汽车无级变速传动系统综合控制的研究

ｃｃ．，——发动机输出角速度
卜一传动系统等价转动惯量
Ｊ。——ｃＶＴ的Biblioteka 动惯量Ｊ。——发动机的转动惯量
Ｊ．——轮胎的转动惯量
ｉ。——ｃｖＴ的传动比
２呻０年２月
王红岩等：汽车无级变速传动系统综合控制的研究
ｉ０＿一主传动器传动比
ｍ——汽车质量
，＿汽车阻力 Ｆｄ——汽车驱动力
“——车速 。，——车轮切向速度 。——汽车加速度 ｒ。——车轮半径 ｐ——附着率 ＾——滑转率 Ａ——汽车迎风面积 ｃｄ——风阻系数
参考文献
ｃ删ｄａｔｅｄ ｌ 毗ｅ乌１１ｉ Ｔ出ｙａ眦，ｅｔ ａｌ Ｅｘｐｅ血蝴ｎａＩ ａＩｌ出ｙ蛐０ｆ ｅｒ咖ｅ＿ＣＶＴ ｏ毗ｌｌｒ０１．自动车技术会议论文集．１９９５，２６（４）：
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ｃ、丌蚰ｄ哪百ｎｅ ０ｐ曲“叩ｅ碰啪畸
Ｙｏｌｏｂ ｄｅｃ岫一畸ｄｒａＩｌＩｉｃ ｃｏｒ州．Ｉｎ：ＰＩｏｃ ０ｆ ＪＳＡＥ ＣｖＴ‘９６
产一路面附着系数
口——路面坡度角 ｐ——空气密度 鼻——重力加速度 在系统模型中，发动机的输出转矩是在每个采 样周期内通过查表获得的，数表由发动机稳态试验 数据制成，它是关于发动机节气门开度日和角速度 ｗ，的函数。在图ｌ的车轮一路的模型框图中，滑转 率＾是车速”与轮速”。的函数。附着率岸是滑转率 Ａ与车速。的函数，文中假设汽车在干燥的沥清路面 行驶，不会发生打滑现象，ｎ一”，。
６周云山，裘熙定．王红岩．汽车无级变速传动（ｃｖｒ）建模
与仿真．汽车工程，１９９８（５）：２８５—２８９
７诸静摸糊控制原理与应用．北京：机械工业出版社，
１９９５
ＳｎⅢⅣ０Ｎ Ｓ啊姐日ＥＳⅡ噩Ｄ ｏＤ】啪唧【０ＩＬ
ＴＲＡＮ鳓麟１０Ｎ ＾ｄ毗１１日ＤＤ ｏＦ ｏＤＩ哪皿吼１０ＩＩＪｓＩⅣＶＡＲＩＡＢＩ凰 ＳＹｓ＝【驷Ｍ ０Ｆ ＣＡＲ
为了使汽车和发动机工况均处于独立的任意工 作状态，保证更好地实现汽车和发动机性能，文中采 用具有双变量闭环反馈控制的综合控制系统，由两个 独立的控制器产生的控制量△日和△ｉ。。分别控制汽
机械 工 程 学 报
第３６卷第２期
车工况和发动机工作点，这种方法具有解耦的效果。
２．３ 控制器设计
本文针对上述的控制算法，分别设计了模糊控
控制，发动机节气门开度为自由控制量。为了验证所 建传动系统模型的正确性，将系统在一定初始速度 下加速的试验结果【３１与单变量ＰＩＤ控制的仿真结果 进行比较，试验样机具有相当于ＰＩ控制的液压控制 系统。结果表明两者具有良好的一致性，见图３。
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角娃－．，（Ｔ一··４ Ｊ
图３ 试验结果与仿真结果比较
图ｌ系统模型框图
由图１得
ｔ（口，ｍ。）一ｔ＝如ｅ
（Ｉ）
Ｊ＝Ｊ。＋Ｊ州／（ｉ州１）２＋Ｊ／（Ｅｏｆ叭）２
（２）
ｎ一，，＝Ｍ
（３）
Ｆｄ＝［严（＾，口）＋门嘴
（４）
Ｆ，＝心ｄ山２／２＋啊（ｓｉｎ卢＋，）
（５）
１忑 ２Ⅱ７ｌ∞ｅ
‰５
（６）
Ａ＝（口，一口）／口。
（７）
