کلمات کلیدی:کنترل یکپارچه، کنترل پایداری، کنترل غلت، فرمان فعال، دیفرانسیل فعال، ترمز فعالفهرست مطالبفصل اول - پیشگفتار1-1 ضرورت تحقیق.. 31-2 پیشینه کنترل پایداری خودرو.. 51-2-1 کنترل نرخ چرخش.. 51-2-2 کنترل لغزش جانبی.. 71-2-3 کنترل غلت.. 91-3 تعریف مسئله.. 111-4 طرحنمای پایاننامه.. 11فصل دوم - مدلسازی خودرو2-1 مقدمه.. 142-2 مدل ده درجه آزادی.. 142-2-1 فرضیات مدل.. 142-2-2 معادلات دینامیک.. 152-3 مدل راننده.. 232-4 صحهگذاری حلقهباز مدل به کمک نرمافزار CarSim.. 25فصل سوم – طراحی کنترلر3-1 مقدمه.. 323-2 اندازهگیری متغیرها.. 333-3 زیرسیستمهای کنترلی.. 343-3-1 سیستم فرمان فعال جلو.. 343-3-2 سیستم دیفرانسیل فعال.. 343-3-3 سیستم ترمز فعال.. 343-3-4 سیستم تنظیم لغزش / ترمز ضد قفل.. 353-3-5 سیستم فعال غلت -میله ضد غلت-.. 353-4 مدل ساده شده خودرو برای طراحی کنترلر.. 363-5 مدل مرجع.. 373-5-1 نرخ چرخش.. 373-5-2 شتاب طولی.. 393-5-3 شتاب جانبی.. 393-6 طراحی کنترلر فرمان فعال.. 393-7 طراحی کنترلر دیفرانسیل فعال.. 413-8 طراحی کنترلر ترمز فعال.. 423-9 طراحی کنترلر تنظیم لغزش فعال / ترمز ضد قفل.. 453-10 طراحی کنترلر فعال غلت- میله ضدغلت-.. 473-11 استراتژی هماهنگی.. 503-11-1 بررسی تداخلات ممکن بین اهداف زیرسیستمها.. 503-11-2 انتخاب استراتژی هماهنگی مناسب.. 503-11-3 طراحی یکپارچهساز فازی.. 53فصل چهارم - شبیهسازی و نتایج4-1 مقدمه.. 594-2 تحلیل عملکرد زیرسیستمها.. 604-2-1 کنترل فرمان فعال.. 604-2-2 کنترل دیفرانسیل فعال.. 654-2-3 کنترل ترمز فعال.. 704-2-5 کنترل فعال غلت -میله ضدغلت-.. 764-3 ارزیابی عملکرد یکپارچهساز.. 824-3-1 مانور تغییر مسیر دوگانه روی جاده خشک (9/0=μ).. 824-3-2 مانور تغییر مسیر دوگانه روی جاده لغزنده (2/0=μ).. 894-4 مقایسه زیرسیستمها و سیستم کنترل یکپارچه.. 964-4 صحهگذاری حلقهبسته (سیستم کنترل یکپارچه) توسط نرمافزار CarSim.. 1014-5 مانور بدترین حالت.. 107فصل پنجم - نتیجهگیری و پیشنهادها5-1 نتیجهگیری.. 1155-2 پیشنهادها.. 116مراجع. 117پیوست الف – سیستم کنترل یکپارچه بدون دیفرانسیل فعال...... 115پیوست ب- مقادیر عددی پارامترهای خودرو..................... 12فهرست جدولهاجدول 3-1 شیوه پسخوراند متغیرها..................... 32جدول 3-2 ضرایب کنترلر فرمان فعال................... 39جدول 3-3 ضرایب کنترلر دیفرانسیل فعال.............. 40جدول 3-4 ضرایب کنترلر ترمز فعال................... 42جدول 3-5 ضرایب کنترلر تنظیم لغزش فعال / ترمز ضد قفل 46جدول 3-6 ضرایب کنترلر فعال غلت –میله ضدغلت-........ 48جدول 3-7 قوانین هماهنگی در حضور دیفرانسیل فعال... 54جدول4-1 مقایسه بیشینه خطا باخودروی بدون کنترل برای سیستم فرمان فعال................................................... 64جدول 4-2 مقایسه بیشینه خطا با خودروی بدون کنترل برای سیستم دیفرانسیل فعال..................................... 69جدول 4-3 مقایسه بیشینه خطا با خودروی بدون کنترل برای سیستم ترمز فعال............................................... 74جدول 4-4 مقایسه بیشینه خطا با خودروی بدون کنترل برای سیستم کنترل فعال غلت........................................... 80جدول 4-5 مقایسه بیشینه خطا با خودروی بدون کنترل برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح خشک......................................... 88جدول 4-6 مقایسه بیشینه خطا با خودروی بدون کنترل برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح لغزنده ......................................... 