Tez No	İndirme	Tez Künye	Durumu
455424		Slip-slide control system for railway vehicles / Demiryolu araçları için kayma-kızaklama kontrol sistemi Yazar:ÖNCÜ ARARAT Danışman: PROF. DR. MEHMET TURAN SÖYLEMEZ Yer Bilgisi: İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı Konu:Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering Dizin:	Onaylandı Doktora İngilizce 2017 94 s.
Demiryolu taşımacılığı, sağladığı sayısız avantajlar sayesinde birçok ülkede yolcu ve yük taşımacılığı alanında en çok tercih edilen yöntemdir. Demiryolu araçları alternatifleriyle kıyaslandığında çok daha az probleme sahip olsa da, daha güvenli ve ekonomik bir ulaşım için halen çözülmesi gereken birçok teknolojik konu bulunmaktadır. Yetersiz frenleme ve çekiş performansına, bunun yanında teker ve rayların olağan ömürlerinden önce deforme olmasına sebep olan kayma - kızaklama problemi, çözülmesi gereken bu konular arasında yer almaktadır. Demiryolu araçları, ihtiyaç duyulan çekiş ve frenleme etkilerini yaratabilmek için teker ve ray arasında oluşan adezyon kuvvetlerini kullanmaktadırlar. Bunun yanında adezyon, yüzey özellikleri, malzeme tipi, sıcaklık ve hız gibi birçok parametreye bağlı, oldukça karmaşık bir olaydır. Fakat deneysel sonuçlar, sayılan bütün bu parametrelerin her bir kombinasyonu için teker ve ray arasındaki adezyon kuvvetini maksimum seviyeye çıkartan optimum bir kayma oranının var olduğunu göstermektedir. Kayma - kızaklama kontrol sisteminin görevi, kayma oranını bu optimum değerde tutarak frenleme ve çekiş kuvvetlerini elde edilebilecek maksimum değerlere çıkartmaktır. Ne yazık ki, ne kayma oranının doğru bir şekilde elde edilmesi, ne de optimum kayma oranının farklı hız ve çevre koşulları için tespit edilmesi kolay bir görev değildir. Kayma oranı, teker ve ray arasındaki bağıl doğrusal hızın, çekiş esnasında teker doğrusal hızına, frenleme esnasında ise araç çizgisel hızına olan oranı olarak tanımlanabilir. Bu tanımdan da anlaşılabileceği gibi, kayma oranının doğru bir şekilde elde edilebilmesi için hassas araç hızı bilgisine ihtiyaç duyulmaktadır. Demiryolu araçlarının çizgisel hızını tespit edebilmek için birçok yöntem denenmiştir. Bu yöntemlerden biri, radar/lidar cihazlarıyla çizgisel hızın doğrudan ölçülmesidir. Fakat, hız ölçümünde çok hassas bilgi sağlayabilseler de, çok pahalı olmaları ve çevresel koşullara (sis, yağmur, vb.) karşı duyarlılıkları sebebiyle bu sensörler kayma - kızaklama kontrol sistemlerinde çok fazla tercih edilmemektedirler. Hız bilgisini elde edebilmenin bir diğer yolu GPS sinyallerinin kullanımıdır. Literatürde, GPS hız bilgisini tekerlek hız sensörü, ivmeölçer ve IMU gibi cihazlarla sağlanan bilgiyle birleştirip hassas çizgisel hız bilgisinin temini için önerilen birçok yöntem mevcuttur. Maalesef, GPS sinyaline erişimin herhangi bir garantisinin olmaması sebebiyle bahsi geçen sistemler beklenen güvenlik seviyelerini sağlayamamaktadır. Bütün akslardan gelen hız bilgilerini birleştirip anlamlı bir çizgisel araç hızı bilgisi tedarikini amaçlayan bulanık mantık ve yapay sinir ağları gibi uygulamalar ilk bakışta uygun bir alternatif olarak gözükseler de yeterli performansı sergileyememektedirler. Araç hızının model tabanlı gözlemleyicilerle elde edilmesi ise gerek güvenlik perspektifinden, gerekse ölçüm hassasiyeti açısından bakıldığında henüz uygulanabilir gözükmemektedir. Bunun yanında, çekiş olmayan akslardaki teker hızları kullanılarak kabul edilebilir ölçülerdeki hata payıyla araç hızına ulaşılması mümkündür. Fakat, modern lokomotiflerin çoğu bütün asklardan tahrikli olduklarından, bu çözümün pratik uygulaması pek yoktur. Araç çizgisel hızının tespiti için gerekli hassasiyeti ve güvenlik isterlerini sağlayabilen bir yöntemin olmayışı araştırmacıları alternatif yaklaşımlara yönlendirmiştir. Kayma - kızaklama kontrolü için önerilebilecek en basit yöntem, farklı akslardan gelen teker hız verilerinin anlamlandırılmasına dayalıdır. Bu yöntemde, kayan/kızaklayan aksın diğer akslara göre daha hızlı/yavaş döndüğü varsayımıyla aşırı kayma - kızaklama durumlarının tespiti amaçlanmaktadır. Beklendiği gibi, birçok farklı durumda bahsi geçen yöntem tüm akslardan temin