CN107894318B - 一种自动可调式独立车轮风洞试验台架及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动可调式独立车轮风洞试验台架，包括：试验平台，其中部设置有矩形缺口且轴向两端设置有通孔；支撑平台，其间隙设置在所述试验平台下方；支撑杆，其穿过所述通孔并固定设置在所述支撑平台轴向两端，其高度可调节；移动带，其设置在所述矩形缺口处且与所述试验平台位于同一平面，所述移动带可沿所述试验平台径向移动。本发明所述的自动可调式独立车轮风洞试验台架，能够进行单独车轮试验，对车轮进行静止和旋转试验，结构简单，操作方便。本发明还提供一种自动可调式独立车轮风洞试验台架的控制方法，能够主动控制车轮转速和移动带的转速，使得移动带的移动速度与车轮行驶速度一致，提高测试精度。

Description

一种自动可调式独立车轮风洞试验台架及其控制方法

技术领域

本发明涉及汽车风洞试验台架技术领域，更具体的是，本发明涉及一种自动可调式独立车轮风洞试验台架及其控制方法。

背景技术

汽车风洞是汽车空气动力学研究的一种试验设备，可以进行实车或大比例模型进行风洞试验。现有技术中的汽车风洞试验平台存在的问题包括：其一现在没有单独车轮试验的装置，大多都是先期进行轮辋造型，后期制造出来放在整车中进行风阻等试验，并没有测出车轮独自的风阻系数；其二车轮尺寸不同、远离地面、近地面、前车轮转向工况、车轮旋转、轮胎变形、轮辐结构等对流场的影响，散热效果、减阻效果，轮胎噪声等问题，现在还没有实验平台能满足实车风洞试验的适用性以及试验效率的要求。

发明内容

本发明的一个目的是设计开发一种自动可调式独立车轮风洞试验台架，能够进行单独车轮试验，对车轮进行静止和旋转试验，结构简单，操作方便。

本发明的另一个目的是设计开发了一种自动可调式独立车轮风洞试验台架的控制方法，能够主动控制车轮转速和移动带的转速，使得移动带的移动速度与车轮行驶速度一致，提高测试精度。

本发明提供的技术方案为：

一种自动可调式独立车轮风洞试验台架，包括：

试验平台，其中部设置有矩形缺口且轴向两端设置有通孔；

支撑平台，其间隙设置在所述试验平台下方；

支撑杆，其穿过所述通孔并固定设置在所述支撑平台轴向两端，其高度可调节；

移动带，其设置在所述矩形缺口处且与所述试验平台位于同一平面，所述移动带可沿所述试验平台径向移动。

优选的是，还包括：

天平，其设置在所述支撑平台下方并与所述支撑平台接触；

支撑架，其与所述试验平台、移动带和天平连接，用于支撑所述试验平台、移动带和天平。

优选的是，还包括：

轮毂电机，其与车轮连接，用于驱动车轮旋转；

驱动轴，其穿过所述轮毂电机并固定连接，所述驱动轴两端与所述支撑杆顶端可拆卸连接。

优选的是，所述支撑杆包括：

固定板，其水平设置在所述支撑杆顶端；

管箍，其为向上凸的半圆环形且两端与所述固定板连接，用于固定所述驱动轴。

优选的是，还包括：

第一耳片，其设置在所述支撑杆底端，用于与所述支撑平台连接；

凹槽，其设置在所述支撑平台轴向两端与支撑杆连接处；

过孔，其设置在所述凹槽内，用于第一耳片穿过；

第二耳片，其设置在所述支撑平台底面，位于过孔两侧且与所述所述支撑平台一体成型，用于与所述第一耳片固定。

优选的是，所述移动带包括：

主动轮和从动轮，其分别设置在所述移动带两端；

多个支撑滚筒，其沿所述试验平台径向并列相切设置；

挠性带，其围绕所述主动轮、从动轮和支撑滚筒设置，能够沿所述试验平台径向移动。

优选的是，还包括：

转速传感器，其分别设置在所述轮毂电机和主动轮上，用于检测转速；

控制器，其与所述转速传感器、主动轮和轮毂电机连接，用于接收所述转速传感器的检测数据并控制所述主动轮和轮毂电机旋转。

相应地，本发明还提供一种自动可调式独立车轮风洞试验台架的控制方法，包括模糊控制器：

将所述轮毂电机的转速n_m、轮毂电机的转速n_m与主动轮的转速n_a的转速差值Δn输入模糊控制器，所述模糊控制器中轮毂电机的转速n_m和转速差值Δn分为7个等级；

