【正文】 模擬信號(hào)軟件濾波設(shè)計(jì):軟件濾波設(shè)計(jì)主要是在應(yīng)用程序中采用去極值求平均值的方法，即每次取N 個(gè) A/D 值，去除其中的最大值和最小值而取剩余的 N2 個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換值的平均值，為了計(jì)算方便及減少 A/D 轉(zhuǎn)換等待時(shí)間，一般。由于電容對(duì)高頻信號(hào)來說相當(dāng)于開路，當(dāng)系統(tǒng)存在高頻干擾信號(hào)時(shí)，高頻干擾信號(hào)通過電容電路連接到地，信號(hào)采集電路只允許低頻和連續(xù)電壓信號(hào)通過。本課題采用硬件濾波和軟件濾波相結(jié)合的方一法。為 R3 與 A/D 內(nèi)阻并聯(lián)電阻值，若 A/D 的輸入阻抗和 R3 接近，將給測(cè)量帶來較大誤差，故在分壓電阻與 A/D 之間加了一個(gè)由運(yùn)算放大器 LM324 組成的射極跟隨器，由于射極跟隨器的輸入阻抗近似無窮，對(duì) R3 影響不大，可有效解決問題。為消除非線性誤差的影響，在實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)使 RL 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于20R，經(jīng)測(cè)量位置傳感器總電阻為 R=650 歐姆，故分壓電路電阻選擇 200 千歐。設(shè)位置傳感器電阻總的長(zhǎng)度為 s，電阻為 R，任一時(shí)刻分壓電阻為 Rx，長(zhǎng)度為 x}負(fù)載電阻為 RL，則有 Rx=R x對(duì) s。油門踏板位置信號(hào)調(diào)理電路與節(jié)氣門位置信號(hào)調(diào)理電路原理相同，如圖 43 所示。兩路傳感器信號(hào)均為電壓信號(hào)，其范圍為 05V，而數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片 AD7705 輸入模擬電壓范圍為 0 V，故設(shè)計(jì)分壓電路對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行分壓。信號(hào)調(diào)理可以防止各種干擾信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)，是整個(gè)系統(tǒng)抗干擾的重點(diǎn)部分。圖 42 所示為系統(tǒng)采用電源穩(wěn)壓電路圖，主要由電源穩(wěn)壓芯片 7805 組成。其中 5V 電源由兩個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器件 7805 從 12V 直流電源直接轉(zhuǎn)化得到。其中由于傳感器電路精度比較高，節(jié)氣門位置傳感器和踏板位置傳感器輸入的模擬信號(hào)供電電壓必須非常穩(wěn)定，否則對(duì)踏板位置傳感器和節(jié)氣門位置傳感器信號(hào)會(huì)有很大的擾動(dòng)，本設(shè)計(jì)中給傳感器單獨(dú)供電，電控單元 5V 供電電源與傳感器 5V 供電電源分開。車速負(fù)載空調(diào)等工況計(jì)算機(jī)油門踏板位置傳感器車載 12V 電源 電源 DC/DC 轉(zhuǎn)換電路電機(jī)節(jié)氣門位置傳感器油門踏板信號(hào)處理器節(jié)氣門位置傳信號(hào)處理電路CAN 總線通信電路控制芯片P89C668RS232 LED 顯示故障診斷PWMH橋驅(qū)動(dòng)電路H橋電機(jī)控制電路圖 41 電子節(jié)氣門控制器總體結(jié)構(gòu) 硬件控制芯片選型控制芯片選型是 ETC 控制器開發(fā)中一個(gè)非常關(guān)鍵的部分，ETC 控制芯片不僅需要較快的處理速度，而且還要實(shí)現(xiàn)高精度的實(shí)時(shí)控制，故需要具有高速實(shí)時(shí)計(jì)算、高速實(shí)時(shí)輸入和輸出、高精度 A/D 轉(zhuǎn)換、多中斷響應(yīng)等特性。(3)輸出模塊:輸出模塊主要包括 H 橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、LED 顯示電路。綜合考慮電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的功能要求，ETC 控制器硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)主要內(nèi)容:(1)控制芯片模塊: 控制芯片模塊主要為單片機(jī)最小系統(tǒng)，包括單片機(jī)及其工作所必須的電源電路、復(fù)位和晶振電路。(3)性價(jià)比在保證 ETC 能達(dá)到各種功能性和工程性要求的前提下，盡量降低系統(tǒng)成本，使系統(tǒng)具有較高的性價(jià)比?？刂破鳒囟确秶统叽鐫M足車用要求。(2)工程性電子控制單元要具有高度的靈活性和可靠性，可以在苛刻的車輛運(yùn)行環(huán)境下工作。具有足夠的接口資源，可以處理從傳感器接收的各種信號(hào)，并能向執(zhí)行器輸出各種類型的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。最后介紹了直流電機(jī)的等效電路和 PWM 驅(qū)動(dòng)原理，為直流電機(jī)控制軟件開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。接著對(duì) PID 控制和模糊 PID 控制進(jìn)行了仿真對(duì)比和分析。在反向電動(dòng)勢(shì)的作用下，電流的線路從 A 到 B，但由于 V2 處于截止?fàn)顟B(tài)，使耗能制動(dòng)電流通路受到限制，所謂“受限”即由此而來。但是由于能夠避免開關(guān)管同臂直通，可大幅提高系統(tǒng)的可靠性，因此，適用于在大功率、大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、可靠性要求較高的直流電動(dòng)機(jī)控制。