بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش به کنترل بهینهي فازي سیستم توزیع گشتاور در یک خودروي چهار چرخ محرك براي دستیابی به خوشفرمانی پرداخته شده است. براي این منظور از مدل دینامیکی خودرو در نرم افزار کارسیم استفاده شدهاست. به منظور کنترل گشتاور انتقالی بین چرخهاي چپ و راست، از یک دیفرانسیل با قابلیت کنترل جهت و مقدار گشتاورهاي خروجی استفاده شده است این سیستم با در نظر گرفتن ممان اینرسی اجزا در سیمولینک متلب شبیهسازي شده است.
براي کنترل این سیستم، کنترلگري با دو لایهي کنترلی، مبتنی بر استراتژي کنترل فازي در سیمولینک طراحی شده و به کمک الگوریتم زنبور عسل همزمان با برقراري ارتباط با مدل دینامیکی خودرو در کارسیم، بهینهسازي شدهاست. پارامتر کنترلی سرعت چرخشی خودرو و پارامترهاي بهینهسازي قوانین فازي و موقعیت توابع عضویت در متغیرهاي ورودي و خروجی کنترلگر فازي میباشند. عملکرد کنترلگر طراحیشده در دو مانور استاندارد رانندگی بررسی شده است که بهبود قابل توجه خوشفرمانی خودرو در این مانورها را نشان میدهد. همچنین عملکرد کنترلگر بهینهشده بهبود قابل توجهی را نسبت به کنترلگر غیربهینه نشان میدهد.
مقدمه
امروزه یکی از پرمصرفترین وسایل ساخت بشر خودروها هستند. حفظ ایمنی و پایداري این وسایل نه تنها موجب کاهش خطرات جانی، هزینههاي ناشی از تصادفها و خسارتهاي احتمالی است، بلکه باعث افزایش سرعت جابجایی و حملونقل نیز خواهد شد. با توجه به ناتوانی سیستمهاي غیرفعال مانند کمربند ایمنی در جلوگیري از خسارتهاي ناشی از تصادفات مرگبار، وجود سیستمهایی که بهصورت فعال پایداري و خوشفرمانی خودرو را تحت کنترل داشته باشند ضروري بهنظر میرسد. بررسیهاي اخیر نشان میدهند که کنترل فعال گشتاور چرخشی یک روش بسیار مؤثر براي بهبود پایداري و خوشفرمانی خودرو میباشد .[1,2]
بهطور کلی دو روش اصلی براي کنترل گشتاور چرخشی خودرو وجود دارد [2,3]؛ روش کنترل غیرمستقیم گشتاور چرخشی به کمک کنترل زاویهي فرمان، و روش کنترل مستقیم گشتاور چرخشی با توزیع نامتقارن نیروي طولی - نیروي ترمزي یا محرك - در تایرهاي خودرو. بررسیهاي صورت گرفته نشان میدهد که در زوایاي لغزش جانبی بالا، تغییر در زاویهي فرمان، گشتاور چرخشی تولیدي را به مقدار بسیار کمی تحت تأثیر قرار میدهد. از این رو استفاده از کنترل فعال فرمان در این شرایط چندان مناسب نیست . [1]
در کنترل مستقیم گشتاور چرخشی بهکمک نیروي ترمزي، با در نظر گرفتن شرایط دینامیکی خودرو، بهصورت مستقل بر روي هر کدام از چرخها ترمزگیري میشود که باعث تولید یک ممان چرخشی اصلاح کننده میشود و تعادل خودرو را افزایش میدهد .[4] این سیستم معروف به سیستم کنترل پایداري الکتریکی - ESC - میباشد. بررسیهاي صورت گرفته توانایی بالاي این سیستم را در افزایش پایداري خودرو و کاهش تصادفات مرگبار نشان میدهند .[5] علیرغم تواناییهاي سیستم ESC، استفاده از این سیستم بهدلیل دخالت سیستم ترمز، محدودیتهایی را بهوجود آورده است.
از جملهي این موارد میتوان به کاهش سرعت طولی و تلفات ناشی از آن، کاهش لذت رانندگی و غیره اشاره کرد.[3,4,6] براي از بین بردن محدودیت سیستم ESC، استفاده از توزیع نامتقارن نیروي محرك بهجاي نیروي ترمزي پیشنهاد شده و دیفرانسیلهاي با قابلیت کنترل برداري گشتاور1 براي این منظور بهوجود آمدهاند. این سیستمها بدون نیاز به سیستم ترمز، قادرند به صورت فعال گشتاور بیشتري را به هرکدام از چرخها که لازم باشد منتقل کنند و با تولید گشتاور چرخشی اصلاحی، خودرو را پایدارتر کرده و خوشفرمانی خودرو را بهبود دهند.
