Ứng dụng bộ điều khiển pid điều khiển hệ thống lái steer by wire trên xe ô tô (tt)

Một số công trình đi trước đã xây dựng mô hình toán học mô tả hệ thống và đề xuất phương pháp điều khiển nhằm nâng cao chất lượng hoạt động của hệ thống lái Steer-by-wire.. Đề tài có sự

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

HUỲNH VĂN SANG

ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG

LÁI STEER-BY-WIRE TRÊN XE Ô TÔ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN LÊ HÒA

Phản biện 1: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

Phản biện 2: TS ĐỖ VĂN CẦN

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa tại Trường đại học Bách khoa ngày 19 tháng 12 năm 2020

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm học liệu và truyền thông – Đại học Bách Khoa - ĐHĐN

- Thư viện khoa Điện, trường Đại học Bách Khoa, ĐHĐN

DUT.LRCC

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Cùng với sự ra đời và phát triển của ô tô, hệ thống lái không ngừng được cải tiến với những tính năng và công nghệ mới để đáp ứng được những tiêu chí về an toàn và tiện nghi cho người dùng trong quá trình chuyển động ngay cả ở vận tốc cao và mật độ phương tiện giao thông lớn Kỹ thuật điều khiển tự động được nghiên cứu để nâng cao độ tin cậy, độ an toàn của các hệ thống xe tự lái Việc xây dựng được một mô hình chính xác của hệ thống lái, cũng như mô hình động học của xe có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết lập được một

hệ điều khiển có chất lượng

Cũng như hệ thống phanh, hệ thống treo,… hệ thống lái là một trong những hệ thống đảm bảo an toàn cho ô tô chuyển động an toàn, êm dịu Vì thế mà hiện nay hệ thống lái ngày càng được cải tiến, tiêu chuẩn về thiết kế chế tạo hệ thống lái ngày càng nghiêm ngặt

và chặt chẽ hơn để đáp ứng các tiêu chí an toàn và tiện nghi, tính an toàn chủ động trong điều khiển chuyển động với vận tốc cao và mật độ giao thông lớn Các nghiên cứu về hệ thống lái điện (SBW) là tiền đề để phát triển công nghệ lái tự động đã được nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới thực hiện

Từ các yếu tố trên ta thấy cần thiết phải nghiên cứu đưa ra giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển và tập trung vào việc xây dựng mô hình chính xác thiết kế bộ điều khiển PID của hệ thống lái Steer-by-wire (SBW) Các kết quả khảo sát, mô phỏng, thử nghiệm từng phần hệ thống được mô tả để khẳng định chất lượng hệ điều khiển PID của hệ thống lái Steer-by-wire (SBW)

2 Cơ sở khoa học

Việc nâng cao chất lượng hệ thống lái trên ô tô đã được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Một số công trình đi trước đã xây dựng mô hình toán học mô tả hệ thống và đề xuất phương pháp điều khiển nhằm nâng cao chất lượng hoạt động của hệ thống lái Steer-by-wire

3 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm động lực học hệ thống lái điện làm cơ sở khoa học thay thế hệ thống lái cơ khí truyền thống bằng hệ thống lái Steer-by-wire Xây dựng được mô hình toán học mô tả gần như đúng với hệ thống lái hệ thống lái Steer-by-wire

DUT.LRCC

(SBW) trên xe ô tô Xây dựng mô hình và mô phỏng toàn hệ thống trên phần mềm Matlab – Simulink để phân tích và đánh giá kết quả

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Về mặt khoa học: Góp phần cải tiến bộ điều khiển chất lượng hệ thống lái hệ thống

lái Steer-by-wire nói riêng và hệ thống lái trên xe ô tô nói chung Đề tài có sự đóng góp mặt khoa học trong việc xây dựng mô hình toán học mô tả chính xác hệ thống lái hệ thống lái Steer-by-wire để từ đó làm cơ sở cho việc nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển nằm nâng cao chất lượng của hệ thống

