Int ern at i onal  Journ al of  P ower E le ctr on i cs a n d  Drive  S ystem   (I J PE D S )   Vo l.   11 ,  No.   3 ,  Septem be r 2020 , pp.  1220 ~ 1229   IS S N:  20 88 - 8694 ,  DOI: 10 .11 591/ ij peds . v11.i 3 . pp 1220 - 1229          1220       Journ al h om e page :  http: // ij pe ds .i aescore.c om   Senso r/actuato r fau lt  tole rant slid ing mo de cont rol for a nti - lock  braking  in a qua rter el ectric ve hicle       Bamb ang L. Wi dj ia ntoro , Ka th eri n I ndr iawati   Depa rtment  o f  E ngine er ing  Phys i cs,   Insti tut Te kn ologi   Sepu luh   N ovem ber ,   Indon e sia       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   Dec   4 , 2 019   Re vised  M a r   17 , 2 0 20   Accepte d  Apr   2 3,  20 20       Thi s  pap er   prop oses  a   sche m e  t o  im prov e   reg en era t ive  ABS   tec hnology  th at  al re ady  ex ists  to day  by  addi ng   a cc om moda t ion  f aul ts  to  the   control  sys te m.  The   no mi na l  co ntrol   al gori thm   used  is  a   slidi ng   mode  cont ro l  s o  tha t   sys te m   nonli ne ari t ie s  c a n  be  hand le d  pr oper ly.  The  pro posed  me thod   th en  is  c al l ed   sensor/a ct u at or  f aul t  tol e ran t   slid ing  mode  contro l  sys te m.  I n  d esigni ng  th e   proposed  con trol,  the r e   are  two  st age s,   na me ly   est im ation   of   fau l ts,  as  w el l   as   the   a ctive  me ch a nism  for  re conf i guring  cont ro ls.  Esti mation  of   fa ult s  is  done   by  using  propor ti onal - integra l   ( PI)  observe rs  b a sed  on  ext end ed   state  spa ce  equa t i on.   Wh er ea s  the  control   signal  r ec onfi g ura ti on   is   done   a ct iv el y   by  rep lacing   m ea su red   ou tput  with   t hei r   estimates  an d  co mpe nsat ing  for  con trol  signal   using  th e  ac tu at or  f aul t   est im ate.  The  simul at ion  show s  tha t   the   con trol  sys te m  base d  on  the   propos ed  al go r it hm  produc es  better   dynam i c   per forma n ce  than  the  slidi ng   m ode  con trol   (S MC)  without   f a ult   to le r ant  fea tur e.   Furth er more ,   the   sys tem  provide s  inh e ren t  ch aracteristic  for  de al ing   with  a   mi nor   fau lt   in   th e  hydr aul i c  a ct u at or .   Ke yw or d s :   Brakin g syste m   Fault   tolera nt c on t ro l   Ob se r ver   Re gen e rati ve    Sli din g m od e  c on t ro l   This   is an  open   acc ess arti cl e   un der  the  CC  BY - SA   l ic ense .     Corres pond in g  Aut h or :   Kathe rin Ind riawati ,    Dep a rteme nt of E ng i neer i ng  Physics,   In sti tut Te knol og i  Sepulu h N ov e mb e r,   Kam pus ITS,  S ukolil o,   Sura ba ya 601 11, In do nesia.   Emai l:   kathe rin@ e p. it s.ac.i d       1.   INTROD U CTION     On e  im porta nt  com pone nt  in   the  el ect ric  ve hicle   (EV)  is  the  braki ng   s yst em.  The  moder n  bra king  sy ste m  us ed  t o  current  passe ng e r  ve hicle s  is  the  anti - loc k  br a king  s ys te m  (A B S) ,  bec ause  this  s ys te m  can   pr e ve nt  the  w he el s  on  the   car   from  bein g  l oc ked  w he n  the r e  is  eme rg e nc y  braki ng  or  s ud den  bra king,  s o  that  the  car  sto pp i ng  distanc e  w il l  decr ease  a nd  ma neuve ra bili ty  will   inc rease  [ 1].  T hi s  sy ste m   can   gr eat ly  impro ve  veh ic l e  safety   in  e xtr eme  co ndit ion s   beca us e  ABS  can  ma ximize   ro a d  ti re  fr ic ti on  wh il e  mai ntai nin g   a  la rge  la te ral  ( directi onal )  f orce  that  e nsures   ve hicle   c on tr ol   [2].  F or  a  va r ie ty  of  r oad  co nd it io ns ,   the re  is  a n  op ti m um   sli p  rati o  that  ma ximize s  the  f rict ion   c oeffici ent   on   al l  r oad   c onditi ons  [ 3].  Ther e f or e,  a  s uitable   con t ro l  strat e gy  is  to  mai ntain  the  sli p  rati o  value  t o  re ma in  in  the  opti mal  an d  safe  work i ng  ra ng e   of   t he   br a king  s ys te m.  I n  ge ner al ,   the  c on tr ol  pur pose  of   t he  ABS  is  t o  set   the  wh eel   sli p  rati o  to  it s  op ti m um    range  [4 - 6].   In  EV ,  s om e   ABS  s ys te ms   us in g  mecha ni cal   br a king  (fr ic t ion ),  al so  use   re generati ve   braki ng  in   order  t o  save   el ect rici ty  as   de scribe d  in   [ 7].  