[发明专利]基于FPGA实现的电子节气门模型预测控制系统

说明书

技术领域

本发明属于汽车电子技术领域。

背景技术

随着油耗、排放法规的不断升级以及人们对汽车驾驶舒适性及动力性要求的不断提高，国内外很多学者和汽车生产厂商联合起来不断加快对汽车控制新技术及相关电控产品的研究和开发，新技术的应用引入了诸多新型的电控执行器，使得电控系统的设计与验证更加困难；同时随着新技术的不断更新应用，电控单元的升级、换代也带来了大量的成本消耗。与此同时，专家预测汽车上装用的电子装置成本将逐年提高，汽车将由单纯的机械产品向高级的机电一体化产品方向发展，电控系统也在向高度集成化和高速化发展，因此，工程实现时，汽车要求电控系统具有高实时性、低成本计算和存储、高集成度、微型化等特点。电子节气门是汽车发动机的重要控制部件，主要用于控制进入发动机进气歧管的空气流量，节气门开度的精确控制可以提高燃油经济性，减少排放，同时，迅速的系统响应，可获得满意的操控性能。因此，节气门的控制对汽车的行驶安全性、动力性、平稳性及经济性具有重要影响。然而，现有的电子节气门控制系统大部分都是基于传统单片机实现的，当节气门电控系统增加新功能以及应用新技术时，基于单片机实现的电控系统无法在线更新、升级，大大增加了开发成本，不能满足新技术电控系统的需求，因此，需要开发易于升级、维护、扩充的电控系统，以降低产品开发成本，缩短开发周期，延长生命周期。

电子节气门的控制目标可描述为：节气门的开度能够既快又准确地跟踪上给定的期望目标位置，同时为了保证执行机构的平顺性，执行动作和变化率不能过大等，因此，节气门是一个带约束的优化控制问题。先进模型预测控制（ModelPredictiveControl，MPC）具有前馈-反馈结构，可以处理多变量、多输入、多输出的高维系统，能在优化的意义上显式和主动处理时域硬约束等特点，得到了众多领域的广泛关注和讨论，因此，先进模型预测控制成为处理汽车电子节气门控制问题的一种有效控制策略。但是，先进MPC控制方法在线计算负担较大、耗时长，而汽车电子节气门是一个快速动态系统，要求控制器具有高实时性、低成本计算和存储等特点，因此，基于一般处理器（如单片机）实现的MPC控制器已不能满足节气门的快速跟踪要求，需要寻求新的高效的电控系统硬件实现方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种不仅可以很好地满足节气门的控制需求，而且还能够在线灵活裁减、扩充、升级，克服了目前现有电子节气门电控系统不足的基于FPGA实现的电子节气门模型预测控制系统。

本发明的步骤是：

a、模型预测控制器的设计：

(1)预测模型：根据电子节气门机械结构建立节气门数学模型的状态方程如下所示：

（1）

式中、表示的是节气门开度，为节气门转速，为电机扭矩常数，为电源电压，为减速齿轮组传动比，为折算到电机侧的转动惯量，为电机电阻，为弹簧弹性系数，为节气门静态开度，为弹簧预紧力矩系数，为滑动摩擦系数，为电机扭矩常数，为电机反电动势常数，为库伦摩擦系数；

将电子节气门的数学模型转换为线性的增量模型如下所示：

（2）；

定义模型的控制时域为m，预测时域为p，同时满足，可以推导出系统未来p步的输出预测方程：

（3）

其中，，，是相应维数的系统预测常值矩阵；

(2)优化问题描述：电子节气门位置跟踪控制的问题描述为如下的约束优化问题：

（4）

满足约束条件

（5）

上式(4)中等式右边第一项是对保证节气门开度y快速地跟踪上期望给定值r的数学描述；(4)式中等式右边第二项是确保控制动作的平顺性希望控制动作的变化率不要过大的数学描述，属于软约束，T_y和T_u为加权矩阵；式(5)是节气门的物理约束的数学描述，属于硬约束；

(3)优化问题求解：MPC的优化问题式(4)、式(5)转换成如下形式的QP问题进行求解：

（6）

满足

（7）

（4）内点法的求解步骤为：

①选取初始点，其中，取小于1且接近1的正数和；

②计算下式：

（8）

得到；

③解方程

（9）

得到；

④计算式子得到，由此得到搜索方向，根据式得到搜索的步长参数；