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金属带式无级变速器的比例控制研究
摘要：金属带式无级变速器(CVT)作为汽车的一种理想的变速器，一直有着有广阔的发展空间和市场前景。同目前广泛使用的液力式自动变速器(AT)相比较，它有很多优点，比如性能表现优秀，结构简单，价格低廉，并且可以实现无级不间断的变速。在这之中，加速度控制是它的核心技术。这篇文章详细介绍了金属带式无级变速器(CVT)的发展状况，国内发展现状与发展趋势。本文建立了发动机的仿真模型，金属带式无级变速器(CVT)的能量传递的仿真模型以及用PID方法建立了比例控制模型。并且，把用Matlab建立的模型与PID所建立比例控制模型的相结合。然后针对金属带式无级变速器(CVT)做了坡道起步，循环工况的分析与模拟仿真。
关键词：金属带式无级变速器(CVT)的加速度控制；比例-积分-微分(PID)控制
1概述
金属带式无级变速器(CVT)是一种理想的变速传动装置，它有许多优点，比如：有简单并且完整的结构，操作起来很方便，容易控制，制造成本较低，效率高并且有害气体排放少等。在中国具有非常广阔的发展空间与市场前景。金属带式无级变速器是一种新型变速机构，其整合了机械控制，液压控制，电子与电脑控制。目前这种变速器在我们国家仍在研究与发展之中，在变速机械结构的设计与测试方面仍然存在很多难以攻破的问题，而掌握这些理论和核心技术对于增强我们国内汽车的水平和减小与发达国家之间的差距具有重要的意义，同时，这也是全世界汽车公司的共同目标。
2金属带式无级变速器(CVT)的基本结构与换挡原理
金属带式无级变速器(CVT)系统是由主动轮、驱动轮(从动轮)、金属带、液压泵以及其它基本构件液组成的。它的基本工作构件是一个主动轮、一个驱动轮和一条金属带，以及液压泵等其它部分。从发动机输出的能量输送给主动轮，然后通过V型金属带传递给驱动轮，然后通过差速器传给汽车的车轮来驱动汽车前进或后退。无级变速器的主动轮与驱动轮都是由一个固定的带轮和一个可动的带轮构成，并且它们都是锥形结构。可移动的带轮和不可移动的带轮构成了一个V型小槽，板与带之间的半径是由移动板的轴向距离决定的，从而来改变变速器的传动比。驾驶员通过操纵系统改变液压油的压力，以此来推动主动轮以改变其位置，由于主动轮与驱动轮二者之间的接触半径能够实现连续的调整，从而可以实现变速器传动比的连续变化。
图1.P811金属带式无级变速器(CVT)的结构
3金属带式无级变速器(CVT)的比例控制策略与比例-积分-微分(PID)控制的速度控制器设计。
3.1 速度比例控制
金属带式无级变速器的表现主要取决于两个主要因素：1)发动机和变速器比例分配模式以及变速器在不同条件下的不同目标速度比例。2)在决定了变速器的目标比例之后，它的重要工作是通过控制系统使实际比例能够准确的跟上目标比例从而实现无误差控制。为了使无级变速满足这两个条件，其作为金属带式无级变速器核心的控制系统必须被完善的建立，该控制系统也是决定汽车燃油经济性与汽车各项性能的重要部分。
本篇文章给出了一个方法，即在用驱动轮油液压力保持夹紧力和扭转力性能的前提下，通过只改变主动轮油液压力的方法来调节速度比例。
为了使发动机总是工作在驾驶员所选择的模式（经济模式或者是性能模式），也就是意味着在某种驾驶模式情况下，当驾驶员按下加速键来设置一个目标发动机转速与目标车速。速度比例的控制原理是在节气门开度变化的过程中，使发动机的速度在最短的时间内通过比例控制达到目标速度，从而来确保发动机工作在性能模式或者经济模式。因此，通过发动机的速度测试数据，我们必须得到发动机在经济模式与性能模式下的目标转速与目标控制比例，并且通过控制运算法则来在不同的模式和道路状态下控制实际的比例，有效地跟踪目标比例从而实现所需要的控制结果。
3.2比例-积分-微分(PID)的速度控制器设计
比例-积分-微分(PID)速度控制器是一个有着成熟的技术和广泛在无极变速系统里使用的控制模式，由于它有着简单的结构，容易调整的数量、参数和在长期实践中积累的丰富的经验等众多优点，所以它被广泛的使用。现在，全世界的无级变速器大都是都是采用的比例-积分-微分(PID)控制器。
