基于PID算法的内燃机控制系统设计

廖明浩

【摘 要】在内燃机控制的实际应用中，许多学者提出了基于经典PID控制的改进算法即智能PID控制算法，解决了时间滞后和非线性等控制问题。在本文中，智能PID控制算法被考虑并应用于内燃控制系统，然后建立了基于PLC（可编程逻辑控制器）的半实物仿真平台，利用仿真模型对内燃机进行了仿真，并利用PLC实现对内燃机的控制，实验结果表明所设计的控制系统稳定，并且获得了较高的精度和较短的响应时间，同时，结果表明了所提出的智能PID控制算法与经典PID控制算法相比具有一定的优势。

【关键词】PID；内燃机；控制

一、引言

由于传统PID算法简单可靠，它因具有经典的控制理论规律从而实现对控制对象的PID调节，也就是比例调节、积分调节和微分调节，其作用分别是调整系统的偏差、提高系统稳态和抗干扰能力以及克服系统惯性滞后，但是控制效果却一直被各个国家的企业广泛认可，一直也被广泛应用于过程控制和运动控制系统中，特别适用于未知数学模型的控制系统。但是在整个控制过程中，常规PID算法的比例，积分和推导参数不变，因此，当系统状态或参数发生变化时，传统的PID算法难以获得满意的控制性能，控制质量无法得到保证。特别是对于具有滞后，非线性和时滞的控制过程，控制性能并不理想。例如，基于内燃机控制系统的金属冶炼工程，系统的温度控制是一个具有滞后，非线性和时滞的时变过程，温度控制的精度直接影响到冶炼产品的质量，也影响着能源的消耗和利用率。因此，如果采用传统的PID算法，则不能获得所需的控制性能。因此，将基于自调整参数的技术引入到PID控制算法中，即提出了智能PID控制技术。当智能PID控制系统用于一些复杂的控制系统时，可以获得期望的控制性能。对于内燃机，气阀的开度主要根据炉温来调节，这是一个非常滞后的非线性过程。因此，本文针对内燃机系统提出了一种智能PID控制算法，利用误差及其导出构成控制器结构。然后根据比例、积分和推导的控制结果来调整控制器的结构和权重参数。

二、智能PID控制算法

PID控制方法发展历史较长，应用时间较长，已经拥有标准的控制器，目前PID控制算法广泛应用于智能汽车、智能仪表、智能调节器等等方面，利用PID控制器可以实现对力、温度、电流等等进行控制。当我们的被控对象的性质参数不能完全知道或者是得到的被控对象的各项参数不完整时，将很难创建数学模型或者近似创建数学模型，这时候其他的控制方法将不易使用，而PID控制方法正是用于此类问题，基本解决了这类系统的稳定性、准确性和快速性。其次，PID控制原理很简单，非常容易入手，因其适应性非常的强而广泛能应用于各大企业，尤其是工作环境恶劣的工厂效果非常明显，可靠性也非常的强，此外PID控制拥有完整的参数设定和控制体系。但是PID控制也有其不能解决的问题，它是建立在精确地数学模型的基础上的，并且大多数的工业控制即使能建立出数学模型，那也是非准确的、近似的数学模型。

传统的数字PID控制算法连续时间PID控制器的输入输出函数关系如下：

其中u（t）表示控制器的输出，e（t）作为控制器输入的误差，t是时间，

是导数，Kp是比例增益，不是整数[1]。

由于智能PID控制算法针对非线性系统存在的大滞后和时滞特性，因此本文提出了一种基于传统PID控制算法的智能PID算法，智能PID算法相对于传统的PID控制更加的有效，并且可以满足系统稳定性和强鲁棒稳定性。它可以分成许多不同的部分，在不同的部分，系统可以用不同的算法进行分析和设计，智能PID算法在实际中被广泛使用，因为它不依赖于系统的数学模型，并且对系统参数的变化不敏感。

三、工作原理及过程

（一）工作原理

首先，用温度传感器检测燃烧炉的温度，并转换成PLC可识别的数字信号，并用火焰传感器检测火焰，然后在信号输入到PLC后执行PID操作，并将运行结果转化为模拟信息，用于控制燃烧机电气阀门的开度，也就是实现了炉温的调节。

在工业自动化的发展过程中，PLC在逻辑控制、顺序控制和系统保护方面显示出其独特的优势，而且，PLC具有可靠性高，配置灵活，性价比高等诸多优点。所以本系统采用PLC作为CPU。我们使用由一些自动化有限公司生产的PLC，基本具有8个光耦输入，8个继电器输出，4个任意分度热电偶输入和4个模拟输出（4-20mA）， CAN网络和RS485网络功能包含在PLC中，PLC可同时控制两组内燃机。另外，通过组成内燃机控制组我们可以利用CAN网络功能或RS485网络功能节省大量成本[2]。

（二）基于PID的内燃机控制系统的工作过程

首先，在系统启动时检测火焰是否存在，如果没有火焰，系统将继续正常工作，否则，警报将启动并且所有的输出将被关闭；当没有检测到火焰时，点火器和点火阀同时工作，如果在点火器工作约10秒后仍未检测到火焰，则将启动警报，并关闭所有输出；如果检测到火焰持续10秒或更少，点火器将被关闭，电子气阀（4-20mA）和主气阀将打开，同时，温度传感器检测到温度信号，然后在A / D转换后传送给PLC进行PID运算，运行结果可转化为模拟信号（4-20mA），可用于控制内燃机电动气门的开度，炉温将保持不变。如果主气阀工作时火焰消失，5秒钟后主气阀将关闭，所有开关都将复位之后，系统将重新启动。

四、结语

本文主要介绍和比较了传统和智能PID控制算法的区别，说明智能PID控制方法适合应用于内燃控制系统，接下来描绘了工作原理和过程以显示所提出方法的有效性，最后得出本文的结论。实验结果表明智能PID控制系统与常规PID控制系统相比具有优势。例如，上升时间和稳定时间越短，过冲越小，振荡频率明显下降。此外，设计系统的稳定性得到保证，验证了智能PID控制算法应用于内燃机的有效性。

【参考文獻】

[1]田雅宾，郑胜国，裴锋.汽油发电机组电子调速器研究J.移动电源与车辆，2006（2）：1-42

[2]王述彦，师宇等.基于模糊PID控制器的控制方法研究J.机械科学与技术，2011， 30（ 1 ）：167-168