用于控制阀装置的方法和系统.pdf

本发明公开一种用于控制电动机对阀装置的可动构件的定位的系统和方法。使用一种模型来生成从用于驱动电动机的致动器控制信号得到的可动阀构件的估计位置和速度。致动器控制信号包括与前馈控制信号相结合的反馈控制信号。根据可动阀构件的估计位置和实际位置之间的差值生成反馈控制信号，同时根据期望位置、估计位置和估计速度生成前馈控制信号。对前馈信号进行调节，从而在可动阀构件的估计位置移至期望位置时促使估计速度大致遵循限定的最大减速度轨迹。本发明提供一种示例性实施方式，其中本发明的原理被用于电子节流阀的控制。

1、  一种用于控制阀装置的方法，所述阀装置具有由电致动器定位以打开和关闭所述阀装置的可动阀构件，所述方法包括下列步骤：
获取表征所述可动阀构件的期望位置的期望位置信号；
获取表征所述可动阀构件的实际位置的实际位置信号；
根据所述期望位置信号、模拟位置信号和模拟速度信号生成前馈控制信号，其中，所述模拟位置信号和模拟速度信号分别代表从致动器模拟控制信号得到的所述可动阀构件的估计位置和估计速度，所述致动器模拟控制信号用于驱动所述电致动器包含所述前馈控制信号；
根据所述可动阀构件的模拟位置信号与实际位置信号之间的差值生成反馈控制信号；
将所述前馈控制信号与所述反馈控制信号相结合以生成致动器控制信号；以及
将所述致动器控制信号用于驱动所述电致动器，从而控制所述可动阀构件从实际位置移到期望位置。

2、  如权利要求1所述的方法，其中，所述模拟位置信号和模拟速度信号是通过将所述致动器模拟控制信号用于设备模型而生成的，其中，所述设备模型提供所述阀装置和所述电致动器响应于所述致动器模拟控制信号而执行的机电功能的数学表达。

3、  如权利要求1所述的方法，还包括下列步骤：
根据所述实际位置信号生成补偿控制信号；
根据所述模拟位置信号生成模拟补偿控制信号；
将所述补偿控制信号与所述反馈控制信号和前馈控制信号相结合以生成所述致动器控制信号；
将所述模拟补偿控制信号与所述前馈控制信号相结合以生成所述致动器模拟控制信号；以及
由此对所述致动器控制信号和致动器模拟控制信号进行补偿以通过所述电致动器抵消对抗所述可动阀构件的运动的转矩。

4、  如权利要求1所述的方法，其中，所述前馈控制信号的特征在于电压，所述电压被调节从而在所述可动阀构件的估计位置移至期望位置时促使所述可动阀构件的估计速度大致遵循限定的最大减速度轨迹。

5、  如权利要求1所述的方法，其中，所述前馈控制信号的特征在于电压，并且生成所述前馈控制信号的步骤还包括下列步骤：
确定所述可动阀构件的期望位置和估计位置之间的差值；以及
当所述可动阀构件的期望位置和估计位置之间的差值的大小小于预设阈值且所述可动阀构件的估计速度的大小小于预设速度阈值时，将作为所述前馈控制信号的特征的电压设为零值，反之，将作为所述前馈控制信号的特征的电压设为按照下列公式确定的值：
V_MAX*sat(K_SAT*(ω_MAX-ω_PTO))，
其中，V_MAX是最大预设电压，sat(K_SAT*(ω_MAX-ω_PTO))是具有自变量K_SAT*(ω_MAX-ω_PTO)的饱和函数，K_SAT是预设饱和增益值，ω_MAX是最大减速度，ω_PTO是所述可动阀构件的估计速度。

6、  如权利要求5所述的方法，其中，所述最大减速度ω_MAX随着所述可动阀构件的期望位置和估计位置之间的差值而变化，从而限定最大减速度轨迹，当所述可动阀构件的期望位置和估计位置之间的差值减为零时，所述可动阀构件的估计速度被控制为大致遵循所述最大减速度轨迹。

7、  如权利要求1所述的方法，其中，所述前馈控制信号的特征在于电压，该电压被设定为：(i)用V_MAX表示的最大预设电压，此时K_SAT*(ω_MAX-ω_PTO)＞1；(ii)用V_MIN＝-V_MAX表示的最小预设电压，此时K_SAT*(ω_MAX-ω_PTO)＜-1；以及(iii)等于K_SAT*(ω_MAX-ω_PTO)的电压，此时-1＜K_SAT*(ω_MAX-ω_PTO)＜1，其中，V_MAX是最大预设电压，sat(K_SAT*(ω_MAX-ω_PTO))是具有自变量K_SAT*(ω_MAX-ω_PTO)的饱和函数，K_SAT是预设饱和增益值，ω_MAX是最大减速度，并且ω_PTO是所述可动阀构件的估计速度，由此所述可动阀构件从实际位置被选择性地加速和减速到期望位置。

8、  如权利要求7所述的方法，其中，所述致动器控制信号的特征在于电压，该电压受到限定的最大和最小电动机控制电压限值的限制，以避免所述致动器控制信号的饱和，并且对所述前馈控制信号的预设最大和最小电压进行选择，以便在控制所述阀装置时为所述可动阀构件提供增强的加速度和减速度，而不会引起所述致动器控制信号的饱和。

9、  一种用于控制节流阀的方法，所述节流阀具有由电动机定位以打开和关闭所述节流阀的节流板，所述方法包括下列步骤：
从加速踏板传感器获取期望位置信号，所述期望位置信号表征所述节流板的期望位置；
从节流阀位置传感器获取实际位置信号，所述实际位置信号表征所述节流板的实际位置；
将控制单元配置成接收所述期望位置信号和实际位置信号并且执行以下步骤：
(a)根据电动机模拟控制信号生成模拟位置信号和模拟速度信号，所述模拟位置信号和模拟速度信号分别代表从用于驱动所述电动机的所述电动机模拟控制信号得到的所述节流板的估计位置和估计速度；
(b)根据所述期望位置信号、所述模拟位置信号和所述模拟速度信号生成前馈控制信号，其中，所述电动机模拟控制信号包含所述前馈控制信号；
(c)根据所述节流板的模拟位置信号与实际位置信号之间的差值生成反馈控制信号；
(d)将所述前馈控制信号与所述反馈控制信号相结合以生成电动机控制信号；以及
(e)将所述电动机控制信号用于驱动所述电动机，从而控制所述节流板从实际位置移到期望位置。

10、  如权利要求9所述的方法，其中，所述控制单元还被配置成提供代表所述节流阀和所述电动机执行的机电功能的数学模型，并且所述节流板的模拟位置信号和模拟速度信号是通过将所述电动机模拟控制信号用于驱动由所述数学模型代表的所述电动机而生成的。

11、  如权利要求9所述的方法，其中，所述控制单元还被配置成执行以下步骤：
(f)根据所述实际位置信号生成补偿控制信号；
(g)根据所述模拟位置信号生成模拟补偿控制信号；
(h)在生成所述电动机控制信号时，将所述补偿控制信号与所述反馈控制信号和前馈控制信号相结合；
(i)将所述模拟补偿控制信号与所述前馈控制信号相结合以生成所述电动机模拟控制信号；
由此对所述电动机控制信号和所述电动机模拟控制信号进行补偿以便通过所述电动机抵消对抗所述节流板的运动的转矩。

12、  如权利要求11所述的方法，其中，所述节流阀包括弹簧机构，并且对抗转矩包括由所述弹簧机构产生的弹簧偏压转矩。

13、  如权利要求9所述的方法，其中，所述前馈控制信号的特征在于电压，该电压被调节从而在所述节流板的估计位置移至期望位置时促使所述节流板的估计速度大致遵循限定的最大减速度轨迹。

