本發(fā)明涉及PID參數(shù)自整定方法及裝置，特別涉及柴油機(jī)共軌壓力的PID參數(shù)自整定控制方法及裝置。

背景技術(shù)：

環(huán)境污染的加劇和能源危機(jī)的日益暴露，排放法規(guī)日益嚴(yán)苛，促進(jìn)了電控柴油機(jī)的發(fā)展。高壓共軌系統(tǒng)由于噴油壓力和噴油規(guī)律的精確、靈活調(diào)節(jié)，成為未來柴油機(jī)燃油系統(tǒng)的發(fā)展方向。噴油壓力的穩(wěn)定性和響應(yīng)性從根本上影響著共軌柴油機(jī)燃油系統(tǒng)的性能。近幾十年來，PID(比例積分微分)控制器在工業(yè)系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，具有結(jié)構(gòu)簡單可靠，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，又由于現(xiàn)代自適應(yīng)控制、魯棒控制、智能控制和系統(tǒng)辨識理論和技術(shù)的發(fā)展，使得經(jīng)典PID在新的理論上有了更高層次的發(fā)展。PID參數(shù)整定的關(guān)鍵是識別受控過程對控制器作用力反應(yīng)的劇烈程度，以及控制器在試圖減少誤差時(shí)的主動程度。這對整定人員的經(jīng)驗(yàn)、細(xì)心程度和時(shí)間等提出較高要求。

ITAE性能指標(biāo)是目前綜合描述系統(tǒng)動態(tài)性能比較有效的目標(biāo)函數(shù)，由其確定的參數(shù)組合能夠使系統(tǒng)具有超調(diào)量小、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，即使當(dāng)受控過程的運(yùn)行參數(shù)在一定的范圍內(nèi)發(fā)生變化時(shí)，由其優(yōu)化的控制系統(tǒng)仍然有可以接受的品質(zhì)，且對震蕩有一定的阻尼作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題之一在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種柴油機(jī)共軌壓力控制PID參數(shù)自整定控制方法。該共軌壓力控制PID參數(shù)自整定控制方法基本思想是：某柴油機(jī)工況，繼電測試開關(guān)接通，暫時(shí)禁用PID，控制器將一個階梯狀的控制作用力作用于受控過程，測取特性參數(shù)；利用改進(jìn)Ziegler-Nichols方法或其它整定算法實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前多個期望相位裕度的PID參數(shù)方案；繼電測試開關(guān)斷開，將各個PID參數(shù)方案依次寫入相應(yīng)脈譜，由PID控制器來控制被控對象的運(yùn)行，計(jì)算閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)ITAE性能指標(biāo)對當(dāng)前工況進(jìn)行評估并獲得最優(yōu)共軌壓力控制PID參數(shù)。共軌壓力控制PID參數(shù)自整定可達(dá)到滿意的控制效果，降低了整定難度和整定時(shí)間，提升了整定一致性。

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題之二在于提供實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置。

作為本發(fā)明第一方面的柴油機(jī)共軌壓力控制PID參數(shù)自整定控制方法，其特征在于，它包括以下步驟：

步驟1、設(shè)置一包括發(fā)動機(jī)與整車傳感器、執(zhí)行器和處理器的控制系統(tǒng)，其中發(fā)動機(jī)與整車傳感器包括轉(zhuǎn)速傳感器、油門開度傳感器、冷卻水溫傳感器、燃油溫度傳感器、車速傳感器、離合器狀態(tài)傳感器、檔位狀態(tài)傳感器；

所述執(zhí)行器為高壓共軌系統(tǒng),其包括燃油計(jì)量閥式或EUP式高壓供油泵、共軌管、軌壓傳感器和電控噴油器；

所述處理器中設(shè)置有繼電測試模塊、PID參數(shù)模塊、軌壓PID控制模塊、ITAE評估模塊；

步驟2、所述繼電測試模塊基于繼電反饋，以所述軌壓傳感器輸送過來的信號作為過程變量，控制作用力為常量保持不變直到過程變量超過設(shè)定值，當(dāng)過程變量超過設(shè)定值時(shí)，再加入負(fù)階躍信號直到過程變量回落到設(shè)定值以下，一個階梯狀的控制作用力作用于受控過程來測取特性參數(shù)，輸出為穩(wěn)態(tài)增益信號和周期信號到PID參數(shù)模塊；

