4. Algorytm szacowania masy nadwozia
4.3 Badania symulacyjne alternatywnych struktur algorytmu .1 Metodyka i cele badań symulacyjnych
Cele badań symulacyjnych
Celem badań symulacyjnych było przetestowanie prototypowego algorytmu w zakresie jego funkcjonalności oraz możliwych struktur alternatywnych oraz doboru parametrów. Szczegółowe zadania badawcze obejmowały:
– porównanie wyników działania prototypowego algorytmu z algorytmem referencyjnym, – ocena zasadności stosowania charakterystyki nieliniowej amortyzatora w algorytmie,
68
– ocena zasadności rezygnacji z uwzględniania przyspieszeń nadwozia, – ocena potrzeby filtracji sygnału wyjściowego,
– określenie stabilności oszacowania poprzez ocenę rozrzutu błędu oszacowania masy resorowanej.
Metodyka badań symulacyjnych
Badania symulacyjne szacowania masy resorowanej zostały przeprowadzone zgodnie z metodyką przedstawioną na rys. 4.7:
– Działanie 1 to wygenerowanie sygnału drogi zastępczej – użyta metoda to procedura RPC. Procedura odtwarzania na stanowisku badawczym drogi zastępczej (nierówności nawierzchni drogi) została opisana m. in. w publikacji [67].
– Działanie 2 to symulacja odpowiedzi zawieszenia – metoda to symulacja komputerowa z wykorzystaniem nieliniowego modelu ćwiartki zawieszenia zaimplementowanego w środowisku Matlab/Simulink opisanego wraz z parametrami modelu w podrozdziale 3.3.1. Symulacje odpowiedzi zawieszenia wykonano dla dwóch rodzajów sygnałów drogi zastępczej (autostrada i bruk).
– Działanie 3 to Szacowanie masy resorowanej – metoda to symulacja działania algorytmu prototypowego (algorytm C rys. 4.3) oraz referencyjnych zaimplementowanych w środowisku Matlab na podstawie sygnału ugięcia zawieszenia i przyspieszenia masy resorowanej.
– Działanie 4 to porównanie wyników oszacowania zgodnie z opisanymi zadaniami badawczymi.
Rys. 4.7 Schemat badań symulacyjnych poprawności szacowania masy resorowanej.
Ze względu na skomplikowanie algorytmu sterowania celowym było rozpoznanie możliwości szacowania masy resorowanej z zastosowaniem uproszczonego modelu szacowania. Najdalej idącą możliwością uproszczenia jest zastosowanie algorytmu statycznego szacowania masy resorowanej (algorytm A, rys. 4.3) dla stanów dynamicznych zawieszenia. Innym wariantem uproszczenia było zastosowanie algorytmu prototypowego szacowania masy resorowanej z wykorzystaniem liniowej charakterystyki amortyzatora. Ostatnim z przebadanych wariantów była ocena zasadności rezygnacji z uwzględniania przyspieszeń nadwozia w algorytmie prototypowym (rys. 4.3).
4.3.2 Ocena możliwości wykorzystania algorytmu dla stanu statycznego
Wartość ugięcia zawieszenia podczas działania wymuszeń kinematycznych związanych z nierównościami dróg zmienia się w sposób mniej więcej symetryczny względem wartości średniej. Istnieje więc możliwość uśredniania wartości z większej ilości pomiarów lub odpowiedniej filtracji w celu oszacowania wartości średniej bliskiej ugięciu zawieszenia w stanie statycznym. Przeprowadzone badania symulacyjne wykazały, że algorytm szacowania masy dla stanu statycznego (algorytm A, rys. 4.3) zastosowany podczas wymuszeń dynamicznych od nawierzchni drogi daje błędne wartości oszacowania na poziomie 15% masy resorowanej badanego modelu (rys. 4.8) .
