1
Prof. dr hab. inż. Tomasz Lech Stańczyk Kielce 10.10.2018r.
Katedra Pojazdów Samochodowych i Transportu Politechnika Świętokrzyska, Kielce
RECENZJA
rozprawy doktorskiej mgr inż.
Krzysztofa Dąbrowskiego
pt. „Algorytmizacja adaptacyjnego sterowania tłumieniem zawieszenia samochodu dla uwzględnienia zmienności warunków eksploatacji”.
Podstawa sporządzenia opinii: pismo Dziekana Wydziału Maszyn Roboczych i Transportu Politechniki Poznańskiej z dnia 10.07.2018 r., DR-63/533/01/2018.
Ogólna charakterystyka pracy
Przedstawiona do recenzji rozprawa o wyżej wymienionym tytule jest pracą o objętości 176 stron i składa się z 9 rozdziałów. Wykaz literatury obejmuje 76 pozycji, z czego 11 pozycji polskojęzycznych oraz 65 pozycji obcojęzycznych, w językach:
angielskim i niemieckim.
Na jadący samochód działają zmienne w czasie wymuszenia powodujące drgania jego mas. Oprócz wymuszenia pochodzącego od nierówności nawierzchni drogi, działają również tzw. wymuszenia drugorzędne, spośród których najważniejszymi są drgania silnika oraz niewyrównoważenie elementów wykonujących ruch obrotowy - głównie kół.
Układem, którego zadaniem jest ograniczanie skutków działania tych wymuszeń jest zawieszenie samochodu. Podstawowym działaniem konstruktora samochodu, które ma zapewnić to ograniczenie jest odpowiedni dobór sztywności oraz tłumienia w zawieszeniu.
Trudność tego zadania polega na tym, że dwa główne cele jakie ma zapewnić zawieszenie, czyli komfort jazdy oraz bezpieczeństwo są w znacznej mierze postulatami sprzecznymi.
Zatem dobór parametrów zawieszenia musi być pewnym kompromisem, nie maksymalizującym ani jednego ani drugiego celu. Dodatkowym utrudnieniem jest fakt, że co najmniej kilka czynników (rodzaj nawierzchni drogi, prędkość jazdy, stopień obciążenia i in.) powoduje znaczne zmiany charakteru i intensywności drgań samochodu. Zatem każda decyzja konstruktora o doborze parametrów sztywności i tłumienia zawieszenia będzie odbierana, jako nie do końca satysfakcjonująca.
Takie (tradycyjne) zawieszenia, w których w fazie projektowania dobrane zostały niezmienne charakterystyki sztywności i tłumienia noszą obecnie nazwę zawieszeń pasywnych. Ich przeciwieństwem są zawieszenia aktywne, które dzięki aktywnemu generowaniu szybkozmiennych sił w zawieszeniu, mogą zapewnić nieosiągalny wcześniej (bardzo wysoki) poziom komfortu lub bezpieczeństwa jazdy. Rozwiązania techniczne
2
takich zawieszeń istnieją, jednak są bardzo drogie ze względu na wysokie koszty elementów składowych oraz bardzo wysokie zapotrzebowanie na energię. Zaczęto zatem pracować w wielu ośrodkach nad rozwiązaniami pośrednimi, które poprawiałyby znacznie komfort i bezpieczeństwo, ale byłyby znacznie tańsze i prostsze. Są nimi różnorodne warianty zawieszeń półaktywnych, adaptacyjnych i innych
W ten nurt poszukiwań naukowych i technicznych wpisuje się recenzowana praca.
Autor podejmuje w pracy problem sterowania tłumieniem w zawieszeniu samochodu w celu poprawy komfortu jazdy po różnych rodzajach dróg. Wybór obszaru badawczego i jego ograniczeń, sformułowanie problemu badawczego oraz celu pracy dokonany został w oparciu o bardzo rzetelną analizę aktualnego stanu wiedzy. Doktorant wykazał się bardzo dobrą znajomością aktualnych tendencji w projektowaniu zawieszeń sterowanych, potwierdzając w ten sposób swoje kompetencje dla podjęcia sformułowanego tematu pracy.
