基于连续快速非奇异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，尤其是一种基于有限时间精确观测器的连续快速非奇异终端滑模技术的汽车电子节气门控制方法。

背景技术

随着汽车工业的快速发展，人们对汽车性能提出了更高的要求。电子节气门(automobileelectronicthrottle，aet)作为汽车发动机管理系统的重要组成部分，其控制效果的好坏直接影响着汽车整体的动力性、安全性和稳定性。目前电子节气门控制技术广泛运用于汽车发动机的控制，代替了传统节气门直接连接到加速器踏板的机械设备，并且此技术是改造和提升汽车整体性能的一个重要途径。

传统的发动机节气门在获取节气门开度角时，不考虑内部燃油效率和外部道路情况及天气条件，从而大大影响发动机的整体工作效率。aet系统可以同时调节发动机的进气量和燃料，能够精确控制空气燃料比。aet系统的优点在于不仅使燃料消耗和气体排放均减少，同时提高了汽车整体的驾驶性能和舒适度。

典型的aet系统包括直流电机、减速齿轮装置、节气阀以及复位弹簧装置。虽然目前国内外的研究者对电子节气门研究做了大量工作，但是还存在一些尚未解决的问题影响着系统的稳定性：节气门本体中的弹簧非线性和齿轮齿条间隙、摩擦、电机和节气阀等组件的参数不确定以及内外部干扰等问题。这些都降低了电子节气门控制系统的跟踪精度。因此，为了实现电子节气门控制系统的高精度跟踪目的，必须抑制上述参数的不确定性和非线性。

对参数不确定性和高非线性度的成功处理取决于控制策略的合理设计。如题为“lpvmodellingandmixedconstrainedh2/h∞controlofanelectronicthrottle，”s.zhang，j.yang，andg.zhu，ieee/asmetrans.mechatro.，vol.20，no.5，pp.2120-2132，oct.2015.(“电子节气门的lpv建模和混合约束h2/h∞控制”，s.zhang，j.yang，andg.zhu，《ieee学报-机电期刊》，2015年10月，第20卷第5期2120-2132)的文章提出的h2/h∞最优控制，但是其输出跟踪性能和鲁棒性不是很好，特别是在大范围参数不确定和扰动出现的时候。此外神经网络控制和模糊控制可以用来处理复杂的不确定性和非线性，但所采用的技术不能覆盖aet系统的整个工作条件。另外自适应控制可以用来估计系统信息，但是如果系统模型因设备的不确定性而有很大的差异，闭环性能就无法得到很好的保持。

由于滑模(sm)控制在保持鲁棒性能和提高干扰抑制能力方面的显著优势。sm控制已成功应用于aet控制系统。然而,滑模控制有两个主要的缺点:一方面,采用较大的固定开关控制增益来抑制不确定性和扰动的影响,导致严重的控制抖动和较大的控制振幅。虽然在如题为“extended-state-observer-baseddouble-loopintegralsliding-modecontrolofelectronicthrottlevalve,”y.li,b.yang,t.zheng,y.li,m.cui,ands.peeta,ieeetrans.intellig.transp.syst,vol.16,no.5,pp.2501-2510,oct.2015.(“基于扩展状态观测器的电子节气门双回路积分滑模控制”，《ieee学报-智能交通系统》2015年10月第16卷第5期2501-2510页)的文章中使用所谓的边界层(bl)方法可以消除不需要的抖振,但代价是降低跟踪性能和鲁棒性。另一方面,在基于sm的aet控制系统中采用线性滑动面,在滑动模式下可以保证闭环系统的有限时间收敛,但输出跟踪误差渐近收敛到零就需要无穷的时间。

