基于纯电动汽车电动压缩机的PID+FF前馈闭环控制方法与流程

本发明涉及纯电动汽车空调系统控制技术领域，尤其涉及一种基于纯电动汽车电动压缩机的PID+FF前馈的闭环控制方法。

背景技术：

电动汽车的实际应用中不可避免会遇到严寒季节电池包过冷导致车辆故障等问题，所以 电动压缩机在整个汽车控制中扮演着极为重要的角色，它关系整个电池系统运行的安全性。 同时，空调系统控制整个车内的温度，所以也关系了整车给用户的舒适体验。

目前，传统汽车一般采用开环算法来控制电动压缩机，开环控制算法由于控制简单而被大多厂商所接受。但这种传统开环控制的算法无法按需提供冷源，所以导致电动压缩机的冷源过多或者过少，从而带来能耗加大，车内舒适感差等弊端。

传统开环控制主要针对定排压缩机，采用“定转速，定输出”的方式，简单来说，当空调档位固定时，压缩机输出转速固定，从而使得空调系统不管实际温度的多少，均提供同样的制冷源。这样就会导致能量的浪费，以及舒适感不强。除了上述的能量浪费问题，对于用户来说，为了满足自身的舒适感，就需要手动调节空调档位。这也就是“定排压缩机不能满足用户体验”的一大问题。

此外，传统的开环控制还带来了一个整车研发过程中的问题。因为我国国土辽阔，所以南方地区普遍比较炎热，而北方普遍比较寒冷，所以同一个压缩机在北方和南方就需要不同的标定参数。这样就导致整车研发时，就需要到各地标定不同系数，这也会延长整个研发周期。这也就是“定排压缩机增加整车研发工作量”的另一大难题。

最后，现在部分厂商也配用了变排压缩机。但绝大多数采用传统pid来控制，即一个P系数、一个I系数以及一个D系数。这样在实际环境中，会出现如此情况：虽然pid控制也能控温，但有时会带来温度忽上忽下的一个抖动，这也就是“系统稳定性不强”的一大难题，即传统pid无法精确化控制压缩机。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于纯电动汽车电动压缩机的PID+FF前馈闭环控制方法，通过PID根据当前的温差自动计算电动压缩机所需提供的转速，并实时校正，最终对电动压缩机实现“变排量、定温度”的控制目的，从而解决现有PID开环控制所存在的能量浪费、舒适感不强及空调系统不稳定等难题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为，一种基于纯电动汽车电动压缩机的PID+FF前馈闭环控制方法，包括以下步骤：获取电动汽车的空调系统的目标温度值，实时采集空调系统的当前温度值，计算目标温度值与当前温度值之间的温度误差值，根据温度误差值通过位置式PID控制算法计算出电动压缩机的转速值，并根据转速值对电动压缩机进行转速调节以实现对温度调节；其中，所述位置式PID控制算法包括带积分偏离的位置式PID控制子算法、带前馈补偿的位置式PID控制子算法和查表PID控制子算法，空调系统进入正常工作模式后，先根据温度误差值通过带积分偏离的位置式PID控制子算法、带前馈补偿的位置式PID控制子算法和查表PID控制子算法分别计算出一个电动压缩机的转速值，然后将得出的三个转速值进行加和计算得出一个总的转速值，最后利用该总转速值对电动压缩机进行转速调节。

作为本发明的一种改进，所述位置式PID控制算法还包括带有启动/关闭保护的位置式PID控制子算法，在空调系统进入启动模式或关机（即初次上电或下电）时，采用带有启动/关闭保护的位置式PID控制子算法计算电动压缩机的转速值。

作为本发明的一种改进，所述带积分偏离的位置式PID控制子算法的基本思路是：在当前温度值与目标温度值之间偏差较大（即温度误差值较大）时，采用小积分系数计算电动压缩机的转速值，以减小积分作用，在温度误差值逼近到特定区间时，采用大积分系数计算电动压缩机的转速值，以减小稳态误差，而在温度误差值达到理想区间时，将积分系数设置为0进行计算电动压缩机的转速值，以取消积分作用。

作为本发明的一种改进， 所述带前馈补偿的位置式PID控制子算法的基本思路是：利用目标温度值进行查表得出一个电动压缩机的转速补偿值，该转速补偿值即为由带前馈补偿的位置式PID控制子算法计算得出的一个转速值。

作为本发明的一种改进， 所述查表PID控制子算法的基本思路是：根据温度误差值分别进行查表运算得出一个比例系数、一个积分系数和一个微分系数，将查表得出的比例系数、积分系数和微分系数代入PID与电动压缩机的转速换算关系式中计算得出电动压缩机的转速值。

作为本发明的一种改进，所述带有启动/关闭保护的位置式PID控制子算法的基本思路是：判断空调系统是否为初次启动，若是则根据当前的空调档位，将电动压缩机的转速由0以固定步长和固定时间慢慢增加并逼近至一个启动转速；判断空调系统是否关闭，若是则将当前电动压缩机的转速以固定步长和固定时间慢慢递减至0。

