基于PID控制的發(fā)動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

賴建生

（廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院，廣東 珠海519090）

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)最重要的部分之一是系統(tǒng)的智能控制，如果系統(tǒng)不能按照試驗(yàn)的要求實(shí)現(xiàn)預(yù)定的控制，那么系統(tǒng)的測(cè)試是沒有任何意義的。恒轉(zhuǎn)速和恒扭矩是系統(tǒng)兩個(gè)主要的控制要求。要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制，首先要使執(zhí)行機(jī)構(gòu)能按照系統(tǒng)的指令快速地執(zhí)行，而系統(tǒng)的控制效果是否好，關(guān)鍵在于能否在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上不斷完善控制理論和控制方法。文中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采用數(shù)字PID控制方式設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了恒轉(zhuǎn)速控制，基本達(dá)到了系統(tǒng)的要求。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的控制要求和方案設(shè)計(jì)

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的控制要求

本系統(tǒng)主要以發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法規(guī)定的功率試驗(yàn)、負(fù)荷特性試驗(yàn)和萬有特性試驗(yàn)作為設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制包的依據(jù)。

功率試驗(yàn)的試驗(yàn)方法是油門全開，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，依次地改變轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，適當(dāng)?shù)胤植?個(gè)以上的測(cè)量點(diǎn)；負(fù)荷特性試驗(yàn)的試驗(yàn)方法是在若干個(gè)轉(zhuǎn)速(其中應(yīng)含常用轉(zhuǎn)速和2000r/min)下進(jìn)行試驗(yàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，從小負(fù)荷開始，逐步開大油門進(jìn)行測(cè)量，直至油門全開，適當(dāng)?shù)胤植?個(gè)以上的測(cè)量點(diǎn)，應(yīng)包括轉(zhuǎn)速為2000r/min，平均有效壓力為200kPa的工況點(diǎn)；萬有特性試驗(yàn)的試驗(yàn)方法是在發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)剡x定8種以上的轉(zhuǎn)速進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)按8.4.3規(guī)定,在選定的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行負(fù)荷特性試驗(yàn)（GB-T 18297-2001）。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)恒轉(zhuǎn)速控制方案設(shè)計(jì)

從系統(tǒng)的控制要求和控制模式的選擇中可以看出，恒轉(zhuǎn)速控制是關(guān)鍵，伴隨著恒轉(zhuǎn)速控制的是恒扭矩控制。轉(zhuǎn)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(diào)性，達(dá)到動(dòng)態(tài)響應(yīng)性好、超調(diào)小、穩(wěn)定的控制效果，必須要選擇好系統(tǒng)的控制方案，設(shè)計(jì)好系統(tǒng)的控制包，并根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果不斷完善控制包。

針對(duì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的控制特點(diǎn)和系統(tǒng)的要求，在分析控制回路的控制模式選擇的基礎(chǔ)上，本文采用調(diào)節(jié)數(shù)采卡的模擬電壓輸出從而調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流 的方式對(duì)測(cè)功系統(tǒng)負(fù)載進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)數(shù)采卡的脈沖輸出和控制數(shù)字I/O的方式調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)從而對(duì)油門位置控制。在控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，本文采用閉環(huán)控制的方式。系統(tǒng)的控制方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制方案簡(jiǎn)圖

勵(lì)磁電流的控制如圖2所示。

圖2 勵(lì)磁電流控制示意圖

油門執(zhí)行機(jī)構(gòu)由BS86HB118-06步進(jìn)電機(jī)、Q2HB110M控制器、光電式位置傳感器、輔助電路、移動(dòng)滑槽及油門拉繩組成，整個(gè)油門執(zhí)行器如圖3所示。

圖3 油門執(zhí)行器組成

油門執(zhí)行器的啟停、加減油門（轉(zhuǎn)向）及限位開關(guān)的檢測(cè)是由數(shù)采卡的I/O通道和輔助電路來完成的。數(shù)采卡有兩個(gè)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器和24個(gè)數(shù)字通道（定義為Port A、Port B和Port C，每個(gè)端口有8個(gè)位/通道，可以通過程序定義的方式定義各端口的功能），定時(shí)器/計(jì)數(shù)器可以輸出TTL脈沖。

