Filipe C Patente - Controle do Efeito de Rolagem Automotivo

Filipe C Patente - Controle do Efeito de Rolagem Automotivo

(Parte 1 de 5)

Faculdade de Ciência e Tecnologia ÁREA1 Engenharia Mecatrônica

Filipe Carvalho Patente

Estudo de caso: Malha de Controle Contínuo Atuante no Efeito de Rolagem de Veículos Automotores

Salvador 2012

Filipe Carvalho Patente

Estudo de caso: Malha de Controle Contínuo Atuante no Efeito de Rolagem de Veículos Automotores

Trabalho de conclusão de curso apresentado ao colegiado do curso de Engenharia Mecatrônica da Faculdade de Ciência e Tecnologia ÁREA1, como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecatrônica.

Orientador: Prof o . Lázaro Edmilson Brito Silva, Esp.

Salvador 2012

P333lPatente, Filipe Carvalho

Estudo de caso: Malha de Controle Contínuo Atuante no Efeito de Rolagem de Veículos Automotores. / Filipe Carvalho Patente Salvador: FCP, 2012. 50 fls. Ils Monografia (Graduação) Faculdade de Ciência e Tecnologia ÁREA1, 2012.

Orientador: Profo . Lázaro Edmilson Brito Silva, Esp..

1. Controle Contínuo 2. Rolagem de Veículos 3. Veículos Automotores. I.

Silva, Lázaro Edmilson Brito I. Título CDU 681.5

Estudo de caso: Malha de Controle Contínuo Atuante no Efeito de Rolagem de Veículos Automotores

Filipe Carvalho Patente

Trabalho de conclusão de curso apresentado ao colegiado do curso de Engenharia

Mecatrônica da Faculdade de Ciência e Tecnologia ÁREA1, como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecatrônica.

Banca Examinadora:

Prof o . Lázaro Edmilson Brito Silva, Esp. (Orientador)

Profo . José Luiz de Souza Freitas, M.Sc.

Prof o . Artur Posenato Garcia, M.Sc

29 de Novembro de 2012

Creative Commons

Copyright c© 2012, Filipe Carvalho Patente. Alguns direitos reservados.

Este trabalho está licenciado sob uma Licença Creative Commons Atribuição-Uso Não- Comercial-Vedada a Criação de Obras Derivadas 3.0 Brasil.

Você pode:

CC© Copiar, distribuir, exibir e executar a obra.

Sob as seguintes condições:

BY:© Atribuição. Você deve dar crédito ao autor original, da forma especificada pelo autor ou licenciante;

$\© Uso Não-Comercial. Você não pode utilizar esta obra com finalidades comerciais;

=© Vedada a Criação de Obras Derivadas. Você não pode alterar, transformar ou criar outra obra com base nesta.

Para cada novo uso ou distribuição, você deve deixar claro para outros os termos da licença desta obra.

Qualquer uma destas condições pode ser renunciada, desde que você obtenha permissão do autor.

Nada nesta licença afeta ou restringe os direitos morais do autor.

Para ver uma cópia desta licença, visite http://creativecommons.org/licenses/by-nc\ -nd/3.0/br/ ou envie uma carta para Creative Commons, 171 Second Street, Suite 300, San Francisco, California 94105, USA.

À minha família pelo apoio total desde o início da faculdade até agora e através dos diversos momentos difíceis que houveram durante este período. Sem eles, realizar e concluir este curso seria impossível. E a minha namorada pela companhia incomparável durante este primeiro ano, mesmo apesar da distância, e por todo apoio e cuidado dedicados a nós.

Agradecimentos

Agradeço primeiramente ao orientador deste trabalho Profo . Lázaro Edmilson Brito Silva,

Esp.pelo suporte e pelos conselhos e direções dados sobre este trabalho e também pela cobrança quanto ao tempo de desenvolvimento.

E agradeço especialmente à Ulisses Soares, Engenheiro de Desenvolvimento de Produto para Suspensões Veiculares, por todo o conhecimento compartilhado sem o qual este trabalho não seria viável.

