Narciso Ruiz Méndez1, Manuel Benjamín Ortíz Moctezuma2
Resumen—En este artículo se presenta el desarrollo sobre la puesta en marcha de un módulo de la suspensión activa del cuarto de vehículo así como también el diseño de una interfaz de usuario basada en Labview para llevar a cabo su correcto control, el propósito de la puesta en marcha es obtener una estructura totalmente de arquitectura abierta con la facilidad de modificar e implementar diferentes estrategias de control con el fin de generar investigaciones sobre el mejoramiento del desempeño de la suspensión activa del cuarto de vehículo.
Palabras clave—Suspensión activa, Labview, cuarto del vehículo. Introducción
La tecnología en los automóviles ha venido evolucionando a pasos agigantados desde su invención, esto ha sido posible gracias al avance en diferentes áreas como lo son la electrónica y el control, hoy en día es posible aplicar algoritmos de control que hubieran sido imposibles de aplicar hace 20 años debido a las limitaciones
computacionales. Este artículo se enfoca al desarrollo de una interfaz para controlar el desempeño de una suspensión activa del cuarto de vehículo, la interfaz debe cumplir con dos principales características, una es que debe de ser totalmente de arquitectura abierta y la otra es que debe de ser fácil de modificar sus algoritmos de control, esto con el fin de realizar investigación en el área de control aplicado a la suspensión activa.
La suspensión activa del cuarto del vehículo es una suspensión (enfocándose solo a un neumático del vehículo) que cuenta con actuadores encargados de generar fuerzas opuestas a las generadas por un camino agrietado, este sistema tiene como tarea controlar el desempeño de 3 parámetros, los cuales son: confort, viaje de la suspensión y estabilidad del vehículo; el confort va asociado con las aceleraciones que sufre el vehículo, al reducir las
aceleraciones se aumenta el confort, el viaje de la suspensión va asociado con el desplazamiento vertical del neumático, el cual se debe de tener en cuenta para evitar un choque entre el cuerpo del vehículo y el neumático, por último, la estabilidad del vehículo va asociado con las fuerzas de contacto del neumático sobre el camino en el que se conduce.
La investigación sobre la aplicación de diferentes sistemas de control para el mejoramiento del desempeño de la suspensión ha sido muy extensa y con diferentes enfoques, Chuanyin , et al. (2012) y Mujde y Nurkan (2012) desarrollaron y propusieron diferentes controladores difusos para el modelo del vehículo completo, en donde Mujde y Nurkan enfocaron la investigación a un autobús completo el cual utilizaba actuadores neumáticos, Salem y Ayman (2009) desarrollaron un algoritmo difuso y lo aplicaron al modelo del cuarto del vehículo con la finalidad de
disminuir las aceleraciones de la masa del cuerpo del vehículo producidas por un camino agrietado, algunos investigadores que dieron un enfoque diferente a la problemática de la suspensión activa fueron Hongyi Li et al. (2012), ellos propusieron un controlador H∞ para el sistema de la suspensión activa, con la diferencia de que tomaron en cuenta el retardo y las fallas que un actuador pudiera tener.
Aunque la mejor opción de control para la suspensión activa sean técnicas de control no lineal hay investigadores que han desarrollado controladores lineales con los cuales han obtenido muy buenos resultados como es el caso de Jafar et al. (2011), ellos propusieron y desarrollaron un control PI para el cuarto de vehículo, el cual modificaba sus ganancias mediante un algoritmo PSO (Particle Swarm Optimization).
El control difuso ha sido la herramienta principal en el diseño de controladores de la suspensión activa debido a que es un control que puede trabajar bajo condiciones en donde existan algunas incertidumbres, es cierto que tienen un buen rendimiento los controladores difusos con este tipo de sistemas, pero estudios demuestran que, si se realiza un hibrido entre el control difuso y alguna otra técnica de control como redes neuronales, algoritmos genéticos, PID, el control difuso aumenta su desempeño Jeen Lin et al. (2011), R. K. Pekgökgöz et al. (2010), Yuksel Hacioglu et al. (2013).
Otra técnica de control hibrida utilizada para mejorar el rendimiento de la suspensión activa basada en lógica difusa es el control difuso basado por modos deslizantes la cual usaron M. Kondalu et al.(2012) Shiuh-Jer Huang et
1 Narciso Ruiz Méndez es Estudiante de la Maestría en Ingeniería en la Universidad Politécnica de Victoria, Tamaulipas. [email protected]
2 El Dr. Manuel Benjamín Ortiz Moctezuma es Investigador Profesor de la Universidad Politécnica de Victoria, Tamaulipas
al. (2003), También han surgido técnicas de controladores híbridos los cuales no se basan en control difuso, un ejemplo de estos es el control propuesto por los investigadores Yahay et al. (2004) en el control que ellos propusieron, utilizaron un control PI basado en un esquema de modos deslizantes.
