Thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống chống bó cứng phanh

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ ABS Anti-lock Braking System Hệ thống chống bó cứng phanh ASR Anti-Slip Regulation Hệ thống chống trượt quay bánh xe BA Brake Assist Hệ thống hỗ trợ phanh

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG CHỐNG

BÓ CỨNG PHANH ABS

Học viên: Nguyễn Thị Thắm Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: Khóa: 36 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt - Luận văn này trình bày thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống chống bó cứng

phanh ABS Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) là một hệ thống an toàn ô tô cho phép các bánh xe duy trì sự tiếp xúc chủ động với mặt đường, ngăn chặn các bánh xe bị khóa và tránh trượt không kiểm soát ABS giúp cải thiện khả năng kiểm soát xe và giảm khoảng cách dừng trên mặt đường khô và ướt ABS điều chỉnh áp suất phanh độc lập với lực đạp để đưa tốc độ của bánh xe về giới hạn trượt cho phép ABS giúp cải thiện khả năng kiểm soát xe và giảm khoảng cách dừng trên mặt đường khô và

ướt Bộ Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến

đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá

trị điều khiển đầu vào

Từ khóa - Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS), bộ điều khiển PID, vận tốc dừng ô tô,

khoảng cách dừng ô tô, khả năng bẻ lái ô tô

PID CONTROLLER DESIGN FOR SYSTEMS

ABS HARD BRAKE

Abstract

This thesis presents PID controller design for ABS anti-lock braking system Anti-lock braking system (ABS) is an automotive safety system that allows the wheels to maintain active contact with the road, preventing the wheels from locking and avoiding uncontrolled gliding ABS helps improve vehicle control and reduce stopping distance on wet and dry pavement ABS adjusts brake pressure independently with pedal force to bring wheel speed to the slip limit ABS helps improve vehicle control and reduce stopping distances on dry and wet roads The PID controller will calculate the

"error" value as the difference between the variable parameter measurement value and the desired set

value The controller will minimize the error by adjusting the input control value

Key word - Anti-lock braking system (ABS), PID controller, stopping speed, stopping

distance, ability to steer cars

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

TÓM TẮT ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vi

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH viii

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn 2

6 Bố cục 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH (ABS) 4

1.1 Giới thiệu chung về hệ thống ABS 4

1.1.1 Tổng quan 4

1.1.2 Chức năng 6

1.2 Cấu tạo 8

1.2.1 Tín hiệu đầu vào (cảm biến) 9

1.2.2 Bộ điều khiển điện tử trung tâm ECU 10

1.2.3 Cơ cấu chấp hành 15

1.3 Nguyễn lý hoạt động hệ thống phanh ABS 16

1.4 Điều khiển hệ thống ABS 18

1.5 Kết luận 22

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG ABS 23

2.1 Mô hình hệ thống phanh 1/4 xe 23

2.1.1 Động lực học của xe và bánh xe 23

2.1.2 Quan hệ giữa hệ số ma sát và hệ số trượt 24

2.2 Bộ điều khiển PID 26

2.2.1 Cấu trúc bộ điều khiển PID 26

2.2.2 Đặc điểm của các khâu P, I và D 28

2.3 Thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống ABS 32

2.4 Kết luận 33

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 34

3.1 Mô phỏng hệ thống ABS vòng hở (chưa có điều khiển) 34

3.1.1 Sơ đồ mô phỏng 34

3.1.2 Kết quả mô phỏng 35

3.2 Mô phỏng hệ thống ABS vòng kín (có điều khiển) 37

3.2.1 Bộ điều khiển tỷ lệ (P) 37

3.2.2 Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân (PI) 41

3.2.3 Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân - vi phân (PID) 44

3.2.4 So sánh kết quả mô phỏng hệ thống phanh ABS có điều khiển PID và không có điều khiển 48

3.5 Kết luận 50

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ

ABS Anti-lock Braking System Hệ thống chống bó cứng phanh

ASR Anti-Slip Regulation Hệ thống chống trượt quay bánh xe

BA Brake Assist Hệ thống hỗ trợ phanh

EBD Eletronic Brakeforce

Distribution Bộ phân phối lực phanh điện tử ECU Electronic Control Unit Bộ điều khiển điện tử

VSC Vehicle Stability Control Hệ thống điều khiển ổn định thân xe

PID Proportional Integral

Derivative Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ

ESP Electronic Stability

Program Chương trình kiểm soát ổn định động học

ω0 rad/s Vận tốc góc trước khi phanh

v0 m/s Vận tốc ô tô trước khi phanh

1.4 Vị trí và cấu tạo cảm biến giảm tốc 9 1.5 Hoạt động của ABS khi phanh bình thường 11 1.6 Hoạt động của ABS ở chế độ giảm áp 12 1.7 Hoạt động của ABS ở chế độ giữ áp 13 1.8 Hoạt động của ABS ở chế độ tăng áp 14 1.9 Sơ đồ hệ thống phanh ABS trên ô tô 15 1.10 Dạng xung của cảm biến tốc độ bánh xe 16 1.11 Xe có ABS và không có ABS 17 1.12 Sơ đồ nguyên lý hệ thống phanh ABS 18 1.13 Vùng hệ số trượt có lực phanh lớn 19 1.14 Cảm biến gia tốc dọc thân xe 20

2.2 Quan hệ μ(λ) theo mô hình của Pacejka 25

2.3 Cấu trúc bộ điều khiển PID 27

2.5 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (Ki và Kd là hằng số) 29

2.6 Đồ thị PV theo thời gian, tương ứng với 3 giá trị Ki (Kpvà

2.7 Đồ thị PV theo thời gian, với 3 giá trị Kd (Kp and Ki không đổi) 31 2.8 Cấu trúc của hệ thống điều khiển ABS 32 2.9 Cơ cấu chấp hành của hệ thống ABS 32 3.1 Hệ thống ABS chưa có điều khiển 34 3.2 Vận tốc bánh và vận tốc xe khi chưa điều khiển 35 3.3 Khoảng cách dừng xe khi chưa có điều khiển 35 3.4 Sự biến thiên của hệ số trượt theo thời gian 36

