【導(dǎo)讀】1資料的查閱、收集、整理，并撰寫(xiě)文獻(xiàn)綜述、開(kāi)題報(bào)告、外文資料翻譯12月5日—1月20日確定基本設(shè)計(jì)方案。并改進(jìn)電子節(jié)氣門(mén)，來(lái)產(chǎn)生最佳的操作以及穩(wěn)定性，減少冷車(chē)時(shí)廢氣排放量。對(duì)電子節(jié)氣門(mén)的研究取得了非常迅速的發(fā)展。測(cè)與失效保護(hù)等。國(guó)外多家公司已對(duì)電子節(jié)氣門(mén)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(chē)。用一個(gè)單獨(dú)的微處理器監(jiān)測(cè)ETC主要輸入信號(hào)及主ECU是否正常工作。第二代電子節(jié)氣門(mén)集成。也配備了電子節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)，但目前對(duì)ETC還沒(méi)有系統(tǒng)深入的研究，也沒(méi)有成熟的產(chǎn)品。式，并剖析電子節(jié)氣門(mén)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)一步的完善電子節(jié)氣門(mén)。3）查閱資料，掌握電子節(jié)氣門(mén)的機(jī)理和在實(shí)際使用過(guò)程中的利與弊；2020年12月初，進(jìn)行論文的準(zhǔn)備工作，在老師的指導(dǎo)下加深對(duì)論文所設(shè)計(jì)課題內(nèi)容的了解。向指導(dǎo)老師匯報(bào)論文進(jìn)展情況，將開(kāi)題報(bào)告、文獻(xiàn)綜述交給指導(dǎo)老師審閱。經(jīng)審閱合格后著手畢業(yè)論文的初稿撰寫(xiě)。

　　

【正文】 2 電壓則相反， 從 到中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)論文 7 伏變化，但任何時(shí)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(hào)之間的相互監(jiān)測(cè)。 彈簧扭矩分析 彈簧作用示意見(jiàn)圖 24 所示，節(jié)氣門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)分別受到兩個(gè)扭矩彈簧單獨(dú)作用。 節(jié)氣門(mén)進(jìn)行逆針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)角θ大于平衡位置所在轉(zhuǎn)角 90 度時(shí)，節(jié)氣門(mén)軸受到彈簧 K 的作用， K使節(jié)氣門(mén)回復(fù)向平衡位置，而在轉(zhuǎn)角回復(fù)到θ =θ o 時(shí)節(jié)氣門(mén)軸上一活塊被平衡位置擋塊擋住，此時(shí)節(jié)氣門(mén)軸受到的扭矩為 K = K1θ o。在θ θ 0 時(shí)，節(jié)氣門(mén)受到扭矩即為： ? ? 01011 ??? KKT ??? 公式 (27) 同理，當(dāng)轉(zhuǎn)角小于θ時(shí)，節(jié)氣門(mén)軸受到彈簧 K2 的作用而使節(jié)氣門(mén)回復(fù)向平衡位置，在回復(fù)到θ =θ o 時(shí)亦被平衡擋塊擋住，此時(shí)節(jié)氣門(mén)軸受到的扭矩為 K=K2θ o。在θ θ o 時(shí)，節(jié)氣門(mén)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(guò)平衡位置時(shí)，彈簧扭矩具有突變性，如圖所示。 圖 27 節(jié)氣門(mén)彈簧扭矩 摩擦力分析 1866 年， Reynolds 在靜摩擦、庫(kù)侖摩擦模型的基礎(chǔ)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(kù)倫摩擦 圖 29 靜摩擦、庫(kù)倫摩擦和粘滯摩擦 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)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(fù)雜，為混合摩擦，根據(jù)其對(duì)系統(tǒng)的影響，對(duì) Stribeck 摩擦及摩擦力的時(shí)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(kù)侖摩擦 +粘滯摩擦”模型，可得 : ? ?0,0,sin0,sin?????????wFFFFwFFFFFwwKwKFseeKxeeSKfdK 公式 (210) 齒輪傳動(dòng)及齒隙影響 節(jié)氣門(mén)體中的動(dòng)力傳動(dòng)采用閉式齒輪傳動(dòng)，齒輪和軸承完全封閉在箱體內(nèi)，能保證良好的潤(rùn)滑和較好的嚙合精度。它的的主要優(yōu)點(diǎn)有 :體積小，傳動(dòng)效率高，工作可靠，壽命長(zhǎng)，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)緊湊。所用的齒輪為塑料齒輪，具有重量輕，摩擦小等特點(diǎn)。 其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為 40005000 轉(zhuǎn) /秒，傳動(dòng)的減速比為 20:1。 進(jìn)氣 氣流的影響 空氣流經(jīng)節(jié)氣門(mén)時(shí)，由于其結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱，使得節(jié)氣門(mén)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(mén)形狀、開(kāi)啟角度及壓差有關(guān)。 空氣阻力矩主要是節(jié)氣門(mén)轉(zhuǎn)角、內(nèi)外壓強(qiáng)比的函數(shù)。