بخشی از مقاله
چکیده
در طراحی و به کار گیری سیستمهای تعلیق، موضوع کنترل همواره به عنوان یک مسئله اساسی در نظر گرفته شده است. با افزایش پیچیدگی ساختار و زمینه های استفاده از یک سیستم تعلیق، لزوم استفاده از روش های کنترلی برجسته تر می گردد. از طرف دیگر به دلیل انحراف پارامترهای یک سیستم تعلیق از مقادیر نامی خود، در نظر گرفتن نامعینی ها درطراحی این سیستم ها غیرقابل صرف نظر می باشد. در این مقاله، کنترل پیش بین مدل یک چهارم سیستم تعلیق خودرو دو درجه آزادی مد نظر میباشد.
در این مدل ، پارامترهای مربوط به جرم معلق یا بدنه و جرم نامعلق یا چرخ و همینطور ضریب فنریت تعلیق به صورت عدم قطعی در نظر گرفته شده است. کنترل پیش بین و روش مونت کارلو برای حل مسئله کنترل و نامعینی در پارامترهای سیستم و همچنین در پروسه طراحی سیستم تعلیق مورد استفاده قرار گرفته اند. سیستم تعلیق از دید راحتی و ایمنی سواری طراحی شده و از معیارهای موجود در حوزه ادبیات سیستم تعلیق برای برآورد عملکرد این طراحی استفاده شده است.
در این مدل، سیستم از حالت تعادل منحرف شده و عملکرد کنترل پیش بین مدل در به تعادل رساندن سیستم در مقایسه با پاسخ همان سیستم در حالت غیر فعال سنجیده می شود. نتایج به صورت عملکرد سیستم تعلیق مجهز به کنترل کننده پیشنهادی در مقایسه با عملکرد همان سیستم تعلیق با کنترل کننده غیرفعال ارائه گردیده است. این مقایسه حاکی از بهبود قابل توجه عملکرد سیستم تعلیق طراحی شده در کار حاضر می باشد.
-1 مقدمه
در سالهای اخیر با پیشرفت تکنولوژی، استفاده از تجهیزات مکانیکی و وسایل نقلیه از جایگاه و اهمیت ویژهای برخوردار گشته است. با توسعه کمی و کیفی این محصولات، اهمیت حفظ ایمنی و آسایش خودرو و افرادی که از این وسایل استفاده میکنند، بهطور موازی رشد پیدا کرده است. از جمله آثار مخربی که میتواند سبب بروز مشکلات برای سرنشینان و خودرو گردد، ارتعاشات انتقال یافته به اجزاء مختلف خودرو و بدن انسان است. ابزاری که برای دفع این اثرات ارتعاشی استفاده می شود، سیستم تعلیق می باشد. از چمله وظایف یک سیستم تعلیق بهبود راحتی و ایمنی برای سرنشینان می باشد.
از دیدگاه ارتعاشاتی، سه نوع سیستم تعلیق غیر فعال، نیمه فعال و فعال وجود دارد. در سیستم تعلیق غیر فعال از یک فنر به عنوان نوسان ساز و یک کمک فنر به عنوان مستهلک کننده این نوسانات برای هر چرخ استفاده می شود. این نوع سیستم تعلیق توانایی تغییر ضرایب فنر و کمک فنر را، با توجه به تغییر شرایط جاده و رانندگی ندارد. در سیستم تعلیق نیمه فعال، ضریب میرایی کمک فنر متغیر است و توسط الگوی خاصی یا به صورت دستی، با توجه به شرایط جاده و خودرو، تغییر داده می شود.
در سیستم تعلیق فعال، علاوه بر متغیر بودن ضریب میرایی کمک فنر، سختی فنر نیز قابل کنترل است. همچنین به جای استفاده از فنر و کمک فنر به صورت مجزا، از عملگری الکتروهیدرولیکی که توسط واحد کنترل الکترونیکی کنترل می گردد، استفاده می شود
سیستمهای تعلیق به طور سنتی شامل عناصری برای جذب ارتعاشات جاده به صورت انرژی جنبشی و مستهلک کردن این انرژی جنبشی میباشند. اگرچه این عناصر نقشی حیاتی را در این زمینه ایفا می کنند ولی به تنهایی قادر به دفع اثرات نامطلوب ارتعاشات ناشی از ناهمواری های جاده نمی باشند. این امر نیاز به استفاده از عناصر ثانوی که به طور فعالانه به کنترل اثرات ارتعاشات بپیردازند را برجسته می کند. قابلیت هرچه بیش تر این عناصر به کنترل هرچه بهتر سیستم تعلیق در مهار و کنترل ارتعاشات ناخواسته ناشی از عوامل خارجی می انجامد.