Sempre se lembre: Seu Foco determina sua realidade Qui-Gon Jinn

Resumo

Neste trabalho é proposto e desenvolvido um sistema de controle continuo para o efeito de rolagem em veículos automotores. Depois de compreendidos os elementos envolvidos neste comportamento tanto de forma ativa, quanto passiva; além do sensoriamento necessário para obtenção dos valores relativos ao comportamento dinâmico do veículo, utiliza-se de um modelo simplificado, assumindo o veículo como corpo rígido, e sua equação diferencial para desenvolver um sistema de controle para reduzir o nível de inclinação do veículo em curvas. A importância do estudo e do controle deste efeito se deve basicamente à grande significância do mesmo nas condições de segurança e conforto de todo veículo automotor e ao fato das suspensões convencionais não serem versáteis a ponto de otimizar de forma equilibrada estes atributos. O método aqui utilizado segue sobre um estudo de caso para valores referentes às características de um veículo de grande porte, conforme fornecidos pela literatura consultada e é desenvolvido com base nas técnicas padrão para desenvolvimento de compensadores através da função de transferência obtida pela transformada de Laplace da equação diferencial do sistema. Uma vez obtidos os resultados para o sistema controlado, estes são comparados ao sistema original a fim de se entender a diferença entre eles. Os resultados indicam um grande potencial de redução nas características indesejadas como a inclinação final do veículo após acomodamento, sendo esta na casa dos 46% para o modelo analisado em uma situação dita real.

Palavras-chave: controle, rolagem, suspensão semiativa

Abstract

On this monograph is proposed and developed a continuous control system for rolling effect in motor vehicles. Once understood the elements involved in this behavior (both active and passive) and beyond, the sensoring necessary to obtain the values regarding the dynamic behavior of the vehicle, is used of a simplified model, assuming the vehicle as a rigid body and its differential equation to develop a control system to reduce the level of inclination of the vehicle in curves. The importance of the study and the control of this effect are due basically to the great significance of it on the safety and comfort conditions of all motor vehicle and due to the fact that the conventional suspensions are not versatile to the point of optimizing these attributes on a balanced manner. The method used here follows over a case study for the values related to the characteristics of a heavy vehicle, as provided by the consulted literature and is developed based on the standard techniques for compensators development through the transfer function obtained by the Laplace transformation of the differential equation of the system. Once obtained the results for the controlled system, they are compared to the original system in order to understand the difference between them. The results indicate a great potential reduction on the unwanted characteristics like the tilt of the vehicle after accomodation, this being about 46% for the analyzed model in a said real situation.

Keywords: control, rolling, semi-active suspension

1 Sistema de Eixos Veícular, segundo SAE21
2 Geometria de um Veículo em Curva23
3 Ângulo de Escape do Pneu24
4 Mudança de Ângulo de Esterçamento com Velocidade25
5 Influência do Braço de Suspensão do Eixo Traseiro no Understeer26
6 Esterçamento de rolagem com um eixo sólido26
7 Primeiro Esboço do Sistema28
8 Analise de Forças em um Veículo Simples em Curva29
9 Chrysler 1936 - Um dos Primeiros Veículos com Suspensão a Ar32
10 Representação Esquemática de uma Mola Hidropneumática3
1 Exemplo para o Principio de Congruência Angular34

Lista de Figuras

SL 200137
13 Ilustrativo gráfico da rolagem em um micro-ônibus38
14 Modelo de Rolagem do Corpo do Veículo40
15 Resposta ao Degrau Unitário41
16 Lugar das Raízes (Sistema Não-Controlado)42
17 Comparativo entre o sistema atual e o objetivo43
18 Determinação dos Polos e Zeros do Compensador4
19 Diagrama de Blocos (Sistema Compensado)45
20 Lugar das Raízes (Sistema Controlado)45
21 Comparativo: Sistema Controlado x Não-Controlado45
2 Comparativo: Lugar das Raízes46
1 Dados Numéricos do Veículo41
2 Valores Referentes ao Regime Transitório41

Lista de abreviaturas e siglas

MEMS Micro-Electro-Mechanical Systems - Sistemas Micro-

Eletromecânicos

SAE Society of Automotive Engineers - Sociedade de Engenheiros

Automotivos SUV Sport Utility Vehicle - Veículo Utilitário Esportivo

Sumário

1.1 Problema15
1.2 Justificativa16
1.3 Objetivos16
1.3.1 Geral16
1.3.2 Específicos17
1.4 Metodologia17
1.5 Estrutura da monografia18

1 Introdução 15

2.1 Definições19
2.2 Dinâmica Veicular21
2.2.1 Dinâmica em Curva23
2.2.2 Sistema de Suspensão26
2.2.3 Descrição Matemática do Sistema27
2.3 Componentes do Sistema30
2.3.1 Tipos de Suspensão30
2.3.2 Sensoriamento3
2.4 Agregamento do Sistema36
2.5 Contribuição do Sistema36

