發(fā)動機怠速PID控制研究畢業(yè)設計

1、目錄1緒論11.1汽車電子技術的發(fā)展與現(xiàn)狀21.2 怠速控制發(fā)展狀況21.3 怠速控制的要求22 汽車發(fā)動機怠速控制系統(tǒng)42.1 怠速工況分析32.2 怠速不良表現(xiàn)42.3 怠速控制過程42.4 怠速控制策略53 汽車發(fā)動機怠速模型63.1 國外采用的發(fā)動機怠速模型53.2 國內采用的發(fā)動機怠速模型93.3 本課題采用的發(fā)動機怠速模型104 pid控制器144.1 pid控制簡介144.2 pid控制器參數(shù)的整定155 matlab介紹165.1 matlanb簡介165.2 simulink簡介165.3 simulink建模方法165.4 simulink建模具體步驟176 基于simul

2、ink的怠速pid控制仿真186.1 仿真模型的建立186.2 仿真結果分析206.3 發(fā)動機怠速穩(wěn)定性分析217結論.23參考文獻.24致謝.26附錄.271 緒 論 1.1 汽車電子技術的發(fā)展與現(xiàn)狀 汽車工業(yè) 100 多年來一直占據(jù)發(fā)達國家支柱產(chǎn)業(yè)的地位。一方面，汽車工業(yè)的發(fā)展迫切需要新科學、新技術的支持；另一方面，新科學、新技術又需要找到用武之地，以擴大其產(chǎn)業(yè)發(fā)展。所以，從電子工業(yè)誕生開始，兩者就緊密地聯(lián)系在一起，成為世界工業(yè)的兩大支柱。70 年代，電子技術取得了一系列突破性進展。1973年，intel 4 位cpu i 4004和8位cpu i 8008相繼問世；1975年，8位單片集

3、成的cpu i 8048 問世；1976年，16kb ram問世；1978年，64kb ram問世；1979年,16位cpu i 8086問世。電子工業(yè)的迅速發(fā)展為汽車電子技術的發(fā)展提供了可能。而同時,汽車保有量的增加使大氣污染問題日益嚴重。1960年，美國加州制定了世界上第一個汽車排放污染限制法規(guī)。1968年,美國頒布了聯(lián)邦排放法規(guī)。這些法規(guī)一再修訂，限制越來越嚴格。繼美國之后，歐洲和日本也相繼制定出排放法規(guī)。在70年代,還發(fā)生了1973年和1979年的兩次石油危機。1978年，美國又頒布了聯(lián)邦燃油經(jīng)濟性法規(guī)。這些法規(guī)的頒布對汽車工業(yè)造成了巨大的壓力。而傳統(tǒng)的機械改良方式是無法逾越這些障礙的

4、。在這樣的歷史背景下，形成了70年代汽車電子技術蓬勃發(fā)展的局面。70年代發(fā)動機電子技術發(fā)展的一些情況。在80年代,微機技術有了更長足的發(fā)展。繼1983年intel 16位cpui 8096問世后，motorola 公司又于 1984 年和 1987 年分別推出 32位cpu mc68020 和 mc68030。與此同時,內存芯片也從 1983 年的 256kb、1985年的1mb增長到1988年的4mb ram。微機速度、字長和內存容量的飛速增長，為以微機為“大腦”的發(fā)動機集中控制系統(tǒng)提供了基石。在這期間，各種發(fā)動機的控制系統(tǒng)功能日趨完善，且從單一的發(fā)動機集中控制，發(fā)展到包括自動變速器的動力總

5、成控制，再發(fā)展到整車集中控制。今天,美國幾乎100%的轎車都采用了電子控制;日本和歐洲緊隨其后,電子控制的轎車占其出廠轎車的比率也接近 100%。1.2 怠速控制發(fā)展狀況汽車在城市中行駛時,經(jīng)常會遇到交通擁擠的狀況，此時發(fā)動機多處于怠速工況。發(fā)動機的怠速油耗約占整個工況油耗的 30% 。因此，過去人們一直以降低怠速轉速為目標來改善發(fā)動機的經(jīng)濟性。但是，汽油機的怠速工況由于需要供給較濃的混合氣，燃燒不完全，所以怠速工況是產(chǎn)生co和hc有害排放物的主要工況。而且,怠速轉速越低，廢氣的稀釋作用越明顯，這會使co 和hc的排放濃度進一步增加。提高怠速轉速對減少co 和hc的排放是有利的。怠速轉速從70

6、0r/min提高到800r/min，co下降10%，hc排放量下降 15%。因此，汽油機怠速控制的目標應為在盡可能低的 co 和 hc 排放下，保持怠速工況在較低的轉速下運轉平穩(wěn)。另外,還應考慮冷車啟動、空調及電氣負荷、自動變速器、動力轉向伺服機構的接入等情況都會引起怠速轉速的變化，使發(fā)動機運轉不穩(wěn)定甚至熄火。當前,對怠速控制策略的要求主要包括以下幾個方面：a在所有可能的工況條件下提供理想的怠速空氣量。b及時補償發(fā)動機的負荷變化。 c防止發(fā)動機的失速。d采用維持最低怠速與減速空氣量控制等方式,以取得良好的燃油經(jīng)濟性。e采用急減速時增加空氣量等方式改善排放.f對于零件老化及各車異性等所致的差異能

