专利名称：用于控制阀装置的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于控制阀装置的方法,"殳备，该阀装置具有由电致
动器定位的可动阀构件，更M地涉及用于以改进方式对阀装置-例如电子 节流阀等进行控制的方法^i殳备。
背景技术：
在过去数年中，已经^^]各种不同的控制技^M寸采用电动机的阀 装置的可动阀构件进行定位。通常，定位这些阀构件的i^l和精确度非常重
要。定位可动阀构件的i4^和精确度提供重要功能优势的应用场合在电子节
流控制(ETC )领域。现代汽车通常采用某种电子节^i空制(ETC)系统进行发动枳进 气节流阀(节气门)的定位以获得降^i非放、提高燃料经济性和改善汽车驾 驶性能的好处。这些系统采用具有电致动器-例如无刷直流电动机的电子节 流阀，该电致动器耳关4妾至电子节流阀孔内的可动节流板，A/v而形成用于调节 ^u/v发动机的空气量的蝶形阀。需要节流板的快速JU青确的定位以便充分利 用上述好处。另外，在停位期间，节;^反响应于节流位置的期望变化的定位 必须是非周期性的，且瞬态波动最小，以避免系统部件的it^t损和电动机 损4毛的增大。如果发生ETC失效，则采用ETC的大多数汽车^^提^种所谓 的自我保护工作模式(limp home mode of operation)。这通常通过采用电
子节流阀中的反作用弹簧将节;;温反偏压到预定打开位置来实现，即使由于故
障而没有给电动机通电。这允许发动机在高怠速工况下运转从而实现汽车的 慢速运动，同时动力刹车装置、动力转向装置和电气系统继续工作。偏压弹 簧在电子节流阀中的使用通常带来了相当大的非线性弹簧力，其连同其它摩 擦力 一起使节流板的定位复杂化。在过去，ETC系统已经使用带有非线性反馈和/或前馈4hi尝的比例 -积t微分(PID )控制器以解决摩擦力和反作用双偏压弹簧的非线性(例如，参见美国专利No. 6，523，522，该专利转让给了与本发明相同的受让人，并且 通过引用并4文)。有了这些ETC系统，通常对PID增益进行调节以便为电 动枳4是供电动枳4空制信号，从而尽可能最快速;4^得端位置到端位置的节流 响应(从关到开或从开到关的节力^反位置)，而不会使电动机控制电压饱和， 电动机控制电压通常受到规定电压限值(对于采用12伏电池的汽车应用而言 通常为+12伏和-12伏)的限制。如上所述，节流响应必须是非周期性的，而不会在节^+反复位时 有大的停位瞬态波动。iiit常要求ETC系统中的电动枳具有较大的转矩常数 和大的电动枳4区动电流。由于这些约束，ETC系统中的控制器在生成用于控 制电动机的电动机控制信号时很少使用最大可用电动机控制电压。因此，在 这些ETC系统中定位节流阀所需的响应时间往往比最优响应时间小很多。因此，需要一种用于控制电动扭致动的阀装置-例如电子节流阀 的方法^i殳备，其中，在定^it些阀装置的可动阀构件时可以利用致动器可 用控制电压的绝大部分来获得更好的控制。
发明内容
本发明提^"-种改进的方法和系统，该方法和系统用于控制具有 由电致动器定位的可动构件的阀装置。这种改i^^:通ii^控制阀装置时利用 致动器可用控制电压的绝大部分来实现的。根据本发明，获JR4征可动阀构件的期望位置的期望位置信号和 表征可动阀构件的实际位置的实际位置信号。才財居期望位置信号、才對以位置 信号和才對^i;l信号生成前馈控制信号。根据估计位置信号与实际位置信号
之间的差值生成反馈控制信号。前馈控制信号与反馈控制信号相结合以生成 致动器控制信号，该致动器控制信号用于驱动电致动器以控制可动阀构件从 实际位置到期望位置的运动。模拟位置信号和模拟速度信号分别^4可动阀构件的估计位置 和估计i^t,这些估计位置和估计ii^是由用于驱动电致动器且包含前馈信 号的致动器才對以控制信号产生的。才對以位置信号和才對W4^信号是响应于用
于代表由阀装置和电致动器^y亍的机电功能的数学模型的致动器才對w空制信
号而生成的。
前馈控制信号的特征在于电压，该电压被调节从而在估计位置移
至期望位置时促使可动阀构件的估计i4^^i丈遵循限定的最大减ii^轨迹。
优选地，前馈信号的电压包4舒贞设最高电压，预i殳最高电压才艮据随着期望位 置信号、纟對以位置信号和一對^^1信号而变化的限定的饱和函数被调节。选 择前馈控制信号的预定最高电压，从而在控制估计ii^时利用致动器可用控 制电压的绝大部分来提高节流板的加i^和减it^，而不引起电动机控制信因此，本发明提供了在控制阀装置时对致动器可用控制电压的更
好利用，这大大降低了这些阀装置的响应时间，而不会导致额外的过调和停
4立时间。根据本发明的另一个方面，根据实际位置信号生成州尝信号，并
且根据才對以位置信号生^^對以州尝信号。4M尝信号然后与反馈控制信号相结
合以生成致动器控制信号，并JL4對以州尝信号与前馈控制信号相结合以生成
致动器一對以控制信号。通过这种方式，对致动器控制信号和致动器一對以控制 信号进行^M尝以抵消由与阀装置和电致动器相关的摩擦力和/或弹簧偏压力 所引起的对抗可动阀构件的运动的转矩。本发明提供一种示例性实施方式，其中本发明的原理被用于改进 电子节流阀的控制。
下面将在M实施方式中参照附图描ii^发明。在所有附图中， 相同的附图标^4示相同或相似的元件，其中图i是实^4^发明的发动才W空制系统的示意图；图2A A^、理框图，其中示出lW技术电子节^i空制(ETC)系统， 其采用常规的PID反馈控制器，并带有用于抵消与电子节流阀相关的摩擦力 和/或弹簧偏压力的非线性4M尝器；图2B是原理框图，其中示出图2A所示的非线性^M尝I^丸行的工作。图3A-3B分别示出图2A所示的现有技术ETC系统的期望节流位 置的阶跃变化所导致的节流阀响应和电动才W空制信号的模拟图示。
图4是本发明的示例性实施方式的原理框图；图5是设备模型的原理框图，该设备模型用于f^图4所示的本 发明示例性实施方式中的电子节流阀。图6是^^呈图，其中示出图4所示的本发明实施方式的4剁乍。图7是流程图，其中示出图4所示的本发明示例性实施方式所用 的i^f以时间最^f;U空制器(proximate time optimal controller)的才^f乍。图8是节^=反的规定最大减狄4 的图示，其醋期望节;^反 位置和估计节力^反位置之间的差值而变化。图9A-9B分别示出图4所示的本发明实施方式的期望节《d反位置 的阶跃变化所导致的节流阀响应和电动机控制信号的才對以图示。