14、  如权利要求9所述的方法，其中，所述前馈控制信号的特征在于电压，并且生成所述前馈控制信号的步骤还包括下列步骤：
确定所述节流板的期望位置和估计位置之间的差值；以及
当所述节流板的期望位置和估计位置之间的差值的绝对值小于预设阈值且所述节流板的估计速度的绝对值小于预设速度阈值时，将所述前馈控制信号的电压设为零，反之，将作为所述前馈控制信号的特征的电压设为按照下列公式确定的值.
V_MAX*sat(K_SAT*(ω_MAX-ω_PTO))，其中，V_MAX是最大预设电压，sat(K_SAT*(ω_MAX-ω_PTO))是具有自变量K_SAT*(ω_MAX-ω_PTO)的饱和函数，K_SAT是预设饱和增益值，ω_MAX是最大减速度，而ω_PTO是所述节流板的估计速度。

15、  如权利要求9所述的方法，其中，所述前馈控制信号的特征在于电压，生成所述前馈控制信号的步骤还包括将作为所述前馈控制信号的特征的电压设为预设最大电压的步骤，所述预设最大电压按照限定的饱和函数被调节，所述饱和函数根据所述节流板的期望位置和估计位置之间的差值以及所述模拟速度信号而变化，由此使所述节流板从实际位置选择性地加速和减速移动到期望位置。

16、  如权利要求15所述的方法，其中：
将所述前馈控制信号的电压设为等于V_MAX*sat(K_SAT*(ω_MAX-ω_PTO))，其中，V_MAX是预设最大电压，sat代表限定的饱和函数，K_SAT是预设饱和增益值，ω_MAX是根据所述节流板的期望位置和估计位置之间的差值确定的最大减速度，而ω_PTO是所述节流板的估计速度。

17、  如权利要求15所述的方法，其中，所述电动机控制信号的特征在于电压，该电压受到限定的最大和最小电动机控制电压限值的限制，以避免所述电动机控制信号的饱和，并且对所述预设最大电压进行选择，以便在控制所述节流阀时为所述节流板提供增强的加速度和减速度，而不会引起所述电动机控制信号的饱和。

18、  一种用于控制节流阀的系统，所述节流阀具有由电动机定位以打开和关闭所述节流阀的节流板，所述系统包括：
加速踏板位置传感器，其提供表征所述节流板的期望位置的期望位置信号；
节流阀位置传感器，其提供表征所述节流板的实际位置的实际位置信号；
控制单元，其接收所述实际位置信号和期望位置信号并且被编程为：
(a)根据电动机模拟控制信号生成模拟位置信号和模拟速度信号，所述模拟位置信号和模拟速度信号分别代表从用于驱动所述电动机的电动机模拟控制信号得到的所述节流板的估计位置和估计速度；
(b)根据所述期望位置信号、所述模拟位置信号和所述模拟速度信号生成前馈控制信号，其中，所述电动机模拟控制信号包含所述前馈控制信号；
(c)根据所述节流板的模拟位置信号与实际位置信号之间的差值生成反馈控制信号；
(d)将所述前馈控制信号与所述反馈控制信号相结合以生成电动机控制信号；以及
(e)将所述电动机控制信号用于驱动所述电动机，从而控制所述节流板从实际位置移到期望位置。

19、  如权利要求18所述的系统，其中，所述控制单元还被配置成提供代表所述节流阀和所述电动机执行的机电功能的数学模型，并且所述节流板的模拟位置信号和模拟速度信号是通过将所述电动机模拟控制信号用于驱动由所述数学模型代表的所述电动机而生成的。

20、  如权利要求18所述的系统，其中，所述控制单元还被编程为：
(f)根据所述实际位置信号生成补偿控制信号；
(g)根据所述模拟位置信号生成模拟补偿控制信号；
(h)在生成所述电动机控制信号时，将所述补偿控制信号与所述反馈控制信号和前馈控制信号相结合；
(i)将所述模拟补偿控制信号与所述前馈控制信号相结合以生成所述电动机模拟控制信号；以及
由此对所述电动机控制信号和所述电动机模拟控制信号进行补偿以通过所述电动机抵消对抗所述节流板的运动的转矩。

21、  如权利要求18所述的系统，其中，所述前馈控制信号的特征在于电压，该电压被调节从而在所述节流板的估计位置移至期望位置时促使所述节流板的估计速度大致遵循限定的最大减速度轨迹。

