Hệ thống chống bó cứng phanh(Antilock BrakeABS) và Hệ thống chống trượt (Traction Control SystemsTCS)

Bản dịch tài liêu· AliGUlsoy_HueiPeng_MelihCМakmakciAutomotivecontrolsystemsCambridgeUniversityPress2012 chương 13 Hệ thống chống bó cứng phanh(Antilock BrakeABS) và Hệ thống chống trượt (Traction Control SystemsTCS)

13 Hệ thống chống bó cứng phanh(Antilock Brake-ABS)

và Hệ thống chống trượt (Traction Control Systems-TCS)

Hệ thống phanh chống bó cứng (ABS) lần đầu tiên được giới thiệu trêncác toa tàu vào đầu thế kỷ 20 Động cơ ban đầu là để tránh các vết phẳng trênbánh xe thép; tuy nhiên, người ta đã sớm nhận thấy rằng khoảng cách dừngcũng được giảm bớt nhờ hệ thống ABS Robert Bosch đã nhận được bằngsáng chế cho ABS vào năm 1936 Năm 1948, một chiếc Boeing B-47 đượctrang bị ABS để kiểm tra hiệu quả của nó trong việc tránh nổ lốp trên bê tôngkhô và trượt bánh trên đường băng đóng băng Nó đã sử dụng phương phápđiều khiển kiểu "bang-bang" (tức là giảm áp suất phanh về 0, sau đó khởiđộng lại) Các chiến lược kiểm soát ABS điều chỉnh hoàn toàn đã được giớithiệu vào những năm 1950 (ví dụ: Ford Lincoln, Goodyear và HydroAire).ABS chỉ dành cho bánh sau lần đầu tiên có mặt trên ô tô hạng sang vào cuốinhững năm 1960 Các hệ thống được sử dụng trong những năm 1960 và 1970được phát triển bởi Bendix, Kelsey-Hayes và AC Electronics, trong số nhữngngười khác Những lo ngại về pháp lý sau đó đã trì hoãn sự phát triển ở Hoa

Kỳ, và các công ty châu Âu đã dẫn đầu trong hai thập kỷ tiếp theo Nhu cầutăng vọt vào đầu những năm 1990 khi những lợi ích của ABS đối với việckiểm soát lái xe và khoảng cách dừng ngắn hơn được công nhận và chấpnhận rộng rãi Hầu hết các phương tiện chở khách mới được bán tại Hoa Kỳngày nay đều được trang bị ABS.Điều quan trọng cần lưu ý là ABS sẽ khônghoạt động bình thường nếu tín hiệu vào của người điều khiển hoặc tình trạngđường thay đổi nhanh chóng Ví dụ, theo một báo cáo thử nghiệm gần đâycủa NHTSA (Forkenbrock et al 1999), tất cả các phương tiện thử nghiệmđược trang bị ABS đều dừng lại trong khoảng cách xa hơn so với nhữngphương tiện không có ABS trên đường nhiều sỏi Do đó, vẫn cần cải tiếntrong công nghệ này

Việc kết hợp hệ thống kiểm soát từng bước giữa hệ thống ABS và TCSđược Bosch thực hiện năm 1987 hệ thống chống trượt (TCS) chủ yếu hoạtđộng trong trường hợp tăng tốc và cùng với hệ thống ABS nó có mục tiêukhông chỉ là tránh bó cứng hoặc quay của bánh xe mà còn giữ mức độ trượt

của bánh xe gần mức tối ưu, giúp đạt được lực dọc lốp tối đa có thể và đồngthời tránh giảm đáng kể lực ngang của lốp.TCS thường xuyên được quảng cáo

là một thiết bị giúp lái xe rời khỏi bề mặt đóng băng hoặc dốc; tuy nhiên, mộtTCS hoàn chỉnh thực sự có thể hoạt động ở tất cả tốc độ xe Không giống nhưABS, rào cản chính đối với việc chấp nhận nó không phải là các vấn đề pháp

lý mà là cạnh tranh với các hệ thống hiện tại có các chức năng tương tự (vídụ: vi sai hạn chế trượt và 4WD) Bởi vì chức năng TCS có thể đạt được với

số lượng thiết bị bổ sung tối thiểu và hầu hết công việc liên quan đến sửa đổiphần mềm của chương trình ABS và điều khiển động cơ, nó giữ vị trí cạnhtranh tốt với các hệ thống thay thế

13.1 Mô hình hóa

Hệ thống ABS/TCS cho xe vận tải hai trục với bộ điều khiển phanh TCS.