Wybór tematu rozprawy należy zatem uznać za trafny. Autor podejmuje w pracy bardzo interesujący z teoretycznego punktu widzenia problem badawczy, który ma zarazem dużą wartość utylitarną. Pozytywnie należy również ocenić wybór metodyki rozwiązania problemu. W oparciu o sformułowane założenia buduje modele matematyczne i opracowuje algorytmy, a następnie bada je metodą symulacji komputerowej. Podstawą ocen końcowych są badania eksperymentalne.
Analiza treści rozprawy
Rozdział pierwszy – to studium literaturowe problematyki doboru i sterowania tłumieniem w zawieszeniu samochodu. W mojej ocenie przeprowadzona w tym rozdziale analiza stanu wiedzy jest krótka, ale napisana w sposób udowadniający dobre rozeznanie w temacie. Autor wykorzystał tu 54 pozycje literaturowe, w tym 9 prac doktorskich (7 niemieckich, 1 holenderską i 1 polską) i 9 patentów amerykańskich i niemieckich oraz wiele innych wartościowych publikacji.
Rzetelna analiza stanu wiedzy została wykorzystana do sformułowania w rozdziale drugim wyboru obszaru badawczego i jego ograniczeń, sformułowania problemu badawczego oraz celów pracy. Autor wskazał trzy cele merytoryczne (wraz z bardziej szczegółowymi czterema podpunktami) oraz niezbędne dla osiągnięcia tych celów cztery cele, które określił jako metodyczne.
W rozdziale trzecim sformułowana została ogólna koncepcja algorytmu sterowania adaptacyjnego tłumieniem w zawieszeniu i przedstawione zostały: proponowana metoda algorytmizacji oraz narzędzia badawcze wykorzystywane w procesie algorytmizacji.
Przyjęto, że ogólny algorytm doboru tłumienia będzie się składał z czterech algorytmów cząstkowych: szacowania masy nadwozia, szacowania typu nawierzchni drogi, algorytmu wyznaczającego optymalny bezwymiarowy współczynnik tłumienia oraz modułu przekształcania współczynnika tłumienia na prąd sterujący.
3
Rozdział czwarty przedstawia sposób tworzenia algorytmu szacowania masy nadwozia. Podano strukturę autorskiego algorytmu uwzględniającego, jako sygnały wejściowe: pionowe drgania nadwozia oraz jego przechyły wzdłużne i poprzeczne.
Opisano badania symulacyjne algorytmu oraz jego alternatywnych struktur. Rozdział kończy opis eksperymentalnych badań drogowych prototypu algorytmu oraz analiza wyników tych badań.
Rozdział piąty poświecony jest algorytmowi rozpoznania w czasie rzeczywistym jakości nawierzchni dróg. Po krytycznej ocenie istniejących metod, doktorant przeanalizował możliwości klasyfikacji nawierzchni drogi na podstawie sygnałów charakteryzujących drgania pionowe samochodu. Na tej podstawie opracował własny algorytm wnioskowania o rodzaju nawierzchni drogi. Podsumowaniem rozdziału jest testowanie algorytmu w badaniach symulacyjnych i drogowych.
W rozdziale szóstym opisane są działania Autora zmierzające do opracowania algorytmu doboru tłumienia maksymalizującego komfort jazdy. Po analizie literatury dotyczącej tego problemu, Doktorant przeprowadził własne badania poszukiwania optymalnej charakterystyki tłumienia, zakończone badaniami symulacyjnymi i drogowymi. Na tej podstawie opracował algorytm doboru optymalnego tłumienia oraz moduł przekształcający współczynnik tłumienia na prąd sterujący charakterystyką tłumienia.
Koncepcja rozszerzenia sterowania adaptacyjnego o sterowanie dwustanowe przedstawiona została w rozdziale siódmym. Sterowanie adaptacyjne dostosowuje tłumienie do rodzaju nawierzchni drogi, ale na każdej drodze mogą zdarzyć się pojedyncze duże nierówności, które wyraźnie pogarszają poczucie komfortu. Zastosowanie sterowania adaptacyjnego nie gwarantuje w takim przypadku dobrego rezultatu. Dlatego pojawiły się koncepcje łączenia go z innym rodzajem sterowania dającego poprawę komfortu dla przypadku pojedynczego wymuszenia. W literaturze takie koncepcje nazywane są często sterowaniem hybrydowym. Metodyka opracowania własnego sterowania hybrydowego opisana jest w tym rozdziale.
