CN111852667A - 一种涡轮增压压力的pid预控方法 - Google Patents

一种涡轮增压压力的pid预控方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种涡轮增压压力的PID预控方法，涉及信号预测技术领域，用于对发动机的涡轮增压器进行PID控制，包含以下步骤：记录发动机多个连续时刻的增压压力采样值，并传输给发动机的ECU；所述ECU将多个连续时刻的增压压力采样值分成N组并求取各组的平均值；每相邻两组的平均值相减，得到N‑1个差值，将N‑1个差值与预先设定的N‑1个权重系数分别求积，再求和得到当前增压压力增量；用当前增压压力增量与当前增压压力之和替换当前增压压力，对涡轮增压器进行PID控制。本申请解决了对涡轮增压器进行PID控制波动大的技术问题。

Description

一种涡轮增压压力的PID预控方法
技术领域
本申请涉及信号预测技术领域，特别涉及一种涡轮增压压力的PID预控方法。
背景技术
柴油发动机包含空气系统，在当前满足国六标准的发动机开发中，VGT增压器(Variable Geometry Turbocharger，可变截面涡轮增压器，简称涡轮增压器)是空气系统不可缺少的部件；VGT增压器能够通过调整喷嘴叶片的开度，从而改变推动涡轮的废气量。在低转速、低排气量的工况下减小喷嘴叶片的开度，可以提高排气流速，增大柴油发动机的进气增压压力，提高了发动机的动力性。电控系统通过反馈的增压压力信号对VGT增压器进行调节，实现增压压力的闭环控制。
相关技术中，发动机的增压压力控制往往通过PID(Proportion IntegralDifferential，比例、积分、微分)控制来实现。如图1和图2所示，增压压力error等于需求增压压力减去实际增压压力；其中，比例(即P)，积分(即I)和微分(即D)三项的增益都是用这个error查表得到。当需求增压压力发生变化时，PID控制实际增压压力跟随需求增压压力，具体地，用P、I和D这3个增益值与error进行比例、积分及微分计算输出控制涡轮喷嘴叶片的开度值。
但是，PID在实际控制VGT增压器的过程中，具有一定的延迟性，从改变涡轮喷嘴叶片的开度到改变推动涡轮的废气量，再到涡轮到压气机的机械功传递，直至实际增压压力的改变，这个过程需要时间。在波动较大的动态工况下，延迟性尤其明显；同时涡轮的尺寸越大，延迟性也越加突出。PID控制的延迟性使得实际增压压力无法及时跟随需求增压压力，error的波动会随之变大，查表得出的P、I和D会出现过大或过小的问题，当P、I和D过大时，容易出现超调；当P、I和D过小时，容易造成发动机进气量不足。
发明内容
本申请实施例提供一种涡轮增压压力的PID预控方法，解决了对涡轮增压器进行PID控制波动大的技术问题。
本发明提供了一种涡轮增压压力的PID预控方法，用于对发动机的涡轮增压器进行PID控制，包含以下步骤：
记录发动机多个连续时刻的增压压力采样值，并传输给发动机的ECU；
所述ECU将多个连续时刻的增压压力采样值分成N组并求取各组的平均值，其中N≥4；
每相邻两组的平均值相减，得到N-1个差值，将N-1个差值与预先设定的N-1个权重系数分别求积，再求和得到当前增压压力增量；
用当前增压压力增量与当前增压压力之和替换当前增压压力，对涡轮增压器进行PID控制。
一些实施例中，所述N-1个权重系数通过试验标定得到。
一些实施例中，所述当前增压压力增量与当前增压压力之和为预估增压压力；所述N-1个权重系数的试验标定方法如下：
采用常规的PID控制方法对涡轮增压器进行PID控制，记录需求增压压力和实际增压压力，并进行WHTC试验，做出实际增压压力曲线和需求增压压力曲线；
在实际增压压力曲线和需求增压压力曲线之间做第一条预估增压压力曲线，对实际增压压力曲线和需求增压压力曲线之间的区域进行区域划分，划分为两个区域；通过数据拟合得到该条预估增压压力曲线的一组权重系数，用该组权重系数计算预估增压压力，并进行WHTC试验，记录试验结果；
分别在两个区域中做出第二条预估增压压力曲线和第三条预估增压压力曲线，数据拟合得到各自的一组权重系数，用两组权重系数分别计算预估增压压力，并进行WHTC试验，记录试验结果；
