|
Taşıt kontrol sistemleri veya diğer bir deyişle otomotiv kontrolü, ileri kontrol
sistemlerinin en önemli uygulama alanlarından biridir. Elektronik teknolojisindeki
ilerlemelerle birlikte, taşıtlarda kontrol sistemi kullanımı giderek yaygınlaşmıştır.
Taşıt kontrol sistemleri, yolcu güvenliğinin artırılmasında, kirletici bileşen salınımının
azaltılmasında ve taşıtlarda yakıt ekonomisinin sağlanmasında oldukça önemli bir rol
oynamaktadır. Günümüzde taşıtlara uygulanmış olan kontrol sistemleri; frenleme
esnasında tekerleklerin kilitlenmesini önleyen ABS, çekiş kontrolü sağlayan TCS, taşıt
yanal kararlılığının sağlanmasına yardımcı olan ESC, öndeki taşıt ile otomatik olarak
hız kontrolünü sağlayan ACC, özellikle ağırlık merkezi yerden yüksek olan taşıtlarda
kullanılan devrilme önleyici sistemler, şerit ihlali uyarıcı ve şerit takip sistemleri
LDW/LKA ve çarpışma uyarıcı ve önleyici sistemler CW/CA olarak sayılabilir.
Taşıt kontrol sistemleri; güvenliği artırmaya, kirletici seviyelerini istenen seviyelere
düşürmeye ve taşıtlarda yakıt ekonomisinin sağlanmasına yardımcı olmasının yanısıra
akıllı taşıt ve ulaşım sistemlerinin de en temel bileşenlerinden birisidir. Örneğin
ACC ve ESC sistemleri otonom taşıt davranışının ilk örneklerindendir. Taşıt
kontrol sistemlerinde elde edilen gelişmeler direkt olarak otonom taşıt çalışmalarını
etkilemektedir.
Bu tezde yol taşıtı kontrol sistemleri için önemli olan problemler, dayanıklı kontrol
teorisi çerçevesinde ele alınarak çözüm getirilmeye çalışılmıştır. Özellikle parametre
uzayı tabanlı dayanıklı kontrol ve bozucu gözleyici yaklaşımları taşıt kontrol
problemlerinin çözümünde metot olarak kullanılmıştır. Tez kapsamında araştırılan
problemler şunlardır: tam elektrikli taşıtlar için dayanıklı DC motor hız kontrolü, CAN
hattı üzerinden taşıt savrulma dinamiği kontrolü için zaman gecikmesi telafisi, otonom
taşıtlar için dayanıklı direksiyon kontrol sistemi tasarımı ve tam elektrikli taşıtlar
için taşıt yanal dinamiğinin kontrolü.
İlk olarak, tam elektrikli araçlarda dayanıklı DC motor hız kontrolü problemi
ele alınmıştır. Parametre uzayı yaklaşımı kullanılarak motor parametrelerindeki
belirsizlikler dikkate alınarak dayanıklı PI kontrolcü tasarımı gerçekleştirilmiştir.DC
motorda belirsizlik içeren parametreler, motor tork sabiti ve motorun toplam atalet
momenti olarak seçilmiştir. Dayanıklı PI kontrolcü tasarımında, Hurwitz kararlılığı,
D-kararlılığı, faz payı istekleri ve frekans domeni istekleri gibi çok amaçlı tasarım
ihtiyaçları dikkate alınmıştır. Bu tasarım ihtiyaçları, parametre uzayında gösterilerek
dayanıklı PI kontrolcünün katsayıları istenen tasarım kriterlerini sağlayacak şekilde
seçilmiştir.
Dayanıklı PI kontrollü sistemin istenen girişi takip özelliğini artırmak ve bozuculara
karşı hassasiyetini azaltmak için önerilen kontrol sistemine ek olarak bozucu gözleyici
kullanılmıştır. Bozucu gözleyici tabanlı kontrol, kontrol sisteminin modelleme hatalarına
ve bozucu etkilere karşı hassasiyetini azaltan ve sistemin istenen nominal
model davranışını göstermesini sağlayan bir yöntemdir. Bu yöntem, mekatronik
sistemlerin kontrolü sahasında çeşitli uygulama alanlarında kullanılmaktadır. Bozucu
gözleyici tabanlı taşıt yanal dinamiği kontrolü, dayanıklı atomik kuvvet mikroskobu
kontrolü, imalat sistemleri kontrolü, elektrikli bisiklet kontrolü ve sabit disk servo
sistem kontrolü bu uygulamalardan birkaçıdır.