ettiği tekerlek hız verileriyle yetersiz adezyon durumlarını tespit edebilmektedir. Fakat, tüm aksların aynı anda kayması ve ya kızaklaması durumunda bu basit yöntem işlevsiz kalmaktadır. Bununla birlikte, adezyon kullanımında önemli performans avantajları sunan başarılı kayma - kızaklama kontrol yaklaşımları da mevcuttur. Endüstriyel uygulamaya da sahip bu başarılı yöntemlerin çoğu, aşırı kayma - kızaklama durumlarını tekerlek açısal ivme bilgisine dayanarak belirleyebilmektedir. Bu metotlardan birinde, tekerlek setinin belirli bir ivmenin üzerinde hızlandığı tespit edildiği takdirde, akslardan biri "güvenilir aks" olarak seçilir ve bu aks üzerindeki çekiş torku düşürülerek adezyon koşullarının "mikro - kayma bölgesi" olarak adlandırılan alana aktarılması sağlanır. Güvenilir aks üzerindeki doğrusal tekerlek hız bilgisi yaklaşık olarak çizgisel araç hızı bilgisine eşit olarak kabul edilebileceğinden, tüm akslardaki kayma - kızaklama değerleri bu aksın hız bilgisine göre kontrol edilir. Genel hatlarıyla açıklanan bu yöntem problem için uygun bir çözüm olarak gözükse de, güvenilir aks üzerindeki adezyon kuvveti minimum düzeyde tutulduğundan optimum yaklaşım olarak değerlendirilememektedir. Başka bir yaklaşım (Bozucu Gözlemleyici Tabanlı Kontrol), yine aşırı kayma - kızaklama durumlarını tekerlek ivme bilgisi ile belirlerken, merkezcil bir kontrol yerine, aks bazlı bir kontrolü tercih etmiştir. Buna göre kontrolör, ilk olarak aşırı kaymanın/kızaklamanın tespit edildiği akstaki referans motor torkunu düşürerek adezyon durumunun mikro - kayma bölgesine taşınmasını sağlar. Sonraki adımda, referans motor torku belirli bir hızda arttırılarak bozucu gözlemleyicisinin belirlediği maksimum değere ulaştırılır. Son adımda makinistin talep ettiği değer tekrar denenerek olası adezyon iyileşme durumları tespit edilmeye çalışılır. Ne yazık ki, endüstriyel uygulamaya haiz bu yöntemin de bazı sorunları vardır. İlk olarak, yöntemin doğası itibariyle yol koşullarındaki değişimin tespiti nispeten yavaştır. Adezyon durumundaki iyileşmenin hızlı bir şekilde belirlenmesi için daha verimli stratejilere ihtiyaç vardır. Başka bir problem ise, hız bilgisinin sayısal türevinin ardından kullanılan filtrenin gecikmesinden kaynaklanabilecek olası kararsızlık durumudur. Pratik uygulamada başarılı sonuçlar alan bir diğer yaklaşım (Direkt PD Faz Kayması Kontrolü) referans motor torkuyla motor hızı arasındaki faz kaymasının kontrolüne dayanmaktadır. Bu yaklaşımda, adezyon durumu kararlı bölgeden kararsız bölgeye geçerken, çekiş sistemi giriş ve çıkış sinyallerinin arasındaki faz kaymasının belirli bir değer aldığı savunulmaktadır. Bahsi geçen yöntemde, referans motor torkunun kontrolü yoluyla faz kaymasının, çekiş sisteminin dinamiği ve filtre gecikmelerine bağlı olarak belirlenen bir değerde tutulması hedeflenmektedir. Bu metodun dezavantajı ise, çekiş sisteminin sürekli olarak belirli bir frekansta uyarılmasıdır. Diğer gerçek - zamanlı sistem tanılama yöntemleri yetersiz kaldığı için bu yaklaşımda, referans motor torkuna bir sinüzoidal sinyal eklenir ve ortogonal korelasyon metodu kullanılır. Başka bir sıkıntı ise yaklaşımın kompleks kontrolör yapılarına ihtiyaç duymasıdır. Bu tez kapsamında, demiryolu araçlarındaki kayma - kızaklama durumlarının kontrolü için iki farklı yöntem geliştirilmiştir. Birinci yaklaşım Olay Tabanlı Kayma - Kızaklama Kontrolüdür. Bu yöntemde, aşırı kayma - kızaklama durumlarının tespiti tekerlek hız sinyalinden türetilen tekerlek ivme bilgisine dayanılarak gerçekleştirilmektedir. Teker ivmesinin büyüklüğünün aracın izin verilen/olası maksimum ivmelenmesine dayanarak seçilen eşik değerden daha yüksek olması durumunda, kontrolör devreye girerek referans motor torkunun büyüklüğünü düşürür ve adezyon durumunun mikro - kayma bölgesine aktarılmasını sağlar. Toparlanma modu olarak adlandırılabilecek bu evrede, çekiş sisteminin giriş ve çıkış sinyalleri arasındaki faz kayması ortogonal korelasyon metoduyla tespit edilerek, önerilen stratejinin kontrol fazında kullanacağı adezyon koşulları bilgisini tahmin etme süreci hızlandırılır. Bu evrenin ardından, kontrolör faz kayması değerini önceden