2 Teoria sobre os Elementos do Sistema 19

3.1 Análise de Contexto39
3.3.1 Controlador43
3.4 Comparativo: Controlado X Não Controlado45
4.1 Sugestões para Trabalhos Futuros48

4 Considerações Finais 47 Referências 49

1 Introdução

O efeito de rolagem é um dos comportamentos mais básicos de todo veículo automotor. Ele é gerado pelas forças externas ao veículo, basicamente representadas por uma força lateral atuante no corpo do mesmo e, para estudos simplificados como este, sobre o seu centro de massa.

As características mais críticas para o estudo deste comportamento são as dimensionais do veículo e aquelas que se referem ao conjunto de suspensão, uma vez que este é o responsável por absolver este efeito e, no caso do sistema aqui proposto, compensá-lo.

Este sistema, no entanto, apresenta diversas não linearidades que dificultam sua modelagem pelos métodos matemático-analíticos convencionais e, portanto, adota-se aqui uma série de simplificações pertinentes que não fogem a dinâmica real básica do veículo.

Dos tipos de suspensão conhecidas e aqui referenciadas, destaca-se a hidropneumática devido a sua simplicidade estrutural em termos do modelo matemático, por ser do tipo semiativa, que pode ter seu coeficiente de rigidez alterado, e devido à existência do material de referência com um modelo linearizado aplicável.

Além disso, devido à natureza externa das forças que geram este efeito, é necessário um sensoriamento das condições do veículo, como angulação e aceleração lateral. Estes sensores são acelerômetros e giroscópios, mecanismos já conhecidos e bastante aplicados, principalmente em veículos aeroespaciais.

1.1 Problema

Quais ganhos têm-se para um sistema de suspensão contido em um sistema continuamente controlado quando comparado à um sistema de suspensão original não controlado?

É evidente a um observador com o mínimo de atenção que os veículos automotores, quando executando um curva, inclinam-se facilmente de forma lateral. Alguns desses carros inclinam menos, tendo uma suspensão dita "mais dura"(que absolve menos os impactos), enquanto outros inclinam-se mais mas apresentam uma melhor absorção dos impactos e por isso considerada "mais mole". No projeto de uma suspensão sempre se faz uma troca de equilíbrio entre estes dois atributos (absorção x rigidez) a fim de proporcionar a melhor relação ente o conforto e a segurança do dirigir.

Percebe-se uma queda do conforto quando os passageiros precisam usar de seus músculos para se acomodar confortavelmente no veículo, em detrimento da inclinação excessiva ou recebe uma grande quantidade de impactos provenientes da pista. Quanto à segurança temos que, principalmente para veículos de grande porte, quando a rolagem excede o limite projetado, ocorre o evento conhecido como capotagem que gera danos significativos ao veículo e grande risco aos seus ocupantes.

Uma vez que o efeito de rolagem é um fator crítico para o conforto e para a segurança, principalmente no caso de veículos de grande porte onde este efeito é mais evidente e crítico, faz-se necessário otimizar este comportamento a fim de se obter a excelência quanto a prática de dirigir. Uma vez que em um projeto puramente mecânico atua sobre condições limitadas com perdas para ambos os fatores críticos, tem-se que um projeto incluindo uma malha de controle contínuo pode atuar de forma adaptativa, otimizando este comportamento para ambos aspectos.

1.3 Objetivos

Objetiva-se por meio deste trabalho desenvolver um estudo que analise e demonstre a problemática expressa e sua resolução, com enfoque nos Objetivos Gerais descritos a seguir, além de contribuir cientificamente à humanidade nos termos dos Objetivos Específicos também descritos a seguir.

1.3.1 Geral

Este estudo de caso pretende obter dados relativos ao uso de um sistema de controle contínuo associado ao modelo original não controlado. Além disso, busca provar o ganho de desempenho de um sistema controlado, visando satisfazer a Justificativa.

1.4 Metodologia 17

1.3.2 Específicos

• Fornecer à comunidade científica voltada ao desenvolvimento de melhores tecnologias, um material de referência para implementação deste sistema;

• Prover incentivo tanto à Academia quanto os profissionais do ramo automotivo ao uso de sistemas controlados para opor o efeito de rolagem;

• Demonstrar a aplicabilidade dos estudos da área de controle e automação sob um paradigma diferente dos usuais aos trabalhos de conclusão de curso da mesma que focam prioritariamente a parte industrial em detrimento do desenvolvimento de tecnologias robóticas embarcadas (móveis).