步驟3、所述PID參數(shù)模塊根據(jù)繼電測試模塊輸出的穩(wěn)態(tài)增益信號和周期信號，利用改進(jìn)Ziegler-Nichols方法或其它整定算法實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前多個期望相位裕度的PID參數(shù)方案，輸出PID控制參數(shù)信號到軌壓PID控制模塊；

步驟4、所述軌壓PID控制模塊根據(jù)發(fā)動機(jī)與整車傳感器采集各種傳感器信號和整車網(wǎng)絡(luò)信號，判斷當(dāng)前柴油機(jī)工況，確定期望目標(biāo)軌壓，與所述軌壓傳感器采集到的軌壓值的差值構(gòu)成控制偏差，根據(jù)PID參數(shù)模塊輸送過來的PID控制參數(shù)信號，結(jié)合控制偏差來執(zhí)行調(diào)節(jié)控制，輸出驅(qū)動信號到執(zhí)行器，輸出控制偏差到ITAE評估模塊；

步驟5、所述ITAE評估模塊根據(jù)軌壓PID控制模塊輸出的控制偏差和時(shí)間計(jì)算閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)ITAE性能指標(biāo)對當(dāng)前工況進(jìn)行評估并獲得最優(yōu)共軌壓力控制PID參數(shù)。

在所述步驟2中，所述繼電反饋的繼電特性如下：

滯環(huán)繼電特性的描述函數(shù)的負(fù)倒數(shù)為：

式中：a≥ε，a為系統(tǒng)在繼電控制下運(yùn)行時(shí)的振蕩幅值；d為繼電器的繼電特性幅值；ε為滯環(huán)寬度的一半，沒有滯環(huán)時(shí)，為負(fù)實(shí)軸，在滯環(huán)寬度不為零時(shí)，為平行于負(fù)實(shí)軸的一條直線，ε值不同，則與復(fù)實(shí)軸間的距離也不同。

在所述步驟2中，所述控制作用力為常量保持不變直到過程變量超過設(shè)定值，當(dāng)過程變量超過設(shè)定值時(shí)，再加入負(fù)階躍信號直到過程變量回落到設(shè)定值以下時(shí)系統(tǒng)的閉環(huán)特性方程發(fā)生振蕩的條件寫成：

即：

式中，j為復(fù)數(shù)虛單位；ω_C為開環(huán)系統(tǒng)G(s)的Nyquist曲線穿越C點(diǎn)時(shí)的頻率；

如果只考慮一種簡單的情況，假設(shè)繼電器非線性環(huán)節(jié)不帶有滯環(huán)，則描述函數(shù)可以簡化為：

此時(shí)系統(tǒng)的振蕩頻率與增益由下式確定：

式中，K_C為穩(wěn)態(tài)增益；T_C為周期。

在所述步驟3中，所述利用改進(jìn)Ziegler-Nichols方法實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前多個期望相位裕度的PID參數(shù)方案如下：

復(fù)平面A點(diǎn)φ_a為A點(diǎn)相位裕度，r_a為A點(diǎn)幅值，G(jω₀)為A點(diǎn)的頻率特性，ω₀為該點(diǎn)頻率；假設(shè)A被移動到A₁點(diǎn)φ_b為A₁點(diǎn)相位裕度，r_b為A₁點(diǎn)幅值，G₁(jω₀)為A₁點(diǎn)處的頻率特性。假設(shè)PID控制器為φ_c為PID控制器相位裕度，r_c為幅值，G_C(jω₀)為PID控制器的頻率特性：

因此，φ_c＝φ_b-φ_a

PI控制：

所述Ziegler-Nichols算法由下式得到：K_P＝K_cr_bcosφ_b，

式中φ_a＝0，K_C為穩(wěn)態(tài)增益，T_C為周期，ω₀為穿越頻率。

PID控制：

根據(jù)上式，T_i和T_d不唯一；

為了獲得唯一PID參數(shù)，通常設(shè)定T_d＝αT_i，上式變?yōu)椋?/p>

式中，α為系數(shù)，一般為0.25。

此時(shí)PID參數(shù)整定變?yōu)榇_定合適的φ_b和r_b，根據(jù)相位裕度定義，此時(shí)r_b＝1，根據(jù)共軌軌壓控制實(shí)際情況，分別設(shè)定不同φ_b值，即可得到相應(yīng)P,I,D參數(shù)方案。