belirlenen alt ve üst limitler arasında tutma yoluyla adezyon kullanımını maksimum seviyeye ulaştırmaya çalışır. Bu şekilde önerilen yöntem, kontrol fazında türev yoluyla elde edilmiş tekerlek ivmesine ihtiyaç duymaz ve Bozucu Gözlemleyicisi Tabanlı Yaklaşımdakine benzer olası kararsızlık problemlerinin önüne geçilmiş olur. Ek olarak, önerilen kontrolör kontrol fazında sürekli olarak faz kayması bilgisine dayalı olarak adezyon durumunun tahminini gerçekleştirdiği için, Bozucu Gözlemleyicisi Tabanlı Yönteme kıyasla yol koşullarındaki iyileşmelere daha hızlı tepki verir. Son olarak önerilen yaklaşım, Direkt PD Faz Kayması Kontrolü yöntemindeki gibi çekiş sisteminin sürekli uyarılması ve dolayısıyla sistemdeki komponentlerin olağandan daha kısa sürede yorulması problemini bertaraf etmiş olur. Geliştirilen Olay Tabanlı Kayma - Kızaklama Kontrol yöntemi, istenen faz kayması alanını bütün araç hızları için sabit değerlerdeki alt ve üst limitlerle oluşturma yolunu seçmiştir. Her ne kadar istenen faz kayması bölgesinin alt limitinin optimum değeri değişen araç hızı durumları için pek farklılık göstermese de, üst limit için bütün hızlarda sabit değer kullanımı, adezyon kuvvetinin oluşum sürecinin araç hızından önemli ölçüde etkilenmesi sebebiyle kayma - kızaklama kontrol sisteminin performansını sınırlamaktadır. Tez kapsamında önerilen ikinci yöntem, istenen faz kayması alanı için farklı araç hızlarında farklı üst limit değerleri kullanarak adezyon kullanımı daha da yükseltmeye çalışan, Olay Tabanlı Kayma - Kızaklama Kontrolörünün adaptif alternatif bir formudur. Önerilen yöntemlerin performansı farklı sürüş koşulları ve adezyon durumları için test edilmektedir. Aynı koşullarda, birincisi Bozucu Gözlemleyicisi Tabanlı Kontrolör diğeri ise Direkt PD Faz Kayması Kontrolörü olmak üzere, endüstriyel uygulamaya haiz iki farklı kontrolör daha denenmektedir. Hassas olarak araç hızı ve sürtünme katsayısı verisine ulaştığı varsayılan Optimal Kontrolörün verdiği sonuçlar ise, performans karşılaştırmalarında referans değerler olarak kullanılmaktadır. Birinci test senaryosunda, araç maksimum hızına yakın bir hızda ilerlerken makinist aniden tam frenleme isteğinde bulunmaktadır. Bununla birlikte, frenleme isteğinde bulunulan noktada sürtünme katsayısı çok düşüktür. İkinci test senaryosu ise kontrolörlerin çekiş performansının belirlenmesinde kullanılmaktadır. Frenleme testine benzer şekilde, oldukça düşük başlangıç adezyon koşullarında makinist, tam çekiş isteğinde bulunmaktadır. Sürtünme katsayısı belirli bir süre sonra normal koşullarına erişirken, kısa bir bölgede tekrar düşmektedir. Üçüncü senaryonun amacı kontrolörlerin hızla değişen sürücü istekleri ve adezyon koşulları altında performanslarının analiz edilmesidir. Bu durumda makinist, düşük sürtünme katsayısına sahip başlangıç bölgesinde tam çekiş isteğinde bulunmaktadır. Sonrasında, düşük adezyon koşullarına sahip bu bölgede makinist isteğini tam çekişten tam frenlemeye dönüştürmektedir. Frenleme esnasında ise adezyon koşulları tekrar iyileşmekte, bu durumu takiben de makinist isteğini tekrar çekiş yönüne çevirmektedir. Son olarak, tam çekiş durumunda sürtünme katsayısı belirli bir bölge boyunca tekrar düşmektedir. Test sonuçları, Adaptif Kayma - Kızaklama Kontrolü ve Olay Tabanlı Kayma Kızaklama Kontrolü formunda önerilen metodun diğer yöntemlere oranla değişken adezyon koşulları ve sürücü isteklerine daha hızlı cevap verebildiğini ve düşük sürtünme katsayısına sahip bölgelerde adezyon koşullarından daha iyi yararlanabildiğini göstermektedir. Bununla birlikte sunulan bu yaklaşım, çekiş sisteminin sürekli uyarılmasına da ihtiyaç duymamaktadır. Önerilen yöntemin bir diğer avantajı ise tekerlek ivmesine dayalı başka stratejiler gibi kararlılık problemi göstermemesidir. Bunun yanında, test sonuçları adaptif formdaki kontrolörün faz kayması bilgisini daha iyi kullanabilmesi sebebiyle, konvansiyonel yönteme göre adezyon koşullarından daha iyi yararlanabildiğini göstermektedir.
