因素都考虑在模型内，并通过切实有效的抗干扰手段消除摩擦力矩等因素对被控系统的不利影响。本专利技术在有限时间内实现了对集总干扰和系统状态变量的准确估计。本专利技术将连续终端滑模控制方法和输出反馈控制方法相结合，有效地抑制了电子节气门系统中的多源干扰、不确定性及非线性的不利影响，使系统在受扰的情况下，在有限时间内实现了对电子节气门阀门开度的精确跟踪控制，同时降低了系统的硬件成本，提高了系统动态特性、稳态特性及抗干扰能力。附图说明图1是本专利技术电子节气门的原理结构示意图。图2是本专利技术电子节气门的构件示意图。图3是本专利技术电子节气门的控制子装置工作流程图。图4是本专利技术电子节气门的观测子装置工作流程图。图5是本专利技术电子节气门的控制框图。具体实施方式以下将结合具体实施例对本专利技术提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。如图1所示，本实施例中的电子节气门系统100包括如下部分：油门踏板101；踏板位置传感器107，用于检测油门踏板的位移信息；电子节气门104，用于根据期望的踏板位置提供合适的空气-燃油混合比例；阀门角度传感器108，用于检测电子节气门104阀门的实时开度；直流电机103，用于为电子节气门104提供初始旋转转矩；减速齿轮组105，用于实现由直流电机103到电子节气门104之间的力矩传动；电控单元102，用于提供控制信号以实现对电子节气门系统100的有效控制；复位弹簧对106a、106b，用于控制电子节气门104的运动，且在失电情况下仍稳定在安全区域内。具体地说，电子节气门104的阀门为旋转结构，其默认状态为全开。电控单元102可以根据期望的踏板位置确定合适的空气-燃油混合比例，同时基于PWM技术输出控制电压，驱动直流电机103产生旋转转矩。直流电机103为整个系统的执行器，为电子节气门104提供初始旋转转矩。直流电机103通过减速齿轮组连接到节气门的风门轴上，其旋转转矩由电控单元102所提供的期望转矩决定。直流电机103的电感电压为电控单元102输出的PWM等效电压，其中，过低的PWM频率将电压引起转矩波动和噪声，而过高的频率将增加切换损耗，因此PWM频率的选择尤为重要。减速齿轮组105包括马达齿轮105a、中速齿轮105b和扇形齿轮105c三部分。复位弹簧对106a、106b为旋转式安装，因而存在初始转矩，且弹簧转矩随电子节气门104的阀门开度变化而变化。本实施例中，电子节气门系统100的基本工作原理如下：当驾驶员踩下油门踏板101时，踏板位置传感器107将检测到当前的踏板位置信号，并将踏板位移量传送至电控单元102，通过计算空气-燃油的期望比例，得到对应的阀门期望开度。同时，电控单元102通过PWM方法驱动直流电机103获得初始转矩，再经由减速齿本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种针对电子节气门系统的非线性抗干扰控制装置，其特征在于，包括控制子装置和观测子装置，其中，控制子装置包括：运行工况参数获取模块，用于获取电子节气门系统的运行工况参数；系统数学模型，用于通过分析电子节气门的工作原理，建立其数学模型以刻画电子节气门系统的系统特性；系统控制模型，用于在系统数学模型的基础上，运用数学手段将其处理为利于后续控制器模型设计的控制模型；控制器模型，用于在系统控制模型的基础上，结合运行工况参数获取模块所获得的系统期望输出进行控制器模型设计，其中，控制器模型中包含观测值；控制量计算模块，用于根据运行工况参数获取模块所获得的运行工况参数、系统期望输出和所设计的控制器模型，确定作用于电子节气门系统的实际控制量；驱动信号计算模块，用于根据控制量计算模块所得到的控制量计算得到直流电机的驱动电压量；观测子装置包括：运行工况参数获取模块，用于获取电子节气门系统的运行工况参数；观测器模型，用于在控制子装置中的系统控制模型的基础上，设计行之有效的观测器模型从而获得系统状态和集总扰动的观测值，其中，观测器模型中包含控制量；系统状态和干扰观测值计算模块，用于根据运行工况参数获取模块所获得的运行工况参数和所设计的观测器模型，计算得到干扰观测器所输出的观测值；交互模块，用于进行控制子装置与观测子装置之间的信息传递。...

【技术特征摘要】
1.一种针对电子节气门系统的非线性抗干扰控制装置，其特征在于，包括控制子装置和观测子装置，其中，控制子装置包括：运行工况参数获取模块，用于获取电子节气门系统的运行工况参数；系统数学模型，用于通过分析电子节气门的工作原理，建立其数学模型以刻画电子节气门系统的系统特性；系统控制模型，用于在系统数学模型的基础上，运用数学手段将其处理为利于后续控制器模型设计的控制模型；控制器模型，用于在系统控制模型的基础上，结合运行工况参数获取模块所获得的系统期望输出进行控制器模型设计，其中，控制器模型中包含观测值；控制量计算模块，用于根据运行工况参数获取模块所获得的运行工况参数、系统期望输出和所设计的控制器模型，确定作用于电子节气门系统的实际控制量；驱动信号计算模块，用于根据控制量计算模块所得到的控制量计算得到直流电机的驱动电压量；观测子装置包括：运行工况参数获取模块，用于获取电子节气门系统的运行工况参数；观测器模型，用于在控制子装置中的系统控制模型的基础上，设计行之有效的观测器模型从而获得系统状态和集总扰动的观测值，其中，观测器模型中包含控制量；系统状态和干扰观测值计算模块，用于根据运行工况参数获取模块所获得的运行工况参数和所设计的观测器模型，计算得到干扰观测器所输出的观测值；交互模块，用于进行控制子装置与观测子装置之间的信息传递。2.根据权利要求1所述的针对电子节气门系统的非线性抗干扰控制装置，其特征在于，所述运行工况参数包括：电子节气门阀门开度的期望值、电子节气门惯量的标称值、电子节气门的粘滞阻尼系数、复位弹簧转矩以及摩擦转矩。3.根据权利要求1所述的针对电子节气门系统的非线性抗干扰控制装置，其特征在于，所述系统数学模型包括以下参数：直流电机的转轴角度及角速度、电子节气门阀门开度及角速度、电枢电路的总阻抗、电枢电流及电感、减速齿轮的输入及输出转矩、由进气气流引起的干扰力矩、复位弹簧转矩、负载转矩以及摩擦力矩。4.根据权利要求3所述的针对电子节气门系统的非线性抗干扰控制装置，其特征在于，数学建模过程中分析了直流电机和电子节气门的电路和机械方程，并通过坐标变换，将数学模型转换为便于后续设计的积分链式系统控制模型。5.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：李世华，戴忱，杨俊，孙昊，王翔宇，李奇，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32