7、自動地進行補償，以減少周期性調整的要求.g改善車輛的可駕駛性.傳統(tǒng)的化油器采用單獨的怠速系，由怠速空氣量孔和怠速孔共同調節(jié)以供應怠速時較濃的混合氣，保持怠速工況穩(wěn)定。但是這種機械式的調節(jié)方式無法滿足上述要求，很難滿足使發(fā)動機在復雜的外界條件下保持怠速穩(wěn)定、排放良好的目標。電控汽油機在怠速工況時除了將怠速轉速適當提高以降低co和hc以外，還可以通過調整怠速空氣量與噴油的匹配將怠速轉速控制在一個比較穩(wěn)定的水平上,這樣控制的彈性很大,可以適應復雜的外界環(huán)境。1.3怠速控制的要求“怠速控制”就是通過控制怠速工況的供氣量及相應的供油量和點火提前角，使發(fā)動機能以一個最佳的怠速轉速穩(wěn)定運轉，同時能夠平穩(wěn)地實

8、現(xiàn)由怠速工況向負荷工況(或相反，由負荷工況向怠速工況)的過渡。怠速控制的好壞同發(fā)動機的怠速穩(wěn)定性、燃油經(jīng)濟性和排放性能都密切相關。怠速控制是發(fā)動機電子綜合控制技術的重要組成部分。在交通密集和擁擠的城市，汽車經(jīng)常停車而發(fā)動機怠速運轉。據(jù)統(tǒng)計,汽車耗油量的30%消耗在怠速工況,降低怠速油耗將有助于節(jié)能.怠速工況缸內殘余廢氣比例增多,要用較濃的混合氣，故co和hc排放污染也增多.在怠速狀態(tài)下,有時還會出現(xiàn)發(fā)動機轉速周期性的變化，即所謂游車現(xiàn)象。從廣義角度理解，怠速運行這一范疇，不僅是指發(fā)動機節(jié)氣閥關閉(只有少許空氣通過節(jié)氣閥縫隙或經(jīng)過旁通空氣閥進入發(fā)動機)汽車處于空檔時的發(fā)動機空轉狀態(tài)，它也包括了由

9、空轉向負載運行過渡初期發(fā)動機轉速較低的工況。在發(fā)動機空轉時，其轉速決定于指示扭矩與機械損失扭矩的平衡。就機械損失來說，包括發(fā)動機內的摩擦損失、附件及所帶動的一些外部設備(如空調壓縮機、動力轉向泵等)的驅動損失。前兩項可以說是基本機械損失，其大小隨發(fā)動機溫度狀況(以冷卻水溫為標志)和發(fā)動機新舊程度而變化，后者則是隨機加入的.就發(fā)動機的指示扭矩來說，在空燃比和點火正時相應調整合適的情況下，它決定于進氣空氣量。因此對于一定的基本機械損失狀況，改變怠速供氣量(旁通空氣閥通路)就可以改變基本怠速轉速。從燃料經(jīng)濟性來說，此怠速轉速宜取低，但從負載工況過渡的圓滑性和發(fā)動機尾氣排放考慮，則宜適當提高怠速轉速。

10、怠速供氣量越低，相應的空燃比越小，co和hc的排放就增大。實際上基本目標怠速轉速的設定是以co和hc不超過排放標準為限的。在實際運行中，由于隨機地加入空調壓縮機或動力轉向泵，或者發(fā)電機負載 (電子冷卻風扇和照明等)增大，以及發(fā)動機本身工作循環(huán)的不均勻性、環(huán)境溫度和壓力的變化等等,都會使怠速轉速發(fā)生波動。怠速控制的基本任務就是通過調整供氣量(相應改變空燃比和點火正時)使怠速轉速在目標值上下的波動幅度不超過一定范圍(一般以維持在目標值的1g%以內)。另一方面，汽車掛行車檔而開啟節(jié)氣閥時，由于進氣滯后、供油及進氣管路內燃油蒸發(fā)滯后的影響，混合氣變稀，輸出扭矩可能低于帶動負載所需的扭矩而發(fā)生轉速急劇下

11、降，嚴重時可能滅車。為了避免這種情況，除了加大供油量外，還要在掛檔和開節(jié)氣閥之前先提高發(fā)動機的目標怠速轉速，使發(fā)動機有較大的動能。反之，在汽車由行車檔轉為空檔時，混合氣可能過濃而熄火，這時也需要在摘檔之前先提高發(fā)動機的目標怠速轉速，使發(fā)動機先得到較大的怠速空氣量，然后再逐漸降低目標怠速轉速。這樣，保證在過渡過程中發(fā)動機在較低轉速區(qū)的轉速變化較圓滑，這也是怠速控制的任務之一。2汽車發(fā)動機怠速控制系統(tǒng)2.1怠速工況分析怠速控制是汽車發(fā)動機的基本控制問題和面臨的難題之一。怠速是在節(jié)氣門近乎全關時，車速為零(汽車發(fā)動機在空檔)情況下的最低轉速。城市交通日益擁擠使得車輛在行車過程中經(jīng)常要處于怠速工況。發(fā)

12、動機在怠速運行時速度波動大，點火提前角控制不好，燃燒不充分，排放嚴重，油耗也較大(城市運行中，怠速油耗約占總油耗的30%)。過低的怠速還容易導致發(fā)動機熄火。這些問題將隨著城市的交通的發(fā)展而加劇上升。汽車發(fā)動機怠速控制的重點，就是要把怠速轉速穩(wěn)定在目標值上。它主要由進氣歧管(intake manifold)，節(jié)氣門(throttle valve)，永磁轉子步進電機式怠速控制閥(iscv),電控單元(ecu),傳感器組(various sensors)等組成.在節(jié)氣門處于近乎全關狀態(tài)時，空氣由與節(jié)氣門并聯(lián)的旁通怠速空氣道，經(jīng)怠速控制閥口、進氣腔(air intake chamber)進入氣缸，汽車

