CN114370348B - 一种用于发动机转速控制系统的控制参数整定方法 - Google Patents

一种用于发动机转速控制系统的控制参数整定方法 Download PDF

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Abstract

一种用于发动机转速控制系统的控制参数整定方法，它属于发动机转速控制技术领域。本发明解决了采用现有方法获得的PID控制参数不精准且获得PID控制参数的成本高的问题。本发明方法通过设计每循环喷油量序列使发动机转速在允许工作范围内变化，记录喷油量与转速数据并采用最小二乘法辨识得到二阶传递函数模型，再通过为差分进化算法设计性能指标函数来优化PID控制器参数，可以得到精准的PID控制参数，且不需要使用实际发动机通过试凑法来获取PID控制器参数，降低了PID控制参数的获取成本。本发明方法可以应用于发动机转速控制技术领域。

Description

一种用于发动机转速控制系统的控制参数整定方法
技术领域
本发明属于发动机转速控制技术领域，具体涉及一种用于发动机转速控制系统的控制参数整定方法。
背景技术
近年来，随着对能源资源的高度重视，以及当今社会对发动机动力的可靠性和动力性的需求增大，所以对发动机的性能要求不断提高。发动机电控技术是解决发动机节能减排问题的一个关键技术，其中发动机的转速控制是发动机电控技术的一个研究重点。
目前发动机调速系统多采用传统的PID闭环控制，这种控制方法是通过PID控制参数的整定和配置以此达到满意的发动机调速性能。但是传统PID闭环控制一直存在PID控制参数整定的问题，即在传统PID闭环控制中，PID控制参数需要通过试凑法获取，那么，如果使用实际的发动机进行验证实验，PID参数的整定过程不仅费时费力，而且会导致耗资巨大，实现成本过高，耗费大量人力物力，同时还存在着PID控制参数不精准的问题。
因此，针对现有方法所存在的上述问题，提出一种性价比高的方法得到精准的PID控制参数，并实现更高的发动机转速控制效果具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是为解决采用现有方法获得的PID控制参数不精准且获得PID控制参数的成本高的问题，而提出的一种用于发动机转速控制系统的控制参数整定方法。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：
一种用于发动机转速控制系统的控制参数整定方法，所述方法具体包括以下步骤：
步骤1、建立发动机仿真模型以及发动机转速控制系统模型，将喷油量作为转速控制系统模型的输入，分别记录在每个喷油量输入值下，发动机仿真模型所对应的转速输出；
步骤2、利用步骤1中记录的数据，对喷油-转速控制系统进行辨识，获得表征喷油量-转速关系的传递函数模型；
步骤3、对喷油量-转速关系传递函数模型进行PID控制参数整定；
步骤4：将步骤3的参数整定结果应用于转速控制系统的控制器，完成发动机的转速跟踪控制。
进一步地，所述发动机仿真模型采用GT-Power软件建立。
进一步地，所述步骤1中，将喷油量作为发动机转速控制系统模型的输入，并分别记录在每个喷油量输入值下，发动机仿真模型所对应的转速输出；其具体过程为：
在发动机仿真模型中设置喷油正时、进气参数和负载扭矩后，以阶跃函数形式先递减再递增总喷油量，并分别记录每个喷油量下所对应的转速输出。
进一步地，所述以阶跃函数形式先递减再递增总喷油量时，每间隔T时间将总喷油量改变一次，T的取值为80～100s。
进一步地，所述步骤2的具体过程为：
步骤21、从步骤1记录的喷油量和转速数据中选取出部分数据点用于辨识；
步骤22、选取二阶传递函数作为被辨识系统，采用最小二乘法和步骤21中选取出的数据辨识二阶传递函数中各项的系数，获得表征喷油量-转速关系的传递函数模型。
进一步地，所述步骤21的具体过程为：从步骤1记录的喷油量和转速数据中均匀间隔选取出1％的数据点用于辨识。
进一步地，所述步骤2中获得的表征喷油量-转速关系的传递函数模型为：
Figure BDA0003470587290000021
其中，G(s)为传递函数模型，s为复数域算子。
进一步地，所述步骤3中，对喷油量-转速关系传递函数模型进行PID控制参数整定所采用的是差分进化算法。