節(jié)氣門(mén)開(kāi)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(mén)內(nèi)外壓力差。Ф (θ )為與節(jié)氣門(mén)角度、節(jié)氣門(mén)形狀、當(dāng)?shù)乩字Z數(shù)等有關(guān)的函數(shù)。可采用函數(shù)擬合方法得到。由于本論文中進(jìn)行的是硬件仿 真試驗(yàn)，節(jié)氣門(mén)并沒(méi)有受到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣氣流的沖擊，所以在設(shè)計(jì)中和試驗(yàn)中都忽略了其影響。 電機(jī)電路方程 圖 210 直流電機(jī)示意圖 節(jié)氣門(mén)驅(qū)動(dòng)電機(jī)為永磁直流電機(jī)，其等效電路見(jiàn)圖 210，據(jù)基爾霍夫定律，建立方程 : 0????? ?’wKdtdiLiRiR tra 公式 (212) 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)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(mén)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(yùn)動(dòng)定律，在節(jié)氣門(mén)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(xué)模型為 ? ? ? ? ? ? ? ?? ?? ?39。1si nsi n1 00wKiRiRLiPwKwKKKiKJwwtrafdst????????????????????????? 公式 (216) 系統(tǒng)參數(shù) 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)值和變量值的獲得，一些可以測(cè)量，一些則需要試驗(yàn)和辨識(shí)計(jì)算。系統(tǒng)中的一些重要參數(shù)，如節(jié)氣門(mén)直徑，節(jié)氣門(mén)平衡位置角度，電源電壓，電機(jī)電阻和電感等，其靜態(tài)值可以直接測(cè)量，測(cè)量值如下 : 表 21 靜態(tài)值測(cè)量數(shù)據(jù) 參數(shù) 測(cè)量值 節(jié)氣門(mén)直徑 60mm 平衡位置角度 14176。 電源電壓 14v 電源內(nèi)阻 電機(jī)內(nèi)阻 電機(jī)電感 傳感器電壓 5V 傳動(dòng)比 20 對(duì)于其他的一些動(dòng)態(tài)參數(shù)，如節(jié)氣門(mén)轉(zhuǎn)角，直流電機(jī)電流可以通過(guò)傳感器測(cè)得，而像粘性 摩擦系數(shù)，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)論文 10 節(jié)氣門(mén)角速度等則可以通過(guò) PID 控制試驗(yàn)，并據(jù)己知的參數(shù)大致計(jì)算出來(lái)。 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(jìn)氣流動(dòng)的影響，有 : ? ? ? ? ??? ?JwKwKKKiKw fdst /si nsi n00 ???????? ???? 公式（ 219） 故：? ? ? ?00 sinsin ?? ????? fd KwKw 上式中運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J 包括節(jié)氣門(mén)，齒輪傳動(dòng)部分，和電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 。它與這些部分的密度，幾何形狀及傳動(dòng)比有關(guān) 。電機(jī)常數(shù) Kt 可通過(guò)策略電機(jī)的電流與其產(chǎn)生的扭矩之間的關(guān)系來(lái)確定，也可以通過(guò)測(cè)量電機(jī)的感受電動(dòng)勢(shì)來(lái)確定。 Ks, K即彈簧扭矩系統(tǒng)通過(guò)節(jié)氣門(mén)轉(zhuǎn)角與其產(chǎn)生的扭矩即可確定。庫(kù)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(mén)運(yùn)動(dòng)的線性區(qū)域，進(jìn)行相同速度的恒速逆時(shí)針和正時(shí)針運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)，根據(jù)庫(kù)侖摩擦力大小只與速度方向有關(guān)的特性，可以計(jì)算出庫(kù)侖摩擦系數(shù) Kd。進(jìn)而可以計(jì)算出粘滯摩擦系數(shù) Kd。 結(jié)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(jì)算值 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J 2m? 彈簧系數(shù) *m/rad 彈簧扭矩補(bǔ)償系數(shù) *m 庫(kù)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(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)論文 11 3 ETC 系統(tǒng)控制策略的研究與實(shí)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(shí)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(jì)算，只要采樣周期 T 足夠小，就可以計(jì)算得相當(dāng)精確，使被控過(guò)程與連續(xù)過(guò)程十分地接近。上式中參數(shù) U。