13、發(fā)動機在這些空氣參與燃燒所做的功和發(fā)動機內部摩擦損失功相互平衡的狀態(tài)下穩(wěn)定運轉。2.2怠速不良表現(xiàn)無負載變化時，發(fā)動機怠速性能不良主要表現(xiàn)有如下三種現(xiàn)象。a.無怠速發(fā)動機起動后油門轉把不能完全放手，否則熄火。產(chǎn)生的原因有:化油器故障，或化油器至氣缸之間有漏氣,氣缸壓力過低等b.怠速過高發(fā)動機怠速運轉超過規(guī)定范圍而無法調低,一旦調低發(fā)動機就熄火.產(chǎn)生原因:節(jié)氣門不能回位或怠速量扎過大。c.怠速不穩(wěn)發(fā)動機在怠速運轉時，發(fā)動機抖動，轉速忽高忽低。產(chǎn)生的原因:點火時間過早、混合氣過濃或過稀(怠速空燃比一般為12)，火花塞間隙過小等原因.有負載變化時,怠速性能不良表現(xiàn)為:發(fā)動機轉速會因負載變化而嚴重偏離

14、設定的怠速目標轉速。2.3怠速控制過程怠速控制的主要任務是通過控制iscv的開度，從而控制旁路進氣量。當iscv的執(zhí)行器件采用比例電磁閥時，就是控制電壓的強度;當采用步進電機時就是控制電機的步數(shù)。圖21怠速控制閥的啟動控制和暖機控制a.啟動控制為改善汽車發(fā)動機的啟動性能，當點火開關斷開時，怠速閥總是處于全開狀態(tài)(上圖為位置a)，這樣可使發(fā)動機在下次啟動時具有大進氣量。啟動之后，根據(jù)冷卻水溫度(上圖，70* c)來確定旁通進氣量的大小。在汽車發(fā)動機轉速達到設定水溫下的目標怠速時，怠速閥開度則從a減小到b。b.暖機控制隨汽車發(fā)動機轉速和水溫升高，怠速閥開度減小，當水溫達到700c時，暖機結束，怠速

15、閥開度保持在c位置不動。c.運行控制怠速閥開度取決于怠速負荷.負荷增大時，怠速閥度增大，實現(xiàn)快怠速(一般高于最佳怠速200r/min)，以防止汽車發(fā)動機運轉不穩(wěn)或熄火。負荷減小時反之。在怠速運行中，如蓄電池電壓過低，怠速閥開度增大，提高怠速轉速，以提高電源電壓。怠速控制還有兩個任務:一是修正噴油量,隨怠速轉速升高,增大噴油量,以保證怠速目標空燃比一般為12。二是修正點火提前角，隨怠速轉速降低，減小點火提前角，以保證怠速平穩(wěn)，防止熄火。2.4怠速策略控制怠速過程的輸入與輸出不呈簡單線性關系,存在傳感器及各種時滯非線性環(huán)節(jié),在干擾中有不少未知量和隨機量(如電器及動力負荷的變化.元器件老化,燃油品質

16、變化等),因此怠速是一個具有慢時變,參數(shù)不確定,時滯,復雜非線性的過程,見下圖 圖22怠速過程的輸入輸出及干擾這種特性使得除變結構控制外,各種基于精確參數(shù)模型的經(jīng)典控制(包括變參數(shù)pid控制)和現(xiàn)代控制理論(包括log最優(yōu)控制)都難以實現(xiàn)越來越高的控制要求,而模糊控制(fuzzy control)和神經(jīng)網(wǎng)絡控制(neural network control)則獲得了它們的應用新領域.本文采用的是pid控制策略。3汽車發(fā)動機怠速動力學模型3.1國外采用的汽車發(fā)動機怠速模型國外用于汽車發(fā)動機怠速的模型很多，常用的有滑動模型（sliding model）,混和模型（hybrid model）,多項式

17、模型（polynomial model）,模態(tài)分析模型（modal analysis model）,以及傳遞函數(shù)模型（transfer function model）等。下面介紹幾個典型模型： 當?shù)∷贂r，其狀態(tài)模型如下： (3-1)式（31）中，p為進氣歧管壓力，m為控制怠速系統(tǒng)的進氣量，為時間延遲，腳號0為初始狀態(tài)。f(n,p)和f(n,p)為計算進氣岐管的空氣外流量的非線性函數(shù)。對上述狀態(tài)模型設計反饋控制器如下: =- (3-2)增益k,k 采用滑?？刂?以便在系統(tǒng)模型參數(shù)的某些不確定因素影響下,獲得良好的魯棒性.先設計被控汽車發(fā)動機轉速的可控伴隨模型(controllable compa

