Model öngörülü kontrol ile otomatik şanzımanın vites değişimi kontrolü

Endüstriyel proses kontrolündeki gelişmelerle birlikte her geçen gün model öngörülü kontrol teknolojisinin kullanım alanı genişlemektedir. Özellikle kimya ve petrokimya endüstrilerinde gelişmiş ve yaygın olarak kullanılması ile birlikte farklı proseslerin yer aldığı farklı endüstri sahalarında da kullanılmaya ve yaygınlaşmaya başlamıştır. Yaygınlaşmasında etkili olan faktörler arasında çoklu giriş çoklu çıkış (MIMO) veya lineer olmayan davranışları barındıran sistemlerin kontrolüne izin vermesi, dinamik sistemlerin birbirleriyle etkileşimli olarak çalışabilmesine olanak sağlaması yer almaktadır. Çeşitli kısıtlamalar altında istenen optimum çözümü hızlı bir şekilde vermesi sağladığı önemli avantajlardandır. Model öngörülü kontrol teknolojisinin otomotiv sektöründe de yaygınlaşması son yıllarda ivme kazanmıştır. Motorlu taşıtların kullanımının artmasıyla birlikte CO, HC ve NOX içeren egzoz gazı emisyonlarından kaynaklanan hava kirliliği gün geçtikçe artmaktadır. Dünya genelinde emisyon standartlarına uygun araçların üretilmek istenmesi, taşıttan çıkan zararlı gazların miktarının ayarlanması ve en aza indirilmesi gerekliliğini ortaya çıkarmıştır. Ayıca motorlu taşıtlarda birim hacimden elde edilmek istenen gücün arttılmaya çalışılması aracın ve motorun modellenmesi gerekliliği gibi durumları beraberinde getirmiştir. Tüm bu ihtiyaçlar doğrultusunda model öngörülü kontrol teknolojisi farklı tipteki problemlerle, farklı çözüm uygulamalarıyla kendine yer edinmiştir ve uygulanma sıklığı giderek artmıştır. Diğer sektörlerde olduğu gibi otomotiv sektöründe de elektronik kontrol uygulamalarının artması sistemlerdeki çeşitli sorunlar için optimum çözümü elde etme avantajını beraberinde getirmiştir. Model öngörülü kontrol uygulaması da bu avantajları sağlamak açısından gün geçtikçe gelişmektedir. Doğan ihtiyaçlar karşısında model öngörülü kontrol uygulaması ihtiyaca göre geliştirilmeye çalışılmaktadır. Bu doğrultuda özellikle nonlineer sistemleri içerisinde barındıran veya farklı dinamik sistemlerin beraber çalıştığı uygulamalarda kontrol uygulamasının geliştirilmesi için uzun bir süredir araştırma ve geliştirme üzerine çalışılmaktadır. Tezin ilk bölümünde otomatik şanzımanın endüstri içerisindeki yeri, diğer şanzıman çeşitleri ile kıyaslanması, avantaj ve dezavantajlarının belirlenmesi yer almaktadır. Ardından model öngörülü kontrolün otomotiv sektöründeki kullanım alanları, şanzıman vites değişimi için kullanılabilecek kontrol yapısı ve bu doğrultuda yapılacak olan çalışmanın amaçları ve içeriğinden bahsedilmektedir. İkinci bölümde model öngörülü kontrol tasarımı yapılacak olan şanzımanın mimarisi ve yazılım modelinden bahsedilmektedir. Yazılım içerisinde yer alan tork dönüştürücü kontrolü alt sistemi ve içeriği hakkında bilgi verilmektedir. Ayrıca basit güneş dişlisi grubunun ve birleşik ravigneaux güneş dişlisi grubunun bulunduğu şanzıman mimarisinin bağlı olduğu ve güç aktarım organlarının da yer aldığı AVL Cruise™ ortamında yapılan bir simülasyonla da şanzıman yazılımı desteklenmektedir. Yapılan bu simülasyon gerçek hayattaki aracın sahip olduğu birçok özelliği içerisinde barındırabilmektedir. Örneğin model içerisinde şaftların eylemesizlik momentleri, şanzıman mimarisinde yer alan kavrama ve frenler için sürtünme kayıpları, araç motoruna ait parametreler, tork dönüştürücü, tekerlekler ve diferansiyel gibi birçok güç aktarım organının özellikleri yer almaktadır. Model öngörülü kontrol için gerekli sistem modellemesi üçüncü bölümde yer almaktadır. Kavrama, fren ve dişli setlerinin yer aldığı mimarinin bond graph methodolojisi kullanılarak oluşturulmuş