M实施方式5to参照图1,其中示出一种示例性发动才X4空制系统，总体上用 数字10表示，在其中可针对电子节流控制(ETC)应用来实施4^发明。发动 才iW空制系统10中的ETC的基本部件包括总体上标为12的加速5斜^l且件、此 处标为发动机控制单元(ECU) 14的控制单元、电动4/U驱动器16和用于调节 力1/0^动机20的空气量且总体上标为18的电子节流阀(电子节气门)。本领 域技术人员^i人识到，除ETC"卜，发动才;U空制系统10通常还包括未示出的 附加部件，这些部件通常用于控制发动机20的运行情况。根据并入控制单元 14中的功能，控制单元14还可称作发动机控制模块(ECM)或动力系控制模 块(PCM)。加速3斜^l且件12包括加速3斜反22,力口速3斜反22根据期望发动机 20产生的输出功率量而被踩压。如图所示，加速^斜反22围绕枢轴点24旋转， 并JL^没有向^斜反22施力的情况下，被3斜反弹簧机构26偏压而回到与发动 机忽速相对应的位置。2斜反位置传感器28 -例如滑动电位计通常^Uf]于测量 3斜反22的踩压量并且提供3斜反位置信号，3斜反位置信号被传递给ECU 14且 由其接收，如箭头线30所示。尽管未示出，本领域技术人员^i人识到，在实践中，^斜反位置传 感器28通常采用多个电位计^^则3斜反22的3錄从而给ECU 14提供丰富的 3斜反位置信号。这些丰富的5斜反位置信号可以在一个电位计失效时使用，并且用于扭軒对加速，射Mi件12的it断测试。尽管其它替代布置也是行得通的，图1示出的发动才A^空制系统10 具有控制单元ECU 14，控制单元ECU 14包括通常g沐孩说理器的中央处理 器(CPU)、存储器(MEM)和输入-输出接口 (I/O)。控制单元ECU14还包括 控制发动机20的工作所必需的其它已知电路，在图1中没有详细示出。应当理解，在才W亍控制工作时，根据作为输入传递给I/0的测定 发动机工作信号，发动才;U空制单元14的中央处理H^^亍^f诸^f诸器MEM 中的程序来生成由1/0输出的发动才几控制信号。电子节流阀18包4诚气孔32，节^^反34在其中枢转地安装，由 此形^i莱阀或节流阀，用于调节流M动机20的空气。电致动器36通过传 动才;U勾38才7L^Mi^接从而使节;^b+反34在进气孔32内旋转。在本申请中，电 动机-例如无刷直流伺服电动才/^M作电致动器36，但也可以4t^能够适当 定位节流板34的其它类型的已知电致动器。当电动机36被适当:tM电时，4计(未示出)驱动传动才;^勾38 以使节流板34沿顺时针或逆时针方向旋转，从而调节节流板34在进气孔32 内的开启度。电子节流阀18通常还包括节流阀弹簧才W勾40，用于在电动机 36没有通电时将节流板34偏压到与发动机高怠速相对应的预定位置(参见 上述对自我保护工作模式的描述)。节流板34也与节流位置传感器42相连，节流位置传感器42可 以实施为滑动电位计，用于^^则节^il 34的旋转位置并且提供节;^反34的 相应的实际位置信号，该信号由ECU 14接收，如箭头线44所示。'因此，实 际位置信号给ECU 14提供对节;^反34在进气孔32内的实际位置的表征。尽管未示出，本领域技术人员#^识到，在实践中，节流位置传 感器42也通常采用多个电位计来检测节流板34的旋转位置，从而给ECU 14 提供丰富的节流位置信号。这些丰富的节流位置信号在一个电位计失效时使 用，并且用于扭行对电子节流阀18的诊断测试。为简单^L,在图1中示意'ht地示出电子节流阀18。这种电子节 流阀组件的才几械实施形式是本领域公知的(例如参见前述美国专利 No. 6， 523， 522 )。因此，本说明书不再对电子节流阀18的结构细节进4刊苗述。在控制节流板34的位置时，ECU 14的中央处理器4^亍^f诸在MEM中的节流控制软件程序以生成适当的电动机控制信号，用于控制电动机36 的工作。这种电动机控制信号被转换成电动才瓜驱动器输入信号，所述电动机
驱动器输入信号从ECU 14的I/O传递到电动才A4区动器16，如箭头线46所示。 如将在随后描述的，所^^诸的节流控制软件程序利用表4^口速^斜反22和电子 节流阀18的节力^反34的位置的信号来生成适当的电动才/W空制信号和相应的
电动才;a区动器i命入信号。电动才/U驱动器16通常包括本领域技术人员公知的带有适当开关 电路的常规H电桥。#濃配而言，电动才il4区动器电路可以并入ECU14内或者 甚至并入电子节流阀18内。根据由ECU 14提供的电动才A4区动器输入信号， 电动才;U区动器16适当地^口由电池50提供的供电电压VB给电动机36的定 子励磁绕组(未示出)，如箭头线48所示。通iti^种方式，ECU14然后控制 电动机36的工作和电子节流阀18的节流板34的位置或开启度。电动木a区动器输入信号通常包括脉宽调制(P丽)信号和电动机
转向信号，P丽信号具有^44"^^给电动机36的励磁绕组的平均电压的占
空比，电动才/i4争向信号^J^^口给励磁^ia的平均电压的极性。应当理解，
根据这些电动才M区动器输入信号，穿过电动机36的定子励磁绕纟1^>的平均 电压会在电压限值+Vs到-VB之间变化，这些电压限值被定义为电动机控制信 号的电压限值(在汽车应用中通常为+12伏和-12伏)。在g的描述中，会涉及具有在电动4/U空制电压限值+VB到-Vb之 间变化的电压的电动机控制信号。这种电动机控制信号将被理解成对应于或 等同于^o给电动才M区动器16的电动才M区动器输入信号。当电动机控制信号 具有正振幅时，电动机36是沿打开节济d反34的方向被驱动。当电动才A4空制 信号具有负振幅时，电动机36是沿关闭节^^反34的方向被驱动。电动扭控 制信号的数值就fC4^^i口到电动机36的定子励磁绕组的平均电压,作为由 ECU 14 ;^>到电动才;14区动器16的P画电动才A4区动器信号。还应当理解，电 动机36的定子励磁纟^I且中所生成的电动才A4区动器电流的方向和数值也就由 电动才A4空制信号的电压的极性和数值决定。现在参照图2A,其中示出頭沐技术ETC系统的原理框图，该系统 采用常规的反馈控制来定位图1所示的电子节流阀18的节流板34。包括在 该原理图中的是包含电子节流阀18的部件的设备IOO、提^i殳备100的反馈控制的传统PID控制器102、用于抵消由与设备100 (即电子节流阀18 )相 关的摩擦力和/或弹簧偏压力(通常为非线性的)所引起的转矩的非幾性4hf尝 器104、以及用于根据接近信号输入的指示符号适当地结合信号的求和点106 和108。信号6A (实际位置信号)代耒着电子节流阀18的节力^反34的实 际或测得旋转位置，而信号e。(期望位置信号)^C4着节流板34的目标或 期望旋转位置。实际位置信号6 a是4艮据ECU 14在箭头44上从节流位置传感 器42所获得的输入确定的。通常，期望位置信号e。是根据由ECU14在箭头 线30上/A5斜反位置传感器28所获得的输入由加速5斜反22的踩压量确定的。 为了简化图1所示结构，没有示出也可用于确定或影响节流板34的期望位置 信号6d的ECU 14的其它输入信号。这些其它输入信号可以是例如由牵引控 制、怠速控制、巡航控制和/或其它发动机控制系统提供的，根据发动机20 的工作才莫式启动这些系统。在工作中，规省技术ETC控制系统用于生成电动才/U空制信号《， 该信号被示出为^>^^<^着电子节流阀18的设备100。将电动机控制信号 沐Vc转^^适当的电动才M区动器输入信号以及电动才/U区动器16给电动机36通 电的动作所引起的任何失真通常都不重要，并且通常在代表图2A所示原理框 图形式中的ETC系统时^皮忽略。如前所述，在调节节流板34的位置时，电动 才iW空制信号《的极性和振幅决定了;^口到电动机36的定子励磁绕组的极性 和平均电压。如图所示，电动积4空制信号《是两个复合控制信号*1和*^。的 总和，它们由求和点108结合。在这种情况下，W刚是由PID控制器102根 据输入节流位置误差信号* 6E生成的反馈控制信号，而《是由非线性^hf尝器 104根据节流板34的实际位置信号6 ,生成的4hf尝控制信号。上述节;;产i/f立置误差信号承6e由求和点106输出并Jif过从期望位
置信号60减去实际位置信号6八形成由*^表示的差值wp*eB=eD-eA)来
决定。在常规ETC系统中，通过响应于所 。的*^。将由节流位置误差信号* 6E^4的差值减小为零来驱动设备100中的电动机36, PID控制器102被调 谐以生成反馈控制信号^VwD以便节流板34从实际位置移到期望位置。在现有技术中已经使用不同类型的非线性4HI尝器来抵消由与设备IOO内的控制才W勾相关的摩擦力和/或弹簧偏压力(通常为非幾性的)所引