18、nion model):=+ (3-3)式中（33）,n為汽車發(fā)動機轉速,為點火提前角,i為系統(tǒng)常數(shù)(非常小).假定m和空燃比為常數(shù),任何出現(xiàn)的變化或者被模擬為不確定性因素,或者組合成如下的多輸入模型:=+() (3-4)發(fā)動機在怠速時,其混和模型由一系列離散模塊,連續(xù)變量和符號常量組成.系統(tǒng)控制輸入為節(jié)氣門開度,點火提前角,擾動輸入為負載扭矩t和離合器位置b.因此,系統(tǒng)存在兩類輸入.一是連續(xù)變量輸入和t,兩者影響連續(xù)變量動力學;二是離散變量輸入和b,兩者決定離散模型轉換,連續(xù)變量復位和符號常量設置.式中連續(xù)變量由進氣岐管壓力p,曲軸轉速n和活塞位置組成,其動力學模型如下:=ap(t)+b(t

19、) (3-5) =an(t)+b(t-t(t) (3-6) (t)=kn(t) (3-7)整個發(fā)動機的混和模型是一個多元組:h=(q,x,u,m,m,d,m,m,f,) (3-8)式（3-8）中,有限狀態(tài)模型集 q=s,s,s,s,s,s連續(xù)時間動力學變量: x=(p,n,)|(p,n,)ir 有限狀態(tài)機構變量 : 連續(xù)輸入變量 :u 連續(xù)干擾變量 d 離散控制事件集 : 離散干擾事件集: m與m分別表示離散干擾移動函數(shù)(discrete disturbance move function)與連續(xù)控制器可行性移動函數(shù)(continuous controller feasible move fu

20、nction).f,表示過渡函(transition function).首先考慮二狀態(tài)動力學模型:,=f(e,e,d,q,t) (3-9)式(3-9)中,e ,e為系統(tǒng)狀態(tài)誤差;f,f為非線性映射;d為點火提前角,q為節(jié)氣門開度;t為外部干擾,二者為控制輸入。在分析二階汽車發(fā)動機模型:=k(-),=k(t-t) (3-10) =(1+0.907q+0.0998q)g(p) (3-11)=-0.0005968n-0.13336p+0.0005431np+0.000001757np (3-12)t=-39.22+32.5014m-0.0112d+0.000675dn()+0.635d+0.021

21、6n()-0.000102n() (3-13) t=()+t (3-14) g(p)= (3-15)(3.10-3.15)式中,p為進氣歧管壓力,n為汽車發(fā)動機轉速;k為進氣歧管動力學常數(shù),k為汽車發(fā)動機動力學常數(shù);m為進氣歧管內的空氣質量流量,m進氣歧管外的空氣質量流量;t為第i個氣缸轉矩,t為負載扭矩. 文獻汽車發(fā)動機模型由進氣歧管動力學,燃油噴射動力學,曲軸轉動動力學三部分組成,分別如下:=max1-cos(1.14459a-1.0600)-c (3-16) (3-17) (3-18)i(3.15-3.18)式中,m為進氣歧管內的空氣質量流量,m為燃油噴射質量流量.為燃油系統(tǒng)遷移延遲,和

22、分別為產(chǎn)生于扭矩的進氣延遲和點火延遲.t為時間變量,其他為系統(tǒng)常數(shù).系統(tǒng)輸入為汽車發(fā)動機節(jié)氣門開度,空然比和點火提前角sa,輸出為汽車發(fā)動機轉速。3.2國內汽車發(fā)動機怠速模型 國內采用的怠速模型很少,常采用的有傳遞函數(shù)模型(transfer function model),非線性自回歸模型(nrax),簡化模型(simplified model).下面簡要介紹幾個典型模型。文獻給出了汽車發(fā)動機怠速模型參數(shù),如下圖:圖31汽車發(fā)動機怠速控制系統(tǒng)框圖圖中為怠速目標轉速,t為負載變化量及其他擾動,u為控制器輸出,n為汽車發(fā)動機實際轉速,k,k,. 文獻采用非線性自回歸模型(narx),目的是在簡化模

23、型結構的同時提供一個能滿足工程控制的使用模型.模型只考慮怠速閥開度和點火提前角兩個輸入變量以及曲軸轉速n一個輸出變量,如下:n(k)=,s= (3-19)上式中,x為,a(k-j),乘積組成的單項式,n,n為最大預測步數(shù),s為模型輸出方差和。 確定上述模型的主要困難在于擬和多項式的階數(shù)m和預測步數(shù)n,為了簡化,根據(jù)相關分析取步數(shù)n為4.同時由于m=2和m=3時,nrax模型輸出方差和s已充分接近,又本系統(tǒng)是穩(wěn)定的,nrax模型收斂,高階次可以忽略,意味著此時的模型是模型空間中的一個布局最優(yōu)點. 作為本課題的前期研究,文獻根據(jù)汽車發(fā)動機動力學原理,提出描述怠速變化過程的動力學簡化模型,該模型闡述

24、了作為控制輸入及輸出的汽車發(fā)動機轉速和怠速閥開度的關系,如下:n= (3-20)上式中,i為發(fā)動機轉動慣量,k ,k為模型常數(shù),為采樣周期,n為ts時刻的轉速。3.3本課題現(xiàn)采用的汽車發(fā)動機怠速模型怠速是一個非線性過程，原則上應采用非線性模型。從上述國內外汽車發(fā)動機怠速模型分析可知，國內獨自提出的模型很少，大部分都是借用或簡化國外的模型。本課題還不具備獨自建立汽車發(fā)動機怠速非線性模型的條件，故仍借用國外可靠的線性模型，但利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的泛化(generalizatio)能力和自適應能力來實現(xiàn)非線性過程控制，在這一特定條件下，怠速可以用線性化模型來描述。本文仿真采用康明斯(camless)汽車

