Ağır ticari araçlarda hız sabitleyici sistemin modellenmesi, tanılaması ve kontrol tasarımı
Modeling, identification and design of cruise control system in heavy duty vehicles
Yazar: CANSEL BATURAY
Danışman: DOÇ. DR. AYHAN KURAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Sistem Dinamiği ve Kontrol Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Ulaşım = Transportation

Özet:
Otomotiv sektörü modern toplumun temel taşlarından olan ulaşımın imkanlı hale gelmesi için çalışan ana sektörlerden biridir. Sanayileşmede üretimin başlaması ile birlikte insan hayatını ve ulaşımı kolaylaştırmak için çalışmalar başlamıştır.
Gelişen teknoloji, nüfus artışı, zamanın daha değerli hale gelmesi, kişiler, kurumlar, ülkeler arası ilişkinin artmış olduğu günümüzde kara ulaşımı en çok kullanılan ulaşım yoludur. Bu sebeple daha konforlu ve güvenilir bir yöntem olması yolunda birçok çalışma gerçekleştirilmiş, hayata geçirilmiş ve geliştirilmeye devam etmektedir.
Otomotiv ürünlerini almak günümüzde bir lüks olarak değil ihtiyaç olarak nitelendirilmektedir. Her sektörde olduğu gibi otomotivde de ihtiyaç ve bütçeye yönelik çeşitli sınıflar bulunmaktadır. Gün geçtikçe değişen ekonomi, gelişen teknoloji, dinamik talepler arasında otomotiv sektörü kendisini geliştirmek, devletlerin getirdiği yasal kısıtlamalara ayak uydurmak için var gücüyle çalışmaktadır. Dünyanın birçok ülkesi farklı menşei firmalar için sadece pazar değil, aynı zamanda üretim yerine de dönüşmüştür. 
Karayolunda kullanılan tüm araçlar için teknolojinin sunmuş olduğu faydalardan yararlanılmaktadır. Yollarda çoğunlukla binek araçlar gözükse de ağır ticari araçların sayısı ve bu araçlara olan ihtiyaç her geçen gün artmaktadır.
Kalabalıklaşan toplum ve ihtiyaçlar ile birlikte birçok yerleşim yeri birbirine bağlanmakta, çeşitli mal ve malzemelerin taşınması işlemi yapılmaktadır. Ağır ticari araçlar sınıfında olan kamyonlar da bu ulaşım için kullanılmaktadır. Yolculukların uzun ve yorucu olduğu bir gerçektir. Uzun saatler süren yolculukta sürücüyü ve sürüşü daha konforlu hale getirmek için çeşitli araç fonksiyonları geliştirilmiştir.
Hız sabitleyici sistem son yıllarda araçların çoğunda standart hale gelen bu fonksiyonlardan biridir. Fonksiyon sayesinde sürücünün sürüşünü daha konforlu hale getirilirken aynı zamanda ülkelerin koymuş oldukları hız sınırlarına uyum için de sürücüye avantaj sağlamaktadır. 
Hız sabitleyici fonksiyonun temel prensibi, sürücünün aracın seyrine devam etmesini istediği hız değerini araca veri olarak girişini yapması, aracın da bu hız değerine gelerek sürücü müdahalesi olmadan araç seyrini devam ettirmektir. 
Sürücünün aracın sürüşünü tamamen emanet ettiği, gaz ve fren pedallarından ayağını çektiği hız sabitleyici sistemin doğru çalışması ve uygulanacak aracın özelliklerine uygun olarak tasarlanması son derece önemlidir. Tasarımın yapılması için öncelikli olarak aracın özelliklerinin belirlenmesi gerekmektedir. Araç özelliklerinin akabinde kullanıcıların dolayısıyla hız sabitleyici sistemin performans isteklerinin belirlenmesi gerekmektedir. Belirlenen kıstaslara göre tasarlanan hız sabitleyici sistemin araca entegrasyonu ile sistem kullanılabilir hale gelmektedir. 
