دانشگاه صنعتی امیرکبیر
(پلی‌تکنیک تهران)
طراحی سیستم یکپارچه کنترل جهت بهبود پایداری جانبی و دینامیک غلت خودرو
ارائه شده برای دریافت درجه کارشناسی ارشد
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))
تهیه شده توسط: شهاب رحیمی
استاد راهنما: دکتر نراقی
دانشکده مهندسی مکانیک
بهمن ۱۳۹۱
قدردانی
بدین وسیله از زحمات استاد راهنما، آقای دکتر نراقی برای ارائه راهنماییهای ارزنده در طول انجام این پایان نامه قدردانی می نمایم. همچنین از همکاری مهندس سینا چراغی و مهندس دانیال چودن کمال تشکر را دارم. از اعضاء خانواده که در طول انجام این پایان نامه با صبر و تحمل مشکلات را پذیرا بودند نیز سپاسگزارم.
اینجانب شهاب رحیمی متعهد می‌شوم که مطالب مندرج در این پایان نامه حاصل کار پژوهشی اینجانب تحت نظارت و راهنمایی اساتید دانشگاه صنعتی امیرکبیر بوده و به دستاوردهای دیگران که در این پژوهش از آنها استفاده شده است مطابق مقررات و روال متعارف ارجاع و در فهرست منابع و مآخذ ذکر گردیده است. این پایان نامه قبلاً برای احراز هیچ مدرک هم‌سطح یا بالاتر ارائه نگردیده است.
در صورت اثبات تخلف در هر زمان، مدرک تحصیلی صادر شده توسط دانشگاه از درجه اعتبار ساقط بوده و دانشگاه حق پیگیری قانونی خواهد داشت.
کلیه نتایج و حقوق حاصل از این پایان نامه متعلق به دانشگاه صنعتی امیرکبیر میباشد. هرگونه استفاده از نتایج علمی و عملی، واگذاری اطلاعات به دیگران یا چاپ و تکثیر، نسخه‌برداری، ترجمه و اقتباس از این پایان نامه بدون موافقت کتبی دانشگاه صنعتی امیرکبیر ممنوع است. نقل مطالب با ذکر مآخذ بلامانع است.
شهاب رحیمی
چکیده
علاوه بر ناپایداری جانبی، یکی از تهدیدهای عمده برای خودروهای سواری به ویژه خودروهای شاسیبلند، خطر واژگونی است. در این پایان نامه یک استراتژی هماهنگی بر اساس منطق فازی، برای عملکرد یکپارچه زیرسیستمهای فعال فرمان، دیفرانسیل، ترمز و میله ضدغلت طراحی شده است. تحلیلهای جداگانه روی هر یک از زیرسیستمها به طور مستقل و نیز اثر همافزایی آنها صورت گرفته است. این استراتژی هماهنگی تلاش می کند ضمن حفظ شتاب طولی مطلوب راننده تداخل میان زیرسیستمها و اهداف کنترلی آنها را که عبارتند از: تعقیب نرخ چرخش، شتاب جانبی و حرکت غلت خودرو، تا حد امکان برطرف نماید و مصالحهای میان آنها برقرار سازد. بررسی عملکرد این استراتژی در غیاب دیفرانسیل فعال نیز نتایج موفقی را به همراه داشته است. زاویه لغزش جانبی و نرخ چرخش به عنوان شاخص های پایداری جانبی و زاویه غلت، نرخ غلت و انتقال وزن جانبی به عنوان شاخص های پایداری غلت در نظر گرفته شده اند. نتایج شبیهسازی بر روی یک مدل ده درجه آزادی ساخته شده در نرمافزار Simulink نشان میدهد که عملکرد سیستم یکپارچه نسبت به عملکرد مستقل تکتک زیرسیستمها بهبود داشته و پایداری غلت در کنار پایداری جانبی حفظ شده است. همچنین، نتایج شبیهسازی برای مانور «بدترین حالت» حاکی از عملکرد رضایتبخش این سیستم یکپارچه است. نتایج با مدلسازی در محیط نرمافزار Carsim صحهگذاری شده است.
کلمات کلیدی:
کنترل یکپارچه، کنترل پایداری، کنترل غلت، فرمان فعال، دیفرانسیل فعال، ترمز فعال
فهرست مطالب
فصل اول – پیشگفتار
۱-۱ ضرورت تحقیق ۳
۱-۲ پیشینه کنترل پایداری خودرو ۵
۱-۲-۱ کنترل نرخ چرخش ۵
۱-۲-۲ کنترل لغزش جانبی ۷
۱-۲-۳ کنترل غلت ۹
۱-۳ تعریف مسئله ۱۱
۱-۴ طرحنمای پایان نامه ۱۱
فصل دوم – مدلسازی خودرو
۲-۱ مقدمه ۱۴
۲-۲ مدل ده درجه آزادی ۱۴
۲-۲-۱ فرضیات مدل ۱۴
۲-۲-۲ معادلات دینامیک ۱۵
۲-۳ مدل راننده ۲۳
۲-۴ صحهگذاری حلقهباز مدل به کمک نرمافزار CarSim 25
فصل سوم – طراحی کنترلر
۳-۱ مقدمه ۳۲
۳-۲ اندازه گیری متغیرها ۳۳
۳-۳ زیرسیستمهای کنترلی ۳۴
۳-۳-۱ سیستم فرمان فعال جلو ۳۴
۳-۳-۲ سیستم دیفرانسیل فعال ۳۴
۳-۳-۳ سیستم ترمز فعال ۳۴
۳-۳-۴ سیستم تنظیم لغزش / ترمز ضد قفل ۳۵
۳-۳-۵ سیستم فعال غلت -میله ضد غلت- ۳۵