用于控制阀装置的方法和系统
技术领域
[0001]本发明涉及用于控制阀装置的方法和设备，该阀装置具有由电致动器定位的可动阀构件，更具体地涉及用于以改进方式对阀装置-例如电子节流阀等进行控制的方法和设备。
背景技术
[0002]在过去数年中，已经使用各种不同的控制技术对采用电动机的阀装置的可动阀构件进行定位。通常，定位这些阀构件的速度和精确度非常重要。定位可动阀构件的速度和精确度提供重要功能优势的应用场合在电子节流控制(ETC)领域。
[0003]现代汽车通常采用某种电子节流控制(ETC)系统进行发动机进气节流阀(节气门)的定位以获得降低排放、提高燃料经济性和改善汽车驾驶性能的好处。这些系统采用具有电致动器-例如无刷直流电动机的电子节流阀，该电致动器联接至电子节流阀孔内的可动节流板，从而形成用于调节流入发动机的空气量的蝶形阀。需要节流板的快速且精确的定位以便充分利用上述好处。另外，在停位期间，节流板响应于节流位置的期望变化的定位必须是非周期性的，且瞬态波动最小，以避免系统部件的过度磨损和电动机损耗的增大。
[0004]如果发生ETC失效，则采用ETC的大多数汽车都会提供一种所谓的自我保护工作模式(limp home mode of operation)。这通常通过采用电子节流阀中的反作用弹簧将节流板偏压到预定打开位置来实现，即使由于故障而没有给电动机通电。这允许发动机在高怠速工况下运转从而实现汽车的慢速运动，同时动力刹车装置、动力转向装置和电气系统继续工作。偏压弹簧在电子节流阀中的使用通常带来了相当大的非线性弹簧力，其连同其它摩擦力一起使节流板的定位复杂化。
[0005]在过去，ETC系统已经使用带有非线性反馈和/或前馈补偿的比例-积分-微分(PID)控制器以解决摩擦力和反作用双偏压弹簧的非线性(例如，参见美国专利No.6,523,522，该专利转让给了与本发明相同的受让人，并且通过引用并入本文)。有了这些ETC系统，通常对PID增益进行调节以便为电动机提供电动机控制信号，从而尽可能最快速地获得端位置到端位置的节流响应(从关到开或从开到关的节流板位置)，而不会使电动机控制电压饱和，电动机控制电压通常受到规定电压限值(对于采用12伏电池的汽车应用而言通常为+12伏和-12伏)的限制。
[0006]如上所述，节流响应必须是非周期性的，而不会在节流板复位时有大的停位瞬态波动。这通常要求ETC系统中的电动机具有较大的转矩常数和大的电动机驱动电流。由于这些约束，ETC系统中的控制器在生成用于控制电动机的电动机控制信号时很少使用最大可用电动机控制电压。因此，在这些ETC系统中定位节流阀所需的响应时间往往比最优响应时间小很多。
[0007]因此，需要一种用于控制电动机致动的阀装置-例如电子节流阀的方法和设备，其中，在定位这些阀装置的可动阀构件时可以利用致动器可用控制电压的绝大部分来获得更好的控制。
发明内容
[0008]本发明提供一种改进的方法和系统，该方法和系统用于控制具有由电致动器定位的可动构件的阀装置。这种改进是通过在控制阀装置时利用致动器可用控制电压的绝大部分来实现的。
[0009]根据本发明，获取表征可动阀构件的期望位置的期望位置信号和表征可动阀构件的实际位置的实际位置信号。根据期望位置信号、模拟位置信号和模拟速度信号生成前馈控制信号。根据估计位置信号与实际位置信号之间的差值生成反馈控制信号。前馈控制信号与反馈控制信号相结合以生成致动器控制信号，该致动器控制信号用于驱动电致动器以控制可动阀构件从实际位置到期望位置的运动。
[0010]模拟位置信号和模拟速度信号分别代表可动阀构件的估计位置和估计速度，这些估计位置和估计速度是由用于驱动电致动器且包含前馈信号的致动器模拟控制信号产生的。模拟位置信号和模拟速度信号是响应于用于代表由阀装置和电致动器执行的机电功能的数学模型的致动器模拟控制信号而生成的。
[0011]前馈控制信号的特征在于电压，该电压被调节从而在估计位置移至期望位置时促使可动阀构件的估计速度大致遵循限定的最大减速度轨迹。优选地，前馈信号的电压包括预设最高电压，预设最高电压根据随着期望位置信号、模拟位置信号和模拟速度信号而变化的限定的饱和函数被调节。选择前馈控制信号的预定最高电压，从而在控制估计速度时利用致动器可用控制电压的绝大部分来提高节流板的加速度和减速度，而不引起电动机控制信号的饱和。
[0012]因此，本发明提供了在控制阀装置时对致动器可用控制电压的更好利用，这大大降低了这些阀装置的响应时间，而不会导致额外的过调和停位时间。
[0013]根据本发明的另一个方面，根据实际位置信号生成补偿信号，并且根据模拟位置信号生成模拟补偿信号。补偿信号然后与反馈控制信号相结合以生成致动器控制信号，并且模拟补偿信号与前馈控制信号相结合以生成致动器模拟控制信号。通过这种方式，对致动器控制信号和致动器模拟控制信号进行补偿以抵消由与阀装置和电致动器相关的摩擦力和/或弹簧偏压力所引起的对抗可动阀构件的运动的转矩。
[0014]本发明提供一种示例性实施方式，其中本发明的原理被用于改进电子节流阀的控制。
附图说明
[0015]下面将在具体实施方式中参照附图描述本发明。在所有附图中，相同的附图标记表示相同或相似的元件，其中：
[0016]图1是实施本发明的发动机控制系统的示意图；
[0017]图2A是原理框图，其中示出现有技术电子节流控制(ETC)系统，其采用常规的PID反馈控制器，并带有用于抵消与电子节流阀相关的摩擦力和/或弹簧偏压力的非线性补偿器；
[0018]图2B是原理框图，其中示出图2A所示的非线性补偿器执行的工作。
[0019]图3A-3B分别示出图2A所示的现有技术ETC系统的期望节流位置的阶跃变化所导致的节流阀响应和电动机控制信号的模拟图示。
[0020]图4是本发明的示例性实施方式的原理框图；
[0021]图5是设备模型的原理框图，该设备模型用于代表图4所示的本发明示例性实施方式中的电子节流阀。
[0022]图6是流程图，其中示出图4所示的本发明实施方式的操作。
[0023]图7是流程图，其中示出图4所示的本发明示例性实施方式所用的近似时间最优控制器(proximate time optimal controller)的操作。
[0024]图8是节流板的规定最大减速度轨迹的图示，其随着期望节流板位置和估计节流板位置之间的差值而变化。
[0025]图9A-9B分别示出图4所示的本发明实施方式的期望节流板位置的阶跃变化所导致的节流阀响应和电动机控制信号的模拟图示。
具体实施方式
[0026]现在参照图1，其中示出一种示例性发动机控制系统，总体上用数字10表示，在其中可针对电子节流控制(ETC)应用来实施本发明。发动机控制系统10中的ETC的基本部件包括总体上标为12的加速踏板组件、此处标为发动机控制单元(ECU)14的控制单元、电动机驱动器16和用于调节流入发动机20的空气量且总体上标为18的电子节流阀(电子节气门)。本领域技术人员将认识到，除ETC之外，发动机控制系统10通常还包括未示出的附加部件，这些部件通常用于控制发动机20的运行情况。根据并入控制单元14中的功能，控制单元14还可称作发动机控制模块(ECM)或动力系控制模块(PCM)。
[0027]加速踏板组件12包括加速踏板22，加速踏板22根据期望发动机20产生的输出功率量而被踩压。如图所示，加速踏板22围绕枢轴点24旋转，并且在没有向踏板22施力的情况下，被踏板弹簧机构26偏压而回到与发动机怠速相对应的位置。踏板位置传感器28-例如滑动电位计通常被用于测量踏板22的踩压量并且提供踏板位置信号，踏板位置信号被传递给ECU 14且由其接收，如箭头线30所示。
[0028]尽管未示出，本领域技术人员将认识到，在实践中，踏板位置传感器28通常采用多个电位计来检测踏板22的踩压从而给ECU 14提供丰富的踏板位置信号。这些丰富的踏板位置信号可以在一个电位计失效时使用，并且用于执行对加速踏板组件12的诊断测试。
[0029]尽管其它替代布置也是行得通的，图1示出的发动机控制系统10具有控制单元ECU 14，控制单元ECU 14包括通常配有微处理器的中央处理器(CPU)、存储器(MEM)和输入-输出接口(I/O)。控制单元ECU 14还包括控制发动机20的工作所必需的其它已知电路，在图1中没有详细示出。
