FSE电动赛车可调尾翼系统控制策略的研究

FSE电动赛车可调尾翼系统控制策略的研究

张培东,刘玮

长城汽车股份有限公司  河北保定 071000

【摘要】随着中国大学生方程式赛车比赛的逐渐完善，竞赛的规则日趋完备，车辆的设计水准也在逐步提升，但由于功率的提升，势必会导致蓄电池的耗电，进而对车辆的平稳驾驶造成一定的不利影响。汽车上的气动装置通常包括前翼、侧翼、尾翼以及扩散器，如果能合理地使用尾翼，那么在高速度下，将大大改善车辆的操控稳定性。然而，尾翼的设计虽然改善了车辆的空气动力学，却也造成了车辆在快速转弯时的侧翻和转向不足。为此，本论文对FSE电动赛车可调尾翼系统控制策略作出研究。

关键词：FSE电动赛车；可调尾翼系统；气动效果

0.引言

面对日益严峻的能源和环保问题，电动车将成为二十一世纪清洁、高效、可再生的运输方式。随着能源节约和环境保护的需要，发展电力机车已是我国汽车业可持续发展的一个重要途径。常规的汽车尾部的攻角是不能调整的，显然不能在变化的赛道上使用。所以在运动项目中，为了充分发挥尾翼的空气动力学特性，有必要设计开发一款能根据赛道工况改变攻角的可调尾翼，以适应不同的路况，从而达到改善车辆性能的目的。

1.可调尾翼系统及其研究意义

自从1960年代起，尾翼就成为F1赛车的主要动力，在赛车的气动设计中起到了很大的推动作用，帮助赛车加速、刹车和过弯。随着汽车技术的飞速发展，车辆的最大速度也在逐渐提升，但却会造成燃料耗用，降低车辆的操控稳定性，据此，DRS（DragReductionSystem）系统应运而生，它由驾驶员调节开闭。在F1比赛中，在一至二个直接路径上，驾驶员可以自行打开DRS，并调整叶片的开闭来调整车辆所受到的空气动力。在开启状态下，由于叶片迎角降低，叶片间出现间隙，气流从叶片间隙中流过，降低了下气压和空气的阻力，从而增加了车辆的直线行驶。在车辆在高速转弯的时候，会发生侧向滑动，必须加强对车辆的控制，这时如果关掉DRS，则会增加尾部迎角和尾部的气压，从而保证车辆的安全通过。

现在，许多国际车队都将DRS系统用于改善车辆的动力性能，例如德国KIT车队、奥地利TUG车队、德国GFR车队等。然而，目前我国对可调节式旋翼系统的研制还很缺乏，因为可调节式旋翼系统在机械和电子上的集成和操纵上的困难，并且因安装了尾部而引起的侧倾、侧偏、转向不足等问题，限制了可调节式尾部系统的发展。

2.可调尾翼系统控制策略研究

为了解决赛车在转弯时尾部的后空气阻力增大，造成汽车发生侧翻和转弯不良，在转弯时使用可调节的尾翼系统，使赛车在转弯时通过调节尾部的角度和距离来调节尾翼攻角，使赛车在转弯时获得更大的加速度，并能有效地减少汽车的倾斜度和操作者的工作压力。

2.1可调尾翼控制系统分析

在赛车上安装空气动力学套件，能在高速行驶时，减少空气中的气动阻力和气动升力，从而达到牵引、制动和过弯的目的。可调尾翼系统是一种改善车辆行驶稳定性的新装置，能够有效地改善转向时的操纵能力，改善其在平行线上的行驶速度。目前，可调整式尾翼技术的发展和应用还处在起步阶段，由于尾翼对车辆高速行驶的性能影响较大，因此大量的研究都是针对高速行驶的赛车的。国内不少高校的研究人员也对尾翼对车辆气动性能的影响进行了研究，并取得了一些成果。目前应用的可调式尾翼控制形式主要为两种：（1）驾驶员可以根据需要在转向盘上或其他地方的开闭调整，实现对尾翼的调整；（2）另一种是在赛车上装有数据传感器，以获取路况信息。此信号由传感器传输至控制器进行分析判断，由转矩获得发动机扭矩，以确保不同工况下的汽车所需的能源。汽车在行驶时，系统的控制参数在不断地变化当中，变化规律也不容易确定。因此很难对赛车的尾翼系统建立准确的数学模型，且由于可调尾翼系统涉及机械、电子一体化提升的问题，控制器的开发一直处于瓶颈阶段。

