一、概述

PID控制是一種常用的反饋控制系統(tǒng)，在工業(yè)自動化和許多其他領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。它通過計算比例（Proportional）、積分（Integral）、微分（Derivative）三個控制項(xiàng)的加權(quán)和來調(diào)整控制器的輸出，從而達(dá)到控制目標(biāo)的目的。在新能源汽車的車載系統(tǒng)中，PID控制常被應(yīng)用于如電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、電池溫度管理、車輛穩(wěn)定系統(tǒng)等方面。

二、PID基本原理

PID控制器的輸出u(t)可以表示為：

其中：e(t)=r(t)-y(t)，表示期望信號與實(shí)際信號之間的差值，Kp是比例增益，Ki是積分增益，Kd是微分增益。其實(shí)現(xiàn)原理如下所示：

圖1 PID原理

對不同控制項(xiàng)釋義如下：

1）比例項(xiàng)（P）：比例項(xiàng)直接反映了誤差的大小，它的作用是提供一個與誤差成正比的控制作用。在系統(tǒng)控制中，對該項(xiàng)的調(diào)整可快速響應(yīng)系統(tǒng)誤差的變化，但它無法消除穩(wěn)態(tài)誤差，即當(dāng)系統(tǒng)中僅存在比例控制時，系統(tǒng)輸出將存在穩(wěn)態(tài)誤差。

2）積分項(xiàng)（I）：積分項(xiàng)的作用是隨著時間累積誤差，并且逐漸增加對此累積誤差的控制作用，直到消除此穩(wěn)態(tài)誤差。當(dāng)系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，即使僅存在很小的誤差，但隨著時間的增加，此誤差也會增大，此時系統(tǒng)中就必須引入該積分項(xiàng)對此累積誤差進(jìn)行控制，因此通過對該控制項(xiàng)的調(diào)整，可在實(shí)現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差方面起到關(guān)鍵作用，但過多的積分作用可能會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定或響應(yīng)變慢。

3）微分項(xiàng)（D）：在控制系統(tǒng)中，常會存在會在具有較大慣性的組件或具有滯后性的組件，這些組件的狀態(tài)變化總是落后于系統(tǒng)誤差的變化，因此對誤差調(diào)控具有抑制作用。因此為了解決在系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程中可能因此而產(chǎn)生的系統(tǒng)震蕩問題，通過引入微分項(xiàng)對誤差的變化趨勢進(jìn)行預(yù)測，并提前作出反應(yīng)，從而讓可能存在的抑制誤差效果不再起到作用。在車載系統(tǒng)中，當(dāng)被控對象是具有較大慣性或滯后性的組件時（如發(fā)動機(jī)），微分控制項(xiàng)可有助于在系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程中減少過沖和振蕩問題，從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和平穩(wěn)性。

三、PID參數(shù)調(diào)整

PID控制器對系統(tǒng)的調(diào)控效果很大程度上取決于對參數(shù)的選擇，通常情況下，這些參數(shù)需要通過不斷地試驗(yàn)來確定最佳值。在系統(tǒng)的調(diào)試過程中，一種常見的流程方法是：先設(shè)置較大的比例增益Kp，然后逐漸減小直到系統(tǒng)穩(wěn)定，接著調(diào)整積分增益Ki以消除穩(wěn)態(tài)誤差，最后微調(diào)微分增益Kd來改善系統(tǒng)的響應(yīng)速度和平滑度。但由于系統(tǒng)應(yīng)用的差異，最終需求的輸出曲線也不相同，如下圖示意，通過PID參數(shù)調(diào)整實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)曲線的擬合。

圖2 PID調(diào)試示例

而在如發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的調(diào)控過程中，由于系統(tǒng)的啟動特性，在啟動時需轉(zhuǎn)速上沖以實(shí)現(xiàn)正常點(diǎn)火，接著轉(zhuǎn)速開始回落最終趨于穩(wěn)態(tài)，此時對于PID的輸出曲線需求則與‘開始即穩(wěn)態(tài)’的系統(tǒng)需求不同。對于發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的調(diào)試，這里套用一組PID調(diào)試常用口訣：“參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查，先是比例后積分，最后再把微分加，曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大，曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳，曲線偏離回復(fù)慢，積分時間往下降，曲線波動周期長，積分時間再加長，曲線振蕩頻率快，先把微分降下來，動差大來波動慢，微分時間應(yīng)加長，理想曲線兩個波，前高后低 4 比 1。”