[0030]应当理解，在执行控制工作时，根据作为输入传递给I/O的测定发动机工作信号，发动机控制单元14的中央处理器执行存储在存储器MEM中的程序来生成由I/O输出的发动机控制信号。
[0031]电子节流阀18包括进气孔32，节流板34在其中枢转地安装，由此形成蝶阀或节流阀，用于调节流入发动机20的空气。电致动器36通过传动机构38机械地连接从而使节流板34在进气孔32内旋转。在本申请中，电动机-例如无刷直流伺服电动机被用作电致动器36，但也可以使用能够适当定位节流板34的其它类型的已知电致动器。
[0032]当电动机36被适当地通电时，转子(未示出)驱动传动机构38以使节流板34沿顺时针或逆时针方向旋转，从而调节节流板34在进气孔32内的开启度。电子节流阀18通常还包括节流阀弹簧机构40，用于在电动机36没有通电时将节流板34偏压到与发动机高怠速相对应的预定位置(参见上述对自我保护工作模式的描述)。
[0033]节流板34也与节流位置传感器42相连，节流位置传感器42可以实施为滑动电位计，用于检测节流板34的旋转位置并且提供节流板34的相应的实际位置信号，该信号由ECU 14接收，如箭头线44所示。因此，实际位置信号给ECU 14提供对节流板34在进气孔32内的实际位置的表征。
[0034]尽管未示出，本领域技术人员将认识到，在实践中，节流位置传感器42也通常采用多个电位计来检测节流板34的旋转位置，从而给ECU 14提供丰富的节流位置信号。这些丰富的节流位置信号在一个电位计失效时使用，并且用于执行对电子节流阀18的诊断测试。
[0035]为简单起见，在图1中示意性地示出电子节流阀18。这种电子节流阀组件的机械实施形式是本领域公知的(例如参见前述美国专利No.6,523,522)。因此，本说明书不再对电子节流阀18的结构细节进行描述。
[0036]在控制节流板34的位置时，ECU 14的中央处理器执行存储在MEM中的节流控制软件程序以生成适当的电动机控制信号，用于控制电动机36的工作。这种电动机控制信号被转换成电动机驱动器输入信号，所述电动机驱动器输入信号从ECU 14的I/O传递到电动机驱动器16，如箭头线46所示。如将在随后描述的，所存储的节流控制软件程序利用表征加速踏板22和电子节流阀18的节流板34的位置的信号来生成适当的电动机控制信号和相应的电动机驱动器输入信号。
[0037]电动机驱动器16通常包括本领域技术人员公知的带有适当开关电路的常规H电桥。就装配而言，电动机驱动器电路可以并入ECU 14内或者甚至并入电子节流阀18内。根据由ECU 14提供的电动机驱动器输入信号，电动机驱动器16适当地施加由电池50提供的供电电压V_B给电动机36的定子励磁绕组(未示出)，如箭头线48所示。通过这种方式，ECU 14然后控制电动机36的工作和电子节流阀18的节流板34的位置或开启度。
[0038]电动机驱动器输入信号通常包括脉宽调制(PWM)信号和电动机转向信号，PWM信号具有代表着施加给电动机36的励磁绕组的平均电压的占空比，电动机转向信号代表着施加给励磁绕组的平均电压的极性。应当理解，根据这些电动机驱动器输入信号，穿过电动机36的定子励磁绕组施加的平均电压会在电压限值+V_B到-V_B之间变化，这些电压限值被定义为电动机控制信号的电压限值(在汽车应用中通常为+12伏和-12伏)。
[0039]在随后的描述中，会涉及具有在电动机控制电压限值+V_B到-V_B之间变化的电压的电动机控制信号。这种电动机控制信号将被理解成对应于或等同于施加给电动机驱动器16的电动机驱动器输入信号。当电动机控制信号具有正振幅时，电动机36是沿打开节流板34的方向被驱动。当电动机控制信号具有负振幅时，电动机36是沿关闭节流板34的方向被驱动。电动机控制信号的数值就代表着施加到电动机36的定子励磁绕组的平均电压，作为由ECU 14施加到电动机驱动器16的PWM电动机驱动器信号。还应当理解，电动机36的定子励磁绕组中所生成的电动机驱动器电流的方向和数值也就由电动机控制信号的电压的极性和数值决定。
[0040]现在参照图2A，其中示出现有技术ETC系统的原理框图，该系统采用常规的反馈控制来定位图1所示的电子节流阀18的节流板34。包括在该原理图中的是包含电子节流阀18的部件的设备100、提供设备100的反馈控制的传统PID控制器102、用于抵消由与设备100(即电子节流阀18)相关的摩擦力和/或弹簧偏压力(通常为非线性的)所引起的转矩的非线性补偿器104、以及用于根据接近信号输入的指示符号适当地结合信号的求和点106和108。
[0041]信号θ_A(实际位置信号)代表着电子节流阀18的节流板34的实际或测得旋转位置，而信号θ_D(期望位置信号)代表着节流板34的目标或期望旋转位置。实际位置信号θ_A是根据ECU 14在箭头44上从节流位置传感器42所获得的输入确定的。通常，期望位置信号θ_D是根据由ECU 14在箭头线30上从踏板位置传感器28所获得的输入由加速踏板22的踩压量确定的。为了简化图1所示结构，没有示出也可用于确定或影响节流板34的期望位置信号θ_D的ECU 14的其它输入信号。这些其它输入信号可以是例如由牵引控制、怠速控制、巡航控制和/或其它发动机控制系统提供的，根据发动机20的工作模式启动这些系统。
[0042]在工作中，现有技术ETC控制系统用于生成电动机控制信号*V_C，该信号被示出为施加给代表着电子节流阀18的设备100。将电动机控制信号*V_C转换成适当的电动机驱动器输入信号以及电动机驱动器16给电动机36通电的动作所引起的任何失真通常都不重要，并且通常在代表图2A所示原理框图形式中的ETC系统时被忽略。如前所述，在调节节流板34的位置时，电动机控制信号*V_C的极性和振幅决定了施加到电动机36的定子励磁绕组的极性和平均电压。
[0043]如图所示，电动机控制信号*V_C是两个复合控制信号*V_N和*V_PID的总和，它们由求和点108结合。在这种情况下，*V_PID是由PID控制器102根据输入节流位置误差信号*θ_E生成的反馈控制信号，而*V_N是由非线性补偿器104根据节流板34的实际位置信号θ_A生成的补偿控制信号。
[0044]上述节流位置误差信号*θ_E由求和点106输出并且通过从期望位置信号θ_D减去实际位置信号θ_A形成由*θ_E表示的差值(即*θ_E＝θ_D-θ_A)来决定。在常规ETC系统中，通过响应于所施加的*V_PID将由节流位置误差信号*θ_E代表的差值减小为零来驱动设备100中的电动机36，PID控制器102被调谐以生成反馈控制信号*V_PID以便节流板34从实际位置移到期望位置。
[0045]在现有技术中已经使用不同类型的非线性补偿器来抵消由与设备100内的控制机构相关的摩擦力和/或弹簧偏压力(通常为非线性的)所引起的转矩影响。对于图2A所示的现有技术ETC型式，非线性补偿器104根据作为实际位置信号θ_A传递的节流板34的实际位置生成补偿控制信号*V_N。
[0046]图2B提供详细的原理框图，其中示出图2A所示的示例性非线性补偿器104执行的工作。非线性补偿器104的这种实施方式具有两种独立的工作路径来对节流板34的实际位置信号θ_A执行不同的并行操作。
[0047]在一种工作路径中，实际位置信号θ_A首先由框120做微分(此处s表示拉着拉斯算子)以提供信号ω_A，信号ω_A代表着节流板34的实际旋转角速度。实际速度信号ω_A被用于由框122代表的查询表中，该查询表提供代表着对抗节流板34的运动的摩擦转矩的输出信号T_C。在这个型式中，框122中的查询表实质上是T_C＝F_C sgn(ω_A)这样的sgn函数，此处，常数F_C与反作用于节流板34的运动的库仑摩擦力相关。摩擦转矩信号T_C然后传给框124，框124代表着与摩擦转矩相关的电动机36的反向电压-转矩转换函数。因为电动机36具有的带宽远大于摩擦转矩信号T_C的有效位的频率分量，框124的反向电压-转矩转换函数可以简单地由经验决定的增益或比例因子(scaling multiplier)G₁表示。有了对G₁值的适当选择，从框124出来的输出信号V_F就代表着能被用于设备100的输入的控制信号，从而大致抵消对抗电子节流阀18的节流板34的运动的库仑摩擦转矩。
