汽車發(fā)動機的PID控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真研究

徐僥幸

摘 要：隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，對發(fā)動機控制系統(tǒng)也提出更高的要求。然而汽車發(fā)動機應(yīng)用下，仍面臨汽車系統(tǒng)性能較差現(xiàn)狀，以其中控制系統(tǒng)問題最為突出，以PID控制系統(tǒng)為例，若其難以發(fā)揮控制系統(tǒng)作用，將制約汽車發(fā)電機綜合性能的提高，要求做好控制系統(tǒng)設(shè)計，并對系統(tǒng)進行仿真分析。本文將對汽車發(fā)電機的相關(guān)概述、汽車行駛運動方程與模型構(gòu)建以及PID控制系統(tǒng)仿真進行探析。

關(guān)鍵詞：PID控制系統(tǒng)；汽車發(fā)動機；系統(tǒng)設(shè)計；仿真

汽車系統(tǒng)在特點上表現(xiàn)為復(fù)雜、專業(yè)等，其中包含較多耦合性較強的子系統(tǒng)，實際設(shè)計過程中對于這些子系統(tǒng)的分析極為困難，這就要求做好模型構(gòu)建工作，使系統(tǒng)得以簡化。然而模型構(gòu)建下，簡化后的內(nèi)容多難以反映出系統(tǒng)實際情況，所以在研究中需分析汽車發(fā)動機的基本行駛方程與運動模型，在此基礎(chǔ)上完成PID控制系統(tǒng)仿真過程。因此，本文對如何設(shè)計PID控制系統(tǒng)與具體仿真的研究，具有十分重要的意義。

一、汽車發(fā)動機相關(guān)概述

關(guān)于汽車發(fā)動機，其在運行中本身強調(diào)使熱能向機械能進行轉(zhuǎn)化，其中熱能的產(chǎn)生主要來源于燃料混合氣燃燒過程。從發(fā)動機構(gòu)成看，首先表現(xiàn)在曲柄連桿機構(gòu)方面，其在功能上主要表現(xiàn)為能夠使燃?xì)鈮毫M行扭矩的轉(zhuǎn)化，并通過曲軸連桿完成機械能輸出過程。其次為燃料系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)根據(jù)計算量將燃油輸入到發(fā)動機氣缸中，整個系統(tǒng)在構(gòu)成上主要以輸油泵、噴油泵、噴油器、調(diào)速器以及柴油箱等為主，這些構(gòu)件作用下可定壓、定時、定量完成燃料輸送過程。再次，啟動系統(tǒng)。該系統(tǒng)運行下，其原理主要表現(xiàn)在通過外力作用使靜止的曲軸得以轉(zhuǎn)動，此時汽缸中空氣混合氣、燃油會進行做功，使曲軸旋轉(zhuǎn)得以保持，這樣可保證發(fā)動機可靠運行。最后，配氣機構(gòu)。整個發(fā)動機運行中，配氣機構(gòu)在作用上主要表現(xiàn)為將新鮮空氣適時提供給汽缸，并保證及時將汽缸中廢氣及時排出，其中能夠發(fā)揮作用的構(gòu)件集中表現(xiàn)在消聲器、進氣排氣管、空氣濾清器以及傳動組等方面。除此之外，發(fā)動機構(gòu)成中也包含潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，確保這些系統(tǒng)作用發(fā)揮，才可使發(fā)動機可靠運行。而這些系統(tǒng)作用發(fā)揮時，要求引入控制系統(tǒng)，使其中各部分如增壓、進氣、噴壓以及怠速等得到有效控制。由于這些系統(tǒng)過于復(fù)雜，所以本文研究中考慮將該系統(tǒng)比作為黑箱，分析中可通過對輸入信號與輸出信號在黑箱系統(tǒng)中的表現(xiàn)進行研究，其中用于對發(fā)動機油門開度表示的為輸入部分，而用于汽車質(zhì)心速度的表示則體現(xiàn)在輸出方面，在此基礎(chǔ)上進行動力學(xué)方程的構(gòu)建，可使發(fā)動機相關(guān)模型得以構(gòu)建，保證系統(tǒng)控制目標(biāo)得以實現(xiàn)[ 1 ]。

