Xây dựng mô hình điều khiển trượt để điều khiển tối ưu quá trình phanh ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ HỒNG LONG XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU QUÁ TRÌNH PHANH Ô TÔ Chuyên ngành : Ô tô Xe chuyên dụng LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ô TÔ VÀ XE CHUYÊN DỤNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : Hà Nội – Năm 2013 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131837621000000 Mục lục Danh mục ký hiệu Danh mục hình vẽ, đồ thị .5 Lời nói đầu Chương Tổng quan vấn đề nghiên cứu 1.1 Yêu cầu chất lượng phanh 1.2 Đặc điểm làm việc hệ thống ABS .10 1.3 Các thuật toán điều khiển ABS áp dụng 14 1.3.1 Phương pháp điều khiển theo độ trượt .15 1.3.2 Phương pháp điều khiển theo gia tốc ngưỡng 18 1.3.3 Điều khiển PID 23 1.3.3 Phương pháp điều khiển Sliding Mode 25 1.4 Các nghiên cứu nước phương pháp điều khiển ABS 26 1.4.1 Một số kết nghiên cứu giới 26 1.4.2 Một số kết nghiên cứu nước .27 1.5 Đặt vấn đề nghiên cứu .28 Chương Thuật toán điều khiển Sliding Mode cho hệ thống ABS .31 2.1 Thuật toán điều khiển Sliding Mode .31 2.1.1 Khái niệm Sliding Mode 31 2.1.2 Luật điều khiển Sliding Mode 33 2.1.3 Hiện tượng dao động trạng thái 36 2.2 Ứng dụng Sliding Mode cho điều khiển ABS 38 2.2.1 Xác định mặt phẳng trượt 39 2.2.2 Xây dựng luật điều khiển trượt .43 2.3 Nhận xét 48 Chương Băng thử phanh ABS ¼ 49 3.1 Băng thử phanh ABS mơ hình ¼ 49 3.1.1 Nguyên lý hoạt động băng thử 49 3.1.2 Bộ thu thập liệu, điều khiển ABS 53 3.2 Động lực học phanh ABS băng thử 58 3.2.1 Động lực học bánh xe .60 3.2.2 Mơ hình lốp 61 3.2.3 Động lực học phanh thân xe .63 3.3 Mô hệ thống ABS máy tính 63 3.3.1 Mơ hình hóa hệ thống thủy lực hệ thống phanh ABS ¼ 63 3.3.2 Mơ hình hóa động lực học phanh ¼ xe .74 3.3.3 Mô điều khiển ABS 77 3.4 Nhận xét 79 Chương Các kết thử nghiệm đánh giá 80 4.1 Mục đích thử nghiệm .80 4.2 Thử nghiệm mơ hình mơ máy tính .80 4.2.1 Thử nghiệm thuật toán điều khiển theo gia tốc ngưỡng 81 4.2.2 Thử nghiệm thuật toán đề xuất 82 4.3 Thử nghiệm băng thử phanh 83 4.3.1 Thử nghiệm thuật toán điều khiển theo gia tốc ngưỡng 83 4.3.2 Thử nghiệm thuật toán đề xuất 84 4.4 Nhận xét 88 Kết luận 89 Tài liệu tham khảo 90 Phụ lục 92 Danh mục ký hiệu STT Ký hiệu FX Lực bám dọc N FY Lực bám ngang N X Hệ số bám dọc Y Hệ số bám ngang N Phản lực vng góc từ mặt đường lên bánh xe  Hệ số trượt v Tốc độ thân xe m/ s bx Vận tốc góc bánh xe d / s rbx Bán kinh bánh xe 10 r Độ trượt mong muốn 11 u Biến điều khiển 12 X Trạng thái hệ 13 X* Trạng thái mong muốn hệ 14 S Bề mặt trượt 15 S1; S2 16  Hệ số bám bánh xe mặt đường 17 t Chu kỳ lấy mẫu 18 g Gia tốc trọng trường 19 Mp 20 21 Giải thích Đơn vị N m Các bề mặt biên điều khiển Sliding Mode s m / s2 Mô men phanh tác dụng lên bánh xe Nm