起的转矩影响。对于图2A所示的现有技术ETC型式，非线性^hf尝器104根据 作为实际位置信号^传递的节流板34的实际位置生成4M尝控制信号^。图2B^是供详细的原理才匡图，其中示出图2A所示的示例性非线性 4M尝器104扭i行的工作。非线性SM尝器104的这种实施方式具有两种独立的
工作^4圣来对节流板34的实际位置信号ej^亍不同的并行操怍。在一种工作路*径中，实际位置信号6a首先由框120做微分(此处 s表示拉普拉斯算子)以提側言号coa,信号wa代表着节流板34的实际旋转 角速度。实际ii^信号WA被用于由框122代表的查询表中，该查询表提銜气 表着对抗节流板34的运动的摩擦转矩的输出信号Tc。在这个型式中，框122 中的查询表实质上是T产Fc sgn(co》这样的sgn函数，此处，常数Fc与反作 用于节流板34的运动的库仑摩擦力相关。摩擦转矩信号Te然后传给框124, 框124 ^A着与摩擦转头封目关的电动机36的反向电压-转矩转换函数。因为 电动机36具有的带宽远大于摩擦转矩信号Te的有效位的频率分量，框124 的反向电压-转矩转换函数可以简单地由经验决定的增益或比例因子 (scaling multiplier) G,表示。有了对G,值的适当选择，从框124出来的 输出信号VF就fC4^能净賴于设备100的输入的控制信号，从而^J丈抵消对 抗电子节流阀18的节流板34的运动的库仑摩一察转矩。在非线性;^尝器104的另一种工作路径中，实际位置信号eA^^] 于由框126^4的查询表中，该查询表提供输出信号Ts。输出信号Ts^4^" 对抗节流板34的运动的弹簧偏压转矩。在这个型式中，查询表f(A着由节流 阀弹簧才儿构40生成的非线性弹簧偏压转矩的分段线性近似值,该值随着由信 号6j是供的节^i反34的实际位置而变化。弹簧偏压转矩信号Ts然后传给框 12 8 ，框12 8 ^4着用于弹簧偏压转矩的电动机36的反向电压-转矩转换函数。 同样，因为电动机36具有的带宽远大于弹簧偏压转矩信号Ts的有效位的频 率分量，框128的反向电压-转矩转换函数可以简单地由经验决定的增益或比 例因子G2表示。有了对G2值的适当选择，从框128出来的输出信号Vs就^4 着能被用于设备100的输入的控制信号,从而抵消对抗节流板34的运动的弹 簧偏压力。由求和点130^t空制信号Vf和Vs相結合或加在一^以提供由非线性4Nf尝器104输出的最终4H尝控制信号4。在有些情况下，在受控制的特定阀装置中不存在弹簧偏压枳4勾 40，摩擦力就不重要了，或者为了简单起见，可以有意忽略这种力。在这些 情况下，在图2A所示功肯^空制结构中不需要非线性4H(尝器104。在其它应用中，可以实施非线性4hf尝器104来仅4M尝摩擦力(此 处由Vf提供)或仅^M尝弹簧偏压力(此处由V^是供)，这:耳又决于这些力的重 要性和4hi尝技术的性能。本领域技术人员#^理解，可以采用其它^W口的非 线性^M尝技术来实施非线性4hJ尝器104的不同功能结构。图3A和3B分别示出图2A的观有技术ETC系统的期望节流位置
eD的阶跃函数增大所引起的用实际位置信号eA表示的节流阀响应(^#作 加速响应)和电动机控制信号*、的才對以图表。这些图形的结果是使用可商业
购得的嫩111^8@仿真寿欠件获得的。图3A的节流响应示出为节;^反34的实际位置信号6A随着时间的 变化，该变化发生在时间=0秒时，用于节流板34的开度从期望位置6。=30 °到期望位置6。=80°的阶跃函数增大。图3B示出了作为时间的函数的相应 的电动才A4空制信号4，用于节济d反34的期望位置的相同的阶跃增大。从图3B可以看出，由于反馈控制信号^簡电动才7l4空制信号《 具有初始份额，该初始份额很快便约等于零，F4^是氺hf尝信号^的份额，其 提供约2. 0伏的^M尝电压以保持弹簧偏压节流板34在期望开启位置。对于后 者，可以从图3A看出，节^^反34到达期望的80。开启位置时的节流响应的 上升时间为约60. 6毫秒，此时对应于期望节流位置的上述阶跃增大。现洧技术ETC系统通常只用到电动机可用控制电压(-Vb到+Vb) 的较小部分，因为PID控制器的增益必须被调谐以避免用于节流位置误差信 号* 6E的最大期望变化的电动机控制信号的^^口，并且满^1位节流板34时 节流响应的其它约束。因此，就节流板34从实际位置重新定位到期望位置所 需的时间而言，这些5贿技术ETC系统不是最优的。在过去，已经^jl]一种称作近似时间最优伺月M/^勾控制(PTOS控 制)的技术来控制磁盘驱动器的定位。本质上，当磁头位置误差(即期望磁 头位置与实际测得的磁头位置之间的差值)小于预设阈值时，PTOS控制器从 开关式控制器(bang-bang conreoller )切换到线性比例微分(PD)控制器。众所周知，PT0S改善了在预定磁iUi定^f兹盘驱动器的磁头以读取和写入数 才居的响应时间。申请人:已经发现，PTOS控制的某些构思能以新型方式应用，以便 在具有由电致动器定位的可动阀构件_例如电子节流阀的节力^反的阀装置的 定位响应时间方面获得重大改进。尤其是，申请人已经发JJW过提供带有前 々ff多正开关式信号分量的致动器控制信号，可以利用可用的致动器控制电压 的绝大部分来控制可动阀构件的定位。因此，与常规PID控制技拟目比，改 善了阀装置的响应，而不会带来很大的响应it^或停位时间。li^发明而言， 这种控制的型式在本文中称作近似时间最伊Ci空制(或PT0控制)。在下文中，将通过示例性实施方iU苗ii^发明，此处，阀装置是 前述电子节流阀18，其具有由用作电致动器的电动机36定位的、作为可动 阀构件的节流板34。应当理解，本发明不局限于这种特定应用，并且可用于 控制具有由电致动器定位的可动构件的任何阀装置。在下文的实施方式中，任何涉及节流板34的位置是指节流板34 在孔32内的角度旋转位置，^f可涉及节^^反或节流阀的i4^1A指节力^反34 在孔32内的旋转角it^。J錄参照图4，其中示出本发明的示例性实施方式的原理框图。 该原理框图包^i^似时间最优控制器200、第一非线性^M尝器202、第二非线 性谇M尝器216、 PID控制器204、 i殳备206、设备模型208以及求和点210、 212和214。"i殳备206 ^4^"受控的阀装置，该阀装置包括由电致动器定位的 可动阀构件。在这个实施方式中，致动器控制信号Vc^4着电动机控制信号， 该信号被用于设备206来定位节流板34。实际位置信号0A^4着可动阀构 件-在本例中为节流板34的实际位置。设备模型208 ^M"数学模型，期笛述了由阀装置禾W殳备206中 的电致动器的实际物理部件^f亍的机电功能。设备模型208生成片對以位置信 号em和才對^4^信号co簡这些信号分别^4^当致动器才對W空制信号Vcs 被用于驱动在设备208中才對以的电致动器时所得到的可动阀构件的估计位置 和估计i4^。设备模型208的更详细描述将在下文参照图5给出。第一非线性^M尝器202的工作方式类似于前述图2A的非线性补偿器104，其根据输入实际位置信号6 a生成用Vw表示的输出^H(尝控制信号。
在伏选实施方式中，第一非线性外M尝器202仅用到图2B的4M尝器104的一部 分，该部分抵偿非线性弹簧偏压转矩(即VN=VS )。输出州尝控制信号Vw作为 输入提供给求和点212。第二非线性4hf尝器216的工作方式也类似于前述图2A的非线性 砵M尝器104，其才M居输入才對以位置信号e阳生成用VNs表示的输出才對以4hf尝控 制信号。同样，对于优选实施方式，第二非线性4M尝器216仅用到图2B的补 偿器104的"卩分，该部分抵偿非线性弹簧偏压转矩(即VNS=VS )。才對WM尝 控制信号V^作为输入被引入求和点214,它在il^与前馈控制信号(近似时