69
Rys. 4.8 Przebieg zmian wyniku szacowania masy nadwozia dla przejazdu po bruku dla nastawy charakterystyki tłumienia 1,6A w czasie . Różnice w oszacowaniu masy do 35kg
Wykres na rys. 4.8 ilustruje wynik oszacowania masy nadwozia dla rzeczywistych wymuszeń od nawierzchni brukowej odtworzonych na stanowisku badawczym ćwiartki pojazdu. Symulacja została zrealizowana dla komfortowej charakterystyki tłumienia (wartość prądu sterującego amortyzatora 1,6A). Parametry dla modeli przyjęto zgodnie z tabelą 3.1. Powstająca w oszacowaniu różnica z wartością nominalną jest spowodowana m.in. asymetrią charakterystyki tłumienia amortyzatora - wyższymi wartościami sił tłumienia dla fazy rozciągania amortyzatora, które w stanie dynamicznym powodują dodatkowe ugięcie zawieszenia.
Wnioski z badań
Przebieg sygnału szacowanej wartości masy, przesunięty względem wartości nominalnej o niemal stałą wartość sugerować może możliwość skorygowania wartości szacowanej masy o stały współczynnik korekcji równy 0,88.
Badania przeprowadzone dla różnego wysterowania charakterystyki tłumienia wykazały, że błąd oszacowania był zmienny. Dla charakterystyki komfortowej błąd oszacowania wynosił do 35 kg, a dla charakterystyki sportowej do 12kg.
Z powodu wyżej wskazanej zmienności błędu oszacowania uznać można, że nieodpowiednie jest wykorzystanie algorytmu statycznego szacowania masy dla ruchu pojazdu z uwzględnieniem stałej wartości współczynnika korekcji oszacowania.
4.3.3 Ocena zasadności stosowania charakterystyki nieliniowej amortyzatora w algorytmie
W celu uproszczenia algorytmu szacowania masy dla stanu ruchu pojazdu sprawdzono potrzebę stosowania nieliniowej charakterystyki amortyzatora i możliwość zastąpienia jej liniowym współczynnikiem tłumienia niezależnie od chwilowego wysterowania siły tłumienia amortyzatora. W tym celu zgodnie z metodyką przedstawioną na rys. 4.6 wykonano badania symulacyjne i przeanalizowano wpływ zastosowania w prototypie algorytmu szacującego liniowej i nieliniowej (asymetrycznej) charakterystyki amortyzatora do modelowania sił tłumienia. Dla charakterystyki liniowej i nieliniowej zastosowano współczynnik i charakterystykę tłumienia opisaną w podrozdziale 3.3.1.2. Porównanie wyników oszacowania masy dla symulacji przejazdu po bruku przedstawiono na rys. 4.9.
70
Rys. 4.9 Przebieg oszacowania wartości masy dla algorytmu szacowani masy dla stanu dynamicznego z różnymi charakterystykami amortyzatora, przejazd po bruku - maksymalny błąd oszacowania - 15kg
Wnioski z badań
Dla badanych wymuszeń różnica pomiędzy masą oszacowaną na podstawie charakterystyki liniowej a nieliniowej amortyzatora mieściła się w zakresie ±15kg. Powstająca w oszacowaniu różnica wartości masy resorowanej jest spowodowana asymetrią charakterystyki tłumienia amortyzatora- wyższymi wartościami sił tłumienia dla fazy rozciągania amortyzatora. Ta różnica oszacowania jest również zmienna dla różnych nawierzchni dróg, ponieważ gorsze nawierzchnie dróg wymagają wykorzystania większego zakresu prędkości ugięcia- szerszego zakresu charakterystyki tłumienia (patrz rozdział 5 rys. 5.8). Z powyższych powodów przyjęto, że nieodpowiednie jest uproszczenie modelu amortyzatora do charakterystyki liniowej. Ocena wpływu zastosowania powyższego uproszczenia dla działania całego systemu sterowania tłumieniem (dobór charakterystyki tłumienia) możliwa jest dopiero po opracowaniu całego systemu sterowania i została uznana za potencjał do dalszych badań eksperymentalnych.
4.3.4 Ocena zasadności rezygnacji z uwzględniania przyspieszeń nadwozia w algorytmie
Trzecim badaniem symulacyjnym było:– przeanalizowanie różnic w oszacowaniu wartości masy resorowanej przez algorytm szacowania masy dla stanu dynamicznego przy uwzględnieniu informacji pomiarowych o ugięciu zawieszenia i przyspieszeniu masy resorowanej
– przeanalizowanie wyniku oszacowania masy dla wariantu uproszczonego algorytmu nie uwzględniającego informacji o przyspieszeniu nadwozia.