式中 ｒ，——发动机输出转矩 口——发动机节气门开度
。卺（去（一ａ＋两）） 式（６）、（８）、（９）可以求得实现发动机沿最经济工作
线运行的目标速比
ｎＯ）
０
墨
Ｃ
．Ｒ
辞 一
车量。
图２ 发动机燃油最经济算法示意图
当只＜１３．８７ ｋｗ时，发动机在理想线ｍ上运转，目
标速比为
。等％－
（１１）
由式（１０）、（１１）得到目标速比值作为速比控制 器的目标输人量。
由系统模型可知，系统的输Ａ量为发动机节气门 开度日和无级变速器速比‰。在通常情况下，对变速 器速比进行控制，而发动机油门设置为自由控制量。 ２．２ 综合控制算法
２ 控制算法及控制器的设计
２．１ 实现发动机燃油经济最优化的算法
图２表示发动机的万有特性图。发动机燃油最 经济工作点是由各等功率双曲线与等油耗线切线的
连接点构成，近似为直线，称理想线ｎ。设定发动机
的最低可控转速下限为ｍ“，称理想线ｍ。 理想线ｎ由下式表示
ｔ＝Ⅲ。＋６
（８）
式中 ｏ，６——理想线ｎ的斜率和截距
叫】＝Ｐ（Ｅ）＾Ｐ（△Ｅ） 刨２＝Ⅳ（Ｅ）＾Ⅳ（△Ｅ）（１６）
各规则的输出为
ｚＩ＝一一‘（刨１）
ｚ２＝Ⅳ＿１（叫２）
（１７）
总的输出 晶（ｃ㈦：函＝篙（１８）
控制器输出控制量为
△ｕ＝磊ｔ△。
（１９）
式中 ｋ。。——控制量的比例因子 按以上步骤求得的模糊控制的输入、输出关系
呈曲面形状，这使控制系统具有良好的鲁棒性。
４ 结论
（１）建立了具有非线性特征的汽车无级变速传 动系统模型，并通过系统加速性能的试验验证了所 建模型的正确性。
（２）提出了实现汽车加速度性能和保证发动机 万方数据
在最小燃油经济工作线上运转的双变量综合控制算
法，构造了具有闭环反馈回路的综合控制系统。设计 了相应的模糊控制器和ＰＩＤ控制器。
（３）通过对系统仿真分析得出：单变量反馈控 制系统在加速过程中基本上可以满足汽车发动机最 佳燃油经济性的要求，但受到外界扰动阻力时燃油 经济性变差。双变量综合控制时，模糊控制可以保证 汽车和发动机处于独立的工作状态，具有良好的解 耦效果。而ＰＩＤ控制的解耦效果较差。模糊控制算法 优于ＰＩＤ控制算法。
Ｐ（ｚ）＝ｌ／［１＋唧（一“）］
ｆ１４）
。
’
Ⅳ（ｚ）＝Ｐ（一ｘ）
其后部隶属函数为
一（』）＝ｄ（ｘ—１）＋ｌ ．Ⅳ’（ｘ）：Ｐ’（一』）
，：，、 。１），
式中 ｃ，ｄ——隶属函数的趋向度，取正值，它通过
仿真优化选定
模糊推论法采用了日本学者提出的间接方
法【”。各控制规则的隶属度ｕ。取相应隶属函数极小
的值
ＰａＤｅｒ涮∞９６０６５０１
３王红岩．金属带式无级变速传动系统分析、匹配与综合控制
的研究：［博士学位论文］．长春：吉林工业大学，１９９８
４裘熙定，王红岩，周云山．轿车金属带式无级变速传动的
发展现状与趋势．汽车技术，１９９８（４）：ｌ～５
５周云山，裘熙定，王红岩．无级变速传动（ｃ订）电子控制
系统的动态建模．中国机械工程，１９９８（３）：７１～７３
发动机功率由下式表示
Ｐ。＝２ⅡＲ一。
（９）
如图２，当汽车以一定速度¨行驶时，容易找到
使发动机在最经济工作线上运行的速比。此时发动
机工作点为ｃ，发动机功率为＾，通过调节无级变
速器的速比ｉ…使发动机在功率线与理想线ｎ的交
