随着汽车产业的不断发展,石油资源的日益短缺和空气污染的日益严重,人们在追求汽车的动力性和稳定性的同时,还对汽车的经济性、安全性和排放等提出了越来越高的要求。作为汽车发动机电子控制系统的重要组成部分,电子节气门(ET)系统旨在减少气体排放,提供更好的燃油经济性,进一步提高整车驾驶性,因此实现电子节气门的精确控制吸引了很多汽车工程师和研究人员的研究兴趣。本文主要针对含有不确定性的汽车电子节气门系统,依据李雅普诺夫稳定性理论进行鲁棒和自适应鲁棒控制以及模糊优化设计。本文主要研究内容和成果如下:1、系统性地阐述了 Udwadia-Kalaba理论,该理论为建立约束系统的基本运动方程提供了一个通用的“三步法”。当机械系统中只存在被动约束(或者说,模型约束)时,那么这个机械系统所需的约束力由其所处的环境或自身结构提供。当机械系统需要跟随一组伺服约束(或者说,控制目标)时,那么我们的任务就是找出相应的广义控制力施加在该系统中。Udwadia-Kalaba理论为不确定机械系统的鲁棒控制和自适应鲁棒控制提供了理论基础。2、在分析电子节气门系统三个典型非线性特性:非线性摩擦、非线性弹簧和齿轮侧隙的基础上,建立电子节气门系统的非线性动力学模型。当系统中不存在不确定性时,针对初始条件不相容的问题(即,电子节气门开启角的初始条件不能满足给定的伺服约束),提出了基于Udwadia-Kalaba理论的改进的名义控制。通过和Udwadia-Kalaba直接控制法对比可以发现,该改进的名义控制可以有效地解决初始条件不相容的问题。3、创新性地应用模糊集理论来描述电子节气门系统的不确定性并建立电子节气门的模糊动力学方程。在此基础上,从轨迹跟踪的角度提出了一种鲁棒控制方法来解决模糊电子节气门系统的控制问题。值得强调的是,这里针对模糊电子节气门系统所采用的鲁棒控制方法是确定性的,并且不同于以往基于IF-THEN规则的模糊控制。在该控制器作用下,系统将实现确定性的性能(一致有界性和一致最终有界性)。另外,根据电子节气门系统中的模糊信息定义了一个二次型性能指标,该指标包含两部分:一致最终有界的边界大小和控制代价。然后,构造了一个对于该性能指标的最优控制问题,并得到最优解。4、从约束跟随的角度提出了一种鲁棒控制方法来解决模糊电子节气门系统的控制问题。该鲁棒约束跟随控制方法是基于Udwadia-Kalaba理论和二阶伺服约束提出的。值得强调的是,控制问题中的稳定性问题,轨迹跟踪问题以及最优性问题都可以转化成二阶约束的形式。因此,轨迹跟踪问题可以视为是约束跟随控制问题的一个特例。该鲁棒约束跟随控制器同样是确定性的,不同于以往基于IF-THEN规则的模糊控制,并且可以保证系统达到确定性的性能(一致有界性和一致最终有界性)。在此基础上,构建了一个基于模糊信息的性能指标,该性能指标包含三部分:平均的整体瞬态性能,平均的整体稳态性能和控制代价。通过极小化该性能指标,最优控制问题最终得以解决。5、在考虑鲁棒控制设计往往是比较保守的基础上,提出了一种自适应鲁棒约束跟随控制方法来解决模糊电子节气门系统的控制问题。该自适应律用来估计系统不确定性的边界大小,具有三个典型特征:(1)它是以一般形式给出的;(2)它是一个漏损型的;(3)漏损增益和系统的性能有关。对于优化设计问题,本文创新性地提出信心指数的概念来度量一个模糊数的期望值。在这个最优自适应鲁棒约束跟随控制器的作用下,系统将实现确定性的性能(一致有界性和一致最终有界性)。与鲁棒约束跟随控制方法相比,该控制方法具有较高的跟踪精度和较好的鲁棒性。