Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống chống bó cứng phanh và hệ thống cân bằng điện tử trên ô tô

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ ĐẠI THÀNH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH VÀ HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ TRÊN Ô TÔ STUDY AND DESIGN CONTROLLERS FOR ANTI-LOCK BRAKING SYSTEM AND ELECTRONIC STABILITY SYSTEM IN CARS Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số: 60520114 LUẬN VẤN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2016 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BACH KHOA -ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS Phạm Công Bằng (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: PGS.TS Nguyễn Thanh Phương (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: PGS.TS Nguyễn Duy Anh (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 16 tháng 12 năm 2016 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) TS Nguyễn Quốc Chí TS Lê Thanh Hải PGS.TS Nguyễn Thanh Phương PGS.TS Nguyễn Duy Anh TS Ngô Hà Quang Thịnh Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Lê Đại Thành MSHV: 1570629 Ngày, tháng, năm sinh: 02/04/1992 Nơi sinh: Tp cần Thơ Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số : 60520114 I TÊN ĐÈ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH VÀ HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ TRÊN Ô TÔ II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu tổng quan đề tài - Tìm hiểu tổng quan hệ thống chống bó cứng phanh ABS hệ thống cân điện tử VDC - Phân tích thiết kế điều khiển cho hệ thống ABS - Phân tích thiết kế điều khiển cho hệ thống VDC III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04/07/2016 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/12/2016 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Phạm Công Bằng Tp HCM, ngày 04 tháng 07 năm 2016 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA (Họ tên chữ ký) Ghtchú: Học viên phải đóng tờ nhiệm vụ vào trang tập thuyết minh LV LỜI CẢM ƠN Đầu tiên em xin chân thành cảm ơn thầy cô Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM, đặc biệt thầy cô khoa Cơ Khí cung cấp cho em kiến thức tảng để thực luận văn Quá trình làm luận văn tạo điều kiện cho em vận dụng kiến thức học, học thêm nhiều kiến thức từ tài liệu liên quan đặc biệt từ thầy hướng dẫn, thầy TS.Phạm Công Bằng Em xin chân thành cảm ơn thầy kiến thức bổ ích, kinh nghiệm thực tế ý tưởng mà thầy truyền đạt cho em suốt trình làm luận văn, giúp em vượt qua khó khăn đề tài hồn thành u cầu đặt Thầy dạy cho em nhiều học tuyệt vời cho chuyên ngành, cho cách làm việc cho sống em Cuối cùng, em xin cảm ơn công ty Robert Bosch Engineering and Business Solutions Vietnam tạo điều kiện thời gian cung cấp tài liệu kỹ thuật giúp em thực luận văn Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm Học viên Lê Đại Thành TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn trình bày hệ thống chống bó cứng phanh ABS hệ thống cân điện tử VDC với cấu tạo nguyên lý hoạt động Qua đó, luận văn xác định chất lượng điều khiển mong muốn, thực mơ hình hóa thiết kế điều khiển cho hai hệ thống Để làm rõ tính thiết thực hệ thống, luận văn trình bày phân tích kết mơ chưa có hai hệ thống Thêm vào đó, kết mơ với điều khiển phân tích để nhấn mạnh ưu điểm việc sử dụng điều khiển cho hệ thống chống bó cứng phanh hệ thống cân điện tử 11 ABSTRACT Thesis presents anti-lock braking system ABS and electronic stability program VDC with theh structures and operating principles Thereby, deshed performance indicators for modeling and designing controllers for ABS and VDC systems are determined In addition, simulation results with these controllers are analyzed to emphasize advantages of using ABS and VDC systems iii LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu hướng dẫn thầy TS.Phạm Công Bằng Các nội dung nghiên cứu kết đề tài trung thực Tôi cam kết chịu trách nhiệm nội dung luận văn IV MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT LUẬN VĂN ii ABSTRACT iii LỜI CAM ĐOAN .iv MỤC LỤC .V DANH SÁCH HÌNH VẼ .ix DANH SÁCH BẢNG xiv CHƯƠNG 1: TÔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Lịch sử đời trình phát triển ô tô 1.1.1 Lịch sử đời ô tô 1.1.2 Q trình phát triển tơ 1.2 Lịch sử đời trình phát triển hệ thống an tồn tô 1.3 Lý chọn đề tài 1.4 Mục tiêu, nhiệm vụ phạm vi luận văn 1.5 Bố cục luận văn CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan hệ thống chống bó cứng phanh ABS 2.1.1 Cấu tạo hệ thống ABS 2.1.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống ABS 12 2.1.3 Chất lượng điều khiển mong muốn hệ thống ABS 14 2.2 Tổng quan hệ thống cân điện tử VDC 14 2.2.1 Cấu tạo hệ thống VDC 16 2.2.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống VDC 21 2.2.3 Chất lượng điều khiển mong muốn hệ thống VDC 24 2.3 Kết luận 25 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIÊN CHO HỆ THỐNG ABS 26 3.1 Phân tích hệ thống ABS 26 3.1.1 Tính tốn động học, động lực học 26 3.1.2 Mối liên hệ hệ số ma sát tỷ lệ trượt 27 3.1.3 Phân tích moment thắng 28 3.2 Mơ hình hóa mơ hệ thống ABS Matlab Simulink 29 3.2.1 Mơ hình hóa hệ thống ABS 29 3.2.2 Mô khối caliper Matlab Simulink 29 3.2.3 Mô khối bánh xe Matlab Simulink 30 3.2.4 Mô khối xe Matlab Simulink 30 3.2.5 Mô hệ thống ABS Matlab Simulink 30 3.2.6 Kết mơ chưa có hệ thống ABS có hệ thống ABS với điều khiển thơ sơ 31 3.3 Thiết kế điều khiển cho hệ thống ABS 37 3.3.1 Sơ đồ điều khiển 37 3.3.2 Thiết kế điều khiển cho hệ thống ABS 37 3.3.3 Kết mô hệ thống ABS với điều khiển PID 37 3.3.4 Nhận xét kết mô hệ thống ABS với điều khiển PID 40 3.4 Kết luận 40 CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIÊN CHO HỆ THỐNG VDC 42 4.1 Phân tích hệ thống VDC 42 4.1.1 Tính tốn động học, động lực học hệ thống VDC 42 4.1.2 Hình 4.52 Kết mô vận tốc xe theo phương X + Kết mô vận tốc xe theo phương Y biểu diễn hình 4.53 Hình 4.53 Kết mô vận tổc xe theo phương Y + Kết mơ góc xoay xe biểu diễn hình 4.54 Hình 4.54 Kết mơ góc xoay xe + Kết mơ tốc độ xoay thực tế xe biểu diễn hình 4.55 68 Hình 4.55 Kết mơ tốc độ xoay thực tế xe + Kết mô tốc độ xoay mong muốn xe biểu diễn hình 4.56 Hình 4.56 Kết mô tốc độ xoay mong muốn xe + Kết mô sai số tốc độ xoay xe biểu diễn hình 4.57 Từ giây thứ 2, sai số tốc độ xoay xe đạt xấp xỉ giá tậ Hình 4.57 Kết mơ sai số tốc độ xoay xe 69 4.6.4 Nhận xét kết mơ hệ thống VDC vói điều khiển PID Nhận thấy với điều khiển PID, kết mô sai số tốc độ xoay xe cải thiện so với kết mơ chưa có hệ thống VDC Sau khoảng thời gian