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Defesa_28nov2008
- 1. © 2008 Cláudio Crivellaro
Controle Robusto de Suspensão
Semi-ativa para Caminhonetes
Utilizando Amortecedores
Magneto-reológicos
28 de novembro de 2008
Orientador: Dr. Décio Crisol Donha
Co-orientador: Dr. Edilson Tamai
- 2. 2© 2008 Cláudio Crivellaro
Motivação
Primeiro contato com o MagneRide® da Delphi em 1999.
Meus primeiros estudos de dinâmica veicular em 2000.
Trabalho apresentado no SAE sobre fluido MR em 2001.
Primeiros contatos com trabalhos publicados pela Lord
sobre controle de vibração de prédios em terremotos
(2002).
Participação no comitê de dinâmica veicular da Dana em
2003.
- 3. 3© 2008 Cláudio Crivellaro
Justificativa
Sistemas passivos para atenuação de vibrações têm uma
ação limitada quando o espectro de excitação é muito
amplo e a interferência de fatores externos é muito
variada.
Em muitas aplicações a utilização de absorvedores é
limitada pela falta de espaço físico eu pela necessidade
de se restringir a massa total do sistema.
Os controladores ativos podem não ser viáveis quando
não há energia suficiente disponível para alimentar os
atuadores, e/ou o custo desta energia custo é muito
elevado.
Os sistemas de suspensão veicular se encaixam nas três
situações acima.
- 4. 4© 2008 Cláudio Crivellaro
Justificativa
Os sistemas semi-ativos podem ser um boa opção
nestes casos.
Destacam-se os atuadores semi-ativos baseados em
fluido Magneto-reológicos pelos sua robustez,
confiabilidade, estabilidade e baixa tensão elétrica de
operação.
Os sistemas semi-ativos já estão presentes em muitas
áreas e aplicações:
- 5. 5© 2008 Cláudio Crivellaro
Sistemas semi-ativos (aplicações)
Eletrodomésticos (lar)
Próteses e equipamentos de
fisioterapia (medicina e saúde)
Controle de vibrações em prédios
e pontes (construção civil)
Amortecedores e
embreagens
(automobilístico)
- 6. 6© 2008 Cláudio Crivellaro
Veículos com suspensão SA
Corvette Cadillac STS
Audi TT
Ferrari 599 GTB Fiorano
- 7. 7© 2008 Cláudio Crivellaro
Caminhonetes: novo nicho
Nível de preço capaz de absorver os custos de um
sistema semi-ativo.
Transita por uma grande variedade de vias e diferentes
níveis de carregamento.
Necessitam atuadores mais robustos, com maior
capacidade de força e maior curso de trabalho.
- 8. 8© 2008 Cláudio Crivellaro
Objetivo
Desenvolvimento de um sistema de
suspensão semi-ativo para caminhonetes
visando melhorar do conforto e mitigar
outros comportamentos dinâmicos
indesejáveis que são inerentes a esta
classe de veículos, propondo soluções de
custo compatível com o valor comercial do
veículo e capaz de gerar benefícios que
influenciem na decisão de compra do
consumidor.
- 9. 9© 2008 Cláudio Crivellaro
Questões
Como projetar um atuador semi-ativo?
Que características de um fluido MR são importantes
para o desenvolvimento de atuadores eficientes?
Como criar um modelo do atuador MR?
Como identificar os parâmetros do modelo do atuador a
partir de dados experimentais?
Como modelar o veículo? Que modelo é mais adequado
ao projeto de controladores multivariáveis?
Que sinais medir para realizar o controle?
Qual técnica de controle utilizar?
Como identificar o modelo do veículo?
Como conviver com os ruídos e “drift” dos sensores?
Como avaliar os resultados?
Que testes experimentais são mais adequados?
- 10. 10© 2008 Cláudio Crivellaro
Escopo do trabalho
Amortecedor magneto-reológico Sistema de suspensão semi-ativo
X
- 11. © 2008 Cláudio Crivellaro
PARTE 1
Projeto do amortecedor magneto-reológico
- 12. 12© 2008 Cláudio Crivellaro
Estudar a teoria que está por trás dos fenômenos físicos responsáveis pelo
funcionamento dos atuadores MR com a finalidade de se definir uma metodologia prática
de projeto destes dispositivos, com pleno conhecimento das simplificações e
aproximações adotadas.