对比两个试验效果，对试验结果较好的一个区域继续进行区域划分，直至找到一个最优区间，进行标定微调，得到最优的一组权重系数为所述N-1个权重系数。
一些实施例中，每次进行区域划分时，作出的预估增压压力曲线将该区域划分为均等的两份。
一些实施例中，所述数据拟合的方法采用最小二乘法。
一些实施例中，所述PID预控方法的输入的增压压力error等于需求增压压力减去预估增压压力。
一些实施例中，所述ECU将多个连续时刻的增压压力采样值分成N组包括：多个连续时刻的增压压力采样值为当前时刻增压压力采样值和前M个增压压力采样值；将前M个增压压力采样值分成N-1组；第1组为当前增压压力采样值，其余N-1组包含一个增压压力采样值或者两个以上采样时刻连续的增压压力采样值。
一些实施例中，所述ECU将多个连续时刻的增压压力采样值分成N组包括：多个连续时刻的增压压力采样值为当前时刻增压压力采样值和前M个增压压力采样值；所述N组增压压力采样值分别为，第1组为当前增压压力采样值、第2组为前1个增压压力采样值、……、直至第N组为前M个增压压力采样值；且除所述第1组增压压力采样值外，所述第N组增压压力采样值包含所述第N-1组增压压力采样值。
一些实施例中，第1组增压压力采样值为当前增压压力采样值为P0，第2组增压压力采样值平均值为A1，第3组增压压力采样值平均值为A2，……，第N-1组增压压力采样值平均值为AN-2，第N组增压压力采样值平均值为AN-1；当该组增压压力采样值为一个数时，其平均值等于自身；
预估增压压力Pn的计算方法如下：
Pn＝P0+(Δ1*Q1+Δ2*Q2+……+ΔN-1*QN-1+ΔN*QN)
其中，Δ1＝P0-A1；Δ2＝A1-A2；……；ΔN-1＝AN-2-AN-1；ΔN＝AN-1-AN；而Q1、Q2、……、QN-1、QN为分别对应Δ1、Δ2、……、ΔN-1、ΔN的权重系数。
一些实施例中，需求增压压力为P1，所述PID预控方法的输入的增压压力error计算方法如下：
error＝P1-P0-(Δ1*Q1+Δ2*Q2+……+ΔN-1*QN-1+ΔN*QN)。
本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：
本发明提供了一种涡轮增压压力的PID预控方法，通过采样多个连续时刻的增压压力采样值结合权重系数计算出当前增压压力增量；相对于传统的PID控制使用当前增压压力与需求增压压力计算error作为PID控制输入量，本申请用当前增压压力增量与当前增压压力之和替换传统的当前增压压力然后计算error，减小了PID控制输入量error的波动，使得实际增压压力能够更加紧密的跟随需求增压压力，优化了PID控制过程，达到了预控当前增压压力的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为传统PID控制过程原理图。
图2为传统PID控制过程的曲线图。
图3为本申请实施例提供的当前增压压力增量的计算框图；
图4为本申请实施例提供的PID预控方法的过程曲线图；
图5为本申请实施例提供的标定权重系数的过程曲线图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图4所示，本发明实施例公开了一种涡轮增压压力的PID预控方法，用于对发动机的涡轮增压器进行PID控制，在传统PID控制的基础上进行改进，使得实际增压压力更加紧密地跟随需求增压压力。
PID预控方法具体包含以下步骤：
记录发动机多个连续时刻的增压压力采样值，并传输给发动机的ECU；
ECU将多个连续时刻的增压压力采样值分成N组并求取各组的平均值，其中N≥4；
每相邻两组的平均值相减，得到N-1个差值，将N-1个差值与预先设定的N-1个权重系数分别求积，再求和得到当前增压压力增量(见图3)；
用当前增压压力增量与当前增压压力之和，替换发动机PID控制中原有的当前增压压力，对涡轮增压器进行PID控制，使得实际增压压力与需求增压压力之间的差值更小。
