新能源汽车车载系统中PID控制的应用

一、概述

PID控制是一种常用的反馈控制系统，在工业自动化和许多其他领域都有着广泛的应用。它通过计算比例（Proportional）、积分（Integral）、微分（Derivative）三个控制项的加权和来调整控制器的输出，从而达到控制目标的目的。在新能源汽车的车载系统中，PID控制常被应用于如电机转速控制、电池温度管理、车辆稳定系统等方面。

二、PID基本原理

PID控制器的输出u(t)可以表示为：

其中：e(t)=r(t)-y(t)，表示期望信号与实际信号之间的差值，Kp是比例增益，Ki是积分增益，Kd是微分增益。其实现原理如下所示：

图1 PID原理

对不同控制项释义如下：

1）比例项（P）：比例项直接反映了误差的大小，它的作用是提供一个与误差成正比的控制作用。在系统控制中，对该项的调整可快速响应系统误差的变化，但它无法消除稳态误差，即当系统中仅存在比例控制时，系统输出将存在稳态误差。

2）积分项（I）：积分项的作用是随着时间累积误差，并且逐渐增加对此累积误差的控制作用，直到消除此稳态误差。当系统在进入稳态后，即使仅存在很小的误差，但随着时间的增加，此误差也会增大，此时系统中就必须引入该积分项对此累积误差进行控制，因此通过对该控制项的调整，可在实现零稳态误差方面起到关键作用，但过多的积分作用可能会导致系统不稳定或响应变慢。

3）微分项（D）：在控制系统中，常会存在会在具有较大惯性的组件或具有滞后性的组件，这些组件的状态变化总是落后于系统误差的变化，因此对误差调控具有抑制作用。因此为了解决在系统调节过程中可能因此而产生的系统震荡问题，通过引入微分项对误差的变化趋势进行预测，并提前作出反应，从而让可能存在的抑制误差效果不再起到作用。在车载系统中，当被控对象是具有较大惯性或滞后性的组件时（如发动机），微分控制项可有助于在系统调节过程中减少过冲和振荡问题，从而提高系统的响应速度和平稳性。

三、PID参数调整

PID控制器对系统的调控效果很大程度上取决于对参数的选择，通常情况下，这些参数需要通过不断地试验来确定最佳值。在系统的调试过程中，一种常见的流程方法是：先设置较大的比例增益Kp，然后逐渐减小直到系统稳定，接着调整积分增益Ki以消除稳态误差，最后微调微分增益Kd来改善系统的响应速度和平滑度。但由于系统应用的差异，最终需求的输出曲线也不相同，如下图示意，通过PID参数调整实现对目标曲线的拟合。

图2 PID调试示例

而在如发动机系统的调控过程中，由于系统的启动特性，在启动时需转速上冲以实现正常点火，接着转速开始回落最终趋于稳态，此时对于PID的输出曲线需求则与‘开始即稳态’的系统需求不同。对于发动机系统的调试，这里套用一组PID调试常用口诀：“参数整定找最佳，从小到大顺序查，先是比例后积分，最后再把微分加，曲线振荡很频繁，比例度盘要放大，曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳，曲线偏离回复慢，积分时间往下降，曲线波动周期长，积分时间再加长，曲线振荡频率快，先把微分降下来，动差大来波动慢，微分时间应加长，理想曲线两个波，前高后低 4 比 1。”

基于上述简单对比，在对PID参数的调试中，首先需结合系统特性，然后再有针对性的进行调整。

四、PID在新能源汽车系统中的应用

在新能源汽车的车载系统中，PID控制可被应用于多种场景中。这里通过设计一个简单的闭环控制系统，来实现对电机的转速控制为例。

首先，我们确定系统架构，包含安装在电机轴上的速度传感器用于测量实时转速、基于PID算法的控制单元、可根据控制器输出指令对电机的电流/电压进行调整的电机驱动电路以及被控对象电机本身。

图3 基于PID的电机转速控制系统架构

接着，确定系统控制流程，即系统接收来自加速踏板的信号指令以解析驾驶员意图后，将需求的期望转速输入该闭环系统中，过程中速度传感器持续监测电机的实时转速，然后控制算法基于期望转速与实际转速计算信号差，即e（t）。基于信号差，PID控制器输出u（t），并将结果转换为电机驱动电路的控制信号，进而调整电机的供电状态。通过电机状态的调整，再次进行误差计算，从而重复上述流程，直到误差趋于0，系统趋于稳定。

如电机在某一时刻的转速为9000r，此时系统需求的转速为12000r，那么此初始时刻的转速差将为e（0）=3000r，此时基于误差的PID输出为u（t）=3000Kp+0*Ki+0*Kd。基于此输出结果，电机运行状态将被调整，以快速接近目标转速。随着时间的累积，若在某时刻转速达到11000r，那么此时的e（t）=1000，此时的u（t）则为：

系统重复此动作形成闭环，从而让实际转速不断接近目标需求。

然后，为了让系统具有良好的控制效果，需要对该系统的PID参数进行调整，此基本参数调整过程为：

1.初步设定：根据电机特性和经验数据，初步设定PID参数初始值：Kp=1，Ki=0，Kd=0。

2.比例增益调整：增大Kp直到系统出现振荡，记录临界振荡点的Kp和振荡周期T，然后根据临界比例法，调整Kp为临界值的一定比例，如 0.6* Kp。

3.积分增益调整：暂定Kp值后，开始逐步增大Ki，并观察系统是否出现过冲和长时间振荡，若有则调整Ki使系统在一定时间内消除稳态误差而不引起显著过冲。

4.微分增益调整：增大Kd来减少过冲和提高响应速度，但需注意不要过度增大Kd，以免引入不必要的噪声敏感性。

重复微调参数组合，以使系统具有更换的控制效果。最后，通过静态、动态等测试，以确保系统可满足预设目标下的不同工况需求。

在车载系统的应用中，除电机控制外，在对热管理系统、能量回收系统等的控制上，PID控制器也起到了重要作用。