matlab yardımıyla motor modellenmesi

MUSTAFA KEMAL NVERSTES

FEN BLMLER ENSTTS

MAKNA MHENDSL ANABLM DALl

MUSTAFA ALPER KAYA

YKSEK LSANS TEZ

HAZRAN-2012 Antakya/HATAY

MATLAB YARDIMIYLA MOTOR MODELLENMES VE BULANIK MANTIK

YNTEMYLE MOTOR DEVR KONTROL

MUSTAFA KEMAL NVERSTES

FEN BLMLER ENSTTS

MATLAB YARDIMIYLA MOTOR MODELLENMES VE BULANIK

MANTIK YNTEMYLE MOTOR DEVR KONTROL

MUSTAFA ALPER KAYA

YKSEK LSANS TEZ

MAKNA MHENDSL ANABLM DALI Prof. Dr. Grel AM ve Do. Dr. Hakan YAVUZ danmanlnda hazrlanan bu tez 29/05/2012 tarihinde aadaki jri yeleri tarafndan oybirlii/oyokluu ile kabul edilmitir.

Prof.Dr. Grel AM Bakan

Do.Dr. Hakan YAVUZ Yrd.Do.Dr. Seluk MISTIKOLU

ye ye

Yrd.Do.Dr. Ersin ZDEMR Yrd.Do.Dr. Hasan GZEL ye ye

Bu tez Enstitmz Makina Mhendislii Anabilim Dalnda hazrlanmtr. Kod No: Prof.Dr. lhan REM

Enstit Mdr Not: Bu tezde kullanlan zgn ve baka kaynaktan yaplan bildirilerin, izelge, ekil ve fotoraflarn kaynak gsterilmeden kullanm, 5846 sayl Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hkmlere tabidir.

I

NDEKLER

Sayfa

ZET ............................................................................................................................... III

ABSTRACT .................................................................................................................... IV

SMGELER VE KISALTMALAR DZN .................................................................... V

ZELGELER DZN ................................................................................................. VII

EKLLER DZN ...................................................................................................... VIII

1. GR ............................................................................................................................ 1

2. NCEK ALIMALAR ............................................................................................. 3

2.1. Yapay Zeka ............................................................................................................ 3

2.1.1. Genetik Algoritma ......................................................................................... 3

2.1.2. Yapay Sinir Alar ......................................................................................... 4

2.1.3. Bulank Mantk .............................................................................................. 5

2.1.4. Bulank Mantk Denetleyicilerinin stnlkleri Konusundaki

Deerlendirmeler ..................................................................................................... 7

2.1.5. Bulank Mantk Denetleyicilerinin Sakncalar ............................................. 8

2.1.6. Bulank Mantk Uygulamasnda Sugeno Tipi Denetleyici ............................ 9

2.2. Drt Zamanl Motor Elemanlarnn Matematiksel fadeler ile Gsterilmesi ...... 12

2.2.1. Gaz Kelebei ............................................................................................... 12

2.2.2. Emme Manifoldu ......................................................................................... 14

2.2.3. EK (Elektronik Kontrol nitesi) ............................................................... 15

2.2.4. Hava/Yakt Oran ......................................................................................... 17

2.2.5. Sktrma ve Yanma .................................................................................... 17

2.2.6. Egzost .......................................................................................................... 18

2.3. Vites Kutusu Sistemi ve Aktarma Elemanlar ..................................................... 18

2.4. Tekerlek ve Lastik Mekaniinin Motorda retilen Gce Etkisi ......................... 21

2.4.1. Tekerlein Yola Tutunma Kuvveti .............................................................. 22

2.4.2. Kayma .......................................................................................................... 23

2.5. Ara zerine Etki Eden Baz Diren Kuvvetlerinin ncelenmesi ....................... 24

2.5.1. Yuvarlanma Direnci (RRO ) .......................................................................... 24

2.5.2. Yoku Direnci (Re ) ...................................................................................... 26

II

2.5.3. Hava (Aerodinamik) Direnci (RH ) .............................................................. 27

3. MATERYAL VE YNTEM ...................................................................................... 29

3.1. Materyal ............................................................................................................... 29

3.1.1. Gaz Kelebei ............................................................................................... 29

3.1.2. Emme Manifoldu ......................................................................................... 32

3.1.3. Emme ve Sktrma Blou .......................................................................... 33

3.1.4. Yanma Blou ............................................................................................... 34

3.1.5. Ateleme Zamanlamas Blou ..................................................................... 36

3.1.6. Motor Dinamii ........................................................................................... 37

3.1.7. Motor ve Ara Blounun Birletirilmesi ..................................................... 37

3.2. Yntem ................................................................................................................ 40

3.2.1. MATLAB Bulank Mantk Modl ile Motor Devrinin Kontrol .............. 40

3.2.2. MATLAB/SIMULINK ile Bulank Mantk Modelinin Manuel Olarak

Oluturulmas ve Motor Devri Kontrol ............................................................... 43

3.2.3. Vites Kutusu Modellenmesi ........................................................................ 49

3.2.4. Diren Kuvvetlerinin Modellenmesi ........................................................... 51

3.3. Farkl Diren Kuvvetleri Karsnda Motor Devri Kontrol ............................... 52

3.3.1. Iinci Simlasyon Durumu ( Re=0, RRO =0 ) .............................................. 52

3.3.2. IInci Simlasyon Durumu (Re=0, RRO =Artan) .......................................... 54

3.3.3. IIInc Simlasyon Durumu (Re=Artan, RRO =Artan).............................. 56

3.3.4. IVnc Simlasyon Durumu (Re=Sabit, RRO =Sabit ) ............................... 59

4. ARATIRMA SONULARI VE TARTIMA ......................................................... 61

5. SONU VE NERLER ............................................................................................ 66

KAYNAKLAR ............................................................................................................... 68

TEEKKR .................................................................................................................... 68

ZGEM .................................................................................................................... 70

III

ZET

MATLAB YARDIMIYLA MOTOR MODELLENMES VE BULANIK MANTIK

YNTEMYLE MOTOR DEVR KONTROL

Motorlarn rettii g tat mekaniinin temelini oluturduundan, motorlarn

gelitirilmesi tat teknolojisi asndan byk nem tamaktadr. Ara motorlarnn

rettii gler ayn zamanda ara segmentlerinin belirlenmesinde dikkate alnan bir

kriterdir. Motorun icat edildii yllardan gnmze kadar geen srete genellikle

motorun zgl gcnn ykseltilmesi konusunda almalar yaplmtr. Son yllarda

eitli atk gazlar ile ara egzostlarndan kan NOx gazlarndaki oransal ykselme

neticesinde hava kirliliinde hissedilir bir art yaanmas ve dnya zerinde kolay

ulalabilen, petrol yataklarndaki rezervlerin azalmas gibi bir takm sorunlara zm

yaratabilmek maksadyla, motor tasarmlarnda deiiklikler yaplmakta ve daha dk

yakt tketimi ile daha az emisyon yayan motorlar retilmeye allmaktadr.

Bir tat motorunun rettii gcn fonksiyonu; motorun efektif gcne kar

oluan hareket direnci, yolun durumu, tat yk, tat hz ve ivmesi gibi faktrlere

bal olup, motorun alma artlar kararllk gstermemektedir.

Motor devrini sabit ve istikrarl bir ekilde istenen devirde tutmak aralarda sr

konforunu arttrmakta ve ayn zamanda yakt sarfiyatn da azaltmaktadr. Bu almada,

MATLAB/SIMULINK programnda modellenen motorun devri, gaz kelebeine

kumanda edilerek, Proportional Integral (PI) ve Bulank Mantk yntemleri ile ayr ayr

kontrol edilmeye allmtr. Farkl diren kuvvetleri karsnda kural taban ve yelik

fonksiyonlar doru bir ekilde oluturulan Bulank Mantk ynteminin, PI

denetleyiciden iyi olduu durumlar gzlenmitir. Motor sisteminin ok deikenli bir

yapdan olumas nedeniyle almalar esnasnda simlasyon programnn limitlerinde

zorlanmalar yaandndan, gerekte sisteme etki eden baz kuvvetler/deikenler ihmal

edilmitir. 2012, 70 sayfa Anahtar Kelimeler: Gaz Kelebei, Motor Devri, Diren Kuvvetleri, Bulank Mantk.

IV

ABSTRACT

USING MATLAB IN MODELLING AND FUZZY LOGIC CONTROL OF

ENGINE

The power produced by the engine of vehicles is one of the most important factors

in analysis of such systems. The power generated by the engines also determines the

categorey of those vehicles. From the early days of their invention, engines have been a

topic of research and a significant development has been achieved. Due to limited fuel

resources left, the current trend is to design better engine systems with better fuel

economy and lower emission levels.

The power generated by the engine of a vehicle is used to drive the system inspite

of the fact that there are forces resisting against the motion. These resistance forces are

generated due to load, road conditions, speed and aerodynamic drag and so on. This

interaction results in consistency and stability problems in performance of engine

systems.

Achievement of the desired steady and consistent performance provides improved

comfort and better fuel economy. The presented study aims at developing a control

system that provides a stable and consistent power generation using an artificial

intelligence technique. The system is modeled using MATLAB/SIMULINK where the

performance of the system analyzed. Against the different resistance forces Fuzzy Logic

controller works better than Proportional Integral (PI) controller if the right fuzzy rules

are used and it is also experienced in this study. In order to reduce the complexity of

the problem and to allow focusing on the actual control problem, some forces acting on

the system are ignored.

2012, 70 pages Keywords: Gas Throttle, Engine Acceleration, Resistance Forces, Fuzzy Logic.

V

SMGELER VE KISALTMALAR DZN

A Alan (m2A..N Alt l Nokta

)

b Tatn Eni (m) Cx Ft Tahrik Kuvveti

Hava Diren Katsays

fROg Yer ekimi vmesi 9,81 (m/s

Yuvarlanma Direnci Katsays 2

G Arlk (N) )

GL G

Lastik Arl (N) A

JAra Arl (N)

DJ

Diferansiyel ve Dili Atalet Momenti (Nm) T

J Tekerlek ve Tahrik Mili Atalet Momenti (Nm)

M Motor ve Tranmisyona Giren Motor Mili Atalet Momenti (kg.m2.

m

)

ai.

m

Manifolda Giren Hava Debisi (g/s)

ao.

m

Manifold kndaki Hava Debisi (g/s)

asN Motor Asal Hz (rad/sn)

Silindir ine Pompalanan Hava Miktar (g/s)

.N Motor vmesi (rad/sn2PI Proportional, Integral (Oransal, ntegral)

)

Pm Manifold Basnc (bar) PambR Spesifik Gaz Sabiti

Atmosferik Basn (bar)

RRO R

Yuvarlanma Direnci e

RYoku Direnci

HS Kayma

Hava Direnci

T Scaklk (Kelvin) TeT

Efektif Motor Torku (Nm) i

T ndike Motor Torku (Nm)

TT

Teker Torku (Nm) D

TDiferansiyel Torku (Nm)

yuk..N st l Nokta

Motorda Kayp Oluturan Elemanlarn Torku (Nm)

Vm Manifold Hacmi (m3V

) R0

V Rzgar Hz (m/s)

tas YSA Yapay Sinir Alar

Tat Hz (m/s)

y Tatn Yerden Ykseklii (m) (theta) Gaz Kelebei As (derece0W Tekerlein Statik Durumdaki Zemin Reaksiyon Kuvveti (N)

)

D Diferansiyeldeki Asal Hz

VI

M

Motordaki Asal Hz T

Tahrik Halinde Dnen Tekerlein Dnme As Tekerdeki Asal Hz

0

Serbest Halde Dnen Tekerlein Dnme As ROmax

Maksimum Yuvarlanma Tutunma Katsays

s Ateleme Avans (derece

Kayma Halindeki Tutunma Katsays 0

)

D

Diferansiyelde Asal Olarak Yer Deitirme Mesafesi T

Tekerlekte Asal Olarak Yer Deitirme Mesafesi

M Krankaft As (derece

Motor Milinin Asal Olarak Yer Deitirme Mesafesi 0

Yol Eim As (derece)

0

Havann Younluu (kg/m)

3

)