二、汽車行駛運動方程與模型構(gòu)建

（一）行駛運動方程構(gòu)建

在分析汽車發(fā)動機運動情況中，要求利用運動方程進行分析。其中的方程主要表現(xiàn)在汽車驅(qū)動力方面，一般汽車驅(qū)動輪會承受轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)帶來的轉(zhuǎn)矩，假定利用Tt對該轉(zhuǎn)矩進行表示，并利用F0表示地面圓周力，且F1為驅(qū)動系統(tǒng)受到的地面反作用力，也可將該作用力稱之為外力。此時有Ft=，其中車輪半徑為r。同時，在引入主減速器傳動比、變速器傳動比、發(fā)動機轉(zhuǎn)矩與傳動系機械效率等參數(shù)，分別利用i0、ig、Ttg、ηT表示，可得到得Tt=Ttqigi0ηT。在此基礎(chǔ)上進行利用其與r進行比值求解，能夠得到汽車驅(qū)動力。其次，在對行駛運動分析中，還需從汽車行駛阻力方面著手，其中的阻力主要表現(xiàn)在空氣阻力、地面滾動阻力等，且上坡行駛過程中可能存在坡度阻力，加上加速行駛中的加速阻力，構(gòu)成汽車行駛阻力，分別對這些阻力利用Fw、Ff、Fi與Fj進行表示，對這些阻力進行相加，便可得到總阻力。另外，在計算中還需對行駛方程式進行分析，其目的在于判斷行駛阻力、行駛驅(qū)動力。

（二）發(fā)電機模型構(gòu)建

模型構(gòu)建的目標(biāo)旨在使輸出轉(zhuǎn)矩Ttg得以計算，可考慮引入油門開度α、曲軸轉(zhuǎn)速n等參數(shù)，通過二者函數(shù)關(guān)系的構(gòu)建完成Ttg的計算，有Ttg=F（n，α）。由于曲軸轉(zhuǎn)速n、汽車速度u二者存在一定聯(lián)系，所以有u=0.377，結(jié)合其與Ttg函數(shù)關(guān)系式，便可進行模型構(gòu)建。需注意由于函數(shù)中，本身有較多不同類型因子存在，包括輸出變量、輸入變量以及二者交叉項，要求做好解耦計算工作，使模型中的交叉項得以消除。在操作中可考慮進行相應(yīng)的假設(shè)，僅需通過對假設(shè)的檢驗，便可判斷變量交互作用情況。假若不存在耦合項，可引入拉氏變換，完成發(fā)動機傳遞函數(shù)的計算[ 2 ]。

三、PID系統(tǒng)仿真研究

結(jié)合汽車發(fā)動機的行駛方程、運動模型，在分析過程中要求做好PID控制系統(tǒng)仿真過程。其中的PID控制強調(diào)根據(jù)調(diào)節(jié)器控制規(guī)律，完成相關(guān)微分、積分與比例的控制，對于該控制過程便可稱為PID控制。從PID控制的優(yōu)勢看，主要表現(xiàn)在應(yīng)用范圍較廣，可直接對較多時變問題、非線性問題進行簡化，使整個系統(tǒng)不會隨時間變化而發(fā)生改變，滿足PID控制要求。同時，PID參數(shù)本身易于調(diào)整，在結(jié)合動態(tài)特性變化的基礎(chǔ)上可對PID參數(shù)進行調(diào)整。將其運用于汽車發(fā)動機控制分析中，也要求從微分、積分與比例等方面著手，分別利用Ti、Td、Kp對三者進行表示，僅需對這三個值進行控制，便可達到控制系統(tǒng)的目標(biāo)。實際進行控制與調(diào)整的參數(shù)中，要求對系統(tǒng)動態(tài)性能發(fā)揮中，三個參量所帶來的影響進行分析，能夠推出發(fā)動機傳遞函數(shù)。本文在研究中，考慮將Matlab引入其中，通過Simulin進行仿真結(jié)構(gòu)構(gòu)建。在測試過程中發(fā)現(xiàn)，僅需做好不斷調(diào)試參數(shù)調(diào)整，其中比例、積分與微分分別為0.031、0.778與21，此時可將PID響應(yīng)仿真曲線進行明確，根據(jù)具體仿真結(jié)果完成PID仿真過程[ 3 ]。

四、結(jié)論

PID控制系統(tǒng)是否得以合理設(shè)計是決定汽車發(fā)動機綜合性能的關(guān)鍵性因素。本文在研究中發(fā)現(xiàn)，PID控制系統(tǒng)以閉環(huán)系統(tǒng)為主，其具備較多優(yōu)勢如響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)時間短等，而且系統(tǒng)運行中可保證輸出變量較為合理，利用PID控制系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)后不存在穩(wěn)態(tài)誤差。需注意的是，盡管PID控制系統(tǒng)運用下，仍可能出現(xiàn)油門開度變化過于明顯問題，但這種變化多保持在發(fā)動機允許范圍中。因此，PID控制系統(tǒng)的有效設(shè)計能夠推動發(fā)動機綜合性能進一步提升。

參考文獻：

[1] 楊瑩.汽車發(fā)動機電控系統(tǒng)設(shè)計及怠速仿真研究[D].武漢理工大學(xué)，2012.

[2] 王印束.基于動力傳動系統(tǒng)一體化的雙離合器自動變速器控制技術(shù)研究[D].吉林大學(xué)，2012.

[3] 程禹.基于濕式離合器的扭矩輔助型AMT控制技術(shù)研究[D].吉林大學(xué)，2014.