為執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(shè)計(jì)中，三個(gè)基本參數(shù)的確定非常關(guān)鍵，這三個(gè)參數(shù)的作用是 : (1)比例控制 :是按比例反映系統(tǒng)實(shí)際值與目標(biāo)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(wú)誤差度 。 (3)微分調(diào)節(jié) :微分調(diào)節(jié)具有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)其趨勢(shì)，因此能在偏差還沒(méi)有形成之前，將其消除。 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中， PID 的控制對(duì)象是節(jié)氣門(mén)閥的開(kāi)度。系統(tǒng)周期地采集油門(mén)踏板角位移傳感器信號(hào)和節(jié)氣門(mén)角位移信號(hào)，二者之間存在一個(gè)偏差 e(t)，系統(tǒng)根據(jù)偏差 e(t)，通過(guò) PID 控制算法調(diào)節(jié)占空比驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精確程制。 PID的三個(gè)基本參數(shù) Kp, Ti, Td在工程上一般通過(guò)湊試法或通過(guò)實(shí)驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定。為了減小單片機(jī)運(yùn)算量提高運(yùn)算速度，通常放大 2n整數(shù)倍的方法確定這些參數(shù)，在運(yùn)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(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至系統(tǒng)性能指標(biāo)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(fù)調(diào)整 Ti 和助，逐步減小 Ti。直至系統(tǒng)有 良好的動(dòng)態(tài)性能，且靜差得到消除為止。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)論文 12 (3)若經(jīng)反復(fù)調(diào)整，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)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(shí)也反復(fù)改變 Kp 和 Ti三個(gè)參數(shù)反復(fù)調(diào)整，最后得到一組滿意的參數(shù)。 數(shù)字 PID 控制器設(shè)計(jì) 為便于計(jì)算機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)，將模擬 PID 算式離散化。 取 T 為采樣周期，設(shè) k為采樣序號(hào)， 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(duì)于信號(hào)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(yīng)用廣泛的增量 PID算式，將公式（ 33）轉(zhuǎn)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?qū)懗桑? ??????????211 210 ??????? keakeakeakuku 公式（ 37） 其中：?????? ??? TTTTKa DIP 10 ?????? ?? TTKa DP 211 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)論文 13 TTKa DP?2， 設(shè)預(yù)期節(jié)氣門(mén)位置角度為 d?，實(shí)際節(jié)氣門(mén)位置角度為θ，則有偏差信號(hào)： ?? ?? ??kkke d ?? ??， 于是可得控制信號(hào) ： u， ??? ? ????? ?kkakuku d ?????? 01 ?? ??? ? ????? ?2211 21 ????????? kkeakkeaku dd ???? 公式（ 38） 模糊 PID 控制算法仿真與實(shí)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(mén)控制系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和節(jié)氣門(mén)閥回位彈簧導(dǎo)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(mén)控制系統(tǒng)的控制需求。由系統(tǒng)小開(kāi)度到大開(kāi)度階躍響應(yīng)試驗(yàn)可以看出， PID 控制所確定的參數(shù)在節(jié)氣門(mén)開(kāi)度大時(shí)控制效果較好，在節(jié)氣門(mén)開(kāi)度小時(shí)控制效果稍差。 模糊控制同 PID 控制算法相比，模糊控制在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)不需要建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，對(duì)被控對(duì)象特性參數(shù)的變化具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，適合對(duì)難以建立被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行 仿真對(duì)比。節(jié)氣門(mén)體直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型選取具有兩個(gè)慣性