A járműirányítás tervezésének célja egy előre meghatározott útvonal követése, az úttartás és a menetstabilitás növelése. Több szabályozót alkalmazunk a rendszerben: az aktív fék, kormány és a felfüggesztési rendszert. A pályakövetési feladatot aktív kormányzással oldjuk meg, míg az úttartás és az utaskényelem érdekében aktív felfüggesztést használunk. Ha közvetlen a borulás veszélye akkor a biztonság növelése érdekében működésbe lép a fékrendszer. A fék alkalmazása viszont befolyásolja a legyező mozgást és így a valós útvonal jelentősen eltérhet a kívánt útvonaltól. Annak érdekében, hogy kiegyenlítse a legyező mozgás fékezés által okozott változását, a kormányzást szabályozó alrendszernek módosítani kell a követési parancsot, hogy elkerüljük a jármű alul- vagy túlkormányzottságát.
2.1. Jármű modellezés
7.1. ábra - Legyező, dőlési és bólintó mozgások
Integrált irányítások tervezése
Az egyes gumiabroncsok által létrehozott hosszirányú és oldalirányú erők az egyes kerekek normális irányú terhelésének és a kerék csúszási szögének következményei. A jármű az első kerekeknél van kormányozva, ahol a kormánykerék szöghelyzete (kormányszög) . Az aktív felfüggesztés által keltett bal és a jobb oldali első és hátsó erőket jelöli.
A váz (chassis) függőleges ( ), longitudinális ( ), oldalirányú ( ), dőlési ( ), bólintási ( ) és legyezési ( ) dinamikája a következő egyenletek segítségével van megadva:
(499)
(500)
(501)
(502)
Integrált irányítások tervezése
A legyezési dinamika és a súlypont oldalkúszási szögének dinamikája közötti kapcsolat
(506) Kis kormányzási szögek mellett a következő közelítésekkel élünk: és .
A lokális szabályozók a különböző összetettségű jármű modellek alapján vannak megtervezve. Az 111 ábra egy komplex járműmodell hosszirányú, keresztirányú és függőleges irányú dinamikáját szemlélteti. A tervezés alapjául az alábbi állpottér-modell áll: fékrendszer képes arra, hogy kanyarodáskor módosítsa a jármű legyezési szögét és csökkentse az oldalirányú gyorsulás hatását. Így a fék képes helyettesíteni egyéb más komponenseket, ha azok meghibásodnak illetve csökken a hatásosságuk. A kormányzást a kívánt pálya követésére használjuk. A vezérlő bemenet a kormányzási szög. A gyakorlatban a mért jelek ezeknél a feladatoknál az oldalirányú gyorsulás és a legyezési sebesség.
Az aktív felfüggesztés biztosítja a menetstabilitást és a megfelelő kényelmet mialatt a közúti egyenetlenségek által okozott káros rezgések hatnak a járműre. A felfüggesztési rendszer képes javítani a bólintási és dőlési stabilitást, bólintó nyomatékot generálva hirtelen fékezés alkalmával vagy forgató nyomatékot hirtelen manőverek során. A
(508)
Integrált irányítások tervezése
A sebesség, az oldalirányú tapadási együttható, a felfüggesztési rugók és csillapító elemek nemlineáris hatásait a
(509) ütemezési változók segítségével vesszük figyelembe, ahol és relatív elmozdulások és a hozzátartozó sebességek. A feltételezés az, hogy a megfelelően kiválasztott ütemezés változók segítségével a nemlineárisokat át lehet alakítani affin paraméter-függő elemekké. A nemlineáris modellek így átalakíthatók lineáris változó paraméterű (LPV) modellekké, ahol a nemlineáris kifejezések alkalmasan kiválasztott ütemezési változókba lesznek elrejtve. Az átalakítás feltétele, hogy a vektort mérni, illetve becsülni lehessen, lásd például [39].
2.2. Performancia specifikációk és szabályozótervezés
A lokális komponenseknek is tartalmazniuk kell olyan egységeket amik felügyelik és monitorozzák a jármű működését valamint FDI szűrőket. Ezek az alkatrészek képesek érzékelni a jármű kritikus manővereit, különböző hibajelenségeket vagy performancia degradációkat. Ezek az egységek üzeneteket küldenek a felügyelő rendszerhez. A lokális komponensek újrakonfigurálható és hibatűrő szabályozása során számos jelet kell monitorozni, és új ütemezési változókat kell az ütemezési vektorhoz adni annak érdekében, hogy javuljon a jármű biztonsága (pl. változók kellenek a borulási veszélyét jelzésére, a hirtelen fékezés káros hatásainak észlelésére, az aktív komponensek esetleges meghibásodásának figyelembe vételére.
