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 di MODENA e REGGIO EMILIA - INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE - MODENA(MO)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Roberto ZANASI

Descrizione

L'obiettivo principale dell'Unità di Ricerca è la messa a punto di strategie per il controllo della coppia motrice sulla trasmissione di un veicolo, con particolare riferimento al miglioramento del comfort durante il cambio marcia e all'aumento di sicurezza ottenibile in curva con una appropriata ripartizione di coppia sulle ruote motrici. Il raggiungimento di questo obiettivo può essere suddiviso nei seguenti obiettivi parziali:
1. identificazione di un modello matematico che descriva con la dovuta precisione il comportamento dinamico del sistema di trasmissione; determinazione di un modello per la descrizione della dinamica longitudinale e laterale del veicolo;
2. determinazione sperimentale delle relazioni esistenti tra le sollecitazioni fisiche (accelerazioni) agenti sul guidatore e sui passeggeri e la corrispondente percezione di comfort; individuazione di un modello dinamico che descriva le reazioni volontarie e involontarie del guidatore e dei passeggeri durante il cambio marcia;
3. calcolo dei profili di coppia da utilizzare nei cambi marcia che, tenendo conto delle reazioni volontarie e involontarie del guidatore e dei passeggeri, minimizzi le sollecitazioni che riducono il comfort;
4. sviluppo di strategie di controllo del differenziale per massimizzare la sicurezza del veicolo in curva modificando la ripartizione di coppia sulle ruote motrici.
5. messa a punto di tecniche di controllo per il calcolo on-line dei profili di coppia durante i cambi marcia e per il calcolo della ripartizione di coppia sul differenziale.

Al fine di raggiungere gli obiettivi sopra elencati, il progetto si svolgerà nelle seguenti attività:

1. Completamento e messa a punto del modello dinamico dell'intero sistema di trasmissione del veicolo, compresi gli attuatori elettroidraulici della frizione, del cambio e del differenziale. Determinazione di un modello per la descrizione della dinamica longitudinale e laterale del veicolo. Questi modelli coinvolgono domini energetici diversi (elettrico, idraulico, meccanico e termico), saranno quindi utilizzate note tecniche modellistiche basate sull'iterazione energetica fra sistemi come Bond Graphs [13], Power-Orineted Graphs [14] ed Hamiltonian Systems [15]. L'identificazione dei parametri dei modelli richiederà una campagna di misure sperimentali. Le Aziende Ferrari S.p.A., CNH Italia S.p.A. e Digitek S.p.A. si sono dichiarate interessate ai suddetti modelli e hanno dato la loro disponibilità ad eseguire presso di loro le prove sperimentali che si ritengano utili. L'identificazione dei parametri dei modelli sarà effettuata sia tramite prove sperimentali opportunamente ideate, che mediante tecniche di identificazione per sistemi non lineari note in letteratura [17] e [18].

2. Determinazione delle relazioni esistenti tra le sollecitazioni fisiche (accelerazioni) agenti sul guidatore e sui passeggeri, le loro reazioni volontarie e involontarie e la corrispondente percezione di comfort. Per determinare le relazioni tra profili di accelerazione e comfort e per modellare gli effetti dinamici del sedile sarà necessario eseguire una campagna di misure sperimentali. In particolare, la Soc. Ferrari ha già disponibile all'interno dei propri laboratori di ricerca una piattaforma costituita da un sedile posto su un carrello inclinato e controllato elettronicamente mediante un sistema idraulico. L'inclinazione del carrello fornisce la componente costante di accelerazione che tipicamente agisce prima e dopo i cambi marcia, mentre il controllo di posizione del carrello permette di ottenere sperimentalmente in laboratorio le variazioni di accelerazione che tipicamente si hanno durante i cambi marcia. Queste misure sperimentali serviranno anche ad individuare, tramite le tecniche note in letteratura [17] e [18], un modello dinamico che descriva le reazioni volontarie e involontarie del guidatore e dei passeggeri durante il cambio marcia. Questo modello permetterà quindi di valutare preliminarmente le percezioni di comfort corrispondenti ai profili di coppia che successivamente verranno individuati.

