【導讀】1資料的查閱、收集、整理，并撰寫文獻綜述、開題報告、外文資料翻譯12月5日—1月20日確定基本設計方案。并改進電子節(jié)氣門，來產(chǎn)生最佳的操作以及穩(wěn)定性，減少冷車時廢氣排放量。對電子節(jié)氣門的研究取得了非常迅速的發(fā)展。測與失效保護等。國外多家公司已對電子節(jié)氣門系統(tǒng)作了深入的研發(fā)，并口趨成熟。各種品牌的中高檔轎車。用一個單獨的微處理器監(jiān)測ETC主要輸入信號及主ECU是否正常工作。第二代電子節(jié)氣門集成。也配備了電子節(jié)氣門系統(tǒng)，但目前對ETC還沒有系統(tǒng)深入的研究，也沒有成熟的產(chǎn)品。式，并剖析電子節(jié)氣門的優(yōu)缺點進一步的完善電子節(jié)氣門。3）查閱資料，掌握電子節(jié)氣門的機理和在實際使用過程中的利與弊；2020年12月初，進行論文的準備工作，在老師的指導下加深對論文所設計課題內(nèi)容的了解。向指導老師匯報論文進展情況，將開題報告、文獻綜述交給指導老師審閱。經(jīng)審閱合格后著手畢業(yè)論文的初稿撰寫。

　　

【正文】 2 電壓則相反， 從 到中國地質(zhì)大學長城學院 2020 屆畢業(yè)論文 7 伏變化，但任何時候，兩者之和總等于傳感器加載電壓 5 伏，這就便于兩傳感器信號之間的相互監(jiān)測。 彈簧扭矩分析 彈簧作用示意見圖 24 所示，節(jié)氣門轉動分別受到兩個扭矩彈簧單獨作用。 節(jié)氣門進行逆針旋轉，當轉角θ大于平衡位置所在轉角 90 度時，節(jié)氣門軸受到彈簧 K 的作用， K使節(jié)氣門回復向平衡位置，而在轉角回復到θ =θ o 時節(jié)氣門軸上一活塊被平衡位置擋塊擋住，此時節(jié)氣門軸受到的扭矩為 K = K1θ o。在θ θ 0 時，節(jié)氣門受到扭矩即為： ? ? 01011 ??? KKT ??? 公式 (27) 同理，當轉角小于θ時，節(jié)氣門軸受到彈簧 K2 的作用而使節(jié)氣門回復向平衡位置，在回復到θ =θ o 時亦被平衡擋塊擋住，此時節(jié)氣門軸受到的扭矩為 K=K2θ o。在θ θ o 時，節(jié)氣門受到的扭矩為 : ? ? 02122 ??? KKT ??? 公式 (28) 令 Ks=K1=K2，則總的彈簧扭矩可以為： ? ? ? ?00 sin???? ???? KKT S 公式 (29) 彈簧扭矩用曲 線表示，如圖 27 在越過平衡位置時，彈簧扭矩具有突變性，如圖所示。 圖 27 節(jié)氣門彈簧扭矩 摩擦力分析 1866 年， Reynolds 在靜摩擦、庫侖摩擦模型的基礎上引入粘滯摩擦的概念，從而形成了廣泛使用的“靜摩擦 +Coulomb 摩擦 +粘滯摩擦”的模型。如圖 29 所示。 圖 28 靜摩擦和庫倫摩擦 圖 29 靜摩擦、庫倫摩擦和粘滯摩擦 中國地質(zhì)大學長城學院 2020 屆畢業(yè)論文 8 盡管本系統(tǒng)中受到的摩擦力也十分復雜，為混合摩擦，根據(jù)其對系統(tǒng)的影響，對 Stribeck 摩擦及摩擦力的時間依賴性不用作深入探討，在此加以 忽略。 采用經(jīng)典的“靜摩擦 +庫侖摩擦 +粘滯摩擦”模型，可得 : ? ?0,0,sin0,sin?????????wFFFFwFFFFFwwKwKFseeKxeeSKfdK 公式 (210) 齒輪傳動及齒隙影響 節(jié)氣門體中的動力傳動采用閉式齒輪傳動，齒輪和軸承完全封閉在箱體內(nèi)，能保證良好的潤滑和較好的嚙合精度。它的的主要優(yōu)點有 :體積小，傳動效率高，工作可靠，壽命長，傳動比準確，結構緊湊。所用的齒輪為塑料齒輪，具有重量輕，摩擦小等特點。 其中驅動電機轉速為 40005000 轉 /秒，傳動的減速比為 20:1。 