۳-۴ مدل ساده شده خودرو برای طراحی کنترلر ۳۶
۳-۵ مدل مرجع ۳۷
۳-۵-۱ نرخ چرخش ۳۷
۳-۵-۲ شتاب طولی ۳۹
۳-۵-۳ شتاب جانبی ۳۹
۳-۶ طراحی کنترلر فرمان فعال ۳۹
۳-۷ طراحی کنترلر دیفرانسیل فعال ۴۱
۳-۸ طراحی کنترلر ترمز فعال ۴۲
۳-۹ طراحی کنترلر تنظیم لغزش فعال / ترمز ضد قفل ۴۵
۳-۱۰ طراحی کنترلر فعال غلت- میله ضدغلت- ۴۷
۳-۱۱ استراتژی هماهنگی ۵۰
۳-۱۱-۱ بررسی تداخلات ممکن بین اهداف زیرسیستمها ۵۰
۳-۱۱-۲ انتخاب استراتژی هماهنگی مناسب ۵۰
۳-۱۱-۳ طراحی یکپارچهساز فازی ۵۳
فصل چهارم – شبیهسازی و نتایج
۴-۱ مقدمه ۵۹
۴-۲ تحلیل عملکرد زیرسیستمها ۶۰
۴-۲-۱ کنترل فرمان فعال ۶۰
۴-۲-۲ کنترل دیفرانسیل فعال ۶۵
۴-۲-۳ کنترل ترمز فعال ۷۰
۴-۲-۵ کنترل فعال غلت -میله ضدغلت- ۷۶
۴-۳ ارزیابی عملکرد یکپارچهساز ۸۲
) ۸۲
) ۸۹
۴-۴ مقایسه زیرسیستمها و سیستم کنترل یکپارچه ۹۶
۴-۴ صحهگذاری حلقهبسته (سیستم کنترل یکپارچه) توسط نرمافزار CarSim 101
۴-۵ مانور بدترین حالت ۱۰۷
فصل پنجم – نتیجه گیری و پیشنهادها
۵-۱ نتیجه گیری ۱۱۵
۵-۲ پیشنهادها ۱۱۶
مراجع ۱۱۷
پیوست الف – سیستم کنترل یکپارچه بدون دیفرانسیل فعال ۱۱۵
پیوست ب- مقادیر عددی پارامترهای خودرو ۱۲
فهرست جدولها
جدول ۳-۱ شیوه پسخوراند متغیرها ۳۲
جدول ۳-۲ ضرایب کنترلر فرمان فعال ۳۹
جدول ۳-۳ ضرایب کنترلر دیفرانسیل فعال ۴۰
جدول ۳-۴ ضرایب کنترلر ترمز فعال ۴۲
جدول ۳-۵ ضرایب کنترلر تنظیم لغزش فعال / ترمز ضد قفل ۴۶
جدول ۳-۶ ضرایب کنترلر فعال غلت –میله ضدغلت- ۴۸
جدول ۳-۷ قوانین هماهنگی در حضور دیفرانسیل فعال ۵۴
جدول۴-۱ مقایسه بیشینه خطا با خودروی بدون کنترل برای سیستم فرمان فعال ۶۴
جدول ۴-۲ مقایسه بیشینه خطا با خودروی بدون کنترل برای سیستم دیفرانسیل فعال ۶۹
جدول ۴-۳ مقایسه بیشینه خطا با خودروی بدون کنترل برای سیستم ترمز فعال ۷۴
جدول ۴-۴ مقایسه بیشینه خطا با خودروی بدون کنترل برای سیستم کنترل فعال غلت ۸۰
جدول ۴-۵ مقایسه بیشینه خطا با خودروی بدون کنترل برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح خشک ۸۸
جدول ۴-۶ مقایسه بیشینه خطا با خودروی بدون کنترل برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح لغزنده ۹۵
جدول الف-۱ قوانین هماهنگی بدون دیفرانسیل فعال ۱۲۱
جدول الف-۲ مقایسه بیشینه خطا با خودروی بدون کنترل برای سیستم کنترل یکپارچه بدون دیفرانسیل فعال ۱۲۳
جدول الف-۳ مقایسه مقادیر کاهش بیشینه خطا در سیستم بدون دیفرانسیل فعال با سیستم با دیفرانسیل فعال ۱۲۳
جدول ب مقادیر عددی پارامترهای خودرو ۱۲۵
فهرست شکلها
شکل ۱-۱ سیستمهای ایمنی غیرفعال ۳
شکل ۱-۲ سیستمهای ایمنی فعال ۳
شکل ۱-۳ الگوریتم پیشخوراند برای فرمان فعال ۵
شکل ۱-۴ الگوریتم پسخوراند برای فرمان فعال ۵
شکل ۱-۵ کنترل نرخ چرخش به روش پیشخوراند-پسخوراند ۶
شکل ۱-۶ کنترل زاویه لغزش جانبی در شرایط پایا با فرمان فعال ۶
شکل ۲-۱ دستگاه مختصات متصل به بدنه ۱۴
شکل ۲-۲ نمودار پیکره آزاد برای دینامیک طولی، جانبی و چرخش ۱۵
شکل ۲-۳ نمودار پیکره آزاد برای دینامیک عمودی و غلت ۱۶
شکل ۲-۴ نمودار پیکره آزاد برای دینامیک فراز ۱۷
شکل ۲-۵ نمودار پیکره آزاد برای جرم فنربندی نشده جلو ۱۹
شکل ۲-۶ نمودار نیروهای طولی و جانبی تایر بر حسب لغزش طولی و جانبی ۲۱
شکل ۲-۷ نمودار پیکره آزاد برای دینامیک دورانی چرخ ۲۲
شکل ۲-۸ مدل راننده ۲۴
شکل ۲-۹ صفحه اصلی نرمافزار CarSim 25
شکل ۲-۱۰ زاویه فرمان مانور صحهگذاری ۲۶
شکل ۲-۱۱ نتایج صحهگذاری مدل حلقه باز توسط نرمافزار CarSim (رفتار دینامیکی) ۲۷
شکل ۲-۱۲ نتایج صحهگذاری مدل حلقه باز توسط نرمافزار CarSim (انتقال وزن جانبی) ۲۸
شکل ۲-۱۳ نتایج صحهگذاری مدل حلقه باز توسط نرمافزار CarSim (سیستم تعلیق) ۲۹
شکل ۳-۱ شمای کلی کنترلر ۳۱
شکل ۳-۲ نمودار پیکره آزاد برای مدل سه درجه آزادی ۳۵
شکل ۳-۳ نمودار تغییرات w بر حسب β ۴۱
شکل ۳-۴ منطق ترمزگیری برای اصلاح نرخ چرخش ۴۳
شکل۳-۵ استراتژی هماهنگی در حالت شتابگیری ۵۱
