丁 鵬，葛如海，李 智，王 瑩

汽車自適應(yīng)可調(diào)尾翼系統(tǒng)的研發(fā)?

丁 鵬1，葛如海2，李 智3，王 瑩1

(1.無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，無錫 214121； 2.江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江 212013； 3.江南大學(xué)，無錫 214121)

鑒于汽車尾翼的不同攻角影響汽車行駛中的燃油經(jīng)濟(jì)性、操縱性和制動(dòng)性，設(shè)計(jì)了一種電控可調(diào)尾翼的減阻系統(tǒng)(DRS)。系統(tǒng)依據(jù)與行駛速度有關(guān)的氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力與尾翼攻角之間的關(guān)系，利用模糊控制算法確定DRS系統(tǒng)尾翼最佳攻角的控制信號(hào)。創(chuàng)建了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化了系統(tǒng)各部分的傳遞函數(shù)，并應(yīng)用于控制器的硬件結(jié)構(gòu)。利用Matlab對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并在實(shí)車上進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明該系統(tǒng)改善了汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和制動(dòng)性。

汽車；可調(diào)尾翼；減阻系統(tǒng)；模糊控制；傳遞函數(shù)

前言

汽車在高速行駛時(shí)受到的氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力與速度的平方成正比，汽車速度超過60km/h時(shí)空氣阻力成為汽車的主要阻力，氣動(dòng)升力會(huì)顯著減少汽車的附著力，嚴(yán)重影響汽車高速行駛的操縱穩(wěn)定性、動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性[1]。在汽車上安裝合理的尾翼可有效抑制汽車高速行駛時(shí)遇到的氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力。在國外研究中，文獻(xiàn)[2]中利用計(jì)算流體力學(xué)軟件研究了尾翼對(duì)方程式賽車氣動(dòng)性能的影響，文獻(xiàn)[3]中利用計(jì)算流體力學(xué)軟件研究了尾翼對(duì)轎車氣動(dòng)升力和氣動(dòng)噪聲的影響。國內(nèi)的一些學(xué)者對(duì)尾翼對(duì)轎車氣動(dòng)特性的影響也進(jìn)行了研究，取得了一定的成果[4－8]。為提高汽車的操縱穩(wěn)定性、制動(dòng)性和燃油經(jīng)濟(jì)性，汽車在不同速度時(shí)的氣動(dòng)阻力系數(shù)和氣動(dòng)升力系數(shù)應(yīng)盡可能小。目前國內(nèi)外各種文獻(xiàn)均從空氣動(dòng)力學(xué)的角度分析尾翼攻角的變化對(duì)汽車阻力的影響，但很少設(shè)計(jì)出自適應(yīng)智能可調(diào)尾翼。據(jù)此，本文中設(shè)計(jì)一種電控可調(diào)尾翼系統(tǒng)(drag reduction system，DRS)，通過尾翼在汽車不同車速下升起不同的姿態(tài)，使汽車隨時(shí)獲得最優(yōu)的氣

?全國教育“十二五規(guī)劃課題”項(xiàng)目(EHA140395)和教育部第49批留學(xué)歸國人員科研啟動(dòng)基金資助。

原稿收到日期為2016年7月4日，修改稿收到日期為2016年9月6日。

1 DRS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

本文中設(shè)計(jì)了一種電控機(jī)械可調(diào)式尾翼裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)機(jī)械裝置主要有驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速齒輪副、轉(zhuǎn)軸和尾翼。該系統(tǒng)的控制裝置主要由模糊控制器、比較器、制動(dòng)控制器、放大器、滑動(dòng)電位計(jì)和反饋控制器組成。工作原理:首先模糊控制器根據(jù)車速和加速度求出各車速對(duì)應(yīng)的最優(yōu)尾翼攻角，并以電壓信號(hào)的形式輸出，作為基本控制電壓；基本電壓與反饋控制器輸入的電壓相比較(相減)取得偏差電壓信號(hào)，該信號(hào)通過放大器調(diào)節(jié)之后控制電機(jī)轉(zhuǎn)角，電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速齒輪副轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)尾翼轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，以獲得不同車速下尾翼的攻角；轉(zhuǎn)軸同時(shí)驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)變阻器，隨時(shí)監(jiān)控該軸轉(zhuǎn)角，作為系統(tǒng)的反饋信號(hào)；當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)，系統(tǒng)輸入制動(dòng)信號(hào)，此時(shí)制動(dòng)信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)角(偏差電壓信號(hào)不再起作用)保持在一個(gè)固定值，以增加汽車在制動(dòng)過程中的風(fēng)阻，提高汽車的制動(dòng)效能。