La puesta en marcha de la suspensión activa se dividió en dos tareas principales, una es la puesta en marcha de la suspensión y la otra la puesta en marcha de la etapa de simulación de los contornos del camino la cual se le llamo etapa generadora de perturbaciones, el control se desarrolló mediante la plataforma grafica Labview.
Labview es un software de programación visual en el cual se implementan diagramas de bloques para el desarrollo de los programas, a pesar de ser un lenguaje de programación de muy alto nivel Labview tiene como principal objetivo el procesar la información en tiempo real, si unimos su característica para procesar información en un tiempo razonable y su facilidad de programación nos da como resultado un software idóneo para la
experimentación e investigación de sistemas de control.
Generalidades
El sistema de suspensión activa con el que se está trabajando es un modelo del cuarto de vehículo, el modelo cuenta con dos actuadores (motores de cc.), el actuador de la suspensión activa y el actuador encargado de simular un camino rugoso, en la figura 1 se muestra el módulo de la suspensión con el cual se trabaja, este módulo también cuenta con 3 encoder de cuadratura y un acelerómetro, los encoder se encargan de leer las posiciones de la
suspensión para así poder controlar el viaje de la suspensión y las fuerzas de contacto sobre el camino, con el acelerómetro se hace la lectura de las aceleraciones de la masa que simula el cuerpo del vehículo y así poderlas disminuir para aumentando el confort, entre el platillo que representa el camino y el centro del neumatico se encuentran unos resortes, los cuales representan la duresa de los neumaticos y entre el platillo azul y el rojo se encuentran otros resortes, los cuales nos representan los amortiguadores normales de un vehículo.
Figura 1. Modulo del cuarto de vehículo. Circuitos de potencia
Para los circuitos de la etapa de potencia se construyeron dos puentes H, uno para el motor encargado de simular el camino por donde viaja el vehículo y otro para el motor encargado de suprimir estas vibraciones, para los puentes H que se desarrollaron se utilizaron transistores MOSFET, el diagrama se muestra en la figura 2. Para seleccionar los componentes de la etapa de potencia se realizó un modelo del motor de la etapa que genera las vibraciones, se escogió este motor para modelar porque es el que demanda más corriente debido a que tiene el peso de la suspensión sobre él.
Figura 2. Puente H etapa generadora de perturbaciones.
La figura 3 muestra el diagrama de un motor de CC Con iman permanente, las ecuaciones de movimiento se muestran en (3) y (4).
Figura 3. Diagrama de motor de CC. En donde:
𝑅𝑎 : Resistencia de armadura [Ohm].
𝑖𝑎: Corriente de armadura [A].
𝐿𝑎: Inductancia de armadura [H].
𝑒𝑎: Tensión aplicada a la armadura [V].
𝑒𝑏: Fuerza contra electromotriz [V].
𝐽: Momento de inercia de masa del rotor [kg-m2].
𝑏: Coeficiente de fricción viscosa [N-s/m]. 𝜃: Desplazamiento angular [rad].
𝑇: Par desarrollado por el motor [N-m].
Para una corriente de campo constante y para un flujo constante tenemos que:
𝑇 = 𝐾𝑚𝑖𝑎 (1)
𝑒𝑏= 𝐾𝑏 𝑑𝜃
𝑑𝑡 (2)
Donde:
𝐾𝑚: Constante par motriz [N-m/A].
𝐾𝑏: Constante de fuerza contra electromotriz [V-s/rad].
𝑒𝑎= 𝑅𝑎𝑖𝑎+ 𝐿𝑎 𝑑𝑖𝑎 𝑑𝑡 + 𝐾𝑏 𝑑𝜃 𝑑𝑡 (3) 𝐾𝑚𝑖𝑎= 𝐽 𝑑2𝜃 𝑑𝑡 + 𝑏 𝑑𝜃 𝑑𝑡 (4)
El modelo del motor representado en variables de estado queda de la siguiente manera.
𝑥̇ = 𝐴𝑥 + 𝐵𝑥 (5)
𝑦̇ = 𝐶𝑥 (6)
Tomando como variables de estado, 𝑥1= 𝜃,𝑥2= 𝜃̇, 𝑥2= 𝑖𝑎 𝑠us matrices son:
𝐴 = [ 0 1 0 0 −𝑏 𝐽 𝐾𝑚 𝐽 0 −𝐾𝑏 𝐿𝑎 − 𝑅𝑎 𝐿𝑎 ] (7) 𝐵 = [ 0 0 1 𝐿𝑎 ] (8) 𝐶 = [1 1 1] (9) Los valores utilizados para la simulación se muestran en la tabla1.