a 輸入電壓 b 輸出電流圖 35 電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)輸出電流波形圖在直流電動(dòng)機(jī)制動(dòng)情況下，PWM 控制信號(hào)的占空比減小，使電樞兩端的平均電壓小于反向電動(dòng)勢(shì)。在 t1 t2 區(qū)間，V1 截止，電流在自感電動(dòng)勢(shì)的作用下經(jīng) V4 和 D3 形成續(xù)流回路，沿圖 中虛線 2，直流電動(dòng)機(jī)繼續(xù)工作在電動(dòng)狀態(tài)。圖 34 受限單極性可逆 PWM 控制原理現(xiàn)以直流電機(jī)正轉(zhuǎn)為例，介紹受限單極性驅(qū)動(dòng) PWM 控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。 直流電機(jī)反轉(zhuǎn)情況下，開關(guān)管 V2 受 PWM 控制信號(hào)控制，向開關(guān)管 V3 施加高電平使其常開。直流電機(jī)正轉(zhuǎn)情況下，開關(guān)管 V1 受 PWM 控制信號(hào)控制，向開關(guān)管 V4 施加高電平，使其常開 。在節(jié)氣門閥關(guān)閉時(shí)分為兩種，一種為緩慢關(guān)閉，此時(shí)復(fù)位彈簧提供的回正力矩來實(shí)現(xiàn)，另一種為節(jié)氣門閥迅速關(guān)閉，此時(shí)電機(jī)提供力矩，其方向與復(fù)位彈簧提供力矩方向一致，本課題采用可逆 PWM 控制方法?？赡嫦到y(tǒng)是指電機(jī)可正反兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。 直流電機(jī) PWM 驅(qū)動(dòng)原理分析(1)直流電機(jī) PWM 驅(qū)動(dòng)方式選取直流電機(jī) PWM 控制系統(tǒng)分為不可逆和可逆系統(tǒng)。θ 為節(jié)氣門開度。N 為齒輪齒數(shù)比。Ra 為電樞電阻。圖 33 電機(jī)等效電路等效電路中電流與電壓的關(guān)系根據(jù)基爾霍夫定律可表示為: 公式(311)aeaa UdtNKiRdtLi ??//?其中，Ua 為直流電機(jī)端電壓。同時(shí)避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近產(chǎn)生振蕩，一般 KD 為:當(dāng)絕對(duì)值 e 較小時(shí) KD 取大些，當(dāng)絕對(duì)值 e 變大時(shí) KD 取小些。增加積分對(duì)控制作用， KI 取值要適當(dāng)。當(dāng)誤差絕對(duì)值 e 適中時(shí)，使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)，應(yīng)取稍小 KP。 經(jīng)過計(jì)算 PID 部分三個(gè)參數(shù)增量△kp, △ Ki, △Kd 的隸屬函數(shù)，我們可知△kp, △Ki, △Kd 隸屬函數(shù)賦值表如表 32 所示表 32 △kp, △Ki, △Kd 隸屬函數(shù)賦值表△kp, △Ki, △Kdu7 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7PB 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 PM 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0PS 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0ZO 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0NS 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0NM 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0△kp, △Ki, △KdNB 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0(3)控制規(guī)則的建立系統(tǒng)在不同誤差和誤差變化率時(shí)，PID 參數(shù)整定規(guī)律如下:當(dāng)誤差絕對(duì)值 e 較大時(shí)，為加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，應(yīng)取較大 KP。經(jīng)計(jì)算洗取誤莽 e、誤籌奪律率 ec 隸屬函數(shù)可知，誤差 e、誤差變化率 ec 隸屬函數(shù)賦值表如表 31 所示。 λ 大，隸屬函數(shù)的寬度小時(shí)，模糊集合分辨率越高，控制靈敏度也越高。(2)隸屬函數(shù)及隸屬函數(shù)賦值表的確定最常用的隸屬函數(shù)通常為三角形函數(shù)、梯形函數(shù)或正態(tài)分布函數(shù)，故隸屬函數(shù)采用正態(tài)分布，正態(tài)分布函數(shù)公式為: 公式（310）??????2/exp?????au正態(tài)分布函數(shù) μ(x)在參數(shù) a 確定的情況下，λ 的大小影響著隸屬函數(shù)曲線的形狀，同時(shí)對(duì)控制效果影響較大。(1)模糊 PID 控制器輸入輸出量的選取根據(jù)節(jié)氣門體總成的組成結(jié)構(gòu)可知，節(jié)氣門閥的開度和轉(zhuǎn)動(dòng)的速度反映了節(jié)氣門執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)的全部特征信息，因此選取節(jié)氣門開度的給定值(油門踏板角位移 )與實(shí)際轉(zhuǎn)角的測(cè)量值(節(jié)氣門角位移)的偏差 e 及其變化率 ec 作為模糊控制器的輸入變量，其輸出變量分別為 PID 控制器的三個(gè)參數(shù)的增量值△kp, △Ki, △Kd。圖 32 模糊 PID 控制系統(tǒng)框圖在模糊 PID 控制算法中，模糊推理部分根據(jù)誤差、誤差變化率模糊化后的模糊量 E, EC，由模糊控制規(guī)則推理得到 PID 三個(gè)控制參數(shù)的增量△Kp, △Ki, △ Kd，再根據(jù)逆模糊化的方法得到△Kp, △Ki, △Kd 的精確量，修改 PID 控制器的參數(shù)，進(jìn)而控制被控對(duì)象。