模糊控制器输出主动轮的转速n_a，输出分为7个等级；

所述轮毂电机的转速n_m的模糊论域为[0,1]，其量化因子为5000；所述转速差值Δn的模糊论域为[-1,1]，量化因子为30；输出主动轮的转速n_a的模糊论域为[0,1]，量化因子为5000；

输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。

优选的是，还包括模糊PID控制器：

输入第i个检测过程的理想转速差值Δn_id和转速差值Δn的偏差e、偏差变化率ec，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数输入PID控制器进行主动轮转速n_a误差补偿控制。

优选的是，

所述理想转速差值Δn_id和转速差值Δn的偏差e的模糊论域为[-1,1]，量化因子为30；所述偏差变化率ec的模糊论域为[-2,2]，量化因子为1；

所述输出PID的比例系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；比例积分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；微分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.0001；

所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；所述输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；

所述模糊PID控制器的输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。

本发明至少具备以下有益效果：

(1)本发明所述的一种自动可调式独立车轮风洞试验台架，能够进行单独车轮试验，对车轮进行静止和旋转试验，利用支撑杆调节车轮距离试验平台的高度，便于分析处于完全流场中的工况、近地面流场、静止轮胎变形对流场的影响及旋转加变形对流场的影响，更加真实还原工况，结构简单，操作方便。

(2)本发明所述的一种自动可调式独立车轮风洞试验台架的控制方法，能够主动控制车轮转速和移动带的转速，使得移动带的移动速度与车轮行驶速度一致，使得车轮在原地旋转时，所述移动带相对移动，以模拟车轮行驶过程，提高测试精度。

附图说明

图1为本发明所述自动可调式独立车轮风洞试验台架的结构示意图。

图2为本发明所述自动可调式独立车轮风洞试验台架的结构示意图。

图3为本发明所述自动可调式独立车轮风洞试验台架和车轮的结构示意图。

图4为本发明所述支撑杆和驱动轴的连接关系结构示意图。

图5为本发明所述支撑杆和支撑平台的连接关系结构示意图。

图6为本发明所述移动带的结构示意图。

图7是本发明所述的模糊控制器和模糊PID控制器的控制示意图。

图8是本发明所述的模糊控制器的输入轮毂电机的转速n_m的隶属度函数图。

图9是本发明所述的模糊控制器的输入转速差值Δn的隶属度函数图。

图10是本发明所述的模糊控制器的输出主动轮转速n_a的隶属度函数图。

图11是本发明所述的模糊PID控制器的输入偏差e的隶属度函数图。

图12是本发明所述的模糊PID控制器的输入偏差变化率ec的隶属度函数图。

图13是本发明所述的模糊PID控制器的输出比例系数K_p的隶属度函数图。

图14是本发明所述的模糊PID控制器的输出比例积分系数K_i的隶属度函数图。

图15是本发明所述的模糊PID控制器的输出微分系数K_d的隶属度函数图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明可以有许多不同的形式实施，而不应该理解为限于再次阐述的实施例，相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的。在附图中，为了清晰起见，会夸大结构和区域的尺寸和相对尺寸。

如图1-6所示，本发明提供一种自动可调式独立车轮风洞试验台架，包括：试验平台110，其中部设置有矩形缺口111且轴向两端设置有通孔112；支撑平台120，其间隙设置在所述试验平台110下方；支撑杆130，其穿过所述通孔112并固定设置在所述支撑平台120轴向两端，其高度可调节，用于调节车轮距离试验平台110的高度以调节轮胎200的变形情况；移动带140，其设置在所述矩形缺口111处且与所述试验平台110位于同一平面，所述移动带140可沿所述试验平台110径向移动，使得车轮在原地旋转时，所述移动带140相对移动，以模拟车轮200行驶过程，本实施例中，所述移动带140前端为圆弧形，以改善试验段流场品质，降低风噪。