1 Wheel-speed sensor : Cảm biến tốc độ bánh xe

2 Pulse ring : Vòng xung (vành răng cảm biến)

3 ABS/TCS electronic control unit : Bộ điều khiển điện tử ABS/TCS

4 Pressure-control valve : Van điều khiển áp suất phanh

5 Shuttle valve :Van con thoi( van thay đổi áp suất)

6 Service-brake valve :Van phanh chính

7 Combination brake cylinder : Xy lanh phanh kết hợp

8 Air reservoir : Bình tích áp

9 Drain valve : Van xả

10 Diaphragm actuator : Bộ dẫn động màng

11 TCS solenoid valve : Van điện từ TCS

12 Relay valve : Van gia tốc

Hình 13.1 Hệ thống ABS/TCS (Hệ thống An toàn Lái xe Bosch)

Hệ thống ABS, được minh họa trong Hình 13.1, đang được lắp trênnhiều xe là phương tiện sản xuất đại trà, nhưng hệ thống chống trượt (nghĩa làchống quay) ít phổ biến hơn Hệ thống ABS điều chỉnh lực phanh (nghĩa làđiều chỉnh áp suất), giống như một người lái xe giỏi thực hiện khi phanh trênbăng, để duy trì lực phanh gần đỉnh của đường cong μ − λ (Hình 13.2) TrongABS, chỉ có lực phanh được điều chỉnh bởi bộ điều khiển, trong khi ở TCS(tức là chống trượt), cả lực phanh và lực trượt (thông qua điều khiển động cơ)đều được điều khiển Tốc độ bánh xe và áp suất phanh được đo, tốc độ xe và

ma sát đường được ước tính, đồng thời áp suất phanh và mô-men xoắn động

cơ được điều chỉnh để duy trì tỷ lệ trượt mong muốn

Như thể hiện trong Hình 13.2a, lực ngang tác dụng lên một bánh xe có

độ trượt tối đa gần bằng không và có lực ngang “đủ” khi lực kéo ở mức tối đa,

ở khoảng 10 đến 30 phần trăm độ trượt Lực bên về 0 khi độ trượt đạt tới 100phần trăm (tức là bánh xe bị khóa hoàn toàn) Điều này giải thích hiện tượngmất kiểm soát lái hoặc mất ổn định hướng trong trường hợp bánh trước hoặcbánh sau bị khóa, tương ứng Các đường cong μ − λ này phụ thuộc rất nhiềuvào điều kiện mặtđường, như sau:

b)

Như được minh họa trên hình 13.2b ABS cố gắng duy trì lực phanh gầngiá trị cực đại Tuy nhiên, khi mặt đường thay đổi, việc xác định hệ số trượttrong mục tiêu thích hợp có thể là một nhiệm vụ đầy khó khăn Việc điềuchỉnh tỷ lệ trượt của lốp được thực hiện bằng cách điều chỉnh áp suất phanhtheo kiểu tác động tuần hoàn áp dụng–giữ–nhả nhanh Do không xác địnhđược ma sát trên đường nên không thể đảm bảo rằng ABS sẽ đạt được giá trịlực phanh cực đại chính xác Thay vào đó, nó cố gắng duy trì tỷ lệ trượt trungbình xung quanh độ trượt mục tiêu, được cho là sẽ gần với điểm có thể thuđược lực cực đại.

Khi tỷ lệ trượt mục tiêu gần với độ trượt tối ưu (nghĩa là lực tối đa), rõràng từ Hình 13.2 rằng ABS có thể tối đa hóa lực phanh theo hướng dọc(nghĩa là giảm thiểu thời gian dừng và khoảng cách) trong khi vẫn duy trì lựcngang lớn để định hướng ổn định khi đánh lái trong thao tác phanh Có nhữnglợi ích tiềm năng khác của ABS; ví dụ, Chương 4 thảo luận về sự dịch chuyểntrước-sau của lực bình thường lên lốp xe do tăng tốc hoặc giảm tốc (xem Ví

dụ 4.2) Nếu không có ABS, việc phân bổ phanh hiệu quả đòi hỏi phải cân đối

áp suất phanh giữa bánh trước và bánh sau Tuy nhiên, ABS có thể điều chỉnh

áp suất phanh từng bánh xe liên tục để duy trì mỗi bánh xe gần hệ số bám tối

ưu của nó Nguyên tắc tương tự này không chỉ áp dụng cho các biến thể tảitrọng trước-sau mà còn cho các biến thể tải trọng và độ bám dính (tức là μ)giữa bánh xe bên phải và bên trái