Về mặt thực tiễn: Làm rõ hơn về bản chất của hệ thống lái hệ thống lái

Steer-by-wire dưới góc nhìn của kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Kết quả nghiên cứu được của đề tài này mang lại ý nghĩa cho việc ứng dụng vào thực tế và tiếp cận và làm chủ công nghệ lái trên các xe ô tô hiện đại tại Việt Nam

5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng là hệ thống lái Steer-by-wire trên xe ô tô có sơ đồ nguyên lý như sau:

Hệ thống vô lăng Bộ điều khiển điện tử Hệ thống lái bánh trước

θm1

θm1 δf

6 Tên và bố cục đề tài

Căn cứ vào mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu đề tài được đặt tên là: “ỨNG DỤNG BỘ

ĐIỀU KHIỂN PID ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÁI STEER-BY-WIRE TRÊN XE Ô TÔ”

Luận văn gồm các chương sau:

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI

Chương 2: MÔ HÌNH TOÁN HỆ THỐNG LÁI STEER-BY-WIRE

Chương 3: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÁI STEER-BY-WIRE

Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

DUT.LRCC

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI

1.1 Chức năng, cấu tạo, phân loại hệ thống

Sơ đồ cấu tạo chung của hệ thống lái được mô tả như hình 1.2

Hình 1 1 Sơ đồ cấu tạo chung của hệ thống lái

Trong đó: 1: Vành tay lái (vô lăng); 2: Trục lái; 3: Ống bọc trục lái; 4: Cơ cấu lái; 5: Tay biên; 6: Trục đứng (chốt chuyển hướng); 7: Đòn quay (con quay); 8: Thanh bên của hình

thang lái; 9: Khớp cầu nối; 10: Đòn ngang (thanh ngang); 11: Đòn kéo dọc

1.4 Phương pháp điều khiển hệ thống lái

Một số phương pháp điều khiển hệ thống lái đã được công bố trong một số bài báo như hình 1.25 và 1.29

DUT.LRCC

Hình 1 2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống Steer-by-wire theo [1]

Hình 1 3 Sơ đồ cấu trúc điều khiển của hệ thống Steer-by-wire theo [2] DUT.LRCC

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ THỐNG LÁI STEER-BY-WIRE

2.3 Mô hình các thành phần của hệ thống lái Steer-by-wire

2.3.1 Hệ thống vô lăng

Sơ đồ của hệ thống vô lăng được mô tả như hình 2.2

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống vô lăng

Biều đồ Bond tương ứng với hệ thống vô lăng được mô tả như hình 2.3

Từ biểu đồ hình 2.3 ta viết được các phương trình:

3 4

15

1/G

Hình 2.3 Biểu đồ Bond của hệ thống vô lăng

Từ các phương trình (2.1) đến (2.4) ta xây dựng được mô hình toán học của hệ thống

vô lăng dưới dạng phương trình trạng thái:

{ ( )̇ ( ) ( ) ( ) ( ) ( )Trong đó: x(t) = [ ]T ( )̇ = [ ̇ ̇ ̇ ̇ ]T

=

[

2.3.2 Hệ thống lái bánh trước

Sơ đồ hệ thống lái bánh trước được mô tả như hình 2.6

Hình 2.6 Sơ đồ hệ thống lái bánh trước Biểu đồ Bond của hệ thống lái bánh trước được mô tả như hình 2.7

1 Se: Vs2

Hình 2.7 Biểu đồ Bond của hệ thống lái bánh trước

Từ biểu đồ hình 2.7 ta tiến hành viết các phương trình:

̇ = - (2.9) ̇ =

Từ các phương trình (2.5) đến (2.10) ta tiến hành xây dựng mô hình toán của Hệ thống lái bánh trước dưới dạng phương trình trạng thái:

{ ( )̇ ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÁI STEER-BY-WIRE

3.1 Mục đích của việc thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống lái

Việc thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống lái Steer-by-wire ngoài mục đích ngoài mục đích giúp đầu ra của hệ thống đáp ứng tốt với các yêu cầu của người lái, thì còn giúp nâng cao độ an toàn, ổn định, thoải mái cũng như dễ điều khiển cho người lái, thích nghi với các tác động nhiễu của môi trường

