基于PID控制的發動機恒轉速控制系統的設計

賴建生

（廣東科學技術職業學院機械與電子工程學院，廣東 珠海519090）

0 引言

發動機測控系統最重要的部分之一是系統的智能控制，如果系統不能按照試驗的要求實現預定的控制，那么系統的測試是沒有任何意義的。恒轉速和恒扭矩是系統兩個主要的控制要求。要實現系統的控制，首先要使執行機構能按照系統的指令快速地執行，而系統的控制效果是否好，關鍵在于能否在試驗的基礎上不斷完善控制理論和控制方法。文中根據現場實際情況采用數字PID控制方式設計并實現了恒轉速控制，基本達到了系統的要求。

1 發動機測控系統的控制要求和方案設計

1.1 發動機測控系統的控制要求

本系統主要以發動機性能試驗方法規定的功率試驗、負荷特性試驗和萬有特性試驗作為設計系統控制包的依據。

功率試驗的試驗方法是油門全開，在發動機工作轉速范圍內，依次地改變轉速進行測量，適當地分布8個以上的測量點；負荷特性試驗的試驗方法是在若干個轉速(其中應含常用轉速和2000r/min)下進行試驗。發動機轉速不變，從小負荷開始，逐步開大油門進行測量，直至油門全開，適當地分布8個以上的測量點，應包括轉速為2000r/min，平均有效壓力為200kPa的工況點；萬有特性試驗的試驗方法是在發動機工作轉速范圍內適當地選定8種以上的轉速進行試驗，試驗按8.4.3規定,在選定的轉速下進行負荷特性試驗（GB-T 18297-2001）。

1.2 發動機測控系統恒轉速控制方案設計

從系統的控制要求和控制模式的選擇中可以看出，恒轉速控制是關鍵，伴隨著恒轉速控制的是恒扭矩控制。轉速是控制的過程量。為了使控制具有良好的可觀性、可控性和可調性，達到動態響應性好、超調小、穩定的控制效果，必須要選擇好系統的控制方案，設計好系統的控制包，并根據試驗的結果不斷完善控制包。

針對系統轉速、轉矩的控制特點和系統的要求，在分析控制回路的控制模式選擇的基礎上，本文采用調節數采卡的模擬電壓輸出從而調節勵磁電流 的方式對測功系統負載進行控制，調節數采卡的脈沖輸出和控制數字I/O的方式調節步進電機的運轉從而對油門位置控制。在控制系統結構上，本文采用閉環控制的方式。系統的控制方案如圖1所示。

圖1 系統控制方案簡圖

勵磁電流的控制如圖2所示。

圖2 勵磁電流控制示意圖

油門執行機構由BS86HB118-06步進電機、Q2HB110M控制器、光電式位置傳感器、輔助電路、移動滑槽及油門拉繩組成，整個油門執行器如圖3所示。

圖3 油門執行器組成

油門執行器的啟停、加減油門（轉向）及限位開關的檢測是由數采卡的I/O通道和輔助電路來完成的。數采卡有兩個計數器/定時器和24個數字通道（定義為Port A、Port B和Port C，每個端口有8個位/通道，可以通過程序定義的方式定義各端口的功能），定時器/計數器可以輸出TTL脈沖。

在本設計的系統中，將數采卡的定時器/計數器0（GPTC_0）輸出脈沖用以驅動步進電機運行；Port A被定義為READ，Port B被定義為WRITE，用A的0通道和1通道來讀取限位開關的信號，B的0通道用來輸出開關量信號控制電機的轉向（當輸出為高電平時電機正轉，油門開度減??；輸出為低電平時電機反轉，油門開度增大）。當電機運轉到最大位置或最小位置時，限位開關輸出高電平，在其他位置為低電平，基于此可以控制電機在到達極限位置時的動作：停止或者自動反轉，從而起到了自動調節的作用，保護了電機和油門。整個油門執行器的動作流程圖如圖4所示。

圖4 油門執行器動作流程圖

2 數字PID控制器設計

系統的反饋執行機構可以按照系統的指令運行，但怎么運行才能達到試驗的規定要求使系統能按照要求進行測試，這就需要考慮系統控制方式的選擇，也就是系統控制包的設計問題。由于PID是目前工業控制系統中比較成熟的技術，因此系統采用PID作為首選的控制方式。

