Sterowanie z uwzględnieniem zmiennych warunków eksploatacji

Warunki eksploatacji można opisać wieloma kryteriami. W aspekcie sterowania tłumieniem najczęściej wybiera się trzy główne kryteria:

– zmienna klasa jakości nawierzchni dróg – zmienne prędkości jazdy,

– zmienne eksploatacyjne obciążenia pojazdu ładunkiem.

35

Istnieje też możliwość oceny zmiennych warunków eksploatacyjnych pośrednio, poprzez np. analizę częstotliwości odpowiedzi sygnałów dynamiki pionowej. Strategia sterowania tłumieniem może opierać się np. na analizie częstotliwości chwilowej ruchu nadwozia. Jest to strategia sterowania, która nie rozpatruje wprost wymuszeń od drogi, ale odpowiedzi dynamiki, które dla znanej funkcji transmitancji pośrednio określają charakter wymuszeń od drogi.

Autorzy publikacji [38] zaprezentowali detektor zakresu częstotliwości, który pozwala za pomocą prostej zależności matematycznej określać zakres chwilowej częstotliwości ruchu np. nadwozia. Detektor zakresu częstotliwości posiada wskaźnik α, który określa graniczną częstotliwość przełączania pomiędzy skrajnymi nastawami tłumienia amortyzatora.

Sterowanie tłumieniem oparte o detekcję zakresu częstotliwości nazwano 1SM (1 sensor mix) i posiada ono wzór:

𝑐_𝑚𝑎𝑥 𝑑𝑙𝑎 (𝑧̈_𝑀² − 𝛼²𝑧̇_𝑀²) < 0, w pozostałych przypadkach 𝑐𝑚𝑖𝑛 1.14 gdzie: α- wartość częstotliwości przełączenia pomiędzy poziomami tłumienia; 𝑧̈_𝑀 - przyspieszenie masy resorowanej Detektor zakresu częstotliwości daje możliwość dopasowywania się pasywnego ustawienia amortyzatora do częstotliwości wymuszeń. Okazuje się, że samo wykorzystanie separatora jako dwustanową strategię sterowania pozwala uzyskać dla wymuszeń sinusoidalnych porównywalne wartości funkcji wzmocnienia przyspieszenia nadwozia jak sterowanie dwustanowe skyhook [16].

Drugim sposobem oceny zmiennych warunków eksploatacji jest statystyczna ocena klasy jakości nawierzchni drogi wykorzystująca pomiarydynamiki pionowej zawieszenia, ale sposób ich analizy i wnioski określające klasę nawierzchni drogi odnoszą się do idei przewidującego sterowania tłumieniem. Szacowanie wymuszeń przed pojazdem oparte jest na analizie prawdopodobieństwa, co wyklucza reakcję na pojedyncze wymuszenie. Pozwala to jednak adaptacyjnie sterować zawieszeniem, by mogło się ono w optymalny sposób dostosować do klasy nierówności drogi, po której porusza się pojazd. Takie podejście do idei sterowania przewidującego jest odpowiednie do sterowania adaptacyjnego.

Ta koncepcja nie wymaga dodatkowego układu pomiarowego skanowania nawierzchni drogi, ponieważ zakłada się, że najbliższy do przejechania odcinek drogi przed pojazdem ma porównywalną statystycznie klasę jakości nawierzchni jak odcinek drogi za pojazdem. Znając klasę nawierzchni drogi, można dobrać odpowiednie sterowanie tłumieniem do każdej z klas nawierzchni drogi.

Autorzy publikacji [39] zaproponowali sterowanie adaptacyjne, w którym wykorzystują informację o jakości nawierzchni drogi w celu adaptacyjnego dostosowania parametrów w algorytmie sterowania. Wymuszenie od drogi obliczane jest poprzez transmitancję widmową przyspieszenia nadwozia i wymuszenia od drogi. Badania symulacyjne wykazały, że adaptacyjne sterowanie wykazało poprawę RMS przyspieszenia nadwozia o około 30% w stosunku do pasywnego sterowania. Przedstawiona strategia sterowania bazuje na sygnale przyspieszenia nadwozia i poprzez funkcję wzmocnienia pozwala na ustalenie przebiegu wymuszenia od drogi.

