Transmisyon kavramalarınının modellenmesi ve kontrolü
Modeling and control of transmission clutches
Yazar: SEYİT ALİ YILMAZ
Danışman: DOÇ. DR. MUZAFFER METİN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Teorisi ve Kontrol Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering
Dizin: Genetik algoritmalar = Genetic algorithms ; Lyapunov Kararlılık Teorisi = Lyapunov Stability Theory ; Otomatik vites = Automatic gear ; Şanzıman = Gearbox

Özet:
Tam otomatik şanzımanlar, otomotiv endüstrisinin ilk dönemlerinden günümüze kadar yaygın bir kullanım alanı bulmaktadırlar. Vites değişim işleminin sürücü müdahalesi olmadan yapılmasını sağlayan bu sistemler, özellikle kullanım konforu açısından son kullanıcılar tarafından tercih edilmektedir. Aracın kalkışı esnasında, motor ve şanzıman hızının eşitlenmesini sağlayan tork konvertör, belirli konfigürasyonlar ile birbirine bağlanmış ve şanzıman içerisinde istenilen çevrim oranlarının oluşmasını sağlayan planet dişli sistemleri, planet dişli paketindeki istenilen elemanların serbest dönmesini, hızlarının eşitlenmesini ya da frenlenmesini sağlayan kavrama elemanları, istenilen kavrama elemanlarına kontrollü bir şekilde yağ gönderilmesini sağlayan elektro-hidrolik kontrol sistemi ve tüm sistemin istenilen sınır koşulları içerisinde çalışmasını sağlayan destekleyici diğer sistemlerden oluşmaktadır.
Modern tam otomatik şanzımanlarda, istenilen kavramalarda kapalı çevrim basınç kontrolünün doğrudan yapılabildiği, oransal doğrudan kontrol valfleri kullanılmaktadır. Bu sayede vites geçiş performans ve konforundan ödün verilmeden vites değişimi yapılabilmektedir. Oransal kontrol valfleri, vites geçişi esnasında kavrama elemanlarının her iki tarafındaki hızı, kavrama pistonuna kontrollü basınç uygulanmasını sağlayarak eşitlemektedir. Bir diğer ifadeyle, kavramaların iki ucu arasındaki göreceli hızın ifadesi olan kavrama kayma hızını, kontrollü bir şekilde sıfıra indirmektedir. Kavrama kayma hızının zamana bağlı istenilen bir profili takip ederek indirilmesi sayesinde, minimum vites geçiş süresi ve maksimum vites geçiş konforu aynı anda sağlanabilmektedir. Kontrolcü performansı ise, hedeflenen kayma hızı profili ile gerçekleşen zamana bağlı kayma hızının arasındaki farka bakılarak belirlenebilmektedir.
Bu çalışmada önce, tam otomatik şanzımana sahip bir aracın fiziksel modellemesi amesim ortamında yapılmış, kavrama kontrol akımından planet sistem dinamiklerine kadar tüm vites geçiş dinamikleri, bir boyutlu ortamda oluşturulmuştur. Vites geçişi esnasında kavrama kayma hızını kontrol etmek ve performanslarını karşılaştırmak amacıyla sisteme geri-adımlama yöntemi ile geliştirilmiş, Lyapunov tabanlı, model belirsizlikleri ve modellenmeyen dinamikler altında giriş-durum kararlılığını sağlayan  lineer olmayan kontrolcü ve alternatif olarak PI kontrolcü entegre edilmiştir. Her iki kontrolcünün kazanç katsayıları da, aynı maliyet fonksiyonları ile genetik algoritma yöntemi kullanılarak optimize edilmiş, optimize edilen kazanç katsayılarına sahip kontrolcülerin, kavrama kayma hızına bağlı sürtünme katsayısı ve motor torku değişikliğine olan hassasiyetleri, kayma hızı takip performansı ve toplam kontrol enerjisi açısından karşılaştırılmıştır. Karşılaştırmalar, yüzdesel sürtünme katsayısı ve motor torku değişikliğine bağlı, yüzdesel kayma hızı takip hatası değişimi ve yüzdesel kontrol enerjisi değişimi olarak verilmiştir.
Çalışma sonucunda, aynı maliyet fonksiyonlarına bağlı olarak optimize edilmiş lyapunov tabanlı lineer olmayan kontrolcünün, parametre değişikliğine benzer kontrol enerjisi değişimi göstermesine rağmen çok daha iyi bir kayma hızı takip performansı gösterdiği gözlenmiştir.

Abstract:
Full automatic transmissions has been used in wide range of applications since the early years of automotive industry. These systems which changes the gears without driver interference are preferred by end users because of the better driving comfort they provide. A full automatic transmission consists of a torque converter which maintains the vehicle launch and equilize the engine and transmission speed, planet gear systems which are connected to each other by pre-defined configurations and provides stepped gear ratios, clutch systems that are used either to match or brake speeds of planet gear system elements or let them rotate freely, hydraulic control system that provides and control hydraulic pressure that are applied to the selected clutch packs and other subsystems that guarantees that the automatic transmission is working within the required boundary conditions.
Proportional direct drive valves which directly controls clutch pressures in a closed loop manner are use in modern automatic transmissions. This provides gear changes without sacrificing neither shift performance nor driving comfort. Proportional control valves eqaulize the speeds of both ends of clutch packs by applying and controlling presure of the clutch pistons. In other words, slip speed which refers to the relative speed between both end of clutch pack is decreased to zero in a controlled way. Minimum gear shift time and maximum gear shift comfort is maintained by decreasing the slip speed by following a pre-defined target slip speed. Speed tracking performance of the controller can be evaluated by the cumulative difference between target slip speed and actual slip speed.
In this study, a vehicle model with a full automatic transmission is done in amesim environment and all the gear shift dynamics including valve control current to planet gear set dynamics is modeled in 1-D environment. A Lyapunov based non-linear controller that provides input-to-state stability under unmodelled system dynamics and model unknowns is developed by backstepping methodolgy to control the slip speed of a gear shift and to compare its performance with an alternative PI controller. Controller gains of both controller are optimized by genetic algrotihm methodolgy with same cost functions. Robustness of  controllers with optimized gains to the clutch firciton coefficient change and engine torque change during a gear shift are compared in terms of slip speed tracking performance and total control energy. Percent change of valve control energy and speed tracking error wrt percent change of engine torque and clutch friction coefficient are compared for both linear and non-lineer controllers.
The study concludes that, Lyapunov based non-lineer controller whose gains are optimized according to the same cost functions as in lineer one provides same control energy change wrt parameter variation while it provides much better slip speed track performance.