進氣 氣流的影響 空氣流經(jīng)節(jié)氣門時，由于其結構的不對稱，使得節(jié)氣門葉片兩邊的壓力分布不同，從而產(chǎn)生不平衡力矩，其大小與節(jié)氣門形狀、開啟角度及壓差有關。 空氣阻力矩主要是節(jié)氣門轉角、內(nèi)外壓強比的函數(shù)。節(jié)氣門開度越大，壓差越大，則產(chǎn)生的阻力矩也越大，可表示為 : ????PTp ?? 公式 (211) 其中，△ P 為節(jié)氣門內(nèi)外壓力差。Ф (θ )為與節(jié)氣門角度、節(jié)氣門形狀、當?shù)乩字Z數(shù)等有關的函數(shù)?？刹捎煤瘮?shù)擬合方法得到。由于本論文中進行的是硬件仿 真試驗，節(jié)氣門并沒有受到發(fā)動機進氣氣流的沖擊，所以在設計中和試驗中都忽略了其影響。 電機電路方程 圖 210 直流電機示意圖 節(jié)氣門驅動電機為永磁直流電機，其等效電路見圖 210，據(jù)基爾霍夫定律，建立方程 : 0????? ?’wKdtdiLiRiR tra 公式 (212) 中國地質(zhì)大學長城學院 2020 屆畢業(yè)論文 9 其中wKwKKw ’’ ?? g2g1 模型建立 分析研究可知：節(jié)氣門軸上的總慣量為 J，總阻尼為 B，則 : ? ?? ?tpsgggm JJKKJKJJ sec221in t1 ???? 公式 (213) ? ? psgggm BKKBKBB 221in t21 ??? 公式 (214) 其中有 : ImsgtsgNNKNNKint1secint1?? 據(jù)牛頓第二運動定律，在節(jié)氣門軸上建立方程為 : ? ? ? ?00 si n???? ?????? KKiKwJ st ?? ????? PKwK fd ???? sin 公式 (215) 因此系統(tǒng)總的數(shù)學模型為 ? ? ? ? ? ? ? ?? ?? ?39。1si nsi n1 00wKiRiRLiPwKwKKKiKJwwtrafdst????????????????????????? 公式 (216) 系統(tǒng)參數(shù) 系統(tǒng)數(shù)學模型中的參數(shù)值和變量值的獲得，一些可以測量，一些則需要試驗和辨識計算。系統(tǒng)中的一些重要參數(shù)，如節(jié)氣門直徑，節(jié)氣門平衡位置角度，電源電壓，電機電阻和電感等，其靜態(tài)值可以直接測量，測量值如下 : 表 21 靜態(tài)值測量數(shù)據(jù) 參數(shù) 測量值 節(jié)氣門直徑 60mm 平衡位置角度 14176。 電源電壓 14v 電源內(nèi)阻 電機內(nèi)阻 電機電感 傳感器電壓 5V 傳動比 20 對于其他的一些動態(tài)參數(shù)，如節(jié)氣門轉角，直流電機電流可以通過傳感器測得，而像粘性 摩擦系數(shù)，中國地質(zhì)大學長城學院 2020 屆畢業(yè)論文 10 節(jié)氣門角速度等則可以通過 PID 控制試驗，并據(jù)己知的參數(shù)大致計算出來。 根據(jù)式 216，并忽略電感的影響，即令 L=0，則有 : 39。0 wKiRiR tra ????? 公式（ 217） 其中： ratRR wKui ?? 39。 公式（ 218） 故得：wKw g? 由式 221，忽略進氣流動的影響，有 : ? ? ? ? ??? ?JwKwKKKiKw fdst /si nsi n00 ???????? ???? 公式（ 219） 故：? ? ? ?00 sinsin ?? ????? fd KwKw 上式中運動系統(tǒng)總的轉動慣量 J 包括節(jié)氣門，齒輪傳動部分，和電機的轉動慣量 。它與這些部分的密度，幾何形狀及傳動比有關 。電機常數(shù) Kt 可通過策略電機的電流與其產(chǎn)生的扭矩之間的關系來確定，也可以通過測量電機的感受電動勢來確定。 