基于自适应积分终端滑模技术的电子节气门控制方法与流程

本发明涉及一种电子节气门控制方法，尤其是一种基于自适应积分终端滑膜技术的电子节气门控制方法。

技术背景

滑模控制已被成功证明是具有非平滑、非线性，参数不确定性和干扰的线性和非线性系统的强大的控制工具。由于保持优异的性能和抗干扰能力的优点，基于滑模的控制系统已被成功的应用于电子节气门系统中，以提高闭环跟踪的鲁棒性。

在过去的几十年中，汽车电子节气门系统广泛应用于汽车发动机控制系统当中，因为它具有许多优于其机械对应物的优点。近年来，国内外许多文献表明电子节气门控制算法的研究己趋向成熟，然而，电子节气门系统存在的传动摩擦，非线性弹簧和齿轮间隙以及外部扰动的不确定性和非线性成为一项严峻的挑战，这对闭环跟踪和控制设计的灵活性产生了重大影响。

为了改进系统响应和鲁棒性，如题为"terminalslidingmodecontrolofmimolinearsystems，"z.manandx.yu,ieeetrans.circuitsandsyst.i:fundamentaltheoryandappl,vol.44,no.11,pp.1065-1070,1997.(“mimo线性系统的终端滑模控制”z.manandx.yu，《ieee学报-电路与系统》1997年第44卷第11期1065页-1070页)的文章中有限时间收敛可以为系统的响应和鲁棒性带来很好地改进，因此开发了具有非线性滑模面(ss)的终端滑模(tsm)技术来实现滑模的有限时间收敛。遗憾的是在tsm控制输入中引入了内部奇点问题。为了解决这个问题，通过修改终端滑动变量的状态来设计非奇异tsm(ntsm)控制器，并且仍然保持有限时间可达特性。

为了在不牺牲跟踪精度的情况下避免控制抖动，如题为"continuousfinite-timecontrolforroboticmanipulatorswithterminalslidingmode，"s.yu,x.yu,b.shirinzadeh,andz.man，automatica,vol.41,no.11,pp.1954-1964,2005.(“终端滑模机器人连续有限时间控制”s.yu,x.yu,b.shirinzadeh,andz.man，《自动化》2005年第41卷第11期1954页-1964页)的文章中提出来快速非奇异终端滑模控制(ntsm)，因此可以保证有限时间收敛和控制的平滑性。然而，上述的滑模控制系统在控制设计之前应该需要不确定约束信息，这在实际上很难获得。因此，为了放宽不确定性的约束条件，进一步研究了自适应sm控制、模糊sm和神经网络滑模控制等智能控制。

为了进一步确保闭环性能和系统的鲁棒性，如题为"hybridtheory-basedtime-optimalcontrolofanelectronicthrottle，″m.vasak，m.baotic，i.petrovic，andn.peric，ieeetrans.ind.electron，vol.54，no.3，pp.1483-1494，2007.(“基于混合理论的电子节气门时间最优控制”m.vasak，m.baotic，i.petrovic，andn.peric，《ieee学报-电子期刊》2007年第54卷第3期1483页-1494页)的文章中采用了最优控制的比例-积分-微分(pid)控制，来处理不确定因素的影响并确保闭环性能和鲁棒性。但是在大范围参数不确定性和扰动存在的情况下，很难确保一致的跟踪性能和鲁棒性。

基于以上分析可知，虽然己有很多学者针对电子节气门提出了各种控制算法，但是现有的电子节气门控制方法还存在以下不足：

1、使用大的开关控制增益来抑制大的不确定性和干扰的影响，这将导致严重的控制抖动和大的控制幅度。

2、由于采用了线性滑动面，可能无法实现快速误差收敛，从而很难实现出色的跟踪和强大的鲁棒性。

3、传统滑模控制系统滑动面中的固定滑动参数可能无法在阶跃和正弦跟踪情况下保持令人满意的跟踪响应，因为大的滑动参数可以在正弦跟踪中获得快速和出色的跟踪效果，但是在阶跃跟踪中会引入超调量。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题为针对现有技术中存在的节气门参数不确定性以及控制精度低的问题，提供了一种在不同工况下能够克服节气门参数不确定性及电子节气门控制系统的非线性特性，并且具有响应速度快和鲁棒跟踪性能的基于自适应滑模技术的电子节气门控制方法。

