RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

CONTROLLO DI SISTEMI EVOLUTI DI TRASMISSIONE, SOSPENSIONE, STERZATA E FRENATA PER LA GESTIONE DELLA DINAMICA VEICOLO

Università di riferimento

Università degli Studi del SANNIO di BENEVENTO - INGEGNERIA - BENEVENTO(BN)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Luigi GLIELMO

Descrizione

Obiettivi dell'unità di ricerca sono:
1) analizzare limiti e potenzialità della modellistica dei sistemi ibridi per modellare i tipici fenomeni ed il comportamento di frizioni a secco servoattuate, 2) progettare un controllore d'innesto che faccia uso della regolazione della coppia prodotta dal motore e della coppia trasmessa dalla frizione con l'utilizzo di metodologie di controllo ibride e decomposizione gerarchica, 3) verificare l'efficacia del controllore mediante sperimentazioni di tipo hardware-in-the-loop. Per ottenere questi obiettivi la ricerca sarà strutturata, anche in collaborazione con le altre unità di ricerca, secondo due macro-attività di cui nel seguito è riportato il dettaglio con i relativi obiettivi e risultati attesi.

1) Modello ibrido delle frizioni a secco servoassistite
Il modello dinamico già disponibile per le frizioni servoassitite non è ancora sufficiente per un'analisi di dettaglio della trasmissione e quindi per il progetto di un controllo che si possa ritenere pronto per una validazione sperimentale. Per comprendere questo aspetto si può immaginare il sistema di innesto servoassistito costituito da alcuni sottosistemi tra loro interconnessi. Il sottosistema "frizione" prevede come ingresso la posizione effettiva del reggispinta mentre fornisce come uscita (non misurabile) la coppia trasmissibile. Quest'ultima può essere interpretata come l'ingresso dell'intero sistema di trasmissione da cui assumeremo determinabile (o direttamente misurabile) la velocità angolare del disco frizione. La posizione del reggispinta, e quindi lo slittamento tra volano e disco frizione, viene regolata mediante un attuatore e un controllore di posizione.
Il modello del sottosistema frizione è multivariabile in quanto entrambi gli ingressi (coppia motore e posizione del reggispinta) influenzano le variabili di stato (tra cui, la velocità motore e la velocità del disco frizione). Precedenti attività di ricerca hanno mostrato come non sia possibile ritenere il sistema frizione costituito dall'insieme di più sottosistemi tra loro indipendenti e disaccoppiati: basti pensare, ad esempio, all'influenza della coppia motore e della coppia trasmissibile sull'andamento della velocità motore durante la fase di innesto.
Per tali motivi, durante la prima fase dell'attività di ricerca si provvederà a modellare nel dettaglio i fenomeni caratteristici del sottosistema frizione, con l'uso di metodologie ibride e mediante le competenze del gruppo e la collaborazione con le altre unità di ricerca. Il modello complesso che ne verrà fuori sarà poi integrato nel modello dell'intero sistema di trasmissione utilizzando i modelli del guidatore, dell'attuatore e della driveline formulati dalle altre unità di ricerca.
Le principali problematiche che saranno esaminate nel dettaglio sono:
• analisi e identificazione del modello che lega la posizione del reggispinta allo slittamento tra volano e disco frizione e quindi alla coppia trasmissibile, a partire da dati sperimentali disponibili dalle attività del progetto svolte presso la sede di Bologna (che ha un veicolo strumentato) e da precedenti collaborazioni scientifiche; si prevede una collaborazione con la sede di Torino per le competenze specifiche sull'identificazione;
• modellazione, mediante tecniche ibride ben note al gruppo, dei fenomeni non lineari dovuti all'usura della frizione (che, nella vita della frizione, può ridurre la superficie utile anche oltre il 50%), nonché, con riferimento ad una manovra di innesto, stima del valore della posizione del reggispinta in corrispondenza del quale la coppia comincia ad essere effettivamente trasmessa.
• generalizzazione del modello del cambio semiautomatico al fine di caratterizzare una più ampia classe di sistemi ibridi di interesse, individuata dalla presenza di attuatori e dispositivi per il controllo con caratteristiche statiche nonlineari di tipo isteretico (si pensi alla caratteristica di trasmissibilità) e sistemi da controllare modellabili come sistemi stazionari a tratti a dimensione variabile (si pensi alla driveline nei diversi modi di funzionamento e con i diversi rapporti di cambio).
Il modello complessivo ottenuto sarà quindi simulato mediante opportuni schemi Matlab/Simulink/Stateflow, e successivamente integrato con il modello del sistema di attuazione del reggispinta e con il modello della restante parte della trasmissione (sistema cambio, sincronizzatore, linea di trasmissione).