间最优控制信号)V刚相结合以生成才對以致动器控制信号Vcs (即Vcs崎pk)+Vns )。在本发明的这个示例性实施方式中，第一非线性外H尝器202 &
々魏彬尝器，因为它^^实际位置信号eA来确定州尝控制信号Vw。第二非线 性4M尝器216是前々魏^hj尝器，因为它没有^f躺实际位置信号e,、来确定才對以 州對空制信号Vns,而是^jf]才對以位置信号e 。应当理解，其它类型的非线
性氺M對支术也能用于实现第一和第二非线性^M尝器202和216。尽管不是绝对需要，但如果第一和第二非线性4M尝器202和216 在生成^W尝控制信号Vw和才對以;^尝控制信号Vj悄財;^f^目同功能，就会荻得 更好的性能。此外，本发明还可以在不^M尝设备206禾^殳备模型208内的任 何反作用转矩力的情况下实施；然而这会降低控制性能，是否进行^hf尝取决 于反作用转矩力的重要性。不带这种^M尝的发明实施方式^i过去除第一和 第二非线性^hf尝器202和216以及各个^M尝控制信号l和l对致动器控制信
号Ve和才對以致动器控制信号Vcs的份额来实施。 PID控制器204以常规方式工作，期艮据用0E表示的输入位置误 差信号生^^々贵控制信号VPID。输入位置误差信号6 e由求和点210输出并且
^c4t从实际位置信号e a减去才對以位置信号e pk)获得的差值(即e E= e - e
A )。对PID控制器204进^S周谐以生^X馈控制信号VPID,当^^用于设备206 以驱动电致动器对可动阀构件(即节;^反34 )进行定位时，反馈控制信号VPID 会将模拟位置信号和实际位置信号之间的差值减小为零。近似时间最伊^空制器200接收前述期望位置信号6 d、才對以位置和
i4^^言号e刚和oo刚。根据这些输入信号，近似时间最优4空制器200生成用V刚表示的前馈控制信号。该前馈控制信号V刚作为输入提供给求和点212和
214。近似时间最伊^空制器工作的详细描述将在下文参照图7A-7B给出。反馈控制信号VPID、牙hf尝控制信号^和前馈控制信号V打。由求和点 212结合以提供致动器控制信号Ve，致动器控制信号Ve被用于设备206以驱 动电致动器(即定位节;温反34的电动机36 )对可动阀构件进行定位。图5示出图4所示的设备模型208的原理框图。设备模型208提 供由阀装置和电致动器执行的机电功能的数学表达。在本发明的示例性实施 方式中，设备模型208被实施为模拟电子节流阀18和用于定位节流板34的 电动机36。如前所述，与电动才7l4区动器16的电路(见图1)相关的信号失真 不重要并JL^设备模型208中忽略掉。电致动的阀装置-例如电子节流阀18 的才對以是本领域7^^的，并且可以通过软件 - 例如MATLAB⑧以及其它^^口模 拟和仿真技术来实现。为了简化^ii,图5的框图已经才財射殳备模型208中^Vf亍的不同 功能和工作进行标注。方形或矩形框^4t转换函数。三角形框^A着增益 或比例因子，它们乘上输入信号以生成比例输出信号。应当理解，这些框中 的不同比例因子和转换函数所涉及的定值是由电子节流岡18或—皮模拟的其 它类型装置的部件的实际物理特性和电特性决定的。对于示例性实施方式，设备模型208生^f對以位置信号6m和模 拟il^信号co吣这些信号分别^At当才對以电动才/W空制信号1用于驱动电 动机36时所得到的节流板34的估计位置和估计ii;变，所述估计位置和估计
ii^作为设备模型208的数学表达。因此，才對以位置信号em和才勤^i^信
号copr。分另'jfC^着节流板34的估计位置和估计速度，它们是从被用于驱动电 动机36的才對以电动才/U空制信号Vcs得到的。图5所示的设备才莫型208的第一^殳^^着由电动才几36完成的电 压-转矩转换，并且包括求和点300、转换函数304和比例函数306。求和点 300 /;J斤应用的电动扭一對以控制信号V。s减去在反向EMF回路中的箭头线302 上生成的才勤以电动机反向EMF电压。从求和点300出来的输出信号就^4^" 穿过电动机36的定子励磁绕纟ili^口的合成电压。框304的转换函数把电动机 励磁绕组的电压转4械与励磁绕组电^^"应的输出信号，在iOo A。4/L且 a-R/L，其中，R和L分别^R4电动机36中的每个定子励磁绕组的电阻和电感。从框304输出的厉加兹l^且电流信号^^]于比例框306，在M,它乘上A，从而生成箭头线308上的信号，该信号代表着电动机36产生的电磁转矩。比例因子A产Kt， Kt为电动枳4争矩常数。箭头线308上的电动机电磁转矩信号祐月于求和点310,在这里，它被减去箭头线312上的转矩损耗信号，从而生成来自求和点310的输出信号，该信号fC4着响应于所应用的电动4^對以控制信号Vcs在电动机36的转子处所产生的电动机实际转矩。如下所述，箭头线312上的转矩损耗信号代4^"对抗节流板34的运动的转矩近似值，该转矩近似值与电子节流阀18所固有的摩擦力和弹簧偏压力有关。i殳^^f莫型208的下一段将电动机实际转矩信号转^^^M^电动机36的转子的4對以角ii^ (弧度/秒)的iUl信号。模型的这一段包括比例框314和积分框316。求和点310输出的电动机实际转矩信号被用于比例框314，在这里，它乘上A2,然后由框316的积分器进行积分，在箭头线318上得到电动枳4對Wi^信号。比例因子A尸l/Jeq,在这里，Jeq代表电子节流阀18的部件相对于电动机36的转子轴的总转动惯量。箭头线318上的代耒着电动扭4對以i4^信号的信号被用于反向EMF回路中的比例框320,在这里，它乘上A,在箭头线302上得到电动机反向EMF电压信号。比例因子A产Kv,其中，Kv为电动机36的反向EMF电压速度常数。设备模型208的下一段将箭头线318上的电动枳^i4^信号转4M输出才對以位置信号e,该信号^4^节;^反34的估计位置，该估计位置由被用于驱动电动机36的电动机(致动器)模拟控制信号Vcs得到。箭头线318上的电动扭4對^ii^信号由框324求积分，然后乘上框326的比例因子A4，从而得到输出才莫拟位置信号6 (单位为度)。比例因子A产l80/ (n*丌)被用于提供乂A^瓜度到度的适当转换，其中，n^A着电子节流阀18中的传动枳询40的传动比。如图所示，设备模型208提供输出才對Wl^信号co刚(^f立为度/秒)，这是通过将箭头线318上的电动枳il^信号乘上比例框346中的比例因子A8,以提供从弧度到度的适当转换，并且考虑了传动机构40的传动比(A8=A4=180/(n*7T))。
