汽车发动机的PID控制系统设计与仿真研究

徐侥幸

摘 要：随着汽车工业的快速发展，对发动机控制系统也提出更高的要求。然而汽车发动机应用下，仍面临汽车系统性能较差现状，以其中控制系统问题最为突出，以PID控制系统为例，若其难以发挥控制系统作用，将制约汽车发电机综合性能的提高，要求做好控制系统设计，并对系统进行仿真分析。本文将对汽车发电机的相关概述、汽车行驶运动方程与模型构建以及PID控制系统仿真进行探析。

关键词：PID控制系统；汽车发动机；系统设计；仿真

汽车系统在特点上表现为复杂、专业等，其中包含较多耦合性较强的子系统，实际设计过程中对于这些子系统的分析极为困难，这就要求做好模型构建工作，使系统得以简化。然而模型构建下，简化后的内容多难以反映出系统实际情况，所以在研究中需分析汽车发动机的基本行驶方程与运动模型，在此基础上完成PID控制系统仿真过程。因此，本文对如何设计PID控制系统与具体仿真的研究，具有十分重要的意义。

一、汽车发动机相关概述

关于汽车发动机，其在运行中本身强调使热能向机械能进行转化，其中热能的产生主要来源于燃料混合气燃烧过程。从发动机构成看，首先表现在曲柄连杆机构方面，其在功能上主要表现为能够使燃气压力进行扭矩的转化，并通过曲轴连杆完成机械能输出过程。其次为燃料系统，该系统主要负责根据计算量将燃油输入到发动机气缸中，整个系统在构成上主要以输油泵、喷油泵、喷油器、调速器以及柴油箱等为主，这些构件作用下可定压、定时、定量完成燃料输送过程。再次，启动系统。该系统运行下，其原理主要表现在通过外力作用使静止的曲轴得以转动，此时汽缸中空气混合气、燃油会进行做功，使曲轴旋转得以保持，这样可保证发动机可靠运行。最后，配气机构。整个发动机运行中，配气机构在作用上主要表现为将新鲜空气适时提供给汽缸，并保证及时将汽缸中废气及时排出，其中能够发挥作用的构件集中表现在消声器、进气排气管、空气滤清器以及传动组等方面。除此之外，发动机构成中也包含润滑系统、冷却系统等，确保这些系统作用发挥，才可使发动机可靠运行。而这些系统作用发挥时，要求引入控制系统，使其中各部分如增压、进气、喷压以及怠速等得到有效控制。由于这些系统过于复杂，所以本文研究中考虑将该系统比作为黑箱，分析中可通过对输入信号与输出信号在黑箱系统中的表现进行研究，其中用于对发动机油门开度表示的为输入部分，而用于汽车质心速度的表示则体现在输出方面，在此基础上进行动力学方程的构建，可使发动机相关模型得以构建，保证系统控制目标得以实现[ 1 ]。

二、汽车行驶运动方程与模型构建

（一）行驶运动方程构建

在分析汽车发动机运动情况中，要求利用运动方程进行分析。其中的方程主要表现在汽车驱动力方面，一般汽车驱动轮会承受转矩系统带来的转矩，假定利用Tt对该转矩进行表示，并利用F0表示地面圆周力，且F1为驱动系统受到的地面反作用力，也可将该作用力称之为外力。此时有Ft=，其中车轮半径为r。同时，在引入主减速器传动比、变速器传动比、发动机转矩与传动系机械效率等参数，分别利用i0、ig、Ttg、ηT表示，可得到得Tt=Ttqigi0ηT。在此基础上进行利用其与r进行比值求解，能够得到汽车驱动力。其次，在对行驶运动分析中，还需从汽车行驶阻力方面着手，其中的阻力主要表现在空气阻力、地面滚动阻力等，且上坡行驶过程中可能存在坡度阻力，加上加速行驶中的加速阻力，构成汽车行驶阻力，分别对这些阻力利用Fw、Ff、Fi与Fj进行表示，对这些阻力进行相加，便可得到总阻力。另外，在计算中还需对行驶方程式进行分析，其目的在于判断行驶阻力、行驶驱动力。

（二）发电机模型构建

模型构建的目标旨在使输出转矩Ttg得以计算，可考虑引入油门开度α、曲轴转速n等参数，通过二者函数关系的构建完成Ttg的计算，有Ttg=F（n，α）。由于曲轴转速n、汽车速度u二者存在一定联系，所以有u=0.377，结合其与Ttg函数关系式，便可进行模型构建。需注意由于函数中，本身有较多不同类型因子存在，包括输出变量、输入变量以及二者交叉项，要求做好解耦计算工作，使模型中的交叉项得以消除。在操作中可考虑进行相应的假设，仅需通过对假设的检验，便可判断变量交互作用情况。假若不存在耦合项，可引入拉氏变换，完成发动机传递函数的计算[ 2 ]。

三、PID系统仿真研究

结合汽车发动机的行驶方程、运动模型，在分析过程中要求做好PID控制系统仿真过程。其中的PID控制强调根据调节器控制规律，完成相关微分、积分与比例的控制，对于该控制过程便可称为PID控制。从PID控制的优势看，主要表现在应用范围较广，可直接对较多时变问题、非线性问题进行简化，使整个系统不会随时间变化而发生改变，满足PID控制要求。同时，PID参数本身易于调整，在结合动态特性变化的基础上可对PID参数进行调整。将其运用于汽车发动机控制分析中，也要求从微分、积分与比例等方面着手，分别利用Ti、Td、Kp对三者进行表示，仅需对这三个值进行控制，便可达到控制系统的目标。实际进行控制与调整的参数中，要求对系统动态性能发挥中，三个参量所带来的影响进行分析，能够推出发动机传递函数。本文在研究中，考虑将Matlab引入其中，通过Simulin进行仿真结构构建。在测试过程中发现，仅需做好不断调试参数调整，其中比例、积分与微分分别为0.031、0.778与21，此时可将PID响应仿真曲线进行明确，根据具体仿真结果完成PID仿真过程[ 3 ]。

四、結论

PID控制系统是否得以合理设计是决定汽车发动机综合性能的关键性因素。本文在研究中发现，PID控制系统以闭环系统为主，其具备较多优势如响应速度快、调节时间短等，而且系统运行中可保证输出变量较为合理，利用PID控制系统进行调节后不存在稳态误差。需注意的是，尽管PID控制系统运用下，仍可能出现油门开度变化过于明显问题，但这种变化多保持在发动机允许范围中。因此，PID控制系统的有效设计能够推动发动机综合性能进一步提升。

参考文献：

[1] 杨莹.汽车发动机电控系统设计及怠速仿真研究[D].武汉理工大学，2012.

[2] 王印束.基于动力传动系统一体化的双离合器自动变速器控制技术研究[D].吉林大学，2012.

[3] 程禹.基于湿式离合器的扭矩辅助型AMT控制技术研究[D].吉林大学，2014.