基于误差补偿PID调节的柴油发动机恒速控制系统

2010年第5期农业装备与车辆工程doi ：10．3969／j．issn．1673－3142．2010．05．016基于误差补偿PID 调节的柴油发动机恒速控制系统吴飞（广西交通职业技术学院汽车工程系，广西南宁530023）摘要：为了对柴油发动机进行恒速控制，通过LabVIEW 虚拟仪器软件不断的采集柴油机转速信号及供油拉杆位置传感器信号数据，并运用误差补偿PID 算法对信号进行调理，进而控制供油拉杆的运动，从而实现了柴油发动机的恒速控制。

从实际的控制效果可以看出，采用误差补偿PID 调节的柴油发动机可以有效地使转速稳定在设定值范围内，控制效果显著。

关键词：恒速控制；柴油机；误差补偿PID 调节；虚拟仪器中图分类号：TK421＋．4文献标识码：A文章编号：1673-3142(2010)05-0052-03Constant Speed Controlling System to Diesel Engine Based on Error Compensating PID RegulationWU Fei（Department of Automobile Engineering ，Guangxi Communication Vocational ＆Technical Institute ，Nanning 530023，China ）Abstrac t ：In order to control diesel engine running at constant speed ，virtual instrument LabVIEW was applied to acquire signal of the diesel engine speed and the rack displacement ，error compensating PID algorithm was applied to regulate the signal ，and then control movement of the rack displacement ，in this way to control diesel engine running at constant speed．From the practical controlling effect ，it shows that the diesel engine run at the range of the set speed effectively by the error compensating PID regulation ，and controlling effect is significant．Keywords ：constant speed controlling ；diesel engine ；error compensating PID regulation ；virtual instrument收稿日期：2009－03－26基金项目：广西壮族自治区教育厅科研基金项目（200808MS136）作者简介：吴飞（1971-），男，广西上林人，讲师，工程师，汽车工程系主任，主要从事汽车电控技术研究。

引言采用柴油发动机的工程机械通常都在重载大负荷下工作，且由于作业环境复杂，因此柴油机的输出功率变化较大，从而导致柴油发动机转速也是不断变化的。

这势必会导致其油耗量的增加，为保证工程机械能够在稳定转速下工作，就需要根据转速的变化情况及时调整其供油拉杆位置，以调节循环供油量[1-2]。

为此，研究如何有效控制柴油机定速运行有着重要的工程意义。

本文通过LabVIEW 虚拟仪器软件不断地采集柴油机供油拉杆位置传感器数据，并运用误差补偿PID 算法对信号进行调理，实现了柴油发动机的恒速控制。

研究成果对开发相应系统有着较高的参考价值。

1误差补偿PID 算法的设计误差补偿PID 调节算法通过在频率域中对被控对象的传递函数进行校正设计，或在Z 域中对离散系统的模型进行设计，以减小精差，消除稳态误差。

对于柴油发动机而言，确保速度恒定是非常关键的，因此通过采集柴油机动态运行时的转速以及安装于喷油泵上的供油拉杆位置传感器信号，经计算、判断后对柴油机供油拉杆位置进行控制至关重要[3]。

由于误差补偿PID 不依赖于模型算法，即直接将时间域的PID 控制率变为离散控制率，因此通过微机或嵌入式系统实现其算法较为容易。

连续时间控制率为：u=K p (e +1T it乙edt+T dde dt)+u 0(1)式中u ———控制量；u 0———控制量初值；K p ———比例系数；T i ———积分时间常数；T d ———微分时间常数；e ———控制误差。

则将式（1）离散化处理后得：u (k )=K p e (k )+TT ikj=0Σe (j )+TdT[e (k )-e (k -1)ΣΣ]+u 0(2)农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT &VEHICLE ENGINEERING2010年第5期（总第226期）No．52010（Totally 226）52－－2010年5月式中T———采样周期。

若采样周期T取得足够小，这种数值逼近连续系统将非常准确，控制柴油机转速恒定的精度就越高。

为避免算法容量过大而导致运算速度过慢，将式（2）进一步用增量式算法进行处理，该算法是递推的，占用内存小，运算速度快。

其表达式为：Δu(k)=u(k)-u(k-1)=K p[e(k)-e(k-1)]+K i e(k)+K d[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)](3)式中K i———积分系数；K d———微分系数。

其中：K i=K p TT i ，K d=K p T dT；控制量u(k)为：u（k）＝u（k－1）＋Δu(k)选取一个目标函数，该函数能体现出柴油发动机的运行特性，并反映出其动态特性和稳态特性[4]。