在所述步驟4中，軌壓PID控制中，PID控制器的傳遞函數(shù)為：

式中，K_P為比例系數(shù)；T_i為積分時(shí)間常數(shù)；T_d為微分時(shí)間常數(shù)；s為復(fù)參數(shù)。為了提高動態(tài)響應(yīng)性，減少穩(wěn)態(tài)軌壓波動，縮短PID控制引起的延遲，在考慮噴油量、泄漏量、系統(tǒng)老化磨損等因素后，采用軌壓預(yù)控制技術(shù)。

在所述步驟5中，ITAE是時(shí)間乘以控制偏差絕對值積分的性能指標(biāo)，即：

在工程實(shí)際中，t∈[0，t_s]，其中t_s為過渡過程結(jié)束時(shí)間，指系統(tǒng)誤差在滿足最大超調(diào)量σ％，到達(dá)并保持在允許誤差±Δ％范圍內(nèi)的時(shí)刻。因此工程上實(shí)用的性能指標(biāo)應(yīng)該為在[0,t_s]區(qū)域內(nèi)求積分。

某個工況下，在各個PID參數(shù)方案的階躍響應(yīng)ITAE性能指標(biāo)中選取最小值作為該工況最優(yōu)共軌壓力控制PID參數(shù)。

作為本發(fā)明第二方面的柴油機(jī)共軌壓力控制PID參數(shù)自整定控制裝置，包括發(fā)動機(jī)與整車傳感器、執(zhí)行器和處理器；

所述發(fā)動機(jī)與整車包括轉(zhuǎn)速傳感器、油門開度傳感器、冷卻水溫傳感器、燃油溫度傳感器、車速傳感器、離合器狀態(tài)傳感器、檔位狀態(tài)傳感器；

所述執(zhí)行器為高壓共軌系統(tǒng)，包括軌壓傳感器，燃油計(jì)量閥式或EUP式高壓供油泵、共軌管、電控噴油器；

所述處理器中設(shè)置有繼電測試模塊、PID參數(shù)模塊、軌壓PID控制模塊、ITAE評估模塊。

所述繼電測試模塊的輸入端與軌壓傳感器相連，接受軌壓傳感器輸出的軌壓信號；所述繼電測試模塊的輸出端輸出穩(wěn)態(tài)增益信號和周期信號；

所述PID參數(shù)模塊的輸入端與繼電測試模塊的輸出端相連，接受繼電測試模塊輸出的穩(wěn)態(tài)增益信號和周期信，所述PID參數(shù)模塊的輸出端輸出PID控制參數(shù)；

所述軌壓PID控制模塊的輸入端分別同發(fā)動機(jī)與整車傳感器、PID參數(shù)模塊和執(zhí)行器的輸出端相連，接受發(fā)動機(jī)與整車輸出的各種傳感器信號和整車網(wǎng)絡(luò)信號，接受執(zhí)行器輸出的軌壓傳感器信號，接受PID參數(shù)模塊輸出的PID控制參數(shù)信號。軌壓PID控制模塊的輸出端分別輸出驅(qū)動信號和控制偏差信號；

所述ITAE評估模塊的輸入端與軌壓PID控制模塊的輸出端相連，接受軌壓PID控制模塊輸出的控制偏差信號；ITAE評估模塊的輸出端輸出最優(yōu)共軌壓力控制PID參數(shù)。

本發(fā)明給出一種柴油機(jī)共軌壓力控制PID參數(shù)自整定方法。基于繼電反饋生成一個適當(dāng)?shù)恼袷巵慝@得受控過程的頻率特性和系統(tǒng)模型；將受控過程上的一點(diǎn)用改進(jìn)Ziegler-Nichols方法移到多個期望相位裕度處，得到不同整定方案；通過階躍響應(yīng)的ITAE性能指標(biāo)對參數(shù)方案進(jìn)行分析選擇，確定最優(yōu)共軌壓力控制PID參數(shù)。實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用表明，共軌壓力控制PID參數(shù)自整定可達(dá)到滿意的控制效果，降低了整定難度和整定時(shí)間，提升了整定一致性。

