基于主動(dòng)耦合干預(yù)的無(wú)級(jí)變速器速比控制

郝允志 孫冬野 秦大同 林歆悠

1. 重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，4000442. 西南大學(xué)智能傳動(dòng)工程技術(shù)研究中心，重慶，400715

0 引言

瞬態(tài)工況占?xì)W洲行駛循環(huán)工況(new european driving cycle, NEDC)和日本10-15循環(huán)工況行駛距離的比例均在30%以上，因此瞬態(tài)工況下的傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化控制對(duì)提高車輛性能具有重要意義[1-2]。對(duì)于無(wú)級(jí)變速器(continuously variable transmission, CVT)，優(yōu)化速比控制，以合理的速比變化率跟蹤目標(biāo)速比，是提高車輛瞬態(tài)工況性能的關(guān)鍵。

為提高速比控制性能，需要對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的特性進(jìn)行研究。Kim等[3]、何仁等[4]對(duì)速比控制閥進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分別提出了優(yōu)化的模糊控制算法和滯后補(bǔ)償算法。Kim等[5]建立液壓系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)了改進(jìn)的PID速比控制算法。Kim等[6]、鄧濤等[7]考慮傳動(dòng)損失、系統(tǒng)響應(yīng)滯后和功率儲(chǔ)備等因素，提出對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器進(jìn)行集成控制，設(shè)計(jì)了τ算法、轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償算法和轉(zhuǎn)速補(bǔ)償算法。

夾緊力控制與速比控制之間具有耦合關(guān)系。現(xiàn)有的控制方法通常對(duì)速比和夾緊力進(jìn)行獨(dú)立控制，而不考慮兩者之間的耦合關(guān)系[8-10]。分析表明，僅通過(guò)調(diào)節(jié)主動(dòng)輪油缸壓力來(lái)控制速比，不能充分利用液壓系統(tǒng)的工作能力。為提高瞬態(tài)工況下的速比控制性能，本文提出對(duì)夾緊力和速比進(jìn)行協(xié)同控制，利用兩者之間的耦合作用，通過(guò)聯(lián)合調(diào)節(jié)主從動(dòng)輪油缸壓力來(lái)干預(yù)速比控制，擴(kuò)大速比變化率可控范圍。從速比跟蹤性能、經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、工況適應(yīng)性、傳動(dòng)可靠性和舒適性等方面，對(duì)耦合干預(yù)控制方法進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明該方法能夠在不降低車輛原有性能的基礎(chǔ)上，從多方面改善車輛性能。

1 速比變化率特性分析與試驗(yàn)

為建立準(zhǔn)確的傳動(dòng)系統(tǒng)模型和設(shè)計(jì)控制算法，首先討論速比變化率與車輛性能的關(guān)系，分析速比變化率的影響因素，并進(jìn)行試驗(yàn)。

1.1 速比變化率與車輛性能之間的矛盾

速比變化率對(duì)車輛性能的影響主要包括兩個(gè)方面：①?gòu)慕?jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性方面考慮，提高速比變化率能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器更快地過(guò)渡到目標(biāo)工況，使發(fā)動(dòng)機(jī)沿最佳經(jīng)濟(jì)/動(dòng)力線等設(shè)定工作線運(yùn)行；②從舒適性方面考慮，希望限制速比變化率，防止造成車輛頓挫或前沖而影響舒適性。由此可見(jiàn)，如果擴(kuò)大速比變化率的可控范圍，在速比控制中包含對(duì)速比變化率的控制，有利于進(jìn)一步提高車輛性能。

1.2 速比變化率的可控參數(shù)

速比變化率的計(jì)算公式為

(1)

穩(wěn)態(tài)下的主從動(dòng)輪夾緊力之比為

(2)

(3)

在特定工況下，即速比i和主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速np已知的情況下，Ki、RF、As和Ap由變速器的固有特性和結(jié)構(gòu)決定，因此只能通過(guò)調(diào)節(jié)pp和ps來(lái)改變速比變化率。

