混合动力汽车发动机转速PID控制
第３８卷第１１期上海交通大学学报
Ｖ０１．３８Ｎｏ．１１
２００４年１１月
ＪＯｕＲＮＡＬ
ＯＦＳＨＡＮＧＨＡＩ
ＪＩＡＯＴＯＮＧ
ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ
ＮＯＶ．２００４
文章编号：１００６—２４６７（２００４）１Ｉ－１９１３－０４
混合动力汽车发动机转速ＰＩＤ控制
冯启山，
殷承良，
张云侠，
张建武
（上海交通大学机械与动力工程学院，上海２０００３０）
摘要：根据发动机电控节气门开度一转速一转矩关系，建立了混合动力汽车（ＨＥＶ）用发动机转速
比例一积分一微分（ＰＩＤ）控制模型，并根据发动机转速响应特性，对模型参数进行了整定．试验表明，发动机转速ＰＩＤ控制器具有良好的控制品质，提高了ＨＥＶ用发动机的转速特性．关键词：混合动力汽车；发动机；转速；比例一积分一微分控制；参数整定中图分类号：Ｕ
４６７．７２
文献标识码：Ａ
ＰｌＤＣｏｎｔｒｏｌｏｆＥｎｇｉｎｅＳｐｅｅｄＴｕｎｉｎｇｆｏｒＨｙｂｒｉｄＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ
ＦＥＮＧＱｉ—ｓｈａｎ，ＹＩＮＣｈｅｎｇ—ｌｉａｎｇ，
ＺＨＡＮＧ
Ｙｕｎ—ｘｉａ，
ＺＨＡＮＧ
Ｊｉａｎ—ＷＲ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇ．，ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ
２０００３０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｔｈｅｄａｍｐｉｎｇｏｆｓｐｅｅｄｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｏｆｈｙｂｒｉｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｖｅｈｉｃｌｅ（ＨＥＶ）ｅｎｇｉｎｅ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｆｏｕｎｄ—ｅｄ
ａ
ＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｔｈｒｏｔｔｌｅｃｏｎｔｒｏｌ（ＥＴＣ）ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ，ｅｎ—
ｇｉｎｅｓｐｅｅｄａｎｄｅｎｇｉｎｅｔｏｒｑｕｅ．ＴｈｅＰＩＤｉｓｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｉｎｔｈｅｈｙｂｒｉｄｃｏｎｔｒｏｌｕｎｉｔａｎｄｉｔｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
ａｒｅｔｕｎｅｄｂａｓｅｄ
ｏｎ
ｔｈｅｅｎｇｉｎｅｒｅｓｐｏｎｓｅｆｅａｔｕｒｅｓ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｐｒｏｖｅｔｈａｔｔｈｅｏｖｅｒｓｈｏｏｔｓａｎｄ
ｓｅｔ—
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Ｋｅｙ
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ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｔｕｎｉｎｇ
随着全球环境恶化及石油资源日益匮乏，研发效率急剧恶化，无法发挥混合动力汽车低油耗、低排低排放低油耗汽车已迫在眉睫，混合动力是汽车工放的优势；同时由于该布置形式可以实现发动机驱业竞相发展的新技术之一．混合动力汽车技术是成动ＩＳＧ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ
Ｓｔａｒｔｅｒ
Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）发电以使电
