基于fpga实现的电子节气门模型预测控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于汽车电子技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着油耗、排放法规的不断升级W及人们对汽车驾驶舒适性及动力性要求的不断 提高，国内外很多学者和汽车生产厂商联合起来不断加快对汽车控制新技术及相关电控产 品的研究和开发，新技术的应用引入了诸多新型的电控执行器，使得电控系统的设计与验 证更加困难；同时随着新技术的不断更新应用，电控单元的升级、换代也带来了大量的成本 消耗。与此同时，专家预测汽车上装用的电子装置成本将逐年提高，汽车将由单纯的机械产 品向高级的机电一体化产品方向发展，电控系统也在向高度集成化和高速化发展，因此，工 程实现时，汽车要求电控系统具有高实时性、低成本计算和存储、高集成度、微型化等特点。 电子节气口是汽车发动机的重要控制部件，主要用于控制进入发动机进气歧管的空气流 量，节气口开度的精确控制可W提高燃油经济性，减少排放，同时，迅速的系统响应，可获得 满意的操控性能。因此，节气口的控制对汽车的行驶安全性、动力性、平稳性及经济性具有 重要影响。然而，现有的电子节气口控制系统大部分都是基于传统单片机实现的，当节气口 电控系统增加新功能W及应用新技术时，基于单片机实现的电控系统无法在线更新、升级， 大大增加了开发成本，不能满足新技术电控系统的需求，因此，需要开发易于升级、维护、扩 充的电控系统，W降低产品开发成本，缩短开发周期，延长生命周期。
[0003] 电子节气口的控制目标可描述为：节气口的开度能够既快又准确地跟踪上给定的 期望目标位置，同时为了保证执行机构的平顺性，执行动作和变化率不能过大等，因此，节 气口是一个带约束的优化控制问题。先进模型预测控制（ModelPredictiveControLMPC) 具有前馈-反馈结构，可W处理多变量、多输入、多输出的高维系统，能在优化的意义上显 式和主动处理时域硬约束等特点，得到了众多领域的广泛关注和讨论，因此，先进模型预测 控制成为处理汽车电子节气口控制问题的一种有效控制策略。但是，先进MPC控制方法在 线计算负担较大、耗时长，而汽车电子节气口是一个快速动态系统，要求控制器具有高实时 性、低成本计算和存储等特点，因此，基于一般处理器巧日单片机）实现的MPC控制器已不能 满足节气口的快速跟踪要求，需要寻求新的高效的电控系统硬件实现方案。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种不仅可W很好地满足节气口的控制需求，而且还能够在 线灵活裁减、扩充、升级，克服了目前现有电子节气口电控系统不足的基于FPGA实现的电 子节气口模型预测控制系统。
[0005] 本发明的步骤是： 曰、模型预测控制器的设计： (1)预测模型：根据电子节气口机械结构建立节气口数学模型的状态方程如下所示：
式中命表示的是节气口开度，馬为节气口转速，条为电机扭矩常数，为电源 电压，II为减速齿轮组传动比，a/为折算到电机侧的转动惯量为电机电阻，%为弹黃 弹性系数，^为节气口静态开度，为弹黃预紧力矩系数，S为滑动摩擦系数，为电 机扭矩常数，^为电机反电动势常数，疫'if.为库伦摩擦系数； 将电子节气口的数学模型转换为线性的增量模型如下所示：
上式（4)中等式右边第一项是对保证节气口开度/陕速地跟踪上期望给定值2衔数学 描述；(4)式中等式右边第二项是确保控制动作的平顺性希望控制动作的变化率么M不要 过大的数学描述，属于软约束，和T。为加权矩阵；式（5)是节气口的物理约束的数学描 述，属于硬约束； 做优化问题求解：MPC的优化问题式（4)、式妨转换成如下形式的QP问题进行求 (6) (7) 解： 满足 (4) 内点法的求解步骤为： ① 选取初始点(《;，>，),吗)，其中捉 >日，嗎>0,取小于1且接近1的正数P和 0< 多 <：!; \ ' ② 计算下式：
