Sinteza i usporedna analiza sustava regulacije vertikalne dinamike vozila uz primjenu aktivnog i poluaktivnog ovjesa

master's thesis

• Title (english): Design and comparative analysis of vertical vehicle dynamics control systems based on active and semi-active suspension
• Author: Ivan Cvok
• Mentor: Joško Deur (mentor)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Mechanical Engineering and Naval Architecture; Zagreb
• Defense date and country: 2018-07-12, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: TECHNICAL SCIENCES; Mechanical Engineering

Abstract

Aktivni i poluaktivni ovjesi mehatronički su sustavi koji omogućavaju regulaciju vertikalne dinamike vozila čime se postiže bolja udobnost vožnje uz zadržavanje dobrih voznih karakteristika vozila. Pritom se dodatno poboljšanje kvalitete regulacije može postići korištenjem unaprijedne informacije o profilu podloge. Prednosti aktivnih i poluaktivnih ovjesa poznate su nekoliko desetljeća te su kroz veliki broj znanstvenih radova predstavljene razne strategije upravljanja vertikalnom dinamikom. Jedan od najčešće korištenih pristupa sinteze nadređene strategije upravljanja vertikalnom dinamikom je linearno kvadratično (LQ) optimalno upravljanje. U ovom je radu predstavljena sinteza LQ regulatora za slučaj aktivnog i poluaktivnog ovjesa s i bez unaprijednog regulacijskog djelovanja zasnovanog na unaprijednom poznavanju profila podloge (ukupno četiri tipa ovjesa). Sinteza sustava regulacije provedena je na četvrtinskom modelu vozila s jednim stupnjem slobode gibanja koji uključuje dinamiku samo ovješene mase i na modelu s dva stupnja slobode gibanja koji uključuje i dinamiku neovješene mase. Provedena je usporedna analiza kvalitete regulacije navedena četiri tipa mehatroničkih ovjesa i pasivnog ovjesa četvrtinskog modela vozila putem prikaza međuovisnosti suprostavljenih kriterija udobnosti vožnje, upravljivosti vozilom i ograničenog hoda ovjesa s obzirom na stohastičku pobudu podloge. Na temelju prve usporedne analize broj postavki regulatora ovjesa je reduciran i fokusiran na značajne postavke te je provedena daljnja usporedna analiza koja je proširena na analizu u frekvencijskoj domeni (amplitudno-frekvencijske karakteristike) i vremenskoj domeni (simulacijski odzivi s determinističkom podlogom). Na kraju rada prikazana je implementacija sustava regulacije ovjesom, zasnovanog na četvrtinskom modelu vozila, na puni model vozila u CarSim-u te je provedena usporedna analiza kvalitete regulacije u vremenskoj domeni za tri testne procedure koje pobuđuju tri glavna gibanja ovješene mase: vertikalno gibanje, poniranje i valjanje. Rezultati usporednih analiza pokazali su da aktivni ovjes s unaprijednim djelovanjem daje najveća poboljšanja performansi po svim kriterijima i da je jeftiniji poluaktivni ovjes s unaprijednim djelovanjem vrlo blizu po performansama, a u nekim slučajevima i bolji od aktivnog ovjesa bez unaprijednog djelovanja. Također, rezultati pokazuju da je moguće postići značajna poboljšanja performansi cijelog vozila primjenom relativno jednostavnog sustava regulacije.

Abstract (english)

Active and semi-active suspensions are mechatronic devices used within vertical vehicle dynamics control systems for improving ride comfort while maintaining good handling performance. Additional ride comfort and vehicle handling improvements can be obtained by using the advance knowledge of upcoming road disturbance i.e. road profile preview. The potential benefits of using active and semi-active suspensions are well known, as there have been strong research activities in the area over the last several decades resulting in various vertical dynamics control strategies. One of the most popular approaches to active suspension control is the Linear Quadratic (LQ) optimal control/regulation. This Thesis presents the design of the LQ regulator (LQR) for active and semi-active suspension control system with and without road profile preview control (in total four suspension types). LQR design is based on Quarter-car model with one degree of freedom which includes sprung mass dynamics, as well as on quarter-car model with two degrees of freedom which additionally includes unsprung mass dynamics. The trade-off between conflicting criteria of ride comfort, vehicle handling and suspension stroke constraint of the four suspension types and the passive suspension is first analyzed by comparing the standard deviations of related state variables with the assumption of stochastic road input. Based on the insights of first comparative analysis, the number of designs is reduced and further analyses are carried out in the frequency domain (frequency responses) and the time domain (simulation with deterministic road input). Active and semi-active control systems, based on the quarter-car model, are then implemented on nonlinear, full-car model in CarSim. Comparative performance analysis is again carried out in the time domain using three ride comfort test procedures which excite sprung mass heave, pitch and roll motion. The results of all analyses point out that active suspension control with road preview offers highest performance improvement (in terms of all criteria) and that the performance of semi-active suspension control with road preview is similar, and in some cases better, than the performance of active suspension control system without road preview. The results also show that significant performance improvement can be obtained for the full car model by applying relatively simple decoupled suspension control system.

• Keywords: optimalno upravljanje; LQR; aktivni ovjes; poluaktivni ovjes; unaprijedno poznavanje profila ceste; četvrtinski model vozila; više-kriterijsko optimiranje
• Keywords (english): optimal control; LQR; active suspension; semi-active suspension; road preview control; quarter-car model; multi-objective optimization
• Language: croatian
• URN:NBN: urn:nbn:hr:235:416096
• Study programme: Title: Mechanical Engineering; Study programme type: university; Study level: graduate; Academic / professional title: magistar/magistra inženjer/inženjerka strojarstva (magistar/magistra inženjer/inženjerka strojarstva)
• Type of resource: Text
• File origin: Born digital
• Access conditions: Open access
• Created on: 2019-05-22 22:34:18