1.3 速比變化率試驗(yàn)

主從動(dòng)輪夾緊力與速比之間的關(guān)系難以精確地用解析式描述，夾緊力比值的理論值與實(shí)際值存在較大誤差，因此式(3)中的Ki和RF通過(guò)CVT臺(tái)架試驗(yàn)確定，在不同轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)壓力條件下，突然改變主動(dòng)輪油缸壓力，根據(jù)速比變化曲線即可得到速比變化率，試驗(yàn)方法在文獻(xiàn)[10]中已有論述。

RF主要取決于轉(zhuǎn)矩比和速比，其中轉(zhuǎn)矩比定義為RT=Tp/Tpmax，Tp是在系統(tǒng)壓力ps和速比i時(shí)所能傳遞的轉(zhuǎn)矩，Tpmax為其最大值。試驗(yàn)結(jié)果整理后如圖1所示，該結(jié)果用于對(duì)速比變化率的分析和計(jì)算。

(a)RF的試驗(yàn)結(jié)果(b)Ki的試驗(yàn)結(jié)果圖1 RF和Ki的試驗(yàn)結(jié)果

2 基于主動(dòng)耦合干預(yù)的速比控制

2.1 主動(dòng)耦合干預(yù)控制方法的基本原理

所謂主動(dòng)耦合干預(yù)控制，就是對(duì)夾緊力和速比進(jìn)行協(xié)同控制，利用兩者之間的耦合作用，通過(guò)聯(lián)合調(diào)節(jié)主從動(dòng)輪油缸壓力來(lái)干預(yù)速比控制，擴(kuò)大速比變化率可控范圍。速比控制包括速比增大和速比減小兩種情況，下面分別論述。

2.1.1目標(biāo)速比大于實(shí)際速比

由于降低速比變化率比較容易實(shí)現(xiàn)，因此只需研究該控制方法所能達(dá)到的最大速比變化率。根據(jù)式(3)，為了得到最大速比變化率，將速比閥卸油口開(kāi)至最大，則主動(dòng)輪油缸壓力pp迅速減小，可得

(4)

在特定車輛工況下，式(4)中只有ps可以直接控制，RF隨ps的變化而變化。根據(jù)圖1a容易證明，RFps隨ps的增大而增大，則最大速比變化率為

(5)

可見(jiàn)，在速比增大時(shí)，如果在主動(dòng)輪油缸壓力降至最低時(shí)仍不能滿足對(duì)速比變化率的要求，那么就需要通過(guò)增大從動(dòng)輪油缸壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.1.2目標(biāo)速比小于實(shí)際速比

為了充分發(fā)揮液壓系統(tǒng)所能提供的最大速比變化率，主動(dòng)輪油缸壓力pp應(yīng)盡可能取最大值，當(dāng)主動(dòng)輪油缸壓力低于最大值ppmax時(shí)，即pp

顯而易見(jiàn)，為了提高速比變化率，在主動(dòng)輪油缸壓力達(dá)到最大值ppmax時(shí)，不應(yīng)再繼續(xù)增大從動(dòng)輪油缸壓力。根據(jù)式(3)可得

(6)

為了覆蓋夾緊力比值范圍，主從動(dòng)輪液壓缸工作面積需滿足關(guān)系式：1-RFmax(As/Ap)>0，由式(6)容易得到最大速比變化率為

(7)

可見(jiàn)，當(dāng)目標(biāo)速比減小時(shí)，如果要提高速比變化率，在主動(dòng)輪油缸壓力低于最大值ppmax時(shí)，增大從動(dòng)輪油缸壓力即可提高速比變化率。