(8) 得到 ③ 解方程
(9) 得到A义，A少； ④ 计算式子A份二始…巧捉~职勾;)得到凌激，由此得到捜索方向 (編5麟的盞媒复)，根据式
I?得到捜索的步长参数屋； ⑥令
(10) ⑧计算终值条巧
(5) 结合内点算法和预测控制，得到约束预测控制的算法流程： ① 设置预测时域公及控制时域化初始化MPC与IPM相关参数； ② 给定期望轨迹，在I若巧时刻，得到算法输入值惠法;:難)、&託轉化(兔:)，r纷'P)， y(务)，计算怒。(复卡1!表)、G(是十1j是)、&(是.f]!惠)； 锁酸i丽求解优化问题，得到优化空制序列及控制增量
，并将 控制增量作用到系统； ④在k+i时刻，令k=k+i，返回第②步； b、控制系统的FPGA实现：采用基于FPGA的硬件实现方案来进行MPC控制系统的设计， 其中FPGA选用的是Altera的StratixIII系列的EP3SL150F1152C2N;节气口控制系统的 FPGA开发流程是：首先在MTLAB中进行MPC算法的离线仿真验证，并对算法耗时计算过程 进行分析，然后，将控制系统进行模块划分，时钟模块采用时钟锁相环实现，求解模块借助 综合工具生成硬件描述语言，数据处理模块和接口模块手动编写硬件描述语言代码，各个 模块设计完成之后，分别进行ModelSim功能仿真验证，如果控制器的功能不正确，则对硬 件代码进行修改，直至功能正确，验证通过后，通过写一个顶层文件将所有模块集成，然后 进行编译综合、布局布线，最后在FPGA中进行控制系统的板级验证。
[0006] 本发明电子节气口控制系统的基本目标是节气口的开度能够又快又准确地跟踪 上给定的期望目标位置，同时要求节气口挡板不碰撞限位块。本发明设计了节气口的先进 模型预测控制器，约束优化问题的成功描述解决了节气口快速准确跟踪的多目标约束控制 问题，达到了很好的控制效果。基于FPGA实现的模型预测控制系统，能够方便的在线进行 升级、扩充、维护，延长了产品生命周期，降低了开发、维护成本，且相对于单片机等实现的 控制系统，FPGA实现的控制系统抗干扰能力更强，且更容易产品化，完成专用的控制忍片的 设计。
【附图说明】
[0007] 图1为基于FPGA实现的电子节气口控制系统结构框图； 图2为内点算法流程简图； 图3为节气口控制系统的FPGA实现流程； 图4为控制器的Matl油离线仿真结果图； 图5为硬件代码的功能验证图； 图6为控制系统外围硬件电路的电路原理图； 图7为连续阶跃跟踪实验的控制结果曲线； 图8为实物油口踏板跟踪实验的控制结构曲线。
【具体实施方式】
[000引本发明具体步骤是： 1.控制算法的设计 (1)控制优化问题描述 电子节气口控制系统的基本目标是节气口的开度能够又快又准确地跟踪上给定的期 望目标位置，同时要求节气口挡板不碰撞限位块。
[0009]根据节气口的控制要求，保证节气口开度/陕速地跟踪上期望给定值r，并为了避 免执行机构的饱和，确保控制动作的平顺性，希望控制动作的变化率道U不要过大，同时还 要满足系统硬约束条件，因此，电子节气口位置跟踪控制的问题可W描述为如下的约束优 化问题：
满足约束条件
似 其中，曲和口分别是模型预测控制的控制时域和预测时域，乐(如l)=b(如l)f，…， 如左+公)3 7为给定的预测输出参考序列，&任+1IW是根据系统模型预测的节气口未来开度 序列，（1)式中等式右边第一项是对保证节气口开度_Ft夹速地跟踪上给定值2衔数学描述； 化;是优化问题的独立变量，即优化控