Çalışmada örnek araç olarak ağır ticari araçlar sınıfında 2018 yılında "Uluslararası Yılın Kamyonu" ödülünü alan Ford F-MAX aracı kullanılmış olup, araç gerçek test sürüş dataları ile farklı tiplerde modellenmiştir. Araç modellemesi için sürekli ve ayrık zamanlı modeller kullanılmıştır. Ayrık zamanlı modele gürültü eklenerek çalışma genişletilmiştir. Sürekli zaman, ARX ve ARMAX modellerin doğrulukları valide edilerek aracın modelinin doğruluğundan emin olunmuştur.
Sürekli araç modeline uygun PI ve PID kontrolörler Matlab PID Ayarlama Araç Kutusu yardımı ile tasarlanmıştır. Elde edilen bu kontrolörlerin düz ve eğimli yollardaki performansları ve aynı kontrolörlerin ayrık zamanlı modeller için de sistem kontrolü sağlayıp sağlamadığı kontrol edilmiştir.  Kontrol simülasyon ortamında, Matlab Simulink kullanılarak yapılmıştır.
Fonksiyon işlevinin yerine getirdiği ispat edilen kontrolörlerin performansları karşılaştırılarak hangi tip kontrolörün sistem için daha uygun olduğu tespit edilmiştir.
Modellere ait sistem sonuçları, gerçek araç datası ve FMAX aracının isterleri karşılaştırılarak gerçeğe daha yakın olan araç modelleme yöntemi belirlenmiştir.
Belirlenen araç modeli ARMAX'a uygun kontrol yapısı farklı yöntemler olan Kutup Atama ve Doğrusal Karesel Regülatör ile tekrar oluşturulmuş, ARMAX ile modellenmiş araçlı sistem ile simule edilip, sistem davranışları incelenmiştir. 
Bu verilerden yola çıkılarak kontrol yöntemlerinden uygun olan belirlenmiştir.
Tüm sonuçların karşılaştırması yapılarak ağır ticari araçlarda hız sabitleyicili kontrol sisteminin en iyi şekilde tasarlanmasını sağlayacak metodlar araştırılmıştır

Abstract:
Automotive sector is one of the main sectors that works for improving transportation globally, which is one of the keystones of modern society. After the industrial revolution and mass production, efforts for improving human life quality and transportation in general also kicked off. 	
Nowadays, thanks to new cutting edge technologies, increased population, increased value of the time and also increased inter-relations between people, institutions, corporations, countries; boosts the usage of road transportation and increase its importance in human's life. That is why more comfort and security oriented road transportation methods are examined in the past, even applied to the modern society and more methods will be examined and implemented in the future.
Buying automobiles and automotive related products are not considered as luxury anymore, it rather considered as need. As same as the all other sectors, in automotive sector there are variety of product classes, suitable for different needs and budgets. With continuously changing economy, advancing technology, dynamic demands from customers automotive sector must improve, develop further and work for the limitations/legal restrictions implied by governments and authorities. Globally, variety of countries has been not only a simple market share to get, but also a production opportunity for OEMs (Original Equipment Manufacturers). For every vehicle that is used in the modern roads, current technology's benefits are implemented and used. Although mostly passenger cars are seen on the roads, the usage and need for heavy duty vehicles are also increasing day by day.
Exponentially increased human population, and parallel to that needs of the humans lead to more road connections between cities, villages for transporting variety of products, materials. Tractors and trucks that are classified as heavy duty vehicles are also used for this kind of material transportation. Since the travel times are too long and exhausting between cities all around the world, several functions are developed and implemented to the vehicles, to make the vehicle more comfortable for the driver.
Some countries have black letter rules about speeding offence. Speed restriction is not only statutory law; it is very important precaution for traffic flow, pedestrian and driver's security. In addition to this, it is a known fact that, long distance drives and long driving times cause the driver to be distracted and tired. In this case, controlling the speed of vehicle by pedals become difficult. During speed control, driver should check the actual speed on cluster or tachograph besides arrange the angles of pedals. In this circumstances are grown in importance of controlling the vehicles speed.