VII

ZELGELER DZN

Sayfa

izelge 2.1. Saysal bilgisayar ile yapay sinir alarnn karlatrmas (Elmas, 2007) ... 5

izelge 2.2. AND komutlu bir rnek ................................................................................ 9

izelge 2.3. Sugeno tipi denetleyicilerde yelik fonksiyonu .......................................... 10

izelge 2.4. Motor modellenmesinde kullanlan parametreler ....................................... 12

izelge 2.5. r0 lastiklerin yol zerindeki tutunma katsaylar (etinkaya, 1999) ........ 23

izelge 2.6. Yolun yapsna gre fRO (etinkaya, 1999) ............................................... 26

izelge 2.7. Baz tatlarn hava direnci katsaylar (etinkaya, 1999) ......................... 28

VIII

EKLLER DZN

Sayfa

ekil 2.1. Sugeno tipi denetleyici ile u1 ve u2 giri yelik fonksiyonlar ........................ 9

ekil 2.2. Drt zamanl motor evrimi (Rmers, 2006) .................................................. 12

ekil 2.3. Gaz kelebeinin ekli (http://www.obitet.gaziedu.tr.) ................................... 13

ekil 2.4. Emme manifoldunun geometrisi (http://www.obitet.gazi.edu.tr.) .................. 14

ekil 2.5. Elektronik Kontrol nitesi (EK) blou (http://www.otobil.net) ................. 15

ekil 2.6. EKnn i yaps (http://www.otobil.net) .................................................... 16

ekil 2.7. Sktrma ve yanma evrimi sonucunda oluan kuvvet (Rmers, 2006) ....... 17

ekil 2.8. Arata aktarma organlar (Kural, 2006) .......................................................... 20

ekil 2.9. Frenleme kuvvetinin kayma oran ile deiimi (etinkaya, 1999) ................. 24

ekil 2.10. Tekerin yola temas yzeyindeki basn dalm (etinkaya, 1999) ............ 25

ekil 2.11. Tekerin statik ve dinamik dnme yarap (etinkaya, 1999) ...................... 25

ekil 2.12. Yuvarlanma diren katsaysnn etkileri (etinkaya, 1999) ......................... 26

ekil 2.13. Yoku direnci (Re ) ( http://www.obitet.gazi.edu.tr.) ............................... 27

ekil 2.14. Hava direnci kuvvetinin bileenleri (http://www.obitet.gazi.edu.tr.) .......... 27

ekil 3.1. Gaz kelebeinin MATLAB/SIMULINK blou .............................................. 30

ekil 3.2. Gaz kelebeinin 45 derecede sabit tutulduu durum ...................................... 31

ekil 3. 3.Emme manifoldunun MATLAB/SIMULINK blou ...................................... 32

ekil 3.4. Emme manifoldunun incelenmesi .................................................................. 33

ekil 3.5. Emme ve sktrma MATLAB/SIMULINK blou ........................................ 34

ekil 3.6. Yanma alt sistemi MATLAB/SIMULINK blou ........................................... 35

ekil 3.7. Yanma blounda retilen indike tork ............................................................. 35

ekil 3.8. Zamanlama blou ............................................................................................ 36

ekil 3.9. Motor dinamii ............................................................................................... 37

ekil 3.10. Motor blou modeli ...................................................................................... 38

ekil 3.11. Ford Motor Company ve Mathworks araba modeli sf_car ........................... 38

ekil 3.12. Motor ve ara modellerinin birletirilmesi ve bulank mantk ile kontrol .. 39

ekil 3.13. MATLAB programnda bulank mantk modl .......................................... 40

IX

ekil 3.14. Bulank mantk kural yazma penceresi ......................................................... 41

ekil 3.15. Bulank mantk giri-k sinyallerinde yelik snrlar ............................... 42

ekil 3.16. Bulank mantk giri-k sinyali deerlerinin model yzeyi ...................... 42

ekil 3.17. Manuel olarak modellenen bulank mantk kontrolr ................................. 43

ekil 3.18. Manuel giri deerleri ile alan bulank mantk alt blou .......................... 43

ekil 3.19. Bulank mantk hata pozitif alt blogu ............................................................ 44

ekil 3.20. Bulank mantk yelik fonksiyonu 0-10 arasnda alt blou .......................... 44

ekil 3.21. Bulank mantkta hatann pozitif olduu ksmn yelik fonksiyonu ............. 45

ekil 3.22. Bulank mantkta hatann negatif olduu ksmn yelik fonksiyonu ............ 47

ekil 3.23. Vites deitirme mantnn modellenmesi .................................................. 49

ekil 3.24. 1inci vites ve vites artrma kurallar ............................................................ 50

ekil 3.25. ki sistemin tek modelde birletirilmesi ve bulank mantkla kontrol ......... 50

ekil 3.26. RRO ve Re diren kuvvetlerinin modellenmesi ............................................. 51

ekil 3.27. I.Durumda PI ile devir kontrol Kp=0.2, Ki=0.65 ...................................... 53

ekil 3.28. I.Durumda bulank mantk ile devir kontrol ............................................... 53

ekil 3.29. II.Durumda PI ile devir kontrol Kp=0.35 Ki=0.2, Re=0, RRO = Deiken 55

ekil 3.30. II.Durumda bulank mantk ile devir kontrol Re=0 ve RRO = Deiken .. 55

ekil 3.31. Sinyal kaynandaki eim as 0 ve yuvarlanma direnci katsays fRO ...... 56

ekil 3.32. III.Durumda PI ile kontrol Kp=0.35 Ki=0.7 Re= Artan ve RRO = Artan ... 57

ekil 3.33. III.Durumda bulank mantk ile kontrol Re=Artan ve RRO = Artan ............. 58

ekil 3.34. IV.Durumda PI ile kontrol Kp=0.55 Ki=0.65, Re= Sabit ve RRO = Sabit .. 60

ekil 3.35. IV.Durumda bulank mantk ile kontrol Re=Sabit ve RRO = Sabit .............. 60

ekil 4.1. Iinci durumda PI ile bulank mantn karlatrlmas ................................ 62

ekil 4.2. IInci durumda PI ile bulank mantn karlatrlmas ................................ 63

ekil 4.3. IIInc durumda PI ile bulank mantn karlatrlmas .............................. 64

ekil 4.4. IVnc durumda PI ile bulank mantn karlatrlmas .............................. 65

1

1. GR

Gnmzde teknolojik gelimelere paralel olarak, tat motorlarnn incelenmesi

ve gelitirilmesi faaliyetlerinin sadece laboratuarlardaki fiziksel deneyler ile

salanamayaca dnlmektedir. Ara motorlarnn kullanmakta olduu petroln

tketimindeki ve hava kirliliindeki hissedilebilir art incelendiinde motor

tasarmnda hzla deiiklikler yaplmasna ihtiya duyulmaktadr. Mevcut fiziksel

deneylere dayal laboratuar ortamlar zaman ve mekan gibi etkenler asndan yetersiz

kalmakta ve otomobil firmalarna ilave iletme maliyetlerine neden olmaktadr.

zellikle aratrma-gelitirme faaliyetlerinin yazlmsal olarak matematiksel ifadelerle

bilgisayar ortamnda yaplmasnn zaman ve maliyet asndan daha efektif olduu

deerlendirilmektedir.

Teknolojide mekanik kontroll sistemlerin kullanc ihtiyalarn karlayamamas

ve hemen hemen tm makinelerin elektronik kontroll yazlmlar zerinden gelimesi

nedeniyle tat teknolojisinde de motorlar, aktarma organlar, vites kutular, tekerlekler

matematiksel ifadeler zerinden modellenerek paket programlar ile dizayn edilmekte ve

simlasyonlarda elde edilen neticeler daha kolay incelenebilmektedir. Ara motorlar ile

ilgili almalar genellikle motor grlt seviyesinin ve titreimlerinin drlmesi,

yakt sarfiyatnn azaltlmas, zararl egzost gaz salnmlarnn drlmesi, motor

performansnn ykseltilmesi amal yaplmaktadr.

Bu almada ara motoru modellenmesi ve simlasyon sonularnn incelenmesi

hususlarnda kullanm kolayl salamas sebebiyle MATLAB/SIMULINK program

tercih edilmitir.

Literatrde 1987 ylnda Moskwa ve Hendrick tarafndan ilk kez ara motoru

modellenerek e zamanl kontrol edilmesi ve daha sonra 1991 ylnda Crossley ve Cook

tarafndan yaplan, kontrol sistemleri byk nem tamaktadr.

Moskwa ve Hendrick tarafndan yaplan bu almalarn 90l yllardan itibaren

ara motoru modellenmesi ve e zamanl kontrol konusunda birok almaya rehber

niteliinde olduu ifade edilmektedir (Crossley ve Cook, 1991). Son dnemde egzost

gaz emisyon lmleri, motor titreiminin azaltlmas ve maksimum motor torku ile

devir ilikisinin incelenmesi konusunda gelimeler kaydedilmitir.

1

2

Motorun rettii gcn mekanik enerjiye evrilmesi ile motor devrinin kontrol

edilmesi konusundaki almalarn yol gsterici nitelikte olmas sebebiyle bu konu tez

almas olarak tercih edilmitir.

Motor modellenmesi konusunda kabul grm amprik formller toplanm ve

matematiksel fonksiyonlar oluturulmutur. Modelde gaz kelebei asna bal olarak

emme manifolduna giren havann amprik formller ile modellenmesi, sktrma ve

yanma evrimlerinde zamanlayc bloklar ile ateleme alarnn simle edilmesi,

motorun rettii torkun hesaplanmas, motor torkunun aktarma organlar zerinden

vites kutusuna oradan ara dinamiklerine iletilmesi salanmtr.

Bu almada; MATLAB/SIMULINK iindeki bloklar yardmyla vites sistemi

oluturulmas, araca etki eden diren kuvvetlerinin belirlenmesi ve dinamik motor

blouna birletirilmesi zerinde allmtr.

Motor devrinin kontrol kapsamnda; diren kuvvetlerinin deitirilmesiyle

oluturulacak drt farkl simlasyon durumunda Bulank Mantk yntemi ile PI

denetleyicinin performanslar kyaslanacak ve elde edilen sonular ayr ayr

deerlendirilecektir.

3

2. NCEK ALIMALAR

2.1. Yapay Zeka

nsan beyni dnyann en karmak makinesi olarak kabul edilebilir. nsan beyni

saysal bir ilemi birka dakikada yapabilmesine karn; idrak etmeye ynelik olaylar

ok ksa bir srede yapmaktadr. rnein yolda giden bir ofr, yolun kayganlk

derecesini, nndeki tehlikeden ne kadar uzak olduunu, saysal olarak

deerlendiremezse dahi gemite kazand tecrbeler sayesinde aracn hzn

azaltmaktadr. nk o saniyelerle llebilecek kadar ksa bir srede tehlikeyi idrak

etmi ve ona kar koyma gibi bir tepki vermitir. Bu noktada akla gelen ilk soru

bilgisayara byle bir problemi zme yetenei kazandrlabileceidir. Bilgisayarlar

genellikle kullanm alanna ynelik olarak ok karmak saysal problemleri annda

zmesine karn, idrak etme ve deneyimlerle kazanlm bilgileri kullanabilme

noktasnda zayf kalmaktadrlar.

Bu noktada insan stn klan zellik sinirsel alglayclar sayesinde kazanlm ve

greceli olarak snflandrlm bilgileri kullanabilmesidir. nsan zekasn modellemede

uzman sistemler alannda; Bulank Mantk, Genetik Algoritma ve Yapay Sinir Alar

gibi yapay zeka dallar ortaya km ve gelimeler salanmaya balamtr. Bu uzman

sistemlere ilikin bilgiler ksaca alt balklar halinde aada verilmitir.

2.1.1. Genetik Algoritma

Yapay zeknn gittike genileyen bir kolu olan evrimsel hesaplama tekniinin bir

parasn oluturmaktadr. Genetik Algoritma Darwinin Doada en iyi olann

yaamas evrim kuramndan esinlenerek oluturulan, bir veri beinden zel bir veriyi

bulmak iin kullanlan bir arama yntemidir.

Genetik algoritma geleneksel yntemlerle zm zor veya imkansz olan

problemlerin zmnde kullanlmaktadr.

