بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحی مشاهدهگر فعال براي سیستم تعلیق خودرو
چکیده - ایدة اصلی در طراحی سیستم تعلیق فعال خودرو بکارگیري یک المان تطبیق پذیر هیدرولیکی به منظور اعمال نیروي مناسب بین اکسل وبدنه خودرو می باشد. این نیرو باید به نحوي مناسب کنترل شود تا با کاهش شتاب عمودي موجب افزایش آسایش سرنشینان و با محدود کردن دامنه نوسانات سیستم تعلیق موجب ازدیاد طول عمر سیستم گردد. در این مقاله مشاهدهگر فعالی طراحی شدهاست که با تخمین متغیرهاي حالت، کنترل مناسب سیستم تعلیق را انجام میدهد. بهرة مشاهدهگر و بهرة کنترل کننده با استفاده از منطق فازي به صورت فعال تغییر کردهاست. در نتیجه سیستم با تغییرات ورودي خود را تطبیق میدهد. پارامترهاي کنترلر فازي با کمک الگوریتم ژنتیک تعیین و بهینه سازي شده اند. مقایسه نتایج بهدستآمده با مطالعات مشابه حاکی از بهبود قابلتوجه در ویژگیهاي دینامیک سیستم تعلیق با استفاده از این کنترلر میباشد.
کلید واژه- الگوریتم ژنتیک، سیستم تعلیق فعال، مشاهدهگر، منطق فازي.
-1 مقدمه
پیشرفت تکنولوژي و تقاضا براي راحتی بهتر در رانندگی باعث شدهاست که اکثر کمپانیهاي خودروسازي از سیستم تعلیق فعال (Active suspenstion) در خودروهاي خود استفاده کنند. این در حالی است که عملکرد مناسب سیستم تعلیق فعال وابسته به روش کنترلی اعمال شده بر آن می باشد. به همین جهت روش کنترل مناسب سیستم تعلیق یکی از دغدغه هاي اصلی تولیدکنندگان بزرگ خودرو میباشد. سیستم تعلیق غیرفعال از فنر و دمپر معمولی ساخته شدهاست و با وجود عملکرد مناسب - به دلیل داشتن خواص ثابت -نمیتوان از کنترل فیدبک براي آن استفاده کرد و لذا به خوبی پاسخگوي تغییر شرایط نمیباشد.سیستم تعلیق فعال با بهره گیري از عملگر هیدرولیکی یا نیوماتیکی -که به صورت موازي با فنر و دمپر میباشد- می تواند با توجه به شرایط و با اندازهگیري
حالات سیستم نیروي دلخواه را به سیستم وارد کند. لذا از انعطافپذیري بهتري برخوردار است. به منظور کنترل سیستم تعلیق فعال تحقیقات زیادي انجام گرفتهاست و در هر کدام از روشی جهت برآوردن اهدافی خاص استفاده شدهاست.J.E Shannan و E.Esmailzadeh از کنترل فیدبک حالت براي کنترل سیستم تعلیق فعال استفاده-
کردند1]وP.K. Sinha .[2 و R.J.Caudill از روش کنترل بهینه خطی به منظور کنترل سیستم تعلیق وسایل نقلیه ریلی بهرهجستند 3]وM.M. Elmadany .[4 سیستم تعلیق مدل نصف خودرو را با استفاده از فیدبک حالت با انتگرالگیر، کنترل کرد .[5] روشهاي یاد شده با فرض در دسترس بودن متغیرهاي حالت براي اندازهگیري، به کنترل سیستم پرداختهاند. در حالی که به دلیل محدودیتهاي عملی همچون گرانی، دقت کم و اغتشاش سنسورها؛ نمیتوان تمامی پارامترهاي مورد احتیاج جهت طراحی کنترلر فیدبک را اندازه گرفت، بنابراین ضروري
است که این حالات به وسیله یک مشاهدهگر تخمین زده