PID比例控制器模型是用来实现一个实际比例对目标比例的跟踪，通过这种方式，使汽车工作在驾驶员所选择的合适的经济置位点或者合适的性能模式位置点上。
图2.金属带式无级变速器(CVT)的比例控制流程图
3.2.1目标速度比例的决定
金属带式无级变速器的速度控制比例包括性能模式和经济模式两种。根据道路变化，司机来选择理想的驾驶模式，当司机踏下加速踏板，这就意味着目标控制速度和速度控制比例被设定，因此，我们必须根据设定的特定模型来设计目标控制比例，目标控制比例是有发动机数据测试所决定的，来确保在不同的工作条件和道路条件下实际的速度控制比例可以有效的跟踪设定的目标速度控制比例。
目标比例是由发动机的目标转速和车轮的实际速度决定的，其一般公式如下：
it=net/nout
因此，金属带式无级变速器的目标速度比例在发动机的目标转速被决定后也是确定的。不管驾驶员选择的是经济模式还是性能模式，目标控制比例都会很容易的通过节气门的角度的调节和汽车的速度被设定出来。
通过汽车选择的驾驶模型条件，发动机的目标转速会被当做控制器的目标设定参数，然后金属带式无级变速器的变速比例和发动机的工作点就被确定了，最后，实现汽车合适的经济模式和性能模式。
3.2.2PID速度控制器的比例模型
速度比例控制是金属带式无级变速器(CVT)速度比例控制的一个过程，如果仅仅控制金属带式无级变速器系统的整体控制比例，而不考虑由于比例变化造成的瞬时值，那么，系统的瞬时特点就很难控制。但是，如果直接控制速度比例的变化就像控制参数一样，这个问题就可以得到解决。因此，在本文中，速度比例的变化是作为PID的控制对象来进行速度的控制。合理的决定速度比例变化是金属带式无级变速器(CVT)速度比例匹配的核心技术。它将直接影响汽车的加速性能与汽车行驶时的平顺性以及汽车的燃油经济性。
通过PID控制器，实际的速度比例与目标的速度比例二者对比，从而形成了一个暂时的金属带式无级变速器的控制信号，这就是速度比例变化信号，为了设计PID控制器的速度比例，我们可以建立一个PID控制模型。
PID控制器模型的建立如下：
在这个公式中各个参数分别表示如下：
Kp为比例控制参数
Kd 为不同控制参数
Kj为积分控制参数
通过目标比例和PID控制器已经建立的控制模型，我们可以建立一个完整的MATLAB-PID控制器的仿真模型，其基本过程大致如下图表。
图3. PID控制器模型
在这个模型里，输入的是经济模式下的发动机的目标转速，性能模式下的目标转速，汽车运行时的车速和实际的速度比例，输出的是速度比例变化情况。
- 变速比例控制在Matlab软件中的仿真情况。
为了研究该带有无级变速器(CVT)的车型其速度控制比例理论的实际达到的控制效果，分析它的控制原则和控制特点，以及研究了PID控制参数对速度控制比例稳定性的效果，我们建立了带有无级变速器(CVT)车型PID控制系统的仿真模型。
图4. CVT车辆速度控制仿真模型
在这之中，发动机模型，CVT的变速模型，和速度比例PID的控制模型构成了CVT车辆PID速度控制比例模型的基本构成部分。其输出的有发动机转速，目标速度控制比例，实际的速度控制比例，和速度比例的变化情况。
4.1 开始的工作状态
假设在汽车一开始的发动状态时，节气门开度从百分之四增加到半分之四十五，发动机转速从一千三百转增加到三千转，这个过程需要的时间大约是两秒。仿真结果可以在图像4中看到。
在节气门角度增加后，发动机转速和汽车行驶的速度迅速增加，PID控制器的速度控制比例系统开始根据目前的行驶状态计算目标的速度控制比例，然后把这个信号输入给PID速度控制器来调整速度比例的变化，并且使实际的速度比例追踪设定的目标速度控制比例，其大致调整过程如下，
当节气门角度开始增加，发动机的转速和汽车的实际车速都开始不断增加，车辆进入了原始的启动状态，这个时候，速度变化开始主动增加，速度比例也会相应的增加，变速器发生换挡，车辆进入低档位加速状态。然后，随着发动机转速的增加，速度比例变化就是被动的了，速度比例开始减少，发动机开始升档，车辆进入了高档位加速状态，在速度比例变化减少和稳定在零左右的时候，目标速度比例和实际速度比例达到了稳定的值，就像图表展示的那样。发动机的转速和目标转速稳定在目标速度。在整个过程中，发动机的转速可能会稍微出现过高的情况，但是控制过程和实际的系统的工作进程是一致的，实际的速度比例可以很好的跟踪目标比例，这证明这种金属带式无级变速器的速度控制比例的稳定性是很好的，我们所建立的系统模型是正确的。
