Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11527/3819
Title: Bir Elektromekanik Aktif Süspansiyon Sistemi İçin Alternatif Kontrol Stratejileri
Other Titles: Alternative Control Strategies For An Electromechanical Active Suspension System
Authors: Akalın, Özgen
Kabil, Sevsel Gamze
424223
Otomotiv
Automotive
Keywords: süspansiyon
aktif süspansiyon
elektromekanik aktif süspansiyon
kontrol
konfor
suspension
active suspension
electromechanical active suspension
control
comfort
Issue Date: 6-Jan-2013
Publisher: Fen Bilimleri Enstitüsü
Institute of Science and Technology
Abstract: Günümüzde konvansiyonel taşıtlar başta olmak üzere en yaygın olarak kullanılan süspansiyon çeşidi pasif süspansiyon olmakla birlikte, elektrikli ve hibrit araçlara yönelinmesiyle çeşitli mekatronik aktif süspansiyon sistemlerine de ihtiyaç duyulmaya başlanmıştır. Geçtiğimiz yıllarda taşıt sürüş konforunu iyileştirmek amacıyla çeşitli aktif süspansiyon sistemleri geliştirilmiş ve markette yer bulmaya başlamıştır. Şu an için prototipleri üretilmiş ve kullanılan, “low bandwidth (slow active)” ve “high bandwitdh (fully active)” olmak üzere iki çeşit aktif süspansiyon sistemi bulunmaktadır. Enerji gereksinimleri, çalışma frekans aralıkları ve hızlarının kısıtlamaları farklı olan bu iki konseptten talebe göre uygun olan seçildikten sonra konfor ve güvenlik açısından en iyi sonuç alınabilecek kontrolcülerle bu sistemler desteklenmektedir. Bu aktif sistemlerin çoğu hidrolik kontrol elemanları içermekte olup, yüksek enerji tüketimi, hidrolik sistemin yağ vb. akışkanlarla çalışması sonucu kir tutabilmesi ve hibrit (ya da elektrikli) araçlara sınırlı uyumu gibi birkaç dezavantajı bulunmaktadır. Bu sebeple yine geçtiğimiz yıllarda, bu dezavantajlardan kurtulabilmek için süspansiyon yay yatağı (spring seat) pozisyonunu 5 Hz’e kadar kontrol eden elektromekanik kontrol elemanı içeren yeni bir aktif gövde kontrol (e-ABC) sistemi geliştirilmiştir. Bu sistem iki yay içermekte olup bir tanesi normal bir konvansiyonel sistemdeki gibi süspansiyon yayı iken, diğeri statik yüklerin taşınmasından sorumlu ‘akümülatör yayı’ olarak tanımlanan yardımcı bir yaydır. Bu yayın varlığı sayesinde elektromekanik aktif süspansiyon sistemi hidrolik sisteme göre daha az ilave yakıt tüketimine sebep olmaktadır ve sistemdeki yay yatağının hareketine müdahale etme yeteneğine sahip kontrol elemanı sadece dinamik yüklerin karşılanmasında kullanılmaktadır. Bu yenilikçi sistemin tam performansından faydalanabilmek için temel olarak iyi bir sürüş konforu için en uygun kontrol stratejisinin tasarımı bu yüksek lisans tezinin hedefidir. Bu bağlamda, öncelikle gerçekte yapılacak ve riskli olabilecek test sayısını aza indirgemek, dolayısıyla aracın zarar görmesini engellemek ve zamandan tasarruf etmek için taşıtın dinamik özelliklerini yansıtan bir MATLAB/Simulink modeli oluşturulmuştur. Bu Simulink modeli bir yarım taşıt modelidir. Sağ ve sol tekerlekler bir orta düzlemde tek bir tekerlek olarak kabul edilerek tek izli bir model oluşturulmuştur. Model altı ana bloktan oluşmaktadır. Bunlar gövde, kontrolcü, yay, sönüm elemanı, tekerlek, girdi ve çıktı bloklarıdır. Stokastik girdi verisi olarak test sürüşlerinin gerçekleştirildiği pistin x ve z düzlemindeki değerleri kullanılmış ve bu testler 60 km/h hızla yapılmıştır. Yarım taşıt modeli olduğundan taşıtın yalpa hareketi ihmal edilmiştir. Ayrıca taşıt gövde elastisitesi ve lastik sönüm sabiti de ihmal edilen parametreler