PID控制策略在发动机热力学仿真中的应用

雷蕾王军张超王宏大江淮汽车有限公司 2014-01-06

针对某款增压型汽油机的性能仿真研究，本文搭建热力学分析模型后，为了降低模型调试工作量和提高计算精度，加入PID控制策略（BMEP和涡前排温的自动反馈控制），完成了其热力学仿真分析并给出了增压器匹配选型的初步建议。

发动机热力学仿真可以对整个进排气过程进行准确还原，通过赋予其准确的边界条件，建立准确的燃烧模型描述气体在气缸中的燃烧放热过程，建立准确的发动机模型，计算得到与发动机性能相关的所有结果及进排气通道中每一点的温度压力流量等参数，了解发动机运行过程，以便后期的优化工作。然而为实现目标性能或者目标边界的模型标定和调试工作等工作量非常大，且精确性一般较低。

本文运用一维热力学分析软件BOOST对某款增压汽油发动机进行热力学仿真，并完成其增压器匹配选型工作。PID控制策略实现的目标包括：（1）发动机BMEP达到目标值；（2）涡轮机入口处排气温度低于限值，分别通过在模型中设置PID控制元件和控制函数来实现目标。

PID控制策略及其BOOST模型

1. PID控制基于反馈理论

反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关注的是变量，与期望值相比较，并用这个误差纠正调节控制系统的响应。PID代表比例-积分-微分。比例-控制当前，误差值和一个正值的常数P（表示比例）相乘，即Kp；积分-控制过去，将误差值过去一段时间和（误差和）乘以一个正值的常数I，即Ki；微分－控制将来，计算误差的一个阶导，并和一个正值的常数D相乘。

PID控制方程式见公式（1）～（4）：

pi = kp.ei

li= ki.∫toek .dt

Di=.（ei–ei–1）

AVi=pt+Ii+Di

式中kp ——比例系数

ki——积分系数

Di——微分系数

ei=GVi–SVi，误差值=期望值-测量值。

AVMax>AVi>AVMin，当输出信号为最小值时，积分项继续完成控制器积分。

2. BOOST中PID控制器

软件中PID元件的Gain（增益值）包括Proportional（比例）、Integral（积分）、Differential（微分），可直接输入，也可作为其他控制单元的执行通道，例如发动机接口（engine interface）。Offset（补偿）存在于期望值和测量值之间，三者关系为：difference=guide value-sensor value+offset（差异值=期望值-测量值+补偿值）。Sensor Channel为关注目标参数测量值，guide value为输入的目标期望值，Actuator Channel为执行器，通过比较目标测量值和期望值，调整执行器的相应参数进行下轮计算，直至差异值为零。

3. 控制发动机BMEP

对于汽油机而言，进气量多少将直接影响其转矩等性能。本文通过控制流经放气阀R8（即执行器）的废气量，进而控制压气机端的压比。不同压比下进气量不同，同时参考整机BMEP上一轮计算值，进行下一轮计算校正。见图1红色圆圈内，结构上通过在涡轮机前外接管道44、45，并用节流阀R8连接起来，令其具备旁通放气的功能。PID1中采用比例+积分的控制模式。对放气阀R8的流量系数进行赋值，分别将初始值、最小值和最大值设置为变量参数WG_mean、WG_min和WG_max。流量系数的大小决定通过R8的废气量，对转矩、功率和油耗等性能影响较大，同时要注意压气机转速不能超速。EI1设置变量参数BMEP目标值，可设置期望值，此值也可以是功率、温度和压力等。

4. 控制涡轮机前排气温度

对于汽油机而言，空燃比将直接影响排气温度。由于全速全负荷工况下节气门全开，空燃比只受喷油量的影响。因此，通过调节喷油器I1、I2、I3和I4中的喷油量，同时监测涡轮机前测量点MP8反馈来的上一轮计算的排气温度，从而修正下一轮计算喷油量，直至达到排气温度期望值，模型设置如图1中绿色圆圈内所示。