25、發(fā)動機怠速模型，該模型是傳遞函數(shù)模型，模型物理概念清楚，這對控制方法和參數(shù)確定帶來方便，具體模型結構下圖所示: 圖31康明斯汽車發(fā)動機怠速模型圖中,r為期望的汽車發(fā)動機速度變化量;為干擾負載扭矩:為汽車發(fā)動機速度變化量:c(s)為控制器傳遞函數(shù);g(s)和g(s) 是描述發(fā)動機結構特性的傳遞函數(shù)g (3-21)g(s)=k(開環(huán)增益常數(shù)) (3-22)設 n和 n分別為氣缸數(shù)和發(fā)動機怠速額定轉速，時間間隔t為 (3-23)則汽車發(fā)動機感應動力延遲時間，和發(fā)動機傳感和計算延遲時間分別為: =2,=4 (3-24)g(s )的極點p和零點z可由下式表達p，z (3-25)圖中g是表征發(fā)動機動力學特

26、性的傳遞函數(shù)：g(s)= (3-26)上式中，j為發(fā)動機等效轉動慣量;a和b是表征發(fā)動機阻尼和固有頻率的系數(shù)?？梢?，無控制的汽車發(fā)動機怠速系統(tǒng)因g(s)是一個2階非最小相位系統(tǒng)(non-minimum phase)，因g(s)的特征多項式:s+as-b出現(xiàn)負號(系數(shù)不全部大于0)，至少有一個正極點(參數(shù)a和b的取值無關)，故無控制下的怠速系統(tǒng)是一個結構不穩(wěn)定系統(tǒng)，不是參數(shù)不穩(wěn)定系統(tǒng)。g（s）的極點p和p與參數(shù)a和存在如下關系:a=-( p+ p),b= pp (3-27)g（s）和g（s）的零點z和z與延遲時間和有關：z，z (3-28)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為： (3-29)可見,如果出現(xiàn)干擾負載

27、,則造成汽車發(fā)動機轉速波動，從而導致氣缸空氣流量的增減,燃燒情況變差,輸出轉矩隨之波動。如果不校正即c(s)1,轉速就不能恢復，依此下去勢必會導致轉速的大范圍瞬態(tài)波動。怠速控制就是怠速轉速的校正，使出現(xiàn)干擾負載時,能以最小的控制來使發(fā)動機轉速維持于期望怠速轉速。設開環(huán)傳遞函數(shù)：l(s)= c(s)g(s)g(s)g(s) (3-30)特征函數(shù):s(s)=1/(1+l(s) (3-31)輸入作用下的傳遞函數(shù)：t（s）=s(s)l(s) (3-32)擾動作用下的傳遞函數(shù)：ts（s）g(s) (3-33)于是，式（2.30）可簡化為 （s）=t(s)(s)+t (3-34)控制器輸出的脈沖寬度變化量

28、為： (3-35)良好的怠速控制應使汽車發(fā)動機在干擾負載扭矩作用下實際轉速相對于期望轉速沒有誤差，即，故式（2.312.36）簡化為： (3-36) (3-37)根據(jù)分析可知：干擾扭矩增加時k增加而a,b也單調增加；轉動慣量j增加時k不變而a,b單調下降。當負載干擾扭矩t0和j0.37kg.m時得到：k7.93，a=27.01,b=8.66當負載扭矩t50nm,j=0.25kg.m時得到：k7.52，a=27.39,b=18.55不失一般性,文獻將發(fā)動機負載扭矩和轉動慣量的范圍取為:t,j此時得到參數(shù)范圍:k,a,b本文在仿真中,取：j,k,a=27.20,b(角碼0表示怠速仿真中使用的參數(shù))

29、;,;z,z,于是得到: g,g=7.72,g (3-38)該系統(tǒng)的g(s)存在政極點0.4915和負極點-27.6915.4 pid控制器4.1 pid 控制簡介 pid控制器是工業(yè)過程控制中應用最廣泛的一種控制規(guī)律，pid控制表示比例，積分，微分(proportion,integral,differential)控制。其工作原理是：由于來自外界的各種擾動不斷產(chǎn)生，要想達到現(xiàn)場控制對象保持恒定的目的，控制作用就必須不斷產(chǎn)生，要想達到出現(xiàn)使得現(xiàn)場控制對象值，即被調參數(shù)發(fā)生變化，現(xiàn)場檢測元件就會將這種變化記錄并傳送給pid控制器，改變過程變化量，經(jīng)變送器送至pid控制器的輸入端，并與其給定值 簡

30、sp值進行比較得到偏差值 簡稱e值，調節(jié)器按此偏差并以預先設定的整定參數(shù)控制規(guī)律發(fā)出控制信號，去改變調節(jié)器的開度，使調節(jié)器的開度增加或減少，從而使被調參數(shù)發(fā)生改變，并趨向于給定 sp值），以達到控制目的。其系統(tǒng)原理框圖如下:圖41pid控制原理圖它的控制規(guī)律的數(shù)學模型如下： u(t)=k (4-1)或寫成傳遞函數(shù)形式： g(s)=k (4-2)式中，e(t)：調節(jié)器輸入函數(shù)，即給定量與輸出量的偏差； u(t)：調節(jié)器輸出函數(shù)； k：比例系數(shù)； t：積分時間常數(shù)； t：微分時間常數(shù)。 將式（4-1）展開，調節(jié)器輸出函數(shù)可分成比例部分、積分部分和微分部分，它們分別是：a. 比例部分 比例部分的數(shù)學

