發(fā)動(dòng)機(jī)油門控制器的開發(fā) - 宮文斌-

1、文章編號:1671-5497(200501-0049-03收稿日期:2004-08-15基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(59705005.作者簡介:宮文斌(1956-,男,副教授.研究方向:自動(dòng)檢測與控制.E -mail :gong0411sina .com通訊聯(lián)系人:劉昕暉(1962-,男,教授,博士生導(dǎo)師.研究方向:流體傳動(dòng)與控制研究.E -mail :liuxh jlu .edu .cn發(fā)動(dòng)機(jī)油門控制器的開發(fā)宮文斌,劉昕暉,魏中奎(吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,吉林長春130022摘要:利用PIC 系列單片機(jī),采用參數(shù)在線PI D 控制方法設(shè)計(jì)了一種發(fā)動(dòng)機(jī)油門控制器。該控器在不需要執(zhí)行

2、機(jī)構(gòu)精確數(shù)學(xué)模型的條件下,能根據(jù)設(shè)定值與測量值的偏差自動(dòng)改變算法,實(shí)現(xiàn)對發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度的精確閉環(huán)電子控制。介紹了該系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)、在線PI D 參數(shù)的調(diào)節(jié)方法,并對系統(tǒng)的軟件、硬件作了比較詳細(xì)的論述。試驗(yàn)結(jié)果表明:該油門控制器響應(yīng)速度快、超調(diào)量小、跟蹤誤差小,魯棒性好。關(guān)鍵詞:自動(dòng)控制技術(shù);油門控制器;PID 控制;單片機(jī)中圖分類號:TP271.31文獻(xiàn)標(biāo)識碼:ADevelopment of engine throttle controllerGONG Wenbin ,LIU Xinhui ,WEI Zhongkui(College of M echanical Science and E

3、ngineering ,Jilin Univers ity ,Changchun 130022,China Abstract :Based on PIC 16C73B single -chip microcomputer and PID contr ol method with self -adjusting on -line parameters ,an engine throttle controller was developed ,which can auto -regulate the algorithm according to the deviation between the

4、set value and the measured value ,and realized the closed -loop control for the position of engine throttle independent on the accurate mathematic model of the actuator .The overall design of the system and the on -line adjusting method of PID parameters were described ,the software and hardware wer

5、e discussed in detail .Experimental results showed that the controller is characterized by high response speed ,small overshoot and tracking error ,and good robustness .Key words :automatic control technology ;engine throttle controller ;PID control ;single -chip micr ocomputer0引言傳統(tǒng)的工程機(jī)械油門控制一般由司機(jī)通過手

6、動(dòng)控制油門拉桿的位置來調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的供油量,從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。司機(jī)在操作過程中,由于操縱量多,有時(shí)難以顧及油門的調(diào)節(jié),從而影響了整車的性能,造成燃料的無謂消耗。美國、日本等發(fā)達(dá)國家早在20世紀(jì)90年代就進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)油門的電子化控制的研究,實(shí)現(xiàn)了節(jié)能控制1,2。我國目前仍然有大量的發(fā)動(dòng)機(jī)油門沒有實(shí)現(xiàn)電子自動(dòng)控制,對節(jié)能控制及工程機(jī)械電子化的實(shí)現(xiàn)第35卷第1期吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版Vol .35No .12005年1月Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition J an .2005非常不利。作者設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)油門控制

7、器系統(tǒng)由單片機(jī)控制發(fā)動(dòng)機(jī)油門的位置,根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)油門位置的電子閉環(huán)控制。它可以降低司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高油門的控制精度,節(jié)省燃料消耗,與其他系統(tǒng)配合,還可實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制。1總體方案設(shè)計(jì)油門位置閉環(huán)系統(tǒng)如圖1所示。油門控制器根據(jù)油門設(shè)定值采集當(dāng)前油門位置,通過軟件P I D 算法計(jì)算出PW M 的占空比,由單片機(jī)輸出PWM 信號,經(jīng)過光電耦合器至斬波穩(wěn)流“H ”橋式放大電路,驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)。通過齒輪減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)油門拉桿,由油門拉桿軸上的角度傳感器輸出位置信號,再經(jīng)過信號調(diào)理電路調(diào)節(jié)成05V 信號進(jìn)入油門控制器,構(gòu)成油門位置閉環(huán)控制系統(tǒng) 。圖1油門位置閉環(huán)系統(tǒng)框圖Fig .1Block diag