如上所述，线312上的电动枳转矩损耗信号^R^4着由与电子节流阀18中的节^i反34的运动相关的摩擦力和与节流弹簧才;L4勾40相关的弹簧偏压力所引起的转矩损耗。如图所示，箭头线312上的转矩损耗信号作为求和点328的输出，求和点328将箭头线330上的摩擦转矩信号加上箭头线332上的弹簧偏压转矩信号。箭头线330上的摩擦转矩信号作为摩擦转矩回路的输出，该回路包括查询表336以及比例框334和338。比例框334使线318上的电动才/l4争速信号乘上比例因子A产180/ 7T ，从而使电动才M争速信号从弧度/秒1封MA/秒。该转换后的电动枳M信号然后^U ]作查询表336的输入。查询表336本质上是sgn函数，其取决于通常在接i^仑摩擦力时所^JI]转换后的电动才Ad4^1信号。查询表336的输出然后乘上框338的比例因子A6，在箭头线330上得到最终摩擦转矩信号。应当认识到，对查询表336中的sgn函数的^^口值以及比例函数A6的数值进行适当选择，从而使摩擦转矩信号会接近于库仑摩擦转矩，该摩擦转头E^寸抗着节流板34及电子节流阀18的其它部件相对于电动机36的转子轴的运动。箭头线332上的弹簧转矩信号作为弹簧转矩回路的输出，该回路包括查询表340和比例框342。才對以位置信号6刚被用于查询表340。在本实施方式中，查询表340包含由节流弹簧机构40所引起的、用作对抗节《d反34的运动的弹簧偏压力的分段线性近似值。查询表340的输出然后乘上框342的比例因子A7，在箭头线332上得到弹簧偏压转矩信号。对查询表340中的数值以及比例函数A7进^ii当选择，从而使箭头线332上的弹簧偏压转矩信号接近于由弹簧才M勾40的作用所引起的弹簧转矩损耗,该弹簧转矩损耗g节;^反34的才對以位置信号6 而变化。应当理解，控制单元ECU 14被配置成通过^i^f诸^^f诸器MEM中的计算才財呈序来执行图4的框图所列的控制功能。现在通过举例的方式描述计算才/l4呈序^^呈图。图6示出本发明的ECU 14在定位电子节流阀18的节流板34时所"l;W亍的总体工作的示例性^f呈图。图7示出示例性力^呈图，该沫d呈图详述了图4的近似时间最优控制器200所执行的步骤。对ECU 14进行编程以冲W亍所示计算机^f呈图的步骤是本领域技术人员7^口的。 3脉参照图6,在步骤400处ii7v近似时间最优(PTO )节沫d空制程序。PTO节《Li空制程序是许多不同程序中的一种，其在发动机起动且初始
化了用于发动才/U空制程序中的所有发动机控制变量之后由ECU 14在后台发动
才/W空制回路中连续^^亍。在从步骤400进入之后，程序继续到步骤402,在这里，ECU 14
获得由实际位置信号e a 4是供的节流实际位置以及由才對以位置信号e 提供
的节^#1以位置的当前值。6A的当前^1^通过对节流位置传感器42的输出的取样获得的并且将^的新近值存在CPU l4的^i^诸器MEM中。e刚的当前^!^在前次通过PTO控制器^^ 500 (见图7 )期间确定的值，其从当前PTO节^i空制程序400中的步骤410调用。程序然后继续到步骤404，在这里，根据^i诸^^賭器MEM中的实际位置信号6八的当前值得到州尝控制信号l的数值。这是通it^图2B中^L^亍与用于^hf尝弹簧偏压转矩的功能冲封目对应的计算来实现的，其存在于图4所示的本发明示例性实施方式中的第一非线性4H尝器202中。接下来，程序继续到步骤406，在这里，通过/A^對以位置信号6
的当前##值中减去实际位置信号e a的当前^f诸值来确定位置误差信号禾踏从步骤406继续到步骤408,在HIo根据上面在步骤406
中得到的位置误差信号e E的当前值得出反馈控制信号vP1D的数值。这是通过对e e的当前值(以及前次通过禾聘期间计算和^f诸的数值)^vf亍^^口的比例、
积分和微分运算来实现的，该运^4要照图4所示的常规PID控制器2(M的工
作絲行。接下来，本程序继续到步骤410，在这里，调用PTO控制器程序500来得到前馈控制信号V,(近似时间最优控制信号)的数值。在PTO控制器禾聘500中^y亍的步骤的详细描述将在下文参照图7给出。在从于步骤410处调用的PTO控制器程序500返回之后，#&述续到步骤412，在这里，通过^^馈控制信号VPID、 ；^尝控制信号Vw和前馈控制信号l的数值相加(相结合)来得到电动机(或致动器)控制信号Vc的数值，这些信号分别在前面步骤408、 404和410中得到。程序从步骤412继续到步骤414，在这里，电动机控制信号Vc的数值被用于(如前所述)驱动电动机36来定位节流板34。
在完成步骤414时，程序继续到步骤416,在这里，这次特定通it^台发动才A4空制回路离开了 PTO节力^空制程序400。参照图7A-7B,现在将描述上面PTO节流控制程序中在步骤410中调用的PTO控制器禾iyf所4^f亍的步骤。在步骤500处进入PTO控制器程序，并JLM续到步骤502，在这里，获取期望位置信号6。、才對以位置信号e刚和才對W4^信号co削的当前值。期望位置信号e。的当前值通常是通i^扭射反位置传感器28的输出的取样获得的，然后把它^(诸在ECU 14的^f诸器MEM中。如前所述，6d的当前但也可以根据由牵引控制、怠速控制、巡^i空制和/或其它发动机控制系统提供的ECU 14的其它输4确定，可能需要这些系统对节流板34的位置调节作出修正。才勤以位置信号em和才勤^i^信号oo刚的当前值是从ECU 14的^f诸器MEM中的在前次通过^M呈序500期间所产生的前次4^诸值中获得的(见下面的步骤532 )。本程序从步骤502继续到步骤504，在这里，通过从期望位置信
号e d的当前值中减去才對以位置信号e 来确定才對以位置误差信号e SE的当前值(即m)。程序然后转到步骤506，在处，根据在步骤504中算出的 的当前值确定节i^反34的最大减i^变cowAx的当前值。在伊速实施方式中，在^f诸器MEM中^f诸的查询棚于确定对应于6sE的不同值的(OMAx的值。图8中的曲线限定了用于获得查询表的数值的函数关系oo,f (6se)，这将在下文才苗述。在步骤506处确定了最大减iiy变co隨的当前值之后，程序继续到步骤508,在处，根据才對以位置误差信号6sE和才對Wi^信号o:刚的^^t值
UBS)作出判断。如果期望位置e。与才對以位置e^)的数值之间的差值的数
量小于预设阔值TH (即ABS(6se)〈TH)，并ib^W4^信号com的数量小于预itii^阈值THj即ABS(copJ<THw)，那么禾辨500就继续到步骤526。否则，程序继续到步骤510。阈值TH可以是预设定值，或者它可以具有不同的数值，这取决于节^^反34的期望位置开始变化时6sE的初始值。例如，如果期望节流位置信号6D有变化从而ABS(6sE)—开始在0。到10°范围内，那么TH会被指定具有第一预设值(TH1)。如果ABS(6sE)—开始在大约10°到40°范围内，那么TH会被指定具有第二预设值TH2，这同样适用于在其它初始数值范围内的ABS ( 6 J 。对于本发明的实施方式，预设阈值TH被指定0. 01度的定值，但^I当理解，这个数值可以根据特定电子节流应用而改变。同样地，预设狄阈值TIU皮指定0. 01度/秒的定值，其也可以根据电子节流应用而改变。如上所述，如絲步骤508处ABS (6SE) <TH且ABS (co ) <l程序500就继续到步骤526，在M， ^^或特4碌于电压的前馈控制信号Vpra被指定具有零伏的数值。应当理解，执行步骤508和526仅仅是为了防止ECU 14对6sE和com的数值中的小量化误差和/或取整误差作出^，因为这些数值接近于零。当这些误差不被认为很重要的时候，或者当ECU14已经提高了所执行的检测和计算功能的精度的时候,步骤508和"6就不是必须的。在完成了步骤526之后，程序继续到步骤528。在步骤510处，当ABS(eSE) > TH或ABS (co 一 >THJt,禾踏500就继续到步骤510,在i^根据下列公式确定或计算前馈控制信号V刚的电压
VpTo = Vmax * sat( KSAT * ( max - pro)),