شوند. A. Alleyne وR. Rajamani طراحی کنترلر سیستم تعلیق را بر پایه مشاهدهگر پیشنهاد کردند 6]و.[7 Taghirad کنترل سیستم را با استفاده از مشاهدهگر بهینه حالت انجام داد و با در نظر گرفتن شتاب به عنوان پارامتر بهینهسازي، کنترلري بهینه براي سیستم تعلیق طراحی کرد.[8] واضح است که به دستآوردن شیوه کنترلی مناسب نیاز به این دارد که رفتار سیستم به راحتی و با دقت قابل قبولی با مدل ریاضی توصیف شود. اما دینامیک وسیله نقلیه عموماً پیچیده بوده و به صورت دقیق قابل تشخیص نیست. به همین دلیل استفاده از منطق فازي مورد توجه بسیاري محققین از جمله [9] Lin، [10]Roukieh، [11] Yeh و [12] Yoshimura قرارگرفته
است. کنترلري فازي
جهت کاهش شتاب عمودي و جابهجایی سیستم تعلیق طراحی کردندM. Jamei .[13] در سال 2004 کنترلري فازي براي سیستم نصف خودرو طراحی کرد و پارامترهاي آنرا توسط الگوریتم ژنتیک بهینهسازي کرد.[14]
در سیستم تعلیق پارامترهاي زیادي از قبیل: جابه جایی بدنه، جابه جایی سیستم تعلیق، شتاب وارد به بدنه، اغتشاشات داخلی ناشی از ترمز، نیروي وارد بر محورها براي بهینهشدن وجود دارد. از بین این پارامترها شتاب وارد به بدنه و جابه جایی سیستم تعلیق از اهمیت ویژهاي برخوردارند به طوریکه شتابمستقیماً روي آسایش سرنشینان و جابه جایی سیستم تعلیق در عمر و سلامت سیستم و همچنین راحتی سرنشین موثر است.
در تحقیق حاضر بهینه کردن این دو پارامتر مورد توجه-
قرار گرفتهاست. براي رسیدن به این هدف از کنترل فیدبک حالت بر پایه مشاهده گر لیونبرگ استفاده شده-
است. بهره کنترلر و مشاهدهگر به وسیله کنترلر فازي با توجه به شرایط، بطور فعال تغییر میکند. در طراحی کنترلر از الگوریتم ژنتیک کمک گرفته شدهاست. بنابراین کنترلر تحت شرایط مختلف خود را به صورت فعال تنظیم کرده و پاسخ مناسب (نیروي عملگر) را تولید میکند.
-2 مدل سازي سیستم تعلیق
شماتیک مدل شبیه سازي شده سیستم تعلیق در شکل1
آورده شده است. مدل مورد بررسی شامل یک چهارم سیستم تعلیق خودرو می باشد در این سیستم چرخ خودرو و اکسل بدون جرم توسط ترکیبی از فنر، دمپر و عملگر هیدرولیکی به بدنه خودرو متصل شده اند و تایر چرخ با یک فنر مدلسازي گشته است.
شکل:1 شماتیک سیستم تعلیق
پارامترهاي مدل و مقادیر عددي آنها از [13] استفاده-
شدهاست و در جدول1 آورده شده است.
جدول-1پارامترهاي مدل
-1-2 مدل فضاي حالت سیستم
معادلات فضاي حالت سیستم در رابطه1 آورده شده است در این رابطه z1=xb-xw معرف جابهجایی سیستم تعلیق، xb جابجایی نسبی بدنه و xw جابجایی مطلق چرخ می باشد.z2 بیانگر مشتق z1 بوده و معرف سرعت سیستم تعلیق می باشد.
متغیر z3 نشان دهنده جابجایی چرخ بوده و z4 نیز مشتق
z3 و معرف سرعت چرخ است. ورودي هاي این سیستم نیز عبارتنداز: اغتشاشات جادهr (دست اندازهاي جاده) وF که بیانگر نیروي عملگر هیدرولیکی می باشد.