4

2.1.2. Yapay Sinir Alar

Yapay Sinir Alar (YSA), insan beyninden esinlenerek gelitirilmi, arlkl

balantlar araclyla birbirine balanan ve her biri kendi belleine sahip ilem, ilem

elemanlarndan oluan paralel ve datlm bilgi ileme yaplardr. Yapay sinir alar

biyolojik sinir alarn taklit eden bilgisayar programlardr. Yapay sinir alar zaman

zaman balantclk, paralel datlm ilem, sinirsel-ilem, doal zeka sistemleri ve

makine renme algoritmalar gibi isimlerle de anlmaktadr.

YSA bir programcnn geleneksel yeteneklerini gerektirmeyen, kendi kendine

renme dzenekleridir. Bu alar renmenin yan sra, ezberleme ve bilgiler arasnda

ilikiler oluturma yeteneine de sahiptir. Yapay sinir alar insan beyninin baz

organizasyon ilkelerine benzeyen zellikleri kullanmaktadr ve bu sayede bilgi ileme

sistemlerinin yeni neslini temsil etmektedirler. Geleneksel bilgisayar ise zellikle model

seme ileminde verimsiz ve sadece algoritmaya dayal hesaplama ilemleri ile kesin

aritmetik ilemlerde hzldrlar. izelde 2.1. de saysal bilgisayar ile YSA

karlatrlmtr. Geri Yaylml YSA tahmin ve snflandrma ilemlerinde, belirsiz,

grltl ve eksik bilgilerin ilenmesinde baarl sonular vermektedir.

Herhangi bir rnek giri verisinin tannabilmesi ve bunun daha sonra

kullanlabilmesi iin verinin ada nasl temsil edildiini, nerede saklandnn YSAda

bilinmesi gerekmektedir. Klasik bilgisayarlarda bilgi 1 ve 0 serileri ile temsil edilirken,

sinir alarnda matematiksel ilev ile temsil edilir. Yapay sinir alarndaki bilgi, a

iindeki balantlarda ve birok arlklar yoluyla datlmaktadr. Klasik bilgisayar

bilgiyi belleinde belirli bir yerde saklar, sinir alar ise bilgiyi tm a boyunca datr.

Bu durum datlm bellek olarak bilinir.

Gnmzde YSA zerine yaplan aratrmalar iki alan zerine younlamtr.

Bunlardan birincisi ileri beslemeli ok katmanl alar ikincisi ise Hopfield alardr.

Yapay sinir alarnn kullanm alanlar: denetim, sistem modelleme, ses tanma, el

yazs tanma, parmak izi tanma, elektrik iareti tanma, meteorolojik hava durumu

yorumlama, otomatik ara denetimi ve sala ynelik fizyolojik iaretleri izleme,

tanma ve yorumlama gibi konulardr.

5

izelge 2.1. Saysal bilgisayar ile yapay sinir alarnn karlatrmas (Elmas, 2007)

Saysal Bilgisayarlar Yapay Sinir Alar

Tmdengelimli mantk: k retmek iin

giri bilgilerine bilinen kurallar uygulanr.

Tmevarml mantk: Giri ve k

bilgileri (eitilen rnekler) verilir,

kurallar kullanc koyar.

Hesaplama merkezi, e zamanl ve

ardldr.

Hesaplama toplu, ezamansz ve

renmeden sonra paraleldir.

Bellek paketlenmi, hazr bilgi depolanm

ve yer adreslenebilir.

Bellek ayrlmtr, dahilidir ve ierik

adreslenebilir.

Hata tolerans yoktur.

Eer bilgi, grlt veya ksmi ise

kurallar bilinmiyorsa ya da karksa hata

tolerans uygulanabilir.

Hzldr. Yavatr.

Bilgiler ve Algoritmalar kesindir. Yapay sinir sistemleri deneyimden

yararlanr.

2.1.3. Bulank Mantk

Bulank kme teorisine dayanan bir matematiksel disiplindir. Bulank Mantk

insan mantnda olduu gibi, uzun-ksa, scak-souk, yerine uzun, ortadan biraz uzun,

orta, ortadan biraz ksa, ksa veya scak, lk, az souk, souk-ok souk v.b. ara

deerlere sahip olmas sebebi ile yaklam olarak insan dnce ekline en yakn mantk

formunu oluturmaktadr.

Uzman sistem temelde insan dncelerini gerekletirmek amacyla bilgisayar

tarafndan ilenen bir yazlmdr. Uzman sistem gelitirilirken, uzmanlarn belli bir

konudaki bilgi ve deneyimlerini bilgisayara aktarlmas amalanmaktadr. Bu yaklam

ilk defa Amerika Birleik Devletlerinde dzenlenen bir konferansta 1956 ylnda

duyurulmutur. Ancak bu konudaki ilk ciddi adm 1965 ylnda Lotfi A. Zadeh

tarafndan yaplan alma ile Bulank Mantk veya Bulank Kme kuram ad altnda

ortaya konulmutur. Zadeh bu almasnda insan dncesinin byk ounluunun

6

bulank olduunu, kesin olmadn belirtmitir. Bu yzden 0 ve 1 ile temsil edilen

Boolean Mantk bu dnce ilemini yeterince ifade edememektedir. nsan mant ak,

kapal, scak, souk, 0 ve 1 gibi deikenlerden oluan kesin ifadelerin yan sra, az

ak, az kapal, serin, lk gibi ara deerleri de gz nne almaktadr. Bulank Mantk,

klasik mantn aksine 2 seviyeli deil, ok seviyeli ilemleri kullanmaktadr. Ayrca

Zadeh insanlarn denetim alannda, mevcut makinelerden daha iyi olduunu ve kesin

olmayan dilsel bilgilere bal olarak etkili kararlar alabildiklerini savunmutur. Klasik

denetim uygulamalarnda karlalan zorluklar nedeniyle, Bulank Mantk denetimi

alternatif yntem olarak ok hzl gelimi ve modern denetim alannda geni uygulama

alan bulmutur. Bulank mantn genel zellikleri Zadeh tarafndan u ekilde ifade

edilmitir;

Bulank Mantkta kesin deerlere dayanan dnme yerine, yaklak dnme

kullanlr.

Bulank Mantkta her ey [0,1] aralnda belli bir derece (veya yelik) ile

gsterilir.

Bulank Mantkta bilgi byk, kk, az, ok az gibi dilsel ifadeler eklindedir.

Bulank karm ilemi dilsel ifadeler arasnda tanmlanan kurallar ile yaplr.

Her mantksal sistem bulank olarak ifade edilebilir.

Bulank Mantk matematiksel modeli ok zor elde edilen sistemler iin ok

uygundur.

Bulank Mantk tam olarak bilinmeyen veya eksik girilen bilgilere gre ilem

yapabilme yeteneine sahiptir. Yakn tarihte zellikle Japonya, Amerika ve Almanyada

yaklak 1000den fazla ticari ve endstriyel bulank sistemleri baaryla

gerekletirilmitir. Yakn gelecekte ise zellikle ticaret sektr ve endstri alannda

daha yaygn olarak kullanlaca deerlendirilmektedir.

Bulank mantn ilk uygulamas, Mamdani tarafndan 1974 ylnda bir buhar

makinesinin Bulank Mantk denetiminin gerekletirilmesi olumutur. 1980 ylnda bir

Hollanda irketi imento frnlarnn denetiminde Bulank Mantk denetimi

uygulamtr. 3 yl sonra Fuji elektrik irketi su artma alanlar iin kimyasal pskrtme

aleti zerine almalar yapmtr. 1987 ylnda ikinci IFSA kongresinde ilk Bulank

Mantk denetleyicileri sergilenmitir. Bu denetleyiciler, 1984 ylnda aratrmalara

balayan Omron irketinin 700den fazla rnnde uygulama alan bulmutur. 1987

7

ylnda ise Hitachi takmnn tasarlad Japon Sendai metrosu denetleyici kontrolnde

almaya balamtr. Bu Bulank Mantk denetim metro uygulamasnda daha rahat bir

seyahat, dzgn bir yavalama ve hzlanma salamtr. 1989 ylnda Omron irketi

Japonyann Harumi ehrinde bulunan alma merkezinde yapm olduu bulank

sonu-board la yaplan depolama, tekrar etme ve bulank sonularn elde etmek iin

kullanlan (RISC) bilgisayara dayal olan almalar tantmtr.

Bulank Mantk uygulamalarnn rnleri Japonyada 1990 ylnda tketicilere

sunulmutur. rnein bulank denetimli amar makinesi; amarn cinsine, miktarna,

kirliliine gre en etkili amar ykama ve su kullanma programn semektedir.

Bulank Mantk uygulamalarna dier rnek arabalarda yakt pskrtme ve

ateleme sisteminin denetimidir. Ayrca elektrik sprgesi, televizyon ve mzik aletleri

gibi aygtlarda da Bulank Mantk denetimi kullanlmaktadr.

Bulank Mantk uygulamalar s, elektrik akm, sv gaz akm denetimi,

kimyasal ve fiziksel sre denetimlerinde kullanlmaktadr (Elmas, 2007).

2.1.4. Bulank Mantk Denetleyicilerinin stnlkleri Konusundaki

Deerlendirmeler

Bulank Mantk kuramnn insan beyninin dnme tarzna ok yakn olmas en

byk stnl sunmaktadr. Denetim ilemlerinin birou dilsel niteleyicilerle

yaplmaktadr.

Bulank Mantk yaklam matematiksel modele ihtiya duymadndan

matematiksel modelin iyi tanmlanamam, zamanla deien ve dorusal

olmayan sistemlere ait olmas durumlarnda dahi baar ile uygulanmaktadr.

Bulank Mantk yaklamnda iaretlerin bir n ilemeye tabi tutulmalar ve

geni bir alana yaylm deerlerin az sayda yelik ilevlerine indirgenmeleri

uygulamalarn daha hzl bir ekilde sonuca ulamasn salamaktadr.

Bulank Mantk klasik yntemlerdeki gibi dar ve snrl dereceli (sadece 1,0

kurgusu ile sergilenmez) statik deil, esnek bir yapya sahiptir.

Bulank Mantk belirsizlik ieren veri ile alabilir. zellikle algya dayal

bilgilerde, olaslk teorisinin kullanlmad durumlarda baarl bir ekilde

kullanlabilir.

8

Bulank Mantk doal dile ok yakndr. Bu nedenle uzman kiilerin tecrbeleri

kural olarak bilgisayara aktarlmasnda ve doru sonuca ulatrlmas konusunda

kolaylk salar.

Elde edilen sonular kullanc tarafndan kontrol edilebilir ve izlenebilir.

Dorusal olmayan problemlerin zmne olanak tanr.

Bulank Mantk kullanm sayesinde scak, lk, serin, souk vb. szel ifadeler

iin deerler hesaplanp, bunlarla cebirsel ilemler yaplabilir.

2.1.5. Bulank Mantk Denetleyicilerinin Sakncalar

Bulank Mantk uygulamalarnda mutlaka kurallarn uzman deneyimlerine

dayanarak tanmlanmas gerekir. yelik ilevlerini ve Bulank Mantk

kurallarn tanmlamak her zaman kolay deildir. Bu yaklamla kontrol

uygulamalarnda kontrol yaklamn kurallarla ifade edebilmek iin sistemin

alma eklini ve uygulanacak kontrol yaklamlarn iyi anlamak gerekir.

yelik ilevlerinin deikenlerinin belirlenmesinde kesin sonu veren belirli bir

yntem ve renme yetenei yoktur. En uygun yntem deneme yanlma

yntemidir, bu da ok uzun zaman alabilir. Uzun testler yapmadan gerekten ne

kadar yelik ilevi gerektiini belirlemek ok gtr. Bu tip bir almada

kontrol sisteminden beklenen performansa ait tanmlamalar yaplmas ve bu

tanmlamalar esas alan bir hedef belirlenmesi uygun olacaktr.

Sistemlerin kararllk, gzlemlenebilirlik ve denetlenebilirlik analizlerinin

yaplmasnda ispatlanm kesin bir yntemin olmay bulank mantn temel

sorunudur. Gnmzde bu sadece pahal deneyimler sonucu mmkn

olmaktadr.

Bulank Mantk yaklamnda yelik ilevlerinin deikenleri sisteme zeldir,

baka sistemlere uyarlanmas ok zordur.

