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

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 t

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN LÊ HÒA

Phản biện 1: TS Nguyễn Quốc Định

Phản biện 2: TS Võ Như Tiến

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 18 tháng 1 năm 2020

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Trường ĐHBK - Đại học Đà Nẵng

- Thư viện Khoa điện, Trường ĐHBK - Đại học Đà Nẵng

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

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

- 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

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

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

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH

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

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

Trên các xe ô tô hiện đại, người ta sử dụng hệ thống phanh ABS, đây là hệ thống phanh điều khiển c h 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 như Hình 1.2

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

1.2 Cấu tạo

Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) gồm 3 khối chính Hình 1.3

- Tín hiệu đầu vào (cảm biến) bao gồm cảm biến tốc độ bánh

xe, công tắc chân phanh

- Bộ điều khiển điện tử ECU (Electronic Control Unit), đồng thời là máy phát điện

Hình 1.3 Cấu tạo ABS

- Cơ cấu chấp hành (đầu ra) bao gồm các van điện từ điều khiển dòng dầu phanh vào/ra xy lanh bánh xe, bơm dầu phanh, đèn báo phanh và giắc chuẩn đoán

1.2.1 Tín hiệu đầu vào (cảm biến)

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

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

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

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 lại gây ra sự mất kiểm soát

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý hệ thống phanh ABS

Khi xe có ABS, bộ xử lý của hệ thống 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, đảm bảo tính ổn định của

xe và vẫn cho phép người lái kiểm soát được hướng đi của xe

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

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

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

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 và trình bày nguyên lý hoạt động 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

Hình 2.1 Động lực học 1/4 xe

Áp dụng định luật Newton cho chuyển động của xe, ta có

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

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 đó, J là mô men quán tính, ω là vận tốc góc của bánh xe,

R là bán kính của bánh xe, Tb là mô men phanh tác dụng lên bánh xe

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:

v



Dễ thấy, trong mọi điều kiện giá trị của nằm trong khoảng

từ 0 đến 1 Khi bánh xe bị khóa hoàn toàn ( , khi đó , tức

là xe bị trượt hoàn toàn trên đường Khi không có lực phanh tác dụng thì vận tốc của bánh xe được chuyển đổi hoàn toàn thành vận tốc chuyển động của xe, nghĩa là

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,…Một trong những mô hình được sử dụng rất nhiều đó là mô hình của Pacejka [1]

  Dsin Ctan 1B E B tan 1 B  

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 (2.8) đối với các

loại mặt đường khác nhau

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

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 dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi

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 gồm 3 khâu: Khâu khuếch đại (P); tích phân (I); vi phân (D) Các sử dụng và giá trị chỉnh định chúng để nhận được đáp ứng mong muốn Trong phần này chúng ta sẽ để cập đến

hệ thống có phản hồi đầu ra Cấu trúc bộ PID như Hình 2.3

Hình 2.3 Cấu trúc bộ điều khiển PID

Trong đó: Plant/Proces là đối tượng cần điều khiển (ABS) Hàm truyền của bộ điều khiển PID có dạng sau:

( )( ) p ( ) D de t I ( )

u t K e t K K e t dt

dt

2.2.2 Đặc điểm của các khâu P, I và D

Bộ điều khiển tỉ lệ P giúp giảm thời gian đáp ứng; giảm sai lệch tĩnh nhưng không triệt tiêu được sai lệch tĩnh

Bộ điều khiển tích phân I có khả năng triệt tiêu sai lệch tĩnh; nhưng nó có thể làm cho đáp ứng quá độ tồi tệ hơn Giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh Đổi lại là độ vọt lố (độ quá điều chỉnh) càng lớn

Bộ điều khiển vi phân D giúp giảm độ quá điều chỉnh; cải thiện đáp ứng quá quá độ của hệ thống

3.3 Thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống ABS

Mục tiêu của ABS là điều khiển lực phanh tác dụng lên bánh

xe và do đó điều khiển tốc độ quay của bánh xe (ω) sao cho đạt được

tỷ số trượt (λ) mong muốn mà ở đó hệ số ma sát giữa bánh xe và mặt đường (μ) là cực đại Khi đạt được điều này sẽ dẫn tới: Thứ nhất, vì

lực ma sát là cực đại nên sẽ giảm được khoảng cách dừng xe khi

phanh, thứ hai, vì bánh xe không bị khóa (ω ≠ 0) nên trong quá trình

phanh vẫn có thể điều khiển xe qua trái, qua phải để tránh chướng ngại vật