摘 要

在我国新能源汽车刚刚起步的时候，燃料电池汽车还是非常前沿而且小众的事物，而近几年，在产业界、科技界政府部门的共同推动下，新能源汽车取得了长足的发展，燃料电池车也被列为国家扶持的对象，未来实现量产指日可待。

燃料电池与动力电池最大的区别就是，燃料电池是开放体系，氢和氧要远远不断的输入到电堆里面，所以它的密封和存储比较关键；而动力电池的电解液是不能随便泄漏的，泄漏很容易着火。成本方面，动力电池系统比较简单，没有贵金属，成本比较低；燃料电池则需要贵金属铂（Pt），成本高一些，燃料电池续航里程比动力电池续航里程要长。

本文首先分析了电子节气门控制系统的工作原理、基本结构，重点研究了机械结构中存在的非线性因素，包括非线性弹簧，非线性摩擦，进气气流对节气门的非线性扰动以及减速齿轮之间存在的间隙。然后建立节气门的数学模型并通过自主设计实验对节气门的主要物理参数进行标定。为了探究线性控制算法和非线性控制算法对电子节气门的控制效果，分别采用增量式PID控制算法和变结构滑模控制算法对节气门进行控制。在Matlab/Simulink中搭建节气门模型以及控制器模型，通过仿真确定控制器的结构和参数。

关键词：燃料电池汽车；节气门；算法；

Abstract

When the new energy vehicles in China has just started, the fuel cell vehicle is very advanced and small things, but in recent years, in the industry to jointly promote the scientific community, government departments, new energy vehicles have achieved great development, fuel cell vehicles have also been listed as the object of the national support, the future production point the day and await for it.

Fuel cell battery with biggest difference is that the fuel cell is an open system, hydrogen and oxygen to far constant input to the stack, so it's sealing and storage is the key; and the electrolyte battery can not leak, leak easily caught fire. The power battery, the system is relatively simple, no precious metal, the cost is relatively low; the fuel cell requires expensive platinum (Pt), high cost, fuel battery range is longer than the battery mileage. This paper first analyzes the electronic solar term door control system working principle, basic structure, focus on the nonlinear mechanical structure due to the existence of the Element, including nonlinear spring, nonlinear friction, air gap nonlinearity on the disturbance and the presence of solar term door gear. Then establish the mathematical model between the solar term gate and the main physical parameters are calibrated by independent design experiments on the solar term door. In order to study the linear control algorithm and nonlinear control algorithm of electronic solar term door control effect and the incremental PID control algorithm and sliding mode variable structure control algorithm to control the door respectively. Build a solar term solar term door model and controller model in Matlab/Simulink, the structure and parameters of controller are determined by simulation.

Key Words：Fuel cell vehicle; throttle valve; algorithm;

第1章 绪论

1.1节气门研究的背景及意义

工业革命以来，人类对汽车的依赖性越来越强。汽车工业的发展己经被认为是一个国家工业化水平高低的重要标志。而且随着人们生活水平的提高和科学技术的快速发展，人们更倾向于追求汽车的节能、环保、安全性和舒适性等方面更高标准的要求。同时，随着世界汽车保有量的不断增多，导致石油能源消耗的急剧增加，导致能源枯竭，油价上涨，面对这些日益严重的问题，汽车制造商不得不改进制造技术，来解决或者减缓这些问题。根据目前的发展趋势，可以预测，安全性、舒适性、燃油经济性、污染少将会成为汽车工业今后发展的主要着力点。  