شکل۳-۶ استراتژی هماهنگی در حالت حفظ سرعت ۵۲
شکل۳-۷ استراتژی هماهنگی در حالت ترمزگیری ۵۳
شکل ۳-۸ توابع عضویت فازی برای متغیرهای ورودی ۵۳
شکل ۳-۹ توابع عضویت فازی برای متغیرهای خروجی ۵۳
شکل ۳-۱۰ سطح فازی برای متغیر خروجی WASC ۵۵
شکل ۳-۱۱ سطح فازی برای متغیر خروجی WADC ۵۵
شکل ۳-۱۲ سطح فازی برای متغیر خروجی WABC ۵۶
شکل ۴-۱ مانور تغییر مسیر دوگانه برای سیستم فرمان فعال ۵۹
شکل ۴-۲ پاسخ نرخ چرخش برای سیستم فرمان فعال ۶۰
شکل ۴-۳ پاسخ دینامیک جانبی برای سیستم فرمان فعال ۶۱
شکل ۴-۴ پاسخ دینامیک غلت برای سیستم فرمان فعال ۶۲
شکل ۴-۵ پاسخ دینامیک طولی برای سیستم فرمان فعال ۶۳
شکل ۴-۶ نمودار تلاش کنترلی برای سیستم فرمان فعال ۶۳
شکل ۴-۷ مانور تغییر مسیر دوگانه برای سیستم دیفرانسیل فعال ۶۴
شکل ۴-۸ پاسخ نرخ چرخش برای سیستم دیفرانسیل فعال ۶۵
شکل ۴-۹ پاسخ دینامیک جانبی برای سیستم دیفرانسیل فعال ۶۶
شکل ۴-۱۰ پاسخ دینامیک غلت برای سیستم دیفرانسیل فعال ۶۷
شکل ۴-۱۱ پاسخ دینامیک طولی برای سیستم دیفرانسیل فعال ۶۸
شکل ۴-۱۲ نمودار تلاش کنترلی برای سیستم دیفرانسیل فعال ۶۹
شکل ۴-۱۳ مانور تغییر مسیر دوگانه برای سیستم ترمز فعال ۶۹
شکل ۴-۱۴ پاسخ نرخ چرخش برای سیستم ترمز فعال ۷۰
شکل ۴-۱۵ پاسخ دینامیک جانبی برای سیستم ترمز فعال ۷۱
شکل ۴-۱۶ پاسخ دینامیک غلت برای سیستم ترمز فعال ۷۲
شکل ۴-۱۷ پاسخ دینامیک طولی برای سیستم ترمز فعال ۷۳
شکل ۴-۱۸ نمودار تلاش کنترلی برای سیستم ترمز فعال ۷۴
شکل ۴-۱۹ مانور تغییر مسیر دوگانه برای سیستم کنترل فعال غلت ۷۵
شکل ۴-۲۰ پاسخ نرخ چرخش برای سیستم کنترل فعال غلت ۷۶
شکل ۴-۲۱ پاسخ دینامیک جانبی برای سیستم کنترل فعال غلت ۷۷
شکل ۴-۲۲ پاسخ دینامیک غلت برای سیستم کنترل فعال غلت ۷۸
شکل ۴-۲۳ پاسخ دینامیک طولی برای سیستم کنترل فعال غلت ۷۹
شکل ۴-۲۴ نمودار تلاش کنترلی برای سیستم کنترل فعال غلت ۸۰
شکل ۴-۲۵ مانور تغییر مسیر دوگانه برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح خشک ۸۱
شکل ۴-۲۶ پاسخ دینامیک چرخش برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح خشک ۸۲
شکل ۴-۲۷ پاسخ دینامیک جانبی برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح خشک ۸۳
شکل ۴-۲۸ پاسخ دینامیک غلت برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح خشک ۸۴
شکل ۴-۲۹ پاسخ دینامیک طولی برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح لغزنده ۸۵
شکل ۴-۳۰ نمودار زاویه فرمان و گشتاور چرخها برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح خشک ۸۶
شکل ۴-۳۱ نمودار گشتاور فعال غلت برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح خشک ۸۷
شکل ۴-۳۲ نمودار ضرایب وزنی سیستمها برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح خشک ۸۷
شکل ۴-۳۳ مانور تغییر مسیر دوگانه برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح لغزنده ۸۸
شکل ۴-۳۴ پاسخ دینامیک چرخش برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح لغزنده ۸۹
شکل ۴-۳۵ پاسخ دینامیک جانبی برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح لغزنده ۹۰
شکل ۴-۳۶ پاسخ دینامیک غلت برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح لغزنده ۹۱
شکل ۴-۳۷ پاسخ دینامیک طولی برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح لغزنده ۹۲
شکل ۴-۳۸ نمودار زاویه فرمان و گشتاور چرخها برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح لغزنده ۹۳
شکل ۴-۳۹ نمودار گشتاور فعال غلت برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح لغزنده ۹۴
شکل ۴-۴۰ نمودار ضرایب وزنی سیستمها برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح لغزنده ۹۴
شکل ۴-۴۱ مقایسه سیستمهای کنترلی در کاهش خطای نرخ چرخش ۹۶
شکل ۴-۴۲ مقایسه سیستمهای کنترلی در کاهش خطای شتاب جانبی ۹۶
