基于PID算法的內(nèi)燃機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

廖明浩

【摘 要】在內(nèi)燃機(jī)控制的實際應(yīng)用中，許多學(xué)者提出了基于經(jīng)典PID控制的改進(jìn)算法即智能PID控制算法，解決了時間滯后和非線性等控制問題。在本文中，智能PID控制算法被考慮并應(yīng)用于內(nèi)燃控制系統(tǒng)，然后建立了基于PLC（可編程邏輯控制器）的半實物仿真平臺，利用仿真模型對內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行了仿真，并利用PLC實現(xiàn)對內(nèi)燃機(jī)的控制，實驗結(jié)果表明所設(shè)計的控制系統(tǒng)穩(wěn)定，并且獲得了較高的精度和較短的響應(yīng)時間，同時，結(jié)果表明了所提出的智能PID控制算法與經(jīng)典PID控制算法相比具有一定的優(yōu)勢。

【關(guān)鍵詞】PID；內(nèi)燃機(jī)；控制

一、引言

由于傳統(tǒng)PID算法簡單可靠，它因具有經(jīng)典的控制理論規(guī)律從而實現(xiàn)對控制對象的PID調(diào)節(jié)，也就是比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)，其作用分別是調(diào)整系統(tǒng)的偏差、提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和抗干擾能力以及克服系統(tǒng)慣性滯后，但是控制效果卻一直被各個國家的企業(yè)廣泛認(rèn)可，一直也被廣泛應(yīng)用于過程控制和運(yùn)動控制系統(tǒng)中，特別適用于未知數(shù)學(xué)模型的控制系統(tǒng)。但是在整個控制過程中，常規(guī)PID算法的比例，積分和推導(dǎo)參數(shù)不變，因此，當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)或參數(shù)發(fā)生變化時，傳統(tǒng)的PID算法難以獲得滿意的控制性能，控制質(zhì)量無法得到保證。特別是對于具有滯后，非線性和時滯的控制過程，控制性能并不理想。例如，基于內(nèi)燃機(jī)控制系統(tǒng)的金屬冶煉工程，系統(tǒng)的溫度控制是一個具有滯后，非線性和時滯的時變過程，溫度控制的精度直接影響到冶煉產(chǎn)品的質(zhì)量，也影響著能源的消耗和利用率。因此，如果采用傳統(tǒng)的PID算法，則不能獲得所需的控制性能。因此，將基于自調(diào)整參數(shù)的技術(shù)引入到PID控制算法中，即提出了智能PID控制技術(shù)。當(dāng)智能PID控制系統(tǒng)用于一些復(fù)雜的控制系統(tǒng)時，可以獲得期望的控制性能。對于內(nèi)燃機(jī)，氣閥的開度主要根據(jù)爐溫來調(diào)節(jié)，這是一個非常滯后的非線性過程。因此，本文針對內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)提出了一種智能PID控制算法，利用誤差及其導(dǎo)出構(gòu)成控制器結(jié)構(gòu)。然后根據(jù)比例、積分和推導(dǎo)的控制結(jié)果來調(diào)整控制器的結(jié)構(gòu)和權(quán)重參數(shù)。

二、智能PID控制算法

PID控制方法發(fā)展歷史較長，應(yīng)用時間較長，已經(jīng)擁有標(biāo)準(zhǔn)的控制器，目前PID控制算法廣泛應(yīng)用于智能汽車、智能儀表、智能調(diào)節(jié)器等等方面，利用PID控制器可以實現(xiàn)對力、溫度、電流等等進(jìn)行控制。當(dāng)我們的被控對象的性質(zhì)參數(shù)不能完全知道或者是得到的被控對象的各項參數(shù)不完整時，將很難創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型或者近似創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型，這時候其他的控制方法將不易使用，而PID控制方法正是用于此類問題，基本解決了這類系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性。其次，PID控制原理很簡單，非常容易入手，因其適應(yīng)性非常的強(qiáng)而廣泛能應(yīng)用于各大企業(yè)，尤其是工作環(huán)境惡劣的工廠效果非常明顯，可靠性也非常的強(qiáng)，此外PID控制擁有完整的參數(shù)設(shè)定和控制體系。但是PID控制也有其不能解決的問題，它是建立在精確地數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上的，并且大多數(shù)的工業(yè)控制即使能建立出數(shù)學(xué)模型，那也是非準(zhǔn)確的、近似的數(shù)學(xué)模型。

