基于龍伯格滑模觀測(cè)器的電子節(jié)氣門(mén)自適應(yīng)反步控制方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于龍伯格滑模觀測(cè)器的電子節(jié)氣門(mén)自適應(yīng)反步控制方法，涉及汽車(chē)電子控制【技術(shù)領(lǐng)域】。首先，針對(duì)電子節(jié)氣門(mén)開(kāi)度變化不可測(cè)量問(wèn)題，該方法基于電子節(jié)氣門(mén)狀態(tài)方程，采用龍伯格滑模觀測(cè)器對(duì)其進(jìn)行估計(jì)；然后，利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的逼近特性，對(duì)非線(xiàn)性未知量——齒輪間隙扭矩進(jìn)行逼近；最后，在李雅普諾夫穩(wěn)定性理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合非線(xiàn)性反步控制方法，分別設(shè)計(jì)了控制律、RBF網(wǎng)絡(luò)權(quán)值更新律及擾動(dòng)自適應(yīng)律。本發(fā)明能夠較好地克服電子節(jié)氣門(mén)控制中存在的非線(xiàn)性因素以及一些參數(shù)容易時(shí)變的難題，進(jìn)一步提高了控制效果和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于龍伯格滑模觀測(cè)器的電子節(jié)氣門(mén)自適應(yīng)反步控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及汽車(chē)電子控制領(lǐng)域，具體是一種汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)電子節(jié)氣門(mén)控制(ETC)方法，該方法是基于龍伯格滑模觀測(cè)器的自適應(yīng)反步控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著汽車(chē)工業(yè)的不斷發(fā)展以及人們對(duì)汽車(chē)性能要求的不斷提高，相比于傳統(tǒng)機(jī)械連接的節(jié)氣門(mén)，電子節(jié)氣門(mén)得到了廣泛的使用，其控制結(jié)構(gòu)如附圖1所示。傳統(tǒng)的節(jié)氣門(mén)是通過(guò)駕駛員操作與節(jié)氣門(mén)閥片機(jī)械連接的加速踏板來(lái)控制節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度完全取決于駕駛員的操作意圖，容易造成排放不達(dá)標(biāo)，并且駕駛員的誤操作會(huì)給駕駛帶來(lái)安全隱患。電子節(jié)氣門(mén)則是發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元(ECU)通過(guò)驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制伺服電機(jī)來(lái)控制節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，可以精確的控制進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的空氣流量，從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比進(jìn)行精確控制。這樣，電子節(jié)氣門(mén)能夠根據(jù)駕駛員的需求愿望以及整車(chē)各種行駛狀況確定節(jié)氣門(mén)的最佳開(kāi)度，保證車(chē)輛最佳的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，并具有牽引力控制、巡航控制，提高安全性和乘坐舒適性等優(yōu)點(diǎn)。
[0003]電子節(jié)氣門(mén)主要由直流電機(jī)、減速齒輪、節(jié)氣門(mén)位置傳感器、復(fù)位彈簧等組成，其結(jié)構(gòu)如附圖2所示。電子節(jié)氣門(mén)的基本結(jié)構(gòu)和基本控制原理還可參考申請(qǐng)?zhí)枮?00710163863.0, 201110250720.X和200910044150.1等的專(zhuān)利公開(kāi)文本。電子節(jié)氣門(mén)是復(fù)雜的機(jī)電耦合系統(tǒng)，節(jié)氣門(mén)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，受到復(fù)位彈簧扭矩、阻尼力矩、粘性摩擦扭矩、電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩、齒輪間隙扭矩及擾動(dòng)的作用，并存在非線(xiàn)性不確定因素(齒輪間隙扭矩)和擾動(dòng)的影響。