کنترل پیش بین مدل به دلیل ملاحظاتی که در سیستم های تعلیق وجود دارد بهترین گزینه برای کنترل آن می باشد. از جمله این ملاحظات، وجود قیدهای متعدد بر ورودی ها، خروجی ها و متغیرهای حالت سیستم، نیاز به کنترل به هنگام که مستلزم هزینه محاسباتی پایین می باشد و همین طور قابلیت بهینه کردن رفتار سیستم براساس پیش بینی تغییرات آتی سیستم و تحریکات است.
کنترل پیش بین توانایی کنترل سیستمهای تک-ورودی- تکخروجی و چندورودی- چندخروجی در حالتهای پیوسته و گسسته، و همچنین قابلیت کنترل فرآیندهای تغییرپذیر با زمان را دارا میباشد و در شرایطی که محدودیتهای متنوع بر متغیرهای فرآیند مد نظر باشد، این کنترلکننده را یک روش متمایز و برتر از دیگر روشها میسازد. [4-6] از طرفی، با توجه به اینکه مقادیر حقیقی پارامترهای سیستم تعلیق به دلیل عوامل مختلفی از جمله خوردگی، نقص در ساخت قطعات و تلورانسهای هندسی از مقادیر نامی خود انحراف پیدا کرده، در نظر گرفتن نامعینی امری اجتناب ناپذیر در طراحی سیستمهای تعلیق می باشد
از جمله روشهای تحلیل نامعینی، روش مونتکارلو میباشد که هیچ محدودیتی در استفاده از این روش برای انواع توزیعهای نامعین وجود ندارد، بازه نامعینی و انحراف از مقادیر نامی را میتوان به هر مقداری در نظر گرفت و همچنین قابلیت ارائه خروجی تحلیل نامعینی به صورت انواع خروجی های آماری را دارا می باشد. [7,9] چنین ویژگیهایی این روش را در میان سایر روش های تحلیل نامعینی منحصر به فرد می کند.
برای تحلیل نامعینی یا عدم قطعیت در سیستم، از روش مونت کارلو و روش نمونه گیری مکعبی لاتین بهره برده می شود. به دلیل استفاده از روش مونت کارلو، به طور کلی هزینه محاسباتی و زمانی بالایی برای تحلیل نیاز می باشد، از این رو، به جای روشهای کلاسیک کنترل پیشبین مدل از کنترل پیشبین با استفاده از توابع لاگر استفاده می شود که هزینه محاسباتی پایینتر و انعطاف پذیری بالاتری نسبت به روشهای کلاسیک کنترل پیش-بین مدل دارا میباشد. همچنین، شاخصهای عملکرد سیستم، راحتی سرنشینان و کارایی سیستم تعلیق در نظر گرفته شده است.
با توجه به آنچه عنوان گردید این مقاله با هدف ارائه یک کنترل کننده مناسب بر پایه مفاهیم کنترل پیش بین مدل و روش مونت کارلو میباشد تا معیارهایی از عملکرد سیستم تعلیق براساس راحتی و ایمنی سواری با در نظر گرفتن نامعینیها در پارامترها ارضا گردند، در حالی که محدودیتهای حاکم بر سیستم رعایت می شوند.
-2کنترل پیشبین مدل
هدف کلی کنترل پیشبین مدلٌ، محاسبه دنباله ای از سیگنالهای کنترلی در زمان آینده می باشد به طوری که خروجی سیستم در این زمانها بهینه گردند. [10-12] در این مقاله، از مدل فضای حالت استفاده شده است و اطلاعات حال حاضر سیستم که برای پیش بینی آینده مورد نیاز است، توسط متغیرهای حالت ارائه میگردند. سیستم چند ورودی- چند خروجی زیر را در نظر بگیرید.
در کنترل پیشبین گسسته، بعد از فرمول بندی ریاضی مدل در فضای حالت، قدم بعدی محاسبه خروجی پیش-بینی شده سیستم بر اساس سیگنالهای کنترلی قابل تنظیم میباشد. پیشبینی در یک پنجره بهینه سازی انجام میشود. .
براساس قانون کنترل کاهنده، تنها اولین سیگنال این مسیر یعنی در نظر گرفته میشود و بقیه سیگنالها نادیده گرفته میشوند. هنگامی که به زمان نمونه بعدی ، میرسیم، بردار متغیرحالت محاسبه گشته و به عنوان شرایط اولیه برای محاسبه مسیر کنترلی در پنجره بهینهسازی جدید استفاده میگردد. این رویه به صورت به هنگام تکرار میگردد تا زمانی شبیه سازی به طور کامل برای تمامی زمانها انجام گردد.
در این مقاله، از مجموعهای از توابع گسسته لاگر برای تخمین دنباله کنترلی استفاده شده است. شبکه گسسته زمانی لاگرٍبر اساس گسسته سازی شبکه پیوسته زمانی لاگر استخراج می گردد. شبکه لاگر بر اساس تعامد المانهای یکه این شبکه می باشد. در طراحی کنترل پیش بین، از توابع لاگر به طور ضمنی در حوزه زمان استفاده می گردد. درحوزه زمان تعامد با استفاده از معادلات زیر بیان می گردد.
