汽車自適應可調尾翼系統的研發?

丁 鵬，葛如海，李 智，王 瑩

汽車自適應可調尾翼系統的研發?

丁 鵬1，葛如海2，李 智3，王 瑩1

(1.無錫職業技術學院，無錫 214121； 2.江蘇大學，鎮江 212013； 3.江南大學，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濟性、操縱性和制動性，設計了一種電控可調尾翼的減阻系統(DRS)。系統依據與行駛速度有關的氣動阻力和氣動升力與尾翼攻角之間的關系，利用模糊控制算法確定DRS系統尾翼最佳攻角的控制信號。創建了系統的數學模型，優化了系統各部分的傳遞函數，并應用于控制器的硬件結構。利用Matlab對系統的穩定性進行了分析，并在實車上進行了驗證試驗，結果表明該系統改善了汽車的燃油經濟性和制動性。

汽車；可調尾翼；減阻系統；模糊控制；傳遞函數

前言

汽車在高速行駛時受到的氣動阻力和氣動升力與速度的平方成正比，汽車速度超過60km/h時空氣阻力成為汽車的主要阻力，氣動升力會顯著減少汽車的附著力，嚴重影響汽車高速行駛的操縱穩定性、動力性和燃油經濟性[1]。在汽車上安裝合理的尾翼可有效抑制汽車高速行駛時遇到的氣動阻力和氣動升力。在國外研究中，文獻[2]中利用計算流體力學軟件研究了尾翼對方程式賽車氣動性能的影響，文獻[3]中利用計算流體力學軟件研究了尾翼對轎車氣動升力和氣動噪聲的影響。國內的一些學者對尾翼對轎車氣動特性的影響也進行了研究，取得了一定的成果[4－8]。為提高汽車的操縱穩定性、制動性和燃油經濟性，汽車在不同速度時的氣動阻力系數和氣動升力系數應盡可能小。目前國內外各種文獻均從空氣動力學的角度分析尾翼攻角的變化對汽車阻力的影響，但很少設計出自適應智能可調尾翼。據此，本文中設計一種電控可調尾翼系統(drag reduction system，DRS)，通過尾翼在汽車不同車速下升起不同的姿態，使汽車隨時獲得最優的氣

?全國教育“十二五規劃課題”項目(EHA140395)和教育部第49批留學歸國人員科研啟動基金資助。

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系統結構和工作原理

本文中設計了一種電控機械可調式尾翼裝置，其結構如圖1所示。本系統機械裝置主要有驅動電機、減速齒輪副、轉軸和尾翼。該系統的控制裝置主要由模糊控制器、比較器、制動控制器、放大器、滑動電位計和反饋控制器組成。工作原理:首先模糊控制器根據車速和加速度求出各車速對應的最優尾翼攻角，并以電壓信號的形式輸出，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，該信號通過放大器調節之后控制電機轉角，電機驅動減速齒輪副轉動，并帶動尾翼轉軸旋轉，以獲得不同車速下尾翼的攻角；轉軸同時驅動滑動變阻器，隨時監控該軸轉角，作為系統的反饋信號；當駕駛員踩下制動踏板時，系統輸入制動信號，此時制動信號控制電機轉角(偏差電壓信號不再起作用)保持在一個固定值，以增加汽車在制動過程中的風阻，提高汽車的制動效能。

圖1 自適應可調控尾翼DRS系統組成框圖

2 數學模型與控制策略

2.1 模糊控制器

模糊控制是基于啟發性的知識和語言決策規則設計的，有利于模擬人工控制過程和方法，增強控制系統的自適應能力[11]。

模糊控制從控制過程的定性認識出發，對動態特性變化顯著的對象非常適用，且有較強的魯棒性和非線性，因此適用于本系統。該系統控制器的輸入量為車速和加速度，輸出對象為基本控制電壓。在控制器設計中，取車速范圍值為[30，210]，模糊論域取值[30，210]，量化為7個等級，其余為邊界值，即得出:[－3，－2，－1，0，1，2，3]，模糊子集為{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，車速變化率模糊論域為[－6，6]，量化為5個等級，其余為邊界值，模糊子集為{負大，負小，零，正小，正大}。基本控制電壓模糊論域取值[0，2]，量化為5個等級，其余為邊界值，模糊子集為{負大，負小，零，正小，正大}，根據文獻[2]～文獻[5]中所述車速與尾翼姿態之間的關系，以車速為主要控制輸入參數，加速度為輔助控制輸入參數，根據模糊控制規則，利用Matlab/ Simulink仿真輸出基本控制電壓信號，如圖2所示。

圖2 模糊控制器輸入輸出變量隸屬關系圖

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

圖2中，利用模糊控制規則根據汽車行駛中車速和加速度求出對應的基本控制電壓。基本控制電壓經放大處理后驅動電機旋轉至一定的角度，即各點控制電壓都對應著一個尾翼攻角角度。控制電壓與尾翼攻角之間的關系如圖3所示。

圖3 控制電壓與尾翼攻角關系圖

2.2 放大器傳遞函數

放大器的作用是將脈沖信號轉換為電流信號驅動電動機轉動。運算放大器有較大的開環放大系數，且輸入電流很小，因此可以忽略，采用經典放大電路，故放大器傳遞函數可表示為

在設計過程中，根據電壓信號大小，取ka＝6。

2.3 電機傳遞函數

電機采用電樞控制式直流電機，以電樞電流作為控制量，通過勵磁線圈和電路建立電樞的定子磁場[10]，此時電機轉矩為

式中:TL(s)為負載轉矩；Td(s)為擾動轉矩，通常可以忽略不計。

當忽略Td(s)時，則

式中:J為轉動慣量；b為電機內部摩擦因數；θ為電機軸旋轉角度。而

式中:Km為電機常數，是永磁體材料磁導率的函數；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)為與電機速度成正比的反向感應電壓，Ub(s)＝Kbω(s)，Kb為感應電壓系數，ω(s)＝θω(s)為角速度的拉普拉斯變換。因此電流為