作为本发明的另一实施例，还包括：天平150，其设置在所述支撑平台120下方并与所述支撑平台120接触，所述天平150为六分力天平，用于检测车轮200所处流场中的工况；支撑架160，其与所述试验平台110、移动带140和天平150连接，用于支撑所述试验平台110、移动带140和天平150。本实施例中，可以通过转动台架来改变台架上轮胎所受的风的方向。

作为本发明的另一实施例，还包括：轮毂电机170，其与车轮200连接，用于驱动车轮200旋转；驱动轴171，其穿过所述轮毂电机170并固定连接，所述驱动轴171两端与所述支撑杆130顶端可拆卸连接。所述支撑杆130包括：固定板131，其水平设置在所述支撑杆130顶端，用于支撑驱动轴171；管箍132，其为向上凸的半圆环形且两端与所述固定板131连接，用于固定所述驱动轴171，本实施例中，所述固定板131和管箍132通过螺栓和螺母连接并可拆卸地固定驱动轴171。

作为本发明的另一实施例，还包括：第一耳片133，其设置在所述支撑杆130底端，用于与所述支撑平台120连接；在所述支撑平台120轴向两端与支撑杆130连接处设置有凹槽121，所述支撑杆130的底部置于凹槽121内，所述凹槽121内设置有过孔122，用于第一耳片133穿过；在所述支撑平台120底面，位于过孔122两侧且与所述所述支撑平台120一体成型设置有第二耳片123，所述第一耳片133穿过过孔122插入第二耳片123之间，所述第一耳片133和第二耳片123通过螺栓和螺母固定连接，使得支撑杆130与支撑平台120固定连接。

作为本发明的另一实施例，所述移动带140包括：主动轮142和从动轮143，其分别设置在所述移动带140两端，用于带动挠性带145沿所述试验平台110径向移动；在所述主动轮142和从动轮143之间设置多个支撑滚筒144，其沿所述试验平台120径向并列相切设置，用于张紧挠性带145，同时用于支撑车轮200以防止挠性带145下沉而影响测试精度；所述挠性带145围绕所述主动轮142、从动轮143和支撑滚筒144设置，能够沿所述试验平台110径向移动。当然，还可以在移动带前方设置导流装置，增加流场质量。

作为本发明的另一实施例，还包括：转速传感器，其分别设置在所述轮毂电机170和主动轮142上，用于检测转速；控制器，其与所述转速传感器、主动轮142和轮毂电机170连接，用于接收所述转速传感器的检测数据并控制所述主动轮142和轮毂电机170旋转。

本发明所述的一种自动可调式独立车轮风洞试验台架，能够进行单独车轮试验，对车轮进行静止和旋转试验，利用支撑杆调节车轮距离试验平台的高度，便于分析处于完全流场中的工况、近地面流场、静止轮胎变形对流场的影响及旋转加变形对流场的影响，更加真实还原工况，结构简单，操作方便。

本发明还提供一种自动可调式独立车轮风洞试验台架的控制方法，如图7所示，控制器包括模糊控制器和模糊PID控制器，包括以下步骤：

步骤1、将轮毂电机的转速n_m、轮毂电机的转速n_m与主动轮的转速n_a的转速差值Δn、主动轮的转速n_a进行模糊处理；在无控制时，轮毂电机的转速n_m的模糊论域为[0,1]，其量化因子为5000；所述转速差值Δn的模糊论域为[-1,1]，量化因子为30；主动轮的转速n_a的模糊论域为[0,1]，量化因子为5000。为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，所述轮毂电机的转速n_m和转速差值Δn分为7个等级；输出主动轮的转速n_a，输出分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，输入和输出的隶属度函数均采用三角形隶属函，详见图8、9和10。其中所述模糊控制器的模糊控制规则为：

(1)轮毂电机的转速n_m一定，转速差值Δn增大，需要增大主动轮的转速n_a；

(2)转速差值Δn一定，轮毂电机的转速n_m增大，需要增大主动轮的转速n_a；

模糊控制的具体控制规则详见表一。

表一主动轮的转速n_a的模糊控制表

模糊控制器的输入轮毂电机的转速n_m、轮毂电机的转速n_m与主动轮的转速n_a的转速差值Δn，用模糊控制规则表一得出模糊控制器的输出主动轮的转速n_a，主动轮的转速n_a利用重心法解模糊化。