Synteza i weryfikacja eksperymentalna opracowanego systemu sterowania tłumieniem jest tematem rozdziału ósmego. Przedstawiono w nim strukturę systemu sterowania tłumieniem całego pojazdu, koncepcję sterowania przewidującego dla tylnej osi pojazdu oraz opis końcowych badań drogowych dla określenia efektywności redukcji drgań nadwozia, wraz z analizą otrzymanych wyników.
Ostatni, dziewiąty rozdział przedstawia podsumowanie pracy i wnioski. Autor formułuje w nim wnioski merytoryczne, metodyczne i utylitarne, a co jest szczególnie ważne wskazuje perspektywy dalszych prac badawczych.
4 Uwagi krytyczne dotyczące rozprawy
Jakkolwiek jako całość praca po względem merytorycznym zasługuje na bardzo wysoką ocenę, to jednak Autor nie ustrzegł się pewnych błędów. Chciałbym jednak podkreślić, że nie są to znaczące uchybienia, a niektóre z nich mają charakter błędów redakcyjnych. Przedstawiam je w kolejności pojawiania się w tekście.
1. Str. 11, pierwszy akapit: „ … uniemożliwić odrywanie się koła od nawierzchni drogi, przez co zapewnia bezpieczeństwo jazdy. … uniemożliwić odrywanie się kierowcy od fotela, dzięki czemu zwiększyć komfort jazdy.”. Z tak sformułowanymi wymaganiami spotkałem się po raz pierwszy. Można to w najlepszym przypadku potraktować jako warunki minimum, którym daleko jeszcze do zapewnienia bezpieczeństwa i komfortu.
2. Str. 18, pierwszy akapit i rys 1.7 nad nim: „Zakładając, że średnia wartość siły nacisku równa jest sile nacisku statycznego … „. Założenie to jest nieprawdziwe. Powtarza je Pan w dolnym akapicie na str. 68. Byłoby ono prawdziwe tylko w dwóch przypadkach: dla układu liniowego, lub dla układu nieliniowego o symetrycznych (względem zera) charakterystykach sprężystości i tłumienia. W zawieszeniach samochodów, żadna z tych charakterystyk nie jest symetryczna, co dalej w swojej pracy Pan pokazuje. Skoro średnie ugięcie zawieszenia nie jest równe ugięciu statycznemu, to i siły działające w tych punktach są różne. Bardzo ładnie można to było zaobserwować na używanych dawniej stanowiskach do badania amortyzatorów typu BOGE. Zatem poprawnie byłoby wpisać w mianowniku wzoru 1.5 siłę Fśr.
3. Str. 19, rozdział 1.1.2.3 – zaczyna się od słów: „Trzecim głównym kryterium oceny pracy zawieszenia…” i dalej charakteryzowane jest to kryterium. Natomiast w pierwszym akapicie na str. 11 wymienione są tylko dwa kryteria.
4. Str. 49, pierwszy akapit: To nie jest „Kompletny model fizyczny zawieszenia …”.
Poprawna nazwa podana jest na str. 48 w tytule rozdziału 3.3.1.3.
5. Str. 51, rys. 3.10 – brak podpisu, co jest na rysunku lewym i prawym – jest jeden wspólny podpis pod dwoma różnymi wykresami.
6. Str. 51, akapity nad i pod rys. 3.11 – są w nich odwołania do rys. 3.11a i 3.11b, a oznaczeń literowych nie zamieszczono na rysunkach. Należy się domyślać.
