基于GPC-P I D算法的汽车电子节气门控制系统设计
沈刘晶，仇成
(盐城师范学院新能源与电子工程学院，江苏盐城224051)
摘要：提出了利用G P算法与增量式P C箅法相结合的方法对节气门控制系统进行优化，依据节气门数学模型建立T u e Tiine的电子节气门控制仿真模型。通过仿真实验，对超调量、稳态误差等指标进行分析，分析得到该设计能使系统具有相对 较短的响应速度、较小的误差、较高的稳定性，达到了电子节气门控制系统的设计要求。
关键词：电子节气门；预测模型；G PC-P Q仿真
中图分类号:TP 273 文献标志码：A文章编号：1〇〇2-2333( 2〇17 )〇4-〇〇59-〇2 Design of Automotive Electronic Throttle Control System Based on GPC-PID Algorithm
SHEN Liujing,QIU Chengqun
威然(College of Clean Energy and Electron, Yancheng Teachers University, Yancheng 224051, China) Abstract:GPC algorithm and increment PID algorithm are used to optimize throttle control system.True
Time electronic throttle control simulation model is built based on throttle mathematical model.Through simulation test,overshoot,steady- state error and other indicators are analyzed.According to the simulation results,the experiment indicates that the design system can reduce the error effectively with rapid response and high stability.
Key words:electronic throttle;prediction model;GPC-PID;simulation
0引言
汽车电子控制技术的产生意味着汽车控制技术从传 统的机械控制向着电子信息技术控制转变。德国博世 (Bosch)、美国德尔福(Delphi)、日本电装（Denso)等公司 研制的电子节气门(Electronic Throttle )在综合控制性能 上处于世界领先地位[1-3]。国内还没有比较成熟的电子节 气门控制技术。国内高校，如清华大学、北京理工大学等[4-]已经对这些技术进行研究探索并取得了一定的成果，但 是要将成果应用到生产中还有待进一步的深人研究。文 中分析了影响电子节气门控制的非线性因素，汽车电子 节气门控制技术的关键就是寻一种适用的控制算法。文中设计了基于广义预测控制GPC (Generalized Predictive Control)的增量式PID(Proportion Integration Differentiation)算法的仿真模型，通过仿真试验得出相关 控制结果，验证设计效果。佛山限摩
1电子节气门组成及控制流程
电子节气门主要由控制单元、加速踏板、节气门体和 与电子节气门内部相互连接的数据信息总线构成。
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在电子节气门控制系统中，加速踏板仅具有一个提 示的作用，详细的控制方案和方法将由电子节气门控制 系统中的控制器根据发动机的状况、整车的运行状况、汽 车运行时的内部外部情况等决定。电子节气门控制器是 电子节气门控制系统中的核心部分，汽车的加速踏板、汽 车的运行工况、发动机的情况的信号以及节气门开度位 置变化的信号都会被电子节气门控制器接收。电子节气 门控制器根据接收到的信息综合分析计算，得出一个节 气门最优开度信号，将该信号传输给控制电动机，驱动控 基金项目：江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目
(201610324043X)制电动机将节气门的开度调整到控制器所计算的开度位 置，同时节气门位置传感器又将此时节气门开度的位置 反馈给控制器并调整了发动机的运转情况。就是不断地 重复这样的控制流程，从而使得汽车以最佳的状态在行 驶。电子节气门具有复杂性、非线性、时变性等特点，在系 统的机械结构中存在复位弹簧非线性、摩擦力非线性和 齿间缝隙非线性等三类非线性因素，影响着系统的精确 控制。
2控制系统的算法分析