3. Calcolo dei profili ottimi di coppia che migliorano il comfort del guidatore e dei passeggeri. Per determinare i profili di coppia ottimi sulla driveline saranno utilizzate varie tecniche di ottimizzazione e di inversione dinamica di un sistema fisico. In particolare si studierà una nuova tecnica di inversione dinamica basata sull'utilizzo di generatori di traiettorie [31] che, oltre a garantire andamenti "smooth" della variabile di uscita, assicurano anche il rispetto dei vincoli sulla massima accelerazione e sul massimo jerk del sistema. Una caratteristica importante di questi generatori di traiettorie è che i vincoli sull'accelerazione e sul jerk possono essere modificati in linea e quindi possono facilmente adattarsi alle varie condizioni operative del sistema e/o alle esigenze di comfort del guidatore. I profili di coppia saranno quindi verificati in simulazione sfruttando il modello della trasmissione e del passeggero ricavati precedentemente.

4. Studio degli effetti della ripartizione di coppia sulla dinamica laterale del veicolo. Determinazione della ripartizione ottima di coppia che massimizza la stabilità del veicolo in curva. Questa ripartizione di coppia teorica deve essere successivamente attuata agendo sul differenziale. Data la notevole dispersione dei parametri del sistema (dovuta a condizioni ambientali, tolleranze dei componenti, fondo stradale,…) saranno utilizzate tecniche di controllo robusto come [19]-[23] o tecniche basate sulla struttura fisica del sistema [15] e [16]. Le strategie di controllo del differenziale saranno quindi verificate in simulazione sfruttando il modello della trasmissione e del veicolo ricavati precedentemente.

5. Verifica sperimentale delle strategie di controllo. Inizialmente la verifica sperimentale sfrutterà le attrezzature di laboratorio, in particolare la suddetta piattaforma permetterà di verificare l'efficacia ai fini del comfort dei profili di coppia messi a punto dall'analisi teorica del problema. Successivamente il software di controllo sarà collaudato e verificato tramite esperimenti "Hardware in the Loop" (HIL). Questi esperimenti, largamente sfruttati nell'industria automobilistica, consistono nel sostituire il sistema reale (trasmissione, veicolo, guidatore e passeggeri) con i corrispondenti modelli in modo da far funzionare la centralina di controllo con segnali virtuali molto simili a quelli reali. In questo modo il software di controllo sarà verificato economicamente, velocemente, in sicurezza e in varie condizioni operative. Infine si eseguiranno le verifiche sperimentali sul veicolo. Per eseguire queste prove sperimentali si sfrutteranno sistemi di rapid prototyping. Nel nostro laboratorio è già disponibile un sistema dSPACE (il Kit ACE1103) particolarmente efficiente nell'acquisizione di dati sperimentali, nel controllo real-time di sistemi elettromeccanici e nelle simulazioni HIL.

Lo svolgimento dell'attività di ricerca sopra descritta richiede un notevole impegno anche in termini di allestimento ed esecuzione delle prove sperimentali che verranno svolte sia presso il nostro laboratorio che presso le aziende interessate al progetto. Per far fronte a questo impegno si utilizzerà un adeguato numero di mesi uomo di personale tecnico assunto per contratto. Alcuni risultati preliminari inerenti all'attività di ricerca proposta, con particolare riferimento alla modellistica dinamica del sistema di trasmissione e ai generatori di traiettorie, sono riportati in [28], [29], [31] e [32]. Questo progetto di ricerca, se approvato, permetterà di proseguire e completare l'attività di ricerca preliminare già svolta.

L'attività di ricerca sopra descritta si integra bene con quella delle altre unità operative di questo progetto. In particolare, per garantire il corretto inseguimento dei profili ottimi di coppia durante i cambi marcia si utilizzeranno le tecniche di controllo della frizione che verranno sviluppate e messe a punto dalle Unità di ricerca di Bologna e di Benevento. Con le altre Unità si collaborerà per approfondire quelle tematiche che sono di interesse generale per il progetto e sulle quali l'Unità di Modena ha già svolto in passato una qualche attività di ricerca. Con l'Unità di ricerca di Torino si collaborerà sia su tematiche di stima, identificazione e controllo robusto, che su tematiche riguardanti il controllo di sospensioni semiattive (tecniche Sky-Hook) e sul controllo coordinato della frenata (tecniche di controllo ABS ed ESP). In particolare, controllando in modo coordinato le sospensioni è possibile migliorare il confort dei passeggeri e ridurre i fenomeni di beccheggio e rollio del veicolo. Con un controllo coordinato dei freni è invece possibile ridurre gli spazi di frenata (Anti-Lock Brake System) e migliorare la stabilità dell'auto nelle condizioni limite di guida (Electronic Stability Program).