打滑模式中驾驶者的角色？汽车无级变速器如何响应？

文/观文史说

编辑/观文史说

---

在日常驾驶中，驾驶员的驾驶习惯和行为会直接影响汽车的燃油效率和性能，打滑模式下的无级变速器，通过调整发动机和变速器之间的协同工作，实现了更为精准的动力输出和传动效率优化。

然而，驾驶员的驾驶意图和操作习惯在打滑模式下仍然对传动效率产生影响，因此如何准确捕捉驾驶员的意图，并将其应用于无级变速器控制，成为优化传动效率的关键挑战。

01

CVT滑动动力学模型

汽车无级变速器 （CVT）的原理包括变速机构和液压系统，其中变速机构由两个皮带轮和金属带组成，金属带在液压驱动力的作用下夹紧以传递扭矩。

如果工作半径一定，那么传动机构传递扭矩的能力是由摩擦系数和皮带轮决定的，如果夹紧力继续减小，则金属带与带轮锥面之间的摩擦力不能满足传递扭矩的要求，导致带轮之间产生打滑，滑移程度用滑移率来描述。

简化车辆传动系统以方便建模，连接两个锥盘的传动轴视为一根杆，箭头方向为CVT正方向，CVT 变速箱左侧表示动力总成和车辆的惯量变化，右侧表示输出轴处的净扭矩，建立动力学方程并考虑齿轮比变化率以实现精确控制。

设计的夹紧力测试台，试验时，被动轮和从动轮的气缸压力均假设为闭环，控制频率为100 Hz，周期为20 ms。

实验步骤：

1) 驱动电机目标转速为1000 r/min，目标扭矩为40 N·m，几何速比采用机械限位方式，速比位置固定在2.432。

(2)从动缸压力由4.1MPa间隔降低至0.1MPa，然后记录实际速比、几何速比、传动效率和滑差率，当TCU软件检测到滑差率超过4.5%时，系统自动进入保护程序状态。

(3) 修正几何比，由2.432减小至0.419，然后重复步骤。

(4) 在 1000r/min 至 6000r/min 之间以 400r/min 为间隔设置驱动电机的速度，然后，重复步骤(1)-(3)。

(5) 在40N·m～130N·m之间以20N·m为间隔设定驱动电机的扭矩，然后重复步骤(1)-(4)。

通过上述测试分析整个过程，拟合各点的最佳滑移率和比例，形成的最佳滑移曲线，当滑移率较小时，滑移率与摩擦系数呈现线性比例关系，即摩擦系数随滑移率增大而增大。

当摩擦系数达到峰值并逐渐下降时，滑移率继续增加，因此，最佳滑移率对应于不同速比下的最大摩擦系数，可以通过跨越全速比范围并等分，拟合不同速比下的最佳滑移率数据来获得。

02

驾驶员意图决策

发动机的性能参数包括效率和扭矩，其工作范围分别在500至6000 r/min和30至134 N·m之间变化，这些关键数据是通过发动机的稳态测试得到的，并被用于绘制燃油消耗图的形状。

为了使初始数据更加平滑并避免出现多个局部最大值，研究中采用了三次样条插值方法，从而获得了有效的工作表面，在进行数值优化时，这些方法有助于保留真实的特性。

然而，发动机的输出特性会受到混合气浓度变化的影响，与稳态工况不同，非稳态工况下的发动机表现出不同的性能，为了应对这种变化，引入了一个修正系数γ，以便对发动机扭矩进行校正。

CVT（可变传动比变速器）的效率是通过台架测试数据确定的，并且在很大程度上依赖于CVT的传动比，在车辆的节气门开度保持恒定的情况下，精确地控制传动比的比例，以确保发动机输出功率与行驶阻力实时地实现最佳匹配，以满足驾驶员的意图。