记该目标函数为M，则：M＝t乙t·e2(t)dt(4)通过调节PID参数使M＝M min。

通过试验，可以得到柴油机转速的计算公式为：n=120.15l+210.6(5)式中n———柴油机瞬时转速，n/min；l———供油拉杆位移量，mm。

考虑到柴油发动机工作中积分饱和以及微分干扰差等情况，对原始信号误差补偿PID调节算法进行改善后，选择控制器的各种参数为：比例控制值：P=K×ll max(6)微分控制值：D=K·T·ds1+T dN·s(7)积分控制值：dI=Ki [e+n-ut]，其中V=Sat(P+I+D)(8)式中T D———微分时间常数；N———因子；T t———抗积分饱和增益；T i———积分时间常数；b———加权数；K———比例系数；P、I、D———分别为比例、积分、微分环节计数值；V———输出控制量饱和值；u———实际输出控制量；s———拉氏变量。

2控制系统设计控制系统采用NI公司生产的数据采集卡NI-6014作为数据采集设备，通过LabVIEW8.5可视化图形编程软件进行数据采集及显示。

通过LabVIEW对柴油机转速及供油拉杆位置传感器数据进行采集和显示的程序框图如图1所示[5-7]。

采集前首先对数据采集卡进行初始化设置，包括设备号、通道、采样率等。

采集的数据随时保存到磁盘中，经过误差补偿PID对转速信号进行调理后，与设定的转速比较，以此不断控制柴油机供油拉杆的位置。

系统控制原理框图如图2所示。

3结果分析试验中，选取TY495D柴油发动机为对象，选择DA-10直流位移传感器作为供油拉杆位置传感器，采用霍尔传感器测量发动机转速，通过控制步进电机通电电流方向控制供油拉杆运动。

试验过程中，控制柴油机转速恒定在1000r/ min。

为了避免外界电磁干扰影响信号采集，在供油图2控制原理框图图3柴油发动机转速曲线图运行时间t／s柴油机转速n／r／min（下转第58页）吴飞：基于误差补偿PID 调节的柴油发动机恒速控制系统53－－2010年第5期农业装备与车辆工程拉杆位置信号以及转速信号输入数据采集卡前，加入滤波电路[8]。

实测发动机转速曲线如图3所示。

由图3可见，未进行误差补偿PID调节的柴油发动机转速波动较大，转速范围从978r/min至985r/min，偏离设定转速1000r/min较大。

而进行误差补偿PID调节的柴油发动机转速变化范围为1000r/min至1006r/min范围内，变化误差小于6 r/min，控制效果显著。

4结论（1）通过误差补偿PID调节的运用，可以有效地使柴油机转速稳定在设定值范围内，误差小于6r/min，控制效果显著。

（2）利用LabVIEW虚拟仪器软件，结合NI-6014数据采集卡所设计的控制系统能够精确采集到柴油发动机转速及供油拉杆位置，并可通过对步进电机的控制，实现对供油拉杆位置的精确控制。

参考文献[1]顾宏中.柴油机工作过程[M].北京：国防工业出版社，1984.[2]Brady.R.N.柴油机燃油喷射技术[M].北京：机械工业出版社，1981.[3]《柴油机设计手册》编辑委员会.柴油机设计手册[M].北京：中国农机出版社，1984.[4]杨叔子等.机械工程控制基础[M].武汉：华中科技大学出版社，2002.[5]bVIEW Fundamentals[M].National Instruments Cor-poration，2006（7）.[6]Gary bVIEW Graphical Programming[M].PrenticeHall PTR.1998(10).[7]刘君华．基于LabVIEW的虚拟仪器设计[M]．北京：电子工业出版社，2003．[8]吴贵生主编.试验设计与数据处理[M].北京：冶金工业出版社，1997.的搭铁回路。

维修时，检查真空电磁阀的电阻，正常应为38.5~44.5Ω（皇冠3.0轿车）。

谐波增压技术在本田、现代、大众等车系得到了广泛的采用，对获得低速大扭矩、高速大功率有很好的兼顾作用，其基本原理大体相似。

6谐波进气增压系统故障实例介绍一例谐波进气增压系统真空电磁阀引起的动力不足故障。

一辆北京现代途胜越野车，为四轮驱动、变速器手动-自动一体，配置了2.7L型号为G6BA的V6发动机，行驶里程已达11万km。

(1)故障现象近段以来车辆行驶时，出现发动机动力不足现象，最高行驶速度仅能达到130km／h。

(2)故障诊断与排除用北京现代专用Hi-Ds Scanner故障诊断仪读取故障码，自动变速器系统及四轮驱动系统无故障码显示，读出一个故障码为P0101，其含义为：空气流量传感器电路及性能故障。

详细检查相关的空气流量传感器及节气门位置传感器，以及空气滤清器、进气系统、喷油器电路等，均未发现故障。