T his   s ys te m   known  as  reg e ner at ive  ABS  can  incre ase  ve hicle   eff ic ie nc y.  T he   stu dy  resu lt s   s howe d  t hat  the   ene r gy  sto ra ge   achie ved  by  this  s ys te m   ra nged   f r om  8%   -   25%  of  th e  t otal  en ergy  us e d  by  ve hicle s,  dep e ndin g  on  the   re gu la to r y  c ycle  and  c on tr ol  st r at egy  [ 8].  Hence   this   te chnolo gy  ha s  bee n  ap plied   to   ma ny  kind s  of   EV .  Tu r  et   al .  [7]  a nd  M iz arei  et   al .   [ 9 ]   hav e   pro po s ed   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Sensor/ actu ator f ault  tolera nt  sli din g m ode c on tr ol for  anti - lock braki ng  …   ( B amban g  L . Widjia nto r o )   1221   reg e ner at i ve  braki ng  strat e gies  an d  co ntr ol  meth ods   duri ng  normal  a nd  s udde n  brak ing  eve nts,   wi thout   discuss i ng the   ABS sc heme  in  thei r  re searc h.   Re gen e rati ve  br a king  s ys te m  is  superi or  to  hy dr a ulic  br a king  in   te rms  of   acc ur acy,  s pee d  of   respo ns e  an d  ease  of   meas ureme nt.  H owe ver,  since  r eg ener at ive  br a ki ng   s ys te m  is  const raine d  by   man y  factors  s uch  as   mo t or   sp ee d,  sta te   of   c ha rg e   an d  batte ry  te mp e ratur e   [ 10 ] ,  w hile  f rict ion  br a ki ng   sy ste m  is   sti ll   us ed  as  a   com pleme nt.  Ther e f or e,   it   is  necessa r y  to   de velo p  a  brakin g  strat e gy  that  co ordinat es  the   reg e ner at i v e to rque  of the  mo t or  a nd the  fric ti on  t orque o f  t he hydra ulic u nit, as  pro po se d  in  [7]. F ur t he rm or e,   in  rece nt  yea rs,  adv a nces  i n  ac tuator  te c hnology   ha ve  le d  to  el ect ro - hydraul ic   and   el ect r o - mecha nical   br a kin g  sy ste ms  that  ar e  capab le   of   c onti nuous  m odul at ion   of   braki ng   t orqu e  [2].   Ther e f or e,  rese arch   on   ABS  c on t ro l   sy ste ms  equip pe d wit h rege ne rati ve bra king i s a  very  releva nt s ys te m to  b e  d e velo ped.   ABS  c ontr ol  is   fairl y  c ompli cat ed.   The   mai n  obsta cl e  t hat  a rises  wh e n  de s ign in g  ABS   c ontr ol  is  t he  natu re  of  no nl inearit ie s  and  la rg e  unce rtai nties.  A  num ber   of   a dvanc ed  co ntr ol  ap proac hes  ha ve   been   pro po se d  for  A BS,  su c h  as  f uz zy  lo gic  co ntr ol  [ 10],   ne ur al   netw ork  [ 11] ,  adap ti ve   co ntr ol  [ 12],   sli di ng  mode   con t ro l  [ 13]  a nd   oth e r  intel li gen t  co ntr ols .  Alon g  wit h  the  de velo pm e nt  of  ABS  te chnolo gy  that   us es   el ect rical   com pone nts,   the   c han ce   of  e rrors  al so  i ncr ease s.  In  a ddit ion ,   f or  ABS   te ch no l ogy  that   sti ll   us e s   fr ic ti on   braki ng  ( hydrauli c)  s ys te ms  oth e r  than  re gen e rati ve  bra king,  me chan ic al   c omp on e nts  s uch   a s  va lves ,   pumps  a nd  el ect ric  mo t or s   in   fact  hav e   a  fa il ur e  inte ns it y  that  excee ds  el ect ronic  co mpon e nts  [14 ].   I n  thi s   case,  no  matt e r  how   go od  th e  co ntr ol  s ys te m  is,   the   nom inal  co ntr ol  s yst em  does   no t   ha ve   the   abili ty  to   gu a ra ntee  the   con ti nuit y  of  t he  whole  s ys t em  du rin g  a   f ault  eve nt  in   it s  com pone nts,   su c h  a s  se nso rs  a nd  act uator s .   Th ough   the   dema nd  f or  s ys te m   re li abili ty  is  very   hi gh  on  ABS   r el at ed  to   sec uri ty  iss ues,  passe ng e r   safety  remains   to  be  a  ma nd at ory  featu re  t hat  must   be  f ul fill ed,   an d  the   reli ab il it y  of   t he  re ge ner at iv e  ABS   sy ste m  m us t  al so   be  high.   Fa ults  that  occ ur ,   su c h  a s  in   the   ABS  c ontrol   s ys te m,   na mely   fau lt s  i n  the   s ol eno id   valve   a nd  s pee d  sens or mu st  b e  ac co mm od a te d  s o  that  t he  sy ste m   co ntin ue s  to  w ork   i n  a   safe   a rea.   T he refor e ,  it   is  ne ce ssar y  to  bu il d  a   c on t ro l   syst em  t hat  is  a ble  t o  acc om m odat e  t he  occurre nce   of  fau lt s  ( with  a   certai n  le vel of err or) kno wn as  fau lt   tolerant c ontr ol ( FTC ).     