3.6 Điều khiển phản hồi kiểu (P) 37 3.7 Hệ thống ABS có điều khiển (P) 38

Số hiệu

3.8 Vận tốc dài và vận tốc dài quy đổi của bánh xe 38 3.9 Sự biến thiên của hệ số trượt theo thời gian (P) 39 3.10 Sự biến thiên của mo mem phanh (P) 40 3.11 Khoảng cách dừng xe khi có điều khiển (P) 40 3.12 Điều khiển phản hồi kiểu (PI) 41 3.13 Hệ thống ABS khi có điều khiển (PI) 41 3.14 Vận tốc dài và vận tốc dài quy đổi của bánh xe (PI) 42 3.15 Sự biến thiên của hệ số trượt theo thời gian (PI) 43 3.16 Sự biến thiên của mô mem phanh (PI) 43 3.17 Khoảng cách dừng xe khi có điều khiển (PI) 44 3.18 Điều khiển phản hồi kiểu (PID) 45 3.19 Hệ thống ABS điều khiển (PID) 45 3.20 Vận tốc dài và vận tốc dài quy đổi của bánh xe (PID) 46 3.21 Khoảng cách dừng xe khi có điều khiển (PID) 47 3.22 Sự biến thiên của hệ số trượt theo thời gian (PID) 47 3.23 Sự biến thiên của mo mem phanh (PID) 48 3.24 Khoảng cách dừng hệ thống phanh có điều khiển PID và không

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong xã hội ngày càng phát triển, nhu cầu sử dụng xe ô tô ngày càng nhiều Người ta dùng ô tô với nhiều mục đích khác nhau, nhất là vận chuyển hành khách, hàng hóa, giao thông công cộng, Nhu cầu cao dẫn đến mật độ ô tô lưu thông trên đường ngày càng nhiều nên tai nạn giao thông ngày càng cao Do đó, để đảm bảo tính

an toàn vấn đề tai nạn giao thông là một trong những hướng giải quyết cần thiết nhất, luôn được quan tâm của các nhà thiết kế và chế tạo ôtô Hệ thống phanh là một trong những hệ thống quan trọng nhất trên xe, cùng với hệ thống lái, hệ thống phanh góp phần giữ an toàn cho người ngồi trên xe khi giảm tốc độ và dừng xe, đặc biệt là trong những tình huống nguy hiểm

Vì thế, hệ thống phanh được đặc biệt chú ý trong quá trình tính toán thiết kế xe

ô tô Phanh sử dụng ABS là một trong hai công nghệ bổ sung cho hệ thống phanh hữu dụng nhất của ngành công nghiệp ôtô thời gian gần đây

Hệ thống phanh chống bó cứng (ABS), viết tắt của Anti-lock Braking System,

là một hệ thống giúp cho bánh xe của phương tiện luôn bám đường và quay trong quá trình phanh, hạn chế tối đa hiện tượng trượt lết trên mặt đường của bánh xe phanh nhờ nguyên lý nhấp nhả phanh liên tục Khi phanh gấp xe ở tốc độ cao, khi xe quay vòng hoặc phanh khi xe đi trên đường trơn sẽ xảy ra hiện tượng trượt lết của bánh xe trên mặt đường do bánh xe bị bó cứng làm cho quãng đường phanh dài hơn và kèm theo đó

là sự mất ổn định, người lái không thể điều khiển hướng của xe, thậm chí văng xe, đổ

xe, lật xe Điều này là rất nguy hiểm Tuy nhiên, hệ thống phanh chống bó cứng khắc phục được điều trên

Một nghiên cứu tại Úc vào năm 2003 của Trung tâm nghiên cứu tai nạn thuộc Đại học Monash chỉ ra rằng ABS giúp giảm nguy cơ tai nạn 18% trên đường tốt và giảm đến 35% trên đường gồ ghề Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng chỉ ra rằng khi phanh trên đường cát, sỏi, đường nhiều tuyết với ABS thì quãng đường phanh không phải rút ngắn mà còn tăng thêm khoảng 22% Điều này cũng không phải là có hại vì trên các loại đường này bánh xe phanh nhanh chóng bị bó cứng hơn mà ABS thì ngăn chặn điều đó để ưu tiên quyền kiểm soát xe

Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc và hỗ trợ rất lớn của kỹ thuật điện tử, của ngành điều khiển tự động và các phần mềm tính toán, lập trình cực mạnh đã cho phép nghiên cứu và đưa vào ứng dụng các phương pháp điều khiển mới trong ABS như điều khiển mờ, điều khiển thông minh, tối ưu hóa quá trình điều khiển ABS

Vì những lý do trên nên đề tài “Thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống chống

bó cứng phanh” thực sự cần thiết

2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích của luận văn là nghiên cứu cơ sở lý thuyết, đề xuất phương pháp và xây dựng chương trình dự báo phù hợp bộ điều khiển PID cho hệ thống chống bó phanh cứng trên xe ô tô

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống chống bó cứng phanh trên xe ô tô

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phanh và chống bó cứng cho các bánh xe ô tô

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết:

- Nghiên cứu các tài liệu về bộ điều khiển PID

- Phân tích bản chất vật lý của các hiện tượng xảy ra trong quá trình phanh từ

đó đánh giá tính hiệu quả và phạm vi ứng dụng của hệ thống phanh ABS giúp người đọc nắm được bản chất cơ bản của hệ thống phanh ABS

- Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng mô hình hoạt động của cơ cấu phanh ABS của ¼ xe

Nghiên cứu thực nghiệm:

- Tất cả các công việc của đề tài được mô phỏng và kiểm chứng bằng phần mềm Matlab/simulink

5 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn

Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển hệ thống ABS làm việc tối ưu, nhằm ngăn

chặn lốp xe bị khóa trong quá trình phanh khẩn cấp, điều kiện đường trơn trượt hoặc trong lúc hoản loạn của tài xế Bộ điều khiển PID cho hệ thống chống bó phanh cứng trên xe ô tô có thể làm giảm độ trượt khi phanh cũng như khoảng cách và thời gian phanh, cải thiện hiệu quả phanh trên bề mặt phức tạp

6 Bố cục

- Lý do chọn đề tài

- Mục đích nghiên cứu

- Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu

- Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn

Ngoài phần mở đầu và kết thúc, nội dung chính của luận văn được trình bày trong 3 chương với nội dung như sau:

Chương 1 trình bày tổng quan hệ thống phanh ABS, về cấu tạo như cảm biến,

bộ điều khiển điện tử trung tâm, hệ thống thuỷ lực nguyên lý hoạt động cũng như các phương pháp điều khiển ABS