Obter um modelo matemático do atuador, capaz de representar o dispositivo real de
forma eficiente, precisa e numericamente robusta. Este modelo pode ser utilizado em
simulações e como referência em algoritmos de controle
Desenvolver um procedimento para estimação dos parâmetros do modelo proposto, a
partir de dados experimentais.
Método de projeto
Objetivos
(Parte 1)
Modelagem do atuador
Identificação do modelo
- 13. 13© 2008 Cláudio Crivellaro
Revisão da literatura
(Fluidos magneto-reológicos)
y
y
,
,)(
G
Hy
• tensão de escoamento;
• viscosidade aparente;
• estabilidade e
• durabilidade
Características fundamentais:
- 14. 14© 2008 Cláudio Crivellaro
Revisão da literatura
(Fórmulas práticas e exemplos)
- 15. 15© 2008 Cláudio Crivellaro
Revisão da literatura
(Modelos dinâmicos)
Stanway, et al. 1985, 1987
Gamota e Filisko (1991).
Bouc-Wen
Spencer et al. (1996).
- 16. 16© 2008 Cláudio Crivellaro
Mais questões!
De onde vêm as fórmulas práticas e quais as
considerações e simplificações foram feitas para chegar
a este nível de simplicidade?
Quais são os requisitos básicos de projeto para um
atuador MR?
Como se especifica um fluido MR para um atuador MR?
Como obter um modelo discreto de um atuador MR a
partir dos modelo em tempo contínuo? Como tratar as
não linearidades?
- 17. 17© 2008 Cláudio Crivellaro
Base teórica
(projeto de atuadores magneto-reológico)
2
K
Dt
D
cp
t
A
JA
B
w
r
)(
11
0
dt
iLd
iR
dt
d
N
SJ
Rv w
gVp
Dt
VD
pp
2
D
Simplificações
Volume ativo
mínimo
Acoplamento de campos
2
0
1 F
2
0
2F
HB
F
0
3
Fatores de mérito
Q
c
wg
0
2 12
vg
0
- 19. 19© 2008 Cláudio Crivellaro
Método de projeto
(1ª contribuição)
Como especificar os requisitos;
Como especificar o fluido;
Qual a seqüência de passos a
seguir;
Qual a hierarquia dos ciclos de
realimentação no processo de
projeto.
- 21. 21© 2008 Cláudio Crivellaro
Modelo do atuador
(2ª contribuição – Bouc-Wen em tempo discreto)
- 22. 22© 2008 Cláudio Crivellaro
2º Protótipo – construção e testes
0 1 2 3 4 5 6 7
-20
0
20
Displacement
x(mm)
0 1 2 3 4 5 6 7
0
5
10
Control signal
v(volts)
0 1 2 3 4 5 6 7
-2000
0
2000
Damper force
F(N)
Time (s)
0 1 2 3 4 5 6 7
-20
0
20
Displacement
x(mm)
0 1 2 3 4 5 6 7
0
5
10
Control signal
v(volts)
0 1 2 3 4 5 6 7
-2000
0
2000
Damper force
F(N)
Time (s)
- 23. 23© 2008 Cláudio Crivellaro
Identificação do modelo
(3º contribuição – método para ajuste do modelo)
- 24. 24© 2008 Cláudio Crivellaro
Conclusões – Parte 1
Todos os objetivos foram alcançados:
Este trabalho pode ser uma excelente referência para o projeto
atuadores baseados em fluido MR.
O modelo em tempo discreto de um amortecedor MR também traz
uma contribuição importante para a simulação, análise de
desempenho destes atuadores, bem como o seu uso em
algoritmos de controle, que foi explorado na parte 2 deste
trabalho.
O processo de identificação do modelo proposto mostrou-se
bastante eficiente e robusto para a aplicação, além de ser uma
técnica que pode ser aplicada em outros processos de
identificação, o que também foi explorado na parte 2.
- 25. 25© 2008 Cláudio Crivellaro
Trabalho futuros – Parte 1
Desenvolvimento de novos conceitos de válvulas MR,
com novas geometrias e materiais magnéticos;
Desenvolvimento de um processo (“software”) de síntese
da válvula MR através de otimização topológica
considerando o acoplamento dos campos de velocidade
do fluido e magnético;
Criar alternativas para redução da histerese do atuador;
Estudar outras aplicações para o modelo Bouc-Wen em
tempo discreto que foi proposto neste trabalho.