شکل ۴-۴۳ مقایسه سیستمهای کنترلی در کاهش خطای لغزش جانبی ۹۷
شکل ۴-۴۴ مقایسه سیستمهای کنترلی در کاهش شاخص غلت ۹۸
شکل ۴-۴۵ مقایسه سیستمهای کنترلی در کاهش افت سرعت ۹۸
شکل ۴-۴۶ مقایسه سیستمهای کنترلی در کاهش انحراف از مسیر ۹۹
شکل ۴-۴۷ مانور تغییر مسیر دوگانه ۱۰۰
شکل ۴-۴۸ پاسخ دینامیک جانبی ۱۰۱
شکل ۴-۴۹ پاسخ دینامیک جانبی (ادامه) ۱۰۲
شکل ۴-۵۰ پاسخ دینامیک غلت ۱۰۲
شکل ۴-۵۱ پاسخ دینامیک غلت (ادامه) ۱۰۳
شکل ۴-۵۲ زاویه فرمان ۱۰۴
شکل ۴-۵۳ گشتاور رانشی چرخها ۱۰۴
شکل ۴-۵۴ گشتاور ترمزی چرخها ۱۰۵
شکل ۴-۵۵ پاسخ دینامیک طولی ۱۰۵
شکل ۴-۵۶ نتیجه حل مسئله بهینهسازی با تابع هدف LLT ۱۰۶
شکل ۴-۵۷ مسیر خودرو در مانور بدترین حالت ۱۰۷
شکل ۴-۵۸ پاسخ دینامیک چرخش در مانور بدترین حالت ۱۰۷
شکل ۴-۵۹ پاسخ دینامیک جانبی در مانور بدترین حالت ۱۰۸
شکل ۴-۶۰ پاسخ دینامیک غلت در مانور بدترین حالت ۱۰۹
شکل ۴-۶۱ پاسخ دینامیک طولی در مانور بدترین حالت ۱۱۰
شکل ۴-۶۲ زاویه فرمان در مانور بدترین حالت ۱۱۱
شکل ۴-۶۳ گشتاور چرخها در مانور بدترین حالت ۱۱۱
شکل ۴-۶۴ گشتاور فعال غلت در مانور بدترین حالت ۱۱۲
شکل ۴-۶۵ وزن فعالیت زیرسیستمها در مانور بدترین حالت ۱۱۷
شکل الف-۱ استراتژی هماهنگی بدون دیفرانسیل فعال در حالت شتابگیری ۱۱۹
شکل الف-۲ استراتژی هماهنگی بدون دیفرانسیل فعال در حالت حفظ سرعت ۱۱۹
شکل الف-۳ استراتژی هماهنگی بدون دیفرانسیل فعال در حالت ترمزگیری ۱۱۹
شکل الف-۴ پاسخ دینامیک چرخش برای سیستم کنترل یکپارچه بدون دیفرانسیل فعال ۱۲۱
شکل الف-۵ پاسخ لغزش جانبی برای سیستم کنترل یکپارچه بدون دیفرانسیل فعال ۱۲۱
شکل الف-۶ پاسخ دینامیک جانبی برای سیستم کنترل یکپارچه بدون دیفرانسیل فعال ۱۲۲
فهرست نمادها
α
زاویه لغزش چرخ
hcg
ارتفاع مرکز جرم فنربندی شده از محورهای غلت و فراز
β
زاویه لغزش جانبی خودرو
βsusp,i
ضریب مستهلککننده تعلیق
IPC
لختی دورانی جرم فنربندی شده حول محور فراز
δ
زاویه فرمان چرخ
IRC
لختی دورانی جرم فنربندی شده حول محور غلت
δsusp,i
تغییر طولی استاتیکی فنر تعلیق
Iz
لختی دورانی خودرو حول محور z
θ
زاویه چرخش
Ki
ضریب فنر تعلیق
λi, ηi, κi, εi
ضرایب کنترلرهای مود لغزشی
KP,i, TI,i
ضرایب کنترلر PD
μ
ضریب اصطکاک چرخ با جاده
Lf
فاصله مرکز جرم از جلوی خودرو
σx
لغزش طولی چرخ
Lr
فاصله مرکز جرم از عقب خودرو
φ
زاویه غلت جرم فنربندی شده
m
جرم خودرو
ax
شتاب طولی خودرو
ms
جرم فنربندی شده
ax,des
شتاب طولی مطلوب راننده
mu
جرم فنربندی نشده
ay
شتاب جانبی خودرو
r
نرخ چرخش خودرو
Cd
ضریب مقاومت هوا
rdes
نرخ چرخش مرجع
Cα
سفتی جانبی تایر
rtarget
نرخ چرخش هدف (اشباع شده)
Cσ
سفتی طولی تایر
Rw
شعاع چرخ
finst
شاخص ناپایداری جانبی
tf
فاصله بین چرخهای راست و چپ جلو
fr
ضریب مقاومت غلت تایر
tr
فاصله بین چرخهای راست و چپ عقب
Fx,i
نیروی طولی تایر
Ui
ارتفاع پروفیل جاده
Fy,i
نیروی جانبی تایر
WABC
وزن فعالیت سیستم ترمز فعال
Fz,i
نیروی عمودی تایر
WADC
وزن فعالیت سیستم دیفرانسیل فعال
g
شتاب گرانش ثقل
WASC
وزن فعالیت سیستم فرمان فعال
x, y, z
مختصات مرکز جرم خودرو در دستگاه بدنه
ud
سرعت طولی مطلوب خودرو
فصل اول
پیشگفتار
۱-۱ ضرورت تحقیق
در سالهای اخیر، موسسات دولتی و خصوصی، تحقیقات گستردهای را روی فناوریهای ایمنی فعال[۱] خودرو انجام دادهاند. تخمین زده شده است که در کشورهای عضو اتحادیه اروپا، هزینه های مستقیم و غیرمستقیم ناشی از سوانح جادهای در سال ۲۰۰۹، ۱۳۰ میلیارد یورو بوده است [۱]. یکی از موثرترین راهکارهای کاهش این سوانح، استفاده از سیستمهای یکپارچه کنترل پایداری است [۲]. موسسه NHTSA[2] آمریکا تخمین زده است که به کارگیری سیستمهای الکترونیکی کنترل پایداری[۳] (ESC)، رخداد سوانح برای یک خودروی سواری را تا ۳۴% و همین سوانح را برای خودروهای شاسیبلند[۴] (SUV) تا ۵۹% کاهش داده است. میزان این کاهش، در سوانح منجر به واژگونی[۵] بسیار بیشتر بوده است [۲].