Lực phanh rtt Bán kính tang trống m Danh mục hình vẽ, đồ thị Hình 1.1 Đồ thị hệ số trượt - lực phanh lực bám ngang 11 Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống phanh thông thường .12 Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống ABS .13 Hình 1.4 Sơ đồ điều khiển hệ thống ABS 13 Hình 1.5 Các pha làm việc ABS điều khiển theo độ trượt .16 Hình 1.6 Sơ đồ thuật tốn điều khiển ABS theo độ trượt .17 Hình 1.7 Các chu kỳ làm việc điều khiển theo gia tốc ngưỡng .19 Hình 1.8 Sơ đồ thuật toán điều khiển ABS theo phương pháp gia tốc ngưỡng.21 Hình 1.9 Sơ đồ khối điều khiển PID kiểu song song .24 Hình 2.1 Mơ tả q trình điều khiển Sliding Mode 32 Hình 2.2 Ví dụ hàm phi tuyến 34 Hình 2.3 Hiện tượng trạng thái X ( t) dao động quanh mặt phẳng S .37 Hình 2.4 Hàm sigmoid (trái) hàm bão hịa (phải) 37 Hình 2.5 Q trình điều khiển Sliding Mode với hai bề mặt biên .38 Hình 2.6 Vận tốc gia tốc góc bánh xe phanh với  =  * .40 Hình 2.7 Miền giá trị gia tốc góc bánh xe .41 Hình 2.8 Miền biên S1; S2 42 Hình 2.9 Độ rộng xung dựa theo giá trị tín hiệu điều khiển 43 Hình 2.10 Các vùng ứng với luật điều khiển khác 44 Hình 2.11 Sơ đồ logic thuật toán điều khiển đề xuất 47 Hình 2.12 Sơ đồ vào điều khiển sử dụng thuật tốn đề xuất 48 Hình 3.1 Băng thử phanh sử dụng luận văn .49 Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý phần khí băng thử 50 Hình 3.3 Cụm bánh đà, tang trống bánh xe băng thử 51 Hình 3.4 Hệ thống phanh ABS lắp đặt băng thử 52 Hình 3.5 Cảm biến vận tốc bánh xe băng thử 53 Hình 3.6 Cấu tạo hoạt động cảm biến vận tốc bánh xe 54 Hình 3.7 Mạch xử lý tín hiệu cảm biến vận tốc bánh xe 54 Hình 3.8 Cảm biến vận tốc tang trống 54 Hình 3.9 Cảm biến tiệm cận kiểu từ trở .54 Hình 3.10 Mạch xử lý tín hiệu cảm biến vận tốc tang trống 55 Hình 3.11 Cảm biến áp suất mạch xử lý tín hiệu 55 Hình 3.12 Bảng điều khiển băng thử 56 Hình 3.13 Bộ điều khiển ABS .56 Hình 3.14 Bộ thu thập liệu 57 Hình 3.15 Mạch cơng suất điều khiển động điện 57 Hình 3.16 Độ trễ áp suất xy lanh xy lanh phanh 58 Hình 3.17 Độ trễ trình giảm áp 58 Hình 3.18 Các lực mơ men tác dụng lên bánh xe phanh 59 Hình 3.19 Đồ thị lực bám dọc-độ trượt mơ hình lốp Dugoff 62 Hình 3.20 Khối hệ thống thủy lực mô hệ thống thủy lực phanh ABS ¼ 63 Hình 3.21 Sơ đồ tín hiệu vào/ra xy-lanh phanh 64 Hình 3.22 Sơ đồ tính tốn xy-lanh phanh 64 Hình 3.23 Sơ đồ mơ xy-lanh phanh 66 Hình 3.24 Sơ đồ tín hiệu vào/ra van giữ áp 66 Hình 3.25 Sơ đồ tính tốn lõi van giữ áp .67 Hình 3.26 Sơ đồ mơ hoạt động lõi van .68 Hình 3.27 Sơ đồ mơ hoạt động van giữ áp 68 Hình 3.28 Sơ đồ vào/ra van giảm áp 69 Hình 3.29 Sơ đồ mô hoạt động lõi van 69 Hình 3.30 Sơ đồ mơ van giảm áp 70 Hình 3.31 Sơ đồ vào/ra khối xy-lanh phanh cấu phanh 70 Hình 3.32 Sơ đồ tính tốn xy-lanh phanh bánh xe cấu phanh 