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

موضوعات: بدون موضوع  لینک ثابت


فرم در حال بارگذاری ...