Ks, K即彈簧扭矩系統(tǒng)通過節(jié)氣門轉角與其產(chǎn)生的扭矩即可確定。庫侖摩擦系數(shù) Kf 和粘滯摩擦系數(shù) Kd。的比較難于獲得。我們可以 根據(jù)已經(jīng)得到的參數(shù)，在節(jié)氣門運動的線性區(qū)域，進行相同速度的恒速逆時針和正時針運動試驗，根據(jù)庫侖摩擦力大小只與速度方向有關的特性，可以計算出庫侖摩擦系數(shù) Kd。進而可以計算出粘滯摩擦系數(shù) Kd。 結合資料可知有以下數(shù)據(jù)： 表 22 系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)表 系統(tǒng)參數(shù) 計算值 轉動慣量 J 2m? 彈簧系數(shù) *m/rad 彈簧扭矩補償系數(shù) *m 庫倫抹茶系數(shù) *m 粘性抹茶系數(shù) *m*s/rad 電極常 數(shù) *m/A 中國地質(zhì)大學長城學院 2020 屆畢業(yè)論文 11 3 ETC 系統(tǒng)控制策略的研究與實現(xiàn) 數(shù)字 PID 控制算法介紹 PID 控制系統(tǒng)原理如圖 31 所示 圖 31 PID 控制系統(tǒng)原理框圖 在采樣時刻 t=iT，可得數(shù)字 PID 控制算法如下 : ? ? 0111ueeTTdeTTeKu iiioj jii ??????? ??? ??? 公式（ 31） 數(shù)字 PID 控制算法按數(shù)值逼近原理近似計算，只要采樣周期 T 足夠小，就可以計算得相當精確，使被控過程與連續(xù)過程十分地接近。上式中參數(shù) U。為執(zhí)行機構的位置，因此又稱為位置式 PID 控制算法。 數(shù)字 PID 控制參數(shù)的確定 在 PID 控制器設計中，三個基本參數(shù)的確定非常關鍵，這三個參數(shù)的作用是 : (1)比例控制 :是按比例反映系統(tǒng)實際值與目標值的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用以減少偏差 。 (2)積分調(diào)節(jié) :是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無誤差度 。 (3)微分調(diào)節(jié) :微分調(diào)節(jié)具有預見性，能預見其趨勢，因此能在偏差還沒有形成之前，將其消除。 在系統(tǒng)設計中， PID 的控制對象是節(jié)氣門閥的開度。系統(tǒng)周期地采集油門踏板角位移傳感器信號和節(jié)氣門角位移信號，二者之間存在一個偏差 e(t)，系統(tǒng)根據(jù)偏差 e(t)，通過 PID 控制算法調(diào)節(jié)占空比驅動直流電機，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的精確程制。 PID的三個基本參數(shù) Kp, Ti, Td在工程上一般通過湊試法或通過實驗及經(jīng)驗公式來確定。為了減小單片機運算量提高運算速度，通常放大 2n整數(shù)倍的方法確定這些參數(shù)，在運算中再除以 2n的整數(shù)倍。 (1)首先只加入比例部分。將比例系數(shù) Kp由小變大，并觀察相應的系統(tǒng)響應，直至系統(tǒng)性能指標滿足要求為止。 (2)若靜差不能滿足要求，需要加入積分環(huán)節(jié)。首先取較大的 Ti值，略降低 Kp(如為原值的 倍 )。然后反復調(diào)整 Ti 和助，逐步減小 Ti。直至系統(tǒng)有 良好的動態(tài)性能，且靜差得到消除為止。 中國地質(zhì)大學長城學院 2020 屆畢業(yè)論文 12 (3)若經(jīng)反復調(diào)整，系統(tǒng)動態(tài)過程仍不滿意，可加入微分環(huán)節(jié)。