Modelagem e controle de sistemas veiculares de suspensão ativa

Abstract

Este relatório se refere às atividades desenvolvidas pelo estudante ao longo do Projeto de Diplomação do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), localizada na cidade de Porto Alegre, RS. O objetivo deste projeto foi desenvolver controladores por realimentação de estados para um sistema veicular de suspensão ativa, de modo a atenuar, com rapidez, vibrações ao nível do corpo do veículo produzidas por perturbações sobre a superfície da rodovia, trazendo, assim, um melhor conforto aos seus passageiros, comparado ao que é obtido com o uso de suspensões passivas (não controladas). Para tanto, modelizou-se o sistema veicular de suspensão ativa a partir do modelo de um quarto de carro, também conhecido como Modelo Quarter-car. Em seguida, derivaram-se as equações dinâmicas do sistema, para o qual foi encontrada uma representação na forma de espaço de estados. A partir desta representação, técnicas modernas de Sistemas de Controle foram aplicadas, tais como Alocação de Pólos e Regulador Linear Quadrático (LQR), de modo a tornar o sistema controlado mais rápido e menos oscilante que o sistema passivo. Além disso, foi projetado um observador de estados de ordem completa para o sistema controlado, de modo a se verificar como seria o comportamento do controlador por realimentação de estados caso alguns estados, por algum motivo, não pudessem ser mensurados, mas, sim, estimados. Para validar o projeto, simulações foram realizadas com o auxílio da plataforma MATLAB/Simulink, desenvolvida pela MathWorks Inc., e testes experimentais foram realizados com a planta de suspensão ativa QUARC, similar ao modelo quarter-car considerado e fabricada pela Quanser Inc. Como resultado, o objetivo de performance desejada pôde ser alcançado a partir das técnicas de controle desenvolvidas, levado em conta todo o conservadorismo existente entre o modelo teórico considerado e a planta real de suspensão ativa utilizada nos experimentos.

This report refers to the activities developed by the student during its Degree Project in Electrical Engineering from Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), located in Porto Alegre, RS - Brazil. The objective of this project was to develop state feedback controllers for an active suspension vehicle system in order to rapidly attenuate vibrations caused by disturbances on the road surface at the vehicle’s body, improving passengers’ comfort, if compared to what is obtained when using passive suspensions. The active suspension system was modeled using the Quarter-car Model. Then, the dynamic equations of this system were derived, for which a state-space representation was found. Using this representation, modern control techniques were applied, such as Pole Placement and Linear-Quadratic Regulator (LQR), in order to make the controlled system faster and less oscillating than the passive one. In addition, a full order state observer was designed for the controlled system, in order to check the state feedback controller behavior when some states, for some reason, cannot be measured, but estimated. In order to validate the project, simulations were performed using MATLAB/Simulink (developed by MathWorks Inc.) and experimental tests were performed with the active suspension plant QUARC (developed by Quanser Inc.), which is very similar to the quarter-car model considered. The final results showed that the performance objectives can be reached using the control techniques applied in this work, given the conservatism between the theoretical model and the actual active suspension plant.