驾驶员对车辆行驶性能的评价是主观的，反映了车辆实际响应与驾驶员期望的符合程度，不同的驾驶习惯和工况对车辆行驶性能的要求不同。

但总体而言，驾驶员对车辆响应的期望可以描述为对油门开度的输入响应平稳、快速、符合预期的心理预期、并且可重复。

仅靠动态经济模式并不能完全实时反映驾驶员意图，确定车辆在标准模式下的目标比率是必要的。

在实际驾驶中，油门踏板开度变化率能够更好地反映驾驶员对车辆动态的实时需求，选择油门踏板开度及其变化率作为加速意图识别的依据。

在车辆制动或减速时，驾驶员对车辆动力需求较低，因此假设发动机工作曲线等效于最佳经济曲线，在这种情况下，输入的油门踏板开度和变化率与输出的变量，即加速意图，是模糊的。

油门踏板开度的取值范围在<0, 100>之间，对应的模糊子集为{PS, PM, PB}，其中PS表示轻踏、PM表示中等踏、PB表示重踏。

而油门踏板开度变化率的取值范围设定为<–100, 100>，对应的模糊子集为{N, PS, PM, PB}，其中N表示负变化率，PS、PM、PB分别对应轻微、中等、明显的正变化率。

车辆的油门踏板开度输入及其变化率对应的模糊子集为{PS，PM，PB}，这些模糊子集通过隶属函数来描述，模糊推理系统采用Mamdani算法和重心法进行反向模糊运算，从而得到模糊控制的结果。

实验中提供了车辆油门踏板开度变化率曲线和驾驶员意图识别结果，以模拟验证驾驶意图模型。

结果显示，在时间段0-25秒内，油门踏板开度从0%增加到30%，然后保持稳定；在0-15秒内，速率变化维持在5%/s的水平。

之后，油门踏板开度保持不变，在15-25秒内速率变化恢复到0%/s，在25-34秒内，油门踏板开度从30%增加到45%，然后保持稳定，在25-28秒内速率变化保持在12.5%/s，类似地，通过其他时间段的变化规律，驾驶员意图得以准确识别。

03

滑差模式综合优化方法的提出

在这项研究中，滑差和比率被定义为系统的状态变量，而控制夹紧力和发动机扭矩输出是目标，同时，滑移和比率预计也会成为输出之一，以及CVT的输入扭矩和输出扭矩。

为了预测物体的主要动态部分，研究中引入了预测时域NP的概念，较小的NP值表示更快的速度，但可能会降低稳定性和实时性，因此根据考虑到的稳定性和实时性，NP被设定为10。

另一方面，控制时域NC的减小意味着更慢的控制速度，但可能提高系统的鲁棒性和稳定性，权衡机动性与稳定性之间的关系。

研究在MATLAB/SIMULINK和AMESim平台上构建了仿真模型，其中Simulink部分涵盖了锁模力控制、速比控制和发动机模块，而AMESim部分则包括了CVT、车辆、滑移和液压系统。