其中，V腦是最大预设电压，sa t (KSAT* (comax- co ))是具有自变量KSAT* (oo oopto)的^^口函数，KsAT是预设4:財口增益值，co服是最大减狄，Wpr。是可动阀构件(节流板34)的估计iiy复。这样，表现前馈控制信号的特征的电压被设定为用V隨表示的预设最大电压，然后根据所限定的饱和函数sat(KsA一(coMAx-com))对其进^ti周节。因此，前馈控制信号Vpr。的电压被设定为(i)用V腿表示的最大预设电压，此时Ks浐(co腿-coJ〉l; (ii)用V,--V薦表示的最小预^殳电压，jt匕时KSAT* (oo隨-oo ) <—1; 以及(i i i)凄K直KSAT* ( W隨一 CO pro ),此时-1<KSAT* (co丽-w ) <1。在伊逸实施方式中，々&^增益Ksat被給予4. 7763的值；然而，这个数值会才財居所控制的特定电子节流阀而改变。尽管步骤510被示出为一种计算，但是，应当认识到，指定给V刚的电压值也可以从查询表中确定。在步骤510处为前馈控制信号指定适当的电压值^，禾I^就继续到步骤528。在步骤528处，根据^f诸^f诸器MEM中的才對以节流角位置信号6m的当前值得出才勤以州尝控制信号Vns的数但。这是通錄图2B中#^亍与用于^^尝弹簧偏压转矩的功育^N目对应的计算来实现的，其M在于图4所示的第二非线性^hf尝器216中。接下来，禾Xf继续到步骤530，在i^，通过使才對以4M尝控制信号Vws和前面步骤得到的前馈控制信号V^的数值相加或相结合来得到电动机
才對以控制信号Vcs的数值。程序从步骤530继续到步骤532，在这里，得到冲勤以位置信号6m和才對Wi;l信号COKra的新值。这是通过将上面步骤530中得到的电动冲对莫拟控制信号Vcs的当前值用于图4的设备才莫型并^/f亍与图5提供的^4才對以电子节流阀18的工作的功能一封目对应的计算来实现的。作为模型设备208的输出所得到的e刚和oo,的新值然后^^诸^f诸器MEM中，在下次通过禾l/f 400和500期间使用。完成了步骤532，禾踏500继续到步骤534，在i^E，它返回PTO节^i空制程序。图8提供了图表，该图表限定了节《ii反34的最大;iU!AcoMAx与
期望和估计位置之间的差值e SE之间的函数关系。当实际位置ii5)j 了期望位
置-此时电动;N空制信号的电压在Vmax与VMIN=-V,之间切换以获得节沪^反34的最;U口ii^和减速度，在必须应用最大减ii^以^il^减为^^前，对于期望位置和估计位置之间的给定差值而言，co隨的勒:值^i丈代表了节流板34能够通过加速而获得的最;^变。由于PTO控制器200是前馈型控制器，因》化确定用于PTO控制器200的最大减逸变coMAx的数值时，使用节;^反34的估计位置w 而不是实际位置。对于本发明的实施方式，图8所示的co腿与6sE之间的函数关系是首先通过才對以来确定的，该才對以利用设备模型20M樣电子节流阀18。这才科故时，给w刚指定不同的初始ii^^4對以节^^反34从全闭移到^H立置(或反过来)的#。电动机控制电压V而或V,-VMAx然后被用于驱动电动机36以提供使节流板34减速的最大减逸变(耳又决于节流板34是正在打开还是正
在关闭)，同时记^^對以节流位置em和才對^4^C0Km的数值。通过用指定给co刚的不同的初始值重复这些^l以，可以得到co醒的数值，其中，电动枳农制电压；或V,的^口使得在节流板34的估计位置达到期望位置时-即在
e SE= e f e &"零时估计# w iii'J零。
已经发现上面获得的^4t作为6se的函数的w鹏的实际值的曲 ^J^上具有无穷大的斜度，因为它经过了坐标系的原点，如图8所示。已 经发^^控制节^i反34的定位时这导致极限周期。为了消除这种极限周期，
稍微减小上面获得的CO駆的实际正值，同时稍微增大COMAx的实际负值(在本
实施方式中两者都;^^丈为17度/秒)。这导致^44"6sE为正值的co丽的实际 曲线的那部分稍微下移，^A4" 6sE为负值的co附x的实际曲线的那部分稍孩Lh 移。这里所使用的这些移位曲线就形成w醒的图表的勤出，如图8所示，靠 近原点的co丽值4皮调节成随着6 se作线性变化，这种变化按照通过原点且与上 述移位曲线的两部射財目切的线^ii行。图8示出^Aco隨值的实际曲线的 修正，已经发现这种修正可以消除本发明所提供的控制中的极限周期。在下 文中，图8所示的曲线被称做限定的最大减ii^轨迹，该最大减ii;l專iLii被 用于为本发明的本实施方式提供最大减iUlco駆的数值。尽管因为会引起损坏而没有建议，但^I当认识到，在确定用 于获得图8所示曲线的最大减i^coMAx的实测数值时，可以采用实际电子节 流阀18而不是才臭似的。电动才几最大可用电压限值-Vb和+Vb不能用于荻得与V隨和V匪相关 的上ii^W口ii^和减ii^，因为这些电压限^M定位节流板34的实际控制 中的^^会引起电动才;U空制信号Vc的4:財口。因此，对预设最大和最小电压V, 和Vm^-VMAx进行选择以提供定位节流板34的控制中的改善的加速和减速，而 不会？ 1起电动才A4空制信号Vc的々財口。从上面描述可以理解，PTO控制器200作为前馈控制器工作，用 于4是供前々贵控制信号V刚作为电动机控制信号Ve的^J:。 PTO控制器200不是 使用节济d反34的位置和M的实际数值，而是在生成前馈控制信号V 时使 用估计位置信号6刚和估计i^l信号cc因此，PTO控制器200完全以前馈 方式工作，而没有使用与节流板34的实际位置或速度相关的4封可反馈信息。还应当理解，通过将前馈控制信号V打。的电压设为预i殳最大电压 V,，而该预设最大电压V隨被调节或乘以々^函数sat (KSAT* w )) ， PTO 控制器200得以用作改进的开关式控制器。当才對以节^i4^oo刚与最大减i4^coMM之间的差值的数量非常
大以致K sat承(CO max—CO pt0 )〉1或K sat* (CO max—W pto) <—1时，前々贵42制4T号VpT。的电压分别设为V隨或VMIN=-V陽的数值。在使V刚的电压在这些预设最大和最小电压
之间切换时，PTO控制器200用作开关式控制器。然而，当才對以节^ii^co阳
与最大减狄CO隨之间的差值的数量非常小以致-KU"CO隨-COmKl时，前 馈控制信号V，被调节或修正为具有等于Vm^Ksat* (COmax-C0j的电压，该电压
落入预设最大和最小电压V,与V訓之间。作为这种调节的结果，PTO控制器 200提供了改进的开关式控制。在按上述方式调节VpTO的电压时，.随着节;;^反34的估计位置移 向期望位置，节流板34进行加速和减速从而促使估计ii^co刚大致遵循由co 醒的数^f彭见定的最大减i4^Mit (图8中的曲线)。图9A和9B分别示出图4所示的本发明示例性实施方式的期望 节流位置6。的阶跃变化增大所引起的用0A和电动机控制信号Ve表示的节流 阀响应的才對以图示。图9A的节流响应示出为节力^反34的实际角位置 时间的变化，该变化发生在时间=0秒时，节流板34的期望开度从0D-30。到 6D=80°发生阶跃函数增大。图9B示出了用于期望节流位置0D的相同阶跃 增大的相应的电动枳4空制信号Ve随着时间的变化。从图9A可以看出，当响应于节;;;^反34的期望位置的上述阶3夭 增大时，节流板34到达80度期望开启位置的上升时间约为12. 3毫秒。这样， 对于期望节流位置的相同阶跃增大而言，与图2A的观有技术电子节流控制系 统的节流响应上升时间的60. 6毫秒相比，本发明的节流上升时间大大减少。节流响应上升时间的这种减少源于在定位节流板34的控制中对 电动机最大可用控制电压(-Vb到+Vb)的更大利用。在本实施方式中，前馈 控制信号V刚的最大和最小值分别设为V,+9伏和V,=-9伏，如图9B所示。紧接着期望节流位置信号6 d的阶跃增大之后，近似时间最优控 制器200将VpTO设为Vm =+9伏从而iiki4加速节流板34朝着期望位置移动。PTO 控制器200然后如上所述调节前馈控制信号V^)的电压，从而随着节流板34 的才對以位置6打。被控制而1￡^斤接近期望位置6。，节济d反34的估计ii^oopro 被控制而逸斩接iOJ^J丈跟随或遵循由图8中的值C0MAx限定的最大减i4^轨 迹。这有助于在图9B的时间-0之后立即出现电动枳4空制信号Vc的振幅的大
