论文总字数：22372字

摘 要

节气门的作用是控制发动机的进气流量，决定发动机的运行工况。驾驶员通过操作加速踏板来操纵节气门开度。同时加速踏板和节气门的连接方式有两种：刚性连接和柔性连接。本文中讨论的柔性连接方式取消了传统的机械连接，通过电控单元控制节气门快速精确地定位，因此又称为电子节气门。电子节气门控制系统通过将油门踏板的运动转换成送往发动机管理系统的数码信号，来精确控制发动机输出功率，从而带来更平稳的功率输出，以及更低的排放和更高的燃油效率。而优秀的节气门控制系统需要对控制量快速响应，同时抑制超调。

本文对节气门的系统的模型机理进行了分析，建立了气节门的数学模型利用MATLAB软件平台搭建了仿真模型。节气门本身是一个非线性的时变系统。在系统的机械结构中则存在着三种非线性，非线性摩擦力、复位弹簧非线性和齿隙非线性。由于电子节气门是一个机电结合的传动系统，由直流电机、两个复位弹簧、齿轮减速装置、节气门位置传感器和节流阀片组成。当整个系统转动工作时，也同样会受到进气气流的不稳定的干扰。论文研究了基于PID的节气门控制系统方案给出了仿真模型和参数调节分析。为了提升闭环系统的抗干扰能力，利用自抗扰控制算法，论文提出了基于自抗扰控制的节气门控制系统方案。设计了扩张状态观测器实现了扰动的估计，提出了复合控制算法来补偿干扰带来的不利影响，最终给出了仿真实现和对比分析。

关键词：节气门，MATLAB，PID控制器，自抗扰，模型，ADRC。

A PRELIMINARY STUDY ON THE CONTROL OF THE

THROTTLE VALVE SYSTEM

Abstract

The function of the throttle valve is to control the intake flow rate of the engine, to determine the operating conditions of the engine, and the driver can speed up the pedal to control the opening of the throttle valve. At the same time, there are two ways to speed up between the pedal and the throttle valve: rigid connection and flexible connection. The flexible connection mode, which is discussed in this paper, cancels the traditional mechanical connection. The throttle valve is controlled by the electronic control unit to quickly and accurately locate the throttle. Electronic throttle control system by the movement of the accelerator pedal is converted into digital signal sent to the engine management system, to accurately control the output power of the engine, so as to bring a more stable power output, and lower emissions and higher fuel efficiency. But the excellent throttle valve control system needs to respond quickly to the control quantity while suppressing the overshoot.

In this paper, the system model of the throttle mechanism is analyzed and established. The simulation model is built by using MATLAB software platform. The throttle is a nonlinear time varying system. In the mechanical structure of the system, there are three kinds of nonlinearities i.e., nonlinear friction force, reset spring and backlash nonlinearity. The electronic throttle is a mechanical and electrical combination of the transmission system, by the DC motor, two reset springs, gear reduction device, throttle position sensor and throttle valve. When the whole system works, it is also affected by the instability of the intake air flow. In this paper, the simulation model and parameter adjustment of the throttle control system based on PID are studied. In order to improve the anti-interference ability of the closed loop system, the scheme of the throttle control system based on auto disturbance rejection control is proposed in this paper. The extended state observer is designed to realize the disturbance estimation, and the complex control algorithm is proposed to compensate the adverse effects.

KEYWORDS: throttle valve, PID controller,anti- interference, model, ADRC.

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 节气门控制系统 1

1.3 节气门控制系统研究现状 2

1.4 本文的研究目的和主要研究内容 3

1.5 本文使用的控制方法 3

1.5.1 PID控制 3

1.5.2 自抗扰控制 3

第2章 节气门建模 5

2.1 电子节气门模型建立 5

2.2 电子节气门参数确定 8

2.3 电子节气门模型仿真 8

第3章 节气门控制算法 10

3.1 PID控制 10

3.1.1 PID控制原理 10

3.1.2 PID控制仿真 11

3.1.3 PID控制仿真方法改进 12

3.1.4 PID控制的缺陷 14

3.2 抗干扰控制 15

3.2.1 自抗扰控制原理 15

3.2.2 ESO分析 18

3.2.3 自抗扰控制设计 21

第4章 总结与展望 25

参考文献 26

致谢 28

绪论

引言

随着科学的进步和应用技术不断地更新,汽车工业也不断地继承前人的经验财富不断发展。在世界各地的工业发展中，汽车工业一直占据着重要的地位。与钢铁，航空，原油等其他的国家工业相比，汽车工业拥有着独特的优势使其一直与市场紧密联系。由于其巨大的市场和对经济的刺激作用，汽车工业得以被支持从而飞速发展。而它所带领的经济的发展使得国民进一步对汽车的技术进步产生了要求[1,2]。近年来，中国的汽车工业迅猛发展，2009年各种类型的汽车总产量上升为世界第一位达到1379.12万辆。伴随着产量大幅的上升，汽车的保有率也在同步上升，人们对汽车的依赖性也同步在不断的上升。随着这对汽车的需求的增大，人们每年所使用的燃料也在不断地增加。化石能源的急剧消耗让汽车供应制造商改进其核心技术，来减缓这方面的问题。根据当前的汽车工业的发展趋势，设计符合人类需求安全耗能少污染低的汽车将成为被市场所青睐[3-5]。

而将控制原理的知识运用到汽车技术可以有效地解决上述问题的某些方面，通过电子技术改造、提高汽车性能是使用控制技术最重要的途径。在当前的汽车系统中，节气门部分恰好就是一个结合了控制技术和电子技术的系统[6]。这个部分作为汽车重要的部件，其控制性能的提升可以有效地保证发动机合适输出，提升其运行的品质，同时稳定车速节约燃料，使得发动机更加稳定、经济以及提升其环保性。

节气门控制系统

为了控制空气进入引擎，节气门是用来混合燃料和空气的一道可控阀门以使这两者混合成为可燃混合气体，混合气流接下来进入引擎参与燃烧做功[7]。电子节气门作为当今电喷车发动机系统的开始部分以及最重要的部件被称作是汽车发动机的咽喉，紧接着其上部是空气滤清器，发动机缸体则是其直接输出的部件，节气门在整个系统的重要性不言而喻 [8] 。而主流的气节门分为两种，分别为传统拉线式和电子式。传统拉线式即机械式节气门是一种通过机械传导连接的方式控制节气门开闭的方法[9]。在这种情况下，驾驶员只能通过自身的主观的感觉来控制油门的开闭，这样的控制存在着大量的问题。汽车配备了机械式的节气门时在低负荷、怠速等各种复杂工况下无法进行令人满意的及时控制。这样的影响使得汽车动力经济性的劣势凸显，并且伴随着整个系统的控制问题，有害的物质也不断地产生，排放量增加，为当地的环境带来不小的影响，人们对这样的类型的节气门的不满意也催生了另一种类型的节气门的产生，即是本文中的所提出的电子节气门。

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