Trong chương 2, tác giả đề cập đến việc xây dựng mô hình toán học của hệ thống phanh chống bó cứng Chương này mô tả động lực học, hệ thống phanh thuỷ lực của ¼ xe Phân tích quá trình điều khiển dựa trên phương pháp điều khiển chế độ trượt theo mô hình của Pacejka và các giả định cơ bản được thực hiện

Chương 3 mô phỏng và đánh giá kết quả được thực hiện trong MATLAB- Simulink về độ trượt, vận tốc bánh và khoảng cách dừng xe Từ đó dẫn ra ưu điểm bộ điều khiển PID cho hệ thống chống bó cứng phanh ABS như là khoảng cách dừng xe ngắn hơn so với hệ thống phanh không sử dụng bộ điều khiển

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH (ABS)

1.1 Giới thiệu chung về hệ thống ABS

1.1.1 Tổng quan

Hệ thống chống bó cứng phanh - Antilock Brake System (ABS) được sử dụng lần đầu tiên trên các máy bay thương mại vào năm 1949, chống hiện tượng trượt ra khỏi đường băng khi máy bay hạ cánh Tuy nhiên, kết cấu của ABS lúc đó còn cồng kềnh, hoạt động không tin cậy và không tác động đủ nhanh trong mọi tình huống Trong quá trình phát triển, ABS đã được cải tiến từ loại cơ khí sang loại điện và hiện nay là loại điện tử ABS là một hệ thống tự động sử dụng các nguyên tắc phanh ngưỡng và phanh nhịp, các kỹ thuật đã từng được thực hiện bởi các trình điều khiển trước khi ABS được phổ biến rộng rãi

Hệ thống phanh ABS trên các xe ô tô rất phức tạp và được điều khiển điện

tử có lập trình Kể từ những giữa năm 80, các nhà sản xuất đã đưa ra rất nhiều loại hệ thống phanh chống bó cứng bánh xe Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã tiến hành nhằm đưa ra các phương pháp điều khiển cũng như cải tiến hệ thống phanh ABS Vào thời kỳ đầu, các nghiên cứu nhằm hoàn thiện kết cấu hệ thống ABS

Để tránh hiện tượng các bánh xe bị hãm cứng trong quá trình phanh khi lái xe trên đường trơn, người lái xe đạp phanh bằng cách nhịp liên tục lên bàn đạp phanh để duy trì lực bám, ngăn không cho bánh xe bị trượt lết và đồng thời có thể điều khiển được hướng chuyển động của xe Về cơ bản, chức năng của hệ thống phanh ABS cũng giống như vậy nhưng hiệu quả, độ chính xác và an toàn cao hơn

Vào thập niên 1960, nhờ kỹ thuật điện tử phát triển, các vi mạch điện tử (microchip) ra đời, giúp hệ thống ABS lần đầu tiên được lắp trên ôtô vào năm 1969 Sau đó, hệ thống ABS đã được nhiều công ty sản xuất ôtô nghiên cứu và đưa vào ứng dụng từ những năm 1970s Công ty Toyota sử dụng lần đầu tiên cho các xe tại Nhật từ năm 1971, đây là hệ thống ABS 1 kênh điều khiển đồng thời hai bánh sau Nhưng phải đến thập niên 1980s hệ thống này mới được phát triển mạnh nhờ hệ thống điều khiển

kỹ thuật số, vi xử lý (digital microprocessors/microcontrollers) thay cho các hệ thống điều khiển tương tự (analog) đơn giản trước đó

Lúc đầu hệ thống ABS chỉ được lắp trên các xe du lịch cao cấp, đắt tiền, được trang bị theo yêu cầu và theo thị trường Dần dần hệ thống này được đưa vào sử dụng rộng rãi hơn, đến nay ABS gần như đã trở thành tiêu chuẩn bắt buộc cho tất cả các loại

xe tải, một số xe du lịch và cho phần lớn các loại xe hoạt động ở những vùng có đường băng, tuyết dễ trơn trượt Hệ thống ABS không chỉ được thiết kế trên các hệ thống

phanh thủy lực, mà còn ứng dụng rộng rãi trên các hệ thống phanh khí nén của các xe tải và xe khách lớn

Nhằm nâng cao tính ổn định và tính an toàn của xe trong mọi chế độ hoạt động như khi xe khởi hành hay tăng tốc đột ngột, khi đi vào đường vòng với tốc độ cao, khi phanh trong những trường hợp khẩn cấp,… hệ thống ABS còn được thiết kế kết hợp với nhiều hệ thống khác như Hình 1.1

Hình 1.1 Quá trình phát triển hệ thống phanh ABS

Hệ thống ABS kết hợp với hệ thống kiểm soát lực kéo TRC-Traction control (hay ASR) làm giảm bớt công suất động cơ và phanh các bánh xe để chống hiện tượng các bánh xe bị trượt lăn tại chỗ khi xe khởi hành hay tăng tốc đột ngột, bỡi điều này làm tổn hao vô ích một phần công suất của động cơ và mất tính ổn định chuyển động của ôtô

Hệ thống ABS kết hợp với hệ thống phân phối lực phanh bằng điện tử EBD (Electronic Brake force Distribution) nhằm phân phối áp suất dầu phanh đến các bánh

xe phù hợp với các chế độ tải trọng và chế độ chạy của xe

Hệ thống ABS kết hợp với hệ thống hỗ trợ phanh khẩn cấp BAS (Brake Assist System) làm tăng thêm lực phanh ở các bánh xe để có quãng đường phanh là ngắn nhất trong trường hợp phanh khẩn cấp Hệ thống ABS kết hợp với hệ thống ổn định ôtô bằng điện tử (ESP), không chỉ có tác dụng trong khi dừng xe, mà còn can thiệp vào cả quá trình tăng tốc và chuyển động quay vòng của ôtô, giúp nâng cao hiệu suất chuyển động của ôtô trong mọi trường hợp

ESP: Electronic Stability Program – Chương trình kiểm soát ổn định động học của ôtô Chương trình là một phần của hệ thống VSC, được dùng để kiểm soát khả năng ổn định hướng của ôtô khi phanh, khi đi trên đường vòng hay chuyển động thẳng gặp ngoại lực ngẫu nhiên tác động