70 Hình 3.33 Sơ đồ mơ xy-lanh phanh bánh xe .71 Hình 3.34 Sơ đồ mô cấu phanh 71 Hình 3.35 Sơ đồ vào/ra bơm 72 Hình 3.36 Sơ đồ vào/ra bình tích áp 72 Hình 3.37 Sơ đồ tính tốn bình tích áp 72 Hình 3.38 Sơ đồ mơ bình tích áp .73 Hình 3.39 Sơ đồ mô bơm 73 Hình 3.40 Sơ đồ mơ hệ thống thủy lực 74 Hình 3.41 Sơ đồ tín hiệu vào/ra khối động lực học phanh ¼ xe 75 Hình 3.42 Sơ đồ tín hiệu vào/ra khối mơ hình lốp 75 Hình 3.43 Sơ đồ tính tốn mơ hình lốp Dugoff 76 Hình 3.44 Sơ đồ khối động lực học phanh ¼ xe 77 Hình 3.45 Sơ đồ vào/ra điều khiển 77 Hình 3.46 Mơ điều khiển sử dụng thuật toán đề xuất 78 Hình 4.1 Kết thử nghiệm mơ hình mơ 81 Hình 4.2 Kết thử nghiệm mơ hình mơ 82 Hình 4.3 Kết thử nghiệm băng thử 83 Hình 4.4 Vận tốc bánh xe tang trống trình phanh 84 Hình 4.5 Quãng đường phanh 85 Hình 4.6 Độ trượt trình phanh 85 Hình 4.7 Các chế độ điều khiển 85 Hình 4.8 Áp suất hệ thống thủy lực phanh 86 Hình 4.9 Gia tốc góc bánh xe phanh .86 Lời nói đầu Ngày nay, sau 100 năm kể từ ngày đầu xuất hiện, nghành công nghiệp ô-tô đạt nhiều thành tựu khoa học công nghệ, phát triển thành nghành công nghiệp quan trọng hàng đầu giới So với ô-tô hệ cũ, ô-tô ngày có cơng suất tốc độ ngày tăng, tiết kiệm nhiên liệu hơn, hơn, thân thiện với người dùng hơn, đặc biệt mức độ đảm bảo an tồn vận hành cao Để có điều đó, kỹ sư ơ-tơ ứng dụng nhiều thành tựu nghiên cứu khoa học vật liệu, công nghệ điện tử, điều khiển tự động… trình thiết kế chế tạo Trong số thành tựu đó, hệ thống ABS tơ ứng dụng công nghệ điều khiển tự động, sử dụng ABS ECU trở nên hiệu việc nâng cao tính an tồn cho tơ phanh, đa số trường hợp Hiện hệ thống phanh ABS trở thành tiêu chuẩn xe thị trường Một vấn đề mấu chốt việc thiết kế hệ thống phanh ABS xác định thuật toán điều khiển cho ABS ECU, yêu cầu phải giải nhiều vấn đề lý thuyết thực nghiệm Trên sở đề tài “XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU Q TRÌNH PHANH Ơ TƠ” đưa với mục đích xây dựng thuật tốn điều khiển sử dụng nguyên lý điều khiển trượt (Sliding Mode) cho hệ thống ABS để tối ưu trình phanh ô tô Trong trình thực đề tài, học viên nhận hướng dẫn tận tình thầy giáo môn, đặc biệt PGS Phạm Hữu Nam ThS Nguyễn Thanh Tùng Tuy nhiên cịn nhiều hạn chế kiến thức chun mơn, thời gian có hạn, nên khơng thể tránh khỏi sai sót, mong nhận góp ý thầy giáo môn để đề tài hoàn thiện Hà Nội, tháng 12 năm 2012 Lê Hoàng Long Chương Tổng quan vấn đề nghiên cứu Hệ thống phanh ABS sử dụng ô tô lần vào năm thập kỷ 50 kỷ XX Các hệ thống ban đầu cấu điều chỉnh áp suất phanh khí thủy lực, chưa có tham gia máy tính điện tử Theo thời gian, hệ thống phanh ABS cải tiến, áp dụng công nghệ điện điện tử để nâng cao hiệu hoạt động Ngày nay, hệ thống phanh ABS tiêu chuẩn bắt buộc với xe ô-tô nhiều nước giới 1.1 Yêu cầu chất lượng phanh Hệ thống