Badania porównawcze strategii sterowania dwustanowego .1 Cel i metodyka badań

Celem badań symulacyjnych było sprawdzenie własności izolacyjnych ćwiartki zawieszenia dla 5 strategii sterowania tłumieniem z uwzględnieniem opóźnienia układu wykonawczego i histerezy amortyzatora. Metodyka badań jest zgodna z metodyką opisaną w podrozdziale 7.2.2.3.

7.2.3.2 Analiza funkcji wzmocnienia

Na rys. 7.8 zaprezentowano zestawienie funkcji wzmocnienia dla 5 analizowanych strategii sterowania. Analiza uzyskiwanych amplitud wzmocnienia wykazała, że wszystkie strategie sterowania zmniejszają wartości funkcji wzmocnienia w stosunku do pasywnego tłumienia minimalnego, które wynosiło 𝑏𝑀= 600Ns/m, w zakresie od 0 do ok. 2Hz. W tym przedziale najkorzystniejszy przebieg funkcji wzmocnienia wykazały strategie SHADD i 1SM, dla których poprawa wskaźnika komfortu wyniosła 35 i 33% (tab.7.5). Strategia 1SM oparta została tylko o dwustanowy detektor częstotliwości. - Dla częstotliwości poniżej 14rad (ok. 2,2Hz) sterowany jest maksymalny poziom tłumienia, a dla wartości powyżej 14rad minimalny. Przebieg funkcji wzmocnienia uzyskany dla strategii 1SM nie odbiega znacznie od przebiegu funkcji wzmocnienia uzyskanej dla sterowania SHADD.

Rys. 7.8 Funkcja wzmocnienia dla przyspieszeń masy resorowanej dla 5 strategii sterowania tłumieniem.

Tab. 7.5 Porównanie średnich wartości funkcji wzmocnienia dla przyjętych zakresów częstotliwości dla strategii sterowania tłumieniem zawieszenia

W zakresie częstotliwości 2-4Hz najkorzystniejszym przebiegiem funkcji wzmocnienia wykazała się strategia ADD i PDD, które wykazały o 6% i o 7% korzystniejszy wskaźnik komfortu niż dla pasywnego tłumienia minimalnego.

Funkcja wzmocnienia dla 5 strategii sterowania tłumieniem z opóźnieniem układu 30ms

tł. minimalne

tł. min 109,4 100,0 72,5 100 118 100,0

1SM 105,7 96,6 48,6 67,0 118,4 100,3

ADD 103,4 94,5 62,4 86,1 110,8 93,9

PDD 101,1 92,4 56,4 77,8 109,7 93,0

SH 186,7 170,7 54,2 74,8 199,2 168,8

SHADD 105 96,0 47,2 65,1 118,5 100,4

MAX poprawa 8% MAX poprawa 35% MAX poprawa 7%

Zakres częstotliwości

145

Powyżej wartości 4Hz funkcja wzmocnienia ADD i PDD przyjmuje porównywalne wyniki do nastawy tłumienia minimalnego, natomiast dla SHADD, 1SM wartości gorsze o średnio 10%.

7.2.3.3 Stabilność przełączania między stanami

Niestabilność przełączania między stanami została zdefiniowana jako sytuacja, w której częstotliwość przełączania między stanami sterowania dwustanowego jest większa niż czterokrotna częstotliwość wymuszenia kinematycznego.

Założono wartość czterokrotnie wyższą, ponieważ sterowanie powinno dopasowywać stan sterowania do każdej ćwiartki sinusoidy wymuszenia kinematycznego. Stabilność przełączania to w istocie chęć uzyskania przełączania o odpowiednio długim minimalnym czasie pomiędzy kolejnymi przełączaniami co wynika z reakcji układu wykonawczego (minimum czasu reakcji – to około 50 ms).

Na rys. 7.9 i 7.10 zaprezentowano wyniki badań symulacyjnych przebiegu przełączania między stanami prądu sterującego. W publikacjach [76] wykazano, że strategie ADD, 1SM i SHADD wykazują niestabilne przełączanie między stanami tłumienia dla wymuszenia sinusoidalnego. Badania symulacyjne wykazały, że zarówno strategia SHADD, ADD jak i 1SM posiadają niestabilność sterowania w zakresie przejścia ze stanu maksymalnego tłumienia do stanu minimalnego tłumienia. Badania symulacyjne potwierdziły, że stabilne są tylko 2 strategie sterowania tłumieniem SH i PDD.

Rys. 7.9 Porównanie przebiegów funkcji prądu sterującego dla wymuszenia sinusoidalnego malejącego w zakresie od 1,5Hz do 0,5Hz.

Rys. 7.10 Porównanie przebiegów funkcji prądu sterującego dla wymuszenia sinusoidalnego malejącego w zakresie od 1,5Hz do 0,5Hz.

146

7.2.3.4 Analiza właściwości izolacyjnych modelu zawieszenia poddanego wymuszeniem jednostkowym

Po analizie funkcji wzmocnienia, której celem była ocena strategii sterowania pod względem minimalizacji drgań przyspieszeń nadwozia i analizie stabilności przełączania, której celem była ocena możliwości zastosowania strategii sterowania w rzeczywistym amortyzatorze o zmiennej charakterystyce tłumienia, przeprowadzono analizę właściwości izolacyjnych poszczególnych strategii sterowania po wymuszeniu jednostkowym. Celem tych badań było:

- określenie wpływu sterowania na ograniczenia konstrukcyjne związane z zakresem dostępnego ugięcia zawieszenia. Ocenie podlegało maksymalne ugięcia zawieszenia w stosunku do tłumienia minimalnego.

