Modeling and gain-scheduled control of steer-by-wire systems using classical and fractional order PD controllers
Steer-by-wıre sistemlerinin modellenmesi ve kazanç planlaması kullanılarak klasik pd ile fractıonal order PD kontrolcü tasarımı
- Tez No: 948080
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ERHAN YUMUK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Mekatronik Mühendisliği, Otomotiv Mühendisliği, Computer Engineering and Computer Science and Control, Mechatronics Engineering, Automotive Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 85
Özet
Bu tez çalışması, otomotiv endüstrisinde gittikçe daha fazla yer alan elektronik tabanlı direksiyon sistemleri arasında bulunan Steer-by-Wire (SbW) sistemlerinin modellenmesi ve kontrolü üzerine odaklanmıştır. Geleneksel direksiyon sistemlerinde, direksiyon simidi ile ön tekerlekler arasında bir mekanik bağlantı vardır, bu genellikle direksiyon mili, dişli kutusu ve aktarma elemanları gibi mekanik parçalardan oluşur. Bu mekanik yapılar uzun yıllar güvenilir bir şekilde kullanılmış olmakla beraber, sistemin ağırlığını artırmakta ve tasarımsal açısından bazı sınırlamalar getirir. Fakat modern otomotiv mühendisliğinde özellikle elektrikli araçlar ve otonom sürüş teknolojilerinin gelişmesi ve daha sık kullanılmaya başlamasıyla birlikte, ağırlık azaltma, mekanik karmaşıklığı azaltma ve tasarım esnekliği gibi sebeplerden ötürü mekanik bağlantıların yerini tamamiyle elektronik yapılar almaktadır. Steer-by-Wire sistemleri, bu bağlamda direksiyon ile tekerlekler arasındaki fiziksel bağlantıyı ortadan kaldırarak sürücünün direksiyon hareketlerini elektriksel sinyallere dönüştüren sensörler ve bu sinyalleri işleyen ECU'lar aracılığıyla tekerlek döndürmesini sağlayan motor sürücüleri kullanır. Bu sistemler aynı zamanda elektronik yapıları sayesinde sürücü destek sistemleri ve otonom fonksiyonlarla daha kolay entegre edilebilirlik sağlar. Bu sistemde, direksiyon açısı ve tork gibi sürücü girişleri direkt bir kontrol algoritmasına iletilir, burada işlenerek motorlara uygun komutlar gider ve tekerlekler döndürülerek direksiyon açısı sağlanır. Bu yapının sağlıklı bir şekilde çalışması için kontrol algoritmalarının hem dinamik hem de statik durumlarda yüksek doğrulukla yanıt verebilmesi, kontrol sisteminin kararlı olması, sürüş konforunun korunması ve sürücüye gerçekçi bir yol hissi sunulması gerekir. Ayrıca, sürüş güvenliği açısından da sistemin hızlı ve doğru bir tepki süresine sahip olması son derece kritiktir. Bu amaçla, klasik kontrol yöntemlerine ek olarak sistem durumuna uyum sağlayabilen gelişmiş kontrol yapılarının kullanılması oldukça önemlidir. Gelişmiş kontrol metodları sayesinde sistem, farklı yol ve sürüş koşullarında bile kararlı ve güvenli performans sunabilir. Bu tez çalışmasında öncelikle MATLAB/Simulink ortamında gerçekçi ve detaylı bir SbW sistem modeli oluşturulması hedeflenmiştir. Bu sebeple modelin temel komponentleri arasında direksiyon simidinden alınan tork sinyali, bu işaretin motor eyleyicileri üzerinden yönlendirilmesi, motorun elektriksel ve mekanik dinamikleri, aktarma organlarının tepkileri, tekerlek dönüş davranışları ve araç gövdesinin yönelme (yaw) hareketi yer almaktadır. Ayrıca, sistemde geri besleme döngüsünü tamamlamak için tekerlek yönelme açısının sürekli izlenmesi ve bu verinin kontrol algoritmasına geri iletilmesi sağlanmıştır. Böylece sistemin kapalı çevrim kontrolü etkin bir şekilde uygulanabilmiştir. Modelleme sırasında, sistemdeki her bir bileşenin gerçek dünyadaki karşılığına uygun şekilde parametreleştirilmesi için literatürden alınan tipik değerler ve üretici katalog verileri kullanılmıştır. Bu yaklaşımla oluşturulan modelin gerçek sistem davranışlarını olabildiğince doğru yansıtması amaçlanmıştır. Tezin ikincil hedefi ise oluşturulan bu detaylı SbW sistem modeli kullanılarak geleneksel ve kesirli mertebe kontrolör tasarlamaktır. Bu amaçla önce geleneksel PD (Oransal Türevsel) kontrol yapısı tercih edilmiştir. Sonrasında sistemin izleme performansını geliştirmek amacıyla geleneksel PD kontrolörün türevsel kısmına kesirli mertebe parametresi eklenerek elde edilen kesirli mertebe PD (FOPD) tasarımı yapılmıştır. Bu kesirli mertebe kontrolör, giriş işaretinin geçmiş değerlerini daha geniş zaman aralıklarında kullanan, diğer bir deyişle daha fazla hafızaya sahip bir kontrol yapısı sunar. Bu sayede sistemin geçici rejim davranışları üzerinde daha esnek ve hassas