而电子技术是改造和提高汽车性能的一个重要途径，电子技术在汽车工业中得到了越来越广泛的应用，以至于汽车的性能可用汽车电子化的程度和水平来衡量。各种新的电子装置在汽车中被广泛应用，汽车电子化程度越来越高，汽车电子技术是汽车技术与电子技术相结台的产物,是两者的有机结合，电子技术不断获得的进步为汽车迈向智能化的发展方向打下了坚实的基础，使新的控制技术在汽车上的应用成为可能。气节门技术作为其中一项重要技术引领着汽车行业发展的趋势但是，也要看到某些传统控制技术在汽车的应用中，也相应地暴露出一些不足。这些不足制约了电子技术在汽车领域的发展。在当前的电子节气门系统中，主要存在着下述几个技术方面的问题：机械结构中的弹簧非线性、粘滑摩擦和齿隙非线性，以及油门迟滞等问题，影响着电子节气门控制系统的精确控制。

虽然燃油电喷系统取代了传统的化油器，但是却保留了进气道喉管中的一个虽然简单但是却对发动机极其重要的部件即节气门，并通过加装控制单元(简称ECU)、开度传感器以及进气流量计等进行工况监测。控制单元通过这些传感器采集的信号(包括空气流量、发动机转速和温度等)，控制向发动机气缸中的喷油量，以获得比较理想的空燃比。这样虽然可以实现对燃油供给量的精确控制，并对发动机进行进气补偿，但并不是在发动机所有的工况下都能满足要求。所以为了能够对发动机的进气量实现更加精确的控制，以获得实时工况下最优的空燃比，便产生了电子节气门控制系(Electronic Throttle Control System，简称ETCS）。它并不像传统的机械式油门采用机械式的结构与汽车内燃机节气门相连接，而是通过电控单元以及各个传感器来实现在各种不同工况下对节气门开度的精确控制。ETCS通过控制发动机空燃比，不仅可以提高发动机的综合性能、降低污染物的排放，更能使内燃机拥有优秀的怠速、加速及减速等工况过渡性能，因此得到了汽车界人士的广泛重视。传统的节气门采用机械结构直接连接，即节气门的开度全部由驾驶者通过操纵油门踏板来确定，所确定的开度完全是驾驶员的主观意图，并没考虑到车辆的运行工况;而使用电子节气门则可以很好地解决这一问题，在电子节气门控制系统中，节气门的最终开度并不是只取决于驾驶员的意图，而是在驾驶者的期望开度之上还考虑了当前发动机的运行工况。电控单元通过传感器感知驾驶员的期望开度和有关于发动机运行的各种参数，经过内部算法确定出一个最符合当时情况的指令去运行。

1.2 节气门在我国发展与研究现状

1.2.1 节气门在我国的发展

国内对ETCS的研究相对于国外来说起步比较晚，技术也落后于国外。虽然一些著名的汽车制造商如一汽大众、上海大众、上海通用、广州本田等都在其部分轿车上引进了ETCS ，但是其中的关键技术均由外国提供，我国的研发人员对其关键技术了解甚少。随着我国技术人员对节气门控制技术的不断掌握，中国第一汽车集团公司开发了一款ETCS产品，并将该产品应用在红旗的高级轿车HQ3上;奇瑞公司于2004年推出了一款ETCS产品，并将其装备在轿车旗云CVT上。此外，我国的一些大学也在电子节气门控制方面进行了研究，比如:武汉理工大学通过DSP实现了对电子节气门的快速精确控制;吉林大学主要开发了电子节气门控制器，取得了良好的动制效果;重庆大学对通过开关阀门进行控制的电液式节气门执行器进行了研究;上海交通大学开发了具备传感器容错功能的节气门控制系统;北京理工大学通过快速原型的方式设计了电子节气门的模糊控制器;西南交通大学研究了模糊滑模控制和基于多目标满意优化的滑模控制。

近年来，国内外大量文献表明对电子节气门控制算法的研究渐渐趋向成熟。随着电子控制技术的发展，越来越多的控制算法如:非线性控制算法、优化控制算法、智能控制算法、遗传算法、果蝇优化算法、神经网络算法和调和搜索算法等已经被应用到节气门控制系统中。