在本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，將數(shù)采卡的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0（GPTC_0）輸出脈沖用以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)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(guān)的信號(hào)，B的0通道用來輸出開關(guān)量信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向（當(dāng)輸出為高電平時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，油門開度減??；輸出為低電平時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)，油門開度增大）。當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)到最大位置或最小位置時(shí)，限位開關(guān)輸出高電平，在其他位置為低電平，基于此可以控制電機(jī)在到達(dá)極限位置時(shí)的動(dòng)作：停止或者自動(dòng)反轉(zhuǎn)，從而起到了自動(dòng)調(diào)節(jié)的作用，保護(hù)了電機(jī)和油門。整個(gè)油門執(zhí)行器的動(dòng)作流程圖如圖4所示。

圖4 油門執(zhí)行器動(dòng)作流程圖

2 數(shù)字PID控制器設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的反饋執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以按照系統(tǒng)的指令運(yùn)行，但怎么運(yùn)行才能達(dá)到試驗(yàn)的規(guī)定要求使系統(tǒng)能按照要求進(jìn)行測(cè)試，這就需要考慮系統(tǒng)控制方式的選擇，也就是系統(tǒng)控制包的設(shè)計(jì)問題。由于PID是目前工業(yè)控制系統(tǒng)中比較成熟的技術(shù)，因此系統(tǒng)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(yè)控制系統(tǒng)中比較成熟的技術(shù)。在工程上，傳統(tǒng)的數(shù)字PID控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速度快、參數(shù)整定方便、穩(wěn)態(tài)誤差小、可靠性高，是目前工業(yè)過程控制領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最廣泛的控制策略相對(duì)于傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)而言，數(shù)字控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）精心設(shè)計(jì)的微機(jī)控制系統(tǒng)能顯著的降低控制器的硬件成本；

（2）系統(tǒng)可靠性大大增強(qiáng)，系統(tǒng)平均無故障時(shí)間大大長(zhǎng)于分立元件電路；

（3）數(shù)字電路不存在溫漂問題；

（4）可以完成很多復(fù)雜的功能，如給定指令、反饋處理、參數(shù)校正、邏輯運(yùn)算及判斷、系統(tǒng)監(jiān)控、故障診斷、狀態(tài)估計(jì)、數(shù)據(jù)處理等。

數(shù)字控制系統(tǒng)一般由控制對(duì)象(包括執(zhí)行機(jī)構(gòu))、測(cè)量環(huán)節(jié)和數(shù)字調(diào)節(jié)器(包括采樣保持器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字計(jì)算機(jī)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和保持器)等組成，其典型結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 數(shù)字控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

其中D（z）為數(shù)字控制器，Gh（S）為零階保持器，GP（S）為被控對(duì)象傳遞函數(shù)?？刂茖?duì)象的連續(xù)狀態(tài)信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣、量化、編碼變成時(shí)間和幅值上都是離散的數(shù)字信號(hào)e（kT），經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理，給出數(shù)字控制信號(hào)u（kT），然后通過D/A轉(zhuǎn)換器使數(shù)字量恢復(fù)成連續(xù)的控制量u（t），再去控制被控對(duì)象。其中，數(shù)字計(jì)算機(jī)、接口電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器等組成的部分稱為數(shù)字控制器，數(shù)字控制器的控制規(guī)律是編制的計(jì)算機(jī)程序來實(shí)現(xiàn)的。

數(shù)字控制系統(tǒng)作為離散時(shí)間系統(tǒng)，可以采用差分方程來描述，并使用z變換法和離散狀態(tài)空間法來分析和設(shè)計(jì)數(shù)字控制系統(tǒng)。

PID控制器是根據(jù)給定值r（t）與實(shí)際值y（t）構(gòu)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(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。其控制規(guī)律為