- określenie wpływu sterowania na maksymalne przyspieszenie nadwozia, ponieważ na opracowany wskaźnik komfortu (rozdział 6) szczególnie duży wpływ mają pojedyncze skrajne wymuszenia od drogi i wywoływane przez nie maksymalne przyspieszenia nadwozia.

Analizie w ramach badań symulacyjnych zostało poddane 5 strategii sterowania. Rozpatrywane w analizie były 4 zmienne: ugięcie zawieszenia, przemieszczenie nadwozia, przyspieszenie nadwozia i prąd sterujący. Badając odpowiedź układu na wymuszenie skokiem jednostkowym o wartości 50 mm oceniano ją pod względem 3 kryteriów:

- stabilizacji wartości rozpatrywanej zmiennej, , - maksymalnej wartość rozpatrywanej zmiennej, - stabilności sterowania prądem sterującym.

Najkrótszy czas stabilizacji ugięcia zawieszenia, mierzonego jako czas po którym ugięcie nie będzie przekraczać o ±5mm ugięcia dla położenia równowagi, zapewnia sterowanie skyhook i wynosi 0,3s. Największe ugięcie zawieszenia występuje przy tłumieniu minimalnym i wynosi 0,095m. Dla sterowania SHADD maksymalne ugięcie wynosi 0,09m, dla sterowania PDD wynosi 0,089m, a pozostałe strategie mają maksymalne ugięcie na poziomie ok. 0,087m. Oznacza to, że ugięcie zawieszenia dla wszystkich strategii jest mniejsze niż dla zawieszenia pasywnego, a różnice wynoszą do 8,5% dla strategii SH i 1SM. Czas wygaszenia drgań ugięcia różni się w badaniach symulacyjnych od 0,3s dla SH do 2,8s dla tłumienia pasywnego.

Określenie wpływu sterowania na ograniczenia konstrukcyjne zawieszenia pojazdu związane z zakresem dostępnego ugięcia zawieszenia oceniano poprzez porównywanie maksymalnego ugięcie zawieszenia między zawieszeniem sterowanym, a pasywnym o minimalnej charakterystyce tłumienia. Na rys.7.11 zamieszczono porównanie przemieszczenia nadwozia dla poszczególnych strategii sterowania tłumieniem. Dla sterowania SH wymuszenie nie generuje żadnej dodatkowej oscylacji przemieszczenia nadwozia. Dla strategii SHADD, PDD i 1SM wymuszenie generuje dodatkowo 1 cykl oscylacji, dla strategii ADD 2 cykle, a dla tł. pasywnego 4 cykle.

Na rys. 7.12 pokazano przebieg pionowego przyspieszenia nadwozia dla poszczególnych strategii sterowania tłumieniem. W tab.7.6 znajduje się zestawienie maksymalnych ugięć i przyspieszeń nadwozia i czasu stabilizacji ugięcia zawieszenia i przyspieszenia nadwozia. Czas stabilizacji przyspieszenia nadwozia ustalono jako czas, po którym przyspieszenie nie przekracza +- 0,5m/s². Badania wykazały że najmniejsze przyspieszenie nadwozia przy wymuszeniu jednostkowym daje strategia sterowania PDD, a najkrótszy czas stabilizacji strategia SH.

147

Rys. 7.11 Ugięcie zawieszenia dla wymuszenia jednostkowego

Rys. 7.12 Przemieszczenie nadwozia dla wymuszenia jednostkowego

Rys. 7.13 Przyspieszenie nadwozia dla wymuszenia jednostkowego

148

7.2.3.5 Wpływ opóźnienia układu wykonawczego na potencjał poprawy komfortu

W badaniach symulacyjnych w podrozdziałach 7.2.2.2-4 przyjęto stałą wartość opóźnienia układu wykonawczego 30ms.

Istnieje jednak możliwość zastosowania amortyzatorów o zmiennej charakterystyce tłumienia, które posiadają inną wartość opóźnienia układu wykonawczego. Z tego powodu przeprowadzono uzupełniające badania symulacyjne, których celem było sprawdzenie, czy dla amortyzatorów o większym opóźnieniu układu wykonawczego niż 30ms najkorzystniej będzie zastosować inną strategię sterowania niż wyznaczoną na podstawie wyników badań w rozdziałach 7.2.2.2-4 autorską strategię sterowania dwustanowego opartą na sterowaniu PDD [78].

Dla dwóch najkorzystniejszych strategii sterowania (SH i PDD) przeprowadzono analizę wpływu opóźnienia odpowiedzi układu wykonawczego na potencjał poprawy komfortu jazdy. Dla czwartej strategii sterowania PDD wpływ opóźnienia układu wykonawczego na przebieg funkcji wzmocnienia jest porównywalny i niewielki. Pogorszenie funkcji wzmocnienia pomiędzy opóźnieniem 30ms, a 120ms wynosi do około 15%. (rys. 7.14).

Rys. 7.14 Przebieg funkcji wzmocnienia dla zmiennego opóźnienia układu wykonawczego

Wyraźne pogorszenie komfortu w zakresie powyżej 2Hz w stosunku do tłumienia pasywnego wykazuje sterowanie dwustanowe SH (rys. 7.15), które jest szczególnie wrażliwe na opóźnienie układu wykonawczego.

Rys. 7.15 Przebieg funkcji wzmocnienia dla zmiennego opóźnienia układu wykonawczego

1 2 3 4 5 6

Funkcja wzmocnienia dla strategii sterowania tłumieniem skyhook z opóźnieniem układu tlumienie min

Funkcja wzmocnienia dla strategii sterowania tłumieniem PDD z opóźnieniem układu 30ms

tłumienie minimalne

149

W dokumencie POLITECHNIKA POZNAŃSKA Wydział Maszyn Roboczych i Transportu (Stron 144-149)