SBC: Sensoelectric Braking Control – Hệ thống phanh thủy lực điện tử, được

bố trí theo sự mở rộng kiểm soát nhờ các cảm biến và chương trình điều khiển thích hợp của ôtô con

EHB: Electrohydraulic brake – Hệ thống phanh thủy lực điện tử là một phân khúc của hệ thống phanh điện tử có sự hỗ trợ của hệ thống thủy lực

BBW: Brake – By – Wirre – Hệ thống phanh điện là một phân khúc của hệ thống phanh điện tử không có sự hỗ trợ của hệ thống thủy lực

Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc và hỗ trợ rất lớn của kỹ thuật điện tử, của ngành điều khiển tự động và các phần mềm tính toán, lập trình cực mạnh đã cho phép nghiên cứu và đưa vào ứng dụng các phương pháp điều khiển mới trong ABS như điều khiển mờ, điều khiển thông minh, tối ưu hóa quá trình điều khiển ABS

1.1.2 Chức năng

Hệ thống chống bó cứng phanh Antilock Brake System (ABS) là hệ thống chống trượt an toàn được sử dụng trên các phương tiện trong đường bộ, như ô tô, xe máy, xe tải và xe buýt ABS hoạt động bằng cách ngăn chặn các bánh xe bị khóa trong khi phanh, do đó duy trì khả năng tiếp xúc chủ động với mặt đường

ABS là một hệ thống tự động sử dụng các nguyên tắc phanh ngưỡng và phanh nhịp, các kỹ thuật đã từng được thực hiện bởi những người lái xe khéo léo trước khi ABS được phổ biến rộng rãi ABS hoạt động với tốc độ nhanh hơn nhiều và hiệu quả hơn hầu hết các quá trình điều khiển có thể quản lý Mặc dù ABS thường cung cấp khả năng kiểm soát xe được cải thiện và giảm khoảng cách dừng trên bề mặt khô và một số

bề mặt trơn trượt, trên bề mặt sỏi lỏng hoặc tuyết phủ, ABS có thể tăng đáng kể khoảng cách dừng xe, trong khi vẫn cải thiện khả năng kiểm soát được hướng lái

Các phiên bản hiện đại có thể không chỉ ngăn chặn khóa bánh xe khi phanh, mà còn có thể thay đổi độ lệch phanh trước và sau Do đó nâng cao tính ổn định, khi bánh

xe bị khóa sẽ làm giảm lực phanh nhỏ hơn giá trị cho phép, đồng thời không có khả năng để duy trì các lực tác động theo phương ngang do đó dẫn đến mất ổn định Việc kiểm soát được lực ma sát cho phép kiểm soát được các lực tác động theo phương ngang, do đó kiểm soát bẻ lái được cải thiện và có thể tránh vật cản một cách chủ động

Trong quá trình phanh, do tác dụng lực quán tính của ô tô làm cho tải trọng tác dụng lên các bánh xe cầu trước và sau thay đổi liên tục Tải trọng tác dụng lên cầu trước tăng lên, tải trọng tác dụng lên cầu sau giảm đi theo quan hệ tỷ lệ với sự tăng của giảm tốc phanh Để đạt hiệu quả phanh cao nhất, yêu cầu lực phanh phát huy ở vùng tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường phải đạt được trị số bằng lực bám Trị số của lực bám giữa bánh xe với mặt đường phụ thuộc vào tải trọng tác dụng lên bánh xe và hệ số

bám của bánh xe với mặt đường Hệ thống phanh giữ vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn chuyển động của xe

Vì vậy, muốn tận dụng khả năng bám mặt đường trong quá trình phanh, lực phanh các bánh xe ở cầu trước và cầu sau cần phải được điều khiển liên tục theo trọng lượng bám của các bánh xe tương ứng

Các kết quả nghiên cứu về động lực học của bánh xe ô tô chuyển động trên nền đường cứng cho thấy: ở chế độ chủ động, dưới tác dụng của mô men xoắn, lốp xe bị biến dạng làm xuất hiện hiện tượng trượt cục bộ tại vùng tiếp xúc của bánh xe với mặt đường Kết quả là khi phanh, bánh xe bị phanh sẽ vừa lăn vừa trượt Sự trượt tăng tỷ lệ với mô men phanh phát huy ở bánh xe

Biện pháp kết cấu nhằm điều khiển lực phanh các bánh xe cầu trước và cầu sau trong quá trình phanh trên các ô tô trước đây là sử dụng bộ tự động điều chỉnh lực phanh ở các bánh xe cầu sau theo các thông số tải trọng và áp suất Hệ thống phanh được lắp bộ điều chỉnh này có khả năng hạn chế khả năng trượt lết của các bánh xe cầu sau khi phanh, tuy nhiên, tính năng này chỉ phát huy trong điều kiện chuyển động của xe trên một số loại đường nhất định Trường hợp xe chuyển động trên các loại đường có hệ số bám thấp hiện tượng trượt lết của xe vẫn có thể xảy ra, đặc biệt khi phanh xe ở tốc độ cao

Trên các xe ô tô hiện đại, người ta sử dụng hệ thống phanh ABS, đây là hệ thống phanh điều khiển ch o phép tự động điều khiển áp suất trong dẫn động phanh ra các bánh xe, sao cho duy trì được độ trượt của bánh xe trong quá trình phanh nằm trong vùng độ trượt tối ưu Nhờ tính năng điều khiển này, trong quá trình phanh, xe vừa có hiệu quả phanh cao vừa ổn định hướng và có tính năng điều khiển tốt Xe có trang bị ABS tính năng điều khiển của xe tốt hơn so với xe không có trang bị ABS Với hệ thống phanh ABS, áp suất trong dẫn động phanh được tự động điều chỉnh điều nhằm đạt được momen phanh tối ưu trên các bánh

xe, nhờ đó ngay cả với người lái xe ít kinh nghiệm thao tác phanh cũng trở nên đơn giản hơn, tránh được hiện tượng trượt lết của xe khi phanh như Hình 1.2