在本实施例中，通过设置于发动机上的增压压力传感器获取增压压力采样值，并每间隔一定时间周期记录一个增压压力采样值，连续记录多个增压压力采样值。
优选地，预先设定的N-1个权重系数通过试验标定得到。
进一步地，当前增压压力增量与当前增压压力之和为预估增压压力，本发明用预估增压压力替换了原有的当前增压压力，对涡轮增压器进行PID控制。
本发明的一个实施例，对N-1个权重系数的试验标定的方法如下：
采用常规的PID控制方法对涡轮增压器进行PID控制，记录需求增压压力和实际增压压力，并进行WHTC(World Harmonized Ransient Cycle，WHTC测试循环)试验，做出两条标准曲线(需求增压压力曲线和实际增压压力曲线)；
在两条标准曲线之间做第一条预估增压压力曲线，对两条标准曲线之间的区域进行区域划分，划分为两个区域；通过数据拟合得到该条预估增压压力曲线的一组权重系数，用该组权重系数计算预估增压压力，并进行WHTC试验，记录试验结果；
分别在两个区域做出第二条预估增压压力曲线和第三条预估增压压力曲线，数据拟合得到各自的一组权重系数，用两组权重系数分别计算预估增压压力，并进行WHTC试验，记录试验结果；
对比两个试验结果，舍弃掉试验结果较差的一个区域，对试验结果较好的一个区域继续进行区域划分，直至找到一个最优区间(在该区域内作出的预估增压压力曲线都能够达到预先设定的技术要求)，进行标定微调，得到最优的一组权重系数为所述N-1个权重系数。评价试验结果好坏的因素包含实际增压压力-需求增压压力的偏移百分比、PID输出的方差和标准差等。
优选地，每次进行区域划分时，作出的预估增压压力曲线位于两条曲线的正中间，将该区域划分为均等的两份。
如图5所示，优选地，在两条标准曲线(曲线1和曲线2)的正中间做出预估增压压力曲线0(曲线3)，通过数据拟合得到曲线3的一组权重系数，用该组权重系数计算预估增压压力，并进行一次WHTC试验，记录试验结果。
在曲线3与需求增压压力曲线的正中间之间作出预估增压压力曲线1(曲线4)，在曲线4与实际增压压力曲线正中间之间作出预估增压压力曲线2(曲线5)，分别就曲线4和曲线5通过数据拟合得到两组权重系数；同样用两组权重系数计算预估增压压力(N-1个差值与预先设定的N-1个权重系数分别求积，再求和得到当前增压压力增量；当前增压压力增量与当前增压压力之和为预估增压压力)，并分别进行一次WHTC试验，记录试验结果。如果曲线4的试验结果更好，则舍弃曲线5所在区域，在位于曲线3与需求增压压力曲线的区域内，曲线4的两边作出两条曲线，并重复数据拟合及WHTC试验，直至得到最优的一组权重系数。
优选地，数据拟合得到一组权重系数的方法采用最小二乘法，或者采用MATLAB中的曲线拟合工具箱。
在传统的PID控制中，增压压力error等于需求增压压力减去实际增压压力，本发明的预估增压压力替换了原有的当前增压压力之后，PID预控方法的输入的增压压力error等于需求增压压力减去预估增压压力，减小了增压压力error的波动。
本发明的采样比较灵活，在一个实施例中，ECU将多个连续时刻的增压压力采样值分成N组包括：多个连续时刻的增压压力采样值为当前时刻增压压力采样值和前M个增压压力采样值；将M个增压压力采样值分成N-1组，第1组为当前增压压力采样值，其余N-1组包含一个增压压力采样值或者两个以上采样时刻连续的增压压力采样值。优选地，M≥20。优选地，除了第1组外，每组增压压力采样值至少包含两个以上增压压力采样值。
进一步地，采样的其中一个实施例为，当N等于6，M等于24；6组增压压力采样值分别为，第1组为当前增压压力采样值，第2组为连续时刻的第1～5个增压压力采样值、第3组为第6～10个增压压力采样值、第4组为第11～15个增压压力采样值、第5组为第16～20个增压压力采样值、第6组为第21～24个增压压力采样值。
在另一个实施例中，ECU将多个连续时刻的增压压力采样值分成N组包括：多个连续时刻的增压压力采样值为当前时刻增压压力采样值和前M个增压压力采样值；N组增压压力采样值分别为，第1组为当前增压压力采样值，第2组为前1个增压压力采样值……、第N组为前M个增压压力采样值；且除第1组增压压力采样值外，第N组增压压力采样值包含第N-1组增压压力采样值。