Bu tezde bozucu gözleyici tasarımı DC motor hız kontrolünde sistem cevabını
iyileştirmek ve bozucu etkisinin sistem cevabına olan negatif etkisinin azaltılmak için,
dayanıklı kararlılık koşulu gözönüne alınarak gerçekleştirilmiştir. Dayanıklı bozucu
gözleyici tasarımında, PI kontrolcü tasarımında dikkate alınmayan modellenmemiş
dinamik ve zaman gecikmesi de hesaba katılmıştır. Parametre uzayı tabanlı dayanıklı
PI kontrolcü ve ek bozucu gözleyici, simülasyonlar ve deneyler yardımıyla test
edilmiştir. Üç farklı deney, DC motor seti kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu testler;
istenen girişi takip testi, basamak bozucu etkisi testi ve rampa bozucu etkisi testidir.
Dayanıklı PI ve ek bozucu gözleyici kontrol sistemi, tüm simülasyon ve deneylerde
daha iyi performans göstermiştir.
İkinci olarak, otomotiv kontrol uygulamalarındaki zaman gecikmesi problemi
incelenmiştir. Zaman gecikmesi, sistem frekans cevabına negatif faz açısı ekleyerek
sistemin kararlılık özelliklerini kötüleştirmekte ve kimi durumlarda da sistemde
kararsızlığa yol açmaktadır. Tez kapsamında, zaman gecikmesi telafisi için zaman
gecikmesi gözleyicisi önerilmiştir. Zaman gecikmesi gözleyicisi, gecikme telafisinde
sıklıkla kullanılan Smith tahmincisine göre, zaman gecikmesi modeli gerektirmemesi
ve zamanla değişen gecikmelerde de iş görmesi bakımından oldukça avantajlıdır.
Zaman gecikmesi gözleyicisi yapı olarak bozucu gözleyiciye benzemekle birlikte, bu
gözleyici de kullanılan bozucu tanımlaması ve zaman gecikmesi telafisi kısmı bozucu
gözleyiciden farklıdır.
Tez kapsamında öncelikle zaman gecikmesi gözleyicisi ve network bozucu konsepti
anlatılmıştır. Daha sonra zaman gecikmesi gözleyicisi,dördüncü dereceden serbest
integratörlü bir sistemde zaman gecikmesini telafi etmek için kullanılmıştır. Zaman
gecikmeli serbest integratörlü sistemler, kararsız zaman gecikmeli sistemlerin özel
bir örneği olduğu için bu tip bir sistem seçilmiştir. Değişken zaman gecikmeleri ile
simülasyonlar yapılarak, zaman gecikmesi gözleyecisinin çalışması incelenmiştir.
Tezde sabit ve zamanla değişen gecikme durumlarında dayanıklı zaman gecikmesi
gözleyici tasarımı için, özgün bir dayanıklı kararlılık koşulu geliştirilmiştir. Bu
dayanıklı kararlılık koşulu kullanılarak, örnek zaman gecikmeli serbest integratörlü
sistem için zaman gecikmesi gözleyici tasarlanmıştır. Çeşitli simülasyonlarla, önerilen
sistem test edilmiştir.
Uygulama alanı olarak, zaman gecikmesi pek çok otomotiv kontrol probleminde
görülmekte ve bu sistemlerde kararsızlığa yol açabilmektedir. Bu tip sistemlere
örnek olarak; rölanti devri kontrol sistemleri, motor hava yakıt karışımı oranı
kontrol sistemleri, araç güç iletim sistemlerindeki sarsma önleyici kontrol sistemleri,
kooperatif adaptif seyir kontrol sistemleri ve CAN üzerinden gerçekleştirilen tüm
dağıtılmış kontrol sistemleri sayılabilir. Tez kapsamında zaman gecikmesi gözleyicisi,
CAN hattı üzerinden taşıt savrulma dinamiği kontrolünde zaman gecikmesinin
kararsızlığa yol açan etkisinin giderilmesinde kullanılmıştır. Zaman gecikmesi
gözleyicisi tasarımında, zamana bağlı değişen gecikmeler için önerilen, dayanıklı
kararlılık koşulundan yararlanılmıştır. Yapılan çalışmada, PI kontrollü taşıt savrulma dinamiğinin, zamanla değişen gecikme altında kararsızlığa gittiği görülmüştür.
Sisteme eklenen zaman gecikmesi gözleyicisi sayesinde taşıt kararlı hale getirilmiş
ve taşıtın istenen savrulma açısal hızını başarıyla takip etmesi sağlanmıştır.
