积分分离算法在节气门控制中的应用

【摘 要】汽油机节气门的控制有多种算法，其算法的优劣直接影响到汽油机的工作性能和经济性能，因此对汽油机节气门控制中算法的研究就显得非常重要。在传统的PID控制中，当油门踏板突然变化较大时，容易产生振动，影响发动机的性能。而本文提出积分分离算法，当偏差信号大于设定阀值时采用PD控制，否则采用PID控制，不但可以防止产生太大超调，而且加快了响应速度，提高了控制精度。

【关键词】节气门；算法；积分分离；PID控制

0 引言

节气门是往复活塞式内燃机进气道中控制进气量大小的关键部件，目前市场上节气门按照控制方式主要分为刚性控制节气门和柔性控制节气门。柔性控制节气门按照驱动执行器又可分为：步进电机控制和直流电机控制，本文主要研究步进电机式节气门的控制，并对此提出一种新的控制算法。

1 步进电机式节气门的结构及控制原理

步进电机式节气门主要由步进电动机、进给丝杆、阀座、阀芯等组成。步进电动机可以正、反转，通过进给丝杆把电动机的旋转运动转变成阀芯的直线运动，以调节旁通空气通道的的截面积、改变进气量的大小。踏板位置传感器用来采集加速踏板的位置信号，并将该信号转变为电压信号输入到ECU，同时ECU根据发动机转速和曲轴位置传感器、空气流量传感器等，进行运算处理，然后输出PWM脉冲信号，控制步进电动机转动相应的角度。与节气门轴相连的节气门位置传感器将节气门位置信号反馈给ECU，构成闭环位置控制系统。PWM脉冲信号占空比与步进电机转角存在一定的比例关系。

2 传统PID控制算法

传统的节气门控制通常采用位置式PID控制算法，其其数学公式表述如下：

u（k）=kp〔error（k）+■■error（j）+■（error（k）-error（k-1））〕

=kperror（k）+ki■error（j）T+kp■

式中，ki=kp/T■，kD=kpTD，T为采用周期，k为采样序号（k=1，2···），error（k-1）和error（k）分别为第k-1和第k时刻所得的偏差信号。

ECU处理过程中，将节气门目标位置TPS0与节气门位置传感器反馈会来的当前位置TPSR作差，所得数据ERRTPS即为PID控制算法的输入量。通过PID处理之后，ECU输出一定占空比的PWM脉冲信号，其流程图如图1所示。

图1 位置式PID算法流程图

采用位置式PID算法控制时，当踩踏油门踏板之初，或突然油门踏板变化幅度较大时，由于系统地输出偏差较大，造成积分算法的积分累积，导致PWM脉冲占空比大于1，导致步进电动机控制的节气门非常不稳定，而产生较大的振动。直接影响了进气道内气流的平滑性。因此有必要对节气门控制算法进行改进。

3 积分分离算法在节气门控制中的应用

积分分离算法应用在节气门控制中，效果尤为明显。该算法的基本思路为，当ECU计算出的数据与设定值偏差较大时，取消积分的作用，从而避免了积分作用导致的系统稳定性降低，超调量增大；当计算出的数据与设定值接近时，引入积分控制，以此来消除静差，提高系统地控制精度。

具体方法如下：

（1）根据实际情况，认为设定阀值ε>0。

（2）当error（k）>ε时，采用PD控制，既可以防止产生太大超调，又可以使系统有较快的响应。

（3）error（k）≤ε时，采用PID控制，以此来保证系统的精确度。

积分分离控制节气门算法数学表达为

u（k）=kperror（k）+βki■error（j）T+kd■

式中，T为采样时间，β为积分项选择系数

β=1 error（k）≤ε0 error（k）>ε

将上式离散化，则：

α=kpek+βki■ej+kd（ek-ek-1）+α0

根据上式所得流程图如图2。

图2 积分分离算法流程图

4 结论

本文对汽油机节气门控制算法进行优化，提出积分分离算法，避免了因油门踏板突然大幅度变动而引起节气门振动的问题，从而使发动机运行更加稳定，最后通过编制计算机程序，将实验实测数据作为程序的输入量，进行在线模拟。结果表明该算法运行稳定，效果明显。

【参考文献】

[1]白志刚.自动调节系统解析与PID整定[M].北京：化学工业出版社，2012，7.

[2]霍罡.可编程序控制器模拟量及PID算法应用案例[M].北京：高等教育出版社，2008，3.

[责任编辑：刘帅]

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