作为本发明的一种改进，在带积分偏离的位置式PID控制子算法中，所述小积分系数为K_I_LOW，大积分系数为K_I_HIGH，所述特定区间为[I_Limit_L, I_Limit_H]，其中，I_Limit_L和I_Limit_H是两个温度阈值，并且I_Limit_L<I_Limit_H，所述理想区间为[0, I_Limit_L)，温度误差值逼近到特定区间具体是指温度误差值的绝对值在特定区间中取值，温度误差值达到理想区间具体是指温度误差值的绝对值在理想区间中取值，而温度误差值较大具体是指温度误差值的绝对值大于温度阈值I_Limit_H。

作为本发明的一种改进， 在空调系统进入启动模式后，当温度误差值的绝对值大于预先设定的温度误差绝限值（为一常数）时，采用带有启动/关闭保护的位置式PID控制子算法计算电动压缩机的转速值，在带有启动/关闭保护的位置式PID控制子算法中，固定步长即为固定的转速值，固定时间即为时间周期。

相对于现有技术，本发明所提出的“位置式PID+FF前馈补偿”闭环控制方法可对纯电动汽车的电动压缩机转速进行精确控制，通过PID闭环控制方法对电动压缩机的转速进行调控，进而实现对空调系统的温度进行实时精确调整，最终实验效果可将温差控制在1度以内，取得了“变转速，定温度”的有益效果；同时，该算法也解决了开环控制算法所存在的能量浪费、舒适性差、系统不稳定及温度多地标定等问题，此外，本方法中还针对空调系统的启动及停止过程提出了带有启动/关闭保护的位置式PID控制子算法，在空调系统初次上电时根据当前的空调档位，将电动压缩机的转速由0以固定步长和固定时间慢慢增加并逼近至一个启动转速；而在空调系统下电时将当前电动压缩机的转速以固定步长和固定时间慢慢递减至0，实现了对电动压缩机的保护作用，有效延长了电动压缩机的使用寿命。

附图说明

图1为采用位置式PID控制算法进行温度调节的简化控制框图。

图2为采用带有积分偏离的位置式PID控制子算法进行控温的工作流程图。

图3为带前馈补偿的位置式PID控制子算法的Simulink仿真图。

图4为查表PID控制子算法及单系数PID控制方法的Simulink仿真图。

图5为带有启动/关闭保护的位置式PID控制子算法在空调系统进入启动模式后的工作流程图。

图6为本发明所提出的 “PID+FF前馈”闭环控制方法的Simulink仿真试验效果图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解和认识，下面结合附图对本发明作进一步描述和介绍。

一种基于纯电动汽车电动压缩机的PID+FF前馈闭环控制方法，包括以下步骤：获取电动汽车的空调系统的目标温度值，实时采集空调系统的当前温度值，计算目标温度值与当前温度值之间的温度误差值，根据温度误差值通过位置式PID控制算法计算出电动压缩机的转速值，并根据转速值对电动压缩机进行转速调节以实现对温度调节；其中，所述位置式PID控制算法包括带积分偏离的位置式PID控制子算法、带前馈补偿的位置式PID控制子算法和查表PID控制子算法，空调系统进入正常工作模式后，先根据温度误差值通过带积分偏离的位置式PID控制子算法、带前馈补偿的位置式PID控制子算法和查表PID控制子算法分别计算出一个电动压缩机的转速值，然后将得出的三个转速值进行加和计算得出一个总的转速值，最后利用该总转速值对电动压缩机进行转速调节。

如图1所示，首先将温度传感器采集的当前温度值（即图中实际温度值）与目标温度值进行差值计算，得到温度误差值，将温度误差值代入PID位置算法模块，PID位置算法模块根据位置式PID控制算法计算得出电动压缩机的转速值，实际温度值跟随转速值发生相应变化，最终达到闭环控制温度的效果。

空调系统的温度PID控制运算式为：

式中，u(n)为第k个采样时刻的控制输出，e(n)表示当前温度值，e(n-1)表示上一次采集的温度值，Kp为PID的P比例系数，Ki为PID的I积分系数，Kd为PID的D积分系数，T为采样周期。

当在大幅度增减目标温度值（即温度误差值较大）时，带前馈补偿的位置式PID控制子算法和查表PID控制子算法中的P比例系数对计算电动压缩机的转速值的作用较大，在当前温度值逼近目标温度值（即温度误差值较小）时，带前馈补偿的位置式PID控制子算法和查表PID控制子算法中的I积分系数对计算电动压缩机的转速值的作用较大，带积分偏离的位置式PID控制子算法主要是针对查表PID控制子算法中的I积分系数，在温度误差值达到理想值以内时，由于系统误差必然存在，查表PID控制子算法中的I积分系数会使整体PID的输出越来越大而影响系统的输出，因此需要通过带积分偏离的位置式PID控制子算法减弱I积分系数的作用，以让整个系统稳定。