此外，電子節(jié)氣門(mén)的長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)使節(jié)氣門(mén)閥片產(chǎn)生油污積碳、電機(jī)老化、齒輪傳遞機(jī)械特性變差及節(jié)氣門(mén)參數(shù)變化等問(wèn)題，致使電子節(jié)氣門(mén)難以控制。雖然傳統(tǒng)PID控制策略能夠?qū)﹄娮庸?jié)氣門(mén)進(jìn)行控制，但在節(jié)氣門(mén)閥片產(chǎn)生油污積碳、電機(jī)老化及齒輪長(zhǎng)時(shí)間磨損后，原有的控制器控制參數(shù)已不能滿(mǎn)足當(dāng)前控制需求，導(dǎo)致汽車(chē)在啟動(dòng)和行駛中經(jīng)常出現(xiàn)熄火現(xiàn)象，如福特?？怂蛊?chē)在怠速啟動(dòng)階段經(jīng)常熄火，就是因?yàn)榭刂破鞑荒軐?duì)控制量進(jìn)行自適應(yīng)補(bǔ)償，使原有控制器控制量不能滿(mǎn)足現(xiàn)有情況下的扭矩需求。此外，應(yīng)該指出的是，傳統(tǒng)的PID控制不僅控制參數(shù)難以調(diào)整而且難以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制，導(dǎo)致傳統(tǒng)的PID控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能較差，并且由于節(jié)氣門(mén)粘性摩擦、滑動(dòng)摩擦，以及復(fù)位彈簧非線(xiàn)性因素的存在，使得電子節(jié)氣門(mén)的精確控制變得異常困難，因此電子節(jié)氣門(mén)控制算法的研究引起了學(xué)界的廣泛關(guān)注。
[0004]近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已對(duì)電子節(jié)氣門(mén)控制算法做了相關(guān)研究，并取得了一定的成果，遺憾的是，諸多控制策略對(duì)電子節(jié)氣門(mén)控制存在的問(wèn)題考慮分析不全面，從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)的控制器魯棒性差，控制效果難以嚴(yán)格的達(dá)到電子節(jié)氣門(mén)的控制要求。il.0zgiiner等通過(guò)滑?？刂扑惴ńY(jié)合滑模觀測(cè)器對(duì)電子節(jié)氣門(mén)進(jìn)行控制，值得注意的是，該方法并未考慮到齒輪間隙扭矩并存在抖動(dòng)[1，2]，為此，H.Martin等采用高階滑?？刂仆瓿闪穗娮庸?jié)氣門(mén)控制器的設(shè)計(jì)，扭曲算法和超扭曲算法的使用消除了變結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的抖動(dòng)[3]。M.VaSak等采用模型預(yù)估優(yōu)化控制，但由于采樣時(shí)間短導(dǎo)致其不能使用混合整數(shù)規(guī)劃求解器在線(xiàn)計(jì)算優(yōu)化控制輸入[4]。以此為切入點(diǎn)，M.BaotM等通過(guò)在離線(xiàn)動(dòng)態(tài)規(guī)劃過(guò)程中對(duì)狀態(tài)反饋控制律進(jìn)行預(yù)計(jì)算解決了這一問(wèn)題[5]應(yīng)該指出的是，在參數(shù)變動(dòng)和擾動(dòng)存在時(shí)，優(yōu)化控制技術(shù)不能確?？刂破鞯聂敯粜?。P.Danijel等采用基于非線(xiàn)性補(bǔ)償器的自校正PID控制算法，雖然實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)，并且能夠?qū)Ψ蔷€(xiàn)性的系統(tǒng)摩擦和Limp-home影響因素進(jìn)行補(bǔ)償，但是對(duì)于帶有補(bǔ)償器的PID控制器，如何選擇補(bǔ)償器的參數(shù)來(lái)確保穩(wěn)定性是不確定的，同時(shí)自校正的PID控制需要辨識(shí)對(duì)象參數(shù)[6，7]。M.Bari0等采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的滑?？刂?，使控制系統(tǒng)不僅具有自適應(yīng)性還具有良好的魯棒性，但滑?？刂圃谳^小的采樣時(shí)間內(nèi)需要非常高的計(jì)算量[8]。王耀南等采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)電子節(jié)氣門(mén)進(jìn)行控制，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自適應(yīng)性，不足之處在于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器學(xué)習(xí)容量大，導(dǎo)致難以在微控制器中被運(yùn)行[9，10]。