Üçüncü olarak, otonom taşıtlar için dayanıklı otomatik direksiyon kontrolü üzerinde
durulmuştur. Taşıt kütlesi, taşıt hızı ve tekerlek-yol sürtünme katsayısındaki
belirsizlikler dikkate alınarak parametre uzayı yaklaşımı ile dayanıklı PID direksiyon
kontrolcüsü tasarımı yapılmıştır. Kontrolcü tasarımında tek izli taşıt modeline
referans yolu takip etme dinamiği eklenerek oluşturulmuş taşıt yönlendirme modeli
kullanılmıştır. Tasarlanan kontrolcüyü test edebilmek için, doğrulanmış nonlineer taşıt
modeli kullanılmıştır. Model doğrulama çalışmasının sonuçları verilerek model ile
gerçek taşıt sonuçlarının uyumu gösterilmiştir. Daha sonra da tasarlanan dayanıklı PID
direksiyon kontrolcüsünün farklı yörüngelerde ve farklı yol koşullarındaki performansı
yapılan simülasyon çalışmalarıyla irdelenmiştir.
Üstte belirtilen yaklaşımdan farklı olarak dijital yol haritası ve GPS ölçümlerine dayalı
dayanıklı direksiyon kontrol sistemi tasarımı da tez kapsamında gerçekleştirilmiştir.
Yüksek çözünürlüklü dijital harita kısıtlanmış en küçük kareler yöntemi kullanılarak
üretilmiştir. Taşıt ağırlık merkezinin istenen rotadan sapma miktarı ve taşıt sapma açısı,
üretilen harita ve gerçek zamanlı taşıt pozisyon bilgisi kullanılarak hesaplanmıştır.
Dayanıklı PID direksiyon kontrol sisteminde, geri besleme olarak taşıttan belli bir ön
mesafedeki rotadan sapma miktarı kullanılmaktadır. Bu geri besleme sinyali, harita
ve gerçek zamanlı taşıt pozisyon bilgisinden yararlanılarak bulunan taşıtın rotadan
sapma miktarı ve taşıt sapma açısı kullanılarak hesaplanmaktadır. Önerilen metot,
sekiz bölmeli bir yolda doğrulanmış nonlineer taşıt modeli kullanılarak başarıyla test
edilmiştir.
Son olarak, tam elektrikli taşıtlarda yanal kararlılık problemi konusu ele alınmıştır.
Problemin çözümü için iki farklı kontrol sistemi önerilmiştir. Bunlar, bütünleşik yanal
kararlılık kontrol (ILSC) sistemi ve rejeneratif frenleme tabanlı yanal kararlılık kontrol
(RB-LSC) sistemidir.
ILSC sistemi, düzeltici savrulma momenti hesabı, fren torku dağılım algoritması,
tekerlek kayma kontrolcüsü ve elektrik motoru torku azaltma algoritması gibi altsistemlerden
oluşmuştur. Kontrolcü tarafından hesaplanan düzeltici savrulma momenti,
tekil frenleme yoluyla taşıta etkimektedir. Fren torku dağılım algoritmasıyla hangi
tekerleğin frenleneceği tespit edilmektedir. Frenleme gerçekleştirilirken tekerleklerin
kilitlenmesini önlemek için, tekerlek kayma kontrolcüsü kullanılmaktadır. Tekil
frenlemenin yeterli kalmadığı durumlarda ise elektrik motoru torku azaltılarak taşıtın
yanal kararlılığı sağlanmaya çalışılmaktadır.
RB-LSC sistemi, ILSC'ye göre daha basit ve ucuz, daha az sensör, tahminci ve eyleyici
kullanımı gerektiren bir yöntemdir. Bu kontrol sisteminde, elektrik motoru torku
kontrol edilerek taşıt yanal kararlılığı sağlanmaya çalışılmaktadır. RB-LSC sistemi
için iki farklı yaklaşım önerilmiştir. RB-LSC1'de elektrik motoru torku, taşıt yana
kayma açısı ve taşıt savrulma açısal hızı hata değerlerine göre bang-bang kontrolcü
yardımıyla kontrol edilerek rejeneratif frenleme gerçekleştirilmektedir. RB-LSC2'de
ise elektrik motoru torku sadece taşıt savrulma açısal hızı hata değerine göre PD
kontrolcü yardımıyla ayarlanarak rejeneratif frenleme yapılmaktadır. Belirtilen bu
ikinci yöntem, taşıt yana kayma açısı tahminine ihtiyaç duymamasından dolayı daha
avantajlıdır. Önerilen kontrol sistemlerin karşılaştırılmasında kullanılmak üzere Temel ESC olarak
adlandırılan PID tabanlı bir kontrol sistemi de tez kapsamında kullanılmıştır. Tüm
kontrol sistemleri, iki farklı test kullanılarak değerlendirilmiştir. Bu testler beklemeli
sinüs testi ve kanca testidir. Yöntemleri sayısal olarak karşılaştırmak için, taşıt
yanal dinamiğinin en önemli göstergeleri olan taşıt savrulma açısal hızının ve taşıt
yana kayma açısının hata değerleri kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, hem
beklemeli sinüs testine, hem de kanca testine göre en küçük taşıt savrulma açısal hızı
ve taşıt yana kayma açısı hata değerleri önerilen ILSC sistemi ile elde edilmiştir.