步骤2、模糊PID控制器

将第i个检测过程的理想转速差值Δn_id和转速差值Δn的偏差e、偏差变化率ec、输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数进行模糊处理；在无控制时，偏差e的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为30；偏差变化率ec的模糊论域为[-2,2]，其量化因子为1；PID的比例系数K_p模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1。PID的比例积分系数K_i模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；PID的微分系数K_d模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.0001。为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，所述模糊控制器中偏差e、偏差变化率ec分为7个等级；输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，输入和输出的隶属度函数均采用三角形隶属函数，详见图11-15。其模糊控制规则为：

1、当偏差|e|较大时，增大K_p的取值，从而使偏差快速减小，但同时产生了较大的偏差变化率，应取较小的K_d，通常取K_i＝0；

2、当|ec|和|e|取值处于中等时，为避免超调，适当减小K_p的取值，使K_i较小，选择适当大小的K_d；

3、当偏差|e|较小时，增大K_pK_i的取值，为避免出现在系统稳态值附近震荡的不稳定现象，通常使当|ec|较大时，取较小的K_d；当|ec|较小时，取较大的K_d；具体的模糊控制规则详见表二、三和四。

表二PID的比例系数K_p的模糊控制表

表三PID的比例积分系数K_i的模糊控制表

表四PID的微分系数K_d的模糊控制表

输入第i个检测过程的理想转速差值Δn_id和转速差值Δn的偏差e、偏差变化率ec，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数用高度法进行解模糊化，输入PID控制器进行主动轮转速n_a的误差补偿控制，其控制算式为：

经实验反复确定，模糊PID控制器对主动轮转速n_a进行精确控制，主动轮转速n_a为模糊控制器的输出转速和PID控制器的转速误差补偿值的加和，使主动轮的转速n_a得以精确控制，使其偏差小于0.1％。

本发明所述的一种自动可调式独立车轮风洞试验台架的控制方法，能够主动控制车轮转速和移动带的转速，使得移动带的移动速度与车轮行驶速度尽可能一致，使得车轮在原地旋转时，所述移动带相对移动，以模拟车轮行驶过程，提高测试精度。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (1)

1.一种自动可调式独立车轮风洞试验台架的控制方法，使用一种自动可调式独立车轮风洞试验台架，包括：

试验平台，其中部设置有矩形缺口且轴向两端设置有通孔；

支撑平台，其间隙设置在所述试验平台下方；

支撑杆，其穿过所述通孔并固定设置在所述支撑平台轴向两端，其高度可调节；

移动带，其设置在所述矩形缺口处且与所述试验平台位于同一平面，所述移动带可沿所述试验平台径向移动；

还包括：

轮毂电机，其与车轮连接，用于驱动车轮旋转；

驱动轴，其穿过所述轮毂电机并固定连接，所述驱动轴两端与所述支撑杆顶端可拆卸连接；

所述移动带包括：

主动轮和从动轮，其分别设置在所述移动带两端；

多个支撑滚筒，其沿所述试验平台径向并列相切设置；

挠性带，其围绕所述主动轮、从动轮和支撑滚筒设置，能够沿所述试验平台径向移动；

其特征在于，包括模糊控制器：

将所述轮毂电机的转速n_m、轮毂电机的转速n_m与主动轮的转速n_a的转速差值△n输入模糊控制器，所述模糊控制器中轮毂电机的转速n_m和转速差值△n分为7个等级；

模糊控制器输出主动轮的转速n_a，输出分为7个等级；

所述轮毂电机的转速n_m的模糊论域为[0,1]，其量化因子为5000；所述转速差值△n的模糊论域为[-1,1]，量化因子为30；输出主动轮的转速n_a的模糊论域为[0,1]，量化因子为5000；

输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；

还包括模糊PID控制器：

输入第i个检测过程的理想转速差值△n_id和转速差值△n的偏差e、偏差变化率ec，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数输入PID控制器进行主动轮转速n_a误差补偿控制；

所述理想转速差值△n_id和转速差值△n的偏差e的模糊论域为[-1,1]，量化因子为30；所述偏差变化率ec的模糊论域为[-2,2]，量化因子为1；

所述输出PID的比例系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；比例积分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；微分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.0001；

所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；所述输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；

所述模糊PID控制器的输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。

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