为了实现对电动压缩机执行器的保护作用，所述位置式PID控制算法还包括带有启动/关闭保护的位置式PID控制子算法，在空调系统进入启动模式或关机时，采用带有启动/关闭保护的位置式PID控制子算法计算电动压缩机的转速值。

所述带有启动/关闭保护的位置式PID控制子算法的基本思路是：判断空调系统是否为初次启动，若是则根据当前的空调档位，将电动压缩机的转速由0以固定步长和固定时间慢慢增加并逼近至一个启动转速；判断空调系统是否关闭，若是则将当前电动压缩机的转速以固定步长和固定时间慢慢递减至0。

在空调系统进入启动模式后，当温度误差值的绝对值大于预先设定的温度误差绝限值（为一常数）时，采用带有启动/关闭保护的位置式PID控制子算法计算电动压缩机的转速值，在带有启动/关闭保护的位置式PID控制子算法中，固定步长即为固定的转速值，固定时间即为时间周期。

如图5所示，在判断出空调系统为初次上电后，根据空调的档位得出实际温度值与目标温度值之间的温度误差值，在温度误差值的绝对值err_temp_abs>温度误差绝限值err_temp_abs_Limit时，将电动压缩机的转速以固定转速进行增加，并随着电动压缩机转速的增加，实际温度值将逐渐逼近目标温度值，并在温度误差值的绝对值err_temp_abs<=err_temp_abs_Limit时，空调系统退出启动模式，进入正常（Nomal）模式开启PID闭环运算控制。

其中，所述带积分偏离的位置式PID控制子算法的基本思路是：在当前温度值与目标温度值之间偏差较大时，采用小积分系数计算电动压缩机的转速值，以减小积分作用，在温度误差值逼近到特定区间时，采用大积分系数计算电动压缩机的转速值，以减小稳态误差，而在温度误差值达到理想区间时，将积分系数设置为0进行计算电动压缩机的转速值，以取消积分作用。

在带积分偏离的位置式PID控制子算法中，所述小积分系数为K_I_LOW，大积分系数为K_I_HIGH，所述特定区间为[I_Limit_L, I_Limit_H]，其中，I_Limit_L和I_Limit_H是两个温度阈值，并且I_Limit_L<I_Limit_H，所述理想区间为[0, I_Limit_L)，温度误差值逼近到特定区间具体是指温度误差值的绝对值在特定区间中取值，温度误差值达到理想区间具体是指温度误差值的绝对值在理想区间中取值，而温度误差值较大具体是指温度误差值的绝对值大于温度阈值I_Limit_H。

如图2所示，图中e(n)表示当前温度值，e(n-1)表示上一次采集的温度值，e_abs表示温度误差值的绝对值，在e_abs大于温度阈值I_Limit_H时，即温度误差值较大时，采用小积分系数K_I_LOW，以减少I的作用，而在e_abs逼近到特定区间 [I_Limit_L, I_Limit_H]时，采用大积分系数K_I_HIGH，以使积分系数开始介入并减小稳态误差，最终在e_abs达到理想区间[0, I_Limit_L)时，将积分系数设为0，以防止积分系数不断累积而引起系统震荡。

所述带前馈补偿的位置式PID控制子算法的基本思路是：利用目标温度值进行查表得出一个电动压缩机的转速补偿值，将转速补偿值与通过带积分偏离的位置式PID控制子算法及查表PID控制子算法计算得出的转速值进行加和计算得出最终的转速值。

如图3所示，图中evapTempTgt为目标温度值，EAC_PID_AcSpeed为PID位置算法模块计算得出的电动压缩机的转速值。根据目标温度值查表得出的一个电动压缩机的转速补偿值EAC_PID_FF_TAB，并将EAC_PID_AcSpeed与EAC_PID_FF_TAB进行加和计算得出最终输出的转速值EAC_PID_AcSpeed_Fnl，这样有效提高了空调系统的系统响应性。

所述查表PID控制子算法的基本思路是：根据温度误差值分别进行查表运算得出一个比例系数、一个积分系数和一个微分系数，将查表得出的比例系数、积分系数和微分系数代入PID与电动压缩机的转速换算关系式中计算得出电动压缩机的转速值。

如图4所示，将查表PID控制子算法与单系数PID控制方法进行比较可知，采用查表PID控制子算法能够使得控制更加精确。图中只列举了比例系数P的查表对应过程，至于积分系数I和微分系数D的查表对应过程与比例系数P的完全相同。

如图6所示，根据图表可以看出，在空调系统的电动压缩机的档位调节时（即AC档位变化，具体为图中由下往上数至第三条数据线），电动压缩机立即响应，从而使得蒸发器温度在短时间内逼近目标温度，即蒸发器实际温度线逼近蒸发器目标温度线，其中，实际温度线为图中由下往上数至第一条数据线，目标温度线为图中由下往上数至第二条数据线。图中由下往上数至第四条数据线表示鼓风机档位。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。