ABS fren dinamiği için çoklu model geçişli kontrolcü ve gözlemci tasarımı

Abstract

Aktif güvenlik sistemlerinin bulunduğu taşıtlarda trafik kazalarında ölüm ve yaralanma oranlarının azaldığı görülmektedir. Aktif güvenlik sistemleri gelişmiş ülkelerde standart donanım haline gelmektedir. AB ülkelerinde, 1 Temmuz 2004 yılından itibaren trafiğe yeni çıkan 2,5 tonun altındaki tüm binek taşıtların ABS donanımına sahip olması zorunlu hale getirilmiştir. Eylül 2011 itibariyle, ABD'de ABS mimarisi üzerine kurulu olan ESC sistemi gibi aktif güvenlik paketlerinin binek taşıtların standart donanımlarında yer alması zorunlu olmuştur.Binek taşıtlar için ilk olarak Bosch tarafından geliştirilen ve otomotiv sektöründe 30 yıllık bir geçmişi olan ABS fren teknolojisi panik frenleme esnasında tekerlek kilitlenmesini engellemekte ve taşıt doğrusal/yanal kararlılığını muhafaza edilmesini sağlamaktadır. Günümüzde, bu teknolojiyi mümkün kılan iki adet yöntem bulunmaktadır. Hidrolik fren sistemi yöntemi, fren basıncını düşürme, arttırma ve sabit tutma gibi üç ayrı moda ayarlanması ile panik frenleme anında kayma kontrolü yapmaktadır. Buna karşılık, elektromekanik fren sistemi yöntemi, elektrik motor kontrolü ile hidrolik sistemin yapısal kısıtlarından ötürü kullanılamayacak kadar karmaşık ve daha etkin kontrol algoritmalarının kullanılmasına izin vermesiyle daha yüksek performanslı algoritmaların geliştirilmesine olanak tanımaktadır. Elektromekanik fren teknolojisi, henüz otomotiv pazarına sadece en yüksek segmentlerdeki taşıtlarda kullanılan bir teknoloji olsa da, gelecek senelerde, taşıt fren güvenliğini arttırmadaki etkinliği göz önünde bulundurulduğunda, tüm otomotiv segmentlerinde kullanılacağı öngörülmektedir.Bu Tezin konusu elektromekanik fren sistemine sahip binek taşıtlara yönelik, yenilikçi, sürüş ve yol şartlarına göre uyarlanabilir, yüksek performanslı ABS (Antiblokaj Fren Sistemi) kontrol algoritmalarının tasarımıdır. Ayrıca, frenlenen lastiğin zemin ile etkileşimi esnasında meydana gelen fren kuvvetinin boylamasına kaymaya göre değişim grafiğinin tahmin edilmesine yönelik yenilikçi bir kestirme algoritması geliştirilecektir. Bu algoritmanın çıktısı olan parametrelerle teklif edilen ABS kontrol algoritmaları güncellenecek ve günümüz taşıtlarında kullanılan algoritmalara göre daha yüksek performanslı algoritmaların elde edilmesi hedeflenecektir.Birinci adımda, fren kuvveti modeli geliştirilmesinde Burckhardt lastik modeli kullanılacaktır. Bu modelin farklı yol tipleri için belirlenmiş kesin parametreleri olması kontrolcü tasarımı için sağlam bir dayanak oluşturmaktadır.İkinci adımda, Çoklu model geçiş tabanlı dayanıklı kontrol algoritması geliştirilecektir. Bu algoritma doğrusal olmayan fren sistemi denklemlerinin, belirli işletim noktaları etrafında doğrusallaştırılmasıyla elde edilen doğrusal modeller için tasarlanan kontrolcülerden oluşacaktır. Bu algoritmada kullanılan lastik fren eğrisi parametreleri, üçüncü adımda tasarlanacak olan kestirme algoritmasının çıktıları olacaktır. Kestirme algoritması tasarlanan kontrolcülerin en uygun olanının seçilmesini ve fren eğrisi parametrelerini –özellikle de ideal boylamasına kayma değerin– işletim esnasında değişen rasyonel lastik parametrelerinin kestirilmesiyle çevrimiçi bulunmasını sağlayacaktır. Sonraki adımda ise, ikinci adımda elde edilen kontrolcü yapıları ve üçüncü adımda elde edilen kestirme algoritması laboratuvar içi ABS elektromekanik fren test cihazıyla sınanacaktır.

It is an established fact that the rate of death and injuries in traffic accidents is lower in vehicles equipped with active safety systems; active safety systems are becoming standard in developed countries. In EU countries, all passenger vehicles under 2.5 tons must be equipped with ABS starting from July 1st 2004 onwards. As of September 2011, active safety packages such as ESC (Electronic Stability Control) which is built on the ABS architecture would be compulsorily included in the standard equipment of every passenger vehicle produced in the US.The ABS brake technology, which was first designed by Bosch for passenger vehicles and which has a history of 30 years in the automotive industry, prevents wheels from locking up during panic braking and allows maintaining lateral stability. Today, it is possible to accomplish this goal with two distinct methods. The hydraulic brake system method controls wheel slip by either lowering or raising brake pressure during panic braking. Meanwhile, the electromechanical brake system (EMB) which operates on the basis of electrical motor control, allows using high performance control algorithms which are not applicable with the hydraulic brake system due to the latter's inherent limitations. Even though the EMB technology is nowadays only used in vehicles of the upper segments, it is expected to be used in all vehicle segments in the near future given its effectiveness in increasing vehicle brake safety.The subject of this thesis is the design of innovative, high performance ABS (Antilock Braking System) control algorithms that are scheduled with road and driving conditions for passenger vehicles equipped with electromechanical brake systems. In addition, an innovative estimation algorithm for the brake force vs longitudinal slip curve will be developed within the scope of the project. The proposed ABS control algorithms will be updated with the output parameters of the latter algorithm and control algorithms with performance higher than those ones used within today's vehicles will be targeted.In the first phase, the Burckhardt tire model will be used for developing the brake force model. This tire model has specific parameters for each road friction coefficient which makes it a sound basis for designing controllers.In the second phase, multi model switching based robust control algorithm will be developed. The algorithm is based on designing controllers for linear plants obtained from the linearization of nonlinear brake dynamics at pre-determined operating points. The tire brake curve parameters used in this algorithm will be the output of the estimation algorithm designed in the third phase. The estimation algorithm will provide for choosing the most convenient controller and brake curve parameters (and especially the ideal slip reference) by estimating varying rational tire model parameters online. The next step will include testing of the controller structures obtained in the second phase and the estimation algorithm obtained in the third phase with the laboratory ABS electro mechanical brake test instrument.