机动车环保检测中PID算法的应用

机动车环保检测中PID算法的应用

郝云辉

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摘要：本文通过环保检测业务中的几个实际功能要求，介绍了PID算法在其中的实际应用和作用。通过深入PID的工作原理，及PID参数整定方式，指导从业人员，更好的做好产品服务。

关键字：消除误差；恒定；整定方法；PID

一、机动车检测中几个实际情况

机动车环保检测业务主要是通过按照国标制定的检测过程，收集车辆排放尾气的成分含量来约束车辆上路的。该业务过程主要分测功机设备自检阶段、车辆工况检测阶段，对设备本身还需要提供被计量部门的计量认定功能。按国标GB18525-20018、GB3847-2018及相关国家计量检定规程的要求，这些功能中，恒扭力过程、恒速度过程、恒功率过程起着至关重要的作用。比如加载响应时间检测项需要对恒扭力过程控制好，恒载荷检测项需要对恒功率过程控制好，尾气采集过程需要对恒速度过程控制好。这些过程单单通过培训相关专业岗位的人才去做很难达到要求，而且国标也不允许人为的去干预某些过程，这就需要使用自动控器去实现这些要求。

基于反馈的PID(自适应)算法自动控制系统刚好满足我们的需求，它通过采集关联因素，反馈给控制器，通过算法快速调整控制量，然后输出给作用的物体，同时采集设备还实时监测着被测物体的状态并反馈着，形成一个闭环，保证被测物体处于的状态稳定。

二、PID系统的构成

一个PID控制系统一般包括控制器、采集器、执行机体。在控制器中又分为了比例单元 P、积分单元 I和微分单元 D。控制器通过执行体影响被控对象；被调对象的状态通过采集器反馈给控制器。

前置点     ERROR

PID控制器通过Kp， Ki和Kd三个参数的改变来实现整个系统误差的消除。但也并不是每个情况都需要三个参数，比如PI控制、PD控制，甚至有的单单比例P控制，就能实现误差的消除。

三、P1D控制原理

PID是基于反馈的一种工业控制方法，通过消除系统的误差来进行控制的。主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。

，

可通过下面式子来推导：

一般过程为预先设定一个想要的目标值,采集被控对象状态量，经过控制器算法调节，产生一个输出量作用在被控对象上，使之状态发生变化，这些变化再通过采集器反馈到控制器，控制器结合前后获取的数据差值，进一步调整输出量，最终让获取的前后两次误差处在预期范围内，即可认定输出值等于设定值。

比例项：成比例的反应控制系统误差信号。增大比例系数一般将价款系统的相应，在又静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生震荡。

积分项：能够将较小的系统误差信号放大，提高系统控制精度。增大积分时间有利于减小超调，减小震荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。

微分项：能够反映系统误差信号的变化趋势，改善调节过程中的动态性。增大微分时间有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。

四、PID参数的整定

PID控制器的参数整定是根据被控过程的特性，确定出PID控制器的Kp系数、Ki系数和Kd系数的值。大致分两大类：理论计算整定法，它主要依据系统的数学模型，经过理论计算确定。这种方法所得到的计算数据一般还必须通过工程实际进行调整和修改。工程现场整定，它主要是经验值，直接在控制系统中试验进行。主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。

一般步骤如下：（1）首先预选择一个合理的釆样周期让系统工作；（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应；（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。（4）实际使用中微调参数。

五、环保检测过程中的实际应用

在JJF1227-2009要求的加载响应时间检测项，实质上是检测测功机设备响应恒定阻力的快慢和稳定到恒定扭力值的快慢的达标能力。设备不达标，计量部门是不允许做机动车检测的。此检测项当然是时间越短越好，这就要求控制器调节算法效率要高，当然参数还得合理。我们为了保证误差在规定的范围内，工作过程中，PID控制器先收到设定的目标扭力值，按照Kp系数探测性的施加扭力，结合采集到的实际扭力值，对比误差结果，Ki和Kd系数起到误差监测和整体趋势预判作用。第一次施加可能会出现超调现象，也就是出现了正误差，PID控制器检测到后立刻减小施加的扭力，使误差向反方向走，甚至可能出现负误差。第三次施加扭力中PID控制器依然会参照设定目标扭力值，按照缩小误差方式，给出扭力值。由于误差会逐步减小，所以最终会出现想要的设定目标扭力。此时如果出现最终的目标值偏离设定，或者在目标值上下震荡，都应该按照控制原理小节中的介绍微调相应的参数值。

GB3847-2018标准要求在做尾气成分分析时，需要用最大速度的100%点和80%点，定点一段时间内做尾气成分采集检测，此时就需要恒速度过程。国标要求测功机系统能够自动加载阻力，把被测车辆速度下拉一定的范围，同时发动机转速还的保持最大。这是就需要借助PID控制器来实现了。PID控制器通过设定的目标值，去调整涡流机施加在车轮上的阻力，迫使车辆（发动机）把转速降下来，如果PID控制器检测到车速低于目标值，出现前行方向的误差，就会撤掉车轮上的阻力，发动机会让车速回升；PID控制器继续检测车速反馈值，如果发现车速值又大于设定速度值了，就继续调整涡流机施加阻力的情况，这样不断循环调整，直至消除实际车速和目标车速的误差，此时车辆就处于设定的速度目标值了，也就实现了恒速状态。

上述两个过程可见PID控制器起着至关重要的作用，所以我们从业人员应该充分了解PID的工作机制，以便更好的做好产品，服务市场。

六、结束语

本文主要介绍PID算法在机动车环保检测系统的应用，利用了PID控制算法，实现了国标要求的计量、自检、尾气检测功能，成型产品已在河北省及山西，内蒙省份的多个机动车检测站中得到了实际应用，检测结果精准可靠。

参考文献

[1]GB 3847-2018柴油车污染物排放限值及测量方法

[2]JJG 653-2003测功装置检定规程

[3]何跃,林春梅.PID控制系统的参数选择研究及应用[J].计算机工程与设计2006,(8)：192・194.

[4]JJF 1227-2009汽油车稳态加载污染物排放检测系统校准规范

[5]GB 18285-2018汽油车污染物排放限值及测量方法