In railway transportation, braking and traction forces mainly depend on normal force and adhesion coefficient between wheel and rail. Regarding the restrictions on controlling normal force, maximization of adhesion coefficient seems to be the only way of increasing braking and tractive efforts. Moreover, efficient utilization of adhesion can also reduce operating costs with avoiding early wheel and rail damages and minimizing trip time. On the other hand, adhesion between the rail and the wheel is a highly dynamic function of many parameters such as environmental conditions, speed and slip ratio. The aim of this thesis is construction of a slip - slide control scheme which maximizes adhesion utilization in addition to avoid excessive situations resulting in component failures. Two different control approaches are proposed in the scope of this thesis. The first method relies on an Event Based Slip - Slide Control Scheme. In this approach, the excessive slip - slide situations are detected with wheel acceleration information which is derived from the measured wheel speed. If the wheel acceleration is higher than the predefined threshold that is chosen considering the maximum possible/permissible acceleration/deceleration of the vehicle, the controller takes action and decreases the magnitude of the reference motor torque in order to return the adhesion status back to the micro - slip area. During such a recovery mode, the phase shift between the input and the output of the traction system is observed using the orthogonal correlation method to accelerate the proposed control strategy by determining the adhesion status in advance. Then, the controller tries to maximize adhesion utilization by holding the phase shift value between the predefined upper and lower limits. Finally, the control action is terminated as soon as the braking/tractive effort fulfills the driver request due to recuperation on road conditions. The developed Event Based Slip - Slide Control Method forms the desired phase shift area with constant borders (upper and lower limits) for all possible vehicle velocities. Although the optimal lower limit of the desired phase shift area does not show any noticeable change with the varying vehicle velocity, using a constant value for the upper limit restricts the performance of the slip - slide control system since the adhesion formation process is largely affected by the vehicle velocity. The second slip - slide control system proposed in the scope of this thesis is an alternative form of the Event Based Slip - Slide Control System which uses adaptive upper limit for the desired phase shift area with respect to the vehicle velocity in order to improve adhesion utilization. Two different benchmark approaches which are Disturbance Observer Based Control and Direct PD Control of Phase Shift are tested with the proposed methods under different driving scenarios and adhesion conditions. The adhesion utilization of an Optimal Controller which has an access to both accurate vehicle velocity and friction coefficient is used as a reference performance criterion. The test results show that both the proposed Adaptive and Event Based Slip - Slide Control Systems provide rapid response to quickly changing adhesion conditions and driver requests while maximizing the braking/tractive effort even in poor adhesion conditions. In addition to their better performances in adhesion utilization, the proposed control schemes do not need the calculated wheel acceleration during the control phase and the possible stability problem of the Disturbance Observer Based Controller is prevented. What is more, the proposed controllers react extremely fast to the recuperated road conditions unlike the Disturbance Observer Based Controller, since the adhesion status is continuously estimated during the control phase using the observed phase shift information. Last but not least, the proposed approaches do not necessitate the persistent stimulation of the traction system as it is needed in the Direct Phase Shift Control method which might cause early damages in the traction system components. However, it is also shown that the adaptive form of the proposed method increases the adhesion utilization compared to the conventional one by using the phase shift information more efficiently.