1.2.2节气门在我国的研究现状

目前我国的电气节气门的发展方向是由单一功能向多种功能的集成发展集成化不仅是ETC系统的发展方向，也是各种汽车电子控制系统的发展方向。它有助于降低成本，增强各系统间的内在联系，充分利用车辆各种信息，从而进一步提高系统的稳定性和可靠性。最初的ETC设计是为了发动机扭矩控制和空燃比控制，现代的ETC系统已经向多功能集成化方向发展，如集成了怠速控制、牵引力控制、减少换档冲击控制、节气门回位控制、巡航控制及车辆稳定性控制等多种功能，成为车辆整体控制动力一体化的重要组成部分。Delphi公司的第二代ETC系统，还具有驾驶模式选择功能、海拔高度补偿功能、催化剂起燃温度补偿功能及车速发动机转速监控功能等多项功能，代表了今后电子节气门技术的发展方向。

为提高节气门的控制精度及反应速度，采取多种控制方法进行综合控制。目前的发展方向是从经典的PID控制发展到采用PID与现代控制方法相结合以及采用一些鲁棒性更强的控制算法，从线性控制发展到非线性控制，从单一模式控制发展到多模式控制。有些学者将多模态控制、模糊神经网络控制及滑模变结构控制等方法引入到ETC控制中。滑模变结构控制有着良好的鲁棒性和很强的非线性，该方法与系统的参数和扰动无关，大大降低了对系统精确模型的依赖程度，体现了ETC控制方式未来的发展方向。模糊神经网络控制方法可提高ETC系统的自适应能力，但是这些理论本身还有待完善和发展，因此在ETC上的成熟应用还需进行深入研究。

1.3 节气门现存的问题与难点

(1)复杂的结构导致控制难度的增加。ETC系统与CCS, ASR以及VSC等多种控制系统协同工作不仅需要处理较多的控制参数，而且还要运行非常复杂的控制逻辑。ETC系统自身存在的非线性特性包括非线性弹簧、非线性摩擦、减速齿轮间隙的非线性和进气气流对节气门阀片的非线性作用等，以及一些传感器在控制系统的不断使用过程中存在的可靠性变差和机械磨损等问题。

(2)较高的制造成本。和传统的机械节气门不同，电子节气门系统中会增加很多传感器并且还需要装备控制单元以及驱动电机，其造价要比机械式节气门高出很多。虽然可以通过优化系统的结构来减少不必要的开支，但是其成本仍然没有降低到用户的期望值，因此如何降低电子节气门的造价是目前电子节气门发展的一个重要问题。

1.4本章小结

本章内容主要介绍了电子节气门的研究背景与意义和国内外对电子节气门控制系统的研究状况;分析了节气门控制系统现存的问题以及未来的发展趋势;最后总结了本课题的主要研究工作。

第2章 电子节气门的工作原理与建模

2.1电子节气门的结构与工作原理

电子节气门控制系统主要包括加速踏板及其位置传感器、驱动模块和节气门体(包括节气门位置传感器)等，电子节气门摒弃了传统节气门的刚性连接方式，运了柔性控制方式，其结构如图2.1所示。

当驾驶者踩下油门踏板时，踏板位置传感器将踏板的位移信号转换为电信号传递给电控单元(即ECU)，反映驾驶者对发动机转矩的需求，而ECU除了考虑油门踏板的位置及其改变速度以外还会考虑其它传感器的信号，如节气门开度、进气质量与流速、发动机转速、冷却液温度、驾驶模式以及车辆底盘电子控制信号等，经过对以上信号的综合处理后发出控制信号来控制电机输出扭矩，扭矩经过减速齿轮放大后带动节气门阀片克服复位弹簧扭矩及摩擦扭矩转动，当动力扭矩和阻力矩相互平衡时，节气门到达目标开度，从而使车辆在不同的行驶工况下都能获得最佳的节气门开度，优化发动机的性能。电机输出扭矩与驱动信号的占