Regulacija vuče/kočenja (TCS/ABS)

Sustavi regulacije vuče (TCS) i kočenja (ABS) nastoje zadržati uzdužnu silu autogume blizu njene vršne vrijednosti, postižući pritom maksimalne iznose ubrzanja (TCS), odnosno usporenja vozila (ABS), te visoku rezervu bočne sile autogume za skretanje. Tradicionalni sustavi regulacije vuče (Sl. 1a) obično se temelje na regulaciji brzine vrtnje pogonskih kotača ω_F, gdje se referenca brzine vrtnje kotača ω_FR određuje iz mjerenja brzine vozila i referentnog iznosa klizanja kotača s_R za maksimalni iznos uzdužne sile autogume (tipično s_R = 10%, vidi sliku 1b). U slučaju vozila s pogonom na dva kotača (2WD), brzina vozila se rekonstruira izravno iz brzine vrtnje nepogonjenih kotača ω_R.

Tradicionalni sustav regulacije vuče provjeren je na eksperimentalnom električnom vozilu Fakulteta za slučaj vožnje na ledu. Na slici 2 prikazani su eksperimentalni odzivi tradicionalnog sustava regulacije vuče za slučaj željenog klizanja kotača s_R = 10%. Ovi rezultati pokazuju da se klizanje kotača precizno drži na željenoj vrijednosti. Amplituda odstupanja klizanja kotača je tipično manja od 0.5%. Regulator također efikasno potiskuje pobjege klizanja od željene vrijednosti. Naime, potrebno je svega 50 ms da klizanje poprimi željenu vrijednost nakon što se dogodi pobjeg klizanja nakon pokretanja vozila iz mirovanja.

Kalo bi se postojeći koncept regulacije brzine vrtnje pogonskog kotača mogao prilagoditi za slučaj pogona vozila na sva četiri kotača (4WD) ili ABS kočenja (za koje mjerenje brzine vrtnje nepogonjenih kotača nije dostupno), brzina vozila može se procijeniti korištenjem odgovarajućeg modela vozila, prikazanog na slici 3. Referentni model vozila, koji uključuje poznati otpor kotrljanja kotača i otpor zraka (usp. sliku 1a), koristi se za proračun reference brzine vrtnje pogonskih kotača ω_FR. Na ulaz u model dovodi se maksimalna vučna sila autogume F_in, koja se procjenjuje primjenom pilastog pobudnog signala ΔF_saw narinutog na ulaz modela vozila sve dok pogonjeni kotač ne počne proklizavati. Proklizavanje kotača detektira se kada signal (razlika stvarnog kutnog ubrzanja kotača i onog očekivanog iz modela) prijeđe unaprijed definirani prag detekcije. Pilasti signal se tada zaustavlja i resetira, a novi ciklus pilastog signala započinje tek kada razlika kutnih ubrzanja padne na male vrijednosti (što indicira da je kotač prestao proklizavati).

U svrhu poboljšanja robusnosti regulacijskog sustava vuče zasnovanog na modelu vozila s obzirom na pogreške modeliranja (npr. na pogreške nagiba ceste ili mase vozila), sustav regulacije proširen je nadređenom regulacijskom petljom zasnovanoj na procjeni gradijenta (nagiba) statičke karakteristike autogume (temeljenoj na mjernim signalima pogonskog kotača, Sl. 4). Svrha nadređene regulacijske petlje jest korekcija ulazne veličine modela vozila F_in, i to tako da radna točka pogonskog kotača odgovara željenom iznosu gradijenta statičke karakteristike autogume k_t = ∂F/∂s ≈ 0 (Sl. 1b).

Kao alternativa, primijenjen je dvosmjerni pilasti pobudni signal na ulazu u model vozila u sklopu sustava regulacije vuče na slici 3, kako bi se ostvarila periodička promjena sile trenja (radne točke kotača) između režima adhezije i režima proklizavanja, kao što je ilustrirano na slici 5. To se postiže na način da se prvo isprovocira kratkotrajno proklizavanje rastućim bridom pobudnog pilastog signala (etape 1-2 na slici 5), što je popraćeno vraćanjem sile trenja u područje adhezije (resetiranjem i negativnim bridom pilastog signala, etape 3-5 na slici 5).

Predloženi sustavi regulacije vuče zasnovani na modelu vozila provjereni su simulacijama na računalu, pri čemu je korišten model dinamike vozila za gibanje u uzdužnom smjeru sa slike 1. Model gume uključuje dinamiku trenja za uzdužni smjer, te elastičnost bočnih stranica autogume. Šum ceste je također uključen u model. Usporedni simulacijski rezultati prikazani su na slici 6. Osnovni sustav regulacije vuče zasnovan na modelu vozila karakteriziran je značajnim odmakom klizanja od željenog iznosa (driftom klizanja) te usporavanjem vozila, a koji su prouzročeni promjenom nagiba ceste. Ukoliko se primijeni sustav regulacije vuče s nadređenim PI regulatorom gradijenta krivulje trenja (Sl. 6a), on reagira na drift gradijenta od referentne vrijednosti, korigira ciljanu vrijednost sile F_in na ulazu u referentni model vozila i zadržava klizanje kotača blizu referentne vrijednosti od 10%. Sustav regulacije vuče zasnovan na periodičkom prekapčanju sile trenja, osigurava brzu reakciju na poremećajno djelovanje uslijed promjene nagiba ceste, ali su varijacije klizanja i sile trenja veće nego kod nadređene petlje po gradijentu statičke karakteristike autogume (slika 6b).

a) Nadređena regulacijska petlja gradijenta režima proklizavanja i adhezije kotača b) Periodička promjena sile trenja između