31、表達式是:ke(t)在比例部分中，k是比例系數(shù)，k越大，可以使系統(tǒng)的過渡過程越快，迅速消除靜誤差；但 k 過大，易使系統(tǒng)超調，產(chǎn)生振蕩，導致不穩(wěn)定。因此，此比例系數(shù)應選擇合適，才能達到使系統(tǒng)的過渡過程時間短而穩(wěn)定的效果。b. 積分部分 積分部分的數(shù)學表達式是：從它的數(shù)學表達式可以看出，要是系統(tǒng)誤差存在，控制作用就會不斷增加或減少，只有 e(t)=0 時，它的積分才是一個不變的常數(shù)，控制作用也就不會改變，積分部分的作用是消除系統(tǒng)誤差。積分時間常數(shù)t 的選擇對積分部分的作用影響很大。t較大，積分作用較小，積分較弱，這時，系統(tǒng)消除誤差所需的時間會加長，調節(jié)過程慢；t較小，積分作用增強，這時可能使系統(tǒng)

32、過渡過程產(chǎn)生振蕩，但可以較快地消除誤差。c.微分部分 微分部分的數(shù)學表達式是：微分部分的作用主要是抵消誤差的變化，作用強弱由微分時間常數(shù)t確定.t越大，則抑制誤差e(t)變化的作用越強，但易于使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩；t越小,抵消誤差的作用越弱。因而，微分時間常數(shù)要選擇合適，使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定。42 pid控制器參數(shù)的整定用好pid控制器的關鍵在于整定好pid控制器的參數(shù)。pid控制的主要整定方法有兩類：一類是基于自動控制原理的理論計算方法，但該類方法需要有一定的理論基礎，計算比較復雜，實際應用較少；另一類是工程整定方法，依據(jù)系統(tǒng)的階躍響應及pid參數(shù)在系統(tǒng)中的作用按一定的經(jīng)驗進行，由于方法簡單在實際中應用

33、較多。本文采用的是第二種方法。需要指出的是：pid調節(jié)器的參數(shù)對控制系統(tǒng)性能的影響通常并不十分敏感，因而參數(shù)整定的結果可以不唯一。在實際應用中，只要被控過程的主要指標達到設計要求，那么就可以選定相應的控制器參數(shù)作為有效的控制參數(shù)。5 matlab介紹5.1 matlab簡介matlab語言是由美國new mexico大學的cleve moler博士于1980年開始開發(fā)的，原意是matrix laboratory. 1983年他與john little等用c語言合作開發(fā)具備圖形功能的matlab專業(yè)版。1984年成立mathworks公司，專門從事matlab的開發(fā)與研究，并正式把matlab推

34、向市場。1990年推出以ms-windows為運行環(huán)境的pc機版，提供了與其它高級程序設計語言如 c, fortran等的接口，同時推出了能進行可視化動態(tài)系統(tǒng)仿真的simulink。特別是1993年開發(fā)了在matlab環(huán)境下實現(xiàn)符號計算的工具包symbolic toolbox后，又不斷吸收個領域權威人士編寫應用程序，形成了規(guī)模龐大、開放式的、覆蓋面廣、簡單易用的近40個應用工具箱。當前的matlab 6.5及以上的版本，提供了更強大的數(shù)據(jù)結構和更完善的應用工具箱，使matlab不僅成為國際控制界應用最廣的首選工具，也成為國際上最優(yōu)秀的科技應用軟件之一。5.2 simulink簡介mathwor

35、ks公司于1992年推出的simulink是matlab在控制系統(tǒng)仿真領域的新突破，具有matlab與simulink的交互式模型輸入與仿真功能，成為動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的集成環(huán)境，支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性、非線性系統(tǒng)，現(xiàn)在的simulink 5.0使matlab的功能得到進一步的擴展，主要表現(xiàn)在:a.實現(xiàn)了可視化建模。在windows視窗里，用戶通過簡單的鼠標操作就可建立起直觀的系統(tǒng)模型，并進行仿真。b.實現(xiàn)了多工作環(huán)境間文件互用和數(shù)據(jù)交換，如simulink與matlab; simulink與c. fortran; simulink與dsp; simulink與實時硬件工作環(huán)

36、境等的信息交換都可以方便的實現(xiàn)。c.把理論研究和工程實際有機的結合在一起。53 simulink建模方法simulink這一名字的含義是相當直觀時 因為它較明顯地表明此軟件的兩個顯著功能:simu(仿真)與link(連接).simulink為用戶提供了用方框圖進行建模的圖形窗口，可以利用鼠標器在模型窗口上 “畫”出所需的控制系統(tǒng)模型，就象用筆和紙來畫一樣容易，與傳統(tǒng)的仿真軟件包用微分方程和差分方程建模相比，具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點。然后利用simulink提供的功能來對系統(tǒng)進行仿真或分析。simulink 5.0包含有continuous(連續(xù)模塊)，discontinuities(不連續(xù)

37、模塊)、discrete(離散環(huán)節(jié))、look-up tables(查表平臺)、math operation(數(shù)學運算)，model verification(模型驗證)、model-wide utilities(模型擴展使用)、port& subsystems(端口與子系統(tǒng))、signal attributes(信號屬性)、signal routing(信號通路), sinks(輸出源)、source(信號源). user-defined functions(用戶自定義函數(shù))等子模型庫，每個子模型庫中都包含有相應的功能模塊，用戶也可以定制和創(chuàng)建用戶自己的模塊。用simulink創(chuàng)建的

