Ajoneuvon vakionopeussäätimen malliprediktiivinen optimointi

Abstract

Nykyaikaisilta vakionopeudensäätimiltä odotetaan ajomukavuuden lisäksi yhä enemmän energiatehokkuutta. Perinteiset, reaktiiviset PI-säätimet (engl. Proportional-Integral) eivät kykene ennakoimaan reitin korkeusvaihteluita, mikä johtaa polttoainetaloudellisesti tehottomiin kiihdytyksiin ja jarrutuksiin. Lisäksi perinteiset säätimet eivät huomioi moottorin ja jarrujen fyysisiä suorituskykyrajoja, mikä voi raskaammilla ajoneuvoilla johtaa ohjaussignaalin saturaatioon ja järjestelmän hallinnan menetykseen.

Tämän kandidaatintyön tavoitteena oli tutkia, kuinka paljon ennakoiva malliprediktiivinen säädin (engl. Model Predictive Control, MPC) säästää polttoainetta verrattuna lineaarisen neliöllisen optimoinnin (engl. Linear Quadratic, LQ) avulla viritettyyn PI-säätimeen. Lisäksi työssä selvitettiin, ratkaiseeko MPC-algoritmi raskaan ajoneuvon ohjaussignaalin saturaatioongelman.

Tutkimus toteutettiin numeerisena simulointina MATLAB- ja Simulink-ohjelmistoissa. Simulointiympäristöön mallinnettiin ajoneuvon pitkittäisdynamiikka sekä moottorin ominaiskulutuskarttaan perustuva polttoainemalli. MPC-säätimelle syötettiin ennakkoon testireittinä toimineen tieosuuden topografiadata, ja sen suorituskykyä vertailtiin perinteiseen PI-säätimeen kahdella eri ajoneuvon massalla (1 600 kg ja 3 000 kg). Säädin optimoitiin sallimaan ajoneuvon nopeuden vaihtelu turvallisten rajojen puitteissa optimaalisen polttoainetehokkuuden saavuttamiseksi.

Tulokset osoittavat, että ennakoiva MPC-säädin vähentää polttoaineenkulutusta merkittävästi. 1 600 kg painavalla ajoneuvolla saavutettiin 3,4 % polttoainesäästö, ja 3 000 kg painavalla raskaalla ajoneuvolla säästö lähes kaksinkertaistui 6,2 % PI-säätimeen verrattuna. Saavutettu etu perustuu MPC-säätimen kykyyn hyödyntää alamäessä kerättyä liike-energiaa tulevassa ylämäessä, mikä pitää ohjaussignaalin huomattavasti tasaisempana. Työ osoitti myös, että MPC-säätimen matemaattinen kyky käsitellä kovia reunaehtoja ratkaisee saturaatio-ongelman: siinä missä PI-säädin vaati raskaalla ajoneuvolla ylämäissä yli maksimikapasiteetin meneviä ohjaussignaalin arvoja, MPC-säädin piti ne turvallisesti fyysisten rajojen sisällä joustaen hetkellisesti tavoitenopeudesta. Tulosten perusteella maastonmuotoja ennakoivasta säätöstrategiasta on huomattavaa taloudellista hyötyä erityisesti raskaassa liikenteessä.