本發(fā)明由于采用以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、可獲得最優(yōu)共軌壓力控制PID參數(shù)，達(dá)到滿意的控制效果，降低整定難度和整定時(shí)間，提升整定一致性。2、ITAE性能指標(biāo)是目前綜合描述系統(tǒng)動態(tài)性能比較有效的目標(biāo)函數(shù)，由其確定的參數(shù)組合能夠使系統(tǒng)具有超調(diào)量小、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，即使當(dāng)受控過程的運(yùn)行參數(shù)在一定的范圍內(nèi)發(fā)生變化時(shí)，由其優(yōu)化的控制系統(tǒng)仍然有可以接受的品質(zhì)，且對震蕩有一定的阻尼作用。3、PID控制器在工業(yè)系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，具有結(jié)構(gòu)簡單可靠，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

附圖說明

圖1是滯環(huán)繼電特性圖。

圖2是PID參數(shù)自整定控制框圖。

圖3是本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明基于如下原理：

基于繼電反饋生成一個適當(dāng)?shù)恼袷巵慝@得受控過程的頻率特性和系統(tǒng)模型；將受控過程上的一點(diǎn)用改進(jìn)Ziegler-Nichols方法移到多個期望相位裕度處，得到不同整定方案；通過階躍響應(yīng)的ITAE性能指標(biāo)對參數(shù)方案進(jìn)行分析選擇，確定最優(yōu)共軌壓力控制PID參數(shù)。

為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示和實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。

如圖3所示，本發(fā)明的柴油機(jī)共軌壓力控制PID參數(shù)自整定控制裝置包括發(fā)動機(jī)與整車傳感器100、執(zhí)行器140和處理器200；執(zhí)行器140為執(zhí)行器為高壓共軌系統(tǒng)，包括燃油計(jì)量閥式或EUP式高壓供油泵、共軌管、軌壓傳感器和電控噴油器；發(fā)動機(jī)與整車傳感器100包括轉(zhuǎn)速傳感器、油門開度傳感器、冷卻水溫傳感器、燃油溫度傳感器、車速傳感器、離合器狀態(tài)傳感器、檔位狀態(tài)傳感器。

處理器200中有繼電測試模塊210、PID參數(shù)模塊220、軌壓PID控制模塊230、ITAE評估模塊240。

繼電測試模塊210的輸入端與執(zhí)行器140的軌壓傳感器相連，接受軌壓傳感器輸出的軌壓信號。繼電測試模塊的輸出端輸出穩(wěn)態(tài)增益信號和周期信號。

PID參數(shù)模塊220的輸入端與繼電測試模塊210的輸出端相連，接受繼電測試模塊210輸出的穩(wěn)態(tài)增益信號和周期信號。PID參數(shù)模塊的輸出端輸出PID控制參數(shù)。

軌壓PID控制模塊230的輸入端分別同發(fā)動機(jī)與整車100、PID參數(shù)模塊220和執(zhí)行器140的輸出端相連，接受發(fā)動機(jī)與整車100輸出的各種傳感器信號和整車網(wǎng)絡(luò)信號，接受執(zhí)行器140輸出的軌壓傳感器信號，接受PID參數(shù)模塊220輸出的PID控制參數(shù)信號。軌壓PID控制模塊230的輸出端分別輸出驅(qū)動信號和控制偏差信號。

ITAE評估模塊240的輸入端與軌壓PID控制模塊230的輸出端相連，接受軌壓PID控制模塊230輸出的控制偏差信號。ITAE評估模塊240的輸出端輸出最優(yōu)共軌壓力控制PID參數(shù)。

因此基于上述裝置的柴油機(jī)共軌壓力控制PID參數(shù)自整定控制方法為：

繼電測試模塊210中繼電反饋的繼電特性如下：

滯環(huán)繼電特性的描述函數(shù)的負(fù)倒數(shù)為：

式中：a≥ε，a為系統(tǒng)在繼電控制下運(yùn)行時(shí)的振蕩幅值；d為繼電器的繼電特性幅值；ε為滯環(huán)寬度的一半，沒有滯環(huán)時(shí)，為負(fù)實(shí)軸，在滯環(huán)寬度不為零時(shí)，為平行于負(fù)實(shí)軸的一條直線，ε值不同，則與復(fù)實(shí)軸間的距離也不同。滯環(huán)繼電特性如圖1所示。

繼電測試模塊210中，控制作用力為常量保持不變直到過程變量超過設(shè)定值，當(dāng)過程變量超過設(shè)定值時(shí)，再加入負(fù)階躍信號直到過程變量回落到設(shè)定值以下。此時(shí)系統(tǒng)的閉環(huán)特性方程發(fā)生振蕩的條件可以寫成：