38、模型可以具有遞階結構，因此用戶可以采用從下到上或從上到下的結構創(chuàng)建模型。用戶可以從最高級開始觀看模型，然后用鼠標雙擊其中的子系統(tǒng)模塊，來查看其下一級的內容，以此類推，從而可以看到整個模型的細節(jié)，幫助用戶理解模型的結構和各模塊之間的相互關系。在定義完一個模型以后，用戶可以通過simulink的菜單或matlab的命令窗口鍵入命令來對它進行仿真。采用scope模塊和其它的畫圖模塊，在仿真進行的同時，就可觀看到仿真結果。除此之外，用戶還可以在改變參數(shù)后來迅速觀看系統(tǒng)中發(fā)生的變化情況。仿真的結果還可以存放到matlab工作空間里做事后處理。54 simulink建模的具體步驟如下a.開始準備。要按si

39、mulink格式輸入一個系統(tǒng)模型，則應該首先啟動simulink程序。我們可以在matlab命令窗口的提示符下鍵入simulink命令來啟動simulink程序，這時就會將 simulink模型的模塊庫窗口顯示出來，(若simulink已經(jīng)啟動，會自動將之調到前臺)，同時還將自動打開一個空白的模型編輯窗口來建立新的系統(tǒng)模型。b.畫出系統(tǒng)的各個模塊。打開相應的子模塊庫，選擇所需要的模塊，拖動到模型編輯窗口的合適位置。c.給出各個模塊的參數(shù)。各個模塊中己給出默認的模型參數(shù)，要修改模塊默認的參數(shù)，則需用鼠標雙擊該模塊圖標，這樣就會出現(xiàn)相應的對話框進一步提示用戶如何修改模塊參數(shù)。d.畫出連接線。當所有

40、的模塊都畫出來之后，則可以接著畫模塊間必要的連線，構成完整的系統(tǒng)。模塊間的連線很簡單，只需用鼠標點按開始模塊的輸出端(三角符號)再拖動鼠標，到終止模塊的輸入端釋放鼠標鍵，則會自動地在兩個模塊間畫出帶箭頭的連線。e.指定輸入和輸出端子。在simulink下允許兩類輸入輸出的信號，若用戶提取系統(tǒng)的線性模型，則需要打開 simulink模塊庫中的"continuous"(連續(xù)模塊)圖標，從中選取相應的輸入輸出端子，若只想對系統(tǒng)進行仿真分析，則需從“source”信號源)圖標中取輸入信號端子，從“sinks"(輸出源)圖標中取輸出端子即可。6基于simulink的怠速pi

41、d控制仿真6.1仿真模型的建立本文基于simulink的汽車發(fā)動機怠速pid控制仿真系統(tǒng)下圖所示?？刂茖ο蟮哪Ｐ蛥?shù)采用第3章第3.3節(jié)的式(3-8)。系統(tǒng)是在matlab 6.5/simulink 5.0環(huán)境下，利用simulink各子模型庫來實現(xiàn)的，在系統(tǒng)設計過程中，采用自頂向下(top-down)的模塊化設計方法，將系統(tǒng)分幾個小模塊，既方便設計，也使一些界面更美觀、更實用，功能更全。系統(tǒng)主要由如下模塊組成:輸入模塊(desired input, step, speed set point， clock和pivot point for pendulum)、控韋喘模塊(pic)、被控對象模塊

42、(g(s),g(s)和g(s)、接受模塊(scope和to workspace)。上述各模塊由simulink中 continuous, math operation, ports & subsystems, signal routing, source, sinks以及user-defined functions等標準模塊組中元件組成。圖中的step的作用是加上對象的擾動量。時間變量(clock)送到工作空間（workspace）中，設置仿真時間為10秒，仿真步長為可變步長（variable-step）。仿真結果自動化送到（workspace2）和示波器（scope）中。圖61發(fā)動機

43、怠速pid仿真系統(tǒng)simulink框圖圖62傳遞函數(shù)模型圖63pid控制器的設計6.2仿真結果分析仿真時忽略內部擾動（元器件，燃油品質,傳感器,噴油量及點火角等的變化）以及氣壓,氣溫等環(huán)境變化條件,僅考慮系統(tǒng)外部干擾扭矩。仍設目標轉速為n=750,在t=1秒時施加典型階躍擾動扭矩t15n.m(典型怠速階躍擾動扭矩范圍為1020n.m),在p4臺式微機上運行.為了保證在慣性和扭矩變化下系統(tǒng)穩(wěn)定,并獲得最快的閉環(huán)響應和較小的衰減,需要對pid參數(shù)進行多次仿真.本文pid參數(shù)的確定是通過上述仿真模型的調試來確定的, 首先運行仿真模型，kp ki kd的值預先設置為kp=0.1,ki=0;kd=0,然

44、后在點擊simulink仿真模型中的output constraint 模塊，點擊運行，整定開始。最后kp ki kd 的值將顯示在仿真模型中。圖64未加pid控制器時速度階躍相應圖圖65加pid控制器后的階躍響應圖圖66根據(jù)整定的pid參數(shù)出的bode圖6.3發(fā)動機怠速穩(wěn)定性分析 怠速控制通常包括啟動后的怠速控制，暖機狀態(tài)的怠速控制，負荷變化時的怠速控制以及減速時的怠速控制。對于大多數(shù)電控汽油機來說，怠速控制是以怠速步進電機驅動旁通空氣閥的方式實現(xiàn)的。發(fā)動機啟動時，怠速閥預先設定在全開位置，起動期間旁通空氣流量最大，使發(fā)動機易于起動。起動后，當發(fā)動機轉速達到一定值時，電控單元（ecu）控制步