Cruise Control systems are one of the systems currently integrated to the most of the modern vehicles even as standard option.
Thanks to this function, driver's comfort is increased and at the same time complying with the different speed limitations on the roads, implemented by different countries is much more easier. 
The basic principal of the cruise control system is, to let the driver put desired vehicle speed into the vehicle as input data, and make the vehicle comply the desired vehicle speed by driver successfully without the further driver intervention. 
Cruise control system's safe, secure, robust and proper implementation to the vehicle, and designing the whole cruise control function according to vehicle type and needs are really important; since drivers are not intervene to throttle pedal, clutch pedal and brake pedal/levers for this function.
The first stage in order to make design is determining the characteristics of vehicle which will use. Then, following the vehicle specifications, the performance requests of the users and of the cruise control must be determined. With the integration of the cruise control system designed according to the determined criteria, the system becomes available.
As demonstration vehicle for this study, Ford F-Max is selected. Ford F-Max is the 2019 "International Truck of the Year" globally, in the heavy-duty vehicle segment. For this system, some components are communicate with  each other. Engine Control Module (ECU), Body Control Module (BCM), tachograph, cluster, steering wheel swithces send and receive signals and messages. Driver set the desired speed set point via steering wheel switches and set free the pedals. During this time vehicle control systems compare actual and desired speed and decide the speedup or slowdown. According to decision related control mechanism send tork request signal and it is converted to speed for vehicle.
Test data, which are used to modelling the vehicle, are imported from F-MAX truck during test drive at Ford Otosan İnönü Plant new test track. These is bulk data for this reason, before starting the modelling, data should be analyzed according to rules of cruise control system. Cruise control system activate under some requirements such as cruise control active button is pressed, set point speed is defined and pedals aren't be pressed. The selected vehicle is variously modeled with real time vehicle data. Test data are filtered according to these criteria then new testable data is obtained. 
For vehicle modeling, continuous time and discrete time models are used. Matlab Identification Toolbox enable for this. After releated data import, this toolbox creates the models which user need. Discrete time models called ARX and ARMAX. By adding noise factor to the discrete time model, study is extended and it is called ARMAX. It is the important point that degrees of signals. Continuous time model, ARX and ARMAX models accuracy has validated and vehicle model's accuracy also verified. During this validation; second data comparison test, unit circle test, autocorrelation and cross correlation test methods have been used. For correlation test; related real test data has been divided two parts which have been called definition and test data and these data sets have been used. In this way vehicle models, have been verified.
After modelling the truck, relevant PI and PID controllers are designed for continuous time vehicle model, with the help of Matlab PID Tuner Toolbox. Toolbox enable to see step response of controllers. Users can tune the response time or robustness of controllers. With the acquired controllers, flat surface and inclined surface performances are checked. At the same time, controllers also with discrete time models system controls are checked as well. Control simulations are held in Matlab Simulink platform. Matlab Simulink platform is enable for simulate the real components of cruise control system with blocks and users can make their own system with requirements. Designed controllers are defined the blocks for each vehicle models. At the same time disturbance is added the Simulink system for simulate the inclined surface performances.
By comparing the controllers' performances that is validated for fulfilling the function requirements; the suitable controller type is selected. Comparing system results of the models, real time vehicle data and Ford F-Max vehicle's requirements; vehicle modeling method is also selected to approximate the real vehicle behavior.
Besides of Matlab PID Tuner Toolbox, pole assignment and LQR methods are used for recreated different control structures suitable for ARMAX, and simulated by ARMAX modeled vehicle system and then system behaviors are examined. With the help of these data, appropriate control design method is chosen.
By comparing all gathered results are compared, satisfactory methods for designing best control system of Heavy Duty Vehicles' cruise control function are investigated.