arasındadır. İlk olarak, araç üzerindeki etkilerini ve aracın cevabını anlamak amacıyla MATLAB/Simulink’te Skyhook, Groundhook, State-Space, P-Kontrolcü ve ‘Skyhook ile State-Space’in birlikte çalıştırılmasıyla elde edilen kombine bir kontrol’ gibi birçok farklı kontrol stratejisi ve bloğu tasarlanmıştır. Daha sonra, araçtan en iyi konfor değerini elde edebilmek için bu stratejilerin ilgili kontrol bloklarında kullanılmak üzere en uygun kontrol parametreleri, simülasyonlarin birçok kez tekrarlanmasıyla veya MATLAB içerisinde çeşitli döngüler (loop) yardımıyla belirlenmiştir. Seçilen uygun kontrol parametreleri ile yine simülasyonlarla, süspansiyon sisteminin limit ve sınırları sınanarak test esnasında herhangi bir tehlikeye mahal verilmemesi sağlanmıştır. Sonuç olarak, simülasyonlardan elde edilen en iyi sonuçları veren kontrol parametreleri aracın yazılımına (dSpace programı) entegre edilerek araç üzerinde testler yapılmıştır. Bu testlerin sonuçları konfor için, en basit değerlendirmelerden biri olduğu varsayılan taşıt gövde düşey ivmesinin Güç Spektrum Yoğunluğu (PSD) değerlerine göre karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma ve değerlendirmeler yapılırken PSD eğrisinin maksimum değerleri baz alınmıştır. Taşıt gövde ivmesinin PSD diyagramına bakıldığında bu maksimum değer, 0-5 Hz. arasında elde edilmekte olup, yol pürüzlülüğünün taşıt gövdesine etkisini göstermektedir. Bu frekans değerleri arasındaki PSD eğrisinin en yüksek değeri ne kadar düşükse sürüş konforunun o kadar iyi olduğu söylenebilir. İncelenen kontrol strajelerini konfor açısından kötüden iyiye doğru gidecek şekilde özetlemek gerekirse: Genellikle konfor için değil yol tutuş güvenliği için kullanılan Groundhook stratejisi simülasyonlarla ve taşıt üzerinde incelenmiştir. Tahmin edildiği gibi Groundhook kontrol prensibi ile sürüş konforu açısından pek olumlu sonuçlar elde edilememiştir. Tekerlek düşey hızını kontrol girdisi olarak kullanan bu strateji konfor açısından pasif süspansiyondan bile kötü değerler vermektedir. Yine konforu iyileştirme amaçlı, taşıt gövdesinin direk olarak Güç Spektrum Yoğunluğu diyagramlarınla karşılaştırılan gövde düşey ivmesini kontrol girdisi olarak kullanan ve istenen gövde düşey ivmesini sıfır olarak kabul eden P kontrolcüsü ile çeşitli simülasyonlar yapılmış olup, simülasyonlarda kullanılan en elverişli parametreler sayesinde oldukça düşük PSD (Güç yoğunluğu spektrumu) değerleri elde edilmiştir. Ancak testler esnasında bu kontrol prensibinin yüksek elektrik gereksinimi nedeniyle bu en elverişli kontrol parametreleri kullanılamadığından pasif süspansiyondan daha iyi ancak neticede ortalama bir konfor değeri elde edilmiştir. Kontrol girdisi olarak taşıt gövdesinin düşey hızını kullanan Skyhook kontrol stratejisi için öncelikle sensörlerle ölçülen taşıt gövde düşey ivmesi, kontrolcüde kullanılmak üzere düşey hıza dönüştürülür. Kontrolcüde istenen değer ile gerçek değer arasındaki fark kullanılmaktadır. Bu stratejide istenen gövde düşey hızı sıfır olarak kabul edilmiştir. Kontrol bloğunda hesaplanan gerekli süspansiyon yay yatağı hareketi hesaplandıktan sonra bu değer elektromotor tarafından sisteme etki ettirilir ve bu kontrolcüyle de aynı şekilde çeşitli simülasyonlar yapılıp, taşıt konforu için en iyi sonuçları veren kontrol parametreleri simülasyonlar yardımı ile belirlenmiştir. Sonrasında bu belirlenen parametreler taşıtın yazılımına entegre edilmiş olup, (simülasyondakine eşdeğer) kontrol bloğunda