[0048]在非线性补偿器104的另一种工作路径中，实际位置信号θ_A被用于由框126代表的查询表中，该查询表提供输出信号T_S。输出信号T_S代表着对抗节流板34的运动的弹簧偏压转矩。在这个型式中，查询表代表着由节流阀弹簧机构40生成的非线性弹簧偏压转矩的分段线性近似值，该值随着由信号θ_A提供的节流板34的实际位置而变化。弹簧偏压转矩信号T_S然后传给框128，框128代表着用于弹簧偏压转矩的电动机36的反向电压-转矩转换函数。同样，因为电动机36具有的带宽远大于弹簧偏压转矩信号T_S的有效位的频率分量，框128的反向电压-转矩转换函数可以简单地由经验决定的增益或比例因子G₂表示。有了对G₂值的适当选择，从框128出来的输出信号V_S就代表着能被用于设备100的输入的控制信号，从而抵消对抗节流板34的运动的弹簧偏压力。
[0049]由求和点130把控制信号V_F和V_S相结合或加在一起以提供由非线性补偿器104输出的最终补偿控制信号*V_N。
[0050]在有些情况下，在受控制的特定阀装置中不存在弹簧偏压机构40，摩擦力就不重要了，或者为了简单起见，可以有意忽略这种力。在这些情况下，在图2A所示功能控制结构中不需要非线性补偿器104。
[0051]在其它应用中，可以实施非线性补偿器104来仅补偿摩擦力(此处由V_F提供)或仅补偿弹簧偏压力(此处由V_S提供)，这取决于这些力的重要性和补偿技术的性能。本领域技术人员将会理解，可以采用其它公知的非线性补偿技术来实施非线性补偿器104的不同功能结构。
[0052]图3A和3B分别示出图2A的现有技术ETC系统的期望节流位置θ_D的阶跃函数增大所引起的用实际位置信号θ_A表示的节流阀响应(也称作加速响应)和电动机控制信号*V_C的模拟图表。这些图形的结果是使用可商业购得的仿真软件获得的。
[0053]图3A的节流响应示出为节流板34的实际位置信号θ_A随着时间的变化，该变化发生在时间＝0秒时，用于节流板34的开度从期望位置θ_D＝30°到期望位置θ_D＝80°的阶跃函数增大。图3B示出了作为时间的函数的相应的电动机控制信号*V_C，用于节流板34的期望位置的相同的阶跃增大。
[0054]从图3B可以看出，由于反馈控制信号*V_PID，电动机控制信号*V_C具有初始份额，该初始份额很快便约等于零，随后是补偿信号*V_N的份额，其提供约2.0伏的补偿电压以保持弹簧偏压节流板34在期望开启位置。对于后者，可以从图3A看出，节流板34到达期望的80°开启位置时的节流响应的上升时间为约60.6毫秒，此时对应于期望节流位置的上述阶跃增大。
[0055]现有技术ETC系统通常只用到电动机可用控制电压(-V_B到+V_B)的较小部分，因为PID控制器的增益必须被调谐以避免用于节流位置误差信号*θ_E的最大期望变化的电动机控制信号的饱和，并且满足定位节流板34时节流响应的其它约束。因此，就节流板34从实际位置重新定位到期望位置所需的时间而言，这些现有技术ETC系统不是最优的。
[0056]在过去，已经使用一种称作近似时间最优伺服机构控制(PTOS控制)的技术来控制磁盘驱动器的定位。本质上，当磁头位置误差(即期望磁头位置与实际测得的磁头位置之间的差值)小于预设阈值时，PTOS控制器从开关式控制器(bang-bang conreoller)切换到线性比例微分(PD)控制器。众所周知，PTOS改善了在预定磁道上定位磁盘驱动器的磁头以读取和写入数据的响应时间。
[0057]申请人已经发现，PTOS控制的某些构思能以新型方式应用，以便在具有由电致动器定位的可动阀构件-例如电子节流阀的节流板的阀装置的定位响应时间方面获得重大改进。尤其是，申请人已经发现通过提供带有前馈修正开关式信号分量的致动器控制信号，可以利用可用的致动器控制电压的绝大部分来控制可动阀构件的定位。因此，与常规PID控制技术相比，改善了阀装置的响应，而不会带来很大的响应过度或停位时间。就本发明而言，这种控制的型式在本文中称作近似时间最优控制(或PTO控制)。
[0058]在下文中，将通过示例性实施方式描述本发明，此处，阀装置是前述电子节流阀18，其具有由用作电致动器的电动机36定位的、作为可动阀构件的节流板34。应当理解，本发明不局限于这种特定应用，并且可用于控制具有由电致动器定位的可动构件的任何阀装置。
[0059]在下文的实施方式中，任何涉及节流板34的位置是指节流板34在孔32内的角度旋转位置，任何涉及节流板或节流阀的速度是指节流板34在孔32内的旋转角速度。
[0060]现在参照图4，其中示出本发明的示例性实施方式的原理框图。该原理框图包括近似时间最优控制器200、第一非线性补偿器202、第二非线性补偿器216、PID控制器204、设备206、设备模型208以及求和点210、212和214。
[0061]设备206代表着受控的阀装置，该阀装置包括由电致动器定位的可动阀构件。在这个实施方式中，致动器控制信号V_C代表着电动机控制信号，该信号被用于设备206来定位节流板34。实际位置信号θ_A代表着可动阀构件-在本例中为节流板34的实际位置。
[0062]设备模型208代表着数学模型，其描述了由阀装置和设备206中的电致动器的实际物理部件执行的机电功能。设备模型208生成模拟位置信号θ_PTO和模拟速度信号ω_PTO，这些信号分别代表着当致动器模拟控制信号V_CS被用于驱动在设备208中模拟的电致动器时所得到的可动阀构件的估计位置和估计速度。设备模型208的更详细描述将在下文参照图5给出。
[0063]第一非线性补偿器202的工作方式类似于前述图2A的非线性补偿器104，其根据输入实际位置信号θ_A生成用V_N表示的输出补偿控制信号。在优选实施方式中，第一非线性补偿器202仅用到图2B的补偿器104的一部分，该部分抵偿非线性弹簧偏压转矩(即V_N＝V_S)。输出补偿控制信号V_N作为输入提供给求和点212。
[0064]第二非线性补偿器216的工作方式也类似于前述图2A的非线性补偿器104，其根据输入模拟位置信号θ_PTO生成用V_NS表示的输出模拟补偿控制信号。同样，对于优选实施方式，第二非线性补偿器216仅用到图2B的补偿器104的一部分，该部分抵偿非线性弹簧偏压转矩(即V_NS＝V_S)。模拟补偿控制信号V_NS作为输入被引入求和点214，它在这里与前馈控制信号(近似时间最优控制信号)V_PTO相结合以生成模拟致动器控制信号V_CS(即V_CS＝V_PTO+V_NS)。
[0065]在本发明的这个示例性实施方式中，第一非线性补偿器202是反馈型补偿器，因为它使用实际位置信号θ_A来确定补偿控制信号V_N。第二非线性补偿器216是前馈型补偿器，因为它没有使用实际位置信号θ_A来确定模拟补偿控制信号V_NS，而是使用模拟位置信号θ_PTO。应当理解，其它类型的非线性补偿技术也能用于实现第一和第二非线性补偿器202和216。
[0066]尽管不是绝对需要，但如果第一和第二非线性补偿器202和216在生成补偿控制信号V_N和模拟补偿控制信号V_NS时都执行相同功能，就会获得更好的性能。此外，本发明还可以在不补偿设备206和设备模型208内的任何反作用转矩力的情况下实施；然而这会降低控制性能，是否进行补偿取决于反作用转矩力的重要性。不带这种补偿的发明实施方式会通过去除第一和第二非线性补偿器202和216以及各个补偿控制信号V_N和V_NS对致动器控制信号V_C和模拟致动器控制信号V_CS的份额来实施。
[0067]PID控制器204以常规方式工作，其根据用θ_E表示的输入位置误差信号生成反馈控制信号V_PID。输入位置误差信号θ_E由求和点210输出并且代表着从实际位置信号θ_A减去模拟位置信号θ_PTO获得的差值(即θ_E＝θ_PTO-θ_A)。对PID控制器204进行调谐以生成反馈控制信号V_PID，当被应用于设备206以驱动电致动器对可动阀构件(即节流板34)进行定位时，反馈控制信号V_PID会将模拟位置信号和实际位置信号之间的差值减小为零。
[0068]近似时间最优控制器200接收前述期望位置信号θ_D、模拟位置和速度信号θ_PTO和ω_PTO。根据这些输入信号，近似时间最优控制器200生成用V_PTO表示的前馈控制信号。该前馈控制信号V_PTO作为输入提供给求和点212和214。近似时间最优控制器工作的详细描述将在下文参照图7A-7B给出。