95جدول الف-1 قوانین هماهنگی بدون دیفرانسیل فعال.... 121جدول الف-2 مقایسه بیشینه خطا با خودروی بدون کنترل برای سیستم کنترل یکپارچه بدون دیفرانسیل فعال..................................... 123جدول الف-3 مقایسه مقادیر کاهش بیشینه خطا در سیستم بدون دیفرانسیل فعال با سیستم با دیفرانسیل فعال........................................... 123جدول ب مقادیر عددی پارامترهای خودرو.............. 125 فهرست شکلهاشکل 1-1 سیستمهای ایمنی غیرفعال ..................... 3شکل 1-2 سیستمهای ایمنی فعال ........................ 3شکل 1-3 الگوریتم پیشخوراند برای فرمان فعال......... 5شکل 1-4 الگوریتم پسخوراند برای فرمان فعال........... 5شکل 1-5 کنترل نرخ چرخش به روش پیشخوراند-پسخوراند... 6شکل 1-6 کنترل زاویه لغزش جانبی در شرایط پایا با فرمان فعال 6شکل 2-1 دستگاه مختصات متصل به بدنه................ 14شکل 2-2 نمودار پیکره آزاد برای دینامیک طولی، جانبی و چرخش 15شکل 2-3 نمودار پیکره آزاد برای دینامیک عمودی و غلت16شکل 2-4 نمودار پیکره آزاد برای دینامیک فراز....... 17شکل 2-5 نمودار پیکره آزاد برای جرم فنربندی نشده جلو19شکل 2-6 نمودار نیروهای طولی و جانبی تایر بر حسب لغزش طولی و جانبی........................................................ 21شکل 2-7 نمودار پیکره آزاد برای دینامیک دورانی چرخ. 22شکل 2-8 مدل راننده................................ 24شکل 2-9 صفحه اصلی نرمافزار CarSim.................... 25شکل 2-10 زاویه فرمان مانور صحهگذاری................ 26شکل 2-11 نتایج صحهگذاری مدل حلقه باز توسط نرمافزار CarSim (رفتار دینامیکی).............................................. 27شکل 2-12 نتایج صحهگذاری مدل حلقه باز توسط نرمافزار CarSim (انتقال وزن جانبی)............................................. 28شکل 2-13 نتایج صحهگذاری مدل حلقه باز توسط نرمافزار CarSim (سیستم تعلیق)................................................. 29شکل 3-1 شمای کلی کنترلر........................... 31شکل 3-2 نمودار پیکره آزاد برای مدل سه درجه آزادی.. 35شکل 3-3 نمودار تغییرات w بر حسب β ................. 41شکل 3-4 منطق ترمزگیری برای اصلاح نرخ چرخش.......... 43شکل3-5 استراتژی هماهنگی در حالت شتابگیری.......... 51شکل3-6 استراتژی هماهنگی در حالت حفظ سرعت........... 52شکل3-7 استراتژی هماهنگی در حالت ترمزگیری........... 53شکل 3-8 توابع عضویت فازی برای متغیرهای ورودی....... 53شکل 3-9 توابع عضویت فازی برای متغیرهای خروجی....... 53شکل 3-10 سطح فازی برای متغیر خروجی WASC............. 55شکل 3-11 سطح فازی برای متغیر خروجی WADC............. 55شکل 3-12 سطح فازی برای متغیر خروجی WABC............. 56شکل 4-1 مانور تغییر مسیر دوگانه برای سیستم فرمان فعال59شکل 4-2 پاسخ نرخ چرخش برای سیستم فرمان فعال........ 60شکل 4-3 پاسخ دینامیک جانبی برای سیستم فرمان فعال... 61شکل 4-4 پاسخ دینامیک غلت برای سیستم فرمان فعال..... 62شکل 4-5 پاسخ دینامیک طولی برای سیستم فرمان فعال.... 63شکل 4-6 نمودار تلاش کنترلی برای سیستم فرمان فعال... 63شکل 4-7 مانور تغییر مسیر دوگانه برای