为了实现本发明的目的，本发明提供了一种基于自适应积分终端滑模技术的电子节气门控制方法，包括脚踏板和节气门位置信号的实时采集，使用基于滑模的不确定观测器对系统集总不确定性进行在线估计，步骤如下：

步骤1，踩下油门脚踏板，使得脚踏板开度角θref≥1°；

步骤2，对脚踏板开度角θref和当前节气门输出角度θt进行采样，采样周期为1ms；

步骤3，根据步骤2得到的脚踏板开度角θref和当前节气门输出角度θt，利用公式算出系统误差e＝θt-θref，然后通过不确定观测器自适应积分终端滑模控制算法计算出节气门的最佳控制电压u，并按照公式t＝u/12换算出电机驱动器设定的占空比t；

步骤4，将换算后得到的占空比t传送给电机驱动器，电机驱动器输出电压u驱动节气门，输出理想节气门输出角度θt1；

步骤5，设检验终止条件为θt1＝θref，检验步骤4所得到的理想节气门输出角度θt1数值是否满足检验终止条件，如果满足检验终止条件，即脚踏板开度角θref和所输出的理想节气门输出角度θt1数值相等，则结束运行；如果未满足检验终止条件，则返回步骤2并重复步骤2～5，直至满足检验终止条件。

优选地，步骤3所述不确定观测器自适应积分终端滑模控制算法包括以下步骤：

步骤3.1，电子节气门系统数学模型的建立；

根据系统建模得到电子节气门系统的数学模型如下：

式中：为当前节气门输出角度θt的二阶导数；为当前节气门输出角度θt的一阶导数；dlump为电子节气门系统的集总扰动；jaet0为电子节气门系统的等效转动惯量jaet的标称参数，baet0为电子节气门系统的等效阻尼系数baet的标称参数，为控制输入的系数的标称参数；τf，sp0为摩擦弹簧转矩τf，sp的标称值，且τf，sp＝τf+τsp，其中τf为电子节气门系统的摩擦力矩，τsp为系统的弹簧回正力矩；

步骤3.2，通过设计二阶有限时间精确观测器计算得到系统误差e的一阶导数

基于不确定性观测器的电子节气门自适应积分终端滑模控制设计系统误差e＝θt-θref，二阶有限时间精确观测器的设计公式如下：

式中：

为系统误差e的一阶导数，且其中，为脚踏板开度角θref的一阶导数，为脚踏板开度角θref的二阶导数；

v0为二阶有限时间精确观测器1的中间变量，v1为二阶有限时间精确观测器2的中间变量；λ0为二阶有限时间精确观测器参数1，且是一个正数；λ1为二阶有限时间精确观测器参数2，且是一个正数；λ2为二阶有限时间精确观测器参数3，且是一个正数；k为二阶有限时间精确观测器参数4，且是一个正数；

z0为二阶有限时间精确观测器1的输出值，且其中为系统误差的一阶导数的估计值，为有限时间精确观测器1的输出值z0的一阶导数；

z1为二阶有限时间精确观测器2的输出值，且其中是电子节气门系统的集总扰动dlump的估计值，为有限时间精确观测器2的输出值z1的一阶导数；

z2是二阶有限时间精确观测器3的输出值，且其中是电子节气门系统集总扰动的一阶导数的估计值，是有限时间精确观测器3的输出值z2的一阶导数；

sign(·)为符号函数；

步骤3.3，求最佳控制电压u；

(1)求积分终端滑动变量s，其表达式为：

式中：

为自适应定律在线更新控制参数1，为自适应定律在线更新控制参数2；

ei为误差e的q/p次方对时间t的积分，其表达式为：

τ为时间上的积分变量，p为终端滑模控制器的指数参数1，q为终端滑模控制器的指数参数2，其中q和p是正奇整数，并且0＜q＜p；

(2)求最佳控制电压u，其表达式为：

u＝u0+u1

其中，u0为反馈控制输入电压，u1为前馈控制输入电压，u0、u1表达式如下：

式中：sign(·)为符号函数，

k1为终端滑模控制器趋近律参数1，k2为终端滑模控制器趋近律参数2，且k1、k2均为正数。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