进一步地，所述差分进化算法的性能指标函数为：
Figure BDA0003470587290000022
其中，J为性能指标函数，e(t)代表转速误差，u(t)代表每循环喷油量，δ(t)代表实际转速对期望转速的超调量，t为时间，w1、w2、w3代表各项权重。
更进一步地，所述各项权重的取值分别为：w1＝10、w2＝0.1、w3＝0.1。
本发明的有益效果是：
本发明方法通过设计每循环喷油量序列使发动机转速在允许工作范围内变化，记录喷油量与转速数据并采用最小二乘法辨识得到二阶传递函数模型，再通过为差分进化算法设计性能指标函数来优化PID控制器参数，可以得到精准的PID控制参数，且不需要使用实际发动机通过试凑法来获取PID控制器参数，降低了PID控制参数的获取成本。
实验验证表明，将本发明优化后的PID控制器参数用于控制发动机仿真模型，可以获得很好的控制效果。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明方法的流程图；
图2(a)为采集的发动机喷油量数据的示意图；
图2(b)为采集的转速数据的示意图；
图3为未经差分进化算法优化的PID控制图；
图4为经过差分进化算法优化的PID控制图；
图5为经过差分进化算法优化的PID控制器调节的转速控制图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式。本实施方式所述的一种用于发动机转速控制系统的控制参数整定方法，所述方法具体包括以下步骤：
步骤1、建立发动机仿真模型以及发动机转速控制系统模型，将喷油量作为发动机转速控制系统模型的输入，并分别记录在每个喷油量输入值下，发动机仿真模型所对应的转速输出；
步骤2、利用步骤1中记录的数据，对喷油-转速控制系统进行辨识，获得表征喷油量-转速关系的传递函数模型；
步骤3、对喷油量-转速关系传递函数模型进行PID控制参数整定；
步骤4：将步骤3的参数整定结果应用于转速控制系统的控制器，完成发动机的转速跟踪控制。
本发明解决了试凑法调节发动机转速控制器参数的不足，在软件中利用高精度仿真模型进行系统辨识用于控制参数优化，避免实际发动机辨识中可控性、安全性差的问题，具有较强的创新性和实用价值。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述发动机仿真模型采用GT-Power软件建立。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述步骤1中，将喷油量作为发动机转速控制系统模型的输入，并分别记录在每个喷油量输入值下，发动机仿真模型所对应的转速输出；其具体过程为：
在发动机仿真模型中设置喷油正时、进气参数和负载扭矩后，以阶跃函数形式先递减再递增总喷油量，并分别记录每个喷油量下所对应的转速输出。
本实施方式中，负载扭矩按中高工况的螺旋桨特性进行设置，以阶跃函数形式先递减再递增总喷油量时，使发动机仿真模型输出转速在最低稳定转速与110％工况转速之间波动，记录系统输入喷油量与输出转速数据。
通过高精度仿真模型，获取发动机转速受不同喷油量、负载作用下的变化过程，为后续系统辨识准备充足的数据，较在实际发动机上采集数据有更好的安全性和经济性。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述以阶跃函数形式先递减再递增总喷油量时，每间隔T时间将总喷油量改变一次，T的取值为80～100s。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述步骤2的具体过程为：
步骤21、从步骤1记录的喷油量和转速数据中选取出部分数据点用于辨识；
步骤22、选取二阶传递函数作为被辨识系统，采用最小二乘法和步骤21中选取出的数据辨识二阶传递函数中各项的系数，获得表征喷油量-转速关系的传递函数模型。
本实施方式基于仿真数据辨识得到数学模型，该数学模型用于后续的PID参数优化，可以提高优化算法执行速度，并且以数学模型为对象进行控制参数优化对原柴油机模型可有良好的适用性。
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述步骤21的具体过程为：从步骤1记录的喷油量和转速数据中均匀间隔选取出1％的数据点用于辨识。
