[发明专利]基于参数辨识和非线性三步法的电子节气门控制方法

权利要求书

1.一种基于参数辨识和非线性三步法的电子节气门控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、建立电子节气门模型

1)电机电压平衡方程

电机的驱动电路供电电压为V_bat，通过调节控制量u控制电机两端的电压；电机电枢电阻为R_a，电感为L；电机电压平衡方程如下式：

式中，i是电枢电流，k_b是反电动势常数，θ_m是电机电枢转角，为电机电枢转角的一阶导；电感L对电子节气门控制系统的影响小，忽略不计，则式(1)改写如下：

2)电子节气门挡板力矩平衡方程

电机电枢力矩平衡方程如下：

式中，J_m为电枢转动惯量，为电机电枢转角的二阶导，T_m为电机输出扭矩，T_a为电枢扭矩，电枢扭矩与电枢电流成正比：

T_a＝k_ti (4)

式中，k_t为电机扭矩系数；

电机摩擦的影响小，忽略不计，齿轮箱输入输出力矩的关系式为：

T_l＝nT_m+d(T_m) (5)

其中，T_l为齿轮箱输出力矩，T_m为电机输出扭矩，n为齿轮比，d(T_m)为齿轮箱齿轮间隙对齿轮箱输出力矩的影响；

弹簧力矩T_s的表达式为：

T_s＝k_sp(θ-θ₀)+k_presign(θ-θ₀) (6)

其中，θ为节气门挡板转角，θ₀为不加电压时节气门挡板的固定转角，k_sp为弹簧的弹性系数，k_pre为弹簧的预紧力矩；

摩擦力矩T_f的表达式如下：

其中，k_tf为库伦摩擦系数，为节气门挡板转角的一阶导，k_f为滑动摩擦系数；

电子节气门挡板扭矩平衡方程：

式中，J_t为节气门挡板的转动惯量，齿轮比为节气门挡板转角的二阶导；T_D为未知扰动；

由公式(2)-(4)可得将T_m代入公式(5)中可得因为齿轮比所以将上述T_l、公式(6)、公式(7)代入公式(8)，令总的转动惯量J＝J_t+n²J_m，整理得：

令将T_D、d(T_m)视为外部扰动，进一步将电子节气门模型整合成如下公式：

最终模型未知参数整合为5个，如下：P＝[a₁,a₂,a₃,a₄,a₅]；

步骤二、基于卡尔曼滤波获取电子节气门挡板角速度

对模型参数进行辨识，需要获得全状态信息，即获取电子节气门角度及角速度；角度通过节气门位置传感器进行测量，通过卡尔曼滤波获得平滑的角速度；

1)将电子节气门模型离散化

电子节气门状态及输出方程：

式中，ω为节气门挡板的角速度，为节气门挡板角速度的一阶导，y为模型中系统的输出，即节气门挡板的转角，系统噪声为W：

将式(11)和(12)离散化：

式中，T为采样周期，k＝1,…,n表示第k个采样时刻，θ(k)为第k个采样时刻节气门挡板的转角，ω(k)为第k个采样时刻节气门挡板的角速度，u(k)为第k个采样时刻控制输入，W(k)为第k个采样时刻系统噪声，y(k)为第k个采样时刻系统的输出；

2)按卡尔曼滤波系统及更新方程进行迭代

卡尔曼滤波系统及测量方程：

式中，X_k为系统的状态变量，系统的状态转移矩阵Γ_k,k-1为系统噪声矩阵，W_k-1为系统噪声，Z_k为传感器测到的真实电子节气门的开度，即电子节气门挡板的转角，H_k＝(10)为测量矩阵，V_k为测量噪声；

系统噪声W和测量噪声V均为高斯白噪声，系统噪声的概率分布p(W)和测量噪声的概率分布p(V)都服从正态分布：

其中，Q和R分别表示系统噪声协方差和测量噪声协方差；

根据离散卡尔曼滤波更新方程进行迭代：

式中，为在已知第k步以前状态情况下第k步的先验状态估计，P_k,k-1为先验估计误差的协方差，P_k-1为第k步以前估计误差的协方差，Q_k,k-1为系统噪声协方差，K_k为残余的增益或混合因数，R_k为测量噪声协方差，为已知Z_k时第k步的后验状态估计，P_k为后验估计误差的协方差；

输出更新方程：

为经过卡尔曼滤波公式计算得到的系统输出，调节Q、R的值，获得平滑的角速度；角速度用于判断电子节气门是否处于转动状态，当电子节气门处于转动状态时，同时辨识出模型的5个未知参数P＝[a₁,a₂,a₃,a₄,a₅]；同时，电子节气门挡板角速度用于辨识过程中状态的更新；

步骤三、基于优化算法的离线辨识

给定真实电子节气门和电子节气门模型相同的控制输入，通过优化算法，寻找最优的参数矩阵使得真实电子节气门和电子节气门模型输出偏差最小，优化算法的目标函数为：

其中，y(k)为电子节气门模型输出，为真实电子节气门输出；

步骤四、设计基于非线性三步法的电子节气门控制器

基于离线辨识的参数和非线性三步法设计电子节气门非线性三步法控制器；三步法分为稳态控制、参考前馈控制和误差反馈控制：

u＝u_s+u_f+u_e+u_a (19)

其中，稳态控制量u_s为：

库伦摩擦补偿控制量u_a用于补偿库伦摩擦项：

参考前馈控制量u_f为：

式中，θ^*为节气门挡板目标转角，为节气门挡板目标转角的一阶导，为节气门挡板目标转角的二阶导；

误差反馈控制量u_e为：

式中，e₁＝θ^*-θ为节气门挡板目标转角与真实转角的偏差，f_P(x)、f_I(x)、f_D(x)为比例、积分、微分环节参数，k₀、k₁、k₂为PID参数。