در زمینه ایمنی خودرو، تلاش های گستردهای صورت گرفته که در یک تقسیم بندی، آنها را به دو بخش غیرفعال[۶] و فعال[۷] تقسیم مینمایند. کلیه تمهیداتی که برای حفظ جان سرنشینان پس از وقوع تصادف به کار میروند، در زمره روشهای غیرفعال ایمنی خودرو هستند که از آن جمله میتوان کیسه هوا، کمربند ایمنی، محافظ سر و جاذب ضربه را نام برد (شکل ۱-۱). این روشها موضوع بحث این پایان نامه نیستند. در سوی دیگر، روشهای فعال قرار دارند که شامل سیستمهای اخطار خروج از خط، سیستم هشدار برخورد و کنترلرهایی هستند که به منظور حفظ پایداری خودرو و پیشگیری از وقوع سانحه به کار میروند (شکل ۱-۲). در سیستمهای فعالِ اشاره شده، دو مورد اول صرفاً سیستمهای هشداردهنده هستند، در حالی که سیستمهای کنترل پایداری، مستقیماً بر دینامیک خودرو اثر میگذارند. این روشها امروزه به طور گستردهای توسعه یافتهاند و مهمترین آنها سیستمهای ترمز ضدقفل، تنظیمکننده لغزش چرخها، فرمان فعال، ترمز فعال، دیفرانسیل فعال و تعلیق نیمهفعال و فعال هستند. این سیستمها عملاً با هدف تنظیم رفتار مجموعه ای از متغیرهای دینامیکی خودرو مانند نرخ چرخش، لغزش جانبی، لغزش طولی و متغیرهای غلت طراحی میگردند. در بخشهای بعدی، شرح مختصری از روشهای مذکور می آید.
شکل ۱-۱ سیستمهای ایمنی غیرفعال [۳]
شکل ۱-۲ سیستمهای ایمنی فعال [۳]
۱-۲ پیشینه کنترل پایداری خودرو
۱-۲-۱ کنترل نرخ چرخش
یکی از معیارهای مهم پایداری جانبی و چرخشی خودرو، نرخ چرخش[۸] آن میباشد. در مانورهای سریع و ناگهانی، ممکن است برای خودرو یکی از دو وضعیت کمفرمانی[۹] یا بیشفرمانی[۱۰] حاد پیش آید که در آنها به ترتیب، نرخ چرخش خودرو بسیار کمتر و بیشتر از مقدار مطلوب (که وابسته به سرعت و زاویه فرمان راننده است) میباشد. بنابراین، این معیار یکی از مسائل مورد توجه در رفتار خودرو است.
به منظور کنترل نرخ چرخش خودرو، از عملگرهای گوناگونی استفاده شده است که برخی از آنها عبارتند از فرمان (زاویه چرخها)، دیفرانسیل (نیروی رانش اختلافی زیر چرخها)، ترمز (ترمزگیری اختلافی بین چرخهای راست و چپ)، سیستم تعلیق (توزیع بار عمودی بین چرخها و در نتیجه تغییر نیروهای طولی و جانبی).
منینگ[۱۱] و همکاران [۴] مروری بر این تحقیقات داشته اند. در این مرور، اشاره شده که کرامر[۱۲] و همکاران از فرمان فعال[۱۳] و الگوریتم پیشخوراند[۱۴] استفاده کرده اند (شکل ۱-۳). در این روش، کنترلر با افزایش زاویه فرمان اعمالی راننده، زمان پاسخ را کاهش میدهد. روش متداولتر، الگوریتمهای پسخوراند[۱۵] هستند که در آنها، کنترلر با اصلاح زاویه چرخها تلاش می کند نرخ چرخش را به نرخ چرخش مطلوب یک مدل مرجع برساند (شکل ۱-۴). در ادامه مرور اشاره شده که آکرمن[۱۶] و همکاران (۱۹۹۲، ۱۹۹۶ و ۱۹۹۷) تحقیقاتی جداگانه در زمینه جداسازی[۱۷] دینامیک چرخش از دینامیک جانبی انجام دادهاند با این هدف که راننده مسیر مطلوب را دنبال کند و کنترلر اغتشاشات ناشی از بادهای جانبی و سطوح اصطکاکی متفاوت در جاده را حذف کند.
شکل ۱-۳ الگوریتم پیشخوراند برای فرمان فعال [۴]
شکل ۱-۴ الگوریتم پسخوراند برای فرمان فعال [۴]
ماتسوموتو[۱۸] و همکاران (۱۹۹۲) به شرح سیستم اولیه «توزیع نیروی ترمز» (BFD[19]) مورد استفاده در نیسان می پردازد. در این سیستم و همچنین سیستمهای مشابه «کنترل مستقیم پایداری[۲۰]» (مورد استفاده در BMW)، از روش کنترل تعقیبی پیشخوراند-پسخوراند استفاده می شود (شکل ۱-۵). نکته مهم اینجاست که اگر هدف کنترلر تامین همزمان پایداری خودرو و راحتی سرنشینان باشد، به جز در مواردی که راننده قصد ترمزگیری داشته باشد، استفاده از این سیستم به علت کاهش ناخواسته سرعت قدری نامطلوب است. اما، چنانچه تنها هدف، پایداری باشد، ترمز قویترین ابزار برای این منظور به شمار میرود. با این حال، باید توجه داشت که ترمز بیشتر برای کاهش لغزش جانبی به کار میرود تا کنترل نرخ چرخش.
شکل ۱-۵ کنترل نرخ چرخش به روش پیشخوراند-پسخوراند [۴]
۱-۲-۲ کنترل لغزش جانبی
از قدیمیترین روشهای کمینه نمودن زاویه لغزش جانبی، کنترل پیشخوراند خطی سیستمهای فرمان عقب فعال[۲۱] است [۵]. شکل ۱-۶ شمای کلی این روش را نمایش میدهد. در این الگوریتم، قانون کنترل از حل مدل دو درجه آزادی خودرو برای صفر شدن لغزش جانبی محاسبه میگردد.