仿真模型的结果表明，基于MPC的锁模力控制模块通过旋转接口将优化后的锁模力控制信号输入其阀门，从而实现夹紧力的控制。

具体而言，控制次级带轮气缸以达到精确的力水平，与此类似，基于PID的速比控制模块将经过优化的速比信号应用于阀门。

基于以上的控制器设计原理，实验中进行了锁模力系统的闭环控制实验，在实验中，驱动电机扭矩被设定为45N·m，速比为0.45，稳定转速为1600r/min。

阶跃响应测试，保持泵速和驱动轴恒定，实际转速在控制目标值周围波动，随着先导电磁阀驱动电流的阶跃输入，初级带轮轴的转速呈现出类似正弦波的锯齿状变化。

此外，液压系统压力响应的比较表明，测试和仿真结果之间存在良好的一致性，这些实验和模拟结果展示了所设计控制器的有效性和稳定性。

在基于MPC控制策略的研究中，主动侧扭矩干扰主要受到发动机工况和路面状况的影响，可以分为连续干扰和非连续干扰。

连续干扰涵盖了车辆从平坦道路到爬坡路段的过渡，或从平坦道路到崎岖道路的情况，非连续干扰则包括车辆经过坑洼或避开障碍物时引起的扭矩冲击。

04

控制系统仿真与分析

在CVT系统的鲁棒性能分析中，主要考虑系统在扰动后的稳定性，因此，有必要在非稳态条件下进行控制系统的鲁棒性验证。

研究中通过模拟驾驶员迅速踩下油门踏板以保持速度，然后再松开踏板，以进行鲁棒性验证，发动机产生的阶跃扭矩保持不变并逐渐减小，该数值可以从发动机MAP直接读取。

进一步的分析验证了控制系统的鲁棒性，在图中的(a)中，输入侧扭矩阶跃扰动的结果表明，在100~101秒之间，扭矩相对稳定，没有明显波动，当t = 101秒时，施加了13 N·m的步进扭矩冲击。

输入侧扭矩的阶跃变化引起相应的变化，扭矩从初始值50 N·m上升到63 N·m，在102秒时，CVT输入侧扭矩步进减小了7 N·m，扭矩保持在53 N·m。

基于MPC的方法允许根据扭矩突变预先调整锁模力，从而实现对主动锁模力的控制，传动机构可以提供额外的扭矩。

控制系统中主动侧速度首先上升，然后迅速稳定在主皮带轮的速度上，在气缸压力变化后，实际响应更快地跟随动态响应，并且随着外部扭矩干扰的变化而保持稳定运行，外部扭矩扰动会引起输入侧扭矩的变化，进而影响滑差和传动效率。

然而，在MPC控制下，传动效率和滑差整体表现平稳，只有在扭矩突变的瞬间会有轻微波动，滑差始终保持在安全阈值内，从而保持传动系统的稳定性。

综合考虑以上测试结果，基于MPC设计的CVT控制系统显示出良好的鲁棒性能，能够有效地应对主动侧扭矩干扰，并在外部干扰情况下保持系统的稳定性。

在对鲁棒性能进行测试分析的基础上，研究采用了模型预测控制策略和安全系数法控制策略，在新欧洲驾驶循环（NEDC）循环工况下进行对比测试，以确保控制器的可靠性和一致性。

新欧洲驾驶循环（NEDC）工况被广泛用于车辆性能测试，包括CVT皮带轮转速、滑差、车辆瞬时燃油消耗率、比率、次级皮带轮压力和发动机扭矩等测试内容。

该循环工况包括市区、郊区和高速公路驾驶阶段，总时长为18000秒，市区阶段的试验周期为0～6000秒，郊区阶段为6000～12000秒，其余时间段为高速公路驾驶。

在不同时刻的NEDC循环工况下，观察了CVT主、副带轮转速以及发动机扭矩的变化，特别关注了速度和发动机扭矩的变化趋势。

实际滑移能够更好地跟踪测试过程中的目标滑移，从而满足车辆控制要求，研究还对车辆在不同阶段的瞬时燃油消耗率进行了观察和分析。

基于MPC的控制器在NEDC工况下的油耗为7.26L/100km，比传统安全系数控制策略降低了约5.4%，图表展示了实际CVT传动比与目标传动比之间的跟踪状态，尽管在某些时期内实际比率略高于目标比率，但差距并不显著。

所设计的控制器能够优化CVT实际传动比，使其良好地跟踪目标值，从而满足车辆的控制需求，在对比测试中，基于MPC和安全系数控制策略的CVT次级带轮压力也得到了比较。

相较于传统的安全系数控制策略，基于MPC的锁模力控制器优化的次级带轮压力表现更好，该控制器能够更准确、合理地优化CVT夹紧力，从而提升系统的性能表现。

对综合工况、加速工况和制动工况下副缸压力等参数的仿真比较，MPC控制策略在稳定性、控制精度和传输效率方面都表现出更优异的效果，证明了其在CVT系统中的有效性和优越性。