具体地，第1组增压压力采样值为当前增压压力采样值为P0，第2组增压压力采样值平均值为A1，第3组增压压力采样值平均值为A2，……，第N-1组增压压力采样值平均值为AN-2，第N组增压压力采样值平均值为AN-1。当该组增压压力采样值为一个数时，其平均值等于自身；例如，当第2组增压压力采样值为前1个增压压力采样值时，其平均值等于自身。
预估增压压力Pn的计算方法如下：
Pn＝P0+(Δ1*Q1+Δ2*Q2+……+ΔN-1*QN-1+ΔN*QN)
其中，Δ1＝P0-A1；Δ2＝A1-A2；……；ΔN-1＝AN-2-AN-1；ΔN＝AN-1-AN；而Q1、Q2、……、QN-1、QN为分别对应Δ1、Δ2、……、ΔN-1、ΔN的权重系数。
进一步地，需求增压压力为P1，所述PID预控方法的输入的增压压力error计算方法如下：
error＝P1-P0-(Δ1*Q1+Δ2*Q2+……+ΔN-1*QN-1+ΔN*QN)。
其中一个实施例，当N等于6，M等于24；6组增压压力采样值分别为，第1组为当前增压压力采样值、第2组为前1个增压压力采样值、第3组为前3个增压压力采样值、第4组为前6个增压压力采样值、第5组为前12个增压压力采样值和第6组为前24个增压压力采样值。
预估增压压力Pn的计算方法如下：
第1组增压压力采样值为当前增压压力采样值为P0，第2组增压压力采样值平均值为A1，第3组增压压力采样值平均值为A2，第4组增压压力采样值平均值为A3，第5组增压压力采样值平均值为A4，第6组增压压力采样值平均值为A5。
Pn＝P0+(Δ1*Q1+Δ2*Q2+Δ3*Q3+Δ4*Q4+Δ5*Q5)
error＝P1-P0-(Δ1*Q1+Δ2*Q2+Δ3*Q3+Δ4*Q4+Δ5*Q5)
其中，Δ1＝P0-A1；Δ2＝A1-A2；Δ3＝A2-A3；Δ4＝A3-A4；Δ5＝A4-A5；而Q1、Q2、Q3、Q4、Q5为预先标定的一组权重系数，分别对应Δ1、Δ2、Δ3、Δ4、Δ5。
当P1处于上升状态时，即P1＞P0且error为正数，Δ1、Δ2、Δ3、Δ4和Δ5均为正数，Pn＞P0，此时本发明的error＝P1-Pn，其小于传统的error＝P1-P0，达到了减小error波动的目的，达到了预控实际增压压力的目的。
当P1处于下降状态时，即P1＜P0且error为负数，Δ1、Δ2、Δ3、Δ4和Δ5均为负数，Pn＜P0，此时本发明的|error|＝|P1-Pn|，其小于传统的|error|＝|P1-P0|，同样达到了减小error波动的目的，达到了预控实际增压压力的目的，使得PID控制更加平稳。
以N＝6为例，本发明的工作原理：
发动机的ECU采用闭环PID控制VGT增压器的涡轮位置开度，增压压力传感器记录增压压力采样值，并将前24个增压压力采样值传输给发动机的ECU；
ECU进行数据处理，当前增压压力采样值P0，前一个增压压力采样值A1，前3个增压压力采样值平均值A2，前6个增压压力采样值平均值A3，前12个增压压力采样值平均值A4，前24个增压压力采样值平均值A5；Δ1＝P0-A1；Δ2＝A1-A2；Δ3＝A2-A3；Δ4＝A3-A4；Δ5＝A4-A5；
计算Pn＝P0+(Δ1*Q1+Δ2*Q2+Δ3*Q3+Δ4*Q4+Δ5*Q5)
计算error＝P1-Pn，作为PID控制的输入，将传统控制的两条曲线变为三条曲线(见图4)，输出涡轮的开度为某个数值，电控系统控制VGT增压器的涡轮开度调整至某个数值，相对于传统的error＝P1-P0使得实际增压压力更加紧密跟随需求增压压力。
本发明提供了一种涡轮增压压力的PID预控方法，通过采样多个连续时刻的增压压力采样值结合权重系数计算出当前增压压力增量，并得到预估增压压力；用预估增压压力替换原有的实际增压压力进行PID控制，改变了传统PID控制的输入量error，减小了error波动，使得实际增压压力能够更加紧密的跟随需求增压压力，优化了PID控制过程，达到了预控当前增压压力的目的。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种涡轮增压压力的PID预控方法，用于对发动机的涡轮增压器进行PID控制，其特征在于，包含以下步骤：