Parámetro Valor Parámetro Valor
𝑹𝒂 1.45 Ω 𝑲𝒎 0.0918 Nm/A
𝒃 0.0353077 Nm 𝑱 0.00004236924 Kgm2
𝑳𝒂 10.8 mH 𝒃 0.0353 Nm
𝑲𝒃 0.0917 V(rad/seg)
Tabla 1. Valores para el modelado del motor. Implementación en Labview Adquisición de datos
La lectura de los sensores se está llevando a cabo mediante la tarjeta de adquisición de datos DAQ USB 6351, una vez que el DAQ recopila la información esta es mandada a nuestra aplicación de Labview, programa encargado de procesar las señales mediante el algoritmo de control desarrollado, una vez procesadas las señales la informacion se devuelve al DAQ siendo este el que genera nuestra señal de control, en el presente caso se trara de una señal de PWM. La tarjeta DAQ cuenta con 4 contadores, 3 están siendo ocupados para la lectura de los encoders los cuales nos señalan la posición de los platos y el contador restante se está utilizando para generar la señal PWM que controla el actuador de la suspensión activa, para la señal de control de la etapa generadora de perturbaciones se está utilizando un PWM de una salida analógica del DAQ, la lectura del acelerómetro se hace mediante una entrada analógica, para cambiar el sentido de giro de los motores se utilizaron dos salidas digitales.
Interfaz gráfica
La interfaz gráfica en Labview tiene la característica de fácil edición de las estrategias de control que se desean aplicar, así como también el código en Labview queda listo para agregar nuevas estrategias de control, en la figura 4 se muestra el panel de control versión alfa.
Figura 4. Panel de control versión alfa.
El panel de control para la etapa generadora de perturbaciones muestra gráficamente la posición actual del motor así como también la posición deseada, en esta etapa también se busca que sea posible cambiar con facilidad las estrategias de control a aplicar.
Resultados Resultados actuales
Hasta ahora se tiene las interfaces graficas en Labview y se está trabajando en el control tanto de la etapa generadora de perturbaciones como en la etapa supresora, es decir la suspensión activa. Al realizar algunas simulaciones con un controlador PI se han observado algunos comportamientos no lineales generados por el peso que tiene que mover el motor así como también por las fricciones de los platillos de la suspensión, en la figura 5 se muestran un seguimiento de una trayectoria senoidal, las irregularidades que se observan en el seguimiento son
provocadas por las no linealidades del sistema, como nota hay que mencionar que la amplitud en la gráfica se refiera al desplazamiento angular del motor.
Figura 5. Seguimiento de una trayectoria senoidal.
Para resolver las problemáticas de las no linealidades en el sistema se diseñó un controlador difuso y los resultados obtenidos para el seguimiento de algunas trayectorias se muestra en las figura 6-9, las reglas del
controlador se muestran en la tabla 2, en donde se tomó el error (e) y el cambio de error (ce) como las entradas del controlador, los valores lingüísticos que corresponden para el error y el cambio de error son: NMG es Negativo Muy Grande, NG es Negativo Grande, NP es Negativo Pequeño, Z es Cero, PP es Positivo Pequeño, PG es Positivo Grande, PMG es Positivo Muy Grande, los valores lingüísticas para la salida u del controlador son: NF es Negativo Fuerte, NS es Negativo Suave, Z es Cero, PS es Positivo Suave, PF es Positivo Fuerte, la forma de las funciones de membresía utilizada fueron triangulares, la base de reglas que se utilizo fue de tipo Mandani, la lógica de la interpretación de las reglas es la siguiente,
R1: IF error(e)=NMG AND cambio de error (ce)=NMG THEN Salida (u)=NF; R2: IF error(e)=NMG AND cambio de error (ce)=NG THEN Salida (u)=NF;
Figura 6. Trayectoria Cuadrada a 0.3Hz Figura 7. Trayectoria Cuadrada a 1Hz
e\ce NMG NG NP Z PP PG PMG NMG NF NF NF NF NS NS Z NG NF NF NF NS Z Z Z NP NS NF NS NS Z Z NS Z NS NS Z Z Z PS PS PP PS Z Z PS PS PF PS PG Z Z Z PS PF PF PF PMG Z PS PS PF PF PF PF
Tabla 2. Reglas del controlador difuso utilizado. Resultados esperados
Para el final del proyecto se espera tener un controlador que realice un correcto seguimiento de trayectorias para le etapa generadora de perturbaciones, para la etapa de la suspensión activa se espera tener un controlador capaz de mejorar el desempeño del confort, viaje de la suspensión y estabilidad del vehículo. Como se ha mencionado a través del artículo obtendrá una interfaz de estructura abierta lo cual facilitara el introducir nuevas estrategias de control resultado de investigaciones futuras.
Buen día.
Referencias
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