7. Str. 62, rozdział 4.1.1. Różnica między masą wyznaczoną w sposób statyczny i dynamiczny w pracy Fröhlicha [64] świadczy o tym, że pomiar w stanie dynamicznym uwzględnia kołysanie wzdłużne i poprzeczne. Gdyby nie było sprzężeń między drganiami z, φx i φy – masy wyznaczane w stanie statycznym i dynamicznym byłyby jednakowe. Jeśli nie są, to jest to dowód, że te ruchy są sprzężone. Zatem, jeśli bierze Pan do swoich algorytmów masę wyznaczoną dla stanów dynamicznych, to jest to wartość z uwzględnieniem sprzężeń tych drgań. Problemy ze stabilnością, o których pan pisze, zależą od tego, jak silne były pominięte sprzężenia. Jeśli sprzężenia są słabe, to nie powinno być problemów ze stabilnością. Jeśli sprzężenia (które zostały pominięte w związku z posługiwaniem się modelem „ćwiartkowym”) były relatywnie silne, to może to implikować problem ze stabilnością. Pisząc dalej: „ … aby algorytm był stabilny … „ wymienia Pan różne inne czynniki, a nadal nie ma nic
5
o sprzężeniach, od których należało zacząć. Podobnie w trzech ostatnich wierszach na stronie 75.
8. Str.71, pierwszy akapit w rozdziale 4.3.5. – „ … algorytm szacowania przebadano … na stanowisku badawczym ćwiartki pojazdu … „. Jeśli posługuje się Pan ćwiartką pojazdu, to gubi Pan sprzężenia, o których pisałem w uwadze dotyczącej strony 62.
Zatem nic dziwnego, że błąd oszacowania masy jest bardzo mały (± 2,5 kg – podpis pod rys. 4.11). Gdyby Pan badał na całym samochodzie, to błąd oszacowania byłby większy, przy czym byłby on tym większy, im słabiej byłyby spełnione w danym samochodzie warunki rozprzężenia drgań przodu i tyłu oraz lewej i prawej strony.
Zatem w rzeczywistym samochodzie błąd oszacowania masy będzie na pewno większy. Potwierdzeniem tego faktu są podane na str. 75 wyniki badań rzeczywistego samochodu. Tam błąd oszacowania masy jest 3,6-krotnie większy niż podany na str.
72, we wnioskach z badań na stanowisku ćwiartki samochodu. Na szczęście błąd z badań całego samochodu okazał się relatywnie mały, co nie podważa zasadności sformułowanej tu uwagi. Kolejną konsekwencją może być to, że opracowany przez Pana algorytm będzie działał w różnych samochodach lepiej lub gorzej, w zależności od tego na ile dobrze spełnione są w danym samochodzie warunki rozprzężenia drgań.
9. Str. 73 i 74. Nie zgadza się numeracja tras badawczych na tych stronach. Na str. 73 jest: 1, 2, 3 ,4, 5, 6, a na str. 74 jest: 1, 2, 3a, 3b, 4, 5. Taka sama, jak na str. 74 jest numeracja tras na str. 124 w tabeli 6.5.
10. Str. 107 rys 6.14 i str. 129 rys. 6.40. Brak uporządkowania w dolnym wierszu legendy na tych rysunkach wprowadza w błąd czytelnika.
11. Str. 109 linia 9g – powinno być „ … zbliżony do elipsy …”. Elipsoida to bryła.
Niekiedy nazwa ta używana jest również jako określenie powierzchni tej bryły.
12. Str. 117 linia 6d – dlaczego do badań symulacyjnych przyjęto tak małą masę kierowcy (56 kg), a nie typowo przyjmowaną wartość 75 kg?
13. Str. 127 - nad wzorem 6.11 powinno być odwołanie do wzoru 6.2, a nie do 6.3;
- linia 10d – błędne odwołanie do wzoru 6.7. Powinno być do wzoru 6.2.
14. Strony 127 i 128, akapit od 7d str. 127 do 4g str. 128. Nieliniowe charakterystyki linearyzuje Pan względem położenia równowagi statycznej. Lepiej byłoby, gdyby Pan linearyzował względem środka drgań – patrz uwaga do str. 18.
15. Str. 129, akapit nad rysunkiem 6.40 – powinno być „ … zamieszczono na rys. 6.40.”, a nie 6.41.
16. Strony 130 i 131 – w tekście błędne odwołania do rys. 6.42, zamiast 6.41 oraz 6.43, zamiast 6.42.
17. Str.143 i 144 – co oznaczają w tabelach 7.3 i 7.5 kolory komórek – brak objaśnienia – trzeba się domyślać.
18. Str.144, nad rys. 7.8. Częstotliwość ma podaną jednostkę „rad”.
19. Str. 148, koniec pierwszego akapitu – przywołana jest pozycja [78] literatury, a w wykazie literatury jest 76 pozycji.