首先置 Td 為 0 逐步增大 Td，同時也反復改變 Kp 和 Ti三個參數(shù)反復調(diào)整，最后得到一組滿意的參數(shù)。 數(shù)字 PID 控制器設計 為便于計算機控制的實現(xiàn)，將模擬 PID 算式離散化。 取 T 為采樣周期，設 k為采樣序號， k=0, 1, 2,...j...k，用一階差分代替微分，累加代替積分，將模擬 PID 調(diào)節(jié)器的輸出算式離散化為差分方程。因采樣周期 T 相對于信號變化周期是很小的，可令 :u(t)≈ u(k) , e(t)≈ e(k) , 固有 ：?? ? ?jeTdtte kjt ?? ?? 00 ， ?? ??? ?? ?Tkekedttde 1/ ???， 于是，有： ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ?????????????????? ??TkekeTTjeTkeKku DIkojp1 公式（ 32） 即 ： ?? ?? ?? ?? ? ?? ?10 ????? ?? kekeKjeKkeKku DkjIp 公式（ 33） 采用應用廣泛的增量 PID算式，將公式（ 33）轉化可得： ? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ?211110 ???????? ??? kekeKjeKkeKku DkjIp 公式（ 34） 將公式 33和公式 34相減并整理可得增量形式： ?? ??? ?1???? kukuku ??????? ?????????? ?2121 ?????????? kekekeKkeKkekeKku DIP 公式（ 35） 變形形式可為： ??? ? ? ?211 2 ??? ??????? kkkDkfkkp eeeKeKeeKku 公式（ 36） 或寫成： ??????????211 210 ??????? keakeakeakuku 公式（ 37） 其中：?????? ??? TTTTKa DIP 10 ?????? ?? TTKa DP 211 中國地質(zhì)大學長城學院 2020 屆畢業(yè)論文 13 TTKa DP?2， 設預期節(jié)氣門位置角度為 d?，實際節(jié)氣門位置角度為θ，則有偏差信號： ?? ?? ??kkke d ?? ??， 于是可得控制信號 ： u， ??? ? ????? ?kkakuku d ?????? 01 ?? ??? ? ????? ?2211 21 ????????? kkeakkeaku dd ???? 公式（ 38） 模糊 PID 控制算法仿真與實現(xiàn)方法研究 PID 控制與模糊控制的比 較 由于電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的電機驅動傳動機構和節(jié)氣門閥回位彈簧導致的系統(tǒng)非線性，使得 PID控制算法不能完全滿足電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的控制需求。由系統(tǒng)小開度到大開度階躍響應試驗可以看出， PID 控制所確定的參數(shù)在節(jié)氣門開度大時控制效果較好，在節(jié)氣門開度小時控制效果稍差。 模糊控制同 PID 控制算法相比，模糊控制在設計系統(tǒng)時不需要建立被控對象的數(shù)學模型，對被控對象特性參數(shù)的變化具有很強的適應性，適合對難以建立被控對象數(shù)學模型的復雜系統(tǒng)進行控制。 模糊 PID 控制仿真分析 傳統(tǒng) PID 控制和模糊 PID 控制效果進行 仿真對比。節(jié)氣門體直流電機數(shù)學模型選取具有兩個慣性