为了进一步提高sm控制的收敛速度,如题为"non-singularterminalslidingmodecontrolofrigidmanipulators,"y.feng,x.yu,andz.man，automatica,vol.38,no.12,pp.2159-2167,dec.2002.(“刚性机器手的非奇异终端滑模控制”，y.feng,x.yu,andz.man，《自动化》，2002年12月第38卷第12期2159-2167页)的文章中利用非线性开关函数,提出了一种著名的终端滑模(tsm)控制和无控制奇异性的终端滑模(ntsm),以保证有限时间收敛性和改进的高瞬态和稳态跟踪精度，但是其存在抖振的问题。这种潜在的缺点已经被全阶滑模控制、结合tsm和超螺旋技术的连续tsm控制和连续快速非奇异终端滑模(cfntsm)控制解决了，特别是cfntsm控制不仅能保持ntsm控制的优越性,而且能实现快速的状态收敛并能有效减小抖振,使其成功应用于各种实际的机电系统。

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.设计控制器的时候，大多作者以牺牲系统的输出跟踪性能和鲁棒性为代价解决参数不确定性和高非线性度等问题，同时也没有考虑车辆行驶的实时工况带来的模型变化。

2.系统模型因设备的不确定性而有很大的差异,系统的闭环性能很难得以保持。

3.传统的滑模(sm)控制方法容易产生较大振幅的抖振现象且闭环系统虽然是有限时间收敛,但输出跟踪误差很难在有限时间内渐近收敛到零。

因此，本领域需要一种能够实现在aet系统中克服节气门参数干扰问题并保证误差的快速收敛和参数扰动下系统的高精度追踪性能的控制方法，以实现对非线性动力学的电子节气门的快速、精准的控制。

技术实现要素：

针对以上分析，本发明以cfntsm技术的显著优点为启发，提出了一个很好解决上述问题的一种基于连续快速非奇异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的位置信号采集，使用观测器对系统集总扰动进行估计，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，先根据步骤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，然后通过基于有限时间精确观测器的连续快速非奇异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，得到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所述基于有限时间精确观测器的连续快速非奇异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；jaet0为电子节气门系统的转动惯量标称值；baet0为电子节气门系统的阻尼系数标称值；为控制输入的系数；τf，sp0为摩擦弹簧转矩τf，sp的标称值，且τf，sp0＝τf0+τsp0，其中τf0为电子节气门系统的摩擦力矩τf的标称值，τsp0为电子节气门系统的弹簧回正力矩τsp的标称值；dlum为电子节气门系统的集总扰动；

步骤3.2，二阶有限时间精确观测器的设计

通过设计二阶有限时间精确观测器计算得到的估计值和dlum的估计值

二阶有限时间精确观测器的设计公式如下：

式中：

是系统误差e的一阶导数，且其中是节气门输出角度θt的一阶导数，是脚踏板开度角θref的一阶导数；

v0是二阶有限时间精确观测器1的中间变量；

v1是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是二阶有限时间精确观测器1的输出值，且其中是系统误差的一阶导数的估计值，是有限时间精确观测器1的输出值z0的一阶导数；

z1是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估计值dlum的估计值，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，控制器设计

(1)求滑模面函数s，其表达式为：

其中：

λf1是终端滑模控制器的比例参数1，且是一个正数；

λf2是终端滑模控制器的比例参数2，且是一个正数；

α1是终端滑模控制器的指数参数1，且有1＜α1＜2；

α2是终端滑模控制器的指数参数2，且α2＞α1；

sign(·)为符号函数；

(2)最佳控制电压

u＝u0+u1+u2

其中u0为等效控制电压，u1为趋近律控制电压，u2为动态补偿电压；u0、u1、u2表达式如下：

sign(·)为符号函数；

式中：

k1是终端滑模控制器趋近律参数1，且是一个正数；

k2是终端滑模控制器趋近律参数2，且是一个正数；

α3是终端滑模控制器的动态补偿控制律参数，且0＜α3＜1。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