9

2.1.6. Bulank Mantk Uygulamasnda Sugeno Tipi Denetleyici

Sugeno tipi denetleyicinin alma eklinin aklamal olarak gsterilebilmesi

bakmndan AND komutu ile yazlm bir rnek izelge 2.2. de sunulmutur. rnek

sistemin kural taban ve fonksiyon denklemleri:

izelge 2.2. AND komutlu bir rnek

rnee Ait Kural Taban Fonksiyon Denklemleri

1- IF (u1 is Z1 AND u2 is K1) THEN y=F1(u1,u2 F) 1(u1,u2)= 4u1+u2+5

2- IF (u1 is Z1 AND u2 is K2) THEN y=F2(u1,u2 F) 2(u1,u2)= u1-u2

3- IF (u1 is Z2 AND u2 is K1) THEN y=F3(u1,u2 F) 3(u1,u2)= u1+u2-5

4- IF (u1 is Z2 AND u2 is K2) THEN y=F4(u1,u2 F) 4(u1,u2)= 3u1-u2-10

rnek ierisinde u1= 10 ve u2

= 0 olarak belirlenmi ve AND komutunda ise cebirsel

arpm seilmitir. Bu durumda y k sinyali hesaplanmaya allacaktr.

I. Bulanklatrma modlnde yaplan yelik ilemleri ekil 2.1. ve izelge 2.3. de

gsterilmitir.

ekil 2.1. Sugeno tipi denetleyici ile u1 ve u2

giri yelik fonksiyonlar

Z1 Z2 K2 K1

-40

u1

-10

u2

40 10

10

1

1

1 1

1 1

0 ; 40 (u ) = 1 ; 40

1 0.5 ; 40 4080

Z

uu

u u

>

< +

(2.1.)

1 10u = ise 1 (10) 0.375Z =

2

1

1 1

1 1

0 ; 40 (u ) = 1 ; 40

1 0.5 ; 40 4080

Z

uu

u u

>

< +

(2.2.)

1 10u = ise 2 (10) 0.625Z =

1

2

2 2

2 2

0 ; 10 (u ) = 1 ; 10

1 0.5 ; 10 1020

K

uu

u u

>

< +

2 0u =

(2.3.)

ise 1(0) 0.5K =

2

2

2 2

2 2

0 ; 10 (u ) = 1 ; 10

1 0.5; 10 1020

B

uu

u u

>

< +

2 0u =

(2.4.)

ise 2(0) 0.5B =

izelge 2.3. Sugeno tipi denetleyicilerde yelik fonksiyonu u1yelik Derecesi

=50 Bulank Kme

yelik Fonksiyonu

u2 Bulank Kme

yelik Fonksiyonu

=0

yelik Derecesi

0.375 Z 0.5 1 K1

11

0.625 Z 0.5 2 K2

II. karm mekanizmas:

1- Kuraln kesinlik derecesi 11ZK

2- Kuraln kesinlik derecesi

= 0.375*0.5 =0.1875 (2.5.)

12ZK


= 0.375*0.5 =0.1875 (2.6.)

21ZK


= 0.625*0.5 =0.3125 (2.7.)

22ZK

= 0.625*0.5 =0.3125 (2.8.)

III. Kural Fonksiyonu :

F1F

(10,0)= (4*10)-0+5=45

2

F

(10,0)= 10-0=10 (2.9.)

3

F

(10,0)= 10+0-5=5

4

(10,0)= (3*10)-0-10=20

III. k Sinyalinin hesaplanmas:

Arlk Ortalama Metodu ile k sinyali hesaplanr.

11 1 1 2 12 1 1 2 21 1 1 2 22 1 1 2

11 12 21 22

* ( , ) * ( , ) * ( , ) * ( , )ZK ZK ZK ZKZK ZK ZK ZK

F u u F u u F u u F u uy

+ + +=

+ + + (2.10.)

0,1875*45 0,1875*10 0,3125*5 *0,3125*200,1875 0,1875 0,3125 0,3125

y + + +=+ + +

= 18.25 olarak hesaplanr.

12

2.2. Drt Zamanl Motor Elemanlarnn Matematiksel fadeler ile Gsterilmesi

Matematiksel ifadeler mhendislik sistemlerinin tanmlanmasnda ve

modellenebilmesinde ok nemli bir yer tutmaktadr. Sistemin kontrol edilebilmesi

bakmndan da ilk yaplmas gereken ilem, sistemleri matematiksel olarak

tanmlamaktr. Drt zamanl bir motorun evrimsel gsterimi ekil 2.2. de

sunulmutur.

Bu blmde motor elemanlar arasndaki ilikileri tanmlayan, eitli

kaynaklardan derlenmi denklemler ve ilgili aklamalar bulunmaktadr. Motor modeli

oluturulurken kullanlan parametreler izelge 2.4. te verilmitir.

ekil 2.2. Drt zamanl motor evrimi (Rmers, 2006) izelge 2.4. Motor modellenmesinde kullanlan parametreler

Motor Hacmi Toplam 3.8 litre,

Emme Manifoldu 3.4 litre,

Ateleme Avans As 150

D Atmosfer Basnc 1 bar,

Hava/yakt Oran 14.66

2.2.1. Gaz Kelebei

Gaz kelebegi emme manifoldu azn kapatan eliptik ekle sahip bir para olup,

ekil 2.3. te gsterilmitir. Gaz kelebei havay iinden geirerek, emme manifolduna

gnderir. Daha sonra emme manifoldu sayesinde silindir iine gnderilen havaya,

EKnn hafzasnda yklenmi deerlere gre sktrma evrimi sonunda enjektr

13

tarafndan yakt pskrtlr ve yanma olay gerekleir. Temelde gaz kelebeinin

grevi araba motorunun devrini ve sratini artrmak veya azaltmak iin konumunu

deitirerek emme manifolduna daha fazla ya da daha az miktarda hava geiini

salamaktr (Magnus, 2004).

ekil 2.3. Gaz kelebeinin ekli (http://www.obitet.gaziedu.tr.)

Gaz kelebeinin matematiksel denklemlerle ifadesi aada olduu gibidir (Crossley ve

Cook 1991).

( ) ( )air mm f g P= (2.11.)

Hava ak miktarna (gr/s) gaz kelebei asnn ve emme manifoldu basncnn

etki ettii grlmektedir.

2 3f( )= 2.821-0.05231 +0.10299 -0.00063

Yukardaki denklem gaz kelebei asna bal olarak hava geii salayan

boluun ifadesidir.

(2.12.)

2

2

1 ,2

2 . ,( ) 2

2 . , 2

1 , 2

m

PambPm

PambPm Pamb Pm Pm Pambg P Pamb

Pm Pamb Pm Pamb Pm PambPamb

Pm Pamb

+ + =

(2.13.)

14

2.2.2. Emme Manifoldu

Gaz kelebei bloundan kan hava ekil 2.4. te gsterilen emme manifolduna

gelir. Emme manifoldunda silindire pompalanacak hava miktar belirlenmektedir.

Havann emme manifolduna girmesi veya emme manifoldundan kmasyla manifold i

basnc dinamik olarak deimektedir ve bu basn aadaki ekilde hesaplanmaktadr;

. . .* ( )m asaiR TP m mVm

= (2.14.)

Pm

2 2as m m mm = -0.366+0.08979 N P -0.0337 N P +0.0001 N P

deeri yukardaki denklemi ile bulunduktan sonra motor devri deeri ile

birlikte aadaki denkleme tatbik edilir ve bylece silindire pompalanacak hava miktar

hesaplanr (Crossley ve Cook, 1991).

(2.15.)

Emme manifoldundan silindire pompalanan hava miktar motor devrine ve emme

manifoldunun basncna bal olarak deimektedir.

ekil 2.4. Emme manifoldunun geometrisi (http://www.obitet.gazi.edu.tr.)

15

2.2.3. EK (Elektronik Kontrol nitesi)

Elektronik Kontrol nitesi (EK) merkezi bir kontrol ve ilem birimi olup, ekil

2.5.te gsterilmitir. Motor kontrol sisteminin kalbini oluturan bu kontrol birimi,

motor alrken eitli sensrlerden gelen bilgileri deerlendirerek en uygun devir/yakt

orann tespit edip elde ettii bu deer dorultusunda aktatrleri kontrol ederek

motorun optimum almasn salamaya alan bir sistemdir. ekil 2.5. te gsterilen

termistr, potansiyometre, voltaj jeneratr ve manyetik alc elemanlar giri

sensrleridir. Gsterilen EK birimi voltaj regulatr, mikrobilgisayar, diagnosis

blm ve k srclerinden oluturmaktadr. Burada voltaj jeneratr EKnn

kararl almasn garantilemek iin besleme gerilimini kararl hale getirmektedir.

Mikrobilgisayar biriminde mikroilemci, geici ve dhili bellekler gsterilmitir.

Mikroilemci kontrol-karar ilemlerini yerine getirmektedir.

ekil 2.5. Elektronik Kontrol nitesi (EK) blou (http://www.otobil.net)

Dahili bellekler EK program algoritmalar ve kontrol tablolarn tutan

belleklerdir ve ilerindeki veriler silinemez. Geici bellek motor alma esnasnda

16

gerekli olan geici verileri tutmaktadr (motor ilk altnda llen referans atmosfer

basnc gibi). Diagnosis birimi, giri veri hatalar minimize etmek iin kullanlr. k

srcleri EKden gelen sinyaller dorultusunda hareket retelerinin srlmesini

salayan sinyalleri reten blmdr.

EKnn i yaps ekil 2.6. da gsterilmitir. EK iindeki bilgilerin

kaydedildii ksma hafza blgesi ad verilir. Hafza, denetleyicideki kontrol plan veya

programn saklamak iin kullanlr. Hafzada saklanan bilgi, hangi girie gre hangi

k iaretinin saklanaca ile ilgilidir ve gerekli hafza miktarn programn yaps

belirler. Hafzalar saklanan bilginin kaybolup kaybolmamasna bal olarak iki grupta

incelenebilir.

Ram (Random Access Memory) Bellekler: RAM ad verilen rastgele eriimli

belleklerdir. Bu tip belleklerde enerjinin kesilmesi ile birlikte eldeki bilgi kaybolur.

Programlama esnasnda yazma ve okuma ilemlerinin yerine getirilmesinde kullanlr.

Rom (Read Only Memory): ROM ad verilen salt okunur belleklerdir. Bu bellek

tipi silinebilir ve programlanabilir olmasna gre alt gruplara ayrlr.

ekil 2.6. EKnn i yaps (http://www.otobil.net)

17

2.2.4. Hava/Yakt Oran

Drt zamanl motor modeli ierisinde zamanlama ilemini salayan

tetikleyicilerin srelerini ayarlamak iin krank mili as dikkate alnmaktadr. Birinci

evrimde hava ieri alnr, ikinci evrimde hava sktrlr, nc evrimde yakt

pskrtlr ve yanma gerekleir. Yanma sonucu silindir iinde oluan basn piston

kolunu hzla ittirerek krank aftn hareket etmesini salar ve g retilmeye balanr.

Drdnc evrimde yanm gazlar egzost valflarnn almasyla atmosfere gnderilir.

Hava yakt oran egzost gaz emisyonlar asndan da son derece nemlidir. Yeni

aralarda bulunan katalitik dntrc (konvertr) isimli parann tam anlam ile

alabilmesi kan NOx emisyonlarn dorudan etkiler. Literatrde hava/yakt oran

benzinli aralarda 14.66 olarak kullanlmtr (nl, 2008).

2.2.5. Sktrma ve Yanma

Emme valflar kapanana kadar silindir iine hava pompalanr ve emme evrimi

devam eder, pistonun st l noktaya hareketiyle silindir ierisindeki havann basnc

artar ve sktrma evrimi balar. Basnc artan havann ierisine enjektr tarafndan

yakt pskrtlmesiyle birlikte yanma balamakta ve piston yzeyine etki eden i basn

ile piston kolu aaya doru hareket eder. Sktrma ve yanma evrimi sonucunda

oluan kuvvet ekil 2.7. de gsterilmitir.

ekil 2.7. Sktrma ve yanma evrimi sonucunda oluan kuvvet (Rmers, 2006)

18

Yanma evrimi sonras oluan motor torku aadaki denklem ile ifade edilmitir.

2 2e a

2 2a a

T = -181.3+379.36 m +21.91(A/F)-0.85(A/F) + 0.26 -0.0028 +0.027N

- 0.000107N +0.00048 N +2.55 m - 0.05 m

(2.16.)