شکل ۱-۶ کنترل زاویه لغزش جانبی در شرایط پایا با فرمان فعال [۴]
روشهای اولیه، مبتنی بر استخراج قانون کنترل بر اساس شرایط پایا بودند. در سال ۱۹۹۴، ایناگاکی[۲۲] [۶] پیشنهاد کرد برای تحلیل بهتر دینامیک پاسخ، از جمله استهلاک و فرکانس طبیعی آن، کنترلر بر اساس رفتار خودرو در صفحه فاز طراحی گردد. در این روش، طراحی قانون کنترل بر اساس مقادیر لغزش جانبی و نرخ آن صورت میپذیرد. یاسویی[۲۳] و همکاران [۷] در سال ۱۹۹۶، نتایجی تجربی از این رویکرد را بر روی یک نمونه Aisin Seiki که از ترمز فعال استفاده میکرد ارائه کردند.
مطالعات متعددی نیز روی تاثیر سیستمهای کنترل یکپارچه بر لغزش جانبی صورت گرفته است. از آن جمله اسمکمن[۲۴] [۸] در سال ۲۰۰۰، عملکرد سیستم ترمز فعال را با سیستم یکپارچه ترمز فعال و کنترل بار چرخ[۲۵] (تعلیق فعال) مقایسه کرده و نتیجه گرفته است که ترمزگیری اختلافی، بیشترین اثر را بر دینامیک جانبی می گذارد، اما در سرعت طولی مطلوب راننده تداخل ایجاد می کند. در حالی که کنترل بار چرخ، اگرچه اثر ناچیزی بر دینامیک طولی دارد، اما توانایی ایجاد گشتاورهای چرخشی مورد نیاز بزرگ را ندارد. در استراتژی هماهنگی ارائه شده در آن تحقیق، تا زمانی که چرخها به اشباع برسند، تعلیق فعال عمل می کند و از آن پس، ترمز وارد عمل می شود.
در مطالعاتی مشابه، سِلبی[۲۶] و همکاران [۹] (۲۰۰۲) و هی[۲۷] و همکاران [۱۰] (۲۰۰۴) ترکیب ترمز فعال / دیفرانسیل فعال را با فرمان فعال چرخهای جلو، به منظور به تعویق انداختن عملکرد ترمز فعال (عدم کاهش ناخواسته سرعت) بررسی کردند و در هر دو تحقیق به روشنی مشاهده شد که این رویکرد یکپارچهسازی، تداخل در دینامیک طولی را در مقایسه با ترمز فعال تنها، به میزان قابل توجهی به تعویق می اندازد.
همچنین، مطالعات متعددی در زمینه کنترل مقاوم[۲۸] برای جبران خطای مدلسازی و تغییر پارامترها صورت گرفته است. از آن جمله، اَبه و همکاران [۱۱] (۲۰۰۱) و فوروکاوا[۲۹] و اَبه[۳۰] [۱۲] (۱۹۹۶) از کنترل مود لغزشی (که از روشهای متداول کنترل مقاوم است) برای تعقیب یک پاسخ مطلوب زاویه لغزش جانبی استفاده نمودند.
مشکلی عملی که در تمام روشهای کنترل پسخوراند و مدلمرجع لغزش جانبی وجود دارد، تخمین لغزش جانبی (β) خودرو و ضریب اصطکاک تایرها با سطح جاده (μ) میباشد. بهترین روش ارائه شده برای تخمین β، ترکیبی از انتگرالگیری شتاب جانبی اندازه گیری شده و مدل تایر است ( [۱۱] و [۱۲]). همچنین، یکی از مناسبترین روشهای تخمین μ، محاسبه نیروهای طولی و جانبی تایرها از لغزشهای تخمین زده شده و سپس محاسبه μ از رابطه زیر میباشد.
(۱-۱)
که در آن FB نیروی طولی، FS نیروی جانبی و Fn نیروی عمودی وارد شده به تایر از طرف جاده هستند.
۱-۲-۳ کنترل غلت
واژگونی، جدیترین خطری است را که خودروها، به ویژه خودروهای SUV را تهدید می کند. راهکارهای پیشگیری از واژگونی به دو دسته عمومی غیرفعال و فعال تقسیم می شود.
در روش غیرفعال، هر اندازه که معیاری به نام آستانه واژگونی[۳۱]، ، که در آن t عرض خودرو (فاصله بین مرکز چرخهای راست و چپ) و h ارتفاع مرکز ثقل خودرو از زمین میباشد، بزرگتر طراحی شود، خودرو کمتر در معرض واژگونی قرار دارد [۱۳]. راهکار متداول دیگر استفاده از میله ضدغلت میباشد. این میله، تعلیق راست و چپ را به یکدیگر متصل مینماید و در حالتی که خودرو حرکت غلت ندارد، تاثیری بر صلبیت تعلیق ندارد، اما در صورتی که جرم فنربندیشده حرکت غلت داشته باشد، میله تحت پیچش قرار گرفته، صلبیت غلتشی خودرو را افزایش میدهد.
در روشهای فعال، عمدتا از یکی از دو سیستم ترمز [۱۴] و [۱۵] و یا میله ضدغلت فعال (یا به طور معادل، تعلیق فعال) [۱۶] و [۱۷] و [۱۸] استفاده میگردد. در تحقیقات پیشین، هدف، کنترل یک یا چند متغیر از متغیرهای ، و انتقال وزن جانبی (LLT[32]) بوده است. انتقال وزن جانبی مطابق معادله (۱-۲) تعریف میگردد
(۱-۲)
که در آن Fzl نیروی عمودی چرخ چپ و Fzr نیروی عمودی چرخ راست است.
LLT معیار بسیار مناسبی برای اطمینان از عدم واژگونی میباشد. در واقع، زمانی که ، چرخ داخلی خودرو از زمین بلند شده و میتوان آن را به عنوان آغاز واژگونی در نظر گرفت (این یک فرض محافظه کارانه است، زیرا احتمال بازگشت خودرو و عدم واژگونی وجود دارد.). و ، بیشتر ملاکهای راحتی سفر[۳۳] هستند تا واژگونی. سیستمهای کنترل غلت که سعی در کاهش دارند، گاهی در شتابهای جانبی بالا، اجازه زاویه غلت کمی را می دهند تا راننده حسی از خطر ناپایداری خودرو داشته باشد [۱۷]. نکته قابل توجه این است که غالبا کاهش زاویه غلت با میله ضدغلت (غیرفعال و فعال) با افزایش LLT همراه است.