- 26. © 2008 Cláudio Crivellaro
PARTE 2
Projeto do sistema de suspensão semi-ativo
- 27. 27© 2008 Cláudio Crivellaro
Obter um modelo matemático do atuador, capaz de representar o dispositivo real de forma eficiente, e
ser adequado ao projeto de controle multivariável robusto.
Adequação do projeto LQG/LTR às necessidades e contingências de um sistema semi-
ativo.
Modelagem do veículo
Objetivos
(Parte 2)
LQG/LTR adequado à sistemas semi-ativos
Tese de que há uma forma do procedimento LTR para sistemas não-estritamente próprios
LTR para sistemas não estritamente próprios
Adequação da síntese de controle LQG/LTR às necessidades e contingências de um
sistema semi-ativo de suspensão.
LQG/LTR adequado à sistemas semi-ativos
• Desconforto gerados pela ação dos atuadores semi-ativo;
• Excitação do modo torcional de vibração do chassi;
• Oscilações do eixo traseiro da caminhonete, mesmo com a limitação da banda de
resposta em freqüência do atuador.
Redução dos comportamentos dinâmicos indesejáveis
- 28. 28© 2008 Cláudio Crivellaro
A suspensão exerce funções conflitantes
Filtragem (menor rigidez)
Controle de atitude do corpo do veículo (maior rigidez)
Atitude da roda em relação ao solo e ao corpo suspenso (?)
Revisão da literatura
(Sistemas de suspensão veicular)
- 29. 29© 2008 Cláudio Crivellaro
Revisão da literatura
(Sistemas de controle da suspensão)
Ativo
X
Semi-ativo
- 30. 30© 2008 Cláudio Crivellaro
Revisão da literatura
(Considerações práticas)
Excitações exógenas Medidas de conforto “Jerk”
Análise em 1 DOF - SkyHook
- 31. 31© 2008 Cláudio Crivellaro
Revisão da literatura
(Considerações práticas)
Flexibilidade do chassi
Localização
dos sensores
Tipos de sensores
Atrito intrínseco ao
sistema de suspensão “Side thrust”
- 32. 32© 2008 Cláudio Crivellaro
Resultado da pesquisa
O projeto de um controle semi-ativo de suspensão
veicular deve transpor muitas barreiras técnicas:
O “jerk” gerado pelo próprio comportamento semi-ativo, e pelas
características do atuador;
A flexibilidade do chassi de uma caminhonete;
O atrito excessivo nos elementos da suspensão;
Como mitigar o efeito “side thrust” com um atuador de banda
limitada;
Limitar o escopo no desenvolvimento de um sistema SA
completo, propondo soluções para cada barreira técnica,
contudo sem ter a ambição de buscar a melhor solução,
e ciente das limitações intrínsecas a esta aplicação.
- 33. 33© 2008 Cláudio Crivellaro
Desenvolvimento teórico
(4ª contribuição – modelo do veículo)
• Veículo completo
• Entradas de velocidade
• Controle através de
forças aplicadas entre
roda e carroceria
• Barra estabilizadora
• Eixo rígido na traseira
• Ação coordenada dos
atuadores sobre os
movimentos de corpo
rígido da carroceria.
- 34. 34© 2008 Cláudio Crivellaro
Desenvolvimento teórico
(Proposição 1 – Solução RLQ “cheap control”)
Dado um sistema de equações diferenciadas ordinárias, numa representação em
espaço de estados, com vetor de estados x(t) e saída y(t), tal que:
e que u(t)=-Gx(t), onde G é a matriz que minimiza o índice de desempenho
Considerando-se que (matriz identidade) e definindo-se que é
chamada condição de “cheap control” quando
Nesta condição afirma-se que
BuAxx
DuCxy
dtRuuQyyJ TT
IQ ,IR
0
CDK T
c
- 35. 35© 2008 Cláudio Crivellaro
Desenvolvimento teórico
(5ª contribuição – Proposição 2 - LTR)
oii
i
KAsICsW
e
sHsGsW
1
)(
)(
)()(
)()()(
W(i)(s) tende a W(ii)(s) a medida que 0
oKAsICDBAsICsH 1110
)()()(
(A,B) é controlável;
(A,C) é observável;
G(s) é quadrada;
Os zeros de transmissão de G(s) se localizam
no semi-plano esquerdo (SPE) aberto;
A matriz de D é não nula e ortogonal.