Denklem ierisinde motorun tork retmesine etki eden deikenler; silindir

ierisine pompalanan hava ktlesi (gr), motor devri (rad/sn), hava yakt oranna bal

olarak yakt miktar, yaktn enjektr tarafndan st l noktaya gre avans as

cinsinden pskrtlme zamandr.

2.2.6. Egzost

Silindirde yanma evrimi sonrasnda gazlarn oluturduu kuvvet ile piston kolu

alt l noktaya doru hareket eder ve alt l noktaya gelmeden nce krank aft asna

bal olarak egzost valflar alarak, yanm gazlar egzost manifoldu zerinden

atmosfere atlr. MATLAB/SIMULINK programnda egzost evriminin modele dahil

edilmesi durumunda ayrca bir zamanlama blouna ve birden fazla kapal evrimli alt

bloa ihtiya duyulacandan, sistemin ok karmak bir hal almamas ve programn

parametre limitlerini zorlamamas iin egzost sistemi tez konusuna dahil edilmemitir.

Egzost sisteminin incelenmesi kapsamnda scaklk, basn gibi deerlerden evrime ait

denklemlerin karlmas ve modellenmesi hususu ayr bir tez konusu olarak

deerlendirilmitir.

2.3. Vites Kutusu Sistemi ve Aktarma Elemanlar

lk kez motorlu tatlarn retilmesiyle birlikte, motorun rettii gcn

tekerleklere nasl aktarlaca, istenilen tork ve hzn salanabilmesi iin neler yaplmas

gerektii byk bir problem olmu ve aratrmaclar bu konuda youn abalara sevk

etmitir. lk motorlu tatlarda kullanlan g aktarma dzenekleri genellikle

bisikletlerdeki gibi dili ark zincir ikilisinden ya da kay-kasnak tertibatlarndan

olumutur. Genellikle vites kademesi tek ya da bir bo ve bir ileri hareket olmak zere

iki kademeden olumutur. lk tatlarn motor gleri gnmz motorlaryla kyas

19

kabul etmeyecek kadar dktr. Bu sebeple bu tatlarda ilk ama, ekii arttrmak

olmutur. Bunun iinde eki tekerleklerinin aplar byk tutulmu, zerlerindeki dili

arklarda hareketin kt arktan daha byk yaplp, dili oran bytlmeye

allmtr. Daha sonralar sistemlerin gelimesiyle dili arklarnn saylar

arttrlarak, bugnk anlamda vites kademeleri elde edilmitir.

1900 ylnda Fransz De Dion Bouton tarafndan retilen Voiturette adl arata

kullanlan vites sistemi o gne kadar olan tm gelimeleri geride brakmtr. (Sper

Cars, 1998) Bu aracn en nemli zellii de motorun arkaya yerletirilip, tahrik

kuvvetinin dililer yardmyla arttrlp arka tekerleklere ulatrlmasdr. Bu

gelimelerden sonra vites kutularnn ortaya k gereklemitir. zellikle g

aktarma organlarnn gelimesi vites kutularnn da gelimesini temin etmitir. Artan

motor gleri, daha fazla eki kapasitesi, daha fazla hz ihtiyacn dourmutur. lk

vites kutusu Fransz Ponhard Levassor tarafndan gelitirilmi olan kayc dili tip vites

kutusudur (Anla, 1992). eitli vites durumlarnn elde edilmesi iin bir takm

dililerin, milleri zerinde kaydrlmasyla gerekletirilen bu vites kutular otomobil

endstrisinde geni olarak kullanma yeri bulan ilk vites kutusu tipidir.

Kayc dili tip vites kutusundan sonra en byk gelime daimi itirakli vites

kutusunun yaplmasdr. Bu vites kutularnda genellikle helisel dililer kullanldndan

almas daha sessizdir. Vitesleri salayan dililer dz ya da helisel olsun birbirleriyle

srekli kavrama halindedirler. Bunlarn hareketi iletecek ekilde kavratrlmas ise ana

mil zerinde kaydrlabilen kurt kavrama veya dz dili yapsndaki kayc dililerle

salanmtr. Helisel dililerin kullanlmasyla di ykleri azaltlm ve daha sessiz bir

vites kutusu gelitirilmitir. Daimi itirakli vites kutularndan sonra, daimi itirakli vites

kutularnn gelitirilmi ekli olan senkromeli vites kutular retilmitir. Bylece

viteslerin daha seri ve sessiz deitirilmesi mmkn olmutur. Gnmzde kullanlan

manuel vites kutularnn hemen hemen hepsi senkromeli tip vites kutulardr.

Gelimeler bunlarla bitmemi ve otomotiv mhendisleri tam otomatik vites kutularn

gelitirmilerdir. Bylelikle geni ve uzun karayollar zerinde hzl ve rahat ara srme

olana salanmtr.

Gnmzde vites kutular zerindeki almalar devam etmektedir. Klasik

manada vites kutusu anlaynn dna klmaktadr. Srekli deitirilebilir

transmisyon (Continuously Variable Transmission CVT) olarak adlandrlan bu yeni

20

sistemde, vites kademe anlay ortadan kalkmakta ve ihtiyaca gre her an vites oran

deiimi otomatik olarak salanmaktadr. Bir baka sistemde de tm g aktarma

gruplar kaldrlp yerine bir hidrolik devre konulmakta ve yine vites oranlar otomatik

olarak deitirilmektedir. Vites kutular zerinde yaplmakta olan almalar gelecekte

de devam edecek gibi grnmektedir.

Motorun retmi olduu momentin kavrama eleman vastasyla vites kutusuna,

vites kutusundan ihtiya duyulan dili oran sayesinde diferansiyele ve diferansiyelden

de tekerleklere iletilmesi salanr. ekil 2.8. de ara aktarma organlar gsterilmektedir.

ekil 2.8. Arata aktarma organlar (Kural, 2006)

Aktarma organlar vastasyla dnme hz drlerek, gerekli moment art elde

edilmektedir. Dolays ile tekerleklere olan g aktarm srasnda ilgili dili kutular

nedeni ile baz evrim oranlar sz konusudur. Bunun yannda aktarma organlarna ait

deiik mekanizmalarn deiik atalet momentleri, dnen ktlelerin sahip olduu farkl

dinamikleri ortaya koymaktadr. Aralarda aktarma organnn motor vites kutusu,

vites kutusu diferansiyel arasndaki miller ile tekerleklere bal tahrik mili zerinde

burulma etkisi ile farkl dinamikler sz konusudur. Ancak literatrde daha nceki

almalarda bunlarn genel dinamie etki dzeyinin az olmas sebebi ile bu miller rijit

kabul edilerek, atalet etkileri motora, transmisyona, diferansiyele ve tekerleklere

indirgenerek ele alnmtr.

G aktarm srasnda elemanlar farkl tork ve farkl moment ile

dnmektedir. Motordan kan ve transmisyona giren mil ile transmisyonda motor devri

ile dnen ark ayn hzla dner ve bu elemanlar JM ataletine sahiptir. Transmisyonda

JD D JM

21

seili olan vitese ait dili ark ve diferansiyele giren mil ile bu mile bal dili JD

ataletine sahip olup, bu elemanlar da ayn hzla dnmektedir. Son olarak da tekerlek,

tahrik mili ve diferansiyelin ilgili ark da JT

ataletine sahiptir. Dnen cisimlerin kinetik

enerjileri aadaki denklemler ile yazlm ve asal hz ifadeleri tekerlek dnme hzna

indirgenmitir.

D / / /( . )D T T T D D M D Ti i i i = = = = (2.17.)

. . . .D e T T D D e D TT T i T T i T i i= = =

2 2 2

1 1 1. . . .2 2 2M D TM D T

E J J J = + +

(2.18.)

22 21 1 1.( . . ) .( . ) .

2 2 2M T T D D T T T TE J i i J i J = + +

(2.19.)

(2.20.)

2.4. Tekerlek ve Lastik Mekaniinin Motorda retilen Gce Etkisi

Tekerlek herhangi bir cismi zemin zerinde daha az srtnme ile hareket ettirmekte

kullanlan, dnen bir elemandr. Tatn karlat tm diren kuvvetleri, lastiklerle

zemin arasndaki ilikiye baml olarak gelitirilen tahrik kuvveti tarafndan

karlandndan; ara lastikleri motor gcnn zemine aktarlmas aamasnda ok

nemli bir eleman olarak deerlendirilir. Ara lastiklerinin grevlerini aadaki ekilde

zetlemek mmkndr.

Tatn arln ve zerindeki yk tamak,

Yzeydeki przlle kar tat yastklamak,

Yeterli tahrik ve frenleme kuvveti gelitirmek,

Yeterli ynlendirme ve dorultu kararll salamak.

i hava ile doldurulmu, simit biimli bir yapya sahip olan pnmatik lastikler

gvdesi bakmndan; dk elastikiyet modll lastik ile kapl, yksek elastikiyet

modll esnek iplik kuaklardan olumaktadr. pliklerin sarmalama yn bakmndan

gvde iplikleriyle tekerlein evresel orta ekseni arasndaki a; ta as olarak

tanmlanmaktadr. Ta as kk olan lastik; iyi viraj dn, fakat sert sr

salamaktadr. plikler lastik evresine dik ada ise iyi sr fakat kt dn

22

karakteristiine neden olmaktadr. Lastikler ipliklerin dokuma ekline gre ikiye

ayrlmaktadr.

Geleneksel apraz dokulu (bias-ply) lastiklerde iki veya daha ok iplik filament

kat kullanlmaktadr ve ta as 40o

Radyal dokulu lastiklerde gvde iplikleri radyal dorultuda dzenlenerek, 90

dolayndadr. Kullanm srasnda apraz dokular

esneyip srtnr ve yol ile lastik dileri arasnda silme etkisi retir. Bunun neticesinde

lastik anmas ve yksek yuvarlanma direnci olumaktadr. o ta

as elde edilmektedir. ok katl ipliklerden oluan yksek elastikiyet modll bir

kuak da, gvdenin zerine kaplanmaktadr. Kuak ta as 20o

dir ve lastiin grevini

kararl olarak yapabilmesi iin, bu kuan bulunmas zorunludur. Kua oluturan

ipliklerdeki esnemenin ok az olmas nedeniyle radyal lastiklerdeki silme etkisi ok

kktr. Bunun sonucunda radyal dokulu lastiklerin g kayb, apraz dokululara

oranla % 60 kadar daha az, mrleri ise, iki kat kadar daha uzundur (etinkaya, 1999).

2.4.1. Tekerlein Yola Tutunma Kuvveti

Tatn tekerlek tahrik kuvveti (Ft) yol tutunma kuvvetinden (Ftmax) fazla ise yol

tutunma kuvveti dikkate alnmaldr nk fazlas tekere kayma yaptrr. Yuvarlanma

srasndaki tutunma katsays, kayma srasndaki tutunma katsaysndan daha yksektir:

RO max 1,2 s

max max . ( )ROFt G N=

buna gre yuvarlanan bir tekerlein zemine uygulad tahrik veya

frenleme kuvveti, kayan bir tekerlee oranla daha byk olacaktr. Tekerin yola

tutunma kuvveti:

(2.21.)

Kayma baladktan sonra tekerin yuvarlanma srasndaki maksimum tutunma

katsays daha da azalr. Ftkayma tekerin kayma anndaki tutunma katsays (s)

yuvarlanma srasndaki maksimum tutunma katsaysndan (RO max) (

kk olur.

s< RO max ) vmelenme olabilmesi iin Ftnin daima Ftmax dan az olmas

gerekir. lk kalkta srtnme kuvveti neticesinde kayplar olur. Aniden kalkmann

olabilmesi iin tatn ktlesinin azaltlmas gerekir. vmelenme ve frenleme srasndaki

tutunma kuvveti hesabnda, hareket ynndeki yk transferleri de dikkate alnmaldr.

RO ve s katsaylar, lastiin di yaps, di derinlii, iirme basnc ve yapsna

23

baldr. Dzgn ve kuru bir yolda en iyi tahrik kuvvetini disiz lastik salar. Ancak

slak ya da buzlu bir yzeyde byle bir lastik son derece kullanszdr.