سیستم دیفرانسیل فعال 64شکل 4-8 پاسخ نرخ چرخش برای سیستم دیفرانسیل فعال... 65شکل 4-9 پاسخ دینامیک جانبی برای سیستم دیفرانسیل فعال66شکل 4-10 پاسخ دینامیک غلت برای سیستم دیفرانسیل فعال67شکل 4-11 پاسخ دینامیک طولی برای سیستم دیفرانسیل فعال68شکل 4-12 نمودار تلاش کنترلی برای سیستم دیفرانسیل فعال69شکل 4-13 مانور تغییر مسیر دوگانه برای سیستم ترمز فعال69شکل 4-14 پاسخ نرخ چرخش برای سیستم ترمز فعال........ 70شکل 4-15 پاسخ دینامیک جانبی برای سیستم ترمز فعال... 71شکل 4-16 پاسخ دینامیک غلت برای سیستم ترمز فعال..... 72شکل 4-17 پاسخ دینامیک طولی برای سیستم ترمز فعال..... 73شکل 4-18 نمودار تلاش کنترلی برای سیستم ترمز فعال.... 74شکل 4-19 مانور تغییر مسیر دوگانه برای سیستم کنترل فعال غلت 75شکل 4-20 پاسخ نرخ چرخش برای سیستم کنترل فعال غلت... 76شکل 4-21 پاسخ دینامیک جانبی برای سیستم کنترل فعال غلت77شکل 4-22 پاسخ دینامیک غلت برای سیستم کنترل فعال غلت78شکل 4-23 پاسخ دینامیک طولی برای سیستم کنترل فعال غلت79شکل 4-24 نمودار تلاش کنترلی برای سیستم کنترل فعال غلت80شکل 4-25 مانور تغییر مسیر دوگانه برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح خشک.................................................... 81شکل 4-26 پاسخ دینامیک چرخش برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح خشک........................................................ 82شکل 4-27 پاسخ دینامیک جانبی برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح خشک........................................................ 83شکل 4-28 پاسخ دینامیک غلت برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح خشک........................................................ 84شکل 4-29 پاسخ دینامیک طولی برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح لغزنده........................................................ 85شکل 4-30 نمودار زاویه فرمان و گشتاور چرخها برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح خشک............................................ 86شکل 4-31 نمودار گشتاور فعال غلت برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح خشک..................................................... 87شکل 4-32 نمودار ضرایب وزنی سیستمها برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح خشک................................................ 87شکل 4-33 مانور تغییر مسیر دوگانه برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح لغزنده................................................. 88شکل 4-34 پاسخ دینامیک چرخش برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح لغزنده........................................................ 89شکل 4-35 پاسخ دینامیک جانبی برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح لغزنده................................................. 90شکل 4-36 پاسخ دینامیک غلت برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح لغزنده........................................................ 91شکل 4-37 پاسخ دینامیک طولی برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح لغزنده........................................................ 