در خودروی مدلسازی شده در تحقیق حاضر، هم از میله ضدغلت غیرفعال و هم از میله ضدغلت فعال استفاده شده است.
۱-۲-۴ کنترل یکپارچه
تحقیقات اشاره شده در بخشهای ۱-۲-۱ تا ۱-۲-۳، شامل کنترلرهایی بود که از یک ورودی کنترلی استفاده می‌کنند و غالباً با هدف کنترل یکی از متغیرهای حرکتی خودرو طراحی میشوند. این در حالی است که برای کنترل بیش از یک متغیر، به بیش از یک ورودی کنترلی نیاز است.
مطالعات متعددی در این زمینه صورت گرفته است. از آن جمله، ونگ[۳۴] و همکاران [۱۹] یک سیستم یکپارچه شامل زیرسیستمهای فرمان فعال، دیفرانسیل فعال و ترمز فعال ارائه کرده‌اند که در آن هماهنگی بین زیرسیستمها به روش منطق فازی انجام میپذیرد. کو[۳۵] [۲] به شرح سیستم یکپارچه طراحی شده شامل فرمان فعال عقب، ترمز فعال و تعلیق نیمهفعال برای کنترل نرخ چرخش، لغزش جانبی و دینامیک غلت خودرو می‌پردازد. روشن‌بین [۲۰] و توسلی [۲۱] به طراحی سیستم یکپارچه شامل دو زیرسیستم فرمان فعال جلو و عقب و ترمز فعال با رویکرد توزیع بهینه نیروهای تایری پرداخته‌اند. اسدیان و همکاران [۱۸] نیز دو روش متفاوت برای یکپارچهسازی زیرسیستمهای فرمان فعال عقب و دیفرانسیل فعال ارائه کرده‌اند.
۱-۳ تعریف مسئله
در این پایان نامه، هدف، طراحی یک سیستم یکپارچه کنترل جهت بهبود پایداری خودرو در جهات جانبی و غلت با حداقل تداخل در شتاب طولی مطلوب راننده میباشد. در این راستا، استفاده از روشهای موثر در طراحی سیستم کنترلی با حداقل هزینه و پیچیدگی در نظر میباشد. شاخص‌های ارزیابی عبارتند از: نرخ چرخش، شتاب جانبی، زاویه لغزش جانبی، لغزش طولی چرخها، زاویه و نرخ غلت، انتقال وزن جانبی و میزان کاهش سرعت خودرو نسبت به سیستم بدون کنترل.
۱-۴ طرحنمای پایان نامه
مراحل طراحی و شبیهسازی در این پایان نامه به ترتیب زیر میباشد.
فصل ۲ به مراحل کامل استخراج مدل ۱۰ درجه آزادی مورد استفاده برای شبیهسازی رفتار خودرو می پردازد. نتایج صحهگذاری مدل استخراج شده توسط نرمافزار CarSim نسخه ۰۲/۸ در انتهای فصل آمده است.
در فصل ۳، به شرح مراحل طراحی زیرسیستمهای کنترلی فعال فرمان، دیفرانسیل، ترمز و غلت، و تعیین وظایف و محدوده کار هر یک از آنها پرداخته می شود. سپس تداخل میان اهداف کنترلی بررسی میگردد و یک الگوریتم هماهنگی با بهره گرفتن از منطق فازی به عنوان راهکار پرهیز از تداخل عملکرد زیرسیستمها ارائه میگردد. در پایان، توابع عضویت و قوانین سیستم فازی مذکور، به تفصیل مورد بحث قرار میگیرد.
در فصل ۴، زیرکنترلرها و نیز مجموعه یکپارچه، هر کدام با یک یا چند مانور آزمایش میشوند و نتایج ارائه میگردد تا صحت عملکرد آنها در شرایط بحرانی بررسی گردد. سپس، برای تضمین کارایی کنترلر در حادترین شرایط، مسئله «سناریوی بدترین حالت[۳۶]» مورد بررسی قرار میگیرد.
فصل ۵، یک جمعبندی از فصلهای قبل و پیشنهادهایی برای تحقیقات مرتبط در ادامه پروژه حاضر ارائه میدهد.
فصل دوم
مدلسازی خودرو
۲-۱ مقدمه
در این فصل، دینامیک حاکم بر مدل ده درجه آزادی و چگونگی استخراج آن تشریح می شود. سپس، این مدل توسط مدل توسعه یافته در نرمافزار CarSim صحهگذاری میگردد. مدل مذکور برای شبیهسازی عملکرد خودرو در پاسخ به کنترلر به کار گرفته خواهد شد.
۲-۲ مدل ده درجه آزادی
۲-۲-۱ فرضیات مدل
در ساخت مدل ده درجه آزادی که برای شبیهسازی در محیط Simulink مورد استفاده قرار میگیرد، فرضیات زیر در نظر گرفته شده است.
۱- برای خودرو، دو جرم فنربندیشده[۳۷] و فنربندینشده[۳۸] در نظر گرفته می شود. جرم فنربندیشده تمام جرمی است که بر سیستم تعلیق خودرو سوار است و جرم فنربندینشده، مجموع جرم چرخها، محور چرخ[۳۹]ها و متعلقات آن است.
۲- خودرو دارای سه درجه آزادی انتقالی طولی، جانبی و عمودی، و سه درجه آزادی دورانی غلت[۴۰]، فراز[۴۱] و چرخش[۴۲] میباشد. از میان این شش درجه آزادی، حرکتهای عمودی، غلت و فراز فقط متعلق به جرم فنربندیشده هستند. بنابراین، فرض می شود که جرم صلبِ فنربندینشده حرکت در راستای عمودی و دورانهای غلت و فراز را ندارد. هر یک از چرخها نیز یک درجه آزادی دوران مستقل دارند. در نتیجه، این مدل، مجموعا شامل ده درجه آزادی است.