The  a dv a nta ge   offer e d  by  FT C  te chnolo gy  on  re gen e rati ve   ABS  is  a n  in crease  in   sy ste m  reli abili ty   at   an   eco nomic al   cost   beca us e   it   does   not  a dd   an y  ha rdwa re co m pone nts o t her  tha n  softw are r epai r.  H oweve r,  the  stu dy  res ults  of  F TC  f or  br a king  sy ste ms  in   par ti cula r  a re  very   fe w.  O ne  of  the   fin dings  of  the   li te ratur e   study  is   re port ed  by  Sw a roo p  et   al .  [1 5]  w ho  s uggeste d  t hat  the   im pact   of  t he  fail ure  of  the   bra king  sy ste m   (sen s ors a nd  ac tuators ) on   el ect rical ly control le d  ve hicle s is to inhibit  the  ve hicle 's ab il it y t o  slo w  do wn.  The y  us e d  tw o  set s  of   fail ure  dete ct ion   filt ers  (e ach  f or  se nsors   an d  act uat or s )   to  de te ct   a  fai lure,   a nd  obser ver s   to   reconfi gure  c ontr ol  sig nals.   Althou gh  im pa ct   of  m odel   inaccu racies,   de te ct ion   e rror  and  pr ese nce  of  noise   hav e   not  been   discusse d,  this   scheme   is  f or  sp ee d  c on t ro l  sy ste m,   rat her   than  sli p  co ntr ol  syst em  ( AB S) .  I n   add it io n,   t he  use   of  filt er  s et s  ma kes  c omp utati on al   l oad  la rg e  e ve n  th ough  t he  s ys te m  m us t  be   rea li zed  in  real - ti me,   so  t he  ti me   inter val  betwee n  t he  i nput  a nd  ou t pu t   sig nals   of  t he  sy ste m  m us t   be   re du ce d    as m uch as  pos sible.   This  paper  di scusses   the   de velo pm e nt  of  a  re gen e rati ve   ABS   -   a  c ombinati on   of  reg e ner at i ve  br a king  a nd  m echan ic al   br a ki ng  -   w hich  is  e qu i pp e d  with  t he  FTC   sche m e.  He re  th e  sli p  c on t ro l  s ys te m  was   stud ie d  to  pro du ce  t he  ri gh t   br a king  re spo ns e  desp it e  fa ults  in  the  se nsor  a nd  act uat or   c omp on e nts .  The   pro po se d  sc he me  is  on l y  bas ed  on  obse rv e r s  so   re duces  lo ad  co mputat io n.   It w as  ap plied  to  sim ulati ons  us in g  a quarter  car  m od el .       2.   RESEA R CH MET HO D    A  quarter   ca r  model  is   the   one  of  ve hicle   modeli ng  meth od  by  c onside r ing  only   one  w heel  as   s how n  in  Fi gure  1.  I t  has   th ree  f orces  i nf l uen ci ng  it s  m ovem ent  wh e n  bra king  occ ur s ,  namely   ae rod yn a mic  resist ance  f or c e  (F a )  a nd  t he  br a king  f or ce   ( Fx ) .  The   eq uat ion  of  t he  hori zon ta l  mo ti on   of  the   car   due  to  the   two f or ces  is:     − ( + ) = ̇   (1)   = 2     (2)   =         (3)     with:       = aer odynamic  constant    g   = gravit at ion al   acce le rati on   ( m/s 2 )   V     = v e hicle  sp ee d (m/s)     m     = one - w heel m ass (kg)     = coe ff ic ie nt  of roa d  s urface  f rict ion     R   = w heel ra diu s  ( m )   The w heel r ota ti on   m otio n m od el  is  g i ven by the  equati on:     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  11 , N o.   3 ,  Se ptembe r  2020   :    12 20   –   12 29   1222     − = ̇   (4)     with:     = braki ng torq ue (N .m)    J   = m om e nt in erti a o f  one  w he el  ( kg. m 2 )      =  an gula r   sp e ed  of  w heel   (r a d/s)   Road   surface   f rict ion   c oeffici ent  ( )  c ou l d  be   modell ed  by  t he  ma gic  e qu at ion   giv e n  by  P acej ka  an d  Ba kk e r [16]:     ( , ) = [ 1 ( 1 − − 2   λ ) − 3 ] − 4   λ   (5)   with    1     = the ma xim um val ue of  fric ti on  c urve    4     = wetne ss c harac te risti c v al ue   2     = the  fr ic ti on c urve sha pe        = sli p  rati o   3     = the  fr ic ti on c urve  dif fer e nce  b et wee n  t he m aximum  value   and the  valu e a t λ =  1     The  sli p  rati o  represe nts  th e  diff e re nce  be tween  th e  ve locit y  of  the  t ire  ci rcumfe re nce  an d  th e  relat ive spee d  of the  ve hicle  ag ai ns t t he  r oa d surface,  which   can  be  e xpress e d  in  terms  of  ( 6) :     =   −    (6)     Wh e n  the re  is   a  ve r y  st ron g  br a king,   it   ca n  ge ne rall y  ca use   w heel   loc kup  wh ic h  mea ns   ω  =   0,  s o    λ  =  1.   T he  co ndit ion   of   wh ee l  lockup  ca n  e xten d  the  sto ppin g  dista nce  a nd   ca us e  lo ss  of   c on t ro l  to w ard s  t he  directi on  of  m otion.  