Kuru asfalt yolda kabak lastiin yere tutunma kuvveti daha fazladr. Ft

tahrik kuvveti azaldka, yani Ftmaxdan daha da kk bir deer aldka kaymadan

hareketlenmek daha fazla olacaktr. Dolays ile RO max ve s

Kuru>Karl>Islak>Buzlu

yollarda hza bal olarak azalmaktadr. Lastiklerin yol zerindeki tutunma katsaylar

izelge 2.5. te zetlenmitir.

izelge 2.5. r0

lastiklerin yol zerindeki tutunma katsaylar (etinkaya, 1999)

2.4.2. Kayma

Serbest halde dnen tekerlein dnme asna 0 (tekerlek merkezine gre

1 devirde 3600

Kayma Yzdesi Miktar

dner.) tahrik halinde dnen tekerlein dnme asna ise olarak

gsterdiimizde;

0S = ( - ) / (2.22.)

> 0 ise kayma oluacaktr, normal artlarda ise = 0 dir. Dorusal kayma tat hz

ile teker hz farknn tat hzna orandr.

Frenleme kuvvetinin kayma oran ile

deiimi ekil 2.9. da gsterilmektedir.

Tat Hz Km/s

Lastiin Durumu

Yol Durumu

KURU

Islak Su Derinlii 0,2 mm

Ar yamur Su derinlii 1mm

Su derinlii

BUZLU

50

Yeni

0,85

0,65

0,55

0,5

0,1 ve daha az

Anm D Derinlii en az 1mm

1

0,5

0,4

0,25

-

90

Yeni

0,8

0,6

0,3

0,05

-


0,95

0,2

0,1

0,05

-

130

Yeni

0,75

0,55

0,2

-

-


0,9

0,2

0,1

-

-

24

ekil 2.9. Frenleme kuvvetinin kayma oran ile deiimi (etinkaya, 1999)

2.5. Ara zerine Etki Eden Baz Diren Kuvvetlerinin ncelenmesi

2.5.1. Yuvarlanma Direnci (RRO)

Tekerlek ve yol etkileiminde 4 deiik tip vardr, bunlar:

1. Sert zemin sert lastik (rijit)

2. Yumuak tekerlek rijit zemin

3. Rijit tekerlek yumuak zemin

4. ekil deitiren zemin ve tekerler

Sabit dikey pozisyonda ve yk altnda bulunan bir tekerlein zemine dedii

yerde ekil 2.10. da gsterildii gibi bir basn alan olumaktadr. Basn dalm

tekerlee etki eden bir tork veya yanal kuvvet olmad zaman lastik yaps ve ii

basnca bal bir fonksiyondur. Temas yzeyindeki, yanal ve uzunlamasna basn

dalm, homojen deildir. Yksek iirme basnlarnda, lastiin yapsal rijitliinin

etkisi giderek azalr ve basn dalm parabolik biime yaklar. Tekerlek kuvvet

tama hatlar kenarlarda daha fazla ortada ise daha azdr.

25

ekil 2.10. Tekerin yola temas yzeyindeki basn dalm (etinkaya, 1999)

Basn merkezi, bileke temas kuvvetinin getii nokta olarak tanmlanr. Sabit

olarak duran bir tekerlekte bu merkez, temas yzeyinin geometrik merkezidir. Ancak

hareket halindeki bir tekerlekte temas yzeyindeki basn dalmnn bilekesi, temas

noktasnn geometrik merkezinden daha ileridedir. Tekerlekte oluan basn merkezi

hareketin olduu ynde ve her zaman geometrik merkezin nndedir.

Tekerin GA ara ykn tad; rd yarapnda ve GL arlnda olduu

varsaylrsa toplam yk GT eklinde ifade edilmitir. ekil 2.11. de tekerin statik ve

dinamik dnme yarap gsterilmektedir.

ekil 2.11. Tekerin statik ve dinamik dnme yarap (etinkaya, 1999)

m0 = 0 olduu kabulnden hareketle moment eitlii yaplr.

L A T TG G G W G+ = = (2.23.)

0. . dW e Rr r= 0 . / dRr W e r= (2.24.)

W W

GL+GA GL+GA

26

Yukardaki eitlikten yuvarlanma direnci Rr0 bulunmakta olup, e/rd ifadesi ayn zamanda

yuvarlanma direnci katsays (fRO) olarak nitelendirilmektedir. izelge 2.6. da

belirtildii gibi fRO, yolun fiziksel yapsna gre deiiklik gstermektedir.

izelge 2.6. Yolun yapsna gre fRO (etinkaya, 1999) Yolun Cinsi fRO Dzgn asfalt, beton 0.015 Kk ta denmi zemin 0.015 ose yol 0.02 amurlu yolda 0.05 Gevek toprak, kumda 0.1-0.35 Yuvarlanma direnci katsaysnn yolun fiziksel yapsna gre etkileri ekil 2.12. de verilmitir.

ekil 2.12. Yuvarlanma diren katsaysnn etkileri (etinkaya, 1999)

Lastikler iin asfalt yollarda hza bal olarak V(km/h) kullanlabilecek denklem aada

sunulmutur.

0.01* 1160ROVf = +

(2.25.)

2.5.2. Yoku Direnci (Re)

Bir tatn, her hangi bir sabit hzda trmanabilecei en byk yoku; o tatn

trmanma yetenei olarak tanmlanr. Bir aracn trmanabilecei maksimum eim ise

maksimum trmanma yetenei belirlemektedir. Yolun eimi, genellikle eim as ()

ya da bu ann tanjant ile tanmlanmaktadr. Yoku direnci Re ematik olarak, ekil

2.13. te gsterilmitir.

27

ekil 2.13. Yoku direnci (Re) ( http://www.obitet.gazi.edu.tr.)

Yoku direncini oluturan kuvvet, tat arlnn yola paralel bileenidir. Kk

alarda Tan ~Sin olarak kabul edildiinden yoku direnci yaklak olarak ;

. ( ) . . ( )eR G Tan m g Tan = => (2.26.)

2.5.3. Hava (Aerodinamik) Direnci (RH)

Herhangi bir yzeyin basn merkezine dik gelen, statik ve dinamik basn

kuvvetlerinin toplam sabittir. Hava direnci kuvvetinin bileenleri ekil 2.14 te

gsterilmektedir. Hz arttka lift basn kuvveti artar ve direksiyon hakimiyeti azalr.

Pstatik+Pdinamik = Sabit Bir Deer. 2. / 2dinamikP V= (2.27.)

ekil 2.14. Hava direnci kuvvetinin bileenleri (http://www.obitet.gazi.edu.tr.)

n hava kuvveti X ekseni ynnde 200,5. . . . ( )HX X tas R tasR C A V V= + (2.28)

Tat n z Dm Alan 0,9. .tasA b y= (2.29)

28

Yukardaki denklemde VR0 olarak gsterilen rzgar hz tatn x eksenindeki hz ile

ayn ynde ya da kar ynde olmasna gre art (+) ya da eksi (-) iaret alr. Baz

tatlara etkiyen hava direnci katsaylar izelge 2.7. de verilmitir. Tata etkiyen hava

direnci etmenden olumaktadr.

1. Tatn, arka ksmnda boaltt blgede meydana gelen trblansn

oluturduu diren; tat gvdesinin biimine bamldr. Toplam hava

direncinin % 80lik ksmn oluturur.

2. Tatn d yzeylerinden akan havann neden olduu yzey srtnmesi.

Normal durumdaki bir otomobilde bu bileen, toplam direncin % 10u

kadardr.

3. Soutma ve havalandrma amacyla, tatn radyatr sisteminden veya i

ksmlarndan geen havaya bal olarak oluan i diren. Bu bileen ak

kanallarnn tasarmna bal olarak deimekle birlikte, toplam direncin

%10u kadardr.

izelge 2.7. Baz tatlarn hava direnci katsaylar (etinkaya, 1999)

TAIT Cx

Ak Spor 0.5-0.7 Pikap 0.5-0.6

Binek Otosu 0.4-0.55

Binek Otosu;Farlar,Arka Tekerlekler (Yedek Lastik Gvde inde se 0.3-0.4

En Avantajl Aerodinamik Biim 0.15-0.2

Otobs 0.6-0.7

Kamyon 0.8-1.3

Motosiklet 1.8

29

3. MATERYAL VE YNTEM

3.1. Materyal

Tam ara modeli mathworks.com sitesinden temin edilmi ancak modele ait alt

bloklarda grafik/tablo halindeki hazr saysal deerler baz dinamik denklemler ile

deitirilmi ve yeni alt bloklar oluturulmutur. Vites deitirme modeli

MATLAB/SIMULINK iindeki and/or bloklar ile otomatik gei salayan mantksal

kaplardan oluturulmu ve motor devrinin Bulank Mantk ile kontrol edilmesi

kapsamnda allmtr. Aadaki motor alt sistemleri, kendi giri ve k limit

deerleri ile hareket ynleri tek tek incelenmitir.

Gaz Kelebei

Emme Manifoldu

Sktrma ve Yanma Blou

Ateleme Zamanlamas

Motor Dinamii

Vites Kutusu

Aktarma Organlar

3.1.1. Gaz Kelebei

Gaz kelebei alt modelinde sisteme; Gaz Kelebei As, Atmosfer Basnc ve

Emme Manifoldu Basnc giri yapmakta ve emme manifolduna girmek zere hava

miktar gr/sn olarak k yapmaktadr. Kullanc tarafndan motorun gaz pedalna

baslmasn temsilen bir sabit deer girilmi ve aadaki denklemler dorultusunda

hesaplanan hava k miktar emme manifolduna gnderilmitir.

( ) ( )air mm f g P= (3.1.) 2 3( ) 2.821- 0.05231 0.10299 - 0,00063 f = +

Yukardaki denklem gaz kelebeinin asna bal olarak hava geii salayan

boyutlu boluun hacimsel ifadesidir.

(3.2.)

30

2

2

1,2

2 ,( ) 2

2 , 2

1 , 2

m

PambPm

PambPmPamb Pm Pm Pambg P Pamb

PmPamb Pm Pamb Pm PambPamb

Pm Pamb

+ + =

(3.3.)

Gaz kelebeinin MATLAB/SIMULINK blou ekil 3.1.de gsterilmitir.

GAZ KELEBEGINDEN EMME MANIFODUNA GIDEN HAVA MIKTARI

switchci kisi

2*sqrt(u - u*u)

oran

m dot emme blok giris g/s

m

1.0

kiya slama

2.821 - 0.05231*u + 0.10299*u*u - 0.00063*u*u*u

f(theta)

carpm1

1

atm basinc1

akis yonu

t

To Workspace3

theta

To Workspace2

pm

To Workspace1

mdot

To Workspace

P emme Manifold min

thet

Gaz KelebekAci si

151.6

Display

Clock

10

Buyutmek

pratio

ekil 3.1. Gaz kelebeinin MATLAB/SIMULINK blou

Gaz Kelebei modelinin altrlmas iin MATLAB New M File zerinden yeni bir

sayfa alarak, aadaki komut dizini yazlm ve gaz kelebeinin 450 de sabit kald

durumda, emme manifolduna giden hava miktar ekil 3.2. de gsterilmitir.

31

%dizel gaz kelebegi sistemi

thet=45;

sim('gazkelebek')

figure(1)

plot(t,mdot,'-b',t,theta,'-g',t,pm,'-r')

grid

legend('mdot','theta', 'pm')

xlabel('saniye')

ylabel('theta,mdot,pm')

.

ekil 3.2. Gaz kelebeinin 45 derecede sabit tutulduu durum

Yukardaki grafikte gaz kelebei ass 45 derecede sabit tutulmu ve emme

manifoldundaki i basn deerinin vakuma kamas ile birlikte emme manifolduna

giren hava miktarnda byk bir art gzlenmitir. Manifold basncnn 0.5 atm olduu

anda hava gei miktar en yksek deerinde sabit kalmaktadr.

32

3.1.2. Emme Manifoldu

Emme manifoldu blouna hava miktar ve motorun devir deeri girilerek,

manifold basn deeri ile silindire gidecek hava miktar deeri elde edilmektedir.