2.1 PID控制

PID控制是比例、積分、微分控制，是目前工業控制系統中比較成熟的技術。在工程上，傳統的數字PID控制器結構簡單、速度快、參數整定方便、穩態誤差小、可靠性高，是目前工業過程控制領域內應用最廣泛的控制策略相對于傳統的模擬控制系統而言，數字控制系統具有如下優點：

（1）精心設計的微機控制系統能顯著的降低控制器的硬件成本；

（2）系統可靠性大大增強，系統平均無故障時間大大長于分立元件電路；

（3）數字電路不存在溫漂問題；

（4）可以完成很多復雜的功能，如給定指令、反饋處理、參數校正、邏輯運算及判斷、系統監控、故障診斷、狀態估計、數據處理等。

數字控制系統一般由控制對象(包括執行機構)、測量環節和數字調節器(包括采樣保持器、模數轉換器、數字計算機、數模轉換器和保持器)等組成，其典型結構如圖5所示。

圖5 數字控制系統典型結構

其中D（z）為數字控制器，Gh（S）為零階保持器，GP（S）為被控對象傳遞函數?？刂茖ο蟮倪B續狀態信號通過A/D轉換器進行采樣、量化、編碼變成時間和幅值上都是離散的數字信號e（kT），經過計算機處理，給出數字控制信號u（kT），然后通過D/A轉換器使數字量恢復成連續的控制量u（t），再去控制被控對象。其中，數字計算機、接口電路、模/數轉換器、數/模轉換器等組成的部分稱為數字控制器，數字控制器的控制規律是編制的計算機程序來實現的。

數字控制系統作為離散時間系統，可以采用差分方程來描述，并使用z變換法和離散狀態空間法來分析和設計數字控制系統。

PID控制器是根據給定值r（t）與實際值y（t）構成控制偏差：e（t）=r（t）-y（t），將偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。其控制規律為

式中，u（t）為控制器的輸出信號，Kp為比例系數，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數。

由于計算機控制是一種離散控制，模擬PID控制算法必須離散化，設采樣周期為T，以kT代表連續時間t，將式(1)離散化，并適當變換后可以得到式（2）、式（3）所示的數字形式離散的位置式PID和增量式PID兩種算法（張桂香等，1999）。

增量式PID算法輸出的是控制量的增量Δu（k），控制量為

從系統的穩定性、響應速度、超調量和穩態精度等各方面來考慮，數字PID控制系統各系數KP，KI，KD的整定十分重要，參數整定的好壞直接影響到系統的調節品質和PID控制器的控制效果。一般系統的KP，KI，KD是用臨界比例法、階躍響應曲線法等實用工程方法整定，另外還有Ziegler-Nichols歸一參數法、Cohen-Coon法、穩定邊界法等整定方法（黃忠霖，2001）。但是，這些方法都要求對被控對象進行現場實測之后，才能確定KP，KI，KD等參數，而且傳統的PID控制器參數一旦整定后，在整個調節過程中始終保持不變。因此，對于變參數、非線性系統，常規PID控制適應能力不強。

本系統在測功器的電流控制和油門執行器的步進電機控制中采用了常規的數字PID控制。

2.2 PID控制在LabVIEW下的實現

在LabVIEW的環境中，通過PID控制工具包分別實現了測功器和油門執行器的數字PID控制的設計。

LabVIEW的PID控制包是單獨購買的非LabVIEW組件，它有PID控制和Fuzzy Logic控制兩種功能VI，如圖6所示。

測功器恒轉速控制系統結構框圖如圖7所示。轉速采樣得到的實際值np與設定的轉速值ns比較后將差值en作為PID控制器的輸入量，經PID運算后的輸出量為0~5V的電壓Vf，用Vf控制華泰電源的輸出電流。因此數采卡輸出電壓的大小調節了電渦流緩速器勵磁電流大小，從而調節了測功器的負荷大小。