對(duì)比式(5)和式(7)，由于psmax>ppmax，并且由圖1a容易推出，RF>1-RF(As/Ap)，所以在大多數(shù)工況下，增大速比所能實(shí)現(xiàn)的最大速比變化率大于減小速比所能實(shí)現(xiàn)的最大速比變化率，這對(duì)于提高動(dòng)力性和安全性是有利的，因?yàn)镃VT設(shè)計(jì)中對(duì)快速降擋的要求高于對(duì)快速升擋的要求。

2.1.3速比變化率可控范圍

為了定量分析主動(dòng)耦合干預(yù)控制方式對(duì)速比變化率可控范圍的影響，下面以特定工況為例，分別對(duì)速比增大和速比減小兩種情況進(jìn)行估算。取Tp=50N·m，np=1500r/min，經(jīng)計(jì)算，結(jié)果如表1所示。采用主動(dòng)耦合干預(yù)控制方式，在速比增大和減小時(shí)，最大速比變化率增大為原來(lái)的3.04倍和1.26倍。由此表明，主動(dòng)耦合控制方式對(duì)擴(kuò)大速比變化率可控范圍具有十分明顯的效果。

表1 速比變化率可控范圍比較

2.2 主動(dòng)耦合干預(yù)控制方法的實(shí)現(xiàn)

速比控制在很大程度上就是對(duì)速比變化率的控制。由于現(xiàn)有CVT中沒(méi)有主動(dòng)輪油缸壓力傳感器，不能根據(jù)目標(biāo)速比變化率計(jì)算目標(biāo)油缸壓力，并對(duì)速比變化率采取簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)控制方式，故只能通過(guò)實(shí)際速比計(jì)算速比變化率，采取閉環(huán)控制方式。速比控制和夾緊力控制模型的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

與傳統(tǒng)的控制模型相比，該模型只增加了夾緊力修正控制器模塊，其余的模塊不作改動(dòng)。借鑒現(xiàn)有文獻(xiàn)中針對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)特性而設(shè)計(jì)的控制算法[5]，夾緊力修正控制器采用帶滯后補(bǔ)償?shù)姆侄蜳ID控制算法。系統(tǒng)壓力控制量由兩部分組成：夾緊力控制器的輸出控制量和夾緊力修正控制器的輸出控制量。

2.3 傳動(dòng)可靠性和傳動(dòng)效率

設(shè)計(jì)夾緊力修正控制器應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：①由于提高速比變化率是通過(guò)提高系統(tǒng)壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以實(shí)際夾緊力高于目標(biāo)夾緊力，保證了轉(zhuǎn)矩的可靠傳遞；②為了提高系統(tǒng)效率，需要在速比誤差較小時(shí)，恢復(fù)傳統(tǒng)的夾緊力控制，此時(shí)夾緊力修正控制器輸出為零，以降低夾緊力和提高傳動(dòng)效率。

2.4 速比變化率的限制與舒適性

耦合干預(yù)控制僅在當(dāng)前速比變化率不能滿足要求時(shí)才提高速比變化率，旨在提供一種擴(kuò)大速比變化率可控范圍的方法，兼容現(xiàn)有的速比變化率限制方法。在速比控制中需要對(duì)速比變化率進(jìn)行限制，避免對(duì)車輛舒適性造成不利影響，速比變化率限制方法已在許多文獻(xiàn)中有論述，如根據(jù)工況計(jì)算速比變化率限制值[7]，或直接以車速、加速度或發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率作為控制目標(biāo)等。

3 耦合干預(yù)控制法的控制性能分析

為研究耦合干預(yù)控制方法的性能，將其與常規(guī)控制方法進(jìn)行較為全面的對(duì)比，考察主動(dòng)耦合干預(yù)控制方法的可行性和控制效果。前文已經(jīng)對(duì)與夾緊力控制相關(guān)的傳動(dòng)可靠性、傳動(dòng)效率、與速比變化率相關(guān)的舒適性進(jìn)行了討論，下面對(duì)速比跟蹤性能、經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、惡劣工況適應(yīng)性進(jìn)行論述。

3.1 目標(biāo)速比跟蹤性能

本文采用基于功率需求的控制策略，加速踏板開(kāi)度代表駕駛員對(duì)車輛的有效功率需求。目標(biāo)速比取決于加速踏板開(kāi)度和車速，通過(guò)施加階躍的加速踏板開(kāi)度就可使目標(biāo)速比發(fā)生突變。

行駛工況分為5個(gè)階段：①車輛以大油門(mén)起步加速至13km/h左右，此時(shí)變矩器處于解鎖狀態(tài)，目標(biāo)速比為最大速比；②加速踏板開(kāi)度突然降至10%，目標(biāo)速比減小，車速保持基本穩(wěn)定；③加速踏板開(kāi)度階躍至最大值，目標(biāo)速比突然增大，車輛處于急加速工況，變矩器在車速達(dá)到15km/h時(shí)閉鎖；④車輛加速至40km/h左右時(shí)，加速踏板開(kāi)度突然減小至10%，目標(biāo)速比隨之減小，車速保持基本穩(wěn)定；⑤加速踏板開(kāi)度再次階躍至最大值，目標(biāo)速比再次突然增大，車輛處于急加速工況。仿真結(jié)果如圖3所示，整個(gè)過(guò)程包括變矩器解鎖工況下的速比突增和突降，變矩器閉鎖工況下的速比突增和突降，共計(jì)四種突變工況下的目標(biāo)速比跟蹤性能仿真。

圖3 目標(biāo)速比跟蹤性能仿真結(jié)果

在工況①階段，兩種控制方法的車輛起步加速性能接近，這是因?yàn)槠鸩綍r(shí)的初始速比和目標(biāo)速比都是最大速比。整個(gè)起步過(guò)程的速比變化率處于較低水平，且設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)就保證了常規(guī)控制方法可以滿足起步工況對(duì)速比變化率的要求。

在工況②和④階段，目標(biāo)速比減小，耦合干預(yù)控制方法使系統(tǒng)壓力增大，速比變化率略有提高，速比誤差平均減小11%。

在工況③和⑤階段，目標(biāo)速比增大，耦合干預(yù)控制方法使速比變化率有了較大提高，平均速比誤差減小53%，加速性能優(yōu)勢(shì)明顯。

3.2 經(jīng)濟(jì)性

為了分析耦合干預(yù)控制方法對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響，進(jìn)行了循環(huán)工況仿真，結(jié)果如表2所示。通過(guò)暫時(shí)提高系統(tǒng)壓力來(lái)調(diào)節(jié)速比變化率，在一定時(shí)間內(nèi)，必然造成夾緊力增大而傳動(dòng)效率降低，同時(shí)液壓系統(tǒng)損失也會(huì)增加。

表2 兩種控制方式經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

兩種控制方式經(jīng)濟(jì)性對(duì)比結(jié)果表明，耦合干預(yù)控制方法對(duì)循環(huán)工況的燃油經(jīng)濟(jì)性影響較小，在美國(guó)城市道路工況(urban dynamometer driving schedule, UDDS)下經(jīng)濟(jì)性略有提高。這是因?yàn)轳詈细深A(yù)控制僅作用于目標(biāo)速比快速變化的工況，而在循環(huán)工況中的目標(biāo)速比變化基本都比較平緩。此外，速比變化率的提高使傳動(dòng)系統(tǒng)達(dá)到高效率目標(biāo)工況點(diǎn)更快，彌補(bǔ)了因夾緊力增大而造成的功率損失。

3.3 動(dòng)力性

在3.2節(jié)中已經(jīng)討論了起步加速工況，本節(jié)從超車加速工況考察動(dòng)力性能。行駛工況設(shè)定為：①車輛正常起步，至車速基本穩(wěn)定在30km/h；②為了超車，加速踏板開(kāi)度突然開(kāi)至最大，車輛進(jìn)入急加速工況，仿真結(jié)果如圖4所示。耦合干預(yù)控制方法提高了車輛的超車加速性能，從30km/h加速到60km/h加速時(shí)間縮短約0.7s。