W publikacji [40] szacowana jest jakość nawierzchni drogi poprzez szacowanie przyspieszenia wymuszenia od drogi, które jest wyznaczane dzięki ugięciu zawieszenia i sile tłumienia amortyzatora. Oznacza to, że wyznaczenie przyspieszenia od drogi wymaga wyznaczenia dwóch funkcji transmitancji. Aby zwiększyć dokładność oszacowania autorzy wprowadzili filtrację górnoprzepustową. W badaniach został również przedstawiony obserwator stanu dla modelu ćwiartki zawieszenia, który szacuje wszystkie istotne parametry zawieszenia- również ugięcia koła. Autorzy podzielili wymuszenia od drogi na 4 zakresy częstotliwości: 0-4Hz, 4-8,8-12- powyżej 12Hz.

Autorzy publikacji [41] wykorzystują informację o wymuszeniu od drogi jako przełącznik pomiędzy nieliniowymi charakterystykami tłumienia amortyzatora. Badania symulacyjne wykazały pozytywny wpływ uwzględnienia informacji o wymuszeniu od drogi. Autorzy wykorzystują dwa sterowania. Przełączanie ze stanu 1 na 2 następuje przy ugięciu zawieszenia powyżej 0,065m natomiast ze stanu 2 do 1 przy ugięciu 0,05. Czas sterowania stanu 2 (dla złych jakości nawierzchni drogi) utrzymuje się do 1s od zmniejszenia się ugięcia poniżej 0,055m. Przełączanie pomiędzy stanami

36

następuje płynnie. Regulator ma stałą czasową 0,08s, co oznacza, że po 24ms (3 stałych czasowych) mamy zakończoną zmianę nastawy w ok. 90%.

W publikacji [42] typ nawierzchni drogi określany jest poprzez odchylenie standardowe ugięcia zawieszenia. Model definiuje 3 nawierzchnie drogi. Badania symulacyjne wykazały, że dla dobrej nawierzchni najbardziej komfortowa jest nastawa maksymalnego tłumienia, a dla bruku i złej nawierzchni nastawa minimalnego tłumienia. W artykule wykorzystano rozpoznawanie drogi do ustalenia zakresu dwóch skrajnych nastaw sterowania dwustanowego.

Sterowanie dwustanowe opiera się o analizę częstotliwości: maksymalne tłumienie dla zakresów rezonansowych w pozostałych minimalne tłumienie. Zakres max i min tłumienia jest odmienny dla każdej z 3 nawierzchni drogi.

Firma Chrysler [43] w 2008 roku otrzymała patent na automatyczne rozpoznawanie, czy pojazd porusza się po drodze, czy poza utwardzoną nawierzchnią. W tym celu wykorzystuje 8 czujników. Sterownik sprawdza prędkości wzdłużne poszczególnych kół, następnie porównuje ugięcie przednich ćwiartek pojazdu między sobą na końcu tylnych ćwiartek zawieszenia. Porównaniu ugięć poszczególnych ćwiartek pozwala sprawdzić przechyły poprzeczne nadwozia.

Firma Daimler [44] opatentowała procedurę sterowania zawieszeniem na podstawie częstotliwości wymuszenia od nawierzchni drogi. Wymuszenie od drogi szacowane jest na podstawie modelu ćwiartki zawieszenia. Sygnałami wejściowymi są przyspieszenia nadwozia i koła. Funkcja h(t) rozpatrywana jest w 3 zakresach częstotliwości 20, 0,5-2Hz i 8-20Hz. Dla każdego zakresu wyznaczana jest wartość RMS z wartości wymuszenia. Znając wartości RMS wymuszenia dla 3 zakresów częstotliwości możliwe jest oszacowanie dominującej częstotliwości wymuszenia. Gdy w zakresie 0,5-2Hz występują przeważające amplitudy, to oznacza, że dominują fale o dużym okresie. W przypadku dominujących amplitud dla zakresu 8-20Hz dominujące są fale o małym okresie. Na podstawie wymuszenia i dominującej długości fali wymuszenia od drogi W określane jest sterowanie amortyzatorem.

