基于龍伯格滑模觀測器的電子節(jié)氣門自適應反步控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于龍伯格滑模觀測器的電子節(jié)氣門自適應反步控制方法，涉及汽車電子控制【技術領域】。首先，針對電子節(jié)氣門開度變化不可測量問題，該方法基于電子節(jié)氣門狀態(tài)方程，采用龍伯格滑模觀測器對其進行估計；然后，利用RBF神經網絡的逼近特性，對非線性未知量——齒輪間隙扭矩進行逼近；最后，在李雅普諾夫穩(wěn)定性理論的基礎上，結合非線性反步控制方法，分別設計了控制律、RBF網絡權值更新律及擾動自適應律。本發(fā)明能夠較好地克服電子節(jié)氣門控制中存在的非線性因素以及一些參數容易時變的難題，進一步提高了控制效果和動態(tài)響應性能。
【專利說明】基于龍伯格滑模觀測器的電子節(jié)氣門自適應反步控制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及汽車電子控制領域，具體是一種汽車發(fā)動機電子節(jié)氣門控制(ETC)方法，該方法是基于龍伯格滑模觀測器的自適應反步控制方法。
【背景技術】
[0002]隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展以及人們對汽車性能要求的不斷提高，相比于傳統(tǒng)機械連接的節(jié)氣門，電子節(jié)氣門得到了廣泛的使用，其控制結構如附圖1所示。傳統(tǒng)的節(jié)氣門是通過駕駛員操作與節(jié)氣門閥片機械連接的加速踏板來控制節(jié)氣門開度，節(jié)氣門的開度完全取決于駕駛員的操作意圖，容易造成排放不達標，并且駕駛員的誤操作會給駕駛帶來安全隱患。電子節(jié)氣門則是發(fā)動機電子控制單元(ECU)通過驅動信號控制伺服電機來控制節(jié)氣門開度，可以精確的控制進入發(fā)動機氣缸的空氣流量，從而對發(fā)動機空燃比進行精確控制。這樣，電子節(jié)氣門能夠根據駕駛員的需求愿望以及整車各種行駛狀況確定節(jié)氣門的最佳開度，保證車輛最佳的動力性和燃油經濟性，并具有牽引力控制、巡航控制，提高安全性和乘坐舒適性等優(yōu)點。
[0003]電子節(jié)氣門主要由直流電機、減速齒輪、節(jié)氣門位置傳感器、復位彈簧等組成，其結構如附圖2所示。電子節(jié)氣門的基本結構和基本控制原理還可參考申請?zhí)枮?00710163863.0, 201110250720.X和200910044150.1等的專利公開文本。電子節(jié)氣門是復雜的機電耦合系統(tǒng)，節(jié)氣門在轉動過程中，受到復位彈簧扭矩、阻尼力矩、粘性摩擦扭矩、電機驅動力矩、齒輪間隙扭矩及擾動的作用，并存在非線性不確定因素(齒輪間隙扭矩)和擾動的影響。此外，電子節(jié)氣門的長時間使用會使節(jié)氣門閥片產生油污積碳、電機老化、齒輪傳遞機械特性變差及節(jié)氣門參數變化等問題，致使電子節(jié)氣門難以控制。雖然傳統(tǒng)PID控制策略能夠對電子節(jié)氣門進行控制，但在節(jié)氣門閥片產生油污積碳、電機老化及齒輪長時間磨損后，原有的控制器控制參數已不能滿足當前控制需求，導致汽車在啟動和行駛中經常出現熄火現象，如福特?？怂蛊囋诘∷賳与A段經常熄火，就是因為控制器不能對控制量進行自適應補償，使原有控制器控制量不能滿足現有情況下的扭矩需求。此外，應該指出的是，傳統(tǒng)的PID控制不僅控制參數難以調整而且難以實現自適應控制，導致傳統(tǒng)的PID控制的動態(tài)響應性能較差，并且由于節(jié)氣門粘性摩擦、滑動摩擦，以及復位彈簧非線性因素的存在，使得電子節(jié)氣門的精確控制變得異常困難，因此電子節(jié)氣門控制算法的研究引起了學界的廣泛關注。