基于上述簡單對比，在對PID參數(shù)的調(diào)試中，首先需結(jié)合系統(tǒng)特性，然后再有針對性的進(jìn)行調(diào)整。

四、PID在新能源汽車系統(tǒng)中的應(yīng)用

在新能源汽車的車載系統(tǒng)中，PID控制可被應(yīng)用于多種場景中。這里通過設(shè)計一個簡單的閉環(huán)控制系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制為例。

首先，我們確定系統(tǒng)架構(gòu)，包含安裝在電機(jī)軸上的速度傳感器用于測量實(shí)時轉(zhuǎn)速、基于PID算法的控制單元、可根據(jù)控制器輸出指令對電機(jī)的電流/電壓進(jìn)行調(diào)整的電機(jī)驅(qū)動電路以及被控對象電機(jī)本身。

圖3 基于PID的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)架構(gòu)

接著，確定系統(tǒng)控制流程，即系統(tǒng)接收來自加速踏板的信號指令以解析駕駛員意圖后，將需求的期望轉(zhuǎn)速輸入該閉環(huán)系統(tǒng)中，過程中速度傳感器持續(xù)監(jiān)測電機(jī)的實(shí)時轉(zhuǎn)速，然后控制算法基于期望轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速計算信號差，即e（t）。基于信號差，PID控制器輸出u（t），并將結(jié)果轉(zhuǎn)換為電機(jī)驅(qū)動電路的控制信號，進(jìn)而調(diào)整電機(jī)的供電狀態(tài)。通過電機(jī)狀態(tài)的調(diào)整，再次進(jìn)行誤差計算，從而重復(fù)上述流程，直到誤差趨于0，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。

如電機(jī)在某一時刻的轉(zhuǎn)速為9000r，此時系統(tǒng)需求的轉(zhuǎn)速為12000r，那么此初始時刻的轉(zhuǎn)速差將為e（0）=3000r，此時基于誤差的PID輸出為u（t）=3000Kp+0*Ki+0*Kd?；诖溯敵鼋Y(jié)果，電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)將被調(diào)整，以快速接近目標(biāo)轉(zhuǎn)速。隨著時間的累積，若在某時刻轉(zhuǎn)速達(dá)到11000r，那么此時的e（t）=1000，此時的u（t）則為：

系統(tǒng)重復(fù)此動作形成閉環(huán)，從而讓實(shí)際轉(zhuǎn)速不斷接近目標(biāo)需求。

然后，為了讓系統(tǒng)具有良好的控制效果，需要對該系統(tǒng)的PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，此基本參數(shù)調(diào)整過程為：

1.初步設(shè)定：根據(jù)電機(jī)特性和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，初步設(shè)定PID參數(shù)初始值：Kp=1，Ki=0，Kd=0。

2.比例增益調(diào)整：增大Kp直到系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，記錄臨界振蕩點(diǎn)的Kp和振蕩周期T，然后根據(jù)臨界比例法，調(diào)整Kp為臨界值的一定比例，如 0.6* Kp。

3.積分增益調(diào)整：暫定Kp值后，開始逐步增大Ki，并觀察系統(tǒng)是否出現(xiàn)過沖和長時間振蕩，若有則調(diào)整Ki使系統(tǒng)在一定時間內(nèi)消除穩(wěn)態(tài)誤差而不引起顯著過沖。

4.微分增益調(diào)整：增大Kd來減少過沖和提高響應(yīng)速度，但需注意不要過度增大Kd，以免引入不必要的噪聲敏感性。

重復(fù)微調(diào)參數(shù)組合，以使系統(tǒng)具有更換的控制效果。最后，通過靜態(tài)、動態(tài)等測試，以確保系統(tǒng)可滿足預(yù)設(shè)目標(biāo)下的不同工況需求。

在車載系統(tǒng)的應(yīng)用中，除電機(jī)控制外，在對熱管理系統(tǒng)、能量回收系統(tǒng)等的控制上，PID控制器也起到了重要作用。