مطالعات بر روي کنترل مستقیم گشتاور چرخشی به اوایل سال 1990 برمیگردد. بهعنوان مثال شیباهاتا2 و همکاران [1] روش بتا را براي بررسی پایداري خودرو معرفی کردند. شوجی 3 و همکاران [7] از شرکت نیسان موتور یک سیستم توزیع گشتاور با کنترل الکتریکی را براي خودروهاي چهار چرخ محرك معرفی و یک مدل آزمایشی آن را روي نیسان سییوايایکس نصب کردند.
موتویاما4 و همکاران[8] با ساختن یک خودروي آزمایشی، نشان دادند که کنترل گشتاور چپ و راست، در بهبود رفتار جانبی خودرو حتی در شرایط دشوار بسیار مؤثر میباشد. هنکوك 1 و همکاران [9] پتانسیل یک دیفرانسیل فعال را در کنترل گشتاور چرخشی مورد بررسی قرار داده و با سیستم ESC مقایسه نمودند. دیر2 و همکاران [10] تعدادي از دیفرانسیلهاي با قابلیت کنترل برداري گشتاور را به روش باندگراف مدل نمودند و یک مدل ریاضی یکپارچه براي آنها بدست آوردند. پژوهش پیش رو از جنبههاي زیر در مقایسه با پژوهشهاي پیشین داراي مزیت است:
-1 مدلسازي کامل سیستم توزیع گشتاور با در نظر گرفتن ممانهاي اینرسی اجزاي آن و اضافه کردن آن به خودرویی با درجات آزادي کافی.
-2 بهینهسازي کنترلگر طراحی شده بهکمک الگوریتم زنبور عسل.
مدل دینامیکی خودرو
در این پژوهش از مدل دینامیکی خودرو در نرمافزار کارسیم استفاده شدهاست. نرمافزار کارسیم از محصولات شرکت آمریکایی MSC میباشد. این نرمافزار مانند بسیاري دیگر از محصولات این شرکت از تکنولوژي پایهریزي شده توسط مؤسسهي تحقیقات حملونقل دانشگاه میشیگان استفاده میکند. کارسیم با استفاده از معادلات اساسی حاکم بر دینامیک و سینماتیک سهبعدي خودرو و با توجه به وروديهاي راننده، شرایط جاده و نیروهاي آیرودینامیکی، رفتار خودرو را شبیهسازي مینماید.
بهمنظور شبیهسازي رفتار خودرو، ابتدا نوع خودروي مورد نظر انتخاب میگردد سپس زیرسیستمهاي مختلف این خودرو شامل بدنه و سیستمهاي فرمان، تعلیق، انتقال قدرت، ترمز، نوع تایر و غیره انتخاب و تنظیم میگردد. در نهایت با انتخاب نوع و شرایط جاده و مانور مورد نظر، شبیهسازي حرکت خودرو انجام میپذیرد. کارسیم علاوهبر قابلیت کار با سیمولینک - متلب - ، این اجازه را به کاربر میدهد که الگوریتمهاي کنترل و یا کدهاي C دلخواه خود را به راحتی به مدل خودرو اضافه کند. سرعت و دقت بالا از دیگر مزایاي این نرمافزار میباشد.
در این پژوهش یک خودرو D-Class,Sedan در کارسیم انتخاب شد و پس از تنظیمات لازم، با برقراري ارتباط با کنترلگر و دیفرانسیل فعال مدل شده در سیمولینک، امکان کنترل خوشفرمانی خودرو از طریق توزیع نامتقارن گشتاور بین چرخها فراهم شد. وروديها به کارسیم گشتاور ارسالی به چرخها از طریق دیفرانسیل فعال میباشد و خروجی زاویهي فرمان، سرعت چرخشی، سرعت طولی و سرعت دورانی چرخها میباشد که براي کنترل دیفرانسیل فعال، به کنترلگر طراحیشده در سیمولینک ارسال میشوند. نحوهي ارتباط مابین سیمولینک و کارسیم در شکل 1 نشان داده شدهاست.
مدل دیفرانسیل
در این پژوهش براي دیفرانسیل مرکزي و دیفرانسیل محور جلو از سیستم دیفرانسیل معمولی و در محور عقب از یک دیفرانسیل فعال با قابلیت کنترل جهت و مقدار گشتاور خروجی استفاده شده است. همهي دیفرانسیلهاي با قابلیت کنترل برداري گشتاور داراي یک یا دو کلاچ میباشند که به کمک آنها امکان توزیع نامتقارن گشتاور در طول محور، ایجاد میشود. هنگامیکه دو صفحهي کلاچ با سرعتهاي متفاوت بهیکدیگر فشار وارد میکنند، گشتاور از صفحهي سریعتر به صفحهي کندتر انتقال مییابد.