即：

式中，j為復(fù)數(shù)虛單位；ω_C為開環(huán)系統(tǒng)G(s)的Nyquist曲線穿越C點(diǎn)時(shí)的頻率。

如果只考慮一種簡單的情況，假設(shè)繼電器非線性環(huán)節(jié)不帶有滯環(huán)，則描述函數(shù)可以簡化為：

此時(shí)系統(tǒng)的振蕩頻率與增益由下式確定：

式中，K_C為穩(wěn)態(tài)增益；T_C為周期。

PID參數(shù)模塊220中，以改進(jìn)Ziegler-Nichols方法為例，復(fù)平面A點(diǎn)φ_a為A點(diǎn)相位裕度，r_a為A點(diǎn)幅值，G(jω₀)為A點(diǎn)的頻率特性，ω₀為該點(diǎn)頻率。假設(shè)A被移動到A₁點(diǎn)φ_b為A₁點(diǎn)相位裕度，r_b為A₁點(diǎn)幅值，G₁(jω₀)為A₁點(diǎn)處的頻率特性。假設(shè)PID控制器為φ_c為PID控制器相位裕度，r_c為幅值，G_C(jω₀)為PID控制器的頻率特性：

因此，φ_c＝φ_b-φ_a

PI控制：

特例，Ziegler-Nichols算法由下式得到：K_P＝K_cr_bcosφ_b，

式中φ_a＝0，K_C為穩(wěn)態(tài)增益，T_C為周期，ω₀為穿越頻率。

PID控制：

根據(jù)上式，T_i和T_d不唯一。

為了獲得唯一PID參數(shù)，通常設(shè)定T_d＝αT_i，上式變?yōu)椋?/p>

式中，α為系數(shù)，一般為0.25。

此時(shí)PID參數(shù)整定變?yōu)榇_定合適的φ_b和r_b，根據(jù)相位裕度定義，此時(shí)r_b＝1，根據(jù)共軌軌壓控制實(shí)際情況，分別設(shè)定不同φ_b值，即可得到相應(yīng)P,I,D參數(shù)方案。

軌壓PID控制模塊230中，PID控制器的傳遞函數(shù)為：

式中，K_P為比例系數(shù)；T_i為積分時(shí)間常數(shù)；T_d為微分時(shí)間常數(shù)；s為復(fù)參數(shù)。為了提高動態(tài)響應(yīng)性，減少穩(wěn)態(tài)軌壓波動，縮短PID控制引起的延遲，在考慮噴油量、泄漏量、系統(tǒng)老化磨損等因素后，采用軌壓預(yù)控制技術(shù)。

ITAE評估模塊240中，ITAE是時(shí)間乘以控制偏差絕對值積分的性能指標(biāo)，即：

在工程實(shí)際中，t∈[0，t_s]，其中t_s為過渡過程結(jié)束時(shí)間，指系統(tǒng)誤差在滿足最大超調(diào)量σ％，到達(dá)并保持在允許誤差±Δ％范圍內(nèi)的時(shí)刻。因此工程上實(shí)用的性能指標(biāo)應(yīng)該為在[0,t_s]區(qū)域內(nèi)求積分。

某個工況下，在各個PID參數(shù)方案的階躍響應(yīng)ITAE性能指標(biāo)中選取最小值作為該工況最優(yōu)共軌壓力控制PID參數(shù)。

本發(fā)明由于采用以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、可獲得最優(yōu)共軌壓力控制PID參數(shù)，達(dá)到滿意的控制效果，降低整定難度和整定時(shí)間，提升整定一致性。2、ITAE性能指標(biāo)是目前綜合描述系統(tǒng)動態(tài)性能比較有效的目標(biāo)函數(shù)，由其確定的參數(shù)組合能夠使系統(tǒng)具有超調(diào)量小、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，即使當(dāng)受控過程的運(yùn)行參數(shù)在一定的范圍內(nèi)發(fā)生變化時(shí)，由其優(yōu)化的控制系統(tǒng)仍然有可以接受的品質(zhì)，且對震蕩有一定的阻尼作用。3、PID控制器在工業(yè)系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，具有結(jié)構(gòu)簡單可靠，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

上述圖示和實(shí)例僅用于說明本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。