Hình 1.2 Quỹ đạo xe khi phanh có ABS và không có ABS

1.2.1 Tín hiệu đầu vào (cảm biến)

Khối này làm nhiệm vụ chuyển giao các thông tin về trạng thái làm việc của hệ thống dưới dạng các tín hiệu điện, cụ thể là dạng xung, on-off, Trong đó, bộ phận quan trọng nhất chính là các cảm biến tốc độ bánh xe Nó sẽ giúp hộp điều khiển biết được tình trạng hoạt động của bánh xe đang ở tốc độ bao nhiêu (km/h), có đang bị bó cứng hay không (khi bó cứng tốc độ bằng 0) Tín hiệu từ công tắc chân phanh sẽ cho biết trạng thái hoạt động của bàn đạp phanh, khi xe đang thực hiện phanh thì đèn sẽ

phát sáng ở phía sau xe để các phương tiện di chuyển xung quanh nhận biết

Việc sử dụng cảm biến giảm tốc cho phép ECU đo trực tiếp sự giảm tốc của bánh xe trong quá trình phanh Vì vậy, nó biết rõ hơn trạng thái của mặt đường Kết quả là mức độ chính xác khi phanh được cải thiện để tránh cho các bánh xe không bị

bó cứng

Cảm biến giảm tốc bao gồm hai cặp đèn LED và phototransistor, một đĩa xẻ rãnh và một mạch biến đổi tín hiệu Cảm biến giảm tốc nhận biết mức độ giảm tốc độ bánh xe và gửi các tín hiệu về ECU ECU dùng những tín hiệu này để xác định chính xác tình trạng mặt đường và thực hiện các biện pháp điều khiển thích hợp như Hình 1.4

Hình 1.4 Vị trí và cấu tạo cảm biến giảm tốc

Khi mức độ giảm tốc của xe thay đổi, đĩa xẻ rãnh lắc theo chiều dọc của xe tương ứng với mức độ giảm tốc độ Các rãnh trên đĩa cắt ánh sáng từ đèn LED đến phototransistor và làm phototransistor đóng, mở Người ta sử dụng 2 cặp đèn LED và phototransistor để tạo ra 4 trạng thái giảm tốc như trình bày ở bảng 1.1

Cảm biến giảm tốc Đĩa cảm biến

PhotoTransistor 1

ON

Bảng 1.1 Các trạng thái giảm tốc của cảm biến giảm tốc

Phototransistor số 1 ON OFF OFF ON

Phototransistor số 1 ON ON OFF OFF

Trạng thái giảm tốc Rất thấp Thấp Trung bình Cao

1.2.2 Bộ điều khiển điện tử trung tâm ECU

Bộ vi xử lý, hay còn gọi là ECU thực hiện công việc tiếp nhận các thông tin từ cảm biến tốc độ bánh xe trong khối “các tín hiệu đầu vào”, sau đó sẽ phân tích và cho biết bánh xe đang quay với tốc độ bao nhiêu, có bị bó cứng hay không Tiếp đến, ECU

sẽ truyền lệnh xử lý đến đầu ra

Khi xe đang di chuyển mà ta thắng lại, ban đầu các bánh xe sẽ trong trạng thái

bó cứng Để biết được điều này, cảm biến tốc độ bánh xe sẽ truyền thông tin trạng thái của xe ô tô đến bộ vi xử lý, ECU sẽ phân tích và kết luận xe bị bó cứng phanh, cuối cùng nó sẽ kích hoạt mở van điện từ xả áp suất dầu phanh của xy lanh bánh xe về hệ thống bơm, và bánh xe thực hiện việc quay bình thường

Chưa hết, khi bánh xe đã quay trở lại thì bộ điều khiển điện tử tiếp tục kích hoạt

mô tơ bơm hoạt động, đồng thời mở van điện từ cung cấp dầu có áp suất vào hệ thống phanh để phanh bánh xe trở lại Quá trình phanh - nhả - phanh - nhả diễn ra liên tục với tốc độ rất nhanh tạo nên sự trơn tru, giúp cho bánh xe vừa thực hiện chức năng phanh vẫn có thể quay mà không bị bó cứng, trong khi bánh xe trước vẫn thực hiện chức năng dẫn hướng cho xe ô tô một cách bình thường Ngoài ra, ECU còn có chức năng kiểm tra ban đầu, chức năng dự phòng và chức năng chẩn đoán như Hình 1.5

Chức năng kiểm tra ban đầu: ECU kích hoạt van điện và môtơ bơm theo thứ tự

để kiểm tra hệ thống điện của ABS Nó chỉ hoạt động một lần sau mỗi lần bật khóa điện Chức năng này hoạt động khi tốc độ xe lớn hơn 6 km/h với đèn phanh tắt

Điều khiển chống bó cứng: ECU liên tục nhận được các tín hiệu tốc độ bánh xe

từ bốn cảm biến tốc độ xe bằng cách tính toán tốc độ và sự giảm tốc của mỗi bánh xe Khi đạp phanh, áp suất dầu tại mỗi xylanh bánh xe bắt đầu tăng và tốc độ mỗi bánh xe bắt đầu giảm Nếu có bất kì bánh xe nào sắp bị bó cứng, ECU giảm, giữ và tăng áp suất dầu trong xy lanh bánh xe đó

Chi tiết Vận hành

Van 3 vị trí Mở cửa A

Đóng cửa B Bơm Không quay

Hình 1.5 Hoạt động của ABS khi phanh bình thường

Chi tiết Vận hành

Van 3 vị trí Đóng cửa A

Đóng cửa B Bơm Quay

Hình 1.7 Hoạt động của ABS ở chế độ giữ áp

Chi tiết Vận hành

Van 3 vị trí Mở cửa A

Đóng cửa B Bơm Quay

Hình 1.8 Hoạt động của ABS ở chế độ tăng áp

Điều khiển van điện từ: ECU ABS điều khiển bật rơle van điện từ khi các điều

kiện sau được thoã mãn: Khóa điện bật, chức năng kiểm tra ban đầu đã hoàn thành nhưng không tìm thấy hư hỏng trong quá trình chẩn đoán và tắt rơle van điện nếu một trong các điều kiện trên không được thỏa mãn

Điều khiển rơle bơm: ECU ABS điều khiển bật rơle bơm dầu khi các điều kiện sau được thoã mãn: ABS đang hoạt động hay chức năng kiểm tra ban đầu đang thực hiện Rơle van điện bật và tắt rơle môtơ nếu một trong các điều kiện trên không được thỏa mãn

Chức năng chẩn đoán:

Nếu hư hỏng xảy ra trong bất cứ hệ thống tín hiệu nào, đèn báo ABS trên bảng đồng

hồ sẽ bật sáng để báo cho lái xe biết hư hỏng đã xảy ra, ABS ECU cũng sẽ lưu mã chẩn đoán của bất kỳ hư hỏng nào vào bộ nhớ