Emme manifoldunun MATLAB/SIMULINK blou ekil 3.3. te gsterilmitir. Bu

blokta manifold ierisindeki hava devir saysna bal bir fonksiyon ile silindire

pompalanrken kalan havann azalmas sunucunda geri besleme hatt ile silindir basnc

gncellenerek fonksiyona tekrar tekrar girilmektedir. Literatrde RT/Vm deeri 0.41328

olarak alnmtr (Mathworks, 2008).

ekil 3. 3.Emme manifoldunun MATLAB/SIMULINK blou

EMME MANIFOLDU

mas k+1g/s

si

1s

p0 = 0.543 bar

m

devir

10buyutmek

N

To Workspace5

pm

To Workspace4

mas

To Workspa

t

To Workspace2

mdot

To Workspace1

1000

RT/Vm2

10

RT/Vm1

0.41328

RT/Vm -0.366 + 0.08979*u[1]*u[2] - 0.0337*u[2]*u[1]*u[1] + 0.0001*u[1]*u[2]*u[2]

Pompalanan hava debisi

Pmmanifld basinci

N

Hava miktarimdot g/sn

-0.009977

Display1

0.3405

Display

Clock

33

Emme manifoldunun davrannn incelenmesi ekil 3.4. te gsterilmektedir.

ekil 3.4. Emme manifoldunun incelenmesi

Grafikte emme manifolduna giren devir saysn deerinin 600den balayarak

saniyede 100 devir arttn ve buna karlk olarak gaz kelebeinden gelen hava

miktarnn da balang olarak 10 g/sn ile girdii ve saniyede 30 birim artt durumda

manifold basncnn 1 atme doru yaklat ve giren hava miktarnn hemen hemen

tamamnn silindire pompaland grlmektedir.

3.1.3. Emme ve Sktrma Blou

Drt zamanl ve drt silindirli bir motorda, 1800lik krankaft asna bal olarak

her silindirin farkl zamanlamada atelenmesi baarl bir yanma salar. Bu modelde ise

emme, sktrma, yanma ve egzost evrimleri ayn zamanda gereklemektedir. Her

silindir farkl bir evrimdeyken mutlaka bir silindir ateleme/yanma evriminde

olacandan programn yavalamasn ve karmaklamasn engellemek iin sadece bir

34

silindirin srekli g rettii dikkate alnarak modelde tm evrimler e zamanl olarak

almaktadr. Sktrmann llmesi asndan yanma evrimine girecek hava emme

manifoldu knda ertelenmekte ve integratrlerin salkl bir ekilde almas

salanmaktadr. Emme ve Sktrma MATLAB/SIMULINK blou ekil 3.5. te

gsterilmektedir.

2

trigger

1

mass(k)z

1

Unit Delay

[0.152]

Init

Trigger

1

mass(k+1)

ekil 3.5. Emme ve sktrma MATLAB/SIMULINK blou

3.1.4. Yanma Blou

Sktrma bloundan silindire gnderilen hava, stokiometri oran ile arplarak

yakt miktar bulunur. Motor hz rad/sn, ateleme avans as ise 15 derece olarak

fonksiyonda kullanlmtr. Yanma alt sistemi MATLAB/SIMULINK blou ekil 3.6.

da gsterilmektedir.

mass(k+1)

mass(k)

trigger

sikistirma

mas

ma1

ma

1s

emmevalfi

Nedge180

atesleme

N

SIKISTIRMA BLOGU

35

Yanma ve Guc Uretimi

2

Mf

1

Tork

0.027*u[4] - 0.000107*u[4]*u[4] + 0.00048*u[4]*u[3] + 2.55*u[3]*u[1] - 0.05*u[3]*u[3]*u[1]

Tork Fonksiyonu 2

-181.3 + 379.36*u[1] + 21.91*u[1]/u[2] - (0.85*u[1]*u[1])/(u[2]*u[2]) + 0.26*u[3] - 0.0028*u[3]*u[3]

Tork Fonksiyonu 1

1/14.6

Stokimetrik Sabit

15.0

Atesleme avansi

2

Devir

1

Ma

ekil 3.6. Yanma alt sistemi MATLAB/SIMULINK blou

Fonksiyon knda motorun rettii toplam moment elde edilmektedir. Yakt

miktar daha nceden akland gibi ideal olarak hesaplanm stokiemetri oran ile

(14.66) kullanlmtr. Yanma blounda retilen indike torkun zamanla deiimi ekil

3.7. de gsterilmitir.

ekil 3.7. Yanma blounda retilen indike tork

Yanma blounun analizini yapabilmek maksadyla ncelikle giri deeri olan

motor hz 300 rad/snde sabit tutulmu ve silindire giren hava miktar ilk 2 saniye

ierisinde hzla arttrlmtr. Hava miktarndaki arta bal olarak, Mi indike motor

36

torku lineer bir art gstermitir. Motor hzna gre silindire pompalanan hava

miktarnn 0.08 grdan az olduu durumda motorun, negatif ynde moment retmesidir.

Silindire pompalanan hava miktarnn motor hzna gre az olmas durumunda motor

negatif ynde deer retmektedir. Gerek hayatta da motor devrine bal olarak, gaz

pedalna az baslmas durumunda motorun durmasna neden olmaktadr.

3.1.5. Ateleme Zamanlamas Blou

Zamanlama blou modelde, motor elemanlarndan roker arm grevini simle

etmektedir. Zamanlama blou krankaft hznn (rad/sn) pi deerine eit olduu alt ve

st l noktalara gre, blok ierisinde sadece 1 veya -1 deeri retir ve bu deeri

sktrma blouna gndererek integratrn tetiklemesini salayarak emme valfn aar.

Sktrma evrimi balangcnda -1 deeri retip integratrn resetlenmesini

salar ve bylece hava geiini kapatr. Zamanlama blounun MATLAB/SIMULINK

blou ekil 3.8. de gsterilmektedir.

ekil 3.8. Zamanlama blou

Trigger degerleri

37

3.1.6. Motor Dinamii

Motorun rettii Ti indike torktan; motor iinde oluan kayplar (Tyk) karlr ve

Te motor efektif torku elde edilir. Motor efektif torku bir mil vastasyla kavrama

elemanna ve oradan da vites kutusuna iletilmektedir. Motor dinamiinin

MATLAB/SIMULINK blou ekil 3.9. da verilmitir. Aadaki denklemde Te; nce

ivmeye daha sonra integrali alnarak, rad/sn cinsinden asal hza evrilmektedir.

.i yuk e M eT T T ve N J T = = (3.4.)

Nm

krank mili ataletiw=Te/J

Te 1s

w = T/Jw0 = 209 rad/s

1/0.14

rad/sn2

50

Ti motorun urettigi indike tork

N rad/sn

10

Motorda olusankayiplar

3066.6228571429

Display

ekil 3.9. Motor dinamii

3.1.7. Motor ve Ara Blounun Birletirilmesi

Literatrde 1987 ylnda Moskwa ve Hendrick tarafndan ilk kez ara motoru

modellenerek gerek zamanl kontrol edilmesi ve daha sonra 1991 ylnda Crossley ve

Cook tarafndan yaplan kontrol almalar byk nem tamaktadr. Moskwa ve

Hendrick ile Crossley ve Cook tarafndan yaplan bu almalarn 90l yllardan

itibaren ara motoru modellenmesi ve e zamanl kontrol konusunda birok almaya

rehber niteliinde olduu nl (2006) tarafndan belirtilmitir. zellikle nonlinear

dinamik motor modeli oluturma ve kontrol etme konusunda 1995de Butts K.

tarafndan MATLAB/SIMULINK oratamnda yaplan almann PI denetleyici ile

kontrol edilebilirlii nl (2006) tarafndan incelenmitir.

38

ekil 3.10.da modellenen motor blou ve ekil 3.11. de Ford Motor Company &

Mathworks araba modeli gsterilmitir.

ekil 3.10. Motor blou modeli

Choose Start fromthe Simulation menuto run the simulation.

f_car.mdl

ouble-click topen the GUI nd select anput maneuver

vehicle mph (yellow)

& throttle %1

Ne

gear

Nout

Ti

Tout

transmissionspeed

throttle

gear

shift_logic

shift logic1

hift l i

engine RPM

Vehicle

Brake

Throttle

User Inputs

Mux

Ti

throttle

Ne

Engine

impeller torque

output torque

transmission speed

v ehiclespeed

ekil 3.11. Ford Motor Company ve Mathworks araba modeli sf_car

39

Bu tez kapsamnda Butts (1995) ve Ford Motor Company almalarndaki

matematiksel ifadeler ve denklemler temel olarak alnmtr. Ford Motor Company

tarafndan oluturulmu, sf_car araba sistemi ierisindeki motor modeli; gaz kelebei

asna gre deneylerden elde edilen tork deerlerinin MATLAB ktphanesine

yklenmesi yntemiyle grafiksel olarak kullanlmaktadr. ki boyutlu grafiksel tabloda

gaz kelebei asna karlk gelen say motorun rettii tork deeri olarak kabul

edilmekte ve araba modelini altrmaktadr. Yani bu model eklinde her hangi bir

aracn daha nceden yaplan lmlerinde gaz kelebeine gre motorun rettii tork

deeri grafiksel bir tabloya yklenmekte ve sonradan kullanlmaktadr (Butts, 1994).

ekil 3.12. de motor blou ve ara modelinin birletirildii

MATLAB/SIMULINK blou gsterilmektedir.

ekil 3.12. Motor ve ara modellerinin birletirilmesi ve bulank mantk ile kontrol

Tezde ekil 3.10 deki motor modeli ile ekil 3.11deki ara modelleri bir

birinden ayr olarak incelenmi ve temelde bu iki modelin hatasz olarak

birletirilmesine allmtr. Gelitirilen motor modelinin rettii dinamik tork deeri

alnarak, sf_car modelindeki vites alt blouna balanm bylece iki ayr sistemin

birletirmesi yaplmtr. sf_car modelindeki state flow emal vites modeli iptal

Motor ve Vites Modifiyeli

vites durum

motor tork70

hiz

0

fren

Vites ve Hiz

Vehicle

Mux

gaz

hizv it

Kendi Vites Modelim

Ti

throttle

Ne

Kendi Motor Blogu

Ne

v ites durum

Nout

Ti

Tout

Hazir Transmisyon Blokistenen hiz

mev cut hiz

Throttle Ang.

Benim Bulank Mantik Hiz Kontrolor

impeller tork

tork cikis

transmisy on hiz

Arac Nihai Hiz

Bulank Mantk Kontrolr

GELISTIRILEN MOTOR VE VITES MODELI

40

edilmi, yerine if/and/or kaplarndan oluan kontrol daha kolay ve kurallar

deitirilebilir bir vites sistemi modellenerek yerletirilmitir.

Ayrca motor torkuna etki edebilecek diren kuvvetleri tespit edilmi ve bunlara

ait matematiksel ifadelerden bir model yaratlmtr. Yeni oluturulan bu diren kuvveti

blou motor modeline eklenmi ve motorun rettii torka aksi ynde uygulanmtr. ,

Deien diren kuvvetlerinin etkisi altnda PI ve Bulank Mantk yntemleri ile motor

devri ayr ayr kontrol edilmeye allmtr.

3.2. Yntem

3.2.1. MATLAB Bulank Mantk Modl ile Motor Devrinin Kontrol

MATLAB komut penceresine fuzzy yazlarak, enter tuuna basldnda

ekil 3.13.te gsterilen pencere almaktadr. Pencerenin sol stte bulunan File

mensne tklandnda, New FIS alt mens grlr. New FIS alt mensnde

Mamdani/Sugeno Metodlarndan birisi seildiinde Bulank Mantk uygulamas

kullanma hazr hale gelir. Bu sayfada giri ve ks sinyaline isim verilebilir ayn

zamanda sinyal hesaplamalar iin min, max, merkez v.b. yntemlerin tercihleri de

yaplabilmektedir.

ekil 3.13. MATLAB programnda bulank mantk modl

41

Fuzzy Logic (Bulank Mantk) modlnde hata deeri giri sinyali olarak alnr ve

uzman kiinin belirledii kural taban ile k sinyali oluturulur. Eer hata art ise o

halde k tamgazdr. gibi ifthen dngl kurallar yazlr. Bunu MATLAB iinde

Bulank Mantk ile yapabilmek iin Edit mensndeki Rules dmesine basldnda,

ekil 3.14.te verilen Bulank Mantk kural yazma penceresi grlr.

ekil 3.14. Bulank mantk kural yazma penceresi

Bulank Mantk gibi uzman tecrbesine ihtiya duyan yntemlerde giri ve k

sinyallerinin yelik fonksiyonlarnn oluturulmas ok nemlidir. Bulank Mantk

denetleyici sisteminde motor devrinden giri yapan hata sinyali ncelikle art ya da eksi

deer olarak iki alt kmede deerlendirilir ve daha sonra sfr, az eksi, ok eksi, az

pozitif, ok pozitif gibi yelik durumlar oluturulur. Benzer ekilde k sinyali iinde

sfr, az gaz, tam gaz gibi yelik fonksiyonu tanmlayan alt kmeler oluturulmaktadr.