在仿真的基礎(chǔ)上本課題對(duì)模糊 PID 實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了研究。 仿真參數(shù)和結(jié)果只能對(duì) PID 控制和模糊 PID 控制的比較作理論說明。建立 PID 控制器模型、模糊控制器模型和模糊 PID 控制器仿真模型。Td 為電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)。節(jié)氣門體直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型選取具有兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)的實(shí)用直流電機(jī)模型，電壓與轉(zhuǎn)速的傳遞函數(shù)為: 公式(39)??1/2??STCSWmde其中，Ce 為反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)。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。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： ， ，于是，有：????jedtekjt????00 ????kedt1/?? 公式（32）??????????????TkeTjkeKuDIkojp即： 公式（33）????????10???keKjekeDkjIp采用應(yīng)用廣泛的增量 PID 算式，將公式（33）轉(zhuǎn)化可得： 公式（34）??????????21110?????kejekeKkuDkjIp將公式 33 和公式 34 相減并整理可得增量形式：????1???kuk 公式（35）????????221?????? keeKekKuDIP變形形式可為： 公式（36）???211 ?? kkkfkp或?qū)懗桑? 公式（37）??210???eaeau其中： ????????TKaDIP10P21，TaD?2設(shè)預(yù)期節(jié)氣門位置角度為 ，實(shí)際節(jié)氣門位置角度為 θ，則有偏差信號(hào)：d?，于是可得控制信號(hào)： ，????kked????ku??aud???01 公式（38）????????212??keakekd?? 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)氣門控制系統(tǒng)的控制需求。 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。(3)若經(jīng)反復(fù)調(diào)整，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程仍不滿意，可加入微分環(huán)節(jié)。然后反復(fù)調(diào)整 Ti 和助，逐步減小 Ti。(2)若靜差不能滿足要求，需要加入積分環(huán)節(jié)。(1)首先只加入比例部分。PID 的三個(gè)基本參數(shù) Kp, Ti, Td 在工程上一般通過湊試法或通過實(shí)驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)公式來確定。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，PID 的控制對(duì)象是節(jié)氣門閥的開度。(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。為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置，因此又稱為位置式 PID 控制算法。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庫倫抹茶系數(shù) *m粘性抹茶系數(shù) *m*s/rad電極常數(shù) *m/A3 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: 公式（31）??011 ueTdeKuiiojii ????????????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，使被控過程與連續(xù)過程十分地接近。我們可以根據(jù)已經(jīng)得到的參數(shù)，在節(jié)氣門運(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)算出庫侖摩擦系數(shù) Kd。庫侖摩擦系數(shù) Kf 和粘滯摩擦系數(shù) Kd。 電機(jī)常數(shù) Kt 可通過策略電機(jī)的電流與其產(chǎn)生的扭矩之間的關(guān)系來確定，也可以通過測(cè)量電機(jī)的感受電動(dòng)勢(shì)來確定。故得： wKg?由式 221，忽略進(jìn)氣流動(dòng)的影響，有 : 公式（219）??????JwKKi fdst /sinsin00 ??? ??故： 0sn??fd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，齒輪傳動(dòng)部分，和電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。根據(jù)式 216，并忽略電感的影響，即令 L=0，則有: 公式（217）39。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(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)氣門直徑 60mm平衡位置角度 14176。 電機(jī)電路方程圖 210 直流電機(jī)示意圖節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)電機(jī)為永磁直流電機(jī)，其等效電路見圖 210，據(jù)基爾霍夫定律，建立方程: 公式(212)0????’wKdtiLRitra其中 wKw’?g21 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: 公式(213)??tpsggmJKec21int1??? 公式(214)sB2it2其中有: ImsgtsNKint1