2) Progetto del controllore di innesto basato sull'utilizzo di metodologie di controllo ibride e decomposizione
gerarchica.
Oggetto della seconda fase dell'attività di ricerca sarà il progetto di una strategia di controllo della manovra di innesto. Il controllore sarà organizzato su due diversi livelli gerarchici: a basso livello si studieranno strategie di controllo che consentono di fare corrispondere ad una coppia trasmissibile desiderata la posizione desiderata del reggispinta; a più alto livello si cercheranno possibili metodi per definire profili ottimali di coppia trasmissibile e coppia motore.
Il controllore complessivo dell'innesto quindi agirà non solo sull'attuatore della servofrizione, ma anche sul riferimento da fornire al controllo motore per attuare la coppia motore desiderata. Pertanto è essenziale riuscire a simulare l'intero sistema di trasmissione, per poter validare i risultati in condizioni operative realistiche. Il modello dell'intera driveline sarà disponibile dall'integrazione dei contributi anche delle altre unità.
Un primo problema da affrontare consiste nel tradurre delle specifiche operative in profili di velocità e/o di coppia da inseguire.
Successivamente, assegnato il profilo da inseguire, il problema del controllo di innesto che si deve risolvere è molto complesso. Innanzitutto la legge di controllo deve rispettare sia i vincoli sullo stato (la velocità motore non deve scendere sotto il minimo) che sulle variabili di controllo (la coppia motore e quella trasmissibile sono ovviamente limitate dalla potenza del motore e dalla coppia di attrito statico, rispettivamente). In secondo luogo, il modello di dettaglio presenta una forte nonlinearità che influenza le prestazioni dell'intero sistema a ciclo chiuso. Infatti, le traiettorie di velocità e/o di coppia da inseguire a differenza di quelle ideali progettate tramite un modello semplificato, saranno fortemente influenzate dalle nonlinearità della trasmissione e dalla variabilità dei parametri della frizione.
Infine, il problema di controllo è ulteriormente complicato dal fatto che dopo l'innesto il modello della frizione cambia struttura (e anche di ordine!). Il cambio manuale automatizzato infatti è un esempio di un tipico sistema ibrido: due configurazioni corrispondenti alla fase di innesto e alla fase in cui la frizione è innestata. Un evento esterno (il comando di cambio marcia da parte del guidatore) determina l'avvio della fase di cambio e quindi la validità del modello in fase di slittamento, mentre condizioni sullo stato (velocità volano e disco frizione uguali) e sugli ingressi (coppia trasmessa minore della coppia di attrito statico) determinano la commutazione al modello relativo alla frizione innestata. Quest'ultima commutazione, in particolare, sembra non potere essere trascurata nel progetto del controllo di innesto in quanto le modalità con cui l'innesto viene realizzato influenzano anche l'evoluzione del sistema subito dopo l'innesto. Infatti, una diversa condizione finale dell'innesto (che diventa condizione iniziale per la marcia con frizione innestata) provoca comportamenti molto diversi nella trasmissione, ad esempio in termini di oscillazioni.
L'attività di ricerca in questa parte si concentrerà quindi sullo studio dell'applicabilità di metodologie di controllo ibride che consentano di assicurare buone prestazioni del sistema a ciclo chiuso in termini di: tempo di innesto, oscillazioni indotte nella trasmissione, energia dissipata, consumi, inseguimento di traiettoria per la coppia trasmissibile, usura.
Negli ultimi anni, i sistemi ibridi hanno riscosso sempre maggiore interesse nella comunità dei controlli automatici per la loro capacità di descrivere fenomeni di ``switching" tra diverse dinamiche continue. In quest'ambito il nostro gruppo ha sviluppato una metodologia di controllo che permette di progettare controllori per tali sistemi che rispettano vincoli sulle variabili di controllo e sulle variabili di stato. L'efficacia di tale metodologia è affiancata dalla semplicità del risultato finale: una legge in retroazione di stato affine-a-tratti che può essere implementata in ogni piattaforma real-time con estrema semplicità. L'interesse in tale tecnica di controllo sta crescendo rapidamente, soprattutto nell'ambito automobilistico. Come descritto nella sezione relativa alla base di partenza scientifica, uno studio preliminare ha già dimostrato l'applicabilità di tali tecniche alle frizioni servoassistite per modelli semplificati e di ordine ridotto.

3) Verifica mediante sperimentazioni di tipo hardware-in-the-loop
Il controllore progettato nella fase 2 verrà validato in simulazione in ambiente Matlab/Simulink/Stateflow, sul modello dinamico completo, utilizzando una modellistica ragionevolmente implementabile in centralina (e quindi progettando un controllore digitale, tenendo in conto le incertezze dovute ai sensori di velocità, e strutturando i task di centralina in base ai vincoli "real-time" del sistema a disposizione). I risultati ottenuti saranno prima verificati sperimentalmente su piattaforma di tipo hardware-in-the-loop, integrando il simulatore Matlab/Simulink/Stateflow con una centralina hardware dedicata al cambio robotizzato. Successivamente sarà possibile, in accordo con il gruppo di Bologna, validare le strategie sul veicolo strumentato; in ciò garantirà efficienza il fatto che nei laboratori dei vari gruppi (e a bordo del veicolo) si utilizza la stessa piattaforma hardware/software.