1.提出了一种保证系统轨迹在有限时间内收敛的新的cfntsm型滑模面，控制器采用了快速tsm型趋近律，能够在趋近滑模面阶段实现有限时间稳定。

2.系统非线性和外部干扰由有限时间精确观测器估计和补偿，因而能有效避免对复杂不确定信息的依赖。

3.详细的给出了将观测器动力学与滑模反馈控制相结合的全闭环系统的稳定性分析。

附图说明

图1是本发明中控制方法的流程图。

图2是本发明中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幅值连续改变的阶跃信号跟踪曲线图。

图4是对电子节气门系统使用本发明进行控制后的幅值连续改变的阶跃信号跟踪误差曲线图。

图5是对电子节气门系统使用本发明进行控制后的正弦信号的跟踪曲线图。

图6是对电子节气门系统使用本发明进行控制后的正弦信号跟踪误差曲线图。

图7是对电子节气门系统使用本发明进行控制后的有扰动插入的跟踪曲线图。

图8是对电子节气门系统使用本发明进行控制后的有扰动插入的跟踪误差曲线图。

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。显然所描述的实施例仅是本发明实施例的一部分，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的其它实施例，都属于本专利的保护范围。

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的位置信号采集与使用观测器对电子节气门系统集总扰动进行估计，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，先根据步骤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，然后通过基于有限时间精确观测器的连续快速非奇异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，得到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。

基于有限时间精确观测器的连续快速非奇异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；jaet0为电子节气门系统的转动惯量标称值；baet0为电子节气门系统的阻尼系数标称值；为控制输入的系数；τf，sp0为摩擦弹簧转矩τf，sp的标称值，且τf，sp0＝τf0+τsp0，其中τf0为电子节气门系统的摩擦力矩τf的标称值，τsp0为电子节气门系统的弹簧回正力矩τsp的标称值；dlum为电子节气门系统的集总扰动；

在本实施例中，电子节气门系统模型各个参数取值如下表所示：

步骤3.2，二阶有限时间精确观测器的设计

通过设计二阶有限时间精确观测器计算得到的估计值和dlum的估计值

二阶有限时间精确观测器的设计公式如下：

式中：

是系统误差e的一阶导数，且其中是节气门输出角度θt的一阶导数，是脚踏板开度角θref的一阶导数；

v0是二阶有限时间精确观测器1的中间变量；

v1是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且它是一个正数；

λ1为二阶有限时间精确观测器参数2且它是一个正数；

λ2为二阶有限时间精确观测器参数3且它是一个正数；

k为二阶有限时间精确观测器参数4且它是一个正数；

z0是二阶有限时间精确观测器1的输出值，且其中是系统误差的一阶导数的估计值，是有限时间精确观测器1的输出值z0的一阶导数；

z1是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估计值dlum的估计值，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；

在本实施例中，二阶有限时间观测器各个参数取值如下表所示：

步骤3.3，控制器设计

(1)求滑模面函数s，其表达式为：

其中：

λf1是终端滑模控制器的比例参数1，且是一个正数；

λf2是终端滑模控制器的比例参数2，且是一个正数；

α1是终端滑模控制器的指数参数1，且有1＜α1＜2；

α2是终端滑模控制器的指数参数2，且α2＞α1；

sign(·)为符号函数；

(2)最佳控制电压

u＝u0+u1+u2

其中u0为等效控制电压，u1为趋近律控制电压，u2为动态补偿电压；u0、u1、u2表达式如下：

sign(·)为符号函数；

式中：

k1是终端滑模控制器趋近律参数1，且是一个正数；

k2是终端滑模控制器趋近律参数2，且是一个正数；

α3是终端滑模控制器的动态补偿控制律参数，且0＜α3＜1。

在本实施例中，终端滑模控制器的各个参数取值如下表所示：

图2是本发明中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、mcu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。

mcu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，然后通过基于有限时间精确观测器的连续快速非奇异终端滑动控制算法算的最佳控制电压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4、图5、图6、图7和图8所示的曲线。图3和图4分别是对电子节气门系统使用本发明进行控制后的幅值连续改变的阶跃信号跟踪曲线和跟踪误差曲线图。图5和图6分别是对电子节气门系统使用本发明进行控制后的正弦信号的跟踪曲线图和跟踪误差曲线图。图7和图8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插入的跟踪曲线图和跟踪误差曲线图。

从这些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，实现了对非线性动力学的节气门的快速、准确的控制。