熟的机电耦合技术与日臻完善的电控技术的结合，动机驱动整车行驶的串联工况，发动机转速的稳定是当前最具产业化潜力的电动汽车技术之一［１］．
性就显得尤为重要；在ＡＭＴ（ＡｕｔｏｍａｔｉｃＭａｎｕａｌ混合动力汽车布置形式一般分为并联式、串联Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）换档过程中，发动机转速能够快速而式和混联式［２’３］．典型的并联方式是指发动机和电动平稳达到目标档位是平稳、快速换档进而降低换档机均可通过位于变速箱前端的转矩耦合器为整车提冲击度的有效保证，对整车的平顺性、动力性起着关供动力．混联式混合动力汽车因结构紧凑，可实施性键性的作用．
强，得到了广泛的应用．混合动力轿车采用该形式，针对上述问题，本文对混合动力汽车用发动机面临很多亟待解决的问题．其中，因发动机和电动机的转速控制系统进行了研究，并通过相应的试验，验转速不同步造成整车的振动、噪声，使两者混合驱动
证了控制模型的可行性．
收稿日期：２００３１０－２８
基金项目：国家高技术研究发展计划（８６３）项目（２００１ＡＡ５０１２１１）
作者简介：冯启山（１９７５一），男，黑龙江汤原县人，博士生，主要从事混合动力汽车及发动机控制等方面的研究
殷承良（联系人），男，研究员级高工，电话（Ｔｅｌ．）：０２１—６２９３３７７２；Ｅ—ｍａｉｌ：ｃｌｙｉｎｌ９６５＠ｖｉｐ．１６３．ｃｏｍ．
万
方数据
上
海
交通１数字ＰＩＤ控制器
１．１
ＰＩＤ控制基本原理
比例一积分一微分（ＰＩＤ）控制器的最大优点在于
不需要确切了解被控对象的数学模型，只需根据经验调整调节器参数即可取得良好的控制效果，结构简单，鲁棒性强，是目前控制系统应用最广泛的一类控制器．ＰＩＤ控制器基于负反馈原理，时域模拟ＰＩＤ控制为［４１
盹）一Ｋ。［础）＋扑∽¨７１ａ警］
（１）
式中：Ｐ（ｆ）为输出信号，ｅ（￡）为偏差信号，ｅ（ｆ）一“（ｆ）一Ｐ（ｆ），甜（ｆ）为给定信号；Ｋ。为比例系数；Ｔｉ为积分时间常数；７１ａ为微分时间常数．原理如图１所示，图
中Ⅳ。为外加载荷．
掣萨牲匝亟剥洲霁鲶Ｈ鬻降Ｌ陋分环节（Ｄ）｝一
ｌ————Ｉ
：数字ＰＩＤ控制器
图１
ＰＩＤ控制器原理
Ｆｉｇ．１
ＳｃｈｅｍａｔｉｃｏｆＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
ＰＩＤ控制的比例环节主要用以消除系统的动差，而无法消除系统的静差；积分环节是将系统过去的静差进行积分并消除之，但相对动作缓慢，易导致系统稳定时间过长；微分环节可对系统的动态变化进行监控，根据偏差的变化趋势提前给出控制器的调节作用．即比例环节、积分环节和微分环节分别是对“现在时”、“过去时”和“将来时”进行的调节．
１．２
ＰＩＤ控制器的数字化
数字ＰＩＤ控制器是基于计算机离散控制系统
的，而连续系统ＰＩＤ控制器不适用于离散系统，故需对式（１）离散化．数字ＰＩＤ控制算式［４１为
Ｐ（咒）一Ｐ（以一１）＋Ｋ。■（，ｚ）一Ｐ（咒一１）］＋ＫｉＰ（咒）＋
Ｋｄ［Ｐ（孢）一２ｅ（ｎ一１）＋Ｐ（，ｚ一２）］
（２）
式中：Ｐ（咒）、ｅ（咒）为第，ｚ次输出和采样偏差；Ｋ。一
７１
７’
Ｋ，砉为积分系数；Ｋａ—Ｋ。下ｘｄ为微分系数；Ｔ为采
』ｉ
』
样周期．
由于式（２）为位置控制算式，每次输出均与原来位置量有关，故不仅要对ｅ（咒）累加，而且控制系统的任何故障都可引起Ｐ（咒）的大幅度变化，对控制产生不利．而本系统控制对象为步进式电动机驱动的节气门，采用增量式算式更合理，这样既可减小误动作，又可减少积分失控的可能性，得到良好的控制效
万
方数据大
学学报
第３８卷
果．增量式算式为
△Ｐ（咒）一Ｐ（，ｚ）一Ｐ（，ｚ一１）一
Ｋｐ［ｅ（咒）一ｅ（咒一１）］＋Ｋ。Ｐ（卯）＋Ｋｄ■（咒）一２ｅ（，ｚ一１）＋Ｐ（，２—２）］
（３）
式中，△Ｐ（咒）为第规次输出增量．１．３基本ＰＩＤ控制器的几点改进
由于控制系统的复杂性，基本ＰＩＤ控制效果往往并不理想，会造成系统振荡衰减缓慢，静差较大且无法消除，故需对基本ＰＩＤ控制器做变速积分、微
分项、抗饱和积分的改进．
１．３．１
变速积分基本ＰＩＤ控制器积分系数Ｋ。