92شکل 4-38 نمودار زاویه فرمان و گشتاور چرخها برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح لغزنده......................................... 93شکل 4-39 نمودار گشتاور فعال غلت برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح لغزنده................................................. 94شکل 4-40 نمودار ضرایب وزنی سیستمها برای سیستم کنترل یکپارچه روی سطح لغزنده ............................................. 94شکل 4-41 مقایسه سیستمهای کنترلی در کاهش خطای نرخ چرخش 96شکل 4-42 مقایسه سیستمهای کنترلی در کاهش خطای شتاب جانبی 96شکل 4-43 مقایسه سیستمهای کنترلی در کاهش خطای لغزش جانبی 97شکل 4-44 مقایسه سیستمهای کنترلی در کاهش شاخص غلت ... 98شکل 4-45 مقایسه سیستمهای کنترلی در کاهش افت سرعت ... 98شکل 4-46 مقایسه سیستمهای کنترلی در کاهش انحراف از مسیر 99شکل 4-47 مانور تغییر مسیر دوگانه .................. 100شکل 4-48 پاسخ دینامیک جانبی ....................... 101شکل 4-49 پاسخ دینامیک جانبی (ادامه) ............... 102شکل 4-50 پاسخ دینامیک غلت ......................... 102شکل 4-51 پاسخ دینامیک غلت (ادامه) ................. 103شکل 4-52 زاویه فرمان .............................. 104شکل 4-53 گشتاور رانشی چرخها ....................... 104شکل 4-54 گشتاور ترمزی چرخها........................ 105شکل 4-55 پاسخ دینامیک طولی......................... 105شکل 4-56 نتیجه حل مسئله بهینهسازی با تابع هدف LLT .. 106شکل 4-57 مسیر خودرو در مانور بدترین حالت........... 107شکل 4-58 پاسخ دینامیک چرخش در مانور بدترین حالت.... 107شکل 4-59 پاسخ دینامیک جانبی در مانور بدترین حالت... 108شکل 4-60 پاسخ دینامیک غلت در مانور بدترین حالت..... 109شکل 4-61 پاسخ دینامیک طولی در مانور بدترین حالت.... 110شکل 4-62 زاویه فرمان در مانور بدترین حالت.......... 111شکل 4-63 گشتاور چرخها در مانور بدترین حالت......... 111شکل 4-64 گشتاور فعال غلت در مانور بدترین حالت...... 112شکل 4-65 وزن فعالیت زیرسیستمها در مانور بدترین حالت117شکل الف-1 استراتژی هماهنگی بدون دیفرانسیل فعال در حالت شتابگیری................................................... 119شکل الف-2 استراتژی هماهنگی بدون دیفرانسیل فعال در حالت حفظ سرعت....................................................... 119شکل الف-3 استراتژی هماهنگی بدون دیفرانسیل فعال در حالت ترمزگیری....................................................... 119شکل الف-4 پاسخ دینامیک چرخش برای سیستم کنترل یکپارچه بدون دیفرانسیل فعال..................................... 121شکل الف-5 پاسخ لغزش جانبی برای سیستم کنترل یکپارچه بدون دیفرانسیل فعال............................................... 121شکل الف-6 پاسخ دینامیک جانبی برای سیستم کنترل یکپارچه بدون دیفرانسیل فعال..................................... 122 فهرست نمادها αزاویه لغزش چرخhcgارتفاع مرکز جرم فنربندی شده از محورهای غلت و فرازβزاویه لغزش جانبی خودروβsusp,iضریب مستهلککننده تعلیقIPCلختی دورانی جرم فنربندی شده حول محور فرازδزاویه فرمان چرخIRCلختی دورانی جرم فنربندی شده حول محور غلتδsusp,iتغییر طولی استاتیکی فنر تعلیقIzلختی دورانی خودرو حول محور zθزاویه چرخشKiضریب فنر تعلیقλi, ηi, κi, εiضرایب کنترلرهای مود لغزشیKP,i, TI,iضرایب