3.2 Đề xuất phương án

3.2.1 Các phương án đề xuất

Phương án 1: Sử dụng một bộ điều khiển

Sơ đồ hệ thống điều khiển sử dụng một bộ điều khiển được mô tả như hình 3.1

Hệ thống vô lăng Bộ điều khiển

Hệ thống lái bánh trước

Hệ thống vô lăng Bộ điều khiển 2

Hệ thống lái bánh trước

Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển sử dụng hai bộ điều khiển Dựa vào hai phương án như sơ đồ hình 3.1 và 3.2 ta thấy phương án sử dụng hai bộ điều khiển có nhiều ưu điểm hơn so với 1 bộ điều khiển

3.2.2 Lựa chọn bộ điều khiển

Các bộ điều khiển thường được sử dụng là bộ hiệu chỉnh sớm pha, trễ pha, sớm trễ pha, P, PI, PD, PID…

Do khó xây dựng được hàm truyền của hệ thống vô lăng và hệ thống lái bánh trước nên thiết kế bộ điều khiển sớm pha, trễ pha hoặc sớm trễ pha gặp nhiều khó khăn do đó ta không lựa chọn bộ điều khiển là khâu hiệu chỉnh sớm pha, trễ pha, hoặc sớm trễ pha

DUT.LRCC

Yêu cầu chất lượng của hệ thống là góc lái bánh trước luôn bám theo chính xác góc vô lăng mong muốn với thời gian đáp ứng nhanh, hạn chế được sai số Để đáp ứng được yêu cầu chất lượng của hệ thống thì bộ điều khiển PID là phù hợp nhất, do đó ta chọn

bộ điều khiển là PID

3.3 Xây dựng các thành phần của hệ điều khiển

Sơ đồ các thành phần của hệ thống điều khiển được mô tả như hình 3.7

Hệ thống vô lăng

Bộ điều khiển điện tử

Hệ thống lái bánh trước

θm1

θm1 δf

Hình 3.7 Sơ đồ các thành phần của hệ thống điều khiển Các thành phần của hệ điều khiển gồm 3 thành phần chính:

- Hệ thống vô lăng: bao gồm các thành phần cảm biến mômen, cảm biến góc vô lăng, động cơ

- Hệ thống lái bánh trước: bao gồm các thành phần cảm biến vị trí, bánh, thanh răng, động cơ bánh trước và các thành phần cơ khí khác…

- Bộ phận điều khiển (ECU): Điều khiển góc lái bánh trước luôn bám theo góc vô lăng mong muốn

3.5 Lựa chọn phương pháp để điều khiển và đánh giá chất lượng hệ thống

3.5.1 Lựa chọn phương pháp điều khiển

Ở đây ta lựa chọn phương pháp điều khiển sử dụng hai bộ PID để điều khiển góc lái bánh trước luôn bám theo chính xác góc vô lăng mong muốn Sơ đồ cấu trúc điều khiển sử dụng hai bộ PID được mô tả như hình 3.8

PID1 Hệ thống vô

lăng PID2 Hệ thống lái bánh trước

Hình 3.8 Sơ đồ cấu trúc điều khiển sử dụng hai bộ PID

Để thiết kế 2 bộ điều khiển PID thì có nhiều phương pháp như: dùng quỹ đạo nghiệm

số, biểu đồ Bode hay phương pháp giải tích nhưng do đối tượng điều khiển là hệ thống vô lăng và góc lái bánh trước khó xây dựng hàm truyền nên việc sử dụng các phương pháp này gặp nhiều khó khăn Ta sẽ sử dụng phương pháp Phương pháp điều chỉnh trong PID Tuner trong khối Matlab/Simulink PID Controller để thiết kế hai bộ PID

DUT.LRCC

3.5.2 Đánh giá chất lượng điều khiển

Ta tập trung vào một số tiêu chí nhƣ: Sai số xác lập, độ lọt vố, thời gian đáp ứng,…