为常数，在整个控制过程，积分增益不变．ＰＩＤ控制系统中积分系数过大会产生超调，甚至饱和；取小了又迟迟不能消除静差．因此对积分项的要求为：系统偏差ｅ较大时积分作用减弱以致全无，而偏差ｅ较小时积分作用应加强．采用变速积分法，可以根据系统偏差大小调整积分系数，从而改变积分速度．令积分系数ｆ（ｅ（咒））为ｅ（卵）的函数，表达式如下［４’５］：
厂（Ｐ（”））一
ｆ１
ｌＰ（”）ｌ≤Ｂ＜ｒＡ—Ｉ已（，ｚ）ｌ＋Ｂ］／Ｂ
Ｂ＜『Ｐ（行）ｌ≤Ａ＋Ｂ
（４）
Ｉｏ
ＩＰ（，ｚ）ｌ＞Ａ＋Ｂ
式中，Ａ、Ｂ为限值，在实际调节中，Ａ、Ｂ初始可按照
Ａ一０．３ｅ（愚）ｌ。。。，Ｂ一０．２ｅ（五）ｌ。。：设定，并根据系
统响应特性进行相应的调整．
１．３．２微分项的改进微分项是ＰＩＤ中响应最为敏感的一项，噪声干扰可能会产生不必要的振荡，在控制器中加入一阶惯性环节，使微分环节变化为［５］
Ｐｌ（行）一ａＰ７（押）＋（１一口）Ｐ７（姐）
（５）
式中，ｄ为常数，可根据系统的响应特性进行调整．１．３．３抗饱和积分如果长时间存在偏差或者偏差过大，计算出的控制量有可能超出上下限，可能导致发动机运转超过其机械极限，这是应绝对避免的情况，故进行如下出界处理Ｈ’５］：
Ｐ（扎）一ｊ８ｍａｘ８‘咒’＞Ｐｍａｘ【Ｐ…
ｅ（咒）＜Ｐ…
式中，ｅ…、ｅｍａｘ分别为控制量的最小和最大值，一般与转速控制系统精度相关．由上面分析可以建立发
动机转速控制的系统原理模型如图２Ｅ５～７］所示．
图２发动机转速控制原理
Ｆｉｇ．２
Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｅｎｇｉｎｅｓｐｅｅｄｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｕｌｅ
第１１期
冯启山，等：混合动力汽车发动机转速ＰＩＤ控制
２发动机转速控制系统
由发动机万有特性知，发动机转矩为
Ｔ。。。一妒（行，５）
（６）
式中：孢为发动机转速；ｓ为电控节气门开度．
由此可知，发动机转速控制间接表现为对发动机转矩控制，需根据发动机电控节气门开度一转速一输出转矩关系，查表可唯一确定相应的节气门开度值，这样就建立了发动机节气门开度一转速的对应关系．图３为所研究发动机节气门开度一转速一输出转矩的ＭＡＰ图．
图３发动机转速、转矩与节气门开度关系
Ｆｉｇ．３
Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｏｆｅｎｇｉｎｅｓｐｅｅｄ，ｔｏｒｑｕｅａｎｄｔｈｒｏｔｔｌｅｏｐｅｎｉｎｇ
与传统汽车发动机调速不同的是，并联式混合动力汽车存在混合驱动工况（发动机和电动机同时驱动整车运行）和行车发电工况（发动机同时驱动电机发电和整车运行），因此需做如下几点考虑：
（１）传统汽车发动机调速系统～般对突增／突卸载荷的极限工况要求不高，由于ＨＥＶ发动机存在此工况，在工况切换过程中，电动机一般先切换到
空载状态，这样导致发动机负载会突然部分增大或减小，甚至全负荷突增或者突减，这样的激励对调速系统来说是相当严厉的，因此需加强系统突增／突卸
载荷的适应能力；
（２）在驻车发电工况（即发动机带动主电机发电工况）时，发动机转速稳定占主导地位，因此该工况需采用相应的参数，以减小因发动机转速振荡带来的舒适性恶化；
一
（３）并联式混合动力汽车由于增加主电动机，使系统惯性有比较明显的提高，换档过程中，在动力中断机动力恢复过程中需要尽快调整发动机转速，以期减少换档时间，提高整车的动力性，因此需减少系统的响应时间．
３基于响应特性的ＰＩＤ参数整定
参数整定是ＰＩＤ控制器品质的关键．参数整定
万
方数据是指在控制器形式已经确定的情况下，通过调整控制器参数以达到所要求的控制目标的过程．对复杂庞大的系统建立其精确的控制数学模型极为困难，
因而常采用基于响应特性的凑试法．整定过程中，试验人员的经验起到关键性的作用．凑试法中采用较多的是飞升曲线法和临界比例度法．使系统在手动状态下工作，给一阶跃输入，得到该阶跃激励的响应曲线（俗称飞升曲线），飞升曲线原理如图４（ａ）所示，在曲线最大斜率处做切线，求得滞后时间护、对象时间常数ｒ以及其比值０／３，再根据表１求得ＰＩＤ各参数．表１中控制度为数字控制器与模拟控制偏差的均方根比，表明数字控制器与模拟控制器的近似程度．