Her hangi bir sistemin kontrolnde PI gibi denetleyici sistemler ile hata sinyalinin

deiik durumlardaki davranlar incelenir ve giri-k sinyallerinin analizi

yaplabilir. Kurallar ve yelik fonksiyonlarn oluturmak iin kontrol edilecek sistemin

davranlar ok iyi analiz edilmeli hata sinyallerin max ve min deerlerine gre

42

yelikleri belirlenmelidir. Tez modelindeki giri-k sinyallerinin yelik snrlar rnek

olarak ekil 3.15.te gsterilmitir.

ekil 3.15. Bulank mantk giri-k sinyallerinde yelik snrlar

Bulank Mantk mensnde yelik fonksiyonlarnn ve kural tabannn yazlmasn

mteakip kontrol yzeyini grmek maksadyla Wiew penceresinden Surface dmesi

seilmitir. Bulank Mantk giri-k sinyali deerleri ve model yzeyi ekil 3.16.da

gsterilmitir.

ekil 3.16. Bulank mantk giri-k sinyali deerlerinin model yzeyi

43

3.2.2. MATLAB/SIMULINK ile Bulank Mantk Modelinin Manuel Olarak

Oluturulmas ve Motor Devri Kontrol

ekil 3.17.de manuel olarak modellenen Bulank Mantk kontrolr, ekil 3.18.

de manuel giri deerleri ile alan Bulank Mantk alt blou gsterilmitir.

Cikis sinyali1

Gaz Kelebek Acisi

u

theta cikis degeri

pi/30

rpm'denrad/s

limitoutput

e

hata degeri

e Theta acisi

Manuel FuzzySubsistem

Hata Sinyali degeri

2

geri donen devir

1

istenendevir

rad/s

ekil 3.17. Manuel olarak modellenen bulank mantk kontrolr

ekil 3.18. Manuel giri deerleri ile alan bulank mantk alt blou

gaz kelebegi acisi

pozitif deger theta ya ekle

negatif deger theta dan cikar

DEGISKEN DIRENC KUVVETLERI ve BULANIK MANTIK ILE MOTOR DEVRI KONTROLU

sabit sinyal

1

Duzelti lmisTheta aci si

pozitif

negatif theta

e hata degeri skobu

0

Sabit sinyal

Otomatik GecisAnahtari

Otomatik GecisAnahtar

e hata ilav e theta degeri

HATA POZITIF

e hata ilav e theta degeri

HATA NEGATIF

thet

EKU gaz kelebegi

aci si

Duzelti lmis theta

acisi degeri

0

1

ehata

degeri

44

ekil 3.19. Bulank mantk hata pozitif alt blogu

ekil 3.20. Bulank mantk yelik fonksiyonu 0-10 arasnda alt blou

10 ile 20 arasinda

0 ile 10 arasinda

Out

1

ilavetheta deger

theta11

theta1

theta 2

0

sabit1

0

sabit

Theta 22

Switch3

Product2

Otomatik gecis anahtari

Otomatik Gecis Anahtari

Interval Test

e th_ek

EnabledSubsystem2

e hata pozitif ilav e theta

EnabledSubsystem

En

== 10

Co

upl

Agirl ik katsayi siPL

ups

Agirl ik Katsayisi PS

Add10 ile 20 arasi ise

0

00

0 ile 10 arasi ise

1

e hata degeri

e

1ilave theta

-1

ters fonksiyon

== 0

sifira esit ise

negatifskop

1-(u/10)

Uz

(u/10)

Ups

Product1

Product

Carpim

uz

Agirl ik Katsayisi Z

ups

Agirl ik Katsayisi PS

Add1Add

1e

hata pozitif

45

stenen devir deeri ile sistem knda elde edilen devir deerinin fark

alndnda kan sonu hata sinyali olarak tanmlanr. Tez program iinde hata sinyali

ekilde tanmlanm olup bunlar: hata sfr, hata negatif ve hata pozitiftir. Hatann

pozitif olduu ksmda kendi iinde pozitif small ve pozitif large olarak ikiye ayrlr ve

aadaki ekildeki gibi yelik durumu karlr. ekil 3.20. de Bulank Mantk

ynteminde hata deerinin pozitif olduu, ekil 3.21. de ise hata deerinin negatif

olduu ksmn yelik fonksiyonlar verilmitir.

ekil 3.21. Bulank mantkta hatann pozitif olduu ksmn yelik fonksiyonu

3.2.2.1. Hatann Pozitif Olduu Durumlara ait Denklemler

I. durum 0

46

I.durum ve PS yelii

1 1 2 2

1 1

2 1 2 1

0 01 0 10 0

( , ) (0,0) ( , ) (10,1)

y x

x y x y

y y x xy y x x

=

= =

=

10ey = Arlk Katsays ise wps = 5 olarak

alnmtr.

II. Durum e =10 ise Ps = ps * Mwps + z * Mwz

III. Durum ve Ps yelii

1 1 2 2

1 1

2 1 2 1

1 100 1 20 0

( , ) (10,1) ( , ) (20,0)

y x

x y x y

y y x xy y x x

=

= =

=

210ey = Arlk Katsays ise w ps =5 olarak

alnmtr.

III. Durum ve Pl yelii

1 1 2 2

1 1

2 1 2 1

0 101 0 20 10

( , ) (10,0) ( , ) (20,1)

y x

x y x y

y y x xy y x x

=

= =

=

110ey = Arlk Katsays ise w ps = 10 olarak

alnmtr.

Z

10

1

P

PS

20

P

20

1

Pl

10

47

3.2.2.2. Hatann Negatif Olduu Durumlara ait Denklemler

I. durum 0

48

-10

NS 1

-20

Ns

I. Durum ve Z yelii:

1 1 2 2

1 1

2 1 2 1

0 01 0 10 0

( , ) (0,0) ( , ) ( 10,1)

y x

x y x y

y y x xy y x x

=

= =

=

10ey = Arlk Katsays ise w ps = -5 olarak

alnmtr.

II. Durum e = -10 ise

Ps = Ns * MwNs + z * Mwz

III. Durum ve NS yelii

III. Durum ve NL yelii

1 1 2 2

1 1

2 1 2 1

1 100 1 20 10

( , ) ( 10,1) ( , ) ( 20,0)

y x

x y x y

y y x xy y x x

+=

+

= =

=

210ey = + Arlk Katsays ise w ps = -5 olarak

alnmtr.

1 1 2 2

1 1

2 1 2 1

0 101 0 20 10

( , ) ( 10,0) ( , ) ( 20,1)

y x

x y x y

y y x xy y x x

+=

+

= =

=

110ey = Arlk Katsays ise w pl = -10 olarak

alnmtr. -20

NL 1

-10

49

3.2.3. Vites Kutusu Modellenmesi

Vites deitirme mantnn modellenmesi MATLAB/SIMULINK iindeki and/or

mantk kaplar ile yaplm olup, ekil 3.23.de gsterilmitir.

vites konumu

gaz

hiz

Hiz ve Gaz Pedali Giris

gaz

hizson v ites1

vites blogu

3ncu vites blogu

4ncu vites blogu

1

son vi tes1

vite4

vite3

hiz

th

baslangic v it

Vit4

hiz

th

baslangic v it

Vit3

vit2

vit1

son vites

0

baslangic vi tesi

Zero-OrderHold

hiz

th

baslangic v it

Vit2

2nci vites blogu

baslangic v it

hiz

th

Vit1

1nci vites blogu

2

hiz

1

gaz

ekil 3.23. Vites deitirme mantnn modellenmesi

Hz, gaz kelebei as ve balang vitesi bilgisi, ekil 3.24. te gsterilen 1inci vites

ve vites artrma kurallar blouna girmektedir. Otomatik anahtar giriinde 3 sinyal

bulunmakta olup, bunlardan en yukardaki 1inci sinyal, vites deerini +1 yukarya

ykseltecek ekilde almaktadr. Otomatik anahtara ortadan giren 2nci sinyalde; hz

deeri 5 ten ve gaz kelebei as da 7 den byk olursa mantk kapsnda 1 deeri

50

retilmektedir. 2nci sinyal hattnda And kapsnda oluarak, anahtara gelen 1 ya da 0

deerleri otomatik anahtarda belirlenen eik deerini atnda; otomatik anahtar stten

gelen 1inci sinyali geerir ve vites +1 olarak artrlr. Otomatik anahtara gelen sinyalin,

eik deerinin aamamas durumunda ise en alttaki 3nc sinyal deeri aynen

sistemden gemekte dolays ile vites ayn kalmaktadr. ekil 3.25. de iki sistemin tek

model altnda birletirilmesi ve Bulank Mantk ile kontrol gsterilmektedir.

hiz 5 ten buyukse

1NCI VITES BLOGU

1Vit1

>= 5

>= 7

gaz 7 den buyukse

1

arti 1

Switch4

S

AND

L3th

2hiz

1baslangic

vit

ekil 3.24. 1inci vites ve vites artrma kurallar

ekil 3.25. ki sistemin tek modelde birletirilmesi ve bulank mantkla kontrol

Motor ve Vites Modifiyeli

vites durum

motor tork70

hiz

0

fren

Vehicle

M

gaz

hizv it

Kendi Vites Modelim

Ti

throttle

Ne

Kendi Motor Blogu

Ne

v ites durum

Nout

Ti

Tout

Hazir Transmisyon Blokistenen hiz

mev cut hiz

Throttle Ang.

Benim Bulank Mantik Hiz Kontrolor

impeller tork

tork cikis

transmisy on hiz

Arac Nihai Hiz

GELISTIRILEN MOTOR VE VITES MODELI

51

Daha nceki almalarda motor blou, ara dinamikleri ve vites sistemi ayr

modeller olarak altrlm ve bu konuda incelemeler yaplmtr. Bu tezde iki ayr

modelin; ara modeli blou ve motor blounun birletirilmesi zerinde allm ve

mevcut sistemler daha anlalr ve kolaylkla zerinde gelitirme yaplabilecek bir hale

getirilmitir. ekil 3.25.de ak mavi olarak gsterilen bloklar tez almas kapsamnda

gelitirilen modellerdir. Bu sistemde yer alan motor blounda sisteme dardan giri

yapan tek deer, kullanc tarafndan gaz pedalna uygulanan kuvvet neticesinde oluan

gaz kelebei asdr. Gaz kelebeinin derece cinsinden oluturduu a sayesinde belirli

miktarda hava emme manifolduna girmektedir.

3.2.4. Diren Kuvvetlerinin Modellenmesi

Yuvarlanma direnci (Rr0) ve yoku direnci (Re) ifadeleri tez ierisinde motor

gcne aksi ynde etki eden negatif momentler olarak modellenmi ve ekil 3.26 da

gsterilmitir. Simulink ierisindeki signal builder yardmyla diren kuvvetlerinin input

deerleri oluturulmu ve matematiksel fonksiyonlara tatbik edilmitir. Diren

kuvvetleri modelde Tyuk olarak belirtilmi ve motorun rettii torktan kartlarak net

moment deeri elde edilmitir.

Direnc Kuv v etler i

g

kg

alfa

dereceden radyana

Fro

1Tyuk Direnc

Kuvvet

sin

10

p1

9.81

gravity

9.81

pi/180

900

arac kutle

Rro

Workspace Rro1

Re

Workspace Re1

1

S

Product

F Ro

alf a

80

4 lastik kutlesi

ekil 3.26. RRO ve Re diren kuvvetlerinin modellenmesi

52

3.3. Farkl Diren Kuvvetleri Karsnda Motor Devri Kontrol

Bu almada diren kuvvetlerinin motor torkuna etkisi karsnda PI ve Bulank

Mantk kontrolrlerinin tepki ve davranlar drt farkl ekilde ayr ayr incelenecektir.

Iinci Simlasyon durumunda; motor rlantide altrlarak, diren kuvvetleri

sfr

matlab yardımıyla motor modellenmesi

Documents