6 Trzy uwagi ogólne, dotyczące całej pracy:
− W wielu miejscach pracy używane są sformułowania: „model ćwiartki zawieszenia” i „model połówki zawieszenia”, podczas gdy poprawne określenia to:
„model ćwiartki pojazdu (samochodu)” i „model połówki pojazdu”. Zresztą i te poprawne określenia też są w pracy używane, jako synonimy tych pierwszych.
Skutkiem tego pomieszania pojęć jest takie ciekawe zdanie na str. 161, linia 9d:
„…sterowania tylnymi ćwiartkami pojazdu został w stosunku do przednich ćwiartek zawieszenia …”. Może to trywialne, ale przypomnę, że zawieszenie to co występuje między masą resorowaną i nieresorowaną, a w występujących w pracy modelach występują również te masy, element modelujący ogumienie i nierówność drogi.
− Praca mogłaby być bardziej zwięzła. Na zakończenie większości rozdziałów oraz niektórych podrozdziałów występuje „Podsumowanie i wnioski”, w którym większa część jest powtórzeniem zapowiadanego na początku danego rozdziału algorytmu działania w danym etapie realizacji pracy. Praca zyskałaby na zwartości, gdyby zrezygnować z tych powtórzeń. To powtarzanie pewnych fragmentów skutkuje również powtarzaniem rysunków, np.: rysunek 7.1 ze str. 135, jest w zasadzie dokładną kopią rysunków: rys. 1 ze str. 6; rys 3.1 ze str. 42; rys 4.1 ze str. 60; rys 5.1 ze str. 80 i rys 6.1 ze str. 98.
− Przydałby się w pracy wykaz oznaczeń. Często w czasie czytania trzeba szukać wstecz, co dany symbol oznacza.
Poza wymienionymi uchybieniami praca napisana jest bardzo starannie, wszystkie sformułowania są precyzyjne, stosowana jest poprawna terminologia naukowa i techniczna. Bardzo dobrze napisany jest przeglądowy rozdział o algorytmach sterowania tłumieniem. Klarownie opisywane są na początku każdego fragmentu pracy przyjmowane założenia, sposób postępowania i jego cel.
Ocena końcowa rozprawy
Recenzowaną rozprawę doktorską oceniam bardzo wysoko. Przedstawione uwagi krytyczne dotyczą raczej drobnych uchybień i nie podważają wysokiej oceny pracy.
Uważam, że zadanie jakie podjął Autor w rozprawie zostało w sposób poprawny i obszerny rozwiązane z wykorzystaniem wiedzy teoretycznej z różnych dziedzin, między innymi z dynamiki maszyn, techniki komputerowej, metodyki i techniki prowadzenia eksperymentu. Autor wykazał, że dobrze opanował tę wiedzę i potrafi się nią skutecznie posługiwać do rozwiązywania problemów naukowych i technicznych. Autor wykazał, że potrafi również w sposób poprawny prowadzić badania eksperymentalne.
Praca mgr inż. Krzysztofa Dąbrowskiego posiada wszelkie cechy poprawnie przeprowadzonej pracy naukowej. Układ pracy jest prawidłowy. Autor buduje różne modele matematyczne części samochodu oraz amortyzatora, tworzy algorytmy dla
7
rozwiązywania poszczególnych problemów cząstkowych oraz przeprowadza wiele badań symulacyjnych dla wstępnego szacowania parametrów i oceny poprawności działania algorytmów. W ten sposób ogranicza ilość i zakres badań eksperymentalnych wykonywanych dla ostatecznego potwierdzenia poprawności przyjmowanych rozwiązań.
Jest to nowoczesne podejście do rozwiązywania problemów naukowych i technicznych, pozwalające skutecznie analizować złożone problemy badawcze w krótszym czasie oraz niższym nakładem środków finansowych, a także minimalizować potencjalne zagrożenia bezpieczeństwa uczestników badań eksperymentalnych realizowanych w warunkach drogowych.
Uważam, że rozprawa doktorska mgr inż. Krzysztofa Dąbrowskiego spełnia wymagania stawiane rozprawom doktorskim przez obowiązującą Ustawę o stopniach naukowych i tytule naukowym, dlatego wnioskuję o dopuszczenie jej do publicznej obrony.