例如，当步骤1中记录的喷油量和转速数据点对个数为A时，则从中选取出A％的数据点对用于辨识，且按照数据点对的记录先后顺序，从中均匀选取。
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，所述步骤2中获得的表征喷油量-转速关系的传递函数模型为：
Figure BDA0003470587290000041
其中，G(s)为传递函数模型，s为复数域算子。
本实施方式中，采用最小二乘法辨识传递函数中各项系数得到传递函数模型，喷油量U(s)对转速N(s)的作用关系为N(s)＝G(s)U(s)。
其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是，所述步骤3中，对喷油量-转速关系传递函数模型进行PID控制参数整定所采用的是差分进化算法。
本实施方式以步骤3的传递函数为对象，通过梯度下降法优化控制参数，完成PID控制器参数寻优。
其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是，所述差分进化算法的性能指标函数为：
Figure BDA0003470587290000051
其中，J为性能指标函数，e(t)代表转速误差，u(t)代表每循环喷油量，δ(t)代表实际转速对期望转速的超调量，t为时间，w1、w2、w3代表各项权重。
通过在差分优化算法的性能指标函数中引入转速超调量信息，能够较好的限制大幅值转速超调，获取更稳定的控制效果。
其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是，所述各项权重的取值分别为：w1＝10、w2＝0.1、w3＝0.1。
其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，为本发明的一种基于软件平台的发动机转速控制系统的控制参数智能整定方法的流程图。
本实施例采用缸径为340mm、冲程为1600mm、压缩比为20.5、扫气量为7.44L、额定转速为169RPM、最高爆发压力为22MPa的船用低速二冲程长行程柴油机进行仿真建模与仿真实验。
一种基于软件平台的发动机转速控制系统的控制参数智能调节方法，所述方法具体包括以下步骤：
步骤1：利用发动机仿真软件GT-Power针对发动机基本参数进行建模，利用GT-Power的SimulinkHarness模块与Matlab/Simulink的GT-SUITE Model模块建立联合仿真模型，设置喷油量、喷油时刻和负载扭矩，进行发动机仿真并采集输入输出数据，设计转速控制系统喷油量作为输入量，使发动机仿真模型在允许的转速工作范围内改变转速，每间隔0.1秒记录1次系统输入喷油量与输出转速数据；
记录的喷油量数据如图2(a)所示，转速数据如图2(b)所示；
步骤2：利用步骤1中记录的数据，定义喷油-转速关系为二阶传递函数形式，利用步骤1中记录的喷油量、转速数据，从其中均匀间隔取1％的数据点用于辨识。采用最小二乘法辨识传递函数中各项系数，获得本实例中喷油-转速传递函数模型。
Figure BDA0003470587290000061
因此，喷油量U(s)对转速N(s)的作用关系为N(s)＝G(s)U(s)。
步骤3：利用一种智能算法对喷油-转速传递函数模型进行PID控制参数智能整定；
本发明中基于差分进化算法进行PID整定的过程如下：
步骤31、设定PID控制器的比例系数kp、积分系数ki以及微分系数kd的备选范围分别为kp∈[0,20]、ki∈[0,1]、kd∈[0,1]；
步骤32、设定差分进化算法中的变异因子F＝1.2，交叉因子CR＝0.7，并随机生成个体产生初始种群P(0)；
步骤33、分别对初始种群P(0)中的各个个体进行解码，将解码结果在喷油量-转速关系传递函数上应用，计算出初始种群中每个个体的性能指标函数值；
步骤34、利用差分进化算法对初始种群P(0)进行变异、交叉、选择操作，产生下一代优良种群P(1)；
步骤35、重复步骤33至步骤34的过程，直至满足优化的终止条件时停止迭代，获得最终的kp、ki、kd值，即获得PID控制参数整定结果。