DUT.LRCC

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

4.1 Mô phỏng hệ thống lái Steer-by-wire

4.1.1 Các tham số mô phỏng của hệ thống

Các tham số mô phỏng của hệ thống được mô tả như bảng 4.1

Bảng 4.1 Các tham số mô phỏng trong hệ thống

DUT.LRCC

Tỷ số góc lái với tốc độ V1 15

4.1.2 Xây dựng các thành phần của hệ thống điều khiển bằng Matlab/Simulink

4.1.2.1 Hệ thống vô lăng

Sơ đồ khối của hệ thống vô lăng trong Matlab Simulink được mô tả như hình 4.5

Hình 4 1 Sơ đồ khối của hệ thống vô lăng trong Matlab Simulink

Sơ đồ các khối p3, q5, p10, p15 được xây dựng từ các phương trình từ (2.1) đến (2.4)

4.1.2.2 Hệ thống lái bánh trước

DUT.LRCC

Sơ đồ khối hệ thống lái bánh trước trong Matlab Simulink được mô tả hình 4.12:

Hình 4 2 Sơ đồ khối hệ thống lái bánh trước trong Matlab Simulink

Các khối p2, p6, q9, p12, q16, p18 được xây dựng từ các phương trình từ (2.5) đến (2.10)

4.1.2.3 Khối điều khiển tín hiệu phản hồi tỷ số góc lái

Sơ đồ khối điều khiển tín hiệu phản hồi trong matlab simulink được xây dựng như hình 4.13:

Hình 4 3 Sơ đồ khối điều khiển tín hiệu phản hồi tỷ số góc lái trong Matlab Simulink

4.1.2.4 Sơ đồ điều khiển của hệ thống lái

DUT.LRCC

Hệ thống mô phỏng gồm 3 thành phần chính: Hệ thống vô lăng, hệ thống lái bánh trước, khối điều khiển tín hiệu phản hồi tỷ số góc lái Sơ đồ hệ thống lái trong Matlab Simulink được mô tả như hình 4.14:

Hình 4 4 Sơ đồ mô phỏng của hệ thống lái trong Matlab Simulink

4.2 Mô phỏng hệ thống với thuật toán điều khiển đề xuất

Như chúng ta đã đề xuất thuật toán điều khiển sử dụng hai bộ điều khiển PID, bộ thứ nhất dùng để điều khiển bám theo giá trị mong muốn, bộ thứ hai dùng để điều khiển bám theo giá trị là đầu ra của hệ thống vô lăng

Ta lựa chọn phương pháp thiết kế hai bộ điều khiển PID theo phương pháp điều chỉnh PID Tuner khối Simulink PID Controller

Tính toán các tham số của bộ điều khiển PID1: với các thông số tìm được: = 10.003, = 35.118, = 0.660

Sau khi mô phỏng ta được kết quả đáp ứng như hình 4.17

DUT.LRCC

Hình 4 5 Đáp ứng đầu ra của vòng điều khiển hệ thống vô lăng so với đầu vào

Ta thấy đáp ứng đầu ra đã đáp ứng tốt mong muốn

Ta tiếp tục sử dụng công cụ phần mềm PID tuner đƣợc hỗ trợ bởi Matlab simulink để tính toán các tham số của bộ điều khiển PID2: với các thông số tìm đƣợc = 1351, =

Ta thấy đáp ứng đầu ra so với đã được cải thiện đáng kể

Đầu ra tiếp tục đưa vào khối tín hiệu điều khiển yêu cầu trước để điều khiển hệ thống lái bánh trước khi xét đến tốc độ của xe theo Steering ratio, ở đây ta chọn tỷ số góc lái = 15:1, tốc độ xe V = 30 km/h Khối tín hiệu điều khiển yêu cầu trước trong Matlab Simulink được mô tả như hình 4.26

Hình 4 7 Khối tín hiệu điều khiển yêu cầu trước trong Matlab Simulink

4.3 So sánh, đánh giá kết quả, phân tích, kết luận

Đáp ứng của hệ thống đối với tín hiệu vào là có dạng nấc đơn vị được thể hiện trong hình 4.21

Hình 4 8 Đáp ứng của hệ thống khi đầu vào có dạng hàm nấc đơn vị

Dựa vào đồ thị ta thấy và đã tương đối đáp ứng được đầu vào mong muốn, ở tín hiệu độ lọt vố khoảng 17%, không có sai số xác lập, thời gian xác lập

