Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11527/14055
Title: Yol Taşıtları İçin İleri Kontrol Sistemleri
Other Titles: Advanced Control Systems For Ground Vehicles
Authors: Güvenç, Bilin Aksun
Emirler, Mumin Tolga
10063342
Makina Mühendisliği
Mechanical Engineering
Keywords: Otomatik kontrol
Taşıt dinamiği kontrolü
Dayanıklı (Gürbüz) kontrol
Parametre uzayı
Bozucu gözleyicisi
Otonom taşıtlar
Elektrikli taşıtlar
Elektronik kararlılık kontrolü
Zaman gecikmeli sistemler
Motor kontrolü
Automatic control
Vehicle dynamics control
Robust control
Parameter space
Disturbance observer
Autonomous vehicle
Electric vehicles
Electronic stability control
Time delayed systems
Motor control
Issue Date: 26-Jan-2015
Publisher: Fen Bilimleri Enstitüsü
Institute of Science And Technology
Abstract: 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.
Description: Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015
Thesis (PhD) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2015
URI: http://hdl.handle.net/11527/14055
Appears in Collections:Makine Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
10063342.pdf1.62 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.