Chức năng dự phòng:

Nếu xảy ra hư hỏng trong hệ thống truyền tín hiệu đến ECU, dòng điện từ ECU đến bộ chấp hành bị ngắt Kết quả là, hệ thống phanh hoạt động giống như khi có ABS, do đó đảm bảo được các chức năng phanh bình thường

1.2.3 Cơ cấu chấp hành

Khối các thiết bị đầu ra đóng vai trò quyết định thực thi các nhiệm vụ theo chức năng, dựa vào tín hiệu điều khiển từ ECU Bao gồm có các van điện từ, mô tơ bơm dầu phanh, tín hiệu dùng để chẩn đoán lỗi hệ thống và cuối cùng là đèn cảnh báo lỗi hệ thống phanh Trong đó, mô tơ bơm dầu phanh làm nhiệm vụ tạo ra dòng dầu phanh có

áp suất để bơm vào hệ thống khi các van điện từ mở, để phanh bánh xe lại Còn các van điện từ giúp đóng mở các cửa dầu phanh khi hệ thống ABS hoạt động Sơ đồ bố trí các bộ phận được trình bày ở Hình 1.9

Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống phanh ABS trên ô tô

Hình 1.10 Dạng xung của cảm biến tốc độ bánh xe

1.3 Nguyễn lý hoạt động hệ thống phanh ABS

ABS hoạt động dựa vào các cảm biến tốc độ trên từng bánh xe, gửi thông tin về cho ECU và từ đó ECU sẽ biết được vận tốc quay trên từng bánh xe và phát hiện được bánh xe nào có hiện tượng bị “bó cứng” khi người lái đạp phanh đột ngột Do đó, hiện tượng bánh xe bị trượt khỏi mặt đường

Nếu xe không được trang bị ABS thì khi bánh xe rơi vào tình trạng bị trượt, tức

độ bám đường giảm xuống thấp hơn mức cho phép của bánh xe, sẽ dẫn tới lực truyền cho bánh xe từ động cơ không giúp cho xe tiến lên mà ngược lại gây ra sự mất kiểm soát Lúc này, khi bánh xe rơi vào tình trạng bị trượt, tức độ bám đường giảm xuống thấp hơn mức cho phép của bánh xe, sẽ dẫn tới lực truyền cho bánh xe từ động cơ không giúp cho xe tiến lên mà ngược lại gây ra sự mất kiểm soát như Hình 1.11

Tốc độ thấp Tốc độ cao

Hình 1.11 Xe có ABS và không có ABS

Khi xảy ra việc phanh đột ngột của tài xe, lúc này hệ thống phanh ABS sẽ thực hiện động tác ấn - nhả thanh kẹp trên phanh đĩa khoảng 15 lần mỗi giây, thay vì tác động một lực cực mạnh trong 1 khoảng thời gian khiến bánh có thể bị bó cứng như trên các xe không có ABS như Hình 1.12

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý hệ thống phanh ABS

Khi xe có ABS, bộ xử lý của hệ thống sẽ dựa vào các thông số mà các cảm biến vận tốc và cả thao tác của người lái để đưa ra những áp lực phanh tối ưu nhất cho từng bánh xe, qua đó đảm bảo tính ổn định của xe và vẫn cho phép người lái kiểm soát được hướng đi của xe

Nếu ECU nhận thấy có một hay nhiều bánh có tốc độ chậm hơn mức quy định

so với các bánh còn lại Lúc này, thông qua bơm và van thủy lực, ABS tự động giảm

áp suất tác động lên đĩa (đây là quá trình nhả phanh), giúp bánh xe không bị bó cứng Tương tự, nếu một trong các bánh quay quá nhanh, bộ xử lý của hệ thống cũng tự

động tác động lực trở lại, đảm bảo quá trình hãm

1.4 Điều khiển hệ thống ABS

Trong quá trình điều khiển phanh, chính là điều khiển lực phanh sinh ra tại các bánh xe Tuy nhiên lực phanh tại các bánh xe là giá trị rất khó xác định được

Vì vậy, để điều khiển lực phanh, người ta nghĩ tới việc điều khiển hệ số trượt giữa lốp xe và mặt đường như Hình 1.13 Khi duy trì hệ số trượt nằm trong vùng nhất định thì giá trị lực phanh sẽ lớn nhất và giá trị lực ngang vẫn còn khá cao

đảm bảo hiệu quả phanh cao cũng như ổn định hướng khi phanh

Hình 1.13 Vùng hệ số trượt có lực phanh lớn

Đối với mỗi loại đường khác nhau thì có một giá trị độ trượt tương ứng với lực phanh lớn nhất, và để ô tô có thể hoạt động tốt ở nhiều loại đường khác nhau, với phương pháp điều khiển này độ trượt được điều khiển nằm trong một vùng nhất định xung quanh giá trị độ trượt tối ưu

Phương pháp điều khiển theo độ trượt này có nhược điểm là hệ số trượt cũng giống như lực phanh là một giá trị khó xác định Trong số các thông số để xác định hệ số trượt gồm có: gia tốc góc bánh xe là thông số có thể đo được nhờ sử dụng cảm biến tốc độ đặt tại bánh xe như trên Hình 1.14, còn vận tốc tức thời của

xe là một thông số khó xác định chính xác

Ngoài ra phương pháp khác được sử dụng để điều khiển các chế độ làm việc của ABS là điều khiển theo thông số gia tốc góc bánh xe Theo phương pháp này điều khiển này, chọn trước vùng ngưỡng giá trị gia tốc góc bánh xe, giá trị ngưỡng trên của gia tốc tương ứng với trạng thái bánh xe sắp bị bó cứng, giá trị ngưỡng dưới tương ứng với vùng trị số độ trượt nhỏ

Để tăng tính chính xác trong quá trình điều khiển, phương pháp điều khiển theo gia tốc góc bánh xe yêu cầu lắp bổ sung thêm cảm biến đo gia tốc dọc thân

xe

Phương pháp điều khiển theo vùng các giá trị ngưỡng của gia tốc góc bánh

xe có ưu điểm chính là khả năng thu thập tín hiệu đầu vào từ các cảm biến tốc độ bánh xe Tuy nhiên, các trị số ngưỡng trên và dưới của gia tốc để định ra tác động điều khiển là luôn thay đổi phụ thuộc vào vận tốc chuyển động của xe trong quá trình phanh như Hình 1.3