圖1 自適應(yīng)可調(diào)控尾翼DRS系統(tǒng)組成框圖

2 數(shù)學(xué)模型與控制策略

2.1 模糊控制器

模糊控制是基于啟發(fā)性的知識(shí)和語言決策規(guī)則設(shè)計(jì)的，有利于模擬人工控制過程和方法，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的自適應(yīng)能力[11]。

模糊控制從控制過程的定性認(rèn)識(shí)出發(fā)，對(duì)動(dòng)態(tài)特性變化顯著的對(duì)象非常適用，且有較強(qiáng)的魯棒性和非線性，因此適用于本系統(tǒng)。該系統(tǒng)控制器的輸入量為車速和加速度，輸出對(duì)象為基本控制電壓。在控制器設(shè)計(jì)中，取車速范圍值為[30，210]，模糊論域取值[30，210]，量化為7個(gè)等級(jí)，其余為邊界值，即得出:[－3，－2，－1，0，1，2，3]，模糊子集為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，車速變化率模糊論域?yàn)閇－6，6]，量化為5個(gè)等級(jí)，其余為邊界值，模糊子集為{負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大}。基本控制電壓模糊論域取值[0，2]，量化為5個(gè)等級(jí)，其余為邊界值，模糊子集為{負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大}，根據(jù)文獻(xiàn)[2]～文獻(xiàn)[5]中所述車速與尾翼姿態(tài)之間的關(guān)系，以車速為主要控制輸入?yún)?shù)，加速度為輔助控制輸入?yún)?shù)，根據(jù)模糊控制規(guī)則，利用Matlab/ Simulink仿真輸出基本控制電壓信號(hào)，如圖2所示。

圖2 模糊控制器輸入輸出變量隸屬關(guān)系圖

由圖2可見，基本控制電壓信號(hào)隨著車速升高呈非線性增大趨勢(shì)，控制曲線平滑，說明控制策略正確。

圖2中，利用模糊控制規(guī)則根據(jù)汽車行駛中車速和加速度求出對(duì)應(yīng)的基本控制電壓?；究刂齐妷航?jīng)放大處理后驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)至一定的角度，即各點(diǎn)控制電壓都對(duì)應(yīng)著一個(gè)尾翼攻角角度?？刂齐妷号c尾翼攻角之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 控制電壓與尾翼攻角關(guān)系圖

2.2 放大器傳遞函數(shù)

放大器的作用是將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。運(yùn)算放大器有較大的開環(huán)放大系數(shù)，且輸入電流很小，因此可以忽略，采用經(jīng)典放大電路，故放大器傳遞函數(shù)可表示為

在設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)電壓信號(hào)大小，取ka＝6。

2.3 電機(jī)傳遞函數(shù)

電機(jī)采用電樞控制式直流電機(jī)，以電樞電流作為控制量，通過勵(lì)磁線圈和電路建立電樞的定子磁場(chǎng)[10]，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩為

式中:TL(s)為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；Td(s)為擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩，通?？梢院雎圆挥?jì)。

當(dāng)忽略Td(s)時(shí)，則

式中:J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；b為電機(jī)內(nèi)部摩擦因數(shù)；θ為電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)角度。而

式中:Km為電機(jī)常數(shù)，是永磁體材料磁導(dǎo)率的函數(shù)；Ia(s)為電樞電流。電樞電流與作用在電樞上的輸入電壓之間的關(guān)系為

Ua(s)＝(Ra＋Las)Ia(s)＋Ub(s)(5)式中:Ra為電樞電阻；La為電樞磁感；Ub(s)為與電機(jī)速度成正比的反向感應(yīng)電壓，Ub(s)＝Kbω(s)，Kb為感應(yīng)電壓系數(shù)，ω(s)＝θω(s)為角速度的拉普拉斯變換。因此電流為

根據(jù)式(2)～式(6)，可知電機(jī)的傳遞函數(shù)為

對(duì)直流電機(jī)而言，可以忽略Ra/La的影響，故有

式中τ為電機(jī)等效時(shí)間常數(shù)，τ＝RaJ/Rab＋KbKm。

2.4 制動(dòng)信號(hào)傳遞函數(shù)