傳統(tǒng)的數(shù)字PID控制算法連續(xù)時間PID控制器的輸入輸出函數(shù)關(guān)系如下：

其中u（t）表示控制器的輸出，e（t）作為控制器輸入的誤差，t是時間，

是導(dǎo)數(shù)，Kp是比例增益，不是整數(shù)[1]。

由于智能PID控制算法針對非線性系統(tǒng)存在的大滯后和時滯特性，因此本文提出了一種基于傳統(tǒng)PID控制算法的智能PID算法，智能PID算法相對于傳統(tǒng)的PID控制更加的有效，并且可以滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性和強(qiáng)魯棒穩(wěn)定性。它可以分成許多不同的部分，在不同的部分，系統(tǒng)可以用不同的算法進(jìn)行分析和設(shè)計，智能PID算法在實際中被廣泛使用，因為它不依賴于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并且對系統(tǒng)參數(shù)的變化不敏感。

三、工作原理及過程

（一）工作原理

首先，用溫度傳感器檢測燃燒爐的溫度，并轉(zhuǎn)換成PLC可識別的數(shù)字信號，并用火焰?zhèn)鞲衅鳈z測火焰，然后在信號輸入到PLC后執(zhí)行PID操作，并將運(yùn)行結(jié)果轉(zhuǎn)化為模擬信息，用于控制燃燒機(jī)電氣閥門的開度，也就是實現(xiàn)了爐溫的調(diào)節(jié)。

在工業(yè)自動化的發(fā)展過程中，PLC在邏輯控制、順序控制和系統(tǒng)保護(hù)方面顯示出其獨特的優(yōu)勢，而且，PLC具有可靠性高，配置靈活，性價比高等諸多優(yōu)點。所以本系統(tǒng)采用PLC作為CPU。我們使用由一些自動化有限公司生產(chǎn)的PLC，基本具有8個光耦輸入，8個繼電器輸出，4個任意分度熱電偶輸入和4個模擬輸出（4-20mA）， CAN網(wǎng)絡(luò)和RS485網(wǎng)絡(luò)功能包含在PLC中，PLC可同時控制兩組內(nèi)燃機(jī)。另外，通過組成內(nèi)燃機(jī)控制組我們可以利用CAN網(wǎng)絡(luò)功能或RS485網(wǎng)絡(luò)功能節(jié)省大量成本[2]。

（二）基于PID的內(nèi)燃機(jī)控制系統(tǒng)的工作過程

首先，在系統(tǒng)啟動時檢測火焰是否存在，如果沒有火焰，系統(tǒng)將繼續(xù)正常工作，否則，警報將啟動并且所有的輸出將被關(guān)閉；當(dāng)沒有檢測到火焰時，點火器和點火閥同時工作，如果在點火器工作約10秒后仍未檢測到火焰，則將啟動警報，并關(guān)閉所有輸出；如果檢測到火焰持續(xù)10秒或更少，點火器將被關(guān)閉，電子氣閥（4-20mA）和主氣閥將打開，同時，溫度傳感器檢測到溫度信號，然后在A / D轉(zhuǎn)換后傳送給PLC進(jìn)行PID運(yùn)算，運(yùn)行結(jié)果可轉(zhuǎn)化為模擬信號（4-20mA），可用于控制內(nèi)燃機(jī)電動氣門的開度，爐溫將保持不變。如果主氣閥工作時火焰消失，5秒鐘后主氣閥將關(guān)閉，所有開關(guān)都將復(fù)位之后，系統(tǒng)將重新啟動。

四、結(jié)語

本文主要介紹和比較了傳統(tǒng)和智能PID控制算法的區(qū)別，說明智能PID控制方法適合應(yīng)用于內(nèi)燃控制系統(tǒng)，接下來描繪了工作原理和過程以顯示所提出方法的有效性，最后得出本文的結(jié)論。實驗結(jié)果表明智能PID控制系統(tǒng)與常規(guī)PID控制系統(tǒng)相比具有優(yōu)勢。例如，上升時間和穩(wěn)定時間越短，過沖越小，振蕩頻率明顯下降。此外，設(shè)計系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到保證，驗證了智能PID控制算法應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)的有效性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]田雅賓，鄭勝國，裴鋒.汽油發(fā)電機(jī)組電子調(diào)速器研究J.移動電源與車輛，2006（2）：1-42

[2]王述彥，師宇等.基于模糊PID控制器的控制方法研究J.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2011， 30（ 1 ）：167-168