幅增大，因为Vpto是Vc的一个分量。当期望和才對以位置之间的误差6sE以及才對^4^co刚的数量都非常小时，前馈控制信号；的电压被设为零(关闭)。然后仅由一M尝控制信号
Vw和pid控制信号v则决定电动机控制信号Ve的振幅，^M尝控制信号Vw和pid
控制信号Vw。用来完成对节流板34从实际位置e a到估计位置e m的移动的控 制。从图9B可以看出， 一旦前馈控制信号Vpra被设为零值，则电动 机控制信号Ve的振幅达到约2. 0伏，从而提供对电动机36的必要^M尝电压 以^#弹簧偏压节^^反34在6 。=80度的期望开启位置。还应当认识到，对V丽和1=-^的电压大小的选择决定了节流 板34朝着期望节流位置e。加速和减速的i4A。这些值越大，节^il34朝着 期望位置6D移动的力口ii^和减ii^斩^高。然而，V慰和V,的等级不能选成 大到使得电动才A4空制电压在图9B所示的最大和最小电动;N空制电压限值 (即，+VB=12^iL-VB=-12伏)处々咏。因此，V腿和V,的数值大小应^实 际需要，而不^f吏得电动枳d空制信号Ve的电压超过电动机控制电压限值+VB
和-VB。在本实施方式中，L和Vp。对电动;f;U空制信号Vc的最大份额被估 计为乂人约+3. 0伏到-3. 0伏。因此，V隨和V醒分别选定为约+9伏和-9伏，以 it^可能引起的电动才/^空制信号Vc的々財口。应当认识到，Vc的不同控制信号 *的相对份额要么通过才對以确定要么通过实验测量确定，这些才對以或实验 测量在命令节^^反34移向不同位置时作出。通过前述内容，应当理解，近似时间最伊Ci空制器200特别地设 计成利用由电动机控制电压限值限定的最大可用电压的绝大部分来提高定位 节法d反34时的加i4^和减ii^,而不会引起电动机控制信号Ve的々M口。必 须为PID控制器204和非线性^M尝器202的工作保留足够的电压。已经发现，在本发明中，PID控制器204可被设计成比传统PID
控制器更积4及，因为本发明所使用的位置误差信号e产e -ea往往小于传统 pid控制器所使用的节流位置误差信号* e产e D- e a。通过前述内容，应当理解，本发明可净^i]于在阀装置-例如具 有由电致动器定位的可动阀构件的电子节流阀的响应时间方面获得重大改 进。还应当理解，改进的响应时间可用于协调^线本、产生^^矩和低^4毛 的致动器。
尽管已经参照某些优选实施方式和实施型式描述了本发明，但 ^Z当理解，在所i^明构思的精神和范围内可以作出大量变化。例如，本 发明可用于控制具有幾性致动以及旋转致动的可动阀构件的阀装置。还应当 理解，本发明适用于控制由电致动器定位的其它类型可动构件的定位，例如 EGR阀等。因此，本发明不受到所公开的实施方式的限制，而是具有所附权 利要求的文字所允许的全部范围。
权利要求
1、一种用于控制阀装置的方法，所述阀装置具有由电致动器定位以打开和关闭所述阀装置的可动阀构件，所述方法包括下列步骤获取表征所述可动阀构件的期望位置的期望位置信号；获取表征所述可动阀构件的实际位置的实际位置信号；根据所述期望位置信号、模拟位置信号和模拟速度信号生成前馈控制信号，其中，所述模拟位置信号和模拟速度信号分别代表从致动器模拟控制信号得到的所述可动阀构件的估计位置和估计速度，所述致动器模拟控制信号用于驱动所述电致动器包含所述前馈控制信号；根据所述可动阀构件的模拟位置信号与实际位置信号之间的差值生成反馈控制信号；将所述前馈控制信号与所述反馈控制信号相结合以生成致动器控制信号；以及将所述致动器控制信号用于驱动所述电致动器，从而控制所述可动阀构件从实际位置移到期望位置。
2、 如权利要求l所述的方法，其中，所述才對以位置信号和才對^i^信号是 通过将所述致动器才對以控制信号用于设备模型而生成的，其中，所述设备模型 提供所述阀装置和所述电致动器响应于所述致动器才對以控制信号而拟于的机电 功能的数学表达。
3、 如权利要求l所迷的方法，还包括下列步骤 根据所述实际位置信号生成州尝控制信号； 根据所述冲對以位置信号生^f執)^M尝控制信号；将所述州尝控制信号与所述反馈控制信号和前馈控制信号相结合以生成所 iii丈动器控制信号；将所述4對以州尝控制信号与所述前馈控制信号相结合以生成所述致动器模扣^空制信号；以及由itb t所述致动器控制信号和致动器才對以控制信号进行4M尝以通过所述电 致动器抵消对抗所述可动阀构件的运动的转矩。
4、 如权利要求l所述的方法，其中，所述前馈控制信号的特征在于电压，所述电压被调节从而在所述可动阀构件的估计位置移至期望位置时促使所述可动阀构件的估计ii^^Jt遵循限定的最大减i^l轨迹。
5、 如权利要求l所述的方法，其中，所述前馈控制信号的特征在于电压， 并且生成所述前馈控制信号的步驶处包括下列步骤确定所述可动阀构件的期望位置和估计位置之间的差值；以及 当所述可动阀构件的期望位置和估计位置之间的差值的大'J 、 d 、于预设阈值 且所述可动阀构件的估计速度的大'J、'J、于预iiii^阈值时，#^乍为所述前々赍控 制信号的特征的电压设为零值，反之，^f乍为所述前馈控制信号的特征的电压 设为按照下列公式确定的值Vmax * sat( Ksat * (coMAX - tOpTO))，其中，VMAx是最大预i殳电压，Sat (KSAT* (OOmax—00 ))是具有自变量KSAT* (00max—COfto) 的々咏函凄丈，KsAT是预设^^增益值，co,是最大减i!A, CO刚是所述可动阀构 件的估计it^。
6、 如权利要求5所述的方法，其中，所i^L大减ii^co隨^f所述可动阀构件的期望位置和估计位置之间的差值而变化，从而限定最大减i!A轨迹，当 所述可动阀构件的期望位置和估计位置之间的差值减为零时，所述可动阀构件的估计i4^被控制为大致遵循所i^大减i!A4^L。
7、 如权利要求l所述的方法，其中，所述前馈控制信号的特征在于电压， 该电压被i殳定为(i )用Vmax表示的最大预设电压，此时KSAT* (co隨-co m) > 1; (i i) 用VMIN=-V鹏表示的最小预设电压，此时Ksat*(comax-coJ<-1;以及(iii)等于KSAT* (COhax—COpro)的电压，此时-1<KSAT* (CO隨-COmKl，其中，V,是最大预设电压， sat(KSAT*( CO max— CO pt0 ))是具有自变量KSAT* ( CO max—CO m)的^^函数，KsAT是预设々財口 增益值，C0MAx是最大减i4^，并且co刚是所述可动阀构件的估计ilA,由此所述可动阀构件从实际位置被选棒l"^k^速和减速到期望位置。