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

由于計(jì)算機(jī)控制是一種離散控制，模擬PID控制算法必須離散化，設(shè)采樣周期為T，以kT代表連續(xù)時(shí)間t，將式(1)離散化，并適當(dāng)變換后可以得到式（2）、式（3）所示的數(shù)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(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮，數(shù)字PID控制系統(tǒng)各系數(shù)KP，KI，KD的整定十分重要，參數(shù)整定的好壞直接影響到系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)和PID控制器的控制效果。一般系統(tǒng)的KP，KI，KD是用臨界比例法、階躍響應(yīng)曲線法等實(shí)用工程方法整定，另外還有Ziegler-Nichols歸一參數(shù)法、Cohen-Coon法、穩(wěn)定邊界法等整定方法（黃忠霖，2001）。但是，這些方法都要求對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)之后，才能確定KP，KI，KD等參數(shù)，而且傳統(tǒng)的PID控制器參數(shù)一旦整定后，在整個(gè)調(diào)節(jié)過程中始終保持不變。因此，對(duì)于變參數(shù)、非線性系統(tǒng)，常規(guī)PID控制適應(yīng)能力不強(qiáng)。

本系統(tǒng)在測(cè)功器的電流控制和油門執(zhí)行器的步進(jìn)電機(jī)控制中采用了常規(guī)的數(shù)字PID控制。

2.2 PID控制在LabVIEW下的實(shí)現(xiàn)

在LabVIEW的環(huán)境中，通過PID控制工具包分別實(shí)現(xiàn)了測(cè)功器和油門執(zhí)行器的數(shù)字PID控制的設(shè)計(jì)。

LabVIEW的PID控制包是單獨(dú)購(gòu)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(cè)功器恒轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。轉(zhuǎn)速采樣得到的實(shí)際值np與設(shè)定的轉(zhuǎn)速值ns比較后將差值en作為PID控制器的輸入量，經(jīng)PID運(yùn)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(shù)采卡輸出電壓的大小調(diào)節(jié)了電渦流緩速器勵(lì)磁電流大小，從而調(diào)節(jié)了測(cè)功器的負(fù)荷大小。

圖7 電渦流測(cè)功器轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖

在LabVIEW中運(yùn)用PID工具包的PID功能VI編譯了電渦流測(cè)功器的轉(zhuǎn)速控制VI。程序的流程圖如圖8所示。首先設(shè)定轉(zhuǎn)速最大值nmax（發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速，本系統(tǒng)試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速為2500rpm），將設(shè)定值和實(shí)際值轉(zhuǎn)換成與最大轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的0~100的值接著根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果得出PID系列參數(shù)（用分段PID算法，根據(jù)NP的值選擇PID參數(shù)，如表1所示）。PID運(yùn)算后的輸出值ui在-100~100之間，因?yàn)榭刂齐妷菏钦狄虼藢i取絕對(duì)值，并將此值按照線性對(duì)應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)化成0~5漸變的值u0輸出給數(shù)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(cè)功器轉(zhuǎn)速PID控制程序流程圖

表1 測(cè)功器PID參數(shù)表

圖9電渦流測(cè)功器轉(zhuǎn)速控制程序框圖

油門執(zhí)行器的PID控制器設(shè)計(jì)和測(cè)功器的基本相同，圖10是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖10 油門PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖11 油門執(zhí)行器PID控制流程圖

圖12 油門執(zhí)行器PID控制程序框圖

油門PID控制的實(shí)現(xiàn)過程跟測(cè)功器PID控制的實(shí)現(xiàn)過程是相似的，不同的地方有：

1）PID參數(shù)值不同，具體的參數(shù)如表2所示；

2）經(jīng)PID運(yùn)算后輸出值轉(zhuǎn)化后的值是0~64，這是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖頻率的百分之一，通過控制步進(jìn)電機(jī)脈沖的大小來實(shí)現(xiàn)油門位置動(dòng)作快慢的控制，且en∈[-10,10]時(shí)輸出值為0，電機(jī)停止；

3）en的值為正時(shí)，布爾量輸出為T，電機(jī)正傳，油門開度增大。反之則相反；

4）根據(jù)en的值來選擇PID參數(shù)。

油門PID控制的流程如圖11所示，其程序設(shè)計(jì)框圖如圖12所示。

根據(jù)Np的值分段用試湊法確定PID的參數(shù)，確定后的參數(shù)如表2示。

表2 油門執(zhí)行器PID控制參數(shù)表

3 PID控制效果驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 測(cè)功器PID控制試驗(yàn)方案

將發(fā)動(dòng)機(jī)油門調(diào)到最大位置，并保持不變，轉(zhuǎn)速?gòu)?500rpm開始，按250rpm逐漸遞減直到1000rpm,總共六個(gè)點(diǎn)，測(cè)試時(shí)間總共35分鐘，試驗(yàn)前確保電渦流緩速器沒有發(fā)熱。

