Improving curving performance of monorail vehicle by using semi active dampers

Abstract

Bu çalışmada, yarı-aktif manyetoreolojik (MR) damperleri kullanarak, modern toplu taşıma sistemlerinden biri olan monoray taşıtlarının viraj performansının iyileştirilmesi amaçlanmıştır. Monoray taşıtların viraj dinamiklerinin yarı aktif sönümleyiciler kullanarak kontrol etmek yeni bir araştırma alanıdır. Çalışma kapsamında, taşıt titreşiminin bastırılması için yeni bir Lyapunov fonksiyon tabanlı kısıtlı geriadımlama kontrol tasarımı sunulmuştur. Ele alınan monoray aracı, iki boji tarafından desteklenen tek bir segmente sahiptir. İkincil süspansiyon, hava süspansiyonlarına ek olarak yanal ve dikey MR sönümleyicileri içerecek şekilde modellenmiştir. Ayrıca önerilen denetleyici tasarımları, Uluslararası Standartlar Teşkilâtı (ISO) standartlarında tanımlanan yol pürüzlülük profilleri altında incelenmiştir. Farklı eğri yarıçapına sahip yol profilleri ile gürbüz kontrol ve uyarlamalı kontrol tasarımlarının, odaklanan performans kriterlerine etkileri araştırılmış ve kontrolör etkinliği MR sönümleyicinin bağlı olmadığı `Kontrolsüz`, MR sönümleyicinin bağlı olduğu ancak herhangi bir gerilim uygulanmadığı ''Pasif'' durumlar ile sonuçlar kıyaslanmıştır. Önerilen denetleyici etkinlikleri 38 serbestlik derecesine sahip bir monoray modeli içeren eşzamanlı simülasyon ortamında test edilmiştir. Oluşturulan bu yapı ile birlikte farklı hız ve rüzgar yükü gibi çalışma şartları oluşturulabilmektedir. Ayrıca, deneysel test sistemi kullanılarak deneysel kontrol çalışması gerçekleştirilmiştir. Monoray tahrik tekerlerinde, taşıt gövdesinin kütlesinde ve MR sönümleyici matematiksel model parametrelerinde belirsizlikler içerdiği kabulü ile kontrol tasarımları gerçekleştirilmiştir. Simülasyon ve deneysel sonuçları incelendiğinde, tasarlanan kontrol yapıları, kontrolsüz ve pasif durumlara kıyasla monoray taşıtın yuvarlanma, yalpalama ve düşey hareketlerini iyileştirdiği görülmektedir. Bu iyileştirmelerin konfor ve sürüş güvenliğinde sağladığı avantajların yanısıra, yarı aktif süspansiyon sistemine sahip monoray sistemleri ile küçük dönüş yarıçapları elde edilebileceği sonucuna varılmıştır.

This work is concerned with improving the curving performance of the monorail vehicles which are one of the modern mass transport systems, by using semi-active magnetorheological (MR) dampers. Controlling the curving dynamic of monorail vehicles with semi-active devices is a new research area. In the context of the study, a new barrier Lyapunov function (BLF) based constrained backstepping control design is presented for vibration suppression of the suspension system. The considered monorail vehicle has a single segment supported by two bogies. As a secondary suspension, lateral and vertical MR dampers are taken into consideration in addition to the air suspensions. Also, the proposed controllers are investigated along with the designed road profiles based on the International Standard Organization (ISO) 8608 classification. The control performances of the proposed control approach are compared with robust H∞ control, the quadratic Lyapunov function (QLF) based adaptive control and the passive case along with the designed road profiles. To make a conclusive judgment about the effectiveness of the proposed semi-active control strategies, a co-simulation structure that consists of a 38 degree of freedom (DOF) nonlinear full-scale vehicle model is constructed. Such a co-simulation structure provides an opportunity to investigate dynamic system response under various curve radius, vehicle speed and wind load effect. Also, proposed control approaches are implemented experimentally by using a suspension test setup. Parametric uncertainties in running tires and vehicle mass are taking into consideration in the control simulations. According to the simulation and experimental results, the designed controllers improved the roll, yaw and vertical motions of the monorail vehicle when compared to uncontrolled and passive cases. It is concluded that the proposed control approaches provide better ride comfort and ride safety without violating suspension rattle space constraint, and despite the uncertainties in suspension parameters as well as small turning radius can be achieved by monorail vehicles equipped with the semi-active suspension system.