8、ram of engine throttle positionclosed loop controlsystem2硬件電路設(shè)計(jì)油門控制器的硬件組成原理如圖2所示。PIC16C73B 微處理器具有5路A /D 通道轉(zhuǎn)換、兩路PWM 輸出通道、4K 片內(nèi)ROM 、192 字節(jié)圖2電路組成原理圖Fig .2Schematic diagram of the circuit片內(nèi)RAM 、3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器等資源。特別適合于車載控制器的開發(fā)與應(yīng)用,且硬件設(shè)計(jì)簡單,省去了A /D 轉(zhuǎn)換及PW M 輸出電路設(shè)計(jì)3。P I D 控制參數(shù)對位置閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性有重大影響,這3個(gè)參數(shù)的計(jì)算取決于功率放

9、大電路、電機(jī)機(jī)構(gòu)等的精確數(shù)學(xué)模型,而這些精確數(shù)學(xué)模型又很難得到,所以工程上采用近似模型或在線調(diào)試法。在線調(diào)試法依據(jù)經(jīng)驗(yàn)比較容易實(shí)現(xiàn),所以作者在設(shè)計(jì)中添加了可以在控制器運(yùn)行中修改PID 參數(shù)的功能4。將3個(gè)電位器接入3個(gè)A /D 口,分別對應(yīng)調(diào)整3個(gè)PID 參數(shù)。單片機(jī)輸出的PWM 信號經(jīng)過光電耦合器到功率放大電路,再經(jīng)過功率放大器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī),然后經(jīng)減速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)油門拉桿。同時(shí),油門位置傳感器對位置信號進(jìn)行檢測,經(jīng)過調(diào)零,放大到05V ,然后經(jīng)A /D 轉(zhuǎn)換輸入到單片機(jī)ADRE S 寄存器。3軟件程序設(shè)計(jì)控制器的軟件設(shè)計(jì)主流程如圖3所示。首先對單片機(jī)進(jìn)行初始化,包括PW M 方式設(shè)定、A / D

10、圖3程序流程圖Fig .3Program flow chart口控制字、I /O 口控制方式設(shè)定等。如果開關(guān)閉合,則從記憶存儲(chǔ)器中讀取比例系數(shù)K p 、積分時(shí)間常數(shù)K i 、微分時(shí)間常數(shù)K d ,然后根據(jù)偏差和PID 算法,計(jì)算本采樣周期的PWM 輸出值;如果開關(guān)斷開,則油門控制器處于PID 參數(shù)整定狀態(tài),由A /D 口分別讀取K p 、K i 和K d ,然后進(jìn)行控制。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整相應(yīng)的電位器,直至油門控制達(dá)到滿意效果為止,然后將這3個(gè)控制參數(shù)保存到記憶存儲(chǔ)器。該方法可以在線整定,調(diào)試方便。為·50·吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版第35卷縮短調(diào)節(jié)時(shí)間、減小系統(tǒng)超調(diào),在應(yīng)用程序中還可

11、判斷偏差的大小。如果偏差大于某一給定門檻值,則進(jìn)行PD 控制;如果偏差小于這一門檻值,則進(jìn)行PID 控制5。實(shí)踐證明該方法十分有效。4試驗(yàn)結(jié)果系統(tǒng)的速度階躍響應(yīng)曲線如圖4所示。根據(jù)試驗(yàn)曲線1和試驗(yàn)給定數(shù)據(jù),得出系統(tǒng)的靜態(tài)增益K =3.1,伺服電機(jī)機(jī)電時(shí)間常數(shù)T =0.14s ,延遲時(shí)間=0.03s 。根據(jù)以上參數(shù),建立系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為:G (s =K Ts +1e -s =e -0.03 s圖4系統(tǒng)的速度階躍響應(yīng)曲線Fig .4Speed step response curves圖5閉環(huán)位置系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線Fig .5Step response curves of closedloop pos

12、ition s y stem根據(jù)傳遞函數(shù),用MATL AB 仿真系統(tǒng)的階躍響應(yīng)3,得到圖4中的曲線2。再用另外一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真曲線比較可以看出,試驗(yàn)曲線與仿真曲線擬合很好,說明所建模型是正確的。根據(jù)以上模型,作者利用非接觸角度傳感器及放大器構(gòu)成了閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng),采用了積分分離PI D 控制算法,試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5得出系統(tǒng)的超調(diào)量M p =17%,調(diào)節(jié)時(shí)間t s =1.25s ,該系統(tǒng)能很好地滿足設(shè)計(jì)要求。參考文獻(xiàn):1國香恩,趙丁選,尚濤,張紅彥.模糊控制在液壓挖掘機(jī)節(jié)能中的應(yīng)用J .吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版,2004,34(2:217-221.GUO Xiangen ,ZHAO D

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14、o ,ZHAO Dingxuan ,XIAO Yingkui ,GUOXiangen ,JIN Lisheng ,ZHANG Hongyan .Power matching for energy -savin g control system of hydralic excavators J .Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition ,2004,34(4:592-596.3竇振中.PIC 系列單片機(jī)原理和程序設(shè)計(jì)M .北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1998.4楊智.自整定PID 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)方法J .甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1998,