I ncr ease d  w heel  sli p  c auses   a   re du ct i on  in   ti re   f rict ion  c oeffici ent,   .   T her e fore   ABS   is  need e d  t o  li mit  sli ps  to  pre vent  lock in g o n  t he  wheel s.   Th us ,  the   co nt ro l  s ys te m  us e d  on  ABS  m ust   adjust  the  a m ount  of  br a king  to rque  pro duced  by  both   br a king  sy ste m s.  T he  al gorith m  f or  determi ni ng  the   distri buti on   of  bo t h  s yst ems  is  s how n  in  Fig ur e   2,   w hic h  is  a  modific at ion  of  that   by   G uo  et   al .  [17 ].  Wh e n  th e   br a ki ng  pe dal   is  ste pp e d  on,   t he  c on t ro ll er   produ ces  the   require d  br a kin g  t orq ue  val ue,   T br   T he  c onditi on  of  th e  veh ic le ,  w he n  bra king  sta rts  to  be  act iv e,  will   determi ne  th e  avail able  br a ki ng  to rque  of  th e  m oto r ,  T mavail .  I f  t he  require d  br a king  t orq ue  is  small er  t han  the   avail able  br a ki ng  to rque  of  t he  mo t or ,   the n  on l y  reg e ne rati ve  br a king   is  act ivate d,  i e  the  mo t or  braki ng  sy ste m is ru n  to prod uce th e s ame braki ng  t orq ue  as  T mf   = T br   If  the brak i ng torq ue  re quir ed  is g reater th an  the  avail able  bra kin g  tor que  of   t he   mo t or ,   the n  t he  m otor  br a kin g  sy ste m  is  r un  to  pro du ce  it s  fu ll   capa bili ty  T mf   =  T mavail ;  an d  t he  hydra ulic  braki ng  s ys te m   is  al so  act ivate d  t o  pro duce  t he  de man d  hy dr a ulic  br a king   to rque   T hf   = T breq   −   T mf .           Figure  1.  F or ce s on  a  quarte r  c ar  wh eel   [7]       The  reg e nerat ive  ABS  s ys te m  w orks  by  a dj us ti ng   t he  br a king  to rque  t o  keep  the  sli p  r at io  value   in  accor da nce  with  t he  set point.   Brakin g  to rque   that  w orks   on   re ge ner at ive   ABS  sy ste ms  i s  ob ta ine d  f rom  the   br a king t orqu e   of the  mo t or   an d hyd ra ulic  br a king to r qu e  as  giv e n (7):     T b   = T m   +   T h    (7)     Av ai la ble  m oto r  braki ng to rque,  T mavail , can  be  cal culat e d b y (8):       =       ⍵        (8)   wh e re :   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Sensor/ actu ator f ault  tolera nt  sli din g m ode c on tr ol for  anti - lock braki ng  …   ( B amban g  L . Widjia nto r o )   1223   T mmax   = maxim um   mo t or torq ue;  i  = tra nsmi ssion rati o;   η t   = trans missi on  eff ic ie nc y   k SOC   = weig hting fact or  i n  t he  stat e o f  ch a r ge  of  batte ry ,  the   amo un t  of  wh i ch  is  determi ne d by :     k soc  =  { 1 10   ( 0 . 9 − SOC ) 0   SOC   ≤ 0 . 8   0 . 8 < SOC ≤ 0 . 9   0 . 9 < SOC ≤ 1   (9)     ⍵   =  the  weig htin g  facto r  du e   to   the  lo w  el ect ri cal   force  ( vo lt a ge)  ge ne rated  wh e n  t he  r otati on  s peed  is  lo w,  can  be  e xpress ed  as  [17]:     ⍵ = { 0 ( ⍵ − 50 ) / 50 0   ⍵   ≤ 50   rad / s   50 < ⍵ ≤ 100   rad / s   ⍵ > 100   rad / s   (10)     Fu rt hermo re,  the  dynamics  of  the moto r bra ki ng   sy ste m  can  b e  modele d as  a f ir st - or der   syst em [18]:     ( )  ( ) =   1 + 1   (11)     with    m   bein g  t he  m otor t orque ti me consta nt .   Hydrauli c  brak ing   to r qu e  is  ge ner at e d  by  fluid   pr es sure  w hich  has  fi rst - order   dyna mic s  sy ste m .  S o  that  the  dyna mic  equ at io n  of   the  hydr aulic   br a king   sy ste m  ca n  be  w ritt en  as  (12)   a s  g iven  by     Paulin us  et al .   [19] :     ℎ ( ) ℎ ( ) =   1 ℎ + 1   (12)     wh e re    h   = t he  hydra ulic t orq ue  ti me c onsta nt.   The  c on t ro ll er  pro du ces a  con trol sig nal in the  f orm  of  t he  r equ i red   braki ng to rque  value,  T br   A  blo c k  diag ram  of  thi s  co ntr ol  syst em  is  s how n  in   Fig ur e  3.  T he   co ntr ol  al gori thm  us e d  is  sl iding  m od e   co ntr ol  (SMC).   S M C   has   bee n  ch ose n  as  it   is  known   for   it s  r ob us tness   a gain st  unm odel le d  dyna mics,   pa ra metri c   un ce rtai nties a nd ex te rn al   dis tur ban ces   [ 20]. The  equati on  of the slidi ng s urface is t he  se tpo int e rro r,  i.e .     ( ) =  ( ) − ( )   (13)           Figure  2. Distri bu ti on al gorith m of  br a king t orq u e       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  11 , N o.   3 ,  Se ptembe r  2020   :    12 20   –   12 29   1224       Figure  3. The   blo c k diag ram of  contr ol s ys te m for re ge nerat ive A BS  p la nt       In   order   t o  ge ne rate  a  con t ro l  sign al ,  this  st udy  us es  c onsta nt  rate  reac hing  la w  de scri be d  by  Liu  a nd  Wang  [ 21],   w hi ch  is  wr it te n  a s foll ow s:       ̇ = −    ( ) −    > 0 , > 0   (14)     with    a nd  k  be ing  call e d  sli di ng g ai n  a nd er r or g ai n  re sp ect ively; w hile si gnum f unct ion  ( sgn )  is  def i ne d  as:      ( ) =   { 1 0 − 1   > 0 = 0 < 0       (15)     Nex t,  the e quat ion   of the  contr ol sig nal in  the  f r om   of  requir ed bra king t orq ue  is  giv e n b y:     T breq  =  T beq   +  T bhit     (16)     T beq   is t he  est i mate  of the  equivale nt  co ntr ol  input which  c an be  ob ta in ed   from ( 17)      =   ̂ −   ̂ ̂ ̂ ( ̂ + ̂ )   (17)     with  ̂   da n  ̂   bein g  est imat io n  va lues  of  f rict io n  a nd  ae rod ynamic   f or ce   re s pecti vely ,  from   eq uatio n  (2)  a nd   (3).  Bot h  t hese   est imat es  c on t ai n  the   un ce rta inti es  ha ppene d  i n  t he  mass   of  ve hicle ,   m ,  wh ic h  c ha ng e s   with   the  num be r  of   passe ng e rs  a nd   the  lu ggage   w ei gh t;   as  we ll   a s  in  the   f rict io n  c oeffici ent,  ,  de pe nd i ng  on  r oa d  su r face c onditi on.    The   ra nges  of  var ia ti on  of  m   and    are   set   a s   ≤ ≤    an d   ≤ ≤  .  T his  st udy  consi ders the  e sti mate d  val ue s of the se  par a mete rs respecti vely  a s the  me an va lue  give n  as     ̂ = + 2   ̂ = + 2     (18)     T bhit  is  the  hitt i ng   c ontr ol  sig nal  to  sat isf y  s li din g  c onditi on  de sp it e  unce rtai nty   on   t he  dynamics  of   T beq , s o t he  c on trolle r wil l perf orm m uc h  r ob us tl y. The  h it ti ng contr ol sig na l i s d efi ned :     ℎ  =     ̂   [      ( ) + ( ) ]   (19)     wh e re   ( )   is de fin ed  in  (1 5) .     In  the   ABS   s ys te m,   the re  a re  tw o  sen sors   us e d,  namely   w heel  s pee d  sens or  an d  ve hicle   sp ee d   sens or .   B oth   m easur e ments   de te rmin e   the  ca lc ulati on   of  the   sli p  rati o  of  th e  ve hicle .  T hus ,  fa ults  i n  the se   tw o  sens or s  ca n  ca us e  a  deterio ra ti on   in  t he  res ponse   of  the  c ontr ol  sy ste m .  Althou gh  S MC   is  a  rob us t  c on t ro ll er,   sens or  f aults  th at   can  be  acco mmodate d  by  this  co ntr oller  are  of  li mit ed  va lue  acco rd i ng  to  the  sp eci fied   le vel   of   uncertai nt y.  This  stu dy  pr opos es  a n  obs erv e r  ap proac h  to  pro vid e  e sti mate s  of   t he  true  outp ut  val ue  f or  SM C.  H e re t he re ar e  th ree P I ob s er ver s  whic h  a re c onnecte d  as  sho wn in Fi gure  4.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Sensor/ actu ator f ault  tolera nt  sli din g m ode c on tr ol for  anti - lock braki ng  …   ( B amban g  L . Widjia nto r o )   1225   The  pr opos e d  ob s er ver   is  bui lt   based   on  the   plant  model.  Fo r  w heel  sp e ed  est imat ion,  (4)  is  us e d  in   the  m odel .  T he   de man d  bra king  t orqu e   ca n  be  obta ine d  by  knowin g  th e  co ntr ol  si gnal ,  w hile  the   f rict io n  force  F x   is  no t   known .  T her e fore,  F x   is  c on sidere d  a  distu rb a nce  a nd  m ust   be  est imat ed  be sides  t he  wh eel   sp ee d  s ens or  fa ult.  T hus,   ob s e rv a bili ty  c ondi ti on  can not  be   fu lfil le d  if   bo t h  dist urba nces   a re  est imat e d.  I n  t his   study,  F x   is  c hose n  as  an  est i mate d  va riable ,  for  tw o  reas ons.  Fi rst,  F x   is  need e d  to  est i mate   veh ic le   s peed   as   will   be  ex plai ned  in  the   ne xt  pa ragra ph.   Seco nd,  the   sens or   fau lt   i n  a  wh eel   ca n  be   co ns i dered  as  per t urbati ons  of  wh eel   ine rtia ,  J ,  i n  w hich   J  i s  small er   tha n  the  veh ic le   ma ss,  m ,   [ 22],  th us  the   impact   of   this   un ce rtai nty  is  no t   la r ge.  