圖4 超車加速仿真結(jié)果

圖4中顯示，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度階躍為最大值后的短時(shí)間內(nèi)，采用耦合干預(yù)控制方法的車輛加速性能與常規(guī)控制方法性能接近，大約1s后才開(kāi)始表現(xiàn)出動(dòng)力性方面的優(yōu)勢(shì)。這是因?yàn)榧奔铀俟r下的速比變化率處于限制值，發(fā)動(dòng)機(jī)功率主要用于給自身和飛輪加速，傳遞至車輪的功率并未得到快速增大。

3.4 惡劣工況適應(yīng)性

車輛由冰面打滑工況突然進(jìn)入正常路面是一種比較惡劣的工況，對(duì)該工況進(jìn)行仿真有利于考察耦合干預(yù)控制方法對(duì)工況變化的適應(yīng)性。行駛工況設(shè)定為：①車輛驅(qū)動(dòng)輪(前輪)位于冰面上，后輪位于滾動(dòng)阻力較大的路面，車輛啟動(dòng)后隨即進(jìn)入打滑工況，并逐漸穩(wěn)定；②驅(qū)動(dòng)輪突然進(jìn)入水泥路面，結(jié)束打滑過(guò)程，駕駛員加大油門(mén)使車輪快速脫離冰面，車輛加速行駛。雖然后輪隨后也進(jìn)入冰面，但由于后輪不提供驅(qū)動(dòng)力，僅僅使車輛滾動(dòng)阻力降低，因此對(duì)車輛的行駛狀態(tài)影響較小。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)輪打滑工況仿真結(jié)果

車輪打滑工況屬于輕載工況，目標(biāo)速比較小，車輛驅(qū)動(dòng)能力弱，在由低附著系數(shù)路面突然進(jìn)入高附著系數(shù)路面時(shí)，需要快速提高驅(qū)動(dòng)能力，要求速比快速增大。由圖5可見(jiàn)，采用耦合干預(yù)控制法，在車輛進(jìn)入正常路面時(shí)具有更好的加速性能，變矩器閉鎖時(shí)間提前約0.5s，從而使車輛更容易通過(guò)具有低附著系數(shù)的路段。同時(shí)由于速比變化率的提高，更容易避免金屬帶的打滑，增強(qiáng)了對(duì)道路附著系數(shù)突變等特殊工況的適應(yīng)能力。

4 結(jié)論

(1)提出了基于主動(dòng)耦合干預(yù)的無(wú)級(jí)變速器速比控制方法。利用夾緊力控制與速比控制之間的耦合作用，在保證傳動(dòng)可靠的基礎(chǔ)上，通過(guò)聯(lián)合調(diào)節(jié)主從動(dòng)輪油缸壓力來(lái)干預(yù)速比控制，暫時(shí)提高系統(tǒng)壓力，擴(kuò)大速比變化率的可控范圍。

(2)從速比跟蹤性能、經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、惡劣工況適應(yīng)性、與夾緊力相關(guān)的傳動(dòng)可靠性、與速比變化率相關(guān)的舒適性等方面，研究主動(dòng)耦合干預(yù)控制方法的控制性能。對(duì)踏板開(kāi)度突變工況、超車加速工況、車輪打滑工況和循環(huán)工況等工況進(jìn)行仿真，結(jié)果表明：主動(dòng)耦合干預(yù)控制法在保證可靠性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性的前提下，改善了速比跟蹤性能，提高了動(dòng)力性，增強(qiáng)了對(duì)驅(qū)動(dòng)輪打滑等惡劣工況的適應(yīng)性，其中目標(biāo)速比階躍工況下的速比跟蹤誤差減小11%～53%，從30km/h加速到60km/h超車加速時(shí)間縮短約0.7s。

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