کنترلر PDμضریب اصطکاک چرخ با جادهLfفاصله مرکز جرم از جلوی خودروσxلغزش طولی چرخLrفاصله مرکز جرم از عقب خودروφزاویه غلت جرم فنربندی شدهmجرم خودروaxشتاب طولی خودروmsجرم فنربندی شدهax,desشتاب طولی مطلوب رانندهmuجرم فنربندی نشدهayشتاب جانبی خودروrنرخ چرخش خودروCdضریب مقاومت هواrdesنرخ چرخش مرجعCαسفتی جانبی تایرrtargetنرخ چرخش هدف (اشباع شده)Cσسفتی طولی تایرRwشعاع چرخfinstشاخص ناپایداری جانبیtfفاصله بین چرخهای راست و چپ جلوfrضریب مقاومت غلت تایرtrفاصله بین چرخهای راست و چپ عقبFx,iنیروی طولی تایرUiارتفاع پروفیل جادهFy,iنیروی جانبی تایرWABCوزن فعالیت سیستم ترمز فعالFz,iنیروی عمودی تایرWADCوزن فعالیت سیستم دیفرانسیل فعالgشتاب گرانش ثقلWASCوزن فعالیت سیستم فرمان فعالx, y, zمختصات مرکز جرم خودرو در دستگاه بدنهudسرعت طولی مطلوب خودرو فصل اول پیشگفتار 1-1 ضرورت تحقیقدر سالهای اخیر، موسسات دولتی و خصوصی، تحقیقات گستردهای را روی فناوریهای ایمنی فعال[1] خودرو انجام دادهاند. تخمین زده شده است که در کشورهای عضو اتحادیه اروپا، هزینههای مستقیم و غیرمستقیم ناشی از سوانح جادهای در سال 2009، 130 میلیارد یورو بوده است [1]. یکی از موثرترین راهکارهای کاهش این سوانح، استفاده از سیستمهای یکپارچه کنترل پایداری است [2]. موسسه NHTSA[2] آمریکا تخمین زده است که بهکارگیری سیستمهای الکترونیکی کنترل پایداری[3] (ESC)، رخداد سوانح برای یک خودروی سواری را تا 34% و همین سوانح را برای خودروهای شاسیبلند[4] (SUV) تا 59% کاهش داده است. میزان این کاهش، در سوانح منجر به واژگونی[5] بسیار بیشتر بوده است [2].در زمینه ایمنی خودرو، تلاشهای گستردهای صورت گرفته که در یک تقسیمبندی، آنها را به دو بخش غیرفعال[6] وفعال[7] تقسیم مینمایند. کلیه تمهیداتی که برای حفظ جان سرنشینان پس از وقوع تصادف به کار میروند، در زمره روشهای غیرفعال ایمنی خودرو هستند که از آن جمله میتوان کیسه هوا، کمربند ایمنی، محافظ سر و جاذب ضربه را نام برد (شکل 1-1). این روشها موضوع بحث این پایاننامه نیستند. در سوی دیگر، روشهای فعال قرار دارند که شامل سیستمهای اخطار خروج از خط، سیستم هشدار برخورد و کنترلرهایی هستند که به منظور حفظ پایداری خودرو و پیشگیری از وقوع سانحه به کار میروند (شکل 1-2). در سیستمهای فعالِ اشاره شده، دو مورد اول صرفاً سیستمهای هشداردهنده هستند، در حالی که سیستمهای کنترل پایداری، مستقیماً بر دینامیک خودرو اثر میگذارند. این روشها امروزه به طور گستردهای توسعه یافتهاند و مهمترین آنها سیستمهای ترمز ضدقفل، تنظیمکننده لغزش چرخها، فرمان فعال، ترمز فعال، دیفرانسیل فعال و تعلیق نیمهفعال و فعال هستند. این سیستمها عملاً با هدف تنظیم رفتار مجموعهای از متغیرهای دینامیکی خودرو مانند نرخ چرخش، لغزش جانبی، لغزش طولی و متغیرهای غلت طراحی میگردند. در بخشهای بعدی، شرح مختصری از روشهای مذکور میآید.شکل 1-1 سیستمهای ایمنی غیرفعال [3] شکل 1-2 سیستمهای ایمنی فعال[3]یکی از معیارهای مهم پایداری جانبی و چرخشی خودرو، نرخ چرخش[8] آن میباشد. در مانورهای سریع و ناگهانی، ممکن است برای خودرو یکی از دو وضعیت کمفرمانی[9] یا بیشفرمانی[10] حاد پیش آید که در آنها به ترتیب، نرخ چرخش خودرو بسیار کمتر و بیشتر از مقدار مطلوب (که وابسته به سرعت و زاویه فرمان راننده است) میباشد. بنابراین، این معیار یکی از مسائل مورد توجه در رفتار خودرو است.