phanh nói chung hệ thống ABS nói riêng hệ thống an toàn chủ động quan trọng tơ Chất lượng q trình phanh ảnh hưởng tới khả xảy tai nạn mức độ nghiêm trọng tai nạn xảy Vì hệ thống phanh cần phải đảm bảo u cầu chất lượng phanh, gồm có • u cầu hiệu phanh • Yêu cầu ổn định phanh Yêu cầu hiệu phanh yêu cầu khả dừng ô tô kể từ bắt đầu phanh Đây yêu cầu hệ thống phanh theo phương dọc, thể khả sinh lực phanh lớn hệ thống, đánh giá thông qua tiêu quãng đường phanh, thời gian phanh, gia tốc phanh Hiệu phanh xe phụ thuộc vào lực phanh sinh vùng tiếp xúc bánh xe mặt đường tác dụng mô men phanh lên bánh xe Lực phanh sinh bị giới hạn giá trị cực đại phản lực mà mặt đường tác dụng lên bánh xe theo phương dọc, gọi lực bám dọc Giá trị lực bám dọc tính theo cơng thức F X =  XN (1.1) Trong công tức (1.1), F X giá trị lực bám dọc,  X hệ số bám dọc, N phần phản lực pháp tuyến từ mặt đường lên bánh xe Hệ số bám dọc phụ thuộc vào điều kiện bám bánh xe mặt đường, góc lệch bên bánh xe…và độ trượt bánh xe mặt đường Điều kiện cần đủ để nâng cao hiệu phanh trị số lực bám dọc F X (t ) phải lớn trị số lực phanh phải gần FX (t ) Yêu cầu ổn định phanh yêu cầu khả giữ góc lệch ô tô trước sau phanh Đây yêu cầu hệ thống phanh theo phương ngang, thể khả giữ hướng chuyển động ô tô phanh Khả đáp ứng ổn định phanh liên quan tới khả bám ngang bánh xe với mặt đường đánh giá thơng qua góc lệch tơ phanh Tính ổn định hướng xe phụ thuộc vào lực ngang tác dụng lên xe khả bám bánh xe với mặt đường theo phương ngang Giá trị lực bám ngang giá trị cực đại phản lực mà mặt đường tác dụng lên bánh xe theo phương ngang, phụ thuộc tải trọng tác dụng lên bánh xe hệ số bám ngang bánh xe với mặt đường theo công thức FY =  YN (1.2 ) Trong công thức (1.2), F Y giá trị lực bám ngang, N phản lực pháp tuyến từ mặt đường lên bánh xe, Y hệ số bám ngang Hệ số bám ngang phụ thuộc vào điều kiện bánh xe mặt đường, góc lệch bên bánh xe…và độ trượt bánh xe mặt đường Điều kiện cần để đảm bảo tính ổn định phanh giá trị lực bám ngang F Y phải lớn tổng lực ngang tác dụng lên xe Với hệ thống phanh truyền thống, khả đảm bảo hiệu phanh ổn định phanh thường không đạt phanh gấp đường trơn trượt gây tượng trượt lết bánh xe Vì vậy, hệ thống ABS phát triển sử dụng ô tô nhằm ngăn không cho tượng xảy 1.2 Đặc điểm làm việc hệ thống ABS Hệ thống ABS hệ thống phanh điều khiển điện tử có chức ngăn không cho bánh xe bị trượt lết q trình phanh Hệ thống ABS tính tốn cho điều khiển trạng thái xe phanh gần với trạng thái có hệ số bám dọc ngang lớn, nhằm tăng giá trị lực bám dọc ngang, đảm bảo hiệu phanh ổn định hướng Hệ số bám dọc ngang phụ thuộc vào độ trượt bánh xe mặt đường Độ trượt đánh giá thông qua hệ số trượt Hệ số trượt thông số sử dụng để đánh giá hiệu tính ổn định hướng phanh Hệ số trượt phanh 10