45、進電機將旁通閥門關??；暖機過程中，隨著冷卻夜溫度的提高，怠速控制閥開度將逐步減??；當冷卻液溫度超過70時，暖機過程結束，發(fā)動機的實際怠速轉速已接近根據(jù)發(fā)動機工況而確定的目標轉速，發(fā)動機進入相對穩(wěn)定怠速運轉狀態(tài)。 發(fā)動機怠速目標轉速的確定依賴于冷卻液的溫度，其值可由發(fā)動機試驗測的，并以表格形式保存于發(fā)動機的ecu和ram中。發(fā)動機運轉時ecu依據(jù)檢測到的水溫等參數(shù)查出對應的狀態(tài)目標轉速，并與發(fā)動機運行的實際轉速進行比較，利用實際轉速做反饋，對怠速進行閉環(huán)控制,依據(jù)轉速偏差的變化方向確定電機的轉動步數(shù)。由于步進電機帶動旁通氣通道中的空氣調節(jié)閥旋轉，從而可以實現(xiàn)調節(jié)閥門的流通面積，使氣缸內的混合氣量

46、發(fā)生相應的變化。增加混合氣量，轉速上升；減小混合氣量轉速下降。經(jīng)過反復調節(jié)，最終發(fā)動機怠速轉速穩(wěn)定在目標轉速附近。 另外在怠速過程中，進氣,點火,供油,點火,燃燒以及負荷變化等因素,都會使發(fā)動機的平均轉速發(fā)生波動，影響發(fā)動機怠速的穩(wěn)定性，引起波動的主要原因是怠速混合氣空燃比值的漂移，因此,對發(fā)動機怠速轉速穩(wěn)定性的控制，實質上主要是對怠速階段混合氣空燃比的控制。進行空燃比控制時，控制器依據(jù)檢測出的進氣歧管的空氣流量和發(fā)動機轉速及設定的空燃比值，由ecu計算出每循環(huán)的供油量，再依據(jù)噴油器的流量特性，計算出施加在噴油器上的控制脈寬，從而控制怠速空燃比保持在理論空燃比附近。對空燃比的控制依賴于精確計算

47、每一循環(huán)進入氣缸的空氣量。由于進氣管內氣體的動態(tài)效應，造成預期進氣量與實際進氣量存在誤差，同時由于壁面油膜效應，造成噴油量與實際進入氣缸的燃油量不完全相等，最終使預期空燃比存在誤差，使怠速運轉發(fā)生明顯波動。因此整體考慮進氣及油膜效應的影響，是怠速控制的重要環(huán)節(jié)。怠速空燃比控制程序圖如下：圖67發(fā)動機怠速空燃比控制圖 通常在pid控制中，根據(jù)過程模型，預先對控制器參數(shù)進行離線整定。對于發(fā)動機怠速過程，由于其特有的非線性，時變性，pid控制中的參數(shù)完全采用預定值難以達到理想的控制效果，為了保證不同工況下的發(fā)動機動態(tài)特性，pid控制器的三個參數(shù)設為動態(tài)在線可調的控制策略是一種較好的控制模式。最簡單的

48、一種實現(xiàn)動態(tài)調整的方式是將不同工況狀態(tài)下的控制參數(shù)值以表格的形式存儲在計算機中，在進行怠速控制時，通過轉速反饋，查取相應的控制參數(shù)，將pid控制器的輸出，經(jīng)過必要的修正，轉換為驅動步進電機的控制信號，使步進電機進行動作，控制怠速旁路的進氣量實現(xiàn)對空燃比的實時調整。7 結論 通過本課題對目前國內外發(fā)動機怠速發(fā)展狀況的研究，怠速模型的對比分析研究，以及對康明斯怠速模型的simulink怠速仿真，pid控制器參數(shù)的整定，發(fā)動機怠速穩(wěn)定性的分析，得出如下結論： 1.采用pid控制策略的發(fā)動機怠速控制，具有結構簡單，穩(wěn)定性好，工作可靠，參數(shù)調整方便，具有良好的跟蹤性能，調整時間短，超調量小，提高了系統(tǒng)控

49、制精度，達到了預期設定轉速的控制目標，且穩(wěn)態(tài)誤差控制在5以內，動態(tài)誤差控制在10以內，具有良好的頻率特性，具有良好的燃油經(jīng)濟性和排放性能。 2怠速過程的排放性和燃油經(jīng)濟性一直是發(fā)動機研究的重要內容之一。對怠速空燃比的精確控制是保持怠速穩(wěn)定運轉的關鍵。怠速過程的空燃比的隨進氣壓力，溫度，發(fā)動機轉速以及油膜濕壁效應因素不斷發(fā)生漂移，因此在進行空燃比控制時，必須考慮相應的燃油補償。 參考文獻 1 歐陽黎明. matlab控制系統(tǒng)設計m. 北京：國防工業(yè)出版社，20012 黃文梅，楊勇，熊桂林，成曉明. 系統(tǒng)仿真分析與設計m. 長沙：國防科技大學出版社，20013 王望予. 汽車設計m. 北京：機械工

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