giây, sai số tốc độ xoay xe giảm nhiều Từ giây thứ 2, sai số tốc độ xoay xe đạt xấp xỉ giá trị Kết mô thỏa mãn chất lượng điều khiển Tóm lại, điều khiển PID thiết kế cho kết mô tương đối phù hợp với chất lượng điều khiển mong muốn hệ thống VDC xác định chương Do luận văn chọn sử dụng điều khiển PID cho hệ thống VDC 4.7 Kết luận Chương thực nội dung sau: - Phân tích hệ thống VDC, bao gồm: phân tích động học, động lực học xe trường hợp bậc tự do; tính tốn lực tác động lên bánh xe, góc lệch ngang, bán kính quẹo cua tốc độ xoay mong muốn xe; phân tích cân moment cho bánh xe - Đưa giải thuật xác định bánh xe cần tác động moment thắng - Mơ hình hóa mô hệ thống VDC Matlab Simulink - Thực mơ cho trường hợp khơng có hệ thống VDC quẹo cua góc lái dương, quẹo cua góc lái âm quẹo cua trái phải Từ xác định tính cần thiết hệ thống VDC việc thiết kế điều khiển cho hệ thống - Thực kiểm chứng giải thuật xác định bánh xe cần tác động moment thắng cho trường hợp quẹo cua góc lái dương quẹo cua góc lái âm - Thiết kế điều khiển PID cho hệ thống VDC Xác minh điều khiển PID cho kết mô cải thiện so với kết mô chưa có hệ thống VDC Đồng thời, kết mô phù hợp với chất lượng điều khiển mong muốn hệ thống VDC xác định chương CHƯƠNG TỔNG KẾT 5.1 Kết đạt 5.1.1 Kết đạt hệ thống ABS - Luận văn phân tích hệ thống ABS, bao gồm: phân tích động học, động lực học hệ thống; đưa mối quan hệ hệ số ma sát với tỷ lệ trượt bánh xe với bề mặt đường; phân tích moment thắng - Thực mô hệ thống ABS Matlab Simulink, thực mơ cho 70 trường hợp khơng có hệ thống ABS có hệ thống ABS sử dụng điều khiển thơ sơ Từ xác định tính thiết thực hệ thống ABS việc thiết kế điều khiển cho hệ thống - Luận văn thiết kế điều khiển PID cho hệ thống ABS xác minh điều khiển thiết kế cho kết mô cải thiện so với kết mơ trường hợp khơng có hệ thống ABS có hệ thống ABS sử dụng điều khiển thô sơ Đồng thời, kết phù hợp với chất lượng điều khiển mong muốn hệ thống 5.1.2 Kết đạt hệ thống VDC - Luận văn phân tích hệ thống VDC, bao gồm: phân tích động học, động lực học xe trường hợp bậc tự do; tính tốn lực tác động lền bánh xe, góc lệch ngang, bán kính quẹo cua tốc độ xoay mong muốn xe; phân tích cân moment cho bánh xe - Luận văn đưa giải thuật xác định bánh xe cần tác động moment thắng thực kiểm chứng giải thuật qua trường hợp quẹo cua góc lái dương quẹo cua góc lái âm - Thực mơ hình hóa mơ hệ thống VDC Matlab Simulink - Thực mô cho trường hợp khơng có hệ thống VDC quẹo cua góc lái dương, quẹo cua góc lái âm quẹo cua trái phải Từ xác định tính cần thiết hệ thống VDC việc thiết kế điều khiển cho hệ thống - Luận văn thiết kế điều khiển PID cho hệ thống VDC xác minh điều khiển thiết kế cho kết mô cải thiện so với kết mơ chưa có hệ thống VDC Đồng thời, kết mô phù hợp với chất lượng điều khiển mong muốn hệ thống VDC 5.2 Đề xuất hướng phát triển cho đề tài 5.2.1 Đề xuất hướng phát triển cho hệ thống ABS - Đề xuất hướng phát triển mở rộng: đề tài thực cho dạng bề mặt đường khác với nhiều điều khiển khác - Đề xuất hướng phát triển chuyên sâu: đề tài thực điều khiển thích nghi với nhiều dạng bề mặt đường 71 5.2.2 Đề xuất hướng phát triển cho hệ thống VDC - Đề xuất hướng phát triển mở rộng: đề tài thực cho dạng địa hình, dạng bề mặt đường tình lái xe khác với nhiều điều khiển khác - Đề