The   ob s er ver  al gori thm  f or  est ima ti ng   F x   is   buil t  us i ng  pro porti on al   –   inte gr al   (PI)   structu re  as   ex plained   in  t he  work  by  Tsai   et   al .  [23 ],   t ha t  is  PI   c ompe nsa tor  e mp l oy e d  in   the  cl os e d - l oop  ob s er ver   sta ge.  Hen ce ,  the  PI   ob s er ver   ca n  be   us e d  to  est im at e  bo t h  the  tr ue   value  of  sy st em  sta te s  (by  means   of   pro portio nal  ga in,  K p )  a nd   disturba nces  ( us in g  inte gr al   gain,   K i ) .  T he   ob se r ver   for  e sti mati on   F x   is  us in g  the obse rv e r  e quat ion gi ve n b el ow :     ̂ ̇ = 1 ( − + ̂ +  (  − ̂ ) )     (21)   ̂ ̇ =  (  − ̂ )     (22)           Figure  4. The  s tructu re  of the  pro po se d o bs er ver s     The  ob se r ver   f or   ve hicle   sp e ed  est imat ion   i s  bu il t  by  re fe rr in g  to   ( 1) .  I n  order   f or   se nsor  fau lt   of  veh ic le   s pee d  f sv   app ea rs  i n  th e  sta te   eq uatio n,   t hen  an   au gme nted   sta te   pro vid e d  by  I nd riawati   et   al .  [ 24]  is   us e d:  ̇ = [  − ] .   Nex t  t he  pro pose d  ob se r ver  is  the n  de velop e d  base d  on  a ugme nted  sta te   sp ace  m od el   with   PI   structu re.  Th e   pr e vaili ng obse rv e r  e qu at io n  i s:     ̂ ̇ = 1 ( − ̂ 2 − ̂ +  ( − ̂ ) )   (23)   ̂  ̇ =  ( − ̂ )   (24)   ̂ ̇ = ( ̂ + ̂  − ) + ̂  ̇   (25)     The  reg e ne rati ve  ABS  br a ki ng  syst em  in volves   tw o  act ua tors,  na mely  a  hydra ulic  act uator  an d  a   mo to r   act uato r   [ 25] .   Howe ve r,   beca us e   the   br a king   tor que   of  t he  mo t or  i s  m uch  s mall er  th an   the   hy drauli c   br a king  to r qu e ,  the  im pact  of  the  mo t or   brakin g  act uat or  fau lt   is  no t  a s  sign i ficant  a s  the  im pact  of  t he   hydrauli c  brak ing  act uat or  fa ult.  T he refor e ,   in   this   stu dy,   on l y  t he   fa ult  of  hydr a ulic  a ct uator  is   co nsi der e d.  Actuato r   fa ult  can   be   c onsid ered  as   a n  i nte rf e ren ce   that   a pp ea rs   in   the   s ta te   eq uation.   Th us ,   est ima ti on  of  hydrauli c  act ua tor  fau lt   f ah   is  done  i n  the   same  wa y  as   the  est imat io n  of  fr ic ti on  f or ce  F x ,  bu t  usi ng   a   hydrauli c s ys te m dy namic  model o r   (11 ).  T he  observe r  e quat ion s a re:      ̂ ℎ ̇ = ℎ + ̂ ℎ + ℎ ( ℎ − ̂ ℎ )   (26)   ̂ ℎ ̇ = ℎ ( ℎ − ̂ ℎ )   (27)     The   fa ult   t oler ant  sc heme   propose d  in   this   study   co ns ist s   of  tw o  w ays ,  e ach   to   ove rcome  a   se nsor   fau lt   an d  a n  ac tuator  fa ult.  To   ov e rc om e  a  se ns or  fau lt ,  the   sta te   est imat ion   res ults  of  the   obser ver   a re  use d  to   rep la ce   the   me asur e d  res ults.   Th us ,   S M C  rec ei ves  i nfor mati on  a bout  t he   tr ue  sta te   that  oc cur s   in   the   ve hi cl e  -   no t  the   w ron g  measu reme nt  r esults.  W he rea s  to  co mp e ns at e  for  act uat or   f ault,  the  est ima ti on   of  act uat or  fau lt   is  us e d  to   co r rect  the  c ontr ol   sign al   T hf   th rou gh  a  s ub t ra ct ion   op e rati on.  O ver al l,  a   f au lt   tolera nt  s cheme  changes  the st r uctu re  of  t he  S M C s ys te m  (se e Fig ur e  3) to  the  on e  as s how n  in  Fig ure  5.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  11 , N o.   3 ,  Se ptembe r  2020   :    12 20   –   12 29   1226       Figure  5. The   blo c k diag ram of  acti ve  f ault t olera nt S M C f or r e gen e rati ve  A BS  pla nt       3.   RESU LT S  AND DI SCUS S ION     To  dem on st ra te   the  eff ect i ven e ss  of  the   pro po se d  de sign   of  act iv e  fau lt   tolera nt  S M C  f or  reg e ner at i ve  A BS, the c omp ut er s imulat io n  i s d e velo pe d.   In this sim ulati on , t he  ty pe of  fa ults is bias  fa ult an d  the  assu med  r oad   c onditi on  is  a  hig h  fr ic ti on   ro a d  (dr y  a sp ha lt ).   T he  pa rameters  of   t he  re ge ner at iv e  ABS   sy ste m u nder st udy  are g ive n  in  Table  1.  T he   desire d  sli p  ra ti o  is  0. 2.  The  i niti al   veh ic le   ve locit y  was  set   16.7   m/s  (60  km /h ),  thu s  th e  init ia l  wh eel   s pee d  ve locit y  was  50. 