[0069]反馈控制信号V_PID、补偿控制信号V_N和前馈控制信号V_PTO由求和点212结合以提供致动器控制信号V_C，致动器控制信号V_C被用于设备206以驱动电致动器(即定位节流板34的电动机36)对可动阀构件进行定位。
[0070]图5示出图4所示的设备模型208的原理框图。设备模型208提供由阀装置和电致动器执行的机电功能的数学表达。在本发明的示例性实施方式中，设备模型208被实施为模拟电子节流阀18和用于定位节流板34的电动机36。如前所述，与电动机驱动器16的电路(见图1)相关的信号失真不重要并且在设备模型208中忽略掉。电致动的阀装置-例如电子节流阀18的模拟是本领域公知的，并且可以通过软件-例如以及其它公知模拟和仿真技术来实现。
[0071]为了简化论述，图5的框图已经根据设备模型208中执行的不同功能和工作进行标注。方形或矩形框代表着转换函数。三角形框代表着增益或比例因子，它们乘上输入信号以生成比例输出信号。应当理解，这些框中的不同比例因子和转换函数所涉及的定值是由电子节流阀18或被模拟的其它类型装置的部件的实际物理特性和电特性决定的。
[0072]对于示例性实施方式，设备模型208生成模拟位置信号θ_PTO和模拟速度信号ω_PTO，这些信号分别代表着当模拟电动机控制信号V_CS用于驱动电动机36时所得到的节流板34的估计位置和估计速度，所述估计位置和估计速度作为设备模型208的数学表达。因此，模拟位置信号θ_PTO和模拟速度信号ω_PTO分别代表着节流板34的估计位置和估计速度，它们是从被用于驱动电动机36的模拟电动机控制信号V_CS得到的。
[0073]图5所示的设备模型208的第一段代表着由电动机36完成的电压-转矩转换，并且包括求和点300、转换函数304和比例函数306。求和点300从所应用的电动机模拟控制信号V_CS减去在反向EMF回路中的箭头线302上生成的模拟电动机反向EMF电压。从求和点300出来的输出信号就代表着穿过电动机36的定子励磁绕组施加的合成电压。框304的转换函数把电动机励磁绕组的电压转换成与励磁绕组电流对应的输出信号，在这里，A₀＝1/L且a＝R/L，其中，R和L分别代表电动机36中的每个定子励磁绕组的电阻和电感。从框304输出的励磁绕组电流信号被用于比例框306，在这里，它乘上A₁，从而生成箭头线308上的信号，该信号代表着电动机36产生的电磁转矩。比例因子A₁＝Kt，Kt为电动机转矩常数。
[0074]箭头线308上的电动机电磁转矩信号被用于求和点310，在这里，它被减去箭头线312上的转矩损耗信号，从而生成来自求和点310的输出信号，该信号代表着响应于所应用的电动机模拟控制信号V_CS在电动机36的转子处所产生的电动机实际转矩。如下所述，箭头线312上的转矩损耗信号代表着对抗节流板34的运动的转矩近似值，该转矩近似值与电子节流阀18所固有的摩擦力和弹簧偏压力有关。
[0075]设备模型208的下一段将电动机实际转矩信号转换成代表着电动机36的转子的模拟角速度(弧度/秒)的速度信号。模型的这一段包括比例框314和积分框316。求和点310输出的电动机实际转矩信号被用于比例框314，在这里，它乘上A₂，然后由框316的积分器进行积分，在箭头线318上得到电动机模拟速度信号。比例因子A₂＝1/Jeq，在这里，Jeq代表电子节流阀18的部件相对于电动机36的转子轴的总转动惯量。
[0076]箭头线318上的代表着电动机模拟速度信号的信号被用于反向EMF回路中的比例框320，在这里，它乘上A₃在箭头线302上得到电动机反向EMF电压信号。比例因子A₃＝Kv，其中，Kv为电动机36的反向EMF电压速度常数。
[0077]设备模型208的下一段将箭头线318上的电动机速度信号转换成输出模拟位置信号θ_PTO，该信号代表着节流板34的估计位置，该估计位置由被用于驱动电动机36的电动机(致动器)模拟控制信号V_CS得到。箭头线318上的电动机模拟速度信号由框324求积分，然后乘上框326的比例因子A₄，从而得到输出模拟位置信号θ_PTO(单位为度)。比例因子A₄＝180/(n*π)被用于提供从弧度到度的适当转换，其中，n代表着电子节流阀18中的传动机构40的传动比。
[0078]如图所示，设备模型208提供输出模拟速度信号ω_PTO(单位为度/秒)，这是通过将箭头线318上的电动机速度信号乘上比例框346中的比例因子A₈，以提供从弧度到度的适当转换，并且考虑了传动机构40的传动比(A₈＝A₄＝180/(n*π))。
[0079]如上所述，线312上的电动机转矩损耗信号代表着由与电子节流阀18中的节流板34的运动相关的摩擦力和与节流弹簧机构40相关的弹簧偏压力所引起的转矩损耗。如图所示，箭头线312上的转矩损耗信号作为求和点328的输出，求和点328将箭头线330上的摩擦转矩信号加上箭头线332上的弹簧偏压转矩信号。
[0080]箭头线330上的摩擦转矩信号作为摩擦转矩回路的输出，该回路包括查询表336以及比例框334和338。比例框334使线318上的电动机转速信号乘上比例因子A₅＝180/π，从而使电动机转速信号从弧度/秒转换成度/秒。该转换后的电动机速度信号然后被用作查询表336的输入。查询表336本质上是sgn函数，其取决于通常在接近库仑摩擦力时所使用转换后的电动机速度信号。查询表336的输出然后乘上框338的比例因子A₆，在箭头线330上得到最终摩擦转矩信号。应当认识到，对查询表336中的sgn函数的饱和值以及比例函数A₆的数值进行适当选择，从而使摩擦转矩信号会接近于库仑摩擦转矩，该摩擦转矩对抗着节流板34及电子节流阀18的其它部件相对于电动机36的转子轴的运动。
[0081]箭头线332上的弹簧转矩信号作为弹簧转矩回路的输出，该回路包括查询表340和比例框342。模拟位置信号θ_PTO被用于查询表340。在本实施方式中，查询表340包含由节流弹簧机构40所引起的、用作对抗节流板34的运动的弹簧偏压力的分段线性近似值。查询表340的输出然后乘上框342的比例因子A₇，在箭头线332上得到弹簧偏压转矩信号。对查询表340中的数值以及比例函数A₇进行适当选择，从而使箭头线332上的弹簧偏压转矩信号接近于由弹簧机构40的作用所引起的弹簧转矩损耗，该弹簧转矩损耗随着节流板34的模拟位置信号θ_PTO而变化。
[0082]应当理解，控制单元ECU 14被配置成通过存储在存储器MEM中的计算机程序来执行图4的框图所列的控制功能。现在通过举例的方式描述计算机程序流程图。图6示出本发明的ECU 14在定位电子节流阀18的节流板34时所执行的总体工作的示例性流程图。图7示出示例性流程图，该流程图详述了图4的近似时间最优控制器200所执行的步骤。对ECU 14进行编程以执行所示计算机流程图的步骤是本领域技术人员公知的。
[0083]现在参照图6，在步骤400处进入近似时间最优(PTO)节流控制程序。PTO节流控制程序是许多不同程序中的一种，其在发动机起动且初始化了用于发动机控制程序中的所有发动机控制变量之后由ECU 14在后台发动机控制回路中连续执行。
[0084]在从步骤400进入之后，程序继续到步骤402，在这里，ECU 14获得由实际位置信号θ_A提供的节流实际位置以及由模拟位置信号θ_PTO提供的节流模拟位置的当前值。θ_A的当前值是通过对节流位置传感器42的输出的取样获得的并且将θ_A的新近值存在CPU 14的存储器MEM中。θ_PTO的当前值是在前次通过PTO控制器程序500(见图7)期间确定的值，其从当前PTO节流控制程序400中的步骤410调用。
[0085]程序然后继续到步骤404，在这里，根据存储在存储器MEM中的实际位置信号θ_A的当前值得到补偿控制信号V_N的数值。这是通过在图2B中执行与用于补偿弹簧偏压转矩的功能框相对应的计算来实现的，其存在于图4所示的本发明示例性实施方式中的第一非线性补偿器202中。
[0086]接下来，程序继续到步骤406，在这里，通过从模拟位置信号θ_PTO的当前存储值中减去实际位置信号θ_A的当前存储值来确定位置误差信号θ_E的当前值(即θ_E＝θ_PTO-θ_A)。