1、建立了汽车电子节气门装置的综合数学模型，并有条理地确定了有界标称部分和集总不确定性分量。它为闭环系统提供了详细的模型分析。

2、开发了自适应终端滑模控制方案，其中使用积分终端滑动面来确保系统从一开始就在滑动面上启动，并且通过自适应律在线更新滑动面的两个通常固定的滑动参数。因此，该方案不仅可以实现快速收敛和高跟踪精度，而且显著降低了选择合适的滑动参数的难度。

3、提出了基于滑模的不确定性观测器，为集总不确定性提供良好的估计。因此，依赖于不确定性观测误差界限的控制器中的开关增益变得小于传统sm控制的开关增益。这种技术大大减少了控制抖动并简化了实际应用中开关增益的选择。

附图说明

图1是本发明中控制方法的流程图。

图2是本发明实施例中控制系统的基本结构原理图。

图3是对电子节气门系统使用本发明进行控制后的周期正弦信号的跟踪曲线图。

图4是对电子节气门系统使用本发明进行控制后的周期正弦信号的跟踪误差曲线图。

图5是对电子节气门系统使用本发明进行控制后的周期正弦信号的控制电压曲线图。

图6是对电子节气门系统使用本发明进行控制后的不同幅值梯形信号的跟踪曲线图。

图7是对电子节气门系统使用本发明进行控制后的不同幅值梯形信号的跟踪误差曲线图。

图8是对电子节气门系统使用本发明进行控制后的不同幅值梯形信号的控制电压曲线图。

图9是对电子节气门系统使用本发明进行控制后的有扰动的跟踪曲线图。

图10是对电子节气门系统使用本发明进行控制后的有扰动的跟踪误差曲线图。

图11是对电子节气门系统使用本发明进行控制后的控制电压曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

图1是本发明中控制方法的流程图。由该图可见，本发明控制方法包括脚踏板和节气门位置信号的实时采集，并使用基于滑模的不确定观测器对系统集总不确定性进行在线估计，步骤如下：

步骤1，踩下油门脚踏板，使得脚踏板开度角θref≥1°；

步骤2，对脚踏板开度角θref和当前节气门输出角度θt进行采样，采样周期为1ms；

步骤3，根据步骤2得到的脚踏板开度角θref和当前节气门输出角度θt，利用公式算出系统误差e＝θt-θref，然后通过不确定观测器自适应积分终端滑模控制算法计算出节气门的最佳控制电压u，并按照公式t＝u/12换算出电机驱动器设定的占空比t；

步骤4，将换算后得到的占空比t传送给电机驱动器，电机驱动器输出电压u驱动节气门，输出理想节气门输出角度θt1；

步骤5，设检验终止条件为θt1＝θref，检验步骤4所得到的理想节气门输出角度θt1数值是否满足检验终止条件，如果满足检验终止条件，即脚踏板开度角θref和所输出的理想节气门输出角度θt1数值相等，则结束运行；如果未满足检验终止条件，则返回步骤2并重复步骤2～5，直至满足检验终止条件。

步骤3所述不确定观测器自适应积分终端滑模控制算法包括以下步骤：

步骤3.1，电子节气门系统数学模型的建立；

根据系统建模得到电子节气门系统的数学模型如下：

式中：

为当前节气门输出角度θt的二阶导数；为当前节气门输出角度θt的一阶导数；dlump为电子节气门系统的集总扰动；jaet0为电子节气门系统的等效转动惯量jaet的标称参数，baet0为电子节气门系统的等效阻尼系数baet的标称参数，为控制输入的系数的标称参数；τf，sp0为摩擦弹簧转矩τf，sp的标称值，且τf，sp＝τf+τsp，其中τf为电子节气门系统的摩擦力矩，τsp为系统的弹簧回正力矩，在本实例中，根据实际情况测得的实际参数值jaet0＝0.0025(kg·m²)，baet0＝0.0092(nm·s/rad)，