Firma Denso [45] opatentowała w 1996 roku detektor określający jakość nawierzchni drogi, który jest określany poprzez pomiar przyspieszenia koła, filtrację i wyznaczanie wariancji sygnału. Jeśli wariancja przyspieszenia jest poniżej wartości granicznej droga jest klasyfikowana jako dobrej jakości w przeciwnym razie złej jakości. Detektor w patencie opisany jest jako część systemu antypoślizgowego, który można wykorzystać np. w systemach ABS.

W 1992 roku Huang Zhen [46] opatentował metodę adaptacyjnego sterowania amortyzatorem. Sterowanie posiada dwa sygnały wejściowe: prędkość pojazdu, oraz współczynnik jakości nawierzchni drogi. Współczynnik wyznaczany jest na podstawie sygnału przyspieszenia nadwozia. Jeśli długość fali (ponowne przejście sygnału przez punkt zero) trwa więcej niż T graniczne, wtedy następuje zmiana sterowania z dolnej nastawy na górną nastawę tłumienia amortyzatora.

Sterowanie na podstawie sygnału prędkości wzdłużnej zakłada, że dla małych prędkości sterowane jest małe tłumienie, dla dużych prędkości maksymalne tłumienie amortyzatora. Prędkość wzdłużna wyznacza podstawową charakterystykę amortyzatora, a sprawdzanie częstotliwości (przekraczanie punktu zero) pozwala zmienić charakterystykę w celu zwiększenia siły tłumienia.

Honda [47] zaproponowała rozpoznawanie skrajnych nawierzchni drogi poprzez analizę sygnałów z czujników indukcyjnych prędkości obrotowej poszczególnych kół. Większe wymuszenia od drogi powodują większe chwilowe różnice (poślizgi) poszczególnych kół. Poślizgi powyżej wartości granicznej są klasyfikowane jako nawierzchnie o złej jakości. Według patentu rozpoznawanie nawierzchni drogi ma służyć jako sygnał wejściowy do sterownika silnika, który przy dużych poślizgach przykładowo ograniczy moc silnika poprzez ilość pracujących cylindrów z 6 do 3.

Patent japoński [48] z 1993 roku rozpoznaje rodzaj nawierzchni drogi poprzez analizę przyspieszenia poprzecznego nadwozia i prędkości wzdłużnej pojazdu. Założenie sterowania umożliwia przy małej prędkości sterować minimalne tłumienie, a dla dużej prędkości średnie tłumienie.

Patent firmy ZDF [49] bazuje na rozpoznaniu, czy pojazd znajduje się na drodze publicznej, czy drogach nieutwardzonych (o bardzo złej jakości). Dzięki automatycznemu rozpoznaniu rodzaju nawierzchni możliwa jest zmiana oprogramowania wielu układów sterujących pojazdu na działanie w trybie poza-drogowym. Zblokowany zostaje

37

układ różnicowy tylnej osi, zmienia się charakterystyka doboru biegów skrzyni automatycznej, zmienia się tłumienia amortyzatora itp. Rozpoznanie przejazdu po drodze i poza nią następuje dzięki porównaniu odchyleń prędkości obrotowej pomiędzy kołami. Dla dróg o dobrej jakości odchylenia pomiędzy kołami są minimalne, natomiast dla dużych nierówności nawierzchni drogi różnice w prędkości obrotowej kół zmieniają się przykładowo z 0,2km/h do 0,8km/h. Aby przełączanie między dwoma stanami nie następowało często w sytuacjach granicznych wprowadzono histerezę przełączania w postaci dwóch współczynników odchylenia prędkości wzdłużnej od prędkości obrotowej poszczególnego koła.