Diseño de un Sistema de Control para la suspensión activa en la cabina de un Forwarder

Abstract

[ES] La industria forestal desempeña un papel fundamental en Suecia, las manufacturas de máquinas forestales están bajo presión constante para lograr tanto una alta productividad como confort en sus productos. Una Forwarder es un vehículo forestal que transporta troncos cortados en el proceso de talado de árboles. Debido al terreno irregular del bosque, esta sufre muchas vibraciones de baja frecuencia y alta amplitud durante la operación debido. Por lo tanto, es necesario introducir un sistema de suspensión para la cabina con el fin de reducir lo máximo posible todo tipo de vibraciones en dicha cabina. Los principales objetivos de esta tesis son desarrollar, implementar y probar una técnica de control factible para el sistema de suspensión activa para la cabina, así como verificar el rendimiento del controlador en términos de reducción de vibraciones y consumo de energía. Este proyecto se centra en el banco de pruebas disponible instalado en ac kth sala de laboratorio el cual simula una cabina real de dicha máquina. Un estudio exhaustivo de un nuevo prototipo de válvula en el cual se ha testeado el rendimiento de esta válvula bajo diferentes condiciones de uso. Gracias a los test llevados a cabo la válvula pudo optimizarse para que esta trabajara en sus condiciones óptimas en este sistema. Tras la calibración de la válvula un modelo del sistema fue diseñado usando la técnica de la “caja negra”. El modelo se aproxima un 96 % al sistema real de la cabina y su comportamiento. Se diseñaron diferentes controladores con este modelo, siendo el que obtuvo el mejor resultado el que se diseñó usando programación de la ganancia. El sistema tiene un retardo de 36 ms, por lo tanto, se estudió cómo aumentaría el rendimiento de este controlador si se redujera el efecto del retardo. El estudio muestra que la reducción del retardo a valores próximos a 0-2 ms supondría una mejora en el rendimiento de amortiguación de 60 % a 90 %. Smith Predictor se implementó en el controlador de programación de ganancia con el fin de reducir el efecto del retardo. Los resultados demostraron mayor rendimiento y un comportamiento más robusto del controlador con Smith Predictor. Varios test fueron implementados para obtener diferentes posibilidades que una máquina de este tipo podría encontrarse durante un día de trabajo. Estas pruebas se han realizado tanto en una plataforma de prueba como en un entorno de simulación. La prueba final se realizó utilizando un modelo de una pista de pruebas real de Skogforsk. Esta pista se utiliza para probar diferente maquinaria forestal ya que simula el terreno en un bosque. En base al resultado de la simulación, el porcentaje medio de reducción de las vibraciones del controlador con Smith Predictor es del 70 % lo que muestra que el sistema reduce la vibración de la cabina de una manera efectiva. Además, la potencia máxima necesaria durante la operación del sistema es de 11,63 kW, lo que es factible para implementar este sistema en una máquina real.

[EN] The forest industry plays an important role in Sweden, and forest machine manufactures are under constant pressure to achieve both high productivity and comfortable operating environment in its products. A forwarder is a forestry vehicle that carries logs which are cut by a harvester. It suffers a lot of low frequency and high amplitude vibrations during the operation because of the rough terrain in forests. Therefore, it is necessary and vital to introduce an active cab suspension system in order to reduce the whole vibrations in the forwarder cab. The main purposes of this thesis are to develop, implement and test a feasible control strategy for the active cab suspension system as well as verify the controller’s performance in terms of vibration reduction and power consumption. This project is focused on the available mechanical rig installed at KTH lab hall, instead of a real forwarder. A deep study has been carried out on a new valve prototype. Exhausted tests were made to test the performance of this valve under different conditions. From the test results, the valve was tuned in order to get the best performance out of it. Once the valve has been well calibrated, a model of the whole system was estimated by using Black-box estimation. The model has a 96% of matching between the stimulation data and the validation data. Different controllers were designed with this model, and the best one was designed by the gain scheduling method. The system has a delay of 36 ms, therefore, it was studied how the performance of this controller would increase if the effect of the delay was reduced. The study shows that reducing the delay to around 0-2 ms, the suspension system is able to reduce the vibration from 60% to 90%. Smith Predictor was implemented into the gain scheduling controller in order to reduce the effect of the delay. The results demonstrated a better and more robust performance of the controller with Smith Predictor. Several test cases were implemented to seek a wide range of possible vibrations that a forwarder could handle in the forest. These tests have been done both in a test rig and in a simulation environment. The final test was conducted by using a real track test model obtained from Skogforsk. This track is used for testing different systems in a test forwarder since it simulates the terrain in a forest. Based on the simulation result, the total disturbance reduction percentages of Smith Predictor controller are 75% for heave, 68% for pitch and 73% for roll, which shows the system reduces the cab vibration. Moreover, the maximum amount of power needed during the forwarder operation is 11.63 kW which is feasible for implementing this system on the actual forwarder.