Estimación de estados sobre modelos CAE. Aplicación a la dinámica vehicular

Abstract

La estimación de estados permite conocer el valor de las variables de estado de un sistema dinámico cuando su medición resulta técnica o económicamente inviable. La realimentación de las variables de estado mejora el control del sistema, pero su estimación requiere un modelo que establezca las relaciones entre las variables del sistema. Actualmente, los modelos utilizados por la estimación de estados son matemáticos, donde las relaciones entre las variables se expresan con lenguaje matemático, lo que posibilita la implementación del observador de estados, que también está expresado en lenguaje matemático, pero conlleva simplificaciones que limitan el conocimiento que se obtiene del sistema real. La aplicación de las técnicas de control en dinámica vehicular, campo de la ingeniería que estudia los vehículos terrestres como sistemas multicuerpo, persigue el objetivo principal de aumentar la seguridad activa de los vehículos, haciendo la conducción más sencilla y previniendo los accidentes. Dada la gran importancia social de los vehículos desde mediados del siglo XX, las técnicas de control, incluyendo la estimación de estados, tienen gran relevancia en dinámica vehicular. Paralelamente, el vehículo como sistema multicuerpo es extraordinariamente complejo en cuanto al gran número de cuerpos rígidos y flexibles que interactúan en el tiempo y en el espacio a través de relaciones altamente no lineales. Es por ello que la dinámica vehicular es una de las principales aplicaciones de la ingeniería asistida por ordenador (Computer Aided Engineering). Los modelos CAE se han convertido en la herramienta fundamental para el desarrollo, simulación, análisis, optimización y control de sistemas complejos, entre ellos el vehículo como sistema multicuerpo. Una de las principales ventajas de estos modelos es la facilidad y flexibilidad para su creación y modificación, lo que permite la modelización de sistemas complejos manteniendo la fidelidad con el sistema real. A pesar del interés de la estimación de estados en las técnicas de control de sistemas dinámicos y de las ventajas del uso de modelos CAE en lugar de modelos matemáticos, la estimación de estados sobre modelos CAE aún no ha sido publicada. Además, la aplicación de la estimación de estados sobre modelos CAE a la dinámica vehicular es particularmente interesante dada la relevancia social del control de los vehículos terrestres, que repercute directamente en la seguridad, y su complejidad como sistemas dinámicos multicuerpo, que requiere el uso de modelos igualmente complejos. Esta Tesis presenta una primera metodología para la estimación de estados sobre modelos CAE que extiende los fundamentos conceptuales y de funcionamiento de la estimación de estados tal y como se ha planteado hasta el momento. La novedosa metodología se aplica en la estimación de los esfuerzos en un neumático a partir de mediciones de los esfuerzos en los elementos de la suspensión. La nueva propuesta para la estimación de los esfuerzos en el neumático es sólo posible gracias al uso de un modelo CAE, que permite disponer todos los efectos presentes en el sistema real, lo que además supone mayor fidelidad a la realidad. El conocimiento de los esfuerzos en el neumático es el objetivo de numerosas publicaciones científicas actuales con el fin de mejorar los sistemas de seguridad activa de los vehículos. La aplicación de esta metodología en dinámica vehicular proveerá de mayor conocimiento sobre lo que realmente ocurre en el vehículo, con la consiguiente mejora de los sistemas de control actuales (como los de seguridad activa) y de los futuros (entre los que se encontrarían sistemas de conducción automática).