bir kontrol sağlanabilir. Bu geleneksel ve kesirli mertebe PD kontrolör parametreleri zaman ağırlıklı karesel hata toplamını (ITAE) minimum yapacak şekilde bulunmuştur. Bu ölçüt, hem hata büyüklüğünü hem de hatanın süresini dikkate alarak sistemin daha konforlu bir cevap üretmesini sağlar. Bu ölçütü minimum yapan kontrolör parametrelerini bulmak için Genetik Algoritma (GA) kullanılmıştır. GA çok boyutlu ve doğrusal olmayan optimizasyon problemlerine karşı global çözüm bulabilme yeteneği sebebiyle seçilmiştir. Ayrıca GA'nın rastgelelik temelli yapısı sayesinde yerel minimumlardan kaçınılması ve daha geniş bir çözüm alanının taranması mümkün olmuştur. Optimal geleneksel ve kesirli mertebe PD kontrolörler sisteme uygulanan olası bir tork değeri (5 Nm) için tasarlanmıştır. Bu aşamada, sistemin farklı tork değerleri altında verdiği yanıtlar gözlemlenerek kontrolcülerin performansı karşılaştırılmıştır. Benzetim sonuçları kontrolörlerin optimize edildiği bu tork değerinde tatmin edici performans sergilediğini, ancak sisteme uygulanan tork değerinin artışı ile sistem yanıtında aşırı salınımlar, yerleşme zamanının artması gibi sorunlarla karşılaşıldığını göstermiştir. Bu durum, sabit kazançlı kontrolörlerin bu sistemde kullanımının sınırlı olduğunu ve performansın tork değerine bağlı olduğunu göstermektedir. Bu bağlamda, sistemin farklı çalışma koşullarında da kararlı ve etkin bir performans göstermesi için adaptif ya da kazanç ayarlamalı kontrol yaklaşımlarına ihtiyaç duyulmaktadır. Tezin üçüncül hedefi ise bu problemi aşmak amacıyla tork girişlerine bağlı kazanç ayarlamalı kontrolör tasarımı yapmaktır. Bu amaçla sisteme uygulanabilecek olası her bir tork değeri için optimal geleneksel ve kesirli mertebe PD kontrolörler tasarlanmıştır. Sonrasında sistemin anlık tork değerine göre kontrolör parametrelerinin güncellendiği bir kazanç ayarlaması (gain scheduling) yaklaşımı geliştirilmiştir. Bu yaklaşımda, daha önce sabit tork değerleri için elde edilen optimal kontrolör parametreleri ve interpolasyon fonksiyonları kullanılarak anlık tork değerine karşılık gelen parametre serisi oluşturulmuş. Böylece, her bir tork değerinde kontrolörün hangi değerlerle çalışması gerektiği belirlenmiştir. Bu yöntem, kontrol sisteminin daha esnek ve uyarlanabilir hale gelmesini sağlamış, sistemin farklı tork seviyelerinde daha hassas tepki vermesine olanak tanımıştır. Kazanç ayarlamasının yapılması ile hem geleneksel PD hem de FOPD kontrol yapılarında performans artışları sağlandığı görülmüştür. Özellikle sistemin yerleşme ve yükselme zamanları azalmış, var olan salınımlar sönümlenmiş ve kullanılan ITAE performans ölçütünün değerinde belirgin bir azalma gözlemlenmiştir. Benzetim sonuçları geleneksel PD kontrolörün kazanç ayarlaması ile tatmin edici sonuçlar verdiği ve sistemin tüm çalışma aralığında kararlı bir şekilde çalışabildiğini göstermiştir. Buna rağmen kazanç ayarlamalı FOPD kontrol yapısının, özellikle yüksek tork değerlerinde geleneksel PD'ye göre daha hızlı ve daha az aşım yapan yanıt verdiği, ITAE değerleri açısından daha başarılı olduğu görülmüştür. Bu sonuçlar, kesirli mertebe kontrol yapılarının, klasik kontrolörlere göre daha üstün performans sergileyebileceğini ve gelişmiş kontrol stratejileri kapsamında önemli bir alternatif olduğunu ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis focuses on modelling and control of Steer-by-Wire (SbW) systems which are gaining widespread use in the automobile industry as electronically-based steering systems. The primary aim of this work is to build a realistic and complete SbW system model in the MATLAB/Simulink environment. The core components of the model include the torque signal acquired from the steering wheel, its direction through motor actuators, the electrical and mechanical dynamics of the motor, the responses of the transmission elements, the behaviour of the wheel rotation, and the yaw motion of the vehicle body. Also, in order to complete the feedback loop of the system, continuous measurement of the wheel steering angle and its return to the control algorithm has been included. During the modeling process, each component was parameterized based on its real-world counterpart utilizing normal values reported in the literature and manufacturer catalog data. The secondary objective of the thesis is to design conventional and fractional-order controllers based on the developed SbW system model. To this end, a conventional Proportional-Derivative (PD) control structure was first used. Then, to improve the tracking performance of the system, a fractional-order PD (FOPD) controller was designed by adding a fractional-order parameter to the derivative part of the classical PD controller. This fractional-order controller employs the past input signal values over longer time intervals, basically granting a control system with memory effect. The parameters of the two systems, the PD and the fractional-order PD controller, were optimized for minimizing the ITAE criterion. This criterion considers the absolute error value as well as its duration in the expectation that this will yield a smoother system response. A Genetic Algorithm (GA) was used to determine the controller parameters that optimize this criterion, as it has the ability to conduct global optimization in multi-dimensional and nonlinear issues. The optimal classical and fractional-order PD controllers were designed for a given torque input (5 Nm) applied to the system. At this stage, the system responses under different torque values were observed, and the performance of the controllers was compared. Simulation outputs indicated that the two controllers worked adequately at the optimized torque value but with increasing values of the applied torque created issues such as high oscillations and increased settling time. It indicates that fixed-gain controllers are of little use in this scenario and that performance greatly depends on the utilized torque. The third objective of the thesis is to design a gain-scheduled controller based on torque inputs to overcome this problem. For this purpose, optimal classical and fractional-order PD controllers were designed for each possible torque input value. A gain scheduling approach was then developed, wherein controller parameters were updated in real time according to the instantaneous torque value. In this method, previously obtained optimal controller parameters for fixed torque values were used alongside interpolation functions to generate a parameter set corresponding to any given torque input. Thus, the appropriate controller parameters for each torque level were determined. The implementation of gain scheduling led to performance improvements in both classical PD and FOPD control structures. Specifically, the system exhibited reduced settling time and rise time, damped oscillation, and smaller ITAE values. Simulation results confirmed that the gain-scheduled PD controller yielded excellent performances and was stable over the entire operating range. Nevertheless, the gain-scheduled FOPD controller achieved a better performance, especially when operating under high torque, with smaller responses and overshoot, and smaller ITAE values compared to the classical PD controller.
Benzer Tezler
- Otomatik depolama ve boşaltma sisteminin modellenmesi ve optimizasyonu
Modeling and optimization of automated storage and retrieval system
AHMET ALGÜR
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CEVAT ERDEM İMRAK
- Elektrikli araçlar için batarya gerilimindeki ani değişime karşı düşürücü tip DC-DC dönüştürücünün kontrol tasarımı
Control design of step-down type DC-DC converter against sudden change in battery voltage for electric vehicles
MUSTAFA İNCİ
Doktora
Türkçe
2025
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiDüzce ÜniversitesiElektrik-Elektronik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YUSUF ALTUN
- Gemi dizel motorunun kazanç programlamalı adaptive kontrolü
Gain scheduling adaptive model of a marine diesel engine
MELEK ERTOGAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2003
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. NAFİZ AYDIN HIZAL
- Design of an intelligent boost pressure controller for a series sequential turbocharged diesel engine
Seri bağlı aşırı doldurma sistemine sahip dizel motorlar için akıllı manifold basıncı kontrolcüsü tasarımı
MUSTAFA ENGİN EMEKLİ
Doktora
İngilizce
2015
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BİLİN AKSUN GÜVENÇ
- Regeneratif enerji sistemlerinde generatörlerin modellenmesi ve bulanık mantık ile kontrolü
Generators modelling and control with fuzzy logic in regenerative energy systems
ÖMER GÜNHAN KINALI
Yüksek Lisans
Türkçe
2007
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKırıkkale ÜniversitesiElektrik-Elektronik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İLHAN KOCAARSLAN