A hatékony működéshez a felügyelő rendszernek és a helyi vezérlőknek megbízható és pontos információkra van szüksége. Ennek a követelménynek a kielégítésére redundáns érzékelőkre, különböző számítások elvégzésére és hiba észlelésére alkalmas szűrőkre van szükség. A hatékony és optimális beavatkozás érdekében nagyon fontos a hibás érzékelők detektálása, mivel ezeket, az általuk szolgáltatott információt, helyettesíteni kell azokban a műveletekben ahol szerepet játszanak. A jármű ipar az alacsony költségű megoldásokat részesíti előnyben, így egyszerű érzékelőket és lehetőleg szoftver alapú redundanciát kell alkalmazni.
A helyi vezérlés tervezése során kidolgozott zárt rendszer magában foglalja a modellt, a szabályozót és a minőségi követelményekkel kapcsolatos tényezők visszacsatolási struktúráját:
(510) ahol magában foglalja mind a külső zavarokat, mind a zajokat. Egy tipikus összekapcsolási struktúra látható a 112 ábrán. Ezekből a tényezőkből áll össze a paraméterfüggő általánosított rendszer. A szabályozó alkalmazásával kapjuk az zárt rendszert egy lineáris tört transzformáció (LFT) által leírt struktúrában.
A javasolt eljárás keretében a minőségi követelmények a súlyozások megfelelő választása által specifikálódnak a tervezési folyamat során. A súlyozás célja általában büntető függvények meghatározása, például a súly nagy ha kis jeleket akarunk és kisebb ha nagyobb performancia kimenetek megengedettek. A bemutatott megközelítés a performanciák rekonfigurációját a súlyozás megfelelő változtatásával, ütemezésével oldja meg.
A blokk tartalmazza a rendszerben jelenlevő bizonytalanságot, mint például a nem modellezett bizonytalanságot és a parametrikus bizonytalanságokat. Ebben a kiegészített rendszermodellben a nem modellezett bizonytalanság egy súllyal és egy normált bizonytalansági blokkal van jelen. A és súlyok célja a zavarások és a szenzor zajok megjelenítése a modellben.
7.2. ábra - A zárt kör kapcsolási struktúrája
Integrált irányítások tervezése
A javasolt megoldásban a lokális irányítási algoritmusok tervezése az LPV módszer segítségével történik. Az LPV tervezési módszerek jól kidolgozott és sikeresen alkalmazott eljárások a különböző ipari problémák megoldására. Az LPV megközelítés teszi lehetővé számunkra, hogy figyelembe tudjuk venni a nemlineáris hatásokat az állapotteres leírás során. A javasolt megközelítés kulcsfontosságú eleme az, hogy a lokális komponensek tervezésében a felügyelőtől származó ütemezési változókat használjuk az integráció kikényszerítésére. Ezen a módon a lokális irányítást ki lehet bővíteni újrakonfigurálható és hibatűrő funkciókkal.
A kvadratikus LPV performancia probléma célja,hogy egy paraméter-változós vezérlést tervezzünk úgy, hogy az zárt rendszer kvadratikus stabilis legyen és a -ről -re vett indukált norma (erősítés) legyen -nál kisebb, azaz
(511)
Strukturálatlan bizonytalanságot feltételezve és a súlyozott kis erősítések tételét alkalmazva az LPV -performancia probléma megoldása visszavezethető egy lineáris mátrix egyenlőtlenségeket (LMI) tartalmazó feladatra, ami numerikusan kezelhető, lásd például [128]. A stabilitás és az elvárt performancia megléte a tervezési folyamat által garantált, lásd [10], [130].
Ha a paraméter-függő Lyapunov függvényt használunk, a tervezett szabályozó általában explicit módon függ a deriváltaktól. Ezek nem mérhetek a gyakorlatban, így megfelelően közelítő numerikus algoritmust kell használni ezeknek a paramétereknek a becslésére. A -tól való függés kiküszöbölésére egy függő változócserét javasolt [10].