H D控制器凭借其结构简单、灵活的算法和易于调整 参数等优点被广泛应用于工业控制中。在汽车行
驶过程 中电子节气门控制系统控制着发动机的运行，然而运行 中的发动机是一个复杂的非线性系统，因此如果在电子 节气门控制系统中单单只用PID控制算法的话，控制器不 能适应外界因素的变化从而会影响控制器的稳定性、响 应精度和速度，为了解决这种情况，运用GPC算法控制。PID控制器一般有两种算法，一种是位置式PID控制算法，另外一种是增量式PID控制算法[9-10]。由于位置式PID控制 算法会引起执行机构的故障，为了应对影响节气门控制 的非线性因素，外界干扰，时滞，信息丢包等的干扰，文中 设计了基于G PC的增量式PID控制的控制器。对此进行实 验分析，对比控制效果，PID控制偏差e (t)为和悦sc多少钱
e(t)=r(t)-c(t)。⑴式中：⑴为给定值，r(t)为实际输出值。数学模型为
其传递函数形式为
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U (s )
E (s )
1+K s +k s )
⑶
式中：（t )为调节器输出函数；(t )为给定量与输出量的 偏差;Kp 为比例系数;K ，为积分时间常数;^为微分时间常 数。
在预测控制中，控制系统的预测模型一般是用来描 述对象动态行为的模型，这些模型都是非参数化的，文中 采用受控自回归积分滑动平均模型应用于参数化模型， 它可以采用在线辨识的方式来描述不稳定的被控对象。 由于模型的积分能够较为容易地消除由于阶跃负载扰动 引起的偏差。采用GPC 算法能够提高控制的实时性，能对 控制律参数进行辨识。3
电子节气门控制系统的仿真实验
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文中设计了基于GPC 的增量式PID 控制算法，根据控 制算法设计相应的仿真模型。采用True  Time 仿真工具对 不同算法的电子节气门控制系统的控制进行仿真，建立 电子节气门的仿真模型。利用GPC 算法能够在线辨识参 数，对PID 控制器的参数进行优化，减小系统的不稳定性。 在阶跃函数作用下，系统动态过程随时间变化的指标，包 括响应时间、延迟时间、调整时间、超调量和稳态误差等"-I  仿真中采用阶跃响应信号来模拟驾驶员输人信号，分别 对两种控制方式进行了仿真试验，根据控制效果分析，经 过仿真可得电子节气门控制系统阶跃响应结果的部分数 据，如表1所示。
表1电子节气门控制系统阶跃响应结果
阶跃响应实际响应参数
节气门起节气门目响应时间/s 超调量/%始位置/
标位置/
PID 控制GPC-PID PID 控制GPC-PID (毅）(毅）器
控制器
器
控制器
13780.09
0.078.0  3.578450.120.05  6.8  1.710200.030.03  5.0  4.015350.040.04  6.6  3.11545
0.06
0.05
4.3
1.0
采用实时控制仿真平台True  Time [1-3]。控制初始值设 定为:/^14，=8，姿=14，〜=2，'=14；将卩10控制初始值设定为:kp =7.0，Kd =0.2。并与传统PID 和模糊PID 控制效果进行 对比，结果表明GPC -PID 控制结果更佳。首先设定加速踏 板加速减速运动变化的信号，该信号换算成节气门开度 信号，然后将数据进行换算输人作为节气门开度信号，用 作仿真实验的输人信号，试验结果与电子节气门控制系 统数学模型的仿真结果进行比较，如图1所示。图1表明试 验结果与数学模型的仿真结果较为相似，在2.4 s、.8 s 等 时间点有一些变动较大，经计算试验结果与仿真结果的 相似度达到了83.4%也进一步验证了GPC -PID 控制算法 能够满足电子节气门实时控制的要求。4
结语
基于GPC 算法的增量式PID 控制器进行True  Time 仿 真实验，并且将它与PID 控制器的控制效果进行了比较。
经过仿真试验比较，二者一致程度达到83.4%以上，具有较高的可靠性。经计算得到G P C -P ID 控制的最大超调量 比PID 控制要小，响应速度高，各性能均有改善，达到预期 的设计要求。
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(编辑昊天）
作者简介：沈刘晶（1995—)，女，本科生，研究方向为汽车电子系统设
计；
仇成（1980—)，男，博士，副教授，主要从事汽车电子产 品设计与应用方向研究。
通信作者：仇成，qiuchengqun2000@sina 。收稿日期：2016-10-31
60 I 2017 年第 4 期
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