Một mô hình toán học cho thiết kế bộ điều khiển lực kéo dựa trên mô tảmột bánh xe về động lực quay đó và một mô hình (xem Chương 3) cho độnglực học theo chiều dọc của xe Ứng dụng định luật II Newton vào động lựchọc quay của một bánh xe mang lại:

Trong đó ω W là vận tốc quay của bánh xe, T e là mô-men xoắn của động

cơ, T b là mô-men xoắn phanh, r W là bán kính bánh xe, F X là lực kéo (hoặcphanh khi âm) và T W (ω W) là mô-men xoắn ma sát của bánh xe đó là một chứcnăng của tốc độ quay của bánh xe Trong cuộc thảo luận sau đây, chúng tôigiả sử các mô hình ma sát khô và ma sát nhớt ở bánh xe; tức là T W (ω W) = f W

F z + B W ω W Quán tính hiệu quả của bánh xe, J W, là quán tính của bánh xe,

Iw, khi phanh Trong quá trình tăng tốc, Jw = I W + r2

g I e, trong đó I e là quántính của động cơ và r g là tỷ số truyền

Bánh xe bị trượt do lốp bị biến dạng (Hình 13.3) trong quá trình tăng tốc(accelerating), được định nghĩa là:

Và trong quá trình giảm tốc (decelerating) như sau:

Trong đó ω r = u/r w và u là vận tốc dọc của xe động lực học của xe đượcđiều chỉnh bởi phương trình (4.4), được lặp lại ở đây:

Lực kéo của lốp xe được xác định bởi:

Trong đó hệ số bám dính bề mặt, μ, là một hàm của λ, như được minhhọa trong Hình 13.2, và Fz là lực pháp tuyến tại mỗi lốp xe Trong cuốn sáchnày, chúng tôi sử dụng Fz dương (+) , điều này ít gây nhầm lẫn hơn Do đó, μ

> 0 đối với tăng tốc và μ < 0 đối với giảm tốc (nghĩa là phanh) đối với quyước về dấu này Số bánh dẫn động (để tăng tốc) là Nw ;hoặc, trong trường hợpphanh, Nw là tổng số bánh xe

Viết lại các phương trình này ở dạng biến trạng thái tiêu chuẩn Xác định

x1 = ω v và x2 = ω W để viết lại phương trình chuyển động dưới dạng:

Trong đó T = (Te − Tb) và λ = (x2 − x1)/x1 khi phanh = (x2 − x1)/x2 khităng tốc Phương trình (13.6) dạng phi tuyến, chủ yếu là do mối quan hệ μ − λnhưng cũng đến các điều khoản ma sát trong các phương trình (13.1) và(13.4) Trong cuộc thảo luận sau đây, nó được giả định rằng vận tốc gió, u W =

β=tốc độ tối đa dòng khí

P a =áp suất không khí

TC= đặc tính van tiết lưu

Và mô-men xoắn động cơ được giới thiệu độ trễ không đáng kể Tuynhiên, trong cuốn sách này, chúng ta bỏ qua những động lực học của cơ cấuchấp hành này

13.2 Hệ thống chống bó cứng phanh

Đối với ABS, ωw < ωv, vì vậy λ = ω w −ω v

ω v < 0 Ví dụ 13.1 minh họa đathức phù hợp với các đường cong λ − μ, Ví dụ 13.2 giới thiệu cái gọi là Côngthức thực nghiệm cho mô hình lốp xe phi tuyến tính, Ví dụ 13.3 đưa ra môphỏng phi tuyến tính cho phanh, và ví dụ 13.4 cung cấp bộ điều khiển ABStuyến tính

VÍ DỤ 13.1: ĐỐI VỚI ĐƯỜNG CONG CỦA ĐƯỜNG CONG

được cho một tập hợp dữ liệu λ - μ được đưa ra ở phần đầu của chương trình

ví dụ Đường cong đa thức được biểu diễn dưới dạng Sau:

Trong đó các giá trị hệ số, ci,và được xác định Kết quả của sự phù hợp

đa thức này được thể hiện trong Hình 13.4, dường như hoạt động khá tốt.Khác các dạng hàm (nghĩa là không đa thức) có thể được sử dụng để biểudiễn λ – μ đường cong Ví dụ, Công thức thực nghiệm (Magic Formula ) doPacejka và đồng nghiệp đề xuất (1987, 1989) có thể được sử dụng để có được

sự phù hợp trơn tru Công thức thực nghiệm (Magic Formula) được sử dụngrộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô (xem Ví dụ 13.2)