Condições:
- 36. 36© 2008 Cláudio Crivellaro
Desenvolvimento teórico
(Proposição 3 – Generalização)
Caso a matriz D não seja ortogonal, porém tenha posto completo, pode-se adotar a
seguinte normalização:
De forma que a matriz de normalização Su deverá fazer parte da função de
transferência do compensador:
Afirma-se que nesta situação vale a igualdade
)(lim)(lim
0
1
0
sHSsH un
ocnoocncn KKDKCKKBAsIKsH 1
)()(
un
un
T
u
SDD
SBB
DDS
2/1
)(
- 37. 37© 2008 Cláudio Crivellaro
Desenvolvimento teórico
(Técnica LQG/LTR adaptada ao controle SA)
- 38. 38© 2008 Cláudio Crivellaro
Desenvolvimento experimental
(Hardware de aquisição de dados e controle)
Placa do Kit
eZdsp F2812 e
seus conectores
(Spectrum Digital)
Diagrama dos recursos e IO
do DSP TMS320F2812
- 40. 40© 2008 Cláudio Crivellaro
Desenvolvimento experimental
(6ª contribuição – experimento de baixo custo)
- 41. 41© 2008 Cláudio Crivellaro
Desenvolvimento experimental
(7ª contribuição – Processo de identificação do modelo)
- 42. 42© 2008 Cláudio Crivellaro
Desenvolvimento experimental
(Atuadores – Projeto, construção, testes e instalação)
- 43. 43© 2008 Cláudio Crivellaro
Desenvolvimento experimental
(Projeto do controlador robusto semi-ativo)
10
-1
10
0
10
1
10
2
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
Freqüência(Hz)
Variaçãoemrelaçãoaosistemapassivo(%)
Deformações dos pneus - Comparação de três versões da matriz L
SBTTL 1o1p
1
ppp2
TT
p CCCL
1
ppp3
TT
p CNCCNL
- 44. 44© 2008 Cláudio Crivellaro
Desenvolvimento experimental
(8ª contribuição – Inovações para ganho de desempenho)
0se0
0se
12
12
iik
iikik
iSA
zu
zuu
f
0se0
0se
iSAik
iSAikik
iSA
fu
fuu
f
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
-10
-5
0
5
10
Tensão de entrada: normal(vermelho) e gerada pelo compensador (azul)
Tensãoelétrica(V)
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
-1
-0.5
0
0.5
1
Velocidade do pistão do atuador
Velocidade(m/s)
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
-1000
-500
0
500
1000
Resposta do atuador: normal (magenta) e compensada (preto)
Força(N)
Tempo (s)
Redução do tempo de resposta do atuador SANova proposta para o grampeador
- 46. 46© 2008 Cláudio Crivellaro
Desenvolvimento experimental
(Experimento final)
- 47. 47© 2008 Cláudio Crivellaro
Conclusões – Parte 2
A partir da revisão da literatura, verificou-se uma série de barreiras
técnicas e limitações para o sucesso de um sistema de suspensão
semi-ativa em caminhonetes.
Assim, o escopo do trabalho ficou restrito a aplicação de um
controlador robusto, sem a ambição de que seja a melhor situação
de controle, porém que propusesse soluções para transpor as
principais barreiras técnicas.
Através dos resultados das simulações e dos experimentos foi
verificado resultados positivos com relação à redução da torção no
chassi, do jerk e do efeito side thrust.
As duas proposições teóricas: o modelo com 7 DOF e o
procedimento LTR para sistemas não estritamente próprios foram
validados na prática.
- 48. 48© 2008 Cláudio Crivellaro
Trabalho futuros – Parte 2
Estudar a utilização do controle semi-ativo em sistemas
de suspensão hidro-pneumáticos;
Estudar o desempenho do sistema proposto em relação
a variação da carga da caminhonete;
Aumentar os graus de liberdade do modelo. Considerar o
“yaw”, e modelos mais sofisticado para os pneus, e o
efeito do torque do motor no “side thrust”;
Controle de atitude “understeer” ou “oversteer” a partir
das forças geradas pelos atuadores semi-ativos;
Incorporação de sensores de velocidade nos atuadores;
Estudar a síntese Hinf para sistema lineares com
dependência paramétrica (LPV) com o objetivo de
considerar a característica semi-ativa do atuador
(Poussot-Vassal et al. – 2006).