汽車發動機的PID控制系統設計與仿真研究

徐僥幸

摘 要：隨著汽車工業的快速發展，對發動機控制系統也提出更高的要求。然而汽車發動機應用下，仍面臨汽車系統性能較差現狀，以其中控制系統問題最為突出，以PID控制系統為例，若其難以發揮控制系統作用，將制約汽車發電機綜合性能的提高，要求做好控制系統設計，并對系統進行仿真分析。本文將對汽車發電機的相關概述、汽車行駛運動方程與模型構建以及PID控制系統仿真進行探析。

關鍵詞：PID控制系統；汽車發動機；系統設計；仿真

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

一、汽車發動機相關概述

關于汽車發動機，其在運行中本身強調使熱能向機械能進行轉化，其中熱能的產生主要來源于燃料混合氣燃燒過程。從發動機構成看，首先表現在曲柄連桿機構方面，其在功能上主要表現為能夠使燃氣壓力進行扭矩的轉化，并通過曲軸連桿完成機械能輸出過程。其次為燃料系統，該系統主要負責根據計算量將燃油輸入到發動機氣缸中，整個系統在構成上主要以輸油泵、噴油泵、噴油器、調速器以及柴油箱等為主，這些構件作用下可定壓、定時、定量完成燃料輸送過程。再次，啟動系統。該系統運行下，其原理主要表現在通過外力作用使靜止的曲軸得以轉動，此時汽缸中空氣混合氣、燃油會進行做功，使曲軸旋轉得以保持，這樣可保證發動機可靠運行。最后，配氣機構。整個發動機運行中，配氣機構在作用上主要表現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，其中能夠發揮作用的構件集中表現在消聲器、進氣排氣管、空氣濾清器以及傳動組等方面。除此之外，發動機構成中也包含潤滑系統、冷卻系統等，確保這些系統作用發揮，才可使發動機可靠運行。而這些系統作用發揮時，要求引入控制系統，使其中各部分如增壓、進氣、噴壓以及怠速等得到有效控制。由于這些系統過于復雜，所以本文研究中考慮將該系統比作為黑箱，分析中可通過對輸入信號與輸出信號在黑箱系統中的表現進行研究，其中用于對發動機油門開度表示的為輸入部分，而用于汽車質心速度的表示則體現在輸出方面，在此基礎上進行動力學方程的構建，可使發動機相關模型得以構建，保證系統控制目標得以實現[ 1 ]。

二、汽車行駛運動方程與模型構建

（一）行駛運動方程構建

在分析汽車發動機運動情況中，要求利用運動方程進行分析。其中的方程主要表現在汽車驅動力方面，一般汽車驅動輪會承受轉矩系統帶來的轉矩，假定利用Tt對該轉矩進行表示，并利用F0表示地面圓周力，且F1為驅動系統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、發動機轉矩與傳動系機械效率等參數，分別利用i0、ig、Ttg、ηT表示，可得到得Tt=Ttqigi0ηT。在此基礎上進行利用其與r進行比值求解，能夠得到汽車驅動力。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、行駛驅動力。

（二）發電機模型構建

模型構建的目標旨在使輸出轉矩Ttg得以計算，可考慮引入油門開度α、曲軸轉速n等參數，通過二者函數關系的構建完成Ttg的計算，有Ttg=F（n，α）。由于曲軸轉速n、汽車速度u二者存在一定聯系，所以有u=0.377，結合其與Ttg函數關系式，便可進行模型構建。需注意由于函數中，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的假設，僅需通過對假設的檢驗，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，完成發動機傳遞函數的計算[ 2 ]。

三、PID系統仿真研究

結合汽車發動機的行駛方程、運動模型，在分析過程中要求做好PID控制系統仿真過程。其中的PID控制強調根據調節器控制規律，完成相關微分、積分與比例的控制，對于該控制過程便可稱為PID控制。從PID控制的優勢看，主要表現在應用范圍較廣，可直接對較多時變問題、非線性問題進行簡化，使整個系統不會隨時間變化而發生改變，滿足PID控制要求。同時，PID參數本身易于調整，在結合動態特性變化的基礎上可對PID參數進行調整。將其運用于汽車發動機控制分析中，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，便可達到控制系統的目標。實際進行控制與調整的參數中，要求對系統動態性能發揮中，三個參量所帶來的影響進行分析，能夠推出發動機傳遞函數。本文在研究中，考慮將Matlab引入其中，通過Simulin進行仿真結構構建。在測試過程中發現，僅需做好不斷調試參數調整，其中比例、積分與微分分別為0.031、0.778與21，此時可將PID響應仿真曲線進行明確，根據具體仿真結果完成PID仿真過程[ 3 ]。

四、結論

PID控制系統是否得以合理設計是決定汽車發動機綜合性能的關鍵性因素。本文在研究中發現，PID控制系統以閉環系統為主，其具備較多優勢如響應速度快、調節時間短等，而且系統運行中可保證輸出變量較為合理，利用PID控制系統進行調節后不存在穩態誤差。需注意的是，盡管PID控制系統運用下，仍可能出現油門開度變化過于明顯問題，但這種變化多保持在發動機允許范圍中。因此，PID控制系統的有效設計能夠推動發動機綜合性能進一步提升。

參考文獻：

[1] 楊瑩.汽車發動機電控系統設計及怠速仿真研究[D].武漢理工大學，2012.

[2] 王印束.基于動力傳動系統一體化的雙離合器自動變速器控制技術研究[D].吉林大學，2012.

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