مقدار گشتاور انتقال یافته، به مقدار فشار میان دو صفحه بستگی دارد. این قاعده مبناي کلی رفتار این دیفرانسیلها است. سیستم مورد استفاده در این پژوهش علاوه بر دیفرانسیل معمولی، از دو کلاچ و یک سري چرخدندهي افزاینده/کاهندهي سرعت3 براي انتقال گشتاور به چرخ با سرعت بیشتر و یا کمتر استفاده میکند .[11] این نوع دیفرانسیل با نام AYC4، در خودروهاي میتسوبیشی مورد استفاده قرار میگیرد. تصویر این سیستم در شکل 2 نشان داده شده است.
با توجه به شکل 2 چرخدندهي ورودي مربوط به سیستم افزاینده/کاهنده سرعت - Z1 - به جعبهي دیفرانسیل متصل است. چرخدندهي افزایندهي سرعت - Z2 - به کلاچ سمت راست و چرخدندهي کاهندهي سرعت - Z3 - به کلاچ سمت چپ متصل است. این مسئله به این معنا است که کلاچ سمت راست سریعتر و کلاچ سمت چپ کندتر از محفظهي دیفرانسیل میچرخند. محفظهي کلاچهاي چپ و راست به محور سمت راست متصل است. بهعلت اتصال چرخدندهي کاهندهي سرعت به کلاچ سمت چپ، این کلاچ کندتر از محور سمت راست میچرخد. بنابراین با فعال شدن کلاچ سمت چپ، محور سمت راست مقداري گشتاور را به محفظهي دیفرانسیل برمیگرداند و از آنجا به محور سمت چپ میرود.
همچنین با توجه به اینکه چرخدندهي افزایندهي سرعت به کلاچ سمت راست متصل است، این کلاچ سریعتر از محور سمت راست میچرخد. از این رو با فعال شدن کلاچ سمت راست، محفظهي دیفرانسیل گشتاور بیشتري را به محور سمت راست انتقال میدهد. نحوهي توزیع گشتاور هنگام فعال شدن کلاچ سمت راست در شکل 2 نشان داده شده است. با فعال شدن کلاچ سمت راست، تا زمانی که سرعت چرخ سمت راست از c z1z5 / z2 z4 کمتر باشد، گشتاور بیشتري به سمت محور سمت راست منتقل میشود و هرچه فشار مابین کلاچها بیشتر باشد گشتاور منتقل شده بیشتر خواهد بود. شکل 3 دیاگرام آزاد اجزاي دیفرانسیل فوق را نمایش میدهد.
1 و 2 به ترتیب سرعت زاویهاي چرخهاي سمت چپ و راست، Ter گشتاور خروجی از دیفرانسیل مرکزي به محور عقب، Tt1 و Tt 2 به ترتیب گشتاور ورودي به چرخهاي سمت چپ و راست و Tf 1 و Tf 2 به ترتیب گشتاور اصطکاکی انتقالی توسط کلاچهاي سمت چپ و راست میباشند. Z1 تا Z6 تعداد دندانههاي چرخدندههاي 1 تا 6 میباشند که در شکل 2 نشان داده شدهاند و I* ممان اینرسی اجزاي مختلف دیفرانسیل میباشد - شکل i . - 3 نسبت دندهي ورودي دیفرانسیل میباشد که 2/8 در نظر گرفته شده است.
مدل کلاچ دیفرانسیل
گشتاور اصطکاکی انتقالی توسط کلاچ تابعی از نیروي عمودي وارد بر هر صفحه - - Fc ، تعداد صفحات - - nc ، شعاع موثر - - rc و ضریب اصطکاك صفحات - - - - c - که تابعی از سرعت نسبی بین صفحات کلاچ میباشد - است و از رابطهي - 5 - محاسبه میشود.[13]
مانورهاي استاندارد
در این پژوهش براي بررسی خوشفرمانی خودرو، مانورهاي استاندارد مربوط به تست خوشفرمانی، شامل قلابماهی3 و مانور جی در نظر گرفته شدهاند. شکل 4 تغییرات فرمانگیري چرخهاي جلو در این مانورها را نشان میدهد. در این پژوهش، سرعت اولیه، 60 کیلومتر بر ساعت در نظر گرفته شده است.
طراحی کنترلگر
براي بهبود خوشفرمانی خودرو، سرعت چرخشی خودرو که یکی از پارامترهاي نشان دهندهي خوشفرمانی است کنترل شده است .[15,16] به منظور طراحی سیستم کنترلی، سرعت چرخشی مدل دوچرخ بهعنوان سرعت چرخشی مطلوب در نظر گرفته میشود.