1.4 Metodologia

Neste trabalho é executado o projeto clássico de um controlador de atuação contínua partindo da função de transferência referente ao modelo que descreve o sistema a ser controlado. Utiliza-se aqui de dados computados basicamente através dos softwares ma- temáticos da The MathWorks Inc.TM , MATLAB

R2010a e Simulink R© .

Para iniciar o estudo é obtida a função diferencial que identifica o comportamento do veículo para o efeito estudado. Posteriormente obtém-se, a partir da transformada de Laplace, a relação saída/entrada que identifica a função de transferência do sistema. Os valores das constantes que compõem o estudo de caso são obtidos da literatura de referência devido à sua origem prática.

A partir da função de transferência do sistema é possível então projetar a malha de controle e obter os dados analíticos que compõem o corpo desde estudo. Todos os dados gráficos e matemáticos foram gerados e tratados com uso dos softwares mencionados. O projeto do controlador se resume à um compensador obtido pelo método geométrico-matemático orientado ao cancelamento de polos.

No geral, o estudo segue os fundamentos para análise de sistemas lineares aplicado ao projeto de um compensador em um sistema de controle contínuo. Os dados para efeito de comparação entre os sistemas controlado e não-controlado seguem o método padrão para representação das características matemáticas de um sistema, sendo eles o mapa polo-zero e a resposta gráfica ao degrau unitário.

1.5 Estrutura da monografia 18 1.5 Estrutura da monografia

No Capítulo 1 ilustra-se o escopo do trabalho posteriormente apresentado afim de preparar o leitor para esta leitura. Os objetivos e motivadores em geral para idealização e desenvolvimento deste trabalho também são apresentados.

Já no Capítulo 2 são apresentadas todas as informações teóricas sobre o efeito de rolagem, segundo a dinâmica veicular, o funcionamento do sistema de suspensão, da suspensão de referência (semi-ativa sky-hook hidropneumática) e dos sensores necessários para implementação prática do sistema, sendo eles o acelerômetro e o giroscópio, cada um com suas variantes apresentadas e com sugestões de um modelo preferencial.

No Capítulo 3 estão contidos os dados referentes ao estudo. As equações, gráficos, tabelas e valores das variáveis, tanto para o sistema original, um sistema hipotético de referência e para o sistema com o controlador desenvolvido, são explicitadas e por fim comparadas para dar suporte à analise de conclusão do trabalho.

Por fim, no Capítulo 4, onde conclui-se esta monografia, são comparados os sistemas original e controlado afim de comprovar o ganho de eficiência no efeito de rolagem para o veículo de grande porte usado como referência, além das oportunidades sugeridas para trabalhos futuros que venham a usar deste como referência.

2 Teoria sobre os Elementos do Sistema

Neste capítulo são descritos os diversos elementos que compõem o sistema complexo de suspensão veicular, além da teoria relacionada aos eventos físicos que geram o fenômeno de rolagem nestes veículos em situações de curvas. Além disso, é feito um levantamento sobre os tipos de mecanismos de suspensão, com preferência àquele dotado da capacidade de ter seu coeficiente de rigidez controlado. Também são apresentados mecanismos sensores pertinentes ao sistema de controle, sendo eles os acelerômetros e giroscópios.

2.1 Definições

Nesta seção são apresentados os conceitos quanto aos sistemas em geral e aos sistemas de controle como o proposto por este trabalho. Também são explicados os elementos básicos de um sistema, como a entrada, saída e realimentação, termos básicos quanto a compreensão de uma malha de controle, sendo esta, neste caso, contínuo.

Segundo Nise (2009), um sistema de controle se define por um conjunto de subsistemas e processos que geram uma saída (ou resposta) em função de uma entrada (ou estímulo). Sendo a entrada, em um sistema de controle em sua forma mais simples, a forma como se quer que o sistema responda e a saída, a forma como ele realmente responde. Ainda segundo Nise (2009), existem quatro razões principais para a utilização de sistemas de controle: Amplificação da potência; Controle Remoto; Conveniência da forma da entrada; Compensação por perturbações.

(Parte 1 de 5)

Comentários