VÍ DỤ 13.2: THỰC HIỆN MATLAB CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM (TRƯỢT DÀI HOÀN TOÀN)

Mô hình lốp dựa trên chức năng đặc biệt nổi tiếng nhất là công thức thựcnghiệm do Bakker, Nyborg và Pacejka đề xuất (1987) Chức năng đặc biệttrông giống như sau:

Ý nghĩa của các hệ số như sau:

Raw data : dữ liệu gốc

Longitudinak slip : trượt dọc

Trong cuộc thảo luận sau đây, các giá trị tham số xe được giả định là:

Vehicle Braking : Phanh xe

Forward speed :Tốc độ mong muốn

Wheel speed : Vận tốc bánh xe

Hình 13.5 Kết quả mô phỏng phanh phi tuyến

VÍ DỤ 13.3: HÀNH ĐỘNG PHANH XE PHI TUYẾN TÍNH Các hệ

số được tính toán từ dữ liệu μ − λ trong Ví dụ 13.1 được sử dụng trong ví dụnày để mô phỏng hệ thống phi tuyến được mô tả bởi phương trình (13.6) chocác giá trị tham số được liệt kê trước đó Kết quả được thể hiện trong Hình13.5 Lưu ý từ hình vẽ rằng bó cứng bánh xe xảy ra nhanh chóng (nghĩa làtrong khoảng 0,2 giây) và xe mất khoảng 1 giây để dừng lại Vì bánh xe bị bócứng nên khả năng ổn định ngang của xe có thể kém

VÍ DỤ 13.4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH CHO ABS

Bộ điều khiển được thiết kế đối với ABS dựa trên tuyến tính hóa củaphương trình (13.6) Các giá trị tham số đã cho trong các ví dụ trước được sửdụng Sơ đồ khối bộ điều khiển tuyến tính hóa là thể hiện trong hình 13.6 Bộđiều khiển là loại tích phân cộng trạng thái phản hồi, và bộ điều khiển này,khi được áp dụng cho hệ thống tuyến tính hóa, dự kiến sẽ cung cấp hiệu suấttốt Hiệu suất của hệ thống được tuyến tính hóa như trong Hình 13.7a, tuynhiên, không phải là rất tốt Điều này là do sự hiện diện của số 0 gần gốc củamặt phẳng s, dẫn đến độ vọt lố lớn trong đáp ứng Chúng ta mong đợi hiệusuất của bộ điều khiển này, khi được áp dụng cho hệ thống phi tuyến thực tế,

để thậm chí còn tồi tệ hơn do tính phi tuyến tính mạnh trong biểu thức (13.6)

Hình 13.7 Kết quả mô phỏng ABS tuyến tính.

Điều này được minh họa trong Hình 13.7b–d Do đó, bộ điều khiểntuyến tính hiển thị ở đây là không hiệu quả trong thực tế Hơn nữa, trong mộtứng dụng thực tế, đường cong μ – λ các đặc điểm không được biết, như đãđược giả định ở đây (các thông số khác cũng được không chắc chắn) Kết quảcho cả mô hình tuyến tính và phi tuyến tính được hiển thị trong Hình 13.7.Chiến lược thiết kế điều khiển tuyến tính từng phần, với quá trình khuếch đại,

có thể được mong đợi để cải thiện những kết quả này

Ví dụ trước cho thấy thiết kế bộ điều khiển tuyến tính không hiệu quảđối với điều này ứng dụng vì điểm vận hành danh nghĩa không phải là điểmcân bằng (nghĩa là x’ = 0) Một chiến lược điều khiển phi tuyến thường được

sử dụng trong thực tế (ví dụ, Tan và Chin 1991; Tan và Tomizuka 1990a,1990b) Một cách tiếp cận là xây dựng một loại thuật toán điều khiển dựa trênquy tắc hoặc tra cứu bảng Ví dụ: một quy tắc được sử dụng trong TCS có thể

là như sau:

Do đó, bộ điều khiển dựa trên quy tắc tính toán sự thay đổi ( T) trong men xoắn (T) cho cả hai các trường hợp phanh và tăng tốc Một hệ thống điềukhiển thuộc loại này hấp dẫn về mặt trực giác nhưng sự phát triển của các quytắc, điều chỉnh và hiệu chuẩn phụ thuộc vào kinh nghiệm và phép thử và lỗi sai.

mô-Ví dụ: các giá trị của λmin, λmax và αi trong thuật toán trước phải chọn(e.g., λmin =0.13, λmax = 0.17, α1 = 0.07, and α2 = 0.09) Hơn nữa, không có gì đảm bảo vềhoạt động của hệ thống ABS về tính ổn định hoặc hiệu suất

Vehicle Simulation with ABS : Mô phỏng xe có ABS Vehicle speed Wheel speed : vận tốc bánh xe Vehicle speed : Vận tốc xe

VÍ DỤ 13.5: BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰA THEO QUY TẮC CHO ABS.