kullanılarak testler gerçekleştirilmiştir. Test taşıtının verdiği konfor cevap karakteristiğine göre testlerden daha iyi sonuç alınabilecek şekilde en elverişli kontrol sabitleri belirlenerek testler tekrarlanmıştır. Sonrasında, bu incelenmiş kontrol prensiplerinin hepsinden daha karmaşık olarak değerlendirilebilecek (“State-Space”) durum kontrolcüsü taşıta uygulanmıştır. Bu kontrolcüde diğer kontrolcülerde olduğu gibi sadece bir değil altı adet sensör verisine ihtiyaç duyulmaktadır. Taşıt hareket denklemleri yazıldıktan sonra ortaya çıkan sistem matrisi gereği ihtiyaç duyulan veriler taşıt gövde ve tekerlek düşey hızları, taşıt gövde ve tekerlek düşey göreceli yer değiştirmeleri, yay yatağı yer değiştirmesi ve hızıdır. Bu stratejiyi anlamanın en iyi yolu sistemin kutup diyagramına bakmaktır. Sistem matrisinden elde edilen bu diyagramda altı adet kutup bulunmaktadır. State-Space konrolcü ile her bir kutbun yerini değiştirmek (ötelemek) ve yeni bir taşıt dinamik davranışı elde etmek mümkündür. Sanal eksene yani y eksenine en yakın olan kutuplar baskın kutuplar olup, taşıt gövdesinin dinamik hareketine en çok bu pollerin ötelenmesi etki etmektedir. Çeşitli farklı frekans ve sönüm oranı değerleri ile bu baskın pollerin yerleri değiştirilerek taşıt gövdesinin dinamik cevabı incelenmiş ve bu kontrolcü ile yapılan testler ve simülasyonlardan alınan sonuçların en iyi konfor değerlerini verdiği gözlemlenmiştir. Son olarak da en iyi sonucun alındığı iki kontrol prensibi, Skyhook ve durum kontrolcüleri kombine edilip, her iki kontrol prensibinin en elverişli kontrol sabitleri bu kontrolcüde kullanılmıştır. Toplam kontrol elemanı hareketi, Skyhook ve durum kontrolcülerinde hesaplanan yay yatağı pozisyonlarının % 100 toplamı şeklindedir. Yapılan simülasyonların ardından prototip taşıt üzerinde de bu en elverişli parametrelerle testler yapılmış ve bu tez çalışması sırasında denenmiş olan kontrol stratejilerindeki en iyi sonuç elde edilmiştir. Bu tez çalışmasının sonucunda, yapılan değerlendirmeler neticesinde en iyi sonucun alındığı Skyhook / State-Space birleşiminden oluşan kontrolcü konfor açısından önerilmekte olup bu kontrolcünün konfor açısından daha da iyileştirilebilecek bir potansiyel vadettiği düşünülmektedir. Daha iyi bir sürüş dinamiği ve konforu elde edebilmek için örneğin kontrol parametreleri değiştirilebilir. Bu tezde Skyhook ve State-Space’in yalnız başına çalıştıkları durumdaki konfor için en uygun değerler alınıp birleştirilmiş kontrolcüde kullanılmıştır. Ancak ikisinin birlikte çalışma durumunda her iki kontrol sabitinin birbirine uyumlu ve konfor için de daha elverişli kontrol değerleri olabilir. Bunun yanı sıra yine bu tezdeki birleştirilmiş kontrolcüde yay yatağı hareketlerinin %100’ü işleme alınmakta ancak bu iki kontrolcünün hesapladığı yay yatağı hareketlerinin değişik kombinasyonları ile hesaplamalar yapılabilir. Örneğin Skyhook’un hesapladığı yay yatağı hareketinin % 60’ı hesaba katılırken, State-Space’in % 90’ı kullanılabilir. Son olarak önerilebilecek madde ise bu iki birleştirilmiş kontrolcüye ilave olarak başka bir kontrolcünün kullanılması olabilir. Üç kontrolcünün de aynı anda birleştirilerek kullanımı anında daha iyi bir sürüş konforunu sağlamak mümkün olabilir. Konfor algısı insandan insana farklılık göstermekle birlikte ISO standartları kılavuzu ile yaklaşık değerlendirmeler yapılabilmesine rağmen yine de öznel bir kavram olarak kabul edilmektir. Bu yüksek lisans tezi göstermiştir ki ‘low-bandwitdh’ (düşük band aralıklı) süspansiyon sistemi kontrolünde henüz bir tabu bulunmamakla birlikte çeşitli kontrol strateji ve sistemlerinin kombinasyonuyla sürüş konforu ve güvenliği açısından en uygun kontrolcünün seçimi yine konfor kavramı gibi öznel olacaktır.
In recent years, various types of active suspension systems have been developed and introduced into the market, in order to improve the ride and handling characteristics of vehicles. Most of these systems are based on hydraulic actuators, which involve certain disadvantages as high energy consumption, dirt contamination or restricted suitability for hybrid vehicles. Therefore, in order to eliminate these disadvantages, a new active body control system was developed, in which the conventional springs and dampers are retained, and the spring seat position is controlled via electromechanical actuators. To exploit the full potential of this innovative suspension system, a convenient control strategy needs to be designed that represents the goal of this thesis. First of all, a MATLAB/Simulink model has been created, which embodies the most relevant dynamic properties of the vehicle for the purpose of reducing the number of tests in reality as those take more time and are riskier. Initially, several different control strategies have been evaluated in MATLAB/Simulink for understanding the reaction logic of each controller and hereby its impact on the test vehicle. Subsequently, the best control parameters have been determined for each controller model in order to get the best ride comfort possible. Finally, supported by the results of the simulations, the controller strategies were validated in the test vehicle. The significant findings that result from this work show that the Groundhook strategy deteriorates the ride comfort in comparison to the passive suspension system, resulting from the controller strategy focusing on driving safety and not on ride comfort. The P-Controller (minimizing the vertical body acceleration itself) or especially the Skyhook controller is able to improve the ride comfort substantially. With State-Space controller the best ride comfort of the test vehicle is obtained. This already very good behavior can be exceeded by the State-Space strategy particularly when combining it with a Skyhook controller. The combined State-Space / Skyhook strategy generates a ride comfort in the test vehicle, which seems even more enhanced than anticipated by the objective PSD values. Consequently, this control is recommended to be applied for the active electromechanical suspension system. In order to obtain even more improved ride comfort with the combined controller, some issues are recommended additionally. These are differing the control parameters (constants), adding the resulting actuator displacements by using another summation structure (for example instead of adding the displacement of 100 % Skyhook with 100% State-Space control’s, 60 % Skyhook with 90% State-Space control) or combining an additional controller such as P controller might be beneficial.
Description: Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2012
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2012
URI: http://hdl.handle.net/11527/3819
Appears in Collections:Otomotiv Lisansüstü Programı - Yüksek Lisans

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
12369.pdf4.27 MBAdobe PDFView/Open


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