2.1.1模糊控制

模糊逻辑控制是一种基于模糊集理论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理的计算机数字控制技术。从根本上说，它是一类具有智能化的非线性控制。该方法的关键在于运用了一种基于模糊集的方法，把人的行为进行了系统的转化，并将其转化成了一种以电脑为基础的方法。针对传统的控制方式所不能克服的问题，提出了一种基于数学建模的可控目标的有效控制。作为模糊控制系统的重要组成部分，同时又兼具模糊化和去模糊的转换功能。A/D、数模变换器件是一种非常关键的器件。A/D变换设备的作用是：采集经输入界面进入的受控物体的仿真值，并将其变换成一个数字信号；D/A变换设备的作用是把由控制器计算出来的数字信号变换成模拟值，然后把它的输出传给执行器来控制受控目标。

2.1.2模糊控制在尾翼系统上的应用

模糊控制策略基于知识和语言决策规则设计，适合于复杂的、非线性的时变系统。在此基础上，对系统的运行规律进行了系统的研究，建立系统的运行管理模型。在模糊控制器中，通过给定的规则，通过对输入量的判断，对输入量进行模糊推断，得到相应的控制数值。。在可调尾翼系统中应用模糊控制策略，从而调节不同工况下控制量的输出值。并对其进行模拟和辨识，得出相应的模糊控制律，并对各个工况下的控制量进行调节。这种控制策略符合尾翼系统的控制特点，在规则中加入了人在试验时所得到的控制法则，并根据所输入的识别状况等因素，对所述模糊控制器进行了前轮倾角（即方向盘转角）和滑动比的输入，并将所述汽车的传动电动机的电压进行输出，从而驱动所述传动机构以使所述桨叶转动。该系统能够在不同速度下，通过对汽车工况的分析，获得最优的气流动态，提高赛车过弯速度以及出弯后的加速能力并加大赛车的抓地能力。

2.2系统模糊控制策略

2.2.1控制原理

在高速赛车的结构设计时，必须对赛车的重心和气动压力中心进行全面的研究。位于中心前面的空气压力中心是不稳定的。当车速较高时，汽车的侧翻效应会增加汽车的倾斜角。驾驶员在任何时候都要调整好自己的方向，以确保汽车能在指定的路线上运行，从而增加驾驶难度；与之相反，在它的重心后面，气压中心在重心后是稳定状态。大多数赛车都使用这种设置，在赛车后部安装后翼可以有效地将气动压力中心移回，但也会降低赛车的操控能力。在汽车的结构中，，过大的不足转向或过多转向都会使赛车转弯时难以控制。在汽车试验中，不能参照国内法规，因此一般设赛车车速固定为20m/s，将转向角设置为0，然后逐渐增大至30°，根据已知的数据，增大尾翼攻角可以提高后轮的负升力，提高后轮的侧倾刚度，使前后车体的侧倾角差别增大。这样会加重汽车的操纵能力，而且它会在侧向加速时变得更加明显。因此，使用多个叶片，可以视具体的状况来调节左右方向的角度，并且由于引擎的原因，使左和右两个方向的攻角要小于右侧，因此，在左侧转向时，左侧的攻角要小于右侧，因此，左侧的侧倾力矩与侧向的方向相反，这样就能有效地降低汽车的侧翻。同样，在赛车高速右转时，将同样产生回正力矩和辅助力矩。

2.2.2系统结构

本系统机械装置主要有驱动电机、连杆机构和尾翼。该控制模块由模糊控制器、比较器、放大器、滑动电位仪和反馈控制器组成。其工作原理：首先模糊控制器根据当前方向盘转角和滑移率求出各转角对应的最优尾翼攻角，并以电压信号的形式输出，然后将其作为基本的控制；在进入弯道后，车手将方向盘的方向信息录入到方向盘和滑移率中，通过模糊控制系统的输出来保持电机的角不变，同时，通过连接机构对滑动式传感器进行实时监控，并将其作为一个信号；通过比较（或减）基准电压和反馈控制器的输出电压，得出偏差值，通过放大器调节电动机的角度，电机的驱动带动连接机构旋转，以获得不同转角下尾翼的攻角角度组合，获得赛车转弯时最佳左右侧负升力压差，提高赛车转弯时的稳定性，降低不足转向和侧倾。

3.结束语

本文主要针对FSE电子方程式赛车可调尾翼系统的控制策略展开研究。在此基础上，对尾翼进行了优化，采用了基于转轮角度和偏航比的模糊控制方法，实现了对发动机力矩进行柔性控制，最后设计一套自适应可调模糊控制策略，控制尾翼系统的工作。

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