Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết này trình bày việc sử dụng hệ thống phanh để ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô. Trước tiên một mô hình tổng quát của ô tô được đề xuất gồm mô hình động lực học chuyển động và dao động. Sau đó tác giả sử dụng phương pháp điều khiển PID để thiết kế bộ điều khiển lực phanh tới từng bánh xe nhằm nâng cao tính an toàn chuyển động.
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO CHƯƠNG TRÌNH ỔN ĐỊNH ĐIỆN TỬ TRÊN Ô TÔ PID CONTROLLER DESIGN FOR AN ELECTRONIC STABILITY PROGRAM ON CARS Vũ Văn Tấn TÓM TẮT Quỹ đạo chuyển động không theo mong muốn người lái xe nguyên nhân gây tai nạn giao thơng Bài báo trình bày việc sử dụng hệ thống phanh để ổn định quỹ đạo chuyển động tơ Trước tiên mơ hình tổng quát ô tô đề xuất gồm mô hình động lực học chuyển động dao động Sau tác giả sử dụng phương pháp điều khiển PID để thiết kế điều khiển lực phanh tới bánh xe nhằm nâng cao tính an tồn chuyển động Thông số xem xét để thiết kế điều khiển sai lệch vận tốc góc quay thân xe mơ hình tơ thực tế mơ hình lý tưởng Kết mô miền thời gian thể rõ hiệu điều khiển đề xuất giảm tín hiệu khảo sát 30% so với ô tô không điều khiển Bên cạnh sai lệch tốc độ góc quay thân xe thời gian ngắn tiến giá trị không, điều cho thấy quỹ đạo chuyển động thực tế ô tô gần theo mong muốn người lái Từ khóa: Động lực học tơ, hệ thống phanh, hệ thống ổn định quỹ đạo chuyển động ESP, điều khiển PID, dao động ô tô ABSTRACT The incorrect trajectory of cars according to the driver's wishes is one of the main causes of traffic accidents This paper presents the use of the brake system to stabilize the trajectory of cars First, an integrated model of a car is proposed, which includes the longitudinal, lateral and vertical motions Then, the author uses PID control method to design the braking force controller to each wheel to improve the road safety The parameter considered for the controller design is the deviation of the yaw rate between the actual car model and the ideal one The simulation results in the time domain clearly show the effect of the proposed controller when reducing survey signals by more than 30% compared to cars without control Beside that the deviation of the yaw rate is always forward to zero with the short time, which shows that the actual trajectory of the car is almost what the driver wishes Keywords: Vehicle dynamics, brake system, electronic stability program, PID control, vehicle vibration Khoa Cơ khí, Trường Đại học Giao thông Vận tải Email: vvtan@utc.edu.vn Ngày nhận bài: 05/8/2020 Ngày nhận sửa sau phản biện: 25/9/2020 Ngày chấp nhận đăng: 21/10/2020 GIỚI THIỆU Khi ô tơ chuyển động đường, nhiều tình bất ngờ xảy khiến lái xe khơng làm chủ phương tiện Trong tơ tính điều khiển hay khả ổn định hướng chuyển động nguyên nhân dẫn đến vụ tai nạn giao thơng nghiêm trọng Tính ổn định quỹ đạo chuyển động ô tô hiểu khả ô tô giữ hướng chuyển động theo yêu cầu điều kiện chuyển động Tùy thuộc vào trạng thái chuyển động khác nhau, tơ ổn định hướng chuyển động có tác dụng lực ngang (do tác dụng gió mặt đường nghiêng), quay vịng phanh gấp đường có hệ số bám khác hai bên bánh xe Trong điều kiện sử dụng phức tạp vậy, ô tô phải giữ quỹ đạo chuyển động mong muốn theo tín hiệu điều khiển người lái Có nhiều nguyên nhân gây ổn định hướng chuyển động ô tô như: ổn định quay vòng, ổn định lực ngang biến dạng bên lốp, ổn định hướng phanh, ổn định khởi hành tăng tốc Để ổn định quỹ đạo chuyển động theo mong muốn người lái phải đề cập tới động lực học chuyển động tơ, tách ba hướng nghiên cứu là: chuyển động thẳng, chuyển động quay vịng tính tiện nghi êm dịu chuyển động Để khảo sát tính ổn định tơ người ta đưa mơ hình khảo sát tổng qt “xe - môi trường - người lái” [1] Trong thực tế yếu tố môi trường luôn thay đổi, dẫn tới thay đổi mối tương quan chuyển động ô tơ đường Ngưới lái ln ln có tác động điều chỉnh để thu chuyển vị phù hợp Hình Sơ đồ mơ hình điều khiển quỹ đạo chuyển động ô tô Dựa sở mơ hình điều khiển quỹ đạo chuyển động hình 1, xuất hướng nghiên cứu chủ yếu sau tính ổn định tô: ổn định quỹ dạo chuyển động lái điện tử [2], ổn định điều khiển lực kéo [3], ổn định quỹ đạo chuyển động điều khiển 88 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (10/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 lực phanh [4] Trong ổn định quỹ đạo lực phanh hệ thống quan tâm nghiên cứu nhiều trang bị nhiều ô tô Hệ thống sử dụng chấp hành thủy lực điện từ để thay đổi áp suất phanh bánh xe [5] Lực phanh điều khiển cách tăng áp suất phanh bánh xe bên trái so sánh với với bánh xe bên phải, sinh mô men xoay thân xe ngược chiều kim đồng hồ Hoặc tăng áp suất phanh bánh xe bên phải so sánh với áp suất phanh bánh xe bên trái, tạo mô men xoay chiều kim đồng hồ Trên sở vào năm 1995, ESP (Electronic Stability Program) đời chương trình điều khiển ổn định hướng chuyển động xe nhờ tự động điều khiển lực phanh bánh xe Có nhiều phương pháp điều khiển hệ thống ổn định ESP kể đến PID [6], Fuzzy [7,8] Tuy nhiên nghiên cứu chủ yếu giải vấn đề xây dựng thuật toán điều khiển tối ưu nhằm khắc phục tồn hệ thống chống bó cứng bánh xe ABS ổn định quỹ đạo chuyển động ESP Bài báo tác giả bước đầu đề xuất xây dựng điều khiển PID để điều khiển lực phanh bánh xe nhằm ổn định quỹ đạo chuyển động trường hợp quay