Hình 1.14 Cảm biến gia tốc dọc thân xe

Trong các cơ cấu chấp hành của hệ thống phanh, do có các phần tử cơ khí (con trượt, van bi, lò xo) nên ảnh hưởng trễ đến kết quả điều khiển Tín hiệu cảm biến tới ECU và tín hiệu từ ECU tới cơ cấu chấp hành rất nhanh và có thể coi như không có trễ Do hệ thống có quán tính, nên để từ tín hiệu điều khiển tới cơ cấu chấp hành, cơ cấu chấp hành điều khiển đóng/mở các van điều khiển áp suất tới lúc

áp suất trong hệ thống có thay đổi cần một khoảng thời gian nhất định Tần số điều khiển phải phù hợp với khả năng đáp ứng của hệ thống, nếu tần số điều khiển lớn quá, các kết cấu cơ khí, thủy lực, khí nén không đáp ứng kịp sẽ dẫn tới hiện tượng

hệ thống làm việc kém hiệu quả,

Ngày nay nhờ các thành tựu khoa học công nghệ nên quán tính trong các hệ thống điều khiển nhỏ đi kết hợp với các phương pháp điều khiển mới giúp giảm ảnh hưởng của quán tính dẫn tới hoạt động của hệ thống phanh, nhờ đó mà quá trình phanh hiệu quả và chính xác hơn

Chất lượng làm việc của một hệ thống phanh điều khiển điện tử nói chung hay hệ thống phanh ABS nói riêng, một trong những tiêu chí quan trọng nhất chính

là tần số tác động của cả hệ thống Nhân tố chính ảnh hưởng tới tần số này là độ trễ của hệ thống Các hệ thống phanh điều khiển điện tử cũ thường có độ trễ lớn

do đó tần số điều khiển thường rất thấp và sinh ra các xung áp suất phản hồi rất rõ

ở bàn đạp phanh

Hiện nay, khi kết cấu hệ thống ABS đã khá hoàn thiện, thì các nghiên cứu tập trung vào xây dựng các thuật toán điều khiển tối ưu, nhằm hạn chế dần nhược điểm của hệ thống ABS

Nghiên cứu “Cosimulation of Parameter based vehicle dynamics and an ABS control system” của Rengaraj, Chandrasekaran , Adgar, Adam, Cox, Chris S và Crolla, David A đã nghiên cứu sử dụng kết hợp xây dựng mô hình trên Matlab/Simulink và mô phỏng trên môi trường SimCar và thử nghiệm mô phỏng và đánh giá mô hình Nghiên cứu dựa trên cơ sở 2 phần mềm trên xây dựng mô hình

toàn xe kết hợp với xây dựng mô hình của hệ thống ABS Các thông số đầu vào được đưa vào từ môi trường Matlab/Simulink, phần mềm Carsim sẽ mô phỏng đánh giá và gửi kết quả trở lại Matlab Tuy nhiên nghiên cứu này vẫn chưa đưa ra một phương án cụ thể trong điều khiển ABS

Nghiên cứu “Sliding Mode Measurement Feedback Control for Antilock Braking Systems” của Cem Ünsal và Pushkin Kachroo công bố năm 1999 đã mô tả một hệ thống điều khiển dựa trên hệ phi tuyến nhằm điều khiển chuyển động của xe theo phương dọc Nghiên cứu đưa ra thuật toán điều khiển dựa trên mô hình điều khiển trượt, một mô hình điều khiển mới hiện nay có khả năng ứng dụng phù hợp cho các điều khiển trên ô tô Nghiên cứu cho rằng, trong quá trình phanh có nhiều nhân tố phi tuyến gây nhiễu cho quá trình điều khiển, do đó, bằng việc sử dụng bộ lọc Kalman để loại bỏ các thành phần nhiễu do môi trường tác động, kết hợp với việc sử dụng bộ điều khiển kiểu trượt để điều khiển động lực học dọc của xe Hạn chế của đề tài là sử dụng bộ điều khiển trượt điều khiển độ trượt của xe và

do đó mức độ nghiên cứu của đề tài vẫn chỉ dừng ở mức nghiên cứu lý thuyết

Nghiên cứu “Using the sliding-mode PWM method in an anti-lock braking system” của Ming-Chin Wu và Ming-Chang Shih công bố năm 2001 nghiên cứu kết hợp điều khiển độ rộng xung PWM và điều khiển trượt để tạo nên bộ điều khiển gần như liên tục cho hệ thống phanh ABS Để kiểm chứng cho phương pháp nghiên cứu này, nghiên cứu đã đưa ra hai phương pháp điều khiển: một phương pháp điều khiển liên tục trực tiếp tới hệ thống ABS và một phương pháp điều khiển theo độ rộng xung Các nghiên cứu đã được thử nghiệm trên băng thử với trạng thái đường khô và ướt để đánh giá kết quả Thực nghiệm cho thấy phương pháp điều khiển theo độ rộng xung cho kết quả khá tốt mà không yêu cầu có phản hồi về độ trượt

Nghiên cứu “Robust Fuzzy Sliding Mode Control for Antilock Braking System “ của M Oudghiri, M Chadli, A El Hajjaji công bố năm 2007 đã đề xuất phát triển phương pháp điều khiển theo kiểu trượt và logic mờ để điều chỉnh lực phanh Nghiên cứu này cũng sử dụng mô hình điều khiển trượt để nghiên cứu quá trình phanh ô tô Tuy nhiên, nghiên cứu có đưa vào sử dụng phương pháp logic

mờ để tổ hợp bộ điều khiển Phương pháp logic mờ trong nghiên cứu này được sử dụng để đánh giá các thông số đầu vào chưa biết của bộ điều khiển ABS Nghiên cứu này mới dừng lại ở nghiên cứu lý thuyết điều khiển độ trượt và mô phỏng trên máy tính

Việt Nam đã có một số nghiên cứu tiếp cận với hệ thống phanh ABS Những nghiên cứu ban đầu đa số là nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng hệ thống ABS bằng

các phần mềm mô phỏng Những nghiên cứu này chủ yếu quan tâm tới hiệu quả của ABS trong quá trình phanh, ảnh hưởng tới động lực học của xe