modeli bu bölüm içerisindedir. Bond graph methodolojisi sistemin sahip olduğu türevsel ve integral nedensellikleri ortaya çıkarmış ve tüm şanzıman modelinin 3. dereceden bir sistem modeli olduğunu ortaya koymuştur. Sistemin modellenmesi esnasında elde edilen tüm denklemler de bu kısımda yer almaktadır. Kavramaların modellenmesi esnasında da bu zamana kadar yapılmış farklı kavrama sürtünme modellemeleri dikkate alınmıştır. Literatür araştırması bond graph methodolojisi, farklı kavrama sürtünme modellerinin araştırılması ve model öngörülü kontrolün gerekliliklerinin, sınırlarının, hangi sistemlere ne şekilde uygulanacağının örneklerden yola çıkarak anlaşılması şeklinde yapılmıştır. Dördüncü bölümde model öngörülü kontrol ile ilgili genel bilgiler, temel yaklaşımlar ve otomotiv sektöründeki uygulama alanlarından bahsedilmektedir. Kontrol tasarımına ait bu bilgilerden sonra tork dönüştürücü faz için oluşturulan kontrolör tasarımı ve içeriği bu bölümde yer almaktadır. Kontrolörün şanzıman yazılımı içerisinde tork aktarımının hız senkronizasyonu fazını gerçekleyen bileşen içerisinde yer aldığı ve bu sistemdeki kontrol uygulamasında kısıtlayıcı parametrenin kavramaların aktarabileceği maksimum tork değeri olduğu bilgisi yer almaktadır. Ayrıca şanzıman ve araç modelinin birlikte yer aldığı yazılım içerisinde olmasından dolayı örnekleme zamanı seçiminde de bu yazılıma bağlı kalınmıştır. Gerçek şanzıman üzerinde ölçülebilen ve ölçülemeyen parametreler de kontrolör içerisinde yer almaktadır. Kontrolör tasarımı için hedeflenen maliyet fonksiyonu, hız ve tork değişimlerinin yumuşak, hızlı ve sürücü tarafından hissedilmeyecek şekilde olmasını içermektedir. Bu doğrultuda parametre ağırlıkları değiştirilerek farklı sonuçlar elde edilmişir. Model öngörülü kontrol, bond graph methodolojisi kullanılarak elde edilmiş denklemleri kullanarak, sistemin gelecekteki cevaplarını öngörerek sisteme kontrol girişi verir. Sisteme gönderdiği kontrol çıktısı, sistem için istenilen iyileştirmeleri içeren optimum çözümü sağlayacak şekildedir. Sistem için istenilen iyileştirmeler; vites geçişleri esnasında devreye giren ve devreden çıkacak kavramalardaki tork aktarımlarının sürücü tarafından olabildiğince az hissedilmesi, dolaylı yoldan kavramalarda tork geçişleri esnasındaki hız senkronizasyonun hızlı ve yumuşak bir şekilde gerçekleşmesidir. Uygulanan kontrol algoritması kavramaların taşıyabileceği maksimum tork değerleri kısıtları içerisinde yukarıda içeriği belirtilen maliyet fonksiyonunu sağlayacak şekilde oluşturulmuştur. Son bölümde, bu çalışmadan yola çıkarak model öngörülü kontrol uygulamasının sadece üçüncü vitesten dördüncü vitese geçiş esnasındaki hız senkronizasyonu fazına etki etmesinin yanı sıra, tork aktarımı esnasında diğer fazları da kapsayacak şekilde uygulanabilmesinin gelecekte yapılabilecek iyileştirmeler arasında yer almasından bahsedilmektedir. Şanzımanın bond graph methodolojisi kullanılarak elde edilen model denklemleri hem vites büyültmek hem vistes küçültmek için oluşturulabilecek kontrol algoritması için kullanılabilmektedir. Bu çalışmada vites büyültme esnasında kullanılan algoritma dördüncü vitesten üçüncü vitese geçme gibi vites küçültme durumlarında da kullanılabilir. Ayrıca bu modelleme yöntemi ile farklı şanzıman tipleri, motor, güç aktarım mekanizması, süspansiyon sistemi gibi çeşitli dinamik sistemler de modellenebilmektedir. Araç içerisinde optimum çözüme ulaşılmak istenen herhangi bir problem karşısında sistem modelinden yararlanarak model öngörülü kontrol algoritması oluşturulabilir. Bu çalışmadan yola çıkarak gelecekte otomotiv sektörünün farklı uğraş sahalarında yapılabilecek iyileştirmelerden de bahsedilmiştir.