3.2 油門執(zhí)行器PID控制試驗(yàn)方案

開始時(shí)將油門調(diào)到最大，轉(zhuǎn)速達(dá)到2500rpm，然后讓數(shù)采卡輸出1.1V的控制電壓使華泰電源給測(cè)功器提供6.5A左右的勵(lì)磁電流，并保持此電流值不變。轉(zhuǎn)速降至2400rpm,穩(wěn)定后按照200rpm逐漸遞減，直到油門到達(dá)最小位置,總共六個(gè)點(diǎn)，測(cè)試時(shí)間總共40分鐘，試驗(yàn)前確保電渦流緩速器沒有發(fā)熱。

4 結(jié)果與分析

4.1 測(cè)功器PID控制的測(cè)試結(jié)果與分析

測(cè)功器PID控制的測(cè)試結(jié)果部分如圖13和14所示。

圖13 測(cè)功器PID控制效果（設(shè)定值為2000rpm）

圖14 測(cè)功器PID控制效果（設(shè)定值為1000rpm）

分析圖13，得出系統(tǒng)的最大超調(diào)量δ等于5%，下降時(shí)間等于0.17s，調(diào)整時(shí)間等于1.08s，超調(diào)次數(shù)υ等于2；分析圖14，得出系統(tǒng)的最大超調(diào)量δ等于7.5%，下降時(shí)間等于0.14s，調(diào)整時(shí)間等于0.89s，超調(diào)次數(shù)υ等于1。由此可看出用PID控制測(cè)功器能達(dá)到系統(tǒng)的測(cè)試要求，且頻響特性非常好。但是試驗(yàn)時(shí)間越長(zhǎng)電渦流緩速器的發(fā)熱量就越大，熱衰退的現(xiàn)象嚴(yán)重，需要的激勵(lì)電壓越來越大（output是勵(lì)磁電流的激勵(lì)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(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)。

4.2 油門執(zhí)行器PID控制試驗(yàn)結(jié)果與分析

油門執(zhí)行器的試驗(yàn)結(jié)果部分如圖15和16所示。

圖15 油門PID控制效果（設(shè)定值2000rpm）

圖16 油門PID控制效果（設(shè)定值為1200rpm）

分析圖15，得出系統(tǒng)的最大超調(diào)量δ等于7.5%，下降時(shí)間等于0.11s，調(diào)整時(shí)間等于2.38s，超調(diào)次數(shù)υ等于4；分析圖16，得出系統(tǒng)的最大超調(diào)量δ等于10%，下降時(shí)間等于0.15s，調(diào)整時(shí)間等于2.79s，超調(diào)次數(shù)υ等于5。

從上可以看出測(cè)功器PID控制器的控制效果要比油門執(zhí)行器PID控制器的控制效果要好。但是總的來說，系統(tǒng)控制的頻響特性要已達(dá)到目前國(guó)內(nèi)的同類型發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控設(shè)備控制的頻響特性，說明系統(tǒng)是可行的。

［1］馬馳,肖興明.LabVIEW中通用采集卡驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)[J].礦山機(jī)械,2004(6):56-58.

［2］王宏偉,丁喆.虛擬儀器技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].機(jī)電工程,2001,18(4):25-27.

［3］王榮吉,王冰.基于虛擬儀器的汽車電動(dòng)搖窗機(jī)測(cè)試系統(tǒng)[J].機(jī)電工程,2005,22(1):16-18.

［4］王維強(qiáng).虛擬儀器與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障遠(yuǎn)程診斷中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī),2006(8):55-57.

［5］付仙蘭.虛擬儀器技術(shù)在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].長(zhǎng)沙:中南林學(xué)院，2003:1-40.

［6］田玲,王傳杰.虛擬儀器技術(shù)在液壓泵性能測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用[J].液壓與氣動(dòng),2006(1):34-37.

［7］任自中.虛擬技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)研究中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2001(4):56-58.

［8］劉玉梅,王慶年,魏傳峰，等.基于虛擬儀器的車輛性能測(cè)試系統(tǒng)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào),2005,35(5):462-466.