[0005]電子節(jié)氣門(mén)控制的本質(zhì)是將節(jié)氣門(mén)實(shí)際開(kāi)度控制在期望開(kāi)度附近，同時(shí)也需要保證其實(shí)時(shí)性和快速性，而精確的電子節(jié)氣門(mén)控制能夠改善汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性，排放性和操作性能。因此，針對(duì)電子節(jié)氣門(mén)控制仍然存在的問(wèn)題，需要采用一種性能優(yōu)良的控制方法對(duì)其進(jìn)行控制，以獲得更好的控制效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]實(shí)際中，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度變化量一般是不可測(cè)的，并且非線(xiàn)性未知量(齒輪間隙扭矩)對(duì)控制器的設(shè)計(jì)也具有一定的影響。因此，針對(duì)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度變化量不可測(cè)以及存在非線(xiàn)性未知量(齒輪間隙扭矩)的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于龍伯格滑模觀測(cè)器的電子節(jié)氣門(mén)自適應(yīng)反步控制方法，該控制方法具有精度高，動(dòng)態(tài)性能好，自適應(yīng)程度高的特點(diǎn)。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種基于龍伯格滑模觀測(cè)器的電子節(jié)氣門(mén)自適應(yīng)反步控制方法，針對(duì)電子節(jié)氣門(mén)的控制要求，在電子節(jié)氣門(mén)非線(xiàn)性模型的基礎(chǔ)上，首先采用龍伯格滑模觀測(cè)器，根據(jù)節(jié)氣門(mén)的實(shí)際開(kāi)度Θ和默認(rèn)開(kāi)度Qtl對(duì)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的變化量進(jìn)行估計(jì)，得到節(jié)氣門(mén)開(kāi)度變化量的估計(jì)值X毛；其次采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)齒輪間隙扭矩Tg進(jìn)行估計(jì)；最后結(jié)合李雅普諾夫穩(wěn)定性理論獲得自適應(yīng)反步控制律，輸出控制輸入電壓u控制電子節(jié)氣門(mén)的直流電機(jī)對(duì)電子節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度進(jìn)行控制。
[0008]本發(fā)明中的節(jié)氣門(mén)的實(shí)際開(kāi)度θ和默認(rèn)開(kāi)度Qtl的獲取可以參考申請(qǐng)?zhí)?00710163863.0和201110250720.X中的獲取方法，但是不限于其中列舉的現(xiàn)有方法。
[0009]所述龍伯格滑模觀測(cè)器的表達(dá)式為:
【權(quán)利要求】
1.基于龍伯格滑模觀測(cè)器的電子節(jié)氣門(mén)自適應(yīng)反步控制方法，其特征在于:首先采用龍伯格滑模觀測(cè)器，根據(jù)節(jié)氣門(mén)的實(shí)際開(kāi)度Θ和默認(rèn)開(kāi)度Qtl對(duì)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的變化量進(jìn)行估計(jì)，得到節(jié)氣門(mén)開(kāi)度變化量的估計(jì)值毛；其次采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)齒輪間隙扭矩Tg進(jìn)行估計(jì)；最后結(jié)合李雅普諾夫穩(wěn)定性理論獲得自適應(yīng)反步控制律，輸出控制輸入電壓u控制電子節(jié)氣門(mén)的直流電機(jī)對(duì)電子節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度進(jìn)行控制； 所述龍伯格滑模觀測(cè)器的表達(dá)式為:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于龍伯格滑模觀測(cè)器的電子節(jié)氣門(mén)自適應(yīng)反步控制方法，其特征在于:在所述獲得自適應(yīng)反步控制律時(shí)，用節(jié)氣門(mén)開(kāi)度變化量的估計(jì)值毛代替節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的變 化量
【文檔編號(hào)】F02D11/10GK104018944SQ201410165505
【公開(kāi)日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年4月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月23日
【發(fā)明者】鄭太雄, 楊斌, 李銀國(guó), 王波 申請(qǐng)人:重慶郵電大學(xué)