圖7 電渦流測功器轉速閉環控制結構框圖

在LabVIEW中運用PID工具包的PID功能VI編譯了電渦流測功器的轉速控制VI。程序的流程圖如圖8所示。首先設定轉速最大值nmax（發動機的最大轉速，本系統試驗的發動機最高轉速為2500rpm），將設定值和實際值轉換成與最大轉速相對應的0~100的值接著根據經驗和計算結果得出PID系列參數（用分段PID算法，根據NP的值選擇PID參數，如表1所示）。PID運算后的輸出值ui在-100~100之間，因為控制電壓是正值因此將ui取絕對值，并將此值按照線性對應關系轉化成0~5漸變的值u0輸出給數采卡控制模擬電壓的輸出值。程序框圖如圖9所示。

圖8 電渦流測功器轉速PID控制程序流程圖

表1 測功器PID參數表

圖9電渦流測功器轉速控制程序框圖

油門執行器的PID控制器設計和測功器的基本相同，圖10是系統結構框圖。

圖10 油門PID控制系統結構框圖

圖11 油門執行器PID控制流程圖

圖12 油門執行器PID控制程序框圖

油門PID控制的實現過程跟測功器PID控制的實現過程是相似的，不同的地方有：

1）PID參數值不同，具體的參數如表2所示；

2）經PID運算后輸出值轉化后的值是0~64，這是步進電機驅動脈沖頻率的百分之一，通過控制步進電機脈沖的大小來實現油門位置動作快慢的控制，且en∈[-10,10]時輸出值為0，電機停止；

3）en的值為正時，布爾量輸出為T，電機正傳，油門開度增大。反之則相反；

4）根據en的值來選擇PID參數。

油門PID控制的流程如圖11所示，其程序設計框圖如圖12所示。

根據Np的值分段用試湊法確定PID的參數，確定后的參數如表2示。

表2 油門執行器PID控制參數表

3 PID控制效果驗證試驗

3.1 測功器PID控制試驗方案

將發動機油門調到最大位置，并保持不變，轉速從2500rpm開始，按250rpm逐漸遞減直到1000rpm,總共六個點，測試時間總共35分鐘，試驗前確保電渦流緩速器沒有發熱。

3.2 油門執行器PID控制試驗方案

開始時將油門調到最大，轉速達到2500rpm，然后讓數采卡輸出1.1V的控制電壓使華泰電源給測功器提供6.5A左右的勵磁電流，并保持此電流值不變。轉速降至2400rpm,穩定后按照200rpm逐漸遞減，直到油門到達最小位置,總共六個點，測試時間總共40分鐘，試驗前確保電渦流緩速器沒有發熱。

4 結果與分析

4.1 測功器PID控制的測試結果與分析

測功器PID控制的測試結果部分如圖13和14所示。

圖13 測功器PID控制效果（設定值為2000rpm）

圖14 測功器PID控制效果（設定值為1000rpm）

分析圖13，得出系統的最大超調量δ等于5%，下降時間等于0.17s，調整時間等于1.08s，超調次數υ等于2；分析圖14，得出系統的最大超調量δ等于7.5%，下降時間等于0.14s，調整時間等于0.89s，超調次數υ等于1。由此可看出用PID控制測功器能達到系統的測試要求，且頻響特性非常好。但是試驗時間越長電渦流緩速器的發熱量就越大，熱衰退的現象嚴重，需要的激勵電壓越來越大（output是勵磁電流的激勵電壓），并且不是線性增加，因此在沒有加冷卻裝置的情況下，不能長時間進行試驗。

4.2 油門執行器PID控制試驗結果與分析

油門執行器的試驗結果部分如圖15和16所示。

圖15 油門PID控制效果（設定值2000rpm）

圖16 油門PID控制效果（設定值為1200rpm）

分析圖15，得出系統的最大超調量δ等于7.5%，下降時間等于0.11s，調整時間等于2.38s，超調次數υ等于4；分析圖16，得出系統的最大超調量δ等于10%，下降時間等于0.15s，調整時間等于2.79s，超調次數υ等于5。

從上可以看出測功器PID控制器的控制效果要比油門執行器PID控制器的控制效果要好。但是總的來說，系統控制的頻響特性要已達到目前國內的同類型發動機測控設備控制的頻響特性，說明系統是可行的。

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