步骤4：在软件平台中，建立发动机转速控制系统，将步骤3中优化所得PID参数应用于转速控制系统的控制器，使发动机完成转速跟踪控制。
将得到的PID控制参数应用于控制器中，控制发动机进行发动机联合仿真实验，验证发动机转速控制的效果。
在本发明中，发动机转速的控制效果如图3、图4、图5所示。图3为未经优化的PID控制图，图4为经过优化的PID控制图，图5为由PID控制器调节的转速控制图。从图3与图4的PID控制效果的对比可以看出，未经优化的采用PID传统控制算法的控制器的控制产生较大的超调量，严重偏离目标期望转速过多，在实际应用过程中，对发动机性能和寿命的影响很大，经过本发明所提出的差分进化算法整定优化后PID控制器，能够使转速超调较小，发动机实际输出转速快速跟踪上目标期望转速，满足实际工程控制的要求。从图5可以看出，发动机的实际转速能够整体上跟踪目标期望转速，尤其是在发动机达到启动转速35rpm的极短时间后(约3s)，PID控制器开始起作用调节发动机柴油供给量，其信号响应滞后目标信号响应大约0.5s，在目标期望转速的改变，以及突卸负载(41s)、突加负载(57s)变化情况下，发动机转速在PID控制器作用下能较快地对目标期望转速进行跟随，体现了经过优化的PID控制较好的跟随性。
本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (7)

1.一种用于发动机转速控制系统的控制参数整定方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
步骤1、建立发动机仿真模型以及发动机转速控制系统模型，将喷油量作为发动机转速控制系统模型的输入，并分别记录在每个喷油量输入值下，发动机仿真模型所对应的转速输出；
步骤2、利用步骤1中记录的数据，获得表征喷油量-转速关系的传递函数模型；
所述表征喷油量-转速关系的传递函数模型为：
Figure FDA0003725408440000011
其中，G(s)为传递函数模型，s为复数域算子；
步骤3、对喷油量-转速关系传递函数模型进行PID控制参数整定；
所述对喷油量-转速关系传递函数模型进行PID控制参数整定所采用的是差分进化算法；
所述差分进化算法的性能指标函数为：
Figure FDA0003725408440000012
其中，J为性能指标函数，e(t)代表转速误差，u(t)代表每循环喷油量，δ(t)代表实际转速对期望转速的超调量，t为时间，w1、w2、w3代表各项权重；
步骤4：将步骤3的参数整定结果应用于转速控制系统的控制器，完成发动机的转速跟踪控制。
2.根据权利要求1所述的一种用于发动机转速控制系统的控制参数整定方法，其特征在于，所述发动机仿真模型采用GT-Power软件建立。
3.根据权利要求2所述的一种用于发动机转速控制系统的控制参数整定方法，其特征在于，所述步骤1中，将喷油量作为发动机转速控制系统模型的输入，并分别记录在每个喷油量输入值下，发动机仿真模型所对应的转速输出；其具体过程为：
在发动机仿真模型中设置喷油正时、进气参数和负载扭矩后，以阶跃函数形式先递减再递增总喷油量，并分别记录每个喷油量下所对应的转速输出。
4.根据权利要求3所述的一种用于发动机转速控制系统的控制参数整定方法，其特征在于，所述以阶跃函数形式先递减再递增总喷油量时，每间隔T时间将总喷油量改变一次，T的取值为80～100s。
5.根据权利要求4所述的一种用于发动机转速控制系统的控制参数整定方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程为：
步骤21、从步骤1记录的喷油量和转速数据中选取出部分数据点用于辨识；
步骤22、选取二阶传递函数作为被辨识系统，采用最小二乘法和步骤21中选取出的数据辨识二阶传递函数中各项的系数，获得表征喷油量-转速关系的传递函数模型。
6.根据权利要求5所述的一种用于发动机转速控制系统的控制参数整定方法，其特征在于，所述步骤21的具体过程为：从步骤1记录的喷油量和转速数据中均匀间隔选取出1％的数据点用于辨识。
7.根据权利要求6所述的一种用于发动机转速控制系统的控制参数整定方法，其特征在于，所述各项权重的取值分别为：w1＝10、w2＝0.1、w3＝0.1。
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