xuất hướng phát triển chuyên sâu: đề tài thực với mơ hình nhiều bậc tự so với bậc tự luận văn thích nghi với nhiều dạng địa hình, bề mặt đường tình lái xe 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đức Huy (2013, Aug 5) Lịch sử phát triển ngành ôtô giới [Online] Available: http://vnexpress.neưtin-tuc/oto-xe-may/lich-su-phat-trien-nganh-oto-the- gioi-2859361 html [2] Như Loan (2016, Jun 6) Bosch cung cấp hệ thống chống bó cứng phanh cho xe máy [Online], Available: http://baodautu.vn/bosch-cung-cap-he-thong-chong-bo- cungphanh-cho-xe-may-d46372.html [3] Autocar (2014, May 21) Sự Khác giữaABS EBD [Online], Available: http://www.danhgiaxe.com/su-khac-nhau-giua-abs-va-ebd-5131 [4] Thế Hoàng (2011, Oct 11) Hệ thống cân điện tử - 'bùa hộ mệnh’cho lái xe [Online] Available: http://vnexpress.neưtin-tuc/oto-xe-may/tu-van/he-thong-can- bang-dien-tu-bua-ho-menh-cho-lai-xe-2207659.html [5] Toyota Đơng Sài Gòn (2014) Tìm hiểu hệ thống Chống Bó Cứng Phanh - ABS xe Toyota [Online], Available: http://www.toyotasaigon- tesc.com/?s=T%C3%ACm+hi%El%BB%83u+h%El%BB%87+th%El%BB%91n g+Ch%El%BB%91ng+B%C3%B3+C%El%BB%A9ng+Phanh+%E2%80%93+A BS+tr%C3%AAn+xe+Toyota [6] H.H (2008, Jan 30) Tìm hiểu hệ thống cân điện tử ESP [Online], Available: http://autopro.com.vn/ky-thuat-tu-van/tim-hieu-he-thong-can-bang-dien-tu-esp200813022151898.chn [7] Driving Stability Systems, 1st ed., Robert Bosch GmbH, Postfach, Plochingen, 2005 [8] Thanh Thủy (2016, May 24) Hệ thong cân điện tủ-Tinh an tồn khơng thể thiếu [Online], Available: http://thegioixe.thanhnien.vn/tu-van/he-thong-can- bangdien-tutinh-nang-an-toan-khong-the-thieu-7650.html [9] Chankit Jain et al, “Linear Conttol Technique for Anti-Lock Braking System” in “Journal of Engineering Research and Applications”, ISSN: 2248-9622, Vol 4, Issue ( Version 1), August 2014, pp.104-108 [10] Jingang Guo et al, “Performance Evaluation of an Anti-Lock Braking System for Electric Vehicles with a Fuzzy Sliding Mode Conttoller” in “energies”, ISSN 19961073, August 2014, 459-6476 [11] Auto Part Diagram (2010) How Do Drum Brakes Work [Online], Available: 73 http://www.autopartsdiagrams.com/makes/how-do-drum-brakes-work.html [12] Meenakshi Singh et al, “Wheel Slip-Based Intelligent Controller Design for Anti-Lock Braking System” in “Advanced Research in Electrical and Electronic Engineering”, Print ISSN: 2349-5804; Online ISSN: 2349-5812 Volume 1, Number (2014) pp 82-88 [13] Nguyễn Hữu cẩn et al, “Lý thuyết ô tô máy kéo”, Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội, 2005 [14] Mathworks (2016) Modeling a Vehicle Dynamics System Available: https://www.mathworks.com/help/idenưexamples/modeling-a-vehicle-dynamicssystem.html?searchHighlight=modeling%20an%20electronic%20stability%20progr am 74 PHỤ LỤC Sơ ĐỒ MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG VDC PHỤ LỤC Sơ ĐỒ MÔ PHỎNG KHI CHƯA CÓ HẺ THÓNG VDC itenrrg ancle FLWL1 Fr_1 úniaii Lunnur _l rariíi I hang ì Itnrg.i_l Luc tar dc-g tra-ti T.x t»n Tai cantos ỉ Mrmtri I hang í H FJMsn r ÙIIMH í Fy_Oiư l áriĩiUln ! Bar h bUK tun nha Llrir H::-j|l:mỂ' ìr-ei: l«r phai ->o Fk_put_3 íy_ I'.'J UCU r nbl>.alr r, ũư s Sjmrgd1^ LaniiX_Ou_ỉ SdnMAj^ t4" p“- ssmig mpMHi I’M-: un -d FM_Ĩ Honor II a»J3 ■tcrslsrtl LarddnJ Bar BW ™ F» _