（ａ）飞升曲线
∥ｓ
（ｂ）试验曲线
图４响应特性飞升曲线的参数整定
Ｆｉｇ．４
Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｔｕｎｉｎｇ
ｃｕｒｖｅ
ｆｏｒ
ｒｅｓｐｏｎｓｅ
ｍｅｔｈｏｄ
考虑到本控制系统的采样周期、控制器运算能力等因素影响，分别采用控制度为１．２、１．５进行试验，经过反复试验，认为当控制度为１．５时所得控制品质较好．如图４（ｂ）所示，使发动机在转速为
１６００
ｒ／ｍｉｎ稳定４Ｓ后，发动机油门由１５％瞬间增
加到２５％，保持稳定１０Ｓ左右，查表１并适当修正后可以得到如表２所示的ＰＩＤ参数值．
以上分析是基于发动机为线性系统的假设．实际上由于各种影响因素使发动机转速控制系统在转速调整全程不可能是线性的，仅仅采用一组ＰＩＤ控制参数不可能得到良好的全程发动机速度控制，故
需根据不同转速及负荷加以区分．由于上述问题的
上
海
交通复杂性，本文不加以详述．
表１飞升曲线法参数整定经验值
Ｔａｂ．１
ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｖａｌｕｅｆｏｒＰＩＤｒｅｓｐｏｎｓｅｃｈａｒａｃｔｅｒ
ｔｕｎｉｎｇ
ｍｅｔｈｏｄ
４发动机转速控制试验
调整系统的控制对象为１．４Ｌ直列四缸电子喷射汽油发动机，进行标定试验后测得发动机最大功率为５５ｋＷ（５
４００
ｒ／ｒａｉｎ），最大转矩为１１０
Ｎ・ｒｎ
（３６００ｒ／ｒｎｉｎ）．为满足混合动力汽车的要求进行了
相应的改造，其中包括改装电控节气门，增加了断油控制模块等．作为下层电控单元，发动机管理系统（ＥＭＳ）执行ＨＣＵ送出的命令并反馈发动机转速、水温等信号．采用ＡＶＬ动态测功机，包括ＰＵＭＡ５．５操作系统、７５３Ｃ油耗仪、５５３外循环冷却系统以及ＥＣＯＮ３００动态控制软件．
ＡＶＬ动态测功机置定转速工况，在节气门开度为２０％时给以阶跃激励，测功机得到输出的转速数据如图５所示．
ｔｆｓ
（ａ）未采用转速控制系统
ｔ／ｓ
（ｂ）采用ＰＩＤ转速控制系统图５发动机阶跃响应曲线
Ｆｉｇ．５
Ｒｅｓｐｏｎｓｅ
ｃｕｒｖｅ
ｆｏｒｅｎｇｉｎｅ
ｇｏｖｅｒｎｏｒ
ｔｕｎｉｎｇ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ
为了比较起见，未进行转速控制的发动机响应曲线列于图５（ａ）．当ＨＣＵ没有进行转速控制时，发动机转速振荡相当剧烈，超调量最高可以达到１
８００
万
方数据大
学学报
第３８卷
ｒ／ｍｉｎ，并且在高速时发动机产生近似等幅振荡，该现象的产生严重恶化了整车的运行，噪声增大，整车抖动加剧，对整车的平稳运行和乘员的舒适性构成相当大的影响．将ＰＩＤ控制算法嵌入发动机控制系统，相应曲线如图５（ｂ）所示，发动机转速响应超调量、反应时间、稳定时间均有明显提高，发动机振荡现象明显改善．超调量最多为１８０ｒ／ｒａｉｎ，并能较快稳定在目标转速附近．负荷增加时，较没有调整系统情况转速振荡虽大幅降低，但仍存在较大的振荡．５
结语
本文研究了发动机转速数字ＰＩＤ控制，采用飞
升曲线法进行参数整定，并将ＰＩＤ控制器应用于发动机转速控制系统中，取得较好的控制品质．但调速过程中发动机仍有较大的振荡，响应时间较长．今后的研究中将改进整定方法，并根据响应特性深入研究发动机调速系统的特性，以期进一步改善电子调速器的特性．参考文献：
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混合动力汽车发动机转速PID控制
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
冯启山， 殷承良， 张云侠， 张建武
上海交通大学,机械与动力工程学院,上海,200030上海交通大学学报
JOURNAL OF SHANGHAI JIAOTONG UNIVERSITY2004,38(11)1次
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