[0004]近年來，國內外許多學者已對電子節(jié)氣門控制算法做了相關研究，并取得了一定的成果，遺憾的是，諸多控制策略對電子節(jié)氣門控制存在的問題考慮分析不全面，從而導致設計的控制器魯棒性差，控制效果難以嚴格的達到電子節(jié)氣門的控制要求。il.0zgiiner等通過滑?？刂扑惴ńY合滑模觀測器對電子節(jié)氣門進行控制，值得注意的是，該方法并未考慮到齒輪間隙扭矩并存在抖動[1，2]，為此，H.Martin等采用高階滑?？刂仆瓿闪穗娮庸?jié)氣門控制器的設計，扭曲算法和超扭曲算法的使用消除了變結構產生的抖動[3]。M.VaSak等采用模型預估優(yōu)化控制，但由于采樣時間短導致其不能使用混合整數規(guī)劃求解器在線計算優(yōu)化控制輸入[4]。以此為切入點，M.BaotM等通過在離線動態(tài)規(guī)劃過程中對狀態(tài)反饋控制律進行預計算解決了這一問題[5]應該指出的是，在參數變動和擾動存在時，優(yōu)化控制技術不能確?？刂破鞯聂敯粜?。P.Danijel等采用基于非線性補償器的自校正PID控制算法，雖然實現了自適應，并且能夠對非線性的系統(tǒng)摩擦和Limp-home影響因素進行補償，但是對于帶有補償器的PID控制器，如何選擇補償器的參數來確保穩(wěn)定性是不確定的，同時自校正的PID控制需要辨識對象參數[6，7]。M.Bari0等采用基于神經網絡的滑模控制，使控制系統(tǒng)不僅具有自適應性還具有良好的魯棒性，但滑?？刂圃谳^小的采樣時間內需要非常高的計算量[8]。王耀南等采用神經網絡對電子節(jié)氣門進行控制，通過網絡的自學習能力實現了系統(tǒng)的自適應性，不足之處在于神經網絡控制器學習容量大，導致難以在微控制器中被運行[9，10]。
[0005]電子節(jié)氣門控制的本質是將節(jié)氣門實際開度控制在期望開度附近，同時也需要保證其實時性和快速性，而精確的電子節(jié)氣門控制能夠改善汽車的燃油經濟性，排放性和操作性能。因此，針對電子節(jié)氣門控制仍然存在的問題，需要采用一種性能優(yōu)良的控制方法對其進行控制，以獲得更好的控制效果。

【發(fā)明內容】

[0006]實際中，節(jié)氣門開度變化量一般是不可測的，并且非線性未知量(齒輪間隙扭矩)對控制器的設計也具有一定的影響。因此，針對節(jié)氣門開度變化量不可測以及存在非線性未知量(齒輪間隙扭矩)的問題，本發(fā)明提出一種基于龍伯格滑模觀測器的電子節(jié)氣門自適應反步控制方法，該控制方法具有精度高，動態(tài)性能好，自適應程度高的特點。
[0007]本發(fā)明采用的技術方案是，一種基于龍伯格滑模觀測器的電子節(jié)氣門自適應反步控制方法，針對電子節(jié)氣門的控制要求，在電子節(jié)氣門非線性模型的基礎上，首先采用龍伯格滑模觀測器，根據節(jié)氣門的實際開度Θ和默認開度Qtl對節(jié)氣門開度的變化量進行估計，得到節(jié)氣門開度變化量的估計值X毛；其次采用RBF神經網絡對齒輪間隙扭矩Tg進行估計；最后結合李雅普諾夫穩(wěn)定性理論獲得自適應反步控制律，輸出控制輸入電壓u控制電子節(jié)氣門的直流電機對電子節(jié)氣門的開度進行控制。
[0008]本發(fā)明中的節(jié)氣門的實際開度θ和默認開度Qtl的獲取可以參考申請?zhí)?00710163863.0和201110250720.X中的獲取方法，但是不限于其中列舉的現有方法。
[0009]所述龍伯格滑模觀測器的表達式為:
【權利要求】
1.基于龍伯格滑模觀測器的電子節(jié)氣門自適應反步控制方法，其特征在于:首先采用龍伯格滑模觀測器，根據節(jié)氣門的實際開度Θ和默認開度Qtl對節(jié)氣門開度的變化量進行估計，得到節(jié)氣門開度變化量的估計值毛；其次采用RBF神經網絡對齒輪間隙扭矩Tg進行估計；最后結合李雅普諾夫穩(wěn)定性理論獲得自適應反步控制律，輸出控制輸入電壓u控制電子節(jié)氣門的直流電機對電子節(jié)氣門的開度進行控制； 所述龍伯格滑模觀測器的表達式為:
2.根據權利要求1所述基于龍伯格滑模觀測器的電子節(jié)氣門自適應反步控制方法，其特征在于:在所述獲得自適應反步控制律時，用節(jié)氣門開度變化量的估計值毛代替節(jié)氣門開度的變 化量
【文檔編號】F02D11/10GK104018944SQ201410165505
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年4月23日 優(yōu)先權日:2014年4月23日
【發(fā)明者】鄭太雄, 楊斌, 李銀國, 王波 申請人:重慶郵電大學