Podobnie jak w badaniach z podrozdziału 4.3.2 oraz 4.3.3 w badaniach wykorzystano model ćwiartki zawieszenia z podrozdziału 3.3.1.2. Rys. 4.10 przedstawia różnice w wartościach oszacowania masy bez uśredniania wyniku dla modelu z dwoma danymi wejściowymi: ugięciem zawieszenia i przyspieszeniem nadwozia oraz bez pomiarów z czujnika przyspieszenia. Na wykresie kolorem zielonym oznaczono oszacowanie wyznaczane za pomocą równania ruchu nadwozia (rozdział 3.3.1.2) z uwzględnieniem przyspieszeń i sił tłumienia i sprężystości, kolorem czerwonym oszacowanie bez informacji z czujnika przyspieszenia, a linią niebieską wynik oszacowania masy resorowanej na podstawie algorytmu zredukowanego (bez uwzględnienia w algorytmie sił bezwładności plus uśrednianie sygnału oszacowania masy.
71
Rys. 4.10 Wynik oszacowanie masy nadwozia w czasie eksploatacji dla 3 wersji algorytmu
Wnioski z badań
Uzyskany wynik oszacowania wykazał, że odpowiednia filtracja oszacowanej masy pozwala uprościć algorytm szacowania masy resorowanej do jednego sygnału wejściowego na każda ćwiartkę pojazdu przy założeniu, że wystarczającym czasem uzyskania wyniku jest kilka sekund od zmiany masy resorowanej.
4.3.5 Określenie rozrzutu błędu oszacowania masy resorowanej
Autorski algorytm szacowania masy przebadano podobnie jak dla poprzednich badań z podrozdziałów 4.3.2-4.3.4 dla wymuszeń rzeczywistych odtworzonych na stanowisku badawczym ćwiartki pojazdu, aby sprawdzić na ile wynik oszacowania masy odbiegał od masy modelu. Badania symulacyjne przeprowadzono zarówno dla wymuszenia kinematycznego od nawierzchni asfaltowej, jak i bruku. Na rys. 4.11 i 4.12 przedstawiono uzyskane wyniki oszacowania masy nadwozia.
Rys. 4.11 Wyniki dla przejazdu z prędkością 70km/h, po asfalcie (os. Żegrze) (M=270kg). Strona lewa: wymuszenie odtworzone na stanowisku, strona prawa: szacowana masa nadwozia po filtracji. Błąd oszacowania +-2,5kg.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
x 104 -100
-50 0 50 100 150 200 250 300
Szacowanie masy nadwozia
czas [ms]
szacowania masa nadwozia [kg]
72
Rys. 4.12 Wyniki przejazdu z prędkością 40km/h, po bruku (ul. Kolejowa) (M =270kg). Strona lewa: wymuszenie odtworzone na stanowisku. Strona prawa: szacowana masa nadwozia po filtracji. Błąd oszacowania +-2,5kg.
Wnioski
Uzyskane wyniki wskazują na wartość rozrzutu wartości oszacowania masy na poziomie ±2,5kg dla zawieszenia ćwiartki pojazdu (ok. +-1%). Poprawne oszacowanie masy trwa około 3s od rozpoczęcia procesu oszacowywania masy resorowanej. Dobrą jakość oszacowania otrzymuje się zarówno dla nawierzchni asfaltowej jak i bruku. Ze względu na zastosowany model ćwiartki zawieszenia badania symulacyjne nie uwzględniały wpływu dynamiki wzdłużnej i poprzecznej pojazdu na stabilność oszacowania, jak i błędów pomiarowych czujników ugięcia zawieszenia. Oznacza to potrzebę albo uwzględnienia tego zjawiska w badaniach symulacyjnych z wykorzystaniem modelu całego pojazdu lub realizacji badań drogowych, które m. in. określą rzeczywisty rozrzut oszacowania masy dla opracowanego algorytmu.