-3 طراحی کنترلر و مشاهدهگر
همانطور که قبلا به آن اشاره شد اهداف کنترلر راحتی سرنشین و افزایش عمر سیستم تعلیق می باشد. راحتی سرنشین با کم کردن شتاب عمودي وارد به بدنه قابل دستیابی است و افزایش عمر سیستم تعلیق با پرهیز از عبور از حد مجاز حرکتی سیستم تعلیق ( z1 < z1) قابل دستیابی است.
براي کنترل سیستم از کنترلر فیدبک حالت استفاده می-
شود. بنابراین داشتن متغییرهایی که داراي صحت ودقت مورد نیاز باشند، ضروري است. اما بهدلیل وجود نویز و اغتشاشات، بهدستآوردن مقادیر دقیق تمامی متغییرهاي حالت امکانپذیر نمیباشد. بنابراین بکارگیري یک مشاهدهگرکاملاً ضروري است. در این تحقیق از مشاهده-
گر لیونبرگر [15] استفاده شدهاست. این مشاهدهگر ساده و در عین حال کارا است. با توجه به کامل بودن رنک ماتریسهاي کنترلپذیري و مشاهدهپذیري، سیستمکاملاً رویتپذیر و مشاهدهپذیر است. براي سیستم مورد نظر معادلات حالت همراه با کنترلر و مشاهدهگر به صورت معادله2 است.
مساله اساسی در طراحی سیستم فوق تعیین مناسب بهره کنترلرK و بهره مشاهده گرKe می باشد در واقع با تعیین مناسب این بهرهها، سیگنال کنترلر را میتوان چنان تغییر
داد تا اهداف به بهترین نحو برآورده شوند.
در این مدلسازي جابجایی سیستم تعلیق به عنوان یکی از متغییرهاي حالت انتخاب شدهاست و وضعیت و تغییرات آن براي کنترلر مشخص است. معیار دوم که شتاب وارد بر بدنه میباشد – با توجه به سیستم فضاي حالت معرفی شده – به عنوان متغییر حالت انتخاب نشدهاست. پس وضعیت و تغییراتش براي کنترلر معین نمیباشد. بنابراین نیروي کنترلر براي کنترل شتاب بهخوبی اعمال نمیشود و این یکی از ضعف هاي عمده کنترلر فیدبک حالت براي کنترل سیستم تعلیق میباشد. یکی دیگر از ضعف هاي این کنترلر عدم تطبیق مناسب با ورودي اغتشاش جاده می باشد. زیرا بهرههاي سیستم ثابت هستند و با شرایط کاري متغییر سیستم، خود را وفق نمیدهند. بنابراین در برابر اغتشاشات پیشبینینشده کارایی مناسبی ندارند.
براي رفع این مشکل میتوان از چند ماتریس بهره استفاده کرد که با توجه به هر شرایط یکی از آنها فعال شود. این کار علاوه بر آنکه این مشکل راکاملاً حل نمیکند؛ منجر به پیچیده شدن کنترلر نیز می شود. براي رفع مشکلات فوق از منطق فازي کمک گرفتهشده و کنترلر فازي به عنوان مکمل کنترلر فیدبک حالت به کار رفتهاست.
-4 فعال سازي مشاهده گر و کنترلر با منطق
فازي
ایده منطق فازي به وسیله پرفسور لطفی زاده با انتشار مقاله مجموعه هاي فازي در سال 1965 شکل گرفت و با گذراندن فراز و نشیب هاي بسیار، اکنون به عنوان یکی از قوي ترین روشهاي کنترلی مورد توجه اکثر مجامع علمی می باشد. کنترلر فازي به طور موفقیت آمیزي روي سیستم تعلیق فعال پیادهسازي شده است. اما در این تحقیق کنترلر فازي به صورت مستقیم سیستم را کنترل نمی کند و به صورت مکملی و جهت تعیین بهرههاي کنترلر فیدبک حالت به صورت فعال مورد استفاده قرار میگیرد. شماي کلی مشاهده گر با کنترلر فیدبک حالت و کنترلر فازي در شکل2 آمده است. ورودي هاي کنترلر فازي، شتاب مشاهده شده، جابه جایی سیستم تعلیق و خطاي ردیابی می باشد. از اطلاعات شتاب مشاهده شده و