点ｄ（ｃ—ｃ。）上运转，即实现一定车速下的发动机 燃油经济最优化。
当汽车加速时（¨一如），将汽车看成连续匀速 行驶状态，在每个发动机输出功率下，调节无级变速 器速比ｉ… 万使方发数动据机在理想线上运行（ｃ‘一Ｄ’）。由
１系统模型
本文研究对象是包括由发动机一无级变速器一 车轮一车体一负荷组成的汽车，无级变速采用的是 金属带式无级变速器，将传动系统的转动惯量向发
＊
原国家科委重点攻关资助项目（雕＾蝤蝴）．国家自拣科学基金
资助项目 万｛，方％数５】据∞）。１９唰２２９收到初稿，１９９９∞３０收到修改璃
动机输出轴上简化，对于由发动机一无级变速器一 车轮一车体一负荷组成的系统，可得图１所示的系 统模型。
无级变速传动能使汽车在行驶过程中速比根据 行驶工况实现无级的连续变化，使汽车获得最佳的 燃料经济性和动力性，降低排放污染等。目前，世界 上广泛使用的是金属带式无级变速器，它除了具有 无级传动的优点外，还具有较大的功率传递容量、高 的传动效率和长的使用寿命等特点。当前，世界上 大约有１００多万辆轿车装备了此种变速器【“…。
对于一定的汽车，发动机特性和传动系参数对其 经济性和动力性起着重要作用。为提高汽车的动力 性和经济性，在设计阶段应使两者达到最佳匹配，在 使用中应使两者协同工作，即实现两者的综合控制。
在汽车行驶过程中，发动机和汽车的工况始终 处于一个动态变化的过程中，很难使发动机长时间 在最经济工作点运转。在采用无级变速器后，对发 动机节气门开度和变速器速比以柔性控制方式进行 综合控制，可使发动机沿最经济工作点运转。同时， 传动系统的综合控制还能满足驾驶员对汽车加速性 能的要求”－’。
对发动机节气门开度输人阶跃信号，通过仿真 考察汽车在一定的匀速状态下的加速过程中汽车和 发动机的运转状态，同时考察汽车遇到路面干扰阻 力时．控制器对变速器速比的控制以及发动机工作 点的变化情况。
图４为采用模糊控制和ＨＤ控制的仿真结果。由 图４可知，在恒油门加速的初始阶段，两种控制方法 均能控制发动机在最经济工作区运转。出现干扰阻 力后，控制系统控制速比向低挡方向变化以增加车 轮的驱动力，此时发动机工作点向该油门开度下的 最大功率点方向移动。干扰阻力消失后，发动机工作 点又向最经济工作Ｉ蔓移动。采用模糊控制，在干扰阻 力出现后跃向最大功率方向，而ＨＤ控制是逐渐滑
综合控制算法。建立了具有双变量闭环回路控制的综合控制系统，设计出模糊控制器和咖控制器，最后通过仿
真比较了两种控制方法对综合控制效果的影响。 叙词：无级变速传动系统控制算法综合控制仿真 中圈分类号：ｕ４６３
Ｏ前言
近年来，节能和环保日益受到全世界的重视，对 汽车节能和降低排放擂染的要求也越来越高，各国 开始实行减少发动机油耗和降低排放污染的政策。
２．３．２ ＰＩＤ控制器设计
为避免ＰＩＤ控制中的积分饱和现象和微分突变
现象，需要对标准的ＰＩＤ控制加以改造。控制器中加
入了饱和限幅的非线性环节，微分环节对较为平滑
的辖出信号作用，以消除微分突变现象。 系统中两个控制器的目标输入分别为目标车速
和目标速比。
３．１ 单变■控制 如图１，单变量控制只对无级变速器速比进行