Bộ điều khiển dựa trên quy tắc trước đây được triển khai trong mô phỏngABS này Tốc độ của xe và bánh xe được thể hiện trong Hình 13.8a, và trongHình 13.8b cho độ trượt theo thời gian Độ trượt trong quá trình phanh đượcduy trì ở giá trị gần 0,15 Mặc dù thời gian dừng xấp xỉ như trong Ví dụ 13.3(tức là khoảng 0,9 giây), khả năng điều khiển phương tiện sẽ được cải thiệntrong trường hợp đó (xem Hình 13.2a) Trong mô phỏng này, đường cong μ −

λ tương đối phẳng (xem Hình 13.4); do đó, chúng ta không quan sát thấy sựkhác biệt đáng kể về khoảng cách dừng

Phần trước thảo luận về thao tác điều khiển mômen phanh để điều khiểntrượt bánh xe trong quá trình giảm tốc Ở đây, thao tác kết hợp của động cơ vàlực phanh để đạt được gia tốc chống trượt và phanh chống trượt được thảoluận Để tăng tốc, chúng tôi sử dụng các mối quan hệ tương tự được đưa ratrong biểu thức (13.6) ngoại trừ điều đó

N wlà số bánh xe dẫn động, quán tính hiệu dụng của bánh là J w =l w+¿r

g I e¿

Và độ trượt của bánh xe là λ=x2−x1/x2Chú ý rằng trong quá trình tăngtốc, x2¿x1Vì vậy λ >0 Do đó, một bộ điều khiển cho trường hợp tăng tốc cóthể được phát triển theo cách tương tự như trường hợp giảm tốc Cả hai có thểđược kết hợp dựa trên các giá trị đo được của bánh xe và tốc độ xe và dấuhiệu kết quả của

VÍ DỤ 13.6 : MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KÉO DỰA TRÊN QUY TẮC Cho trường hợp tăng tốc có thể được thực hiện theo cách

tương tự như mô phỏng ABS thể hiện trong Ví dụ 13.1 đến 13.5 Các giá trị

tham số bổ sung cho trường hợp tăng tốc như sau:

Mô phỏng TCS dựa trên quy tắc có thể được thực hiện bằng MATLABtương tự chương trình như trong Ví dụ 13.5 với các thay đổi về giá trị tham sốnhư đã chỉ ra trước đó Các tham số của bộ điều khiển được đặt ở các giá trị

λmin = 0.13, λmax= 0.17, α1 = 0.14 và α2 = 0.15 Ngoài ra, phải có một giới hạn

bổ sung sao cho mô-men xoắn áp dụng không vượt quá mô-men xoắn củađộng cơ Kết quả mô phỏng được thể hiện trong Hình 13.9 Phiếu được duytrì ở một giá trị của xấp xỉ 0.15, là tâm của hai giới hạn được đặt trong bộ điềukhiển

Bài toán đo tốc độ xe, cần thiết để xác định λ, rất khó (Anonymous1988c) Thông thường, lambda được ước tính dựa trên phép đo tốc độ bánh xe

và bằng cách xem xét sự thay đổi của tốc độ bánh xe (hoặc tốc độ tăng/giảmtốc của bánh xe) Cũng lưu ý rằng các động lực truyền động bị bỏ qua; nghĩa

là, chúng ta đã giả định rằng những thay đổi theo lệnh về mô-men xoắn củaphanh hoặc động cơ xảy ra tức thời Một thiết kế bộ điều khiển hoàn chỉnhcũng phải xem xét các hiệu ứng này

Một cách tiếp cận điều khiển phi tuyến có hệ thống hơn nữa là dựa trênđiều khiển cơ cấu biến thiên hoặc điều khiển chế độ trượt Cơ sở của phươngpháp điều khiển dạng trượt hoặc điều khiển theo cấu trúc biến đổi là việc xácđịnh một logic chuyển đổi, chuyển đổi giữa hai chức năng điều khiển phituyến Logic chuyển đổi phụ thuộc vào dấu hiệu của chức năng chuyển đổi, S

và trạng thái hệ thống di chuyển (hoặc trượt) dọc theo chức năng này – do đó,