6  ra d/s.  T he  pa rameter v al ues  o f  t he  co ntr oller  are     = 0.1  and  k  =  20.   The  S M C  ca n  pr e ve nt  ve hicle   sk id   as  s how n  in   Fig ur e   6  a nd  Fig ur e   7.  T hese  fig ur es   ar e   evaluate d  unde r  the   no minal  co ndit io ns   (no  fa ult)  at   ti mes  be for e  0.3  s,  a nd  after  that ,  fa ul ty  co ndit ion,  namely  hydrauli c  act ua tor  fau lt   of  - 200  N .m   f or  Fig ur e   6  an d  ve hi cl e  sp ee d  se nsor   fa ult  of  2  m/s  f or  Fig ure  7 .  As  ca n  be  see n  in   thes e  fig ure s ,   the   a ct ive  fa ult  tole ran t  S M C  ( AFTSMC )  yield   mar ked  a nti - sli p  perf or ma nce s   un der  nominal  a nd   fa ulty  c onditi on ,   wh il e  the  S M C  can no t  fo ll ow  the  set point  a nym or e  unde r  fa ulty  c onditi on.  The  AF TS M C  kee p s   the  sli p  rat io  at   the  set point   val ue  the reby  im prov i ng  bra king  sta bili ty  and   pas sen ger  com fort ,  eve n  for  the  sim ultaneo us l y  occ urr ed  fa ults  as  de scribe d  in  Fi gure  8:  the  hy drauli c  act uato r   fau lt  sta rts  at   ti me  of  0.3   s ,  a nd  co ntinu i ng  the  ve hicle   sp ee d  s ens or   fau lt   occ urred  at   ti me  of  0.4   s.  F ut hermo re,   there  is   no  t ra ns it ion  ti me  f or  AF TS M C  t o  acco mm od at e   the  se nsor   fa ult  an d  le ss   0. 1  s   f or  A FTS M C  to   return   the  res ponse   back  to   the  set po i nt .  T his  in dicat es  t hat  the   pr opose d  sc heme   does  not  require   la rg e   com pu ta ti onal   ti me.   Figure   9  s how s  the   w heel  spe ed  a nd  ve hicle   vel ocity  with   the   A FTS M C - base d  ABS   a nd  t he  SM C - base d  ABS   f or  the  same  ca se   of   Fig ur e  8.  A s  can  be  see n,   the  pro pose d  S M C  tr y  to  st op  the  car  quic kl y  a nd   the  var ia ti on  of  the  ve hicle   ve locit y  with  th e  AF TS M C  is  simi la r  to  the  nominal  co ntr oller  ( without  fau lt s) .   The  pe rforman ce  of  t he  ABS  with  t he  AF T S M C  is   fa r  bette r  tha n  the   one s  with   the   S MC .  Co mp a rin g  to  the   SM C  c ontrolle r,   the   A FTS MC   on e   pro duc es  faster  sto ppin g.   T his  is  because   the  braki ng   t orq ue  of   t he  AF TS M C  c on t inu es  to  gro w  un ti l  the  ve hicle   stop s ,  w hile  the  br a king  to r qu e  of   t he  S MC   decr eases ,  a s  seen  in  Fig ur e   10.   Fu rt hermo re,   the  br a king  to r qu e   of  the   S MC   is  more  se nsi ti ve  to  the  fa ults  (at  0.3  s  f or   t he  act uator  fa ult  and  0.4  s   f or  t he  ve hicle   sp e ed  se nsor   fa ult)  tha n  one  of  t he  AF T SM C .  This  pro ves  t ha t  the   AF TS M C i s  m or e  robust a gai ns t act uat or   an d  se nsor fa ults.       Table  1.   Para m et ers  use d i n  t he  simulat io ns   Sy m b o l   Desc riptio n   Valu e     m ass  of the  qu arter v eh icle ( k g )   3 4 2 .5   J   wh eel r o tatio n al in ertia  (kg .m 2 )   3 .5     wh eel r ad iu s ( m )   0 .33   c a   aerod y n am ic con stan t   0 .29 2 1 / 4   T mma x   m ax im u m   m o to r  t o rqu e ( Nm )   150   i   trans m iss io n  r atio n   4 .1   η t   trans m iss io n   eff i ci en cy   0 .95   h   th e hy d raulic to rque  tim e  con stan t ( s)   0 .01   m   th e m o to r  to rqu e ti m e con stan t ( s )   0 .00 5   C 1   th e m ax i m u m  valu e of frictio n  curv e   1 .02 9   C 2   th e f riction  curv e s h ap e   1 7 .16   C 3   th e f riction  curv e d iff er en ce between   t h e m ax im u m  valu e  and   th e valu e at   λ   = 1   0 .52 3   C 4   wetn ess  characte ri stic v alu e   0 .03   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Sensor/ actu ator f ault  tolera nt  sli din g m ode c on tr ol for  anti - lock braki ng  …   ( B amban g  L . Widjia nto r o )   1227       Figure  6. Com par is on of t he  s li p  rati o  res ponse s for si ngle  a ct uator fa ult ca se           Figure  7. Com par is on of t he  s li p  rati o  res ponse s for si ngle   ve hicle  sp ee d  s e ns or  fa ult case           Figure  8. Com par is on of t he  s li p  rati o  res ponse s for si m ultaneo us l y  act uat or an d  se nsor  fa ult case           Figure  9. Com par is on of t he  s peed res ponse s  for  si mu lt ane ously  actuat or a nd se ns or  fau lt   case           Figure  10. C ompa rison  of th e braki ng torq ue  for   simult ane ou sl y  act uato r a nd se ns or  fau l t case   4.   