DUT.LRCC

khoảng 0.5s, tuy vậy đáp ứng hơi chậm so với độ lọt vố khoảng 24%, thời gian xác lập khoảng 1s

Để kiểm tra tính lặp lại của hệ thống ở đầu vào ta sử dụng là tín hiệu hình sin, đáp ứng của hệ thống được thể hiện ở hình 4.22

Hình 4 9 Đáp ứng của hệ thống khi đầu vào có dạng sin Dựa vào đồ thị ta thấy hệ thống đáp ứng tương đối với tín hiệu vào dạng hình sin, bám theo chính xác với sai số rất nhỏ, cũng đã bám theo tương đối với nhưng vẫn còn sai số nhưng không quá đáng kể

Đối với đầu vào là nhiễu được lấy từ khối Uniform Random Number ta có kết quả như hình 4.23

DUT.LRCC

Hình 4 10 Đáp ứng của hệ thống với tín hiệu vào nhiễu Dựa vào đồ thị ta thấy đối với tín hiệu nhiễu tín hiệu đã bám tương đối theo tín hiệu nhiễu với sai số không đáng kể, tuy vậy đáp ứng tín hiệu còn chưa được tốt lắm khoảng thời gian quá độ sai số còn lớn

Đồ thị góc lái bánh trước không xét đến tỷ số góc lái và góc lái bánh trước có xét đến tỷ số góc lái được thể hiện như hình 4.24

Hình 4 11 Đồ thị so sánh góc lái bánh trước và khi sử dụng tỷ số góc lái

DUT.LRCC

Dựa vào đồ thị hình 4.24 ta thấy nhỏ hơn so với tùy theo thông số tỷ số góc của nhà sản xuất cũng như tốc độ của xe, tốc độ càng lớn càng nhỏ để thuận lợi cho việc điều khiển cũng như tăng tính ổn định của hệ thống, như trong đồ thị với tốc độ V = 30 km/h Tỷ số góc lái = 15 nhưng với V = 100 k/h Tỷ số góc lái = 20 nhỏ hơn điều này giúp cho việc điều khiển xe ở tốc độ cao dễ dàng và ổn định hơn

Dựa vào các đồ thị 4.21, 4.22, 4.23, 4.24 ta thấy hệ thống điều khiển Steer-by-wire

đã có thể đáp ứng được các yêu cầu của hệ thống như thời gian đáp ứng nhanh, thời gian xác lập nhỏ, độ lọt vố nằm trong khoảng cho phép, có thể hoạt động tương đối trong điều kiện có nhiễu cũng như có khả năng thay đổi góc lái bánh trước tương ứng với các tốc độ

DUT.LRCC

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Đề tài “Ứng dụng bộ điều khiển PID điều khiển cho hệ thống lái Steer-by-wire trên

xe ô tô” đã xây dựng được các phương trình toán học dựa trên biểu đồ Bond từ đó giúp xây dựng được mô hình toán học của hệ thống, cũng như phương pháp điều khiển sử dụng hai

bộ PID để điều khiển hệ thống vô lăng và hệ thống lái bánh trước, sử dụng tỷ số góc lái để điều khiển góc lái bánh trước theo các tốc độ khác nhau Kết quả cho thấy hệ thống đã có thể thỏa mãn được những yêu cầu bài toán đặt ra trong việc đáp ứng đầu ra với thời gian xác lập nhỏ, độ lọt vố nằm trong khoảng cho phép, có thể hoạt động tương đối với tín hiệu nhiễu, cũng như thay đổi góc lái bánh trước theo tốc độ giúp đảm bảo an toàn cũng như tính

ổn định hệ thống

Do điều kiện khả năng và thời gian có hạn nên luận văn còn nhiều thiếu sót Đề tài vẫn chưa xét đến nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điều khiển xe trong thực tế như cảm giác lái, các tín hiệu đặt chưa thực tế Tuy vậy đề tài có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các ứng dụng phát triển sau này

DUT.LRCC