步骤3.2，通过设计二阶有限时间精确观测器计算得到系统误差e的一阶导数

基于不确定性观测器的电子节气门自适应积分终端滑模控制设计系统误差e＝θt-θref，二阶有限时间精确观测器的设计公式如下：

式中：

为系统误差e的一阶导数，且其中，为脚踏板开度角θref的一阶导数，为脚踏板开度角θref的二阶导数；

v0为二阶有限时间精确观测器1的中间变量，v1为二阶有限时间精确观测器2的中间变量；λ0为二阶有限时间精确观测器参数1，且是一个正数；λ1为二阶有限时间精确观测器参数2，且是一个正数；λ2为二阶有限时间精确观测器参数3，且是一个正数；k为二阶有限时间精确观测器参数4，且是一个正数；

z0为二阶有限时间精确观测器1的输出值，且其中为系统误差的一阶导数的估计值，为有限时间精确观测器1的输出值z0的一阶导数；

z1为二阶有限时间精确观测器2的输出值，且其中是电子节气门系统的集总扰动dlump的估计值，为有限时间精确观测器2的输出值z1的一阶导数；

z2是二阶有限时间精确观测器3的输出值，且其中是电子节气门系统集总扰动的一阶导数的估计值，是有限时间精确观测器3的输出值z2的一阶导数；

sign(·)为符号函数；

步骤3.3，求最佳控制电压u；

(1)求积分终端滑动变量s，其表达式为：

式中：

为自适应定律在线更新控制参数1，为自适应定律在线更新控制参数2；

ei为误差e的q/p次方对时间t的积分，其表达式为：

τ为时间上的积分变量，p为终端滑模控制器的指数参数1，q为终端滑模控制器的指数参数2，其中q和p是正奇整数，并且0＜q＜p。在本实例中取p＝7，q＝5。

(2)求最佳控制电压u，其表达式为：

u＝u0+u1

其中，u0为反馈控制输入电压，u1为前馈控制输入电压，u0、u1表达式如下：

式中：

sign(·)为符号函数；

k1为终端滑模控制器趋近律参数1，k2为终端滑模控制器趋近律参数2，且k1、k2均为正数。在本实施例中取k1＝50，k2＝30。

图2是本发明实施例中控制系统的基本结构原理图。由该图可见，实施例中的控制系统包括脚踏板模块、ecu模块、驱动器模块、节气门模块。

脚踏板模块配合上角度传感器可以获得输入的脚踏板开度角θref。

ecu模块，用于将脚踏板的角度θref与aet系统的输出角度θt进行比较，然后通过基于不确定性观测器自适应积分终端滑模控制算法算得理想控制电压u。

驱动器模块，是产生用于驱动aet系统电压u。

节气门模块，用于实现理想节气门输出角度θt1，接收到驱动器发送的电压u后，节气门就会相应的转动，同时其输出的角度也会被角度传感器所采集。

为验证本发明的实施效果，在电子节气门实验平台上进行了验证。得到了如图3-图11所示的曲线。图3、图4、图5分别是对电子节气门系统使用本发明进行控制后的周期正弦信号跟踪曲线图，跟踪误差曲线图和控制电压曲线图。图6、图7、图8分别是对电子节气门系统使用本发明进行控制后的不同幅值梯形信号的跟踪曲线图，跟踪误差曲线图和控制电压曲线图。图9、图10、图11分别是对电子节气门系统使用本发明进行控制后的有扰动的跟踪曲线图，跟踪误差曲线图和控制电压曲线图。

从这三组曲线中可看出本发明克服了现有技术中节气门参数干扰问题，解决了系统控制增益选择难以及控制精度低问题，该方法保证了误差的快速收敛和参数扰动下系统的高精度追踪性能，以及闭环系统对不确定性和非线性的鲁棒性。