Ayrıca bahsedilen tüm yanal kararlılık kontrol sistemleri, standart ESC regülasyon
testi olan FMVSS No. 126 testine sokulmuştur. Temel ESC ve ILSC sistemleri bu
testi geçmiştir. RB-LSC sistemleri bu testi geçememesine rağmen, ESC sistemine
sahip olmayan taşıtlarda kısıtlı iyileştirme sağlayabilecek ucuz alternatif sürücü destek
sistemleri olarak önerilmiştir.
|
|
The vehicle control systems or automotive control is a very important application area
of the advanced control systems theory. Along with the advances in the electronics,
the control systems have been used in ground vehicles increasingly. They have been
played vital role in vehicles by improving safety, reducing pollutant emissions and
providing fuel economy. This thesis focuses the important problems of the ground
vehicle control systems within the scope of the robust control methodology, especially
based on the parameter space and the disturbance observer approaches. Four different
problems are investigated in the thesis: robust DC motor speed control for fully electric
vehicles, time delay compensation for the vehicle yaw stability control systems, robust
automatic steering control for highly automated driving and the lateral stability
control for fully electric vehicles.
Firstly, the robust DC motor speed control problem for fully electric vehicles is
investigated. The parameter space approach based robust PI controller design is
performed considering the uncertain motor parameters. In the robust PI controller
design step, the multi-objective design requirements are taken into account such
as Hurwitz stability, D-stability, phase margin bounds and the frequency domain
specifications. An add-on disturbance observer is employed to improve the tracking
and the disturbance rejection properties of the proposed robust PI control system.
The parameter space approach based robust PI controller and the add-on disturbance
observer is tested by the help of simulations and experiments. The robust PI plus
disturbance observer control system shows better performances for all the simulations
and experiments.
Secondly, the time delay problems in automotive control applications are discussed.
The communication disturbance observer approach for the time delay compensation
is introduced. A novel robust stability condition is developed for the cases of the
constant and the time varying delay. This robust condition is used in the design of
the communication disturbance observer for the forth order time delayed plant with
free integrator, which is a special case of unstable time delayed plants. The method
is also applied to the vehicle yaw stability problem over CAN bus which suffers from
the destabilizing effect of the time delay. It is seen that the time varying delay causes
instability in the case of only PI control but in the case of the add-on communication
disturbance observer, the vehicle becomes stable and also the yaw rate of the vehicle
follows the desired yaw rate successfully.
Thirdly, the robust automatic steering control for highly automated driving is studied.
The parameter space approach based robust PID steering control system is designed
considering the uncertainties in the vehicle mass, the vehicle velocity and the tire-road
friction coefficient. The designed robust controller is tested with the different paths
and the road conditions using the experimentally validated nonlinear vehicle model. Also,
the design of digital map and GPS measurements based robust steering controller is
performed. The high resolution digital map is generated using the constrained least
square method. The lateral deviation and the yaw angle of the vehicle, which are
used to determine the feedback signal of the controller, are calculated using this offline
generated map and online vehicle's position information. The proposed method is
tested successfully on an eight segments road with the validated vehicle model.
Lastly, the problem of lateral stability control for fully electric vehicles is discussed.
Two different control systems are proposed: integrated lateral stability control (ILSC)
and regenerative braking based lateral stability control (RB-LSC) systems. Also, a
benchmark PID based controller (Basic ESC) is used for the comparison of the control
systems. Two different tests (the sine-with-dwell and the fishhook) are performed to
analyze the proposed controllers. According to the results, the minimum errors of
yaw rate and side slip angle are obtained by the proposed ILSC system both for the
sine-with-dwell and the fishhook tests. In addition, the standard ESC regulation test
(FMVSS No. 126) is applied to the proposed control systems. The Basic ESC and
ILSC systems are passed the FMVSS No. 126 test. The RB-LSC systems are found as
cheaper alternative support systems in order to correct the yaw dynamics of vehicles
not equipped with ESC in a limited manner. |