记录发动机多个连续时刻的增压压力采样值，并传输给发动机的ECU；
所述ECU将多个连续时刻的增压压力采样值分成N组并求取各组的平均值，其中N≥5；
每相邻两组的平均值相减，得到N-1个差值，将N-1个差值与预先设定的N-1个权重系数分别求积，再求和得到当前增压压力增量；
用当前增压压力增量与当前增压压力之和替换当前增压压力，对涡轮增压器进行PID控制。
2.如权利要求1所述的一种涡轮增压压力的PID预控方法，其特征在于：所述N-1个权重系数通过试验标定得到。
3.如权利要求2所述的一种涡轮增压压力的PID预控方法，其特征在于，所述当前增压压力增量与当前增压压力之和为预估增压压力；
所述N-1个权重系数的试验标定方法如下：
采用常规的PID控制方法对涡轮增压器进行PID控制，记录需求增压压力和实际增压压力，并进行WHTC试验，做出实际增压压力曲线和需求增压压力曲线；
在实际增压压力曲线和需求增压压力曲线之间做第一条预估增压压力曲线，对实际增压压力曲线和需求增压压力曲线之间的区域进行区域划分，划分为两个区域；通过数据拟合得到该条预估增压压力曲线的一组权重系数，用该组权重系数计算预估增压压力，并进行WHTC试验，记录试验结果；
分别在两个区域做出第二条预估增压压力曲线和第三条预估增压压力曲线，数据拟合得到各自的一组权重系数，用两组权重系数分别计算预估增压压力，并进行WHTC试验，记录试验结果；
对比两个试验效果，对试验结果较好的一个区域继续进行区域划分，直至找到一个最优区间，进行标定微调，得到最优的一组权重系数为所述N-1个权重系数。
4.如权利要求3所述的一种涡轮增压压力的PID预控方法，其特征在于：每次进行区域划分时，作出的预估增压压力曲线将该区域划分为均等的两份。
5.如权利要求3所述的一种涡轮增压压力的PID预控方法，其特征在于：所述数据拟合的方法采用最小二乘法。
6.如权利要求3所述的一种涡轮增压压力的PID预控方法，其特征在于：所述PID预控方法的输入的增压压力error等于需求增压压力减去预估增压压力。
7.如权利要求1所述的一种涡轮增压压力的PID预控方法，其特征在于，所述ECU将多个连续时刻的增压压力采样值分成N组包括：多个连续时刻的增压压力采样值为当前时刻增压压力采样值和前M个增压压力采样值；将前M个增压压力采样值分成N-1组；第1组为当前增压压力采样值，其余N-1组包含一个增压压力采样值或者两个以上采样时刻连续的增压压力采样值，M≥20。
8.如权利要求1所述的一种涡轮增压压力的PID预控方法，其特征在于，所述ECU将多个连续时刻的增压压力采样值分成N组包括：多个连续时刻的增压压力采样值为当前时刻增压压力采样值和前M个增压压力采样值；所述N组增压压力采样值分别为，第1组为当前增压压力采样值、第2组为前1个增压压力采样值、……、直至第N组为前M个增压压力采样值；且除所述第1组增压压力采样值外，所述第N组增压压力采样值包含所述第N-1组增压压力采样值。
9.如权利要求7或8所述的一种涡轮增压压力的PID预控方法，其特征在于：第1组增压压力采样值为当前增压压力采样值为P0，第2组增压压力采样值平均值为A1，第3组增压压力采样值平均值为A2，……，第N-1组增压压力采样值平均值为AN-2，第N组增压压力采样值平均值为AN-1；当该组增压压力采样值为一个数时，其平均值等于自身；
预估增压压力Pn的计算方法如下：
Pn＝P0+(Δ1*Q1+Δ2*Q2+……+ΔN-1*QN-1+ΔN*QN)
其中，Δ1＝P0-A1；Δ2＝A1-A2；……；ΔN-1＝AN-2-AN-1；ΔN＝AN-1-AN；而Q1、Q2、……、QN-1、QN为分别对应Δ1、Δ2、……、ΔN-1、ΔN的权重系数。
10.如权利要求9所述的一种涡轮增压压力的PID预控方法，其特征在于：需求增压压力为P1，所述PID预控方法的输入的增压压力error计算方法如下：
error＝P1-P0-(Δ1*Q1+Δ2*Q2+……+ΔN-1*QN-1+ΔN*QN)。
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