在汽車制動(dòng)的過程中，大角度尾翼攻角對(duì)汽車的制動(dòng)性有著極大的提升，能有效減少制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間。由文獻(xiàn)[9]可知，如果制動(dòng)過程中尾翼攻角保持12°，汽車就能達(dá)到最佳的制動(dòng)效能，因此，DRS控制系統(tǒng)如檢測(cè)到制動(dòng)信號(hào)則控制電機(jī)張開固定角度。制動(dòng)信號(hào)由操作者踩踏制動(dòng)踏板產(chǎn)生。制動(dòng)踏板和行程開關(guān)相連，當(dāng)制動(dòng)踏板被踩下時(shí)，開關(guān)

2.5 機(jī)械傳動(dòng)傳遞函數(shù)

DRS系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)過程使用一副齒輪實(shí)現(xiàn)減速增矩和傳遞動(dòng)力的作用。為了定性分析系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)過程，簡(jiǎn)化了控制過程，為此設(shè)傳動(dòng)系統(tǒng)剛性為無窮大的理想狀態(tài)，且齒輪副無傳動(dòng)間隙。因?yàn)?/p>

N1ω1(t)＝N2ω2(t)(10)式中:N1和N2分別為輸入和輸出齒輪的齒數(shù)；ω1(t)和ω2(t)為對(duì)應(yīng)角速度。其拉普拉斯變換為閉合，由此發(fā)出一個(gè)制動(dòng)信號(hào)。數(shù)據(jù)采集卡具有數(shù)字量輸入功能，無輸入時(shí)默認(rèn)為高電平，因此可將行程開關(guān)與地相連。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，輸出低電平信號(hào)，經(jīng)過濾波器進(jìn)入放大器，其傳遞函數(shù)可視為

根據(jù)電機(jī)本身功率和負(fù)載，取kc＝0.5。

2.6 反饋系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

反饋系統(tǒng)使用電位器作為信號(hào)變換裝置，把機(jī)械角度位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過電刷在電阻基體上的位移來測(cè)量不同的阻值，傳感器滑軌連接穩(wěn)態(tài)直流電壓，與此同時(shí)，電刷與輸出端之間的電壓與電刷在電阻基體上滑過的角度成正比，且線性電位計(jì)的理想空載特性曲線應(yīng)具有嚴(yán)格的線性關(guān)系。其輸出與輸入的函數(shù)關(guān)系為

式中kf為電刷單位角位移對(duì)應(yīng)的輸出電壓。對(duì)式(12)進(jìn)行拉普拉斯變換，并設(shè)輸入為θf(s)，輸出為uf(s)，則其傳遞函數(shù)為

kf取決于電源電壓與電位器最大工作角度，取值為1.5V/rad。

根據(jù)圖1所示的傳遞關(guān)系，可得出系統(tǒng)控制框圖，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)的控制框圖

當(dāng)汽車正常行駛，駕駛員沒有操作制動(dòng)踏板，此時(shí)無制動(dòng)信號(hào)，因此G3(s)＝0。根據(jù)圖4，利用經(jīng)典控制理論，可求出此時(shí)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)，制動(dòng)踏板觸發(fā)控制器開關(guān)，系統(tǒng)會(huì)接收到一個(gè)制動(dòng)信號(hào)輸入信號(hào)z(s)，此時(shí)系統(tǒng)ECU根據(jù)制動(dòng)信號(hào)控制尾翼張開特定角度，以增大風(fēng)阻，提高制動(dòng)效能。此時(shí)原控制信號(hào)不再起作用，即，U0(s)＝0。

根據(jù)圖4，可求出制動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

電機(jī)參數(shù)查表可得到，如表1所示。

表1 電機(jī)參數(shù)

把G1(s)～G5(s)代入式(14)和式(15)，并輸入表1中電機(jī)參數(shù)，可得

運(yùn)用Matlab繪制系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 Gx(s)階躍響應(yīng)

圖6 Gz(s)階躍響應(yīng)

由圖可見，隨著時(shí)間的推移，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線逐漸趨于給定值，因此可以判定系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

3 樣車試驗(yàn)

樣車使用上海某汽車廠生產(chǎn)的微型三廂車，自適應(yīng)可調(diào)控尾翼裝車圖見圖7。試驗(yàn)中，首先驗(yàn)證汽車行駛過程中尾翼實(shí)際打開的攻角是否與預(yù)先給定的角度一致。為便于測(cè)量數(shù)據(jù)，試驗(yàn)在勻速條件下進(jìn)行，此時(shí)加速度很小，可視為零。分別測(cè)量車速在20，40，60，80，100和120km/h時(shí)尾翼攻角，結(jié)果如圖8所示。由圖可見，尾翼在60km/h以下時(shí)不打開，60km/h以上時(shí)，隨著車速的升高尾翼攻角逐漸增加，該變化規(guī)律與圖2和圖3中控制規(guī)律基本一致，可見尾翼攻角開度按照預(yù)期規(guī)律打開。