4.2 加速条件
图5.起步工作状况模拟仿真
设备是在节气门开度保持在半分之四十五的时候保持匀速，当节气门开度在十秒之内达到半分之六十的时候，仿真结果在图表5 中被表现出来。当节气门开度突然增加时，发动机的转速和汽车实际的车速也突然增加，这个时候，速度变化情况变成了主动的方向，因此，当速度比例增加时，变速器就发生了换挡。然后随着发动机转速的增加，速度比例变化降低到零以下，然后稳定在零这里。速度比例随着速度变化比例增加然后趋于稳定，同时，发动机的速度和设备的速度也都达到了稳定值，在整个过程中，实际的速度比例非常好的跟踪了目标比例，速度比例控制的稳定性也是很好的。
图6.加速工况模拟仿真
4.3循环条件
在本文中，用不同的驾驶条件来研究按速度比例控制的PID控制系统的综合控制效果。图表7展示了车辆依次在平稳起步、爬坡、平稳加速、减速和空档阶段的仿真。
当节气门开度在两秒之内从百分之四增加到百分之四十五，发动机的速度和车辆的速度同时也跟着增加。汽车加速度变为正，然后开始逐渐减小，直到最后稳定为零。因此，汽车加速度的变化过程为先增加，然后随着速度变化过程逐渐减小，这个过程包括抵挡的加速阶段和高档位的加速阶段，最后速度趋于稳定，同时，发动机的转速和车辆的速度也是稳定的，汽车起步阶段就到此结束了。
在起步阶段结束之后的第12秒，车辆遇到了一个坡度为百分之四的斜坡，发动机的节气门开度增加到半分之六十，发动机的转速从两千七百转增加到三千五百转每分钟，由于其处于上坡的阶段，车辆的速度是减小的，随着车速的增加，汽车速比变为正。随着发动机节气门角度的稳定，车辆开始匀速行驶，发动机的转速和车辆的速度开始达到一个稳定的状态。加速度的变化也稳定到零，并且速例稳定在了一个新的状态。在第二十秒时，车辆离开斜坡，返回到了原始的道路，节气门的开度也从百分之六十回到到百分之四十，发动机的转速也降低到了两千五百转每分钟，车辆的速度开始增加，加速度的变化逐渐减较小，然后稳定到了零。加速度也逐渐减小，并且稳定到了原始的加速度，也就是加速度为零。
在第30秒，车辆开始进入到平稳加速阶段，控制过程和实际的系统工作过程和坡道上加速的过程相同，并且实际的加速度和理想的加速度之间有很好的契合度。
在第40秒，汽车开始减速，发动机节气门开度从百分之五十减小到百分之五，然后保持百分之五的节气门开度一直到理想的状态。在这个过程中，发动机的转速和车辆行驶速度迅速降低到最小稳定值加速度值得变化有一个很小的波动，但是又迅速回到零。随着加速度的变化，加速度先减小后增大，最后达到理想的稳定状态。
从仿真模拟的图像以及汽车在平稳起步、加速和循环状态下的分析，我们可以得到如下的结论：实际的加速度表现要比目标要求好，在不同汽车驾驶状态下的控制过程和实际驾驶过程是很稳定的。因此，本研究中，我们设计的基于汽车加速度PID控制器是可行的，我们所选择的PID控制参数是适用于本次设计的。
5结论
本文这要致力于研究变速器传动比控制理论，以便去实现无级变速器(CVT)的一汽车加速度为参数的控制策略。
图7.汽车驾驶循环仿真图表
作为建立汽车变速器加速度控制策略的基础，本文首先分析了无级变速器(CVT)的基本结构和传动原理，然后研究了以汽车加速度为基础的汽车控制策略，最后分析了实现以汽车加速度为基础的控制策略和方法。最后，设计出PID控制器的控制流程图以及其控制程序，在MATLAB软件的simulink环境中，对无级变速器(CVT)模型进行仿真模拟，并且以仿真模型为基础模拟、分析汽车各项性能的表现。在仿真模拟结果中，加速度的控制牵引表现十分优秀，最终，PID控制器是很合适的。
参考文献
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[2]马世泽，雷玉成.金属带式CVT传动比控制研究[J].同济大学自然科学报，2003,27.
[3]薛殿伦，张友坤.金属带式CVT传动比控制研究[J].中国自然科学出版社.
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