CONCL US I O N    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  11 , N o.   3 ,  Se ptembe r  2020   :    12 20   –   12 29   1228   This  pa per  dea ls  with   ap plica ti on   of  fau lt   t ol eran t  c ontrol   scheme   in   S MC   sy ste m   for  r egen e rati ve  ABS  te ch nolo gy.  T his  sch e me  imp roves  t he  c onve ntional   SM C  a pproach  with  fa ult - tolerant  ca pa bili ti es  to  pr e ve nt  el ect ric  ve hicle s  f r om  sli ppin g  i n  man y  ge ner al   ste ering  sit uati on s .  B rak i ng  is  simulat e d  to   occ ur   reg e ner at i vely   an d  al so  mec han ic al ly ,  if  ne eded.  In   t his   case,  the   co nt ro ll ed  var ia bl e  is  the  sli p  r at io  by  manipula ti ng  t he  braki ng  to r qu e .  Th ree   PI  ob s er ver s   wh i ch  e sti mate   th e  f rict ion  to r que,   the   veh ic le   s peed  sens or  fa ult,   a nd  the   hydraul ic   act uato r   fa ult  ha ve   bee n  e mp lo ye d  in   thi s  propose d  sch eme.  As   s how n  i n  the   simulat ion  res ults,  the   pro po sed  a nti - sli p  s ys te m  offers  a n  ef fecti ve  pe r forma nce   in   m ai ntainin g  the  dr i ving   sta bili ty  un der  pro bab le   fa ult  conditi on.  The refor e ,  t he  ste e rin g  sa fety   of  the  el ect ric   ve hi cl es  will   be   f urt her   impro ved in t he  n ea r  f uture.       REFERE NCE S    [1]   Yonggon  L . ,   Z a k  S .   H. ,   " Designing  a   Gene ti c   N eur al  Fuz zy   Anti loc k - Brak e - Sys te m   Controller ,"   IEE E   Tr ansacti o n   on  Ev o lut ionary   Computati on ,   vo l.   6 ,   no .   2 ,   pp .   19 8 - 211 ,  2002 .   [2]   Sergio  M .   S . ,   Mara   T. , " Act ive B rak ing  Con trol   S ystem s Design  f or  Vehicle s ,"   Lo ndon:  Springer ,   pp.   3 - 17 ,  2010 .   [3]   Kim  J . ,   L ee  J. ,   " Re al - T im e   E stim ation  of   Maxim um   Fric ti o n  and  Opt im a l   Slip  R at io   Ba sed  on  Mat eria l  Ide nti f ic a ti on  fo r  a  Mobile   Rob ot  on  Rough  Terrai n ,"   13 th  Inter nati onal  Confer enc e  on  Contro l,   Au tomati on  a n d   Syste ms   (ICCAS ) ,   pp .   1708 - 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In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Sensor/ actu ator f ault  tolera nt  sli din g m ode c on tr ol for  anti - lock braki ng  …   ( B amban g  L . Widjia nto r o )   1229   BIOGR AP HI ES OF  A UTH ORS       Bam bang   L .   W i dji ant oro   was  bo rn  in  Je mbe r ,   In donesia ,   in   1969 .   He   awa rd ed  a  Doctor ate  and  a  Master   in   Instru me nt at ion   and  C ontrol   Study  Pro gra m  fro m  Insti t ut  T eknol ogi   Ba ndung  (IT B),   Indone sia   in   20 05  and   1999   r espe ctivel y ,   as   we ll  as   a   Ba che lor   degr ee  in   Enginee ring   Phys ic s   from  ITS  in  199 3.   His   rese ar ch  i nte rests  in cl ude  industri al   cont ro l  sys te m  and  pr oce ss   cont rol .   He  is  cur ren tl y  a  senior  le c ture r   of  cont ro l  and  instrum entat ion  divi sion,  Engi ne eri ng  Phys ic s   Depa rtment, IT S .           Kathe rin   Indri a wati   was   born  i n  Jembe r ,   Indon esia ,   in   1976.   Sh e  re ceive d   the  B. Sc.   d egr e e  in   engi ne eri ng  phy sics  and  the   M .   Sc  degr ee   in  inst rume nt at ion  &  c ontrol ,   fro m  Inst it ut  T eknol og i  Bandung  (I TB),  Bandung ,   Indo nesia ,   in   1998   a nd  2005,   r espe ctivel y .   She   h as  t ake n   the  Ph.D.   degr ee  in  2016   a t  Inst it ut   Te k nologi  Se puluh   Novemb er   (IT S),  Suraba y a,  I ndonesia .   Aft er   rec e ivi ng  the   B . Sc.   d egr e e,   sh e   joi ned   Engi n eering  Phys ic s  Depa rt me nt ,   I TS.   Her  rese arc h   int er ests  in cl ud e  superv isory  c ontrol ,   f aul t   to l era nt   cont rol ,   f aul t   de tecti on ,   dia gnosis  and   dec ision - ma king   sche m e.   Dr. Ind ria wat i  is   a mem ber   of   the IEEE           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.