圖7 自適應(yīng)可調(diào)控尾翼裝車圖

在燃油經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)中采用等速百公里油耗作為指標(biāo)，試驗(yàn)在高速路面上進(jìn)行，分別測(cè)量在最高擋位下有尾翼和無尾翼時(shí)汽車的燃油消耗量。記錄車速為40，50，60，70，80，90，100，110和120km/h時(shí)的燃油消耗量，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

由圖可見，當(dāng)車速為40，50和60km/h時(shí)(即車速低于60km/h)，尾翼攻角沒有打開，汽車有無尾翼對(duì)汽車的燃油消耗量的影響非常小，可以忽略不計(jì)。證明汽車尾翼對(duì)汽車行駛阻力影響較小。

圖8 部分車速下實(shí)測(cè)尾翼攻角角度

圖9 百公里燃油消耗量對(duì)比圖

當(dāng)車速大于60km/h時(shí)，尾翼根據(jù)車速打開一定角度。車速在60－80km/h時(shí)，有尾翼時(shí)的汽車燃油消耗量開始比無尾翼時(shí)消耗量有明顯降低。說明此時(shí)尾翼對(duì)汽車行駛阻力的影響在一定范圍內(nèi)有所增加。

當(dāng)車速高于80km/h時(shí)，有尾翼時(shí)汽車燃油消耗量比無尾翼燃油消耗量降低幅度顯著增大，且由圖9中曲線走向趨勢(shì)可知，隨著車速的增加，尾翼對(duì)燃油消耗量的影響會(huì)進(jìn)一步增加，說明尾翼攻角對(duì)高速行駛的汽車氣動(dòng)阻力有顯著的影響，合適的尾翼攻角可有效降低汽車高速行駛的阻力，提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。

制動(dòng)試驗(yàn)則在高附著路面上進(jìn)行，ABS工作情況下記錄汽車車速從120km/h－0時(shí)制動(dòng)試驗(yàn)中有無尾翼的制動(dòng)距離。有尾翼制動(dòng)距離(69.3m)比無尾翼制動(dòng)距離(70.4m)可減少1.1m，可見尾翼對(duì)汽車高速制動(dòng)距離有顯著影響。

4 結(jié)論

為提高汽車的操縱穩(wěn)定性、動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，利用前人研究的成果確定了車速和加速度與尾翼攻角控制電壓的關(guān)系。然后利用模糊控制算法求出DRS系統(tǒng)尾翼最佳攻角的控制信號(hào)。創(chuàng)建了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化了系統(tǒng)各部分的傳遞函數(shù)，并應(yīng)用于控制器的硬件結(jié)構(gòu)。利用Matlab對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)對(duì)汽車高速行駛下的燃油經(jīng)濟(jì)性和制動(dòng)性均有一定的提升。

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Development of a Vehicular Adaptive Adjustable Rear Airfoil System

Ding Peng1，Ge Ruhai2，Li Zhi3＆Wang Ying1
1.WUXI Institute of Technology，Wuxi 214121； 2.Jiangsu University，Zhenjiang 212013； 3.Jiangnan University，Wuxi 214121

In view of the effects of the attack angle of rear airfoil on the fuel economy and handling and braking performances of vehicle，an electrically controlled drag reduction system(DRS)with adjustable rear airfoil is designed.The system utilizes fuzzy control algorithm to determine the control signal for optimum airfoil attack angle based on the relationship between attack angle and aerodynamic drag and lift related to driving speed.A mathematical model for the system is created and the transfer function of each part of the system is optimized and applied to the hardware configuration of the controller.The stability of the system is analyzed by matlab and a real vehicle verification test is conducted.The results show that the system improves the fuel economy and braking performance of vehicle.

vehicle；adjustable rear airfoil；DRS；fuzzy control；transfer function

葛如海，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail:876239585＠qq.com。動(dòng)阻力系數(shù)和氣動(dòng)升力系數(shù)，提高汽車的操縱穩(wěn)定性、動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性；同時(shí)，在制動(dòng)時(shí)DRS系統(tǒng)可升至特定的角度，增加氣動(dòng)阻力系數(shù)，減少制動(dòng)距離，提高制動(dòng)時(shí)的安全性。

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.08.007