Các nghiên cứu trước đây chưa chú trọng tới phương pháp điều khiển hệ thống, đặc biệt là phương pháp điều khiển tiếp cận với thực tế mà chỉ dừng lại ở mức xây dựng mô hình Đã một số đề tài tiến hành nghiên cứu xây dựng thử nghiệm bộ điều khiển ABS, đề tài đã có những đánh giá liên quan tới bộ điều khiển này tuy nhiên chưa đưa ra được thuật toán điều khiển cụ thể

Nghiên cứu “Động lực học của quá trình phanh ô tô có trang bị bộ chống hãm cứng bánh xe (ABS)” của tác giả Nguyễn Mạnh Cường công bố năm 1996

đã bước đầu nghiên cứu các nguyên lý chung của hệ thống ABS Trong nghiên cứu, tác giả có đề cập tới ảnh hưởng của tương tác lốp - mặt đường, và mô hình tính toán phanh Nghiên cứu này cũng đề cập tới một phương pháp điều khiển ABS là điều khiển theo giá trị độ trượt tối ưu và các phương án điều khiển xoay quanh phương pháp này Tuy nhiên phương pháp điều khiển này có hạn chế là chỉ phù hợp với một loại đường nhất định, trong khi thực tế là giá trị độ trượt luôn luôn thay đổi

Phương pháp điều khiển PID được sử dụng để kiểm soát hoạt động hệ thống ABS, đây là phương pháp điều khiển phổ biến nhất và đang được sử dụng rộng rãi trong việc kiểm soát quá trình phanh xe, đáp ứng thời gian thực tốt, dễ thực hiện nó

sẽ tính toán giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào theo tính chất của hệ thống

1.5 Kết luận

Trong chương này đã giới thiệu tổng quan, chức năng hệ thống chống bó cứng

phanh cũng như trình bày cơ bản về cấu tạo của hệ thống phanh ABS như cảm biến, bộ điều khiển điện tử trung tâm và cơ cấu chấp hành Trình bày nguyên lý hoạt động ABS là nhờ vào các cảm biến tốc độ trên bánh xe, gửi thông tin về cho ECU và từ đó ECU sẽ nắm bắt được vận tốc quay trên từng bánh xe và phát hiện ngay tức khắc bánh xe nào có hiện tượng bị “bó cứng” khi người lái xe đạp phanh đột ngột Lúc này, thông qua bơm và van thủy lực, ABS tự động giảm áp suất tác động lên đĩa giúp bánh xe không bị bó cứng Giới thiệu các phương pháp điều khiển hệ thống ABS

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG ABS

2.1 Mô hình hệ thống phanh 1/4 xe

2.1.1 Động lực học của xe và bánh xe

Về cơ bản, mô hình cho toàn bộ xe có kể đến ảnh hưởng của tất cả các yếu tố là rất phức tạp cho bài toán thiết kế hệ thống điều khiển phanh, do đó, trong luận văn này một mô hình đơn giản nhưng vẫn có thể thể hiện đầy đủ những đặc trưng cơ bản của

hệ thống phanh được sử dụng, đó là mô hình hệ thống phanh cho ¼ xe như Hình 2.1 Ngoài ra, để xây dựng mô hình toán của hệ thống phanh phục vụ cho bài toán điều khiển sau này, thì một số giả thuyết sau được sử dụng:

- Xe chuyển động theo phương thẳng và trên mặt đường phẳng, do đó, bỏ qua các lực tác dụng theo phương ngang

- Bỏ qua chuyển động của xe theo phương ngang và phương thẳng đứng

- Bỏ qua ảnh hưởng của hệ thống giảm xóc, coi khối lượng của ¼ xe được phân bố tập trung trên bánh xe

- Bỏ qua lực cản của gió lên chuyển động của xe

Trong đó, m là khối lượng của ¼ xe, v là vận tốc chuyển động của xe, Fx là

lực ma sát giữa bánh xe với mặt đường Lực ma sát này được mô tả bởi định luật Coulomb như sau:

F   F   mg ( 2 2 )

Trong đó, µ(λ) là hệ số ma sát, g là gia tốc trọng trường

Khi tác động lực phanh lên bánh xe, thì tốc độ quay của bánh xe sẽ giảm và

do đó vận tốc của xe cũng giảm theo Áp dụng định luật Newton cho chuyển động quay của bánh xe, ta có:

Trong điều kiện lái xe không phanh, vận tốc xe (v) gần như bằng vận tốc bánh

xe (ωR) Tuy nhiên, khi có lực phanh tác dụng, vận tốc xe và vận tốc bánh xe sẽ không

bằng nhau Sự khác biệt giữa vận tốc bánh xe và vận tốc xe được xác định là Hệ số trượt và cho bởi công thức sau:

2.1.2 Quan hệ giữa hệ số ma sát và hệ số trượt

Từ phương trình (2.2), ta thấy hệ số ma sát μ phụ thuộc chủ yếu vào tỷ số trượt

λ và các tham số khác như vận tốc của xe v, điều kiện mặt đường (nghĩa là mặt đường

khô, ướt, …), chất lượng của lốp xe,…Mối quan hệ này tương đối phức tạp và có nhiều công trình nghiên cứu bằng thực nghiệm đã dẫn ra mối quan hệ này

Một trong những mô hình được sử dụng rất nhiều đó là mô hình của Pacejka [6]

Trong đó, các hệ số B, C, D, E phụ thuộc vào từng loại mặt đường được mô tả như Bảng 2.1:

Bảng 2.1 Tham số của mô hình theo phương trình (3.8) đối với các loại mặt đường

Hình 2.2 Quan hệ μ(λ) theo mô hình của Pacejka

Một mô hình khác được đề xuất bởi Unsal và Kachoroo có quan hệ μ(λ) như

Bảng 2.2 Tham số của mô hình theo phương trình (2.9) đối với các loại mặt đường

Mặt đường ướt bằng bê tông 0,8 Đường đóng bang 0,1

Một mô hình khác của hệ số ma sát được đề xuất bởi Petersen được mô tả như sau:

        (2.10)

Trong đó, các tham số C1, C2, C3, C4 được cho như Bảng 2.3

Bảng 2.3 Các tham số của mô hình (2.10)

2.2 Bộ điều khiển PID

2.2.1 Cấu trúc bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID - bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử