CN103485910A

CN103485910A - 一种改进的多工况pid控制的发动机控制方法

Info

Publication number: CN103485910A
Application number: CN201310480106.1A
Authority: CN
Inventors: 段玉波; 高丙坤; 刘继承; 刘斌; 姜春雷
Original assignee: Northeast Petroleum University
Current assignee: Nantong Taiying New Material Technology Co ltd
Priority date: 2013-10-15
Filing date: 2013-10-15
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2033-10-15
Also published as: CN103485910B

Abstract

一种改进的多工况PID控制的发动机控制方法，其可以在不同工况下利用不同的PID控制器来调节发动机稳态工况下的空燃比，监测各个稳态工况作出判断，多个PID控制器相互配合进行控制更能使得发动机匹配更优的空燃比，该方法丰富了汽车电子控制中采用PID控制的控制策略理论，为提高发动机的效率和降低汽车节能减排提供帮助。

Description

一种改进的多工况PID控制的发动机控制方法

技术领域

本发明涉及一种改进的多工况PID控制的发动机控制方法，属于汽车电子自动化控制技术领域。

背景技术

电子自动化控制技术在汽车中得以广泛的应用，能够实现对发动机的数字化控制，电控系统可以根据发动机的各种运行工况，实现最佳空燃比和点火控制，使混合气燃烧充分，发动机运行工况优化，有效地改善了汽车发动机的动力性、经济性和排放指标。当前，对发动机控制方面的研究工作主要集中在两个方面，即对控制系统功能的扩充和探索新的控制方法。随着先进电子技术的发展，汽车发动机控制趋于集成化，一种是在大容量的微机中进行全部的集中控制，另一种是在控制系统中装入多个微机，进行分类处理。处理器输入、输出为多个信号，同时为了保证控制精度，控制策略也日趋复杂。高性能、高速、存储容量大、能平行处理多个任务、能对操作系统进行严格软件管理的微处理器是汽车电子技术发展迅速的首要因素。在扩充控制功能的同时，许多研究人员也在积极地研究新的控制方法，试图使发动机的控制更为精确和合理。

空燃比对汽油燃烧和发动机动力性、经济性以及排放性能影响最大，汽车发动机燃油喷射系统最佳控制是通过发动机运行过程中的空燃比的精确控制实现。而在发动机的实际运行工况对空燃比的要求也各不相同，按照工作的稳定性可以分为稳态工况和瞬态工况。稳态工况是指发动机节气门开度保持不变，其转速和负荷也基本不变的运行状况，比如发动机温度正常后的怠速工况，转速和负荷都基本不变的部分负荷工况，高负荷工况等。瞬态工况是指发动机运行参数处于变化过程中的工况，如：加速工况，减速工况，暖机工况，冷启动工况等。

伴随着人们对汽车的性能尤其是发动机尾气排放量以及燃油经济性的要求越来越高，由此，对发动机的空燃比的控制策略就提出了更高的要求，特别是由于常用的三元催化转换器只有在混合气的空燃比接近理论空燃比的狭小范围内净化效果才最好，因此，在这种情况下，电控单元必须控制混合气的空燃比更接近于理论空燃比才可能实现更优的效果，而传统的发动机控制方法己不能很好的满足这种高要求，这就要求提出新的针对不同工况下对空燃比的控制策略和方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的多工况PID控制的发动机控制方法，其采用多个PID控制器来分别控制不同工况下的发动机空燃比，调整其燃料供给系统供给的燃料供给策略，丰富了汽车电子控制中采用PID控制的控制策略理论，为提高发动机的效率和降低汽车节能减排提供帮助。

本发明所采用的技术方案为：

一种多工况PID控制的发动机控制方法，其主要步骤为：首先，在启动控制后，通过位于发动机本体上的温度传感器测量发动机的温度，判断其是否达到正常状况下的温度值，如果未到达正常状况下的温度值，则说明发动机处于暖机工况或冷启动工况，不采用PID控制，返回继续进行监测，如果达到正常状况下的温度值，则表明发动机处于非暖机工况或冷启动工况；接下来，利用相应的各种传感器单元依次检测发动机节气门开度T、发动机转速V、和发动机负荷L，利用所检测数值判断控制过程是否满足PID控制切入点的要求，假如所检测的发动机节气门开度T、发动机转速V、和发动机负荷L数值达到或满足该PID控制切入点的数值范围要求，则表明目前工况为稳态工况，可以进行PID控制操作；假如所检测的发动机节气门开度T、发动机转速V、和发动机负荷L不满足上述条件，则表明其处于瞬态工况下，不适用PID控制；最后，在当所检测的发动机节气门开度T、发动机转速V、和发动机负荷L满足PID控制切入点的数值要求后，对节气门开度T值进行比较判断，将节气门开度T与第一阈值T1和第二阈值T2进行比较，分三种情况分别对应三种稳态工况：

当节气门开度T<第一阈值T1时，则表明节气门开度很小或为零，此时发动机处于怠速状态，此时触发所对应的怠速PID1控制器，利用该PID1控制器来控制实际测量的空燃比α趋于怠速目标的空燃比α1进行调整，从而将实际空燃比α稳定到怠速目标下的空燃比α1上；当节气门开度T满足第一阈值T1≤T≤第二阈值T2时，表明节气门开度有一定开度，此时处于部分负荷工况即经济工况下，此时触发所对应的部分负荷工况的PID2控制器，利用该PID2控制器来控制实际测量的空燃比α趋于部分负荷工况下的目标空燃比α2进行调整，从而将实际空燃比α稳定到部分负荷工况下的空燃比α2上；同理，当节气门开度T>第二阈值T2时，则表明节气门开度较大，发动机处于高负荷工况下，此时触发所对应的高负荷工况的PID3控制器，利用该PID3控制器来控制实际测量的空燃比α趋于高负荷工况下的目标空燃比α3进行调整，从而将实际空燃比α稳定到高负荷工况下的空燃比α3上。

假如所检测发动机节气门开度T、发动机转速V、和发动机负荷L的数值范围在规定单位时间t内的变化率为零或在规定的范围内，则说明发动机处于节气门开度稳定，转速和负荷基本保持不变的稳态工况下，假如所检测的发动机节气门开度T、发动机转速V、和发动机负荷L不满足上述条件，则表明其处于瞬态工况下，不适用PID控制。

上述第一阈值T1为5％-8％，第二阈值T2选取为70％-75％。

上述怠速空燃比α1为13，部分负荷空燃比α2为14.7，高负荷空燃比α3为12。

本发明采用如上技术方案得到的技术效果为：

1.相比于应用到汽车电喷控制的开环控制，采用本发明的多个PID的闭环控制策略可以依据汽车发动机目前运行参数对空燃比(燃料供给)进行控制，从而减小偏差误差，大大提高了控制精度；

2.扩大了PID控制器的应用方法和领域，面对复杂非线性控制问题时，采用分工况的控制方法，通过区分稳态工况和瞬态工况，而着重对稳态工况的处理，其降低了系统的复杂性，提高了系统的响应速度和响应精度；

3.多个PID控制器切换的空燃比控制方法充分考虑了汽车工况的动态特性，算法简单，便于实现，对实验车辆的仿真表明，该方法具有明显优势的控制效果。

附图说明

接下来，通过优选的实施例并参照以下附图对本发明的技术方案加以详细说明。

图1是本发明的汽车发动机的主要电控系统的示意图；

图2是本发明的发动机空燃比多PID控制系统示意图；

图3是本发明的多工况PID控制的发动机控制方法的流程图。

附图标记：1-控制单元，2-发动机，3-点火系统，4-进气系统，5-燃料供给系统，6-各种传感器单元。

具体实施方式

在图1中显示出本发明的汽车发动机的主要电控系统的示意图，其显示出发动机电控系统的主要零部件组成单元，其主要包括控制单元1，发动机本体2，位于发动机上的点火系统3，提供新鲜空气的进气系统4，以及将燃料供给到发动机2中的燃料供给系统5，位于整个发动机系统各个位置处的传感器单元6提供检测信号给控制单元1，同时控制单元1根据得到的传感器信号经处理作出控制指令输送到各执行单元。其中，控制单元1由ECU、驱动器及继电器等组成，ECU采集来自空气流量计、进气温度、汽油发动机转速、水温、节气门位置传感器及氧传感器等的输入信息进行实时处理，经过精确计算发出最佳喷油脉冲信号，通过输出电路驱动喷油器，从而获得最佳的空燃比，达到良好的动力性、经济性和排放性；进气系统4使用节气门(未示出)来控制发动机正常运行工况下的进气量，用空气流量计或进气歧管绝对压力传感器来检测进入发动机的进气量，以此计算出汽油的喷射量，并将温度、节气门开度等信号输入计算机，对喷油量进行修正。燃料供给系统5的作用是根据电子控制单元ECU的驱动信号，以恒定的压差将一定数量的汽油喷入进气管或汽缸，使汽油发动机在各种工况下得到最佳的空燃比。

通常情况下，发动机电控系统控制空燃比的工作过程：首先通过传感器检测进气量；然后确定发动机的运行工况以及该工况的目标空燃比；最后ECU通过目标空燃比和进气量查询已制定的脉谱图得到燃油量，使得混合气达到设定的空燃比。

然而此种开环控制策略只适用于汽车发动机的加速工况，减速工况，暖机工况，冷启动工况等瞬态工况，面对更为常用的怠速工况，部分负荷工况(经济工况)及高负荷工况等稳态工况时无法取得良好的效果，为此，面对稳态工况时采用闭环控制已经是本领域内的常用技术，而PID控制(比例积分微分控制的简称)方法是工业应用中得到广泛的应用，PID控制是由P，I，D三个环节的不同组合而成，具有较好的适应性和鲁棒性。本发明的技术方案所采用的PID控制方法不同与以往的PID控制，其主要采用三个PID控制器来分别满足三个不同工况下的空燃比调节需求，本发明的PID控制器主要涉及三个PID参数：比例系统Kp、微分系数Ki和积分系数Kd，这三个参数都可以通过控制规则和控制理论确定，在此不再赘述。由此，具体可参见图2的空燃比多PID控制系统示意图，其表示出利用本发明的多个PID控制器所实现的对发动机空燃比的控制方法。

下面结合图3重点对本发明的多工况PID控制的发动机控制方法做进一步的介绍。

如上所述，发动机的实际运行工况对空燃比的要求也各不相同，按照工作的稳定性可以分为稳态工况和瞬态工况。稳态工况是指发动机节气门开度保持不变，其转速和负荷也基本不变的运行状况，比如怠速工况，部分负荷工况(经济工况)，高负荷工况等，据统计，在城市道路中仅发动机的怠速工况就占到整个运行工况时间的三成以上，发动机稳态工况是空燃比调节的重要的调节对象。瞬态工况是指发动机运行参数处于变化过程中的工况，如：加速工况，减速工况，暖机工况，冷启动工况等。需要说明的是，本发明偏重对发动机稳态工况下空燃比的控制，而对瞬态工况下的控制主要依赖于开环控制，暂不详细介绍。

首先，在启动控制后，通过位于发动机本体上的温度传感器测量发动机的温度(冷却水温)，判断其是否达到正常状况下的温度值，如果未到达正常状况下的温度值，则说明发动机处于暖机工况或冷启动工况，不采用PID控制，返回继续进行监测，如果达到正常状况下的温度值，则表明发动机处于非暖机工况或冷启动工况，从而将瞬态工况中的暖机工况或冷启动工况排除；接下来，利用相应的各种传感器单元依次检测发动机节气门开度T、发动机转速V、和发动机负荷L，得出上述三个数值的目的是用来判断控制过程是否合适进入PID控制切入点的要求，该PID控制切入点是用来判断控制过程是否进入本发明的PID控制方法的切换阈值，一旦所述条件达到或满足该PID控制切入点的数值范围要求，则表明该工况为稳态工况，可以进行PID控制操作，根据不同的环境，PID控制切入点判断方法和判断过程可以有所不同，优选的判断过程可以为，假如所检测发动机节气门开度T、发动机转速V、和发动机负荷L的数值范围在规定单位时间t内的变化率为零或在规定的范围内，则说明发动机处于节气门开度稳定，转速和负荷基本保持不变的稳态工况下，从而将瞬态工况中的加速工况和减速工况排除，假如所检测的发动机节气门开度T、发动机转速V、和发动机负荷L不满足上述条件，则表明其处于瞬态工况下，不适用PID控制而采用其他方法来控制空燃比；在当所检测的发动机节气门开度T、发动机转速V、和发动机负荷L满足PID控制切入点的数值要求后，对节气门开度T值进行比较判断，将节气门开度T与第一阈值T1和第二阈值T2进行比较(根据不同发动机的应用环境，一般选取T1为5％-8％，T2选取为70％-75％)，分三种情况分别对应三种稳态工况：

当T<T1时，则表明节气门开度很小或为零，此时发动机处于怠速状态，发动机的怠速工况是常见工况，怠速控制的目标是经济性、排放性和平稳的过度特性，在发动机怠速运行时，为了获得平稳的怠速，同时随时准备对突然加速工况的适应，需要相比于理论空燃比(对汽油而言为14.7)而言稍小的空燃比，此时触发所对应的怠速PID1控制器，其参数设置可以为针对怠速工况下的优选数值也可以为普通经验数值，它是根据被控怠速工况下空燃比的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小(数值选取由现有技术教导可得)，由此利用该PID1控制器来控制实际测量的空燃比α趋于怠速目标的空燃比α1(例如13)进行调整，从而将实际空燃比α稳定到怠速目标下的空燃比α1上，实现了在怠速工况下对空燃比的调整；同理，当节气门开度T1≤T≤T2时，表明节气门开度有一定开度，此时处于部分负荷工况即经济工况下，发动机大部分时间是运行在经济运行工况，由于目前发动机系统大都采用了三元催化器来减少污染，为了满足三元催化效率的需要，此时的空燃比必须严格控制在理论空燃比(14.7)左右，部分负荷工况的控制目标是较低的油耗和良好的排放，此时触发所对应的部分负荷工况的PID2控制器，其参数设置方法同上，由此利用该PID2控制器来控制实际测量的空燃比α趋于部分负荷工况下的目标空燃比α2(例如14.7)进行调整，从而将实际空燃比α稳定到部分负荷工况下的空燃比α2上，实现了在部分负荷工况下对空燃比的控制调整；同理，当T>T2时，则表明节气门开度较大，此时发动机处于高负荷工况下，当发动机处于高负荷工况时，即节气门开度大于70-80％时，发动机的目标是最大输出功率。空燃比控制的目标转向功率最大输出，以获得最大的输出扭矩，对混合气的加浓程度与节气门开度有关，其空燃比一般要求控制在12左右，此时触发所对应的高负荷工况的PID3控制器，利用该PID3控制器来控制实际测量的空燃比α趋于高负荷工况下的目标空燃比α3(例如11-12)进行调整，从而将实际空燃比α稳定到高负荷工况下的空燃比α3上，实现了在高负荷工况下对空燃比的控制调整。

通过上述多个PID控制器的控制过程，实现了对在稳态工况的不同工况下的空燃比的调节，提高了系统的响应时间和精度，实现了对发动机动力性、经济性和排放性指标的良好控制，采用此改进的PID控制方法，可以使发动机在怠速、部分负荷和大负荷等所有主要的稳态工况下都达到理想的空燃比状态，从而到达节油、降低污染和提高动力性的目的。

本发明的目的是为了提供一种改进的应用PID控制器来实现对发动机空燃比调整的方法，虽然在自动化控制领域内，采用PID控制器的参数设定为PID应用领域的重要内容，而本发明并不涉及该多个PID控制器的参数的具体选取，但这并不影响到本申请的充分公开，其可以通过现有技术的教导得出，同时，本发明的技术方案侧重对稳态工况的空燃比调整，对于瞬态工况下的控制方法并未记载也不会构成公开不充分的要件。

同时本发明不限于上面的应用，各种可能的修改在从属权利要求的范围中，对于上述的具体实施方式的其它修改也可以被制造。因此，需要明白的是本发明不限于公开的具体实施方式和其修改及其它实施方式意图包括在所附的权利要求中。虽然在此使用了具体术语，但是它们仅仅用在一般和叙述情况下而非限制的目的。

Claims

1.一种多工况PID控制的发动机控制方法，其主要步骤为：

首先，在启动控制后，通过位于发动机本体上的温度传感器测量发动机的温度，判断其是否达到正常状况下的温度值，如果未到达正常状况下的温度值，则说明发动机处于暖机工况或冷启动工况，不采用PID控制，返回继续进行监测，如果达到正常状况下的温度值，则表明发动机处于非暖机工况或冷启动工况；接下来，利用相应的各种传感器单元依次检测发动机节气门开度T、发动机转速V、和发动机负荷L，利用所检测数值判断控制过程是否满足PID控制切入点的要求，假如所检测的发动机节气门开度T、发动机转速V、和发动机负荷L数值达到或满足该PID控制切入点的数值范围要求，则表明目前工况为稳态工况，可以进行PID控制操作；假如所检测的发动机节气门开度T、发动机转速V、和发动机负荷L不满足上述条件，则表明其处于瞬态工况下，不适用PID控制；最后，在当所检测的发动机节气门开度T、发动机转速V、和发动机负荷L满足PID控制切入点的数值要求后，对节气门开度T值进行比较判断，将节气门开度T与第一阈值T1和第二阈值T2进行比较，分三种情况分别对应三种稳态工况：

当节气门开度T<第一阈值T1时，则表明节气门开度很小或为零，此时发动机处于怠速状态，此时触发所对应的怠速PID1控制器，利用该PID1控制器来控制实际测量的空燃比α趋于怠速目标的空燃比α1进行调整，从而将实际空燃比α稳定到怠速目标下的空燃比α1上；当节气门开度T满足第一阈值T1≤T≤第二阈值T2时，表明节气门开度有一定开度，此时处于部分负荷工况下，此时触发所对应的部分负荷工况的PID2控制器，利用该PID2控制器来控制实际测量的空燃比α趋于部分负荷工况下的目标空燃比α2进行调整，从而将实际空燃比α稳定到部分负荷工况下的空燃比α2上；同理，当节气门开度T>第二阈值T2时，则表明节气门开度较大，发动机处于高负荷工况下，此时触发所对应的高负荷工况的PID3控制器，利用该PID3控制器来控制实际测量的空燃比α趋于高负荷工况下的目标空燃比α3进行调整，从而将实际空燃比α稳定到高负荷工况下的空燃比α3上。

2.如权利要求1所述的多工况PID控制的发动机控制方法，其特征在于：假如所检测发动机节气门开度T、发动机转速V、和发动机负荷L的数值范围在规定单位时间内的变化率为零或在规定的范围内，则说明发动机处于节气门开度稳定，转速和负荷基本保持不变的稳态工况下，假如所检测的发动机节气门开度T、发动机转速V、和发动机负荷L不满足上述条件，则表明其处于瞬态工况下，不适用PID控制。

3.如权利要求1或2所述的多工况PID控制的发动机控制方法，其特征在于：第一阈值T1为5％-8％，第二阈值T2选取为70％-75％。

4.如权利要求1或2所述的多工况PID控制的发动机控制方法，其特征在于：怠速空燃比α1为13，部分负荷空燃比α2为14.7，高负荷空燃比α3为12。