[0087]程序从步骤406继续到步骤408，在这里，根据上面在步骤406中得到的位置误差信号θ_E的当前值得出反馈控制信号V_PID的数值。这是通过对θ_E的当前值(以及前次通过程序期间计算和存储的数值)执行公知的比例、积分和微分运算来实现的，该运算按照图4所示的常规PID控制器204的工作来进行。
[0088]接下来，本程序继续到步骤410，在这里，调用PTO控制器程序500来得到前馈控制信号V_PTO(近似时间最优控制信号)的数值。在PTO控制器程序500中执行的步骤的详细描述将在下文参照图7给出。
[0089]在从于步骤410处调用的PTO控制器程序500返回之后，本程序就继续到步骤412，在这里，通过使反馈控制信号V_PID、补偿控制信号V_N和前馈控制信号V_PTO的数值相加(相结合)来得到电动机(或致动器)控制信号V_C的数值，这些信号分别在前面步骤408、404和410中得到。
[0090]程序从步骤412继续到步骤414，在这里，电动机控制信号V_C的数值被用于(如前所述)驱动电动机36来定位节流板34。
[0091]在完成步骤414时，程序继续到步骤416，在这里，这次特定通过后台发动机控制回路离开了PTO节流控制程序400。
[0092]参照图7A-7B，现在将描述上面PTO节流控制程序中在步骤410中调用的PTO控制器程序所执行的步骤。
[0093]在步骤500处进入PTO控制器程序，并且继续到步骤502，在这里，获取期望位置信号θ_D、模拟位置信号θ_PTO和模拟速度信号ω_PTO的当前值。期望位置信号θ_D的当前值通常是通过对踏板位置传感器28的输出的取样获得的，然后把它存储在ECU 14的存储器MEM中。如前所述，θ_D的当前值也可以根据由牵引控制、怠速控制、巡航控制和/或其它发动机控制系统提供的ECU 14的其它输入来确定，可能需要这些系统对节流板34的位置调节作出修正。模拟位置信号θ_PTO和模拟速度信号ω_PTO的当前值是从ECU 14的存储器MEM中的在前次通过本程序500期间所产生的前次存储值中获得的(见下面的步骤532)。
[0094]本程序从步骤502继续到步骤504，在这里，通过从期望位置信号θ_D的当前值中减去模拟位置信号θ_PTO来确定模拟位置误差信号θ_SE的当前值(即θ_SE＝θ_D-θ_PTO)。
[0095]程序然后转到步骤506，在这里，根据在步骤504中算出的θ_SE的当前值确定节流板34的最大减速度ω_MAX的当前值。在优选实施方式中，在存储器MEM中存储的查询表用于确定对应于θ_SE的不同值的ω_MAX的值。图8中的曲线限定了用于获得查询表的数值的函数关系ω_MAX＝f(θ_SE)，这将在下文描述。
[0096]在步骤506处确定了最大减速度ω_MAX的当前值之后，程序继续到步骤508，在这里，根据模拟位置误差信号θ_SE和模拟速度信号ω_PTO的绝对值(ABS)作出判断。如果期望位置θ_D与模拟位置θ_PTO的数值之间的差值的数量小于预设阈值TH(即ABS(θ_SE)＜TH)，并且模拟速度信号ω_PTO的数量小于预设速度阈值TH_ω(即ABS(ω_PTO)＜TH_ω)，那么程序500就继续到步骤526。否则，程序继续到步骤510。
[0097]阈值TH可以是预设定值，或者它可以具有不同的数值，这取决于节流板34的期望位置开始变化时θ_SE的初始值。例如，如果期望节流位置信号θ_D有变化从而ABS(θ_SE)一开始在0°到10°范围内，那么TH会被指定具有第一预设值(TH1)。如果ABS(θ_SE)一开始在大约10°到40°范围内，那么TH会被指定具有第二预设值TH2，这同样适用于在其它初始数值范围内的ABS(θ_SE)。对于本发明的实施方式，预设阈值TH被指定0.01度的定值，但是应当理解，这个数值可以根据特定电子节流应用而改变。同样地，预设速度阈值TH_ω被指定0.01度/秒的定值，其也可以根据电子节流应用而改变。
[0098]如上所述，如果在步骤508处ABS(θ_SE)＜TH且ABS(ω_PTO)＜TH_ω，程序500就继续到步骤526，在这里，代表或特征在于电压的前馈控制信号V_PTO被指定具有零伏的数值。应当理解，执行步骤508和526仅仅是为了防止ECU 14对θ_SE和ω_PTO的数值中的小量化误差和/或取整误差作出反应，因为这些数值接近于零。当这些误差不被认为很重要的时候，或者当ECU 14已经提高了所执行的检测和计算功能的精度的时候，步骤508和526就不是必须的。在完成了步骤526之后，程序继续到步骤528。
[0099]在步骤510处，当ABS(θ_SE)≥TH或ABS(ω_PTO)≥TH_ω时，程序500就继续到步骤510，在这里根据下列公式确定或计算前馈控制信号V_PTO的电压：
V_PTO＝V_MAX*sat(K_SAT*(ω_MAX-ω_PTO))，
其中，V_MAX是最大预设电压，sat(K_SAT*(ω_MAX-ω_PTO))是具有自变量K_SAT*(ω_MAX-ω_PTO)的饱和函数，K_SAT是预设饱和增益值，ω_MAX是最大减速度，ω_PTO是可动阀构件(节流板34)的估计速度。这样，表现前馈控制信号的特征的电压被设定为用V_MAX表示的预设最大电压，然后根据所限定的饱和函数sat(K_SAT*(ω_MAX-ω_PTO))对其进行调节。因此，前馈控制信号V_PTO的电压被设定为：(i)用V_MAX表示的最大预设电压，此时K_SAT*(ω_MAX-ω_PTO)＞1；(ii)用V_MIN＝-V_MAX表示的最小预设电压，此时K_SAT*(ω_MAX-ω_PTO)＜-1；以及(iii)数值K_SAT*(ω_MAX-ω_PTO)，此时-1＜K_SAT*(ω_MAX-ω_PTO)＜1。在优选实施方式中，饱和增益K_SAT被给予4.7763的值；然而，这个数值会根据所控制的特定电子节流阀而改变。尽管步骤510被示出为一种计算，但是，应当认识到，指定给V_PTO的电压值也可以从查询表中确定。在步骤510处为前馈控制信号指定适当的电压值之后，程序就继续到步骤528。
[00100]在步骤528处，根据存储在存储器MEM中的模拟节流角位置信号θ_PTO的当前值得出模拟补偿控制信号V_NS的数值。这是通过在图2B中执行与用于补偿弹簧偏压转矩的功能框相对应的计算来实现的，其也存在于图4所示的第二非线性补偿器216中。
[00101]接下来，程序继续到步骤530，在这里，通过使模拟补偿控制信号V_NS和前面步骤得到的前馈控制信号V_PTO的数值相加或相结合来得到电动机模拟控制信号V_CS的数值。
[00102]程序从步骤530继续到步骤532，在这里，得到模拟位置信号θ_PTO和模拟速度信号ω_PTO的新值。这是通过将上面步骤530中得到的电动机模拟控制信号V_CS的当前值用于图4的设备模型并执行与图5提供的代表模拟电子节流阀18的工作的功能框相对应的计算来实现的。作为模型设备208的输出所得到的θ_PTO和ω_PTO的新值然后存储在存储器MEM中，在下次通过程序400和500期间使用。
[00103]完成了步骤532，程序500继续到步骤534，在这里，它返回PTO节流控制程序。
[00104]图8提供了图表，该图表限定了节流板34的最大减速度ω_MAX与期望和估计位置之间的差值θ_SE之间的函数关系。当实际位置达到了期望位置-此时电动机控制信号的电压在V_MAX与V_MIN＝-V_MAX之间切换以获得节流板34的最大加速度和减速度，在必须应用最大减速度以将速度减为零之前，对于期望位置和估计位置之间的给定差值而言，ω_MAX的数值大致代表了节流板34能够通过加速而获得的最大速度。由于PTO控制器200是前馈型控制器，因此在确定用于PTO控制器200的最大减速度ω_MAX的数值时，使用节流板34的估计位置ω_PTO而不是实际位置。
[00105]对于本发明的实施方式，图8所示的ω_MAX与θ_SE之间的函数关系是首先通过模拟来确定的，该模拟利用设备模型208代表电子节流阀18。这样做时，给ω_PTO指定不同的初始速度来模拟节流板34从全闭移到全开位置(或反过来)的速度。电动机控制电压V_MAX或V_MIN＝-V_MAX然后被用于驱动电动机36以提供使节流板34减速的最大减速度(取决于节流板34是正在打开还是正在关闭)，同时记录模拟节流位置θ_PTO和模拟速度ω_PTO的数值。通过用指定给ω_PTO的不同的初始值重复这些模拟，可以得到ω_MAX的数值，其中，电动机控制电压V_MAX或V_MIN的施加使得在节流板34的估计位置达到期望位置时-即在θ_SE＝θ_D-θ_PTO达到零时估计速度ω_PTO达到零。
[00106]已经发现上面获得的代表着作为θ_SE的函数的ω_MAX的实际值的曲线基本上具有无穷大的斜度，因为它经过了坐标系的原点，如图8所示。已经发现在控制节流板34的定位时这导致极限周期。为了消除这种极限周期，稍微减小上面获得的ω_MAX的实际正值，同时稍微增大ω_MAX的实际负值(在本实施方式中两者都大致为17度/秒)。这导致代表着θ_SE为正值的ω_MAX的实际曲线的那部分稍微下移，代表着θ_SE为负值的ω_MAX的实际曲线的那部分稍微上移。这里所使用的这些移位曲线就形成ω_MAX的图表的基础，如图8所示，靠近原点的ω_MAX值被调节成随着θ_SE作线性变化，这种变化按照通过原点且与上述移位曲线的两部分都相切的线条进行。图8示出代表ω_MAX值的实际曲线的修正，已经发现这种修正可以消除本发明所提供的控制中的极限周期。在下文中，图8所示的曲线被称做限定的最大减速度软迹，该最大减速度轨迹被用于为本发明的本实施方式提供最大减速度ω_MAX的数值。
[00107]尽管因为会引起损坏而没有建议，但是应当认识到，在确定用于获得图8所示曲线的最大减速度ω_MAX的实测数值时，可以采用实际电子节流阀18而不是模拟的。
[00108]电动机最大可用电压限值-V_B和+V_B不能用于获得与V_MAX和V_MIN相关的上述最大加速度和减速度，因为这些电压限值在定位节流板34的实际控制中的使用会引起电动机控制信号V_C的饱和。因此，对预设最大和最小电压V_MAX和V_MIN＝-V_MAX进行选择以提供定位节流板34的控制中的改善的加速和减速，而不会引起电动机控制信号V_C的饱和。
[00109]从上面描述可以理解，PTO控制器200作为前馈控制器工作，用于提供前馈控制信号V_PTO作为电动机控制信号V_C的分量。PTO控制器200不是使用节流板34的位置和速度的实际数值，而是在生成前馈控制信号V_PTO时使用估计位置信号θ_PTO和估计速度信号ω_PTO。因此，PTO控制器200完全以前馈方式工作，而没有使用与节流板34的实际位置或速度相关的任何反馈信息。
[00110]还应当理解，通过将前馈控制信号V_PTO的电压设为预设最大电压V_MAX，而该预设最大电压V_MAX被调节或乘以饱和函数sat(K_SAT*(ω_MAX-ω_PTO))，PTO控制器200得以用作改进的开关式控制器。
[00111]当模拟节流速度ω_PTO与最大减速度ω_MAX之间的差值的数量非常大以致K_SAT*(ω_MAX-ω_PTO)＞1或K_SAT*(ω_MAX-ω_PTO)＜-1时，前馈控制信号V_PTO的电压分别设为V_MAX或V_MIN＝-V_MAX的数值。在使V_PTO的电压在这些预设最大和最小电压之间切换时，PTO控制器200用作开关式控制器。然而，当模拟节流速度ω_PTO与最大减速度ω_MAX之间的差值的数量非常小以致-1＜K_SAT*(ω_MAX-ω_PTO)＜1时，前馈控制信号V_PTO被调节或修正为具有等于V_MAX*K_SAT*(ω_MAX-ω_PTO)的电压，该电压落入预设最大和最小电压V_MAX与V_MIN之间。作为这种调节的结果，PTO控制器200提供了改进的开关式控制。
[00112]在按上述方式调节V_PTO的电压时，随着节流板34的估计位置移向期望位置，节流板34进行加速和减速从而促使估计速度ω_PTO大致遵循由ω_MAX的数值规定的最大减速度轨迹(图8中的曲线)。
[00113]图9A和9B分别示出图4所示的本发明示例性实施方式的期望节流位置θ_D的阶跃变化增大所引起的用θ_A和电动机控制信号V_C表示的节流阀响应的模拟图示。图9A的节流响应示出为节流板34的实际角位置θ_A随着时间的变化，该变化发生在时间＝0秒时，节流板34的期望开度从θ_D＝30°到θ_D＝80°发生阶跃函数增大。图9B示出了用于期望节流位置θ_D的相同阶跃增大的相应的电动机控制信号V_C随着时间的变化。
[00114]从图9A可以看出，当响应于节流板34的期望位置的上述阶跃增大时，节流板34到达80度期望开启位置的上升时间约为12.3毫秒。这样，对于期望节流位置的相同阶跃增大而言，与图2A的现有技术电子节流控制系统的节流响应上升时间的60.6毫秒相比，本发明的节流上升时间大大减少。
[00115]节流响应上升时间的这种减少源于在定位节流板34的控制中对电动机最大可用控制电压(-V_B到+V_B)的更大利用。在本实施方式中，前馈控制信号V_PTO的最大和最小值分别设为V_MAX＝+9伏和V_MIN＝-9伏，如图9B所示。
[00116]紧接着期望节流位置信号θ_D的阶跃增大之后，近似时间最优控制器200将V_PTO设为V_MAX＝+9伏从而迅速加速节流板34朝着期望位置移动。PTO控制器200然后如上所述调节前馈控制信号V_PTO的电压，从而随着节流板34的模拟位置θ_PTO被控制而逐渐接近期望位置θ_D，节流板34的估计速度ω_PTO被控制而逐渐接近且大致跟随或遵循由图8中的值ω_MAX限定的最大减速度轨迹。这有助于在图9B的时间＝0之后立即出现电动机控制信号V_C的振幅的大幅增大，因为V_PTO是V_C的一个分量。
[00117]当期望和模拟位置之间的误差θ_SE以及模拟速度ω_PTO的数量都非常小时，前馈控制信号V_PTO的电压被设为零(关闭)。然后仅由补偿控制信号V_N和PID控制信号V_PID决定电动机控制信号V_C的振幅，补偿控制信号V_N和PID控制信号V_PID用来完成对节流板34从实际位置θ_A到估计位置θ_PTO的移动的控制。
[00118]从图9B可以看出，一旦前馈控制信号V_PTO被设为零值，则电动机控制信号V_C的振幅达到约2.0伏，从而提供对电动机36的必要补偿电压以保持弹簧偏压节流板34在θ_D＝80度的期望开启位置。
[00119]还应当认识到，对V_MAX和V_MIN＝-V_MAX的电压大小的选择决定了节流板34朝着期望节流位置θ_D加速和减速的速度。这些值越大，节流板34朝着期望位置θ_D移动的加速度和减速度就越高。然而，V_MAX和V_MIN的等级不能选成大到使得电动机控制电压在图9B所示的最大和最小电动机控制电压限值(即，+V_B＝12伏且-V_B＝-12伏)处饱和。因此，V_MAX和V_MIN的数值大小应合乎实际需要，而不会使得电动机控制信号V_C的电压超过电动机控制电压限值+V_B和-V_B。
[00120]在本实施方式中，V_N和V_PID对电动机控制信号V_C的最大份额被估计为从约+3.0伏到-3.0伏。因此，V_MAX和V_MIN分别选定为约+9伏和-9伏，以避免可能引起的电动机控制信号V_C的饱和。应当认识到，V_C的不同控制信号分量的相对份额要么通过模拟确定要么通过实验测量确定，这些模拟或实验测量在命令节流板34移向不同位置时作出。
[00121]通过前述内容，应当理解，近似时间最优控制器200特别地设计成利用由电动机控制电压限值限定的最大可用电压的绝大部分来提高定位节流板34时的加速度和减速度，而不会引起电动机控制信号V_C的饱和。必须为PID控制器204和非线性补偿器202的工作保留足够的电压。
[00122]已经发现，在本发明中，PID控制器204可被设计成比传统PID控制器更积极，因为本发明所使用的位置误差信号θ_E＝θ_PTO-θ_A往往小于传统PID控制器所使用的节流位置误差信号*θ_E＝θ_D-θ_A。
[00123]通过前述内容，应当理解，本发明可被用于在阀装置-例如具有由电致动器定位的可动阀构件的电子节流阀的响应时间方面获得重大改进。还应当理解，改进的响应时间可用于协调低成本、产生低转矩和低能耗的致动器。
[00124]尽管已经参照某些优选实施方式和实施型式描述了本发明，但是应当理解，在所述发明构思的精神和范围内可以作出大量变化。例如，本发明可用于控制具有线性致动以及旋转致动的可动阀构件的阀装置。还应当理解，本发明适用于控制由电致动器定位的其它类型可动构件的定位，例如EGR阀等。因此，本发明不受到所公开的实施方式的限制，而是具有所附权利要求的文字所允许的全部范围。