根據式(2)～式(6)，可知電機的傳遞函數為

對直流電機而言，可以忽略Ra/La的影響，故有

式中τ為電機等效時間常數，τ＝RaJ/Rab＋KbKm。

2.4 制動信號傳遞函數

在汽車制動的過程中，大角度尾翼攻角對汽車的制動性有著極大的提升，能有效減少制動距離和制動時間。由文獻[9]可知，如果制動過程中尾翼攻角保持12°，汽車就能達到最佳的制動效能，因此，DRS控制系統如檢測到制動信號則控制電機張開固定角度。制動信號由操作者踩踏制動踏板產生。制動踏板和行程開關相連，當制動踏板被踩下時，開關

2.5 機械傳動傳遞函數

DRS系統機械傳動過程使用一副齒輪實現減速增矩和傳遞動力的作用。為了定性分析系統機械傳動過程，簡化了控制過程，為此設傳動系統剛性為無窮大的理想狀態，且齒輪副無傳動間隙。因為

N1ω1(t)＝N2ω2(t)(10)式中:N1和N2分別為輸入和輸出齒輪的齒數；ω1(t)和ω2(t)為對應角速度。其拉普拉斯變換為閉合，由此發出一個制動信號。數據采集卡具有數字量輸入功能，無輸入時默認為高電平，因此可將行程開關與地相連。當開關閉合時，輸出低電平信號，經過濾波器進入放大器，其傳遞函數可視為

根據電機本身功率和負載，取kc＝0.5。

2.6 反饋系統的傳遞函數

反饋系統使用電位器作為信號變換裝置，把機械角度位移量轉換成電信號，通過電刷在電阻基體上的位移來測量不同的阻值，傳感器滑軌連接穩態直流電壓，與此同時，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，且線性電位計的理想空載特性曲線應具有嚴格的線性關系。其輸出與輸入的函數關系為

式中kf為電刷單位角位移對應的輸出電壓。對式(12)進行拉普拉斯變換，并設輸入為θf(s)，輸出為uf(s)，則其傳遞函數為

kf取決于電源電壓與電位器最大工作角度，取值為1.5V/rad。

根據圖1所示的傳遞關系，可得出系統控制框圖，如圖4所示。

圖4 系統的控制框圖

當汽車正常行駛，駕駛員沒有操作制動踏板，此時無制動信號，因此G3(s)＝0。根據圖4，利用經典控制理論，可求出此時系統的傳遞函數為

當駕駛員踩下制動踏板時，制動踏板觸發控制器開關，系統會接收到一個制動信號輸入信號z(s)，此時系統ECU根據制動信號控制尾翼張開特定角度，以增大風阻，提高制動效能。此時原控制信號不再起作用，即，U0(s)＝0。

根據圖4，可求出制動時系統的傳遞函數為

電機參數查表可得到，如表1所示。

表1 電機參數

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

運用Matlab繪制系統階躍響應圖，判斷系統的穩定性，結果如圖5和圖6所示。

圖5 Gx(s)階躍響應

圖6 Gz(s)階躍響應

由圖可見，隨著時間的推移，系統的階躍響應曲線逐漸趨于給定值，因此可以判定系統是穩定的。

3 樣車試驗

樣車使用上海某汽車廠生產的微型三廂車，自適應可調控尾翼裝車圖見圖7。試驗中，首先驗證汽車行駛過程中尾翼實際打開的攻角是否與預先給定的角度一致。為便于測量數據，試驗在勻速條件下進行，此時加速度很小，可視為零。分別測量車速在20，40，60，80，100和120km/h時尾翼攻角，結果如圖8所示。由圖可見，尾翼在60km/h以下時不打開，60km/h以上時，隨著車速的升高尾翼攻角逐漸增加，該變化規律與圖2和圖3中控制規律基本一致，可見尾翼攻角開度按照預期規律打開。

圖7 自適應可調控尾翼裝車圖

在燃油經濟性試驗中采用等速百公里油耗作為指標，試驗在高速路面上進行，分別測量在最高擋位下有尾翼和無尾翼時汽車的燃油消耗量。記錄車速為40，50，60，70，80，90，100，110和120km/h時的燃油消耗量，試驗結果如圖9所示。

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

圖8 部分車速下實測尾翼攻角角度

圖9 百公里燃油消耗量對比圖

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

當車速高于80km/h時，有尾翼時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中曲線走向趨勢可知，隨著車速的增加，尾翼對燃油消耗量的影響會進一步增加，說明尾翼攻角對高速行駛的汽車氣動阻力有顯著的影響，合適的尾翼攻角可有效降低汽車高速行駛的阻力，提高汽車的燃油經濟性。

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

4 結論

為提高汽車的操縱穩定性、動力性和燃油經濟性，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系。然后利用模糊控制算法求出DRS系統尾翼最佳攻角的控制信號。創建了系統的數學模型，優化了系統各部分的傳遞函數，并應用于控制器的硬件結構。利用Matlab對系統的穩定性進行了分析，實車試驗結果表明，該系統對汽車高速行駛下的燃油經濟性和制動性均有一定的提升。

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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，博士生導師，E-mail:876239585＠qq.com。動阻力系數和氣動升力系數，提高汽車的操縱穩定性、動力性和燃油經濟性；同時，在制動時DRS系統可升至特定的角度，增加氣動阻力系數，減少制動距離，提高制動時的安全性。

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.08.007