8、 如权利要求7所述的方法，其中，所述致动器控制信号的特征在于电压， 该电压受到限定的最大和最小电动^W空制电压限值的限制，以避免所逸致动器 控制信号的饱和，并JL^"所述前馈控制信号的预设最大和最小电压进行选择， 以便在控制所述阀装置时为所述可动阀构件提供增强的加i4^和减i!A,而不 会亏1 ^^斤i^文动器控制信号的^^。
9、 一种用于控制节流阀的方法，所述节流阀具有由电动机定位以打开和关闭所述节流阀的节流板，所述方法包括下列步骤/A^速5斜反传感器获取期望位置信号，所述期望位置信号表征所述节^i反 的期望位置；从节流阀位置传感器获取实际位置信号，所述实际位置信号表征所述节流 板的实际位置；将控制单元配置成接^^斤述期望位置信号和实际位置信号并iUW亍以下步骤(a )才財居电动^^^空制信号生^i對以位置信号和才絲^l信号，所述模拟位置信号和才勤W4;1信号分别^4从用于驱动所述电动机的所述电动积4勤以 控制信号得到的所述节流板的估计位置和估计i^变；(b)根据所述期望位置信号、所述纟對以位置信号和所述纟對^4^信号生成 前馈控制信号，其中，所述电动机才對以控制信号包含所述前馈控制信号；(c )才M居所述节流板的才對以位置信号与实际位置信号之间的差值生^X馈 控制信号；(d )将所述前馈控制信号与所述反馈控制信号相结合以生成电动才;W空制信 号；以及(e )将所述电动4/U空制信号用于驱动所述电动机，从而控制所述节流板从 实际位置移到期望位置。
10、 如权利要求9所述的方法，其中，所述控制单iti^颠己置成提側緣 所述节流阀和所述电动枳4似亍的机电功能的数学模型，并且所述节流板的才對以 位置信号和才勤^4^信号是通过将所述电动初^對以控制信号用于驱动由所述数 学模型代表的所述电动机而生成的。
11、 如权利要求9所述的方法，其中，所述控制单^^S己置成4似亍以下步骤(f) 才財居所述实际位置信号生成SM尝控制信号；(g) 根据所述纟對以位置信号生成一勤以州尝控制信号；(h) 在生成所述电动才/U空制信号时，将所述外H尝控制信号与所述反馈控制 信号和前馈控制信号相结合；(i )将所述模拟州尝控制信号与所述前馈控制信号相结合以生成所述电动 才M對W空制信号；由jtb 寸所述电动冲;^空制信号和所述电动枳^^t空制信号进行:^尝以便通过 所述电动才;i4氏消对抗所述节流板的运动的转矩。
12、 如权利要求ii所述的方法，其中，所述节流阀包括弹簧4/^勾，并，t 4材争矩包括由所述弹簧才;U勾产生的弹簧偏压转矩。
13、 如权利要求9所述的方法，其中，所述前馈控制信号的特征在于电压， 该电压被调节从而在所述节流板的估计位置移至期望位置时促使所述节流板的估计i4A^J丈遵循限定的最大减:i4^4九迹。
14、 如权利要求9所述的方法，其中，所述前馈控制信号的特征在于电压，并且生成所述前馈控制信号的步衝&包括下列步骤确定所述节流板的期望位置和估计位置之间的差值；以及当所述节流板的期望位置和估计位置之间的差值的全^H直d 、于预设阈值且所述节流板的估计#的纟&于值'〗、于预设it^阈值时，将所述前馈控制信号的 电压设为零，反之，#^乍为所述前馈控制信号的特征的电压设为按照下列公式Vmax * sat( Ksat * (C0max - Wpto))'其中，V而是最大预设电压，sat(KSAT*(coMAx-OOTO))是具有自变量KSAT*(com-co ) 的々財口函数，KsAT是预设々財口增益值，co隨是最大减iUl,而w刚是所述节^i反 的估计速度。
15、 如权利要求9所述的方法，其中，所述前馈控制信号的特征在于电压， 生成所述前馈控制信号的步^ii包括将作为所述前馈控制信号的特征的电压设 为预设最大电压的步骤，所述预设最大电压按照限定的饱和函数被调节，所述 饱和函数根据所述节流板的期望位置和估计位置之间的差值以^J斤述才勤WlA 信号而变化，由此使所述节力^反从实际位置选棒l^也加速和减速移动到期望位 置。
16、 如权利要求15所述的方法，其中将所述前馈控制信号的电压设为等于V^Sat(Ks^(COMAX-CO一)，其中，Vm是预设最大电压，sat ^4限定的々財口函数，KsAT是预设^^增益值，co隨是根据所述节流板的期望位置和估计位置之间的差值确定的最大)Ail度，而C0pm是所述节^^反的估计i!A。
17、 如权利要求15所述的方法，其中，所述电动机控制信号的特征在于电压，该电压受到限定的最大和最小电动才;U空制电压限值的限制，以避免所述电 动才;U空制信号的^^,并且对所述预设最大电压进行选择，以便在控制所述节 流阀时为所述节^+反提供增强的加it^和减i4^，而不会引起所述电动机控制 信号的々&^。
18、 一种用于控制节流阀的系统，所述节流阀具有由电动机定位以打开和 关闭所述节流阀的节流板，所述系统包括加速3斜反位置传感器，其提供表征所述节流板的期望位置的期望位置信号； 节流阀位置传感器，其提供表征所述节流板的实际位置的实际位置信号； 控制单元，^4妾4W斤述实际位置信号和期望位置信号并且被编程为 (a )根据电动才M執M空制信号生^i勤以位置信号和才對W4^信号，所述模 拟位置信号和才對WIA信号分别^4从用于驱动所述电动机的电动枳4對W空制信号得到的所述节;^反的估计位置和估计i4^;(b)根据所述期望位置信号、所述才對以位置信号和所述才對^4^^言号生成 前馈控制信号，其中，所述电动积^IW空制信号包含所述前馈控制信号；(c )根据所述节流板的才對以位置信号与实际位置信号之间的差值生成反馈 控制信号；(d )将所述前馈控制信号与所述反馈控制信号相结合以生成电动机控制信 号；以及(e) 将所述电动^U空制信号用于驱动所述电动机，从而控制所述节;;^反从 实际位置移到期望位置。
19、 如权利要求18所述的系统，其中，所述控制单iti^icS己置成提^f^ 所述节流阀和所述电动枳4A/f亍的机电功能的数学模型，并且所述节流板的才對以 位置信号和才對W4vl信号是通过将所述电动积^勤以控制信号用于驱动由所述数 学模型代表的所述电动机而生成的。
20、 如权利要求18所述的系统，其中，所述控制单元还被编程为(f) 根据所述实际位置信号生成州尝控制信号；(g) 根据所述才對以位置信号生^4對以州尝控制信号；(h) 在生成所述电动才A4空制信号时，将所述州尝控制信号与所述反馈控制 信号和前馈控制信号相结合；(i )将所述才對以州尝控制信号与所述前馈控制信号相结合以生成所述电动才M勤以控制信号；以及由jtb^所述电动才x4空制信号和所述电动积^對W空制信号进fr^尝以通过所 述电动才;U氐消对抗所述节流板的运动的转矩。
21、如权利要求18所述的系统，其中，所述前馈控制信号的特征在于电压，该电压被调节从而在所述节流板的估计位置移至期望位置时促使所述节流板的估计i4^^it遵循限定的最大减it^4AiC
全文摘要
本发明公开一种用于控制电动机对阀装置的可动构件的定位的系统和方法。使用一种模型来生成从用于驱动电动机的致动器控制信号得到的可动阀构件的估计位置和速度。致动器控制信号包括与前馈控制信号相结合的反馈控制信号。根据可动阀构件的估计位置和实际位置之间的差值生成反馈控制信号，同时根据期望位置、估计位置和估计速度生成前馈控制信号。对前馈信号进行调节，从而在可动阀构件的估计位置移至期望位置时促使估计速度大致遵循限定的最大减速度轨迹。本发明提供一种示例性实施方式，其中本发明的原理被用于电子节流阀的控制。
文档编号F02D9/10GK101688478SQ200880016862
公开日2010年3月31日 申请日期2008年2月27日 优先权日2007年3月28日
发明者A·S·克鲁帕达纳姆 申请人:通用汽车环球科技运作公司