۳- نیروی مقاومت هوا متناسب با مجذور سرعت طولی خودرو، فقط در راستای طولی مدل شده است.
۴ – در دینامیک دورانی چرخها و در نتیجه دینامیک طولی و جانبی خودرو نیز، مقاومت غلتشی[۴۳] مدل شده است؛ ولی از گشتاور خودتنظیم[۴۴] چرخها و جابجایی نقطهاثر نیروی تایر ناشی از تغییر شکل الاستیک آن صرفنظر شده است.
۵- در صورتی که سیستمهای تعلیق جلو و عقب را مشابه در نظر بگیریم، میتوان محور غلت و محور فراز را افقی، در ارتفاع ثابت و گذرنده از مرکز جرم فنربندینشده در نظر گرفت [۲۰].
همان طور که در شکل ۲-۱ ملاحظه می شود، در دستگاه مختصات متصل به بدنه، محور x رو به جلوی خودرو، محور y به سمت راست و محور z به سمت پایین در نظر گرفته شده است (مختصات SAE[45]).
شکل ۲-۱ دستگاه مختصات متصل به بدنه [۲۲]
۲-۲-۲ معادلات دینامیک
مبتنی بر روش ارائه شده در [۲۲] و با اِعمال اصلاحات مورد نیاز، معادلات حرکت خودرو عبارتند از:
دینامیک طولی
بر اساس نمودار پیکره آزاد شکل ۲-۲، معادله دینامیک طولی خودرو، مطابق معادله (۲-۱) عبارتست از:
(۲-۱)
که در آن، m جرم خودرو، Fxiها، Fyiها و Fziها به ترتیب نیروهای طولی، جانبی و عمودی چرخها، δ زاویه چرخ، fr ضریب مقاومت غلتشی، ms جرم فنربندی شده، hcg ارتفاع مرکز جرم فنربندیشده از محورهای غلت و فراز و Cd ضریب درگ (مقاومت هوا) است.
معادله (۲-۱) نسبت به معادله مشابه آن در [۲۲]، بهبود داده شده است. تغییرات اِعمال شده عبارتند از: ۱- نیروی مقاومت غلتشی و مقاومت هوا به دینامیک طولی افزوده شده است. ۲- جرم فنربندیشده و فنربندینشده در آن تفکیک گردیده و هر کدام در شتابهای مربوط به خود ضرب شده است.
Cdvx2
frFz2
frFz4
frFz3
frFz1
شکل ۲-۲ نمودار پیکره آزاد برای دینامیک طولی، جانبی و چرخش [۲۲]
دینامیک جانبی
بر اساس نمودار پیکره آزاد شکل ۲-۲، معادله دینامیک جانبی خودرو، مطابق معادله (۲-۲) عبارتست از:
(۲-۲)
معادله (۲-۲) نسبت به معادله مشابه آن در [۲۲]، بهبود داده شده است؛ به این صورت که جرم فنربندیشده و فنربندینشده در آن تفکیک گردیده و هر کدام در شتابهای مربوط به خود ضرب شده است.
دینامیک عمودی
بر اساس نمودار پیکره آزاد شکل ۲-۳، معادله دینامیک عمودی خودرو، مطابق معادله (۲-۳) عبارتست از:
(۲-۳)
Fy,su
شکل ۲-۳ نمودار پیکره آزاد برای دینامیک عمودی و غلت [۲۲]
دینامیک غلت
بر اساس نمودار پیکره آزاد شکل ۲-۳، معادله دینامیک غلت خودرو، مطابق معادله (۲-۴) می تواند نوشته شود؛
(۲-۴)
که در آن IRC لختی دورانی جرم فنربندی شده حول محور غلت و Karb سفتی پیچشی میله ضدغلت غیرفعال است. مشابه معادلات (۲-۱) و (۲-۲)، در اینجا نیز، معادلات نسبت به [۲۲] بهبود داده شده‌اند، ضمن آن که ملیه ضدغلت فعال نیز به مدل افزوده شده است.
دینامیک فراز
بر اساس نمودار پیکره آزاد شکل ۲-۴، معادله دینامیک عمودی خودرو، مطابق معادله (۲-۵) می تواند نوشته شود؛
(۲-۵)
شکل ۲-۴ نمودار پیکره آزاد برای دینامیک فراز [۲۲]
مشابه معادلات (۲-۱) و (۲-۲) و (۲-۴)، در معادله (۲-۵) نیز تغییرات لازم نسبت به [۲۲] اعمال گردیده است.
دینامیک چرخش
بر اساس نمودار پیکره آزاد شکل ۲-۲، معادله دینامیک عمودی خودرو، مطابق معادله (۲-۶) می تواند نوشته شود؛
(۲-۶)
که در آن Iz لختی دورانی خودرو حول محور z (گذرنده از مرکز جرم) است.
دینامیک تعلیق
کلیه فنرها و کمکفنرهای تعلیق خودرو، به صورت خطی و مطابق معادلات ۲-۷ و ۲-۸ مدل شده اند.
(۲-۷)
(۲-۸)
تعادل برای جرم فنربندی نشده
بر اساس نمودار پیکره آزاد جرم فنربندی نشده جلو در شکل ۲-۵، و با نوشتن معادلات تعادل، نیروی عمودی زیر هر یک از چرخها مطابق معادلات ۲-۹ محاسبه میگردد. در شکل ۲-۵، Fsiها و Fdiها به ترتیب نیروهای فنرها و کمکفنرها هستند و Fy,us نیروی جانبی وارد شده از طرف جرم فنربندی شده بر جرم فنربندی نشده میباشد. همین روابط، عینا برای چرخهای عقب نیز صادق است.
Fy,us
P
muay
شکل ۲-۵ نمودار پیکره آزاد برای جرم فنربندی نشده جلو
با مجهول گرفتن Fz1 و Fz2 در معادلات بالا، مقادیر آنها مطابق زیر به دست می آید.
(۲-۹)
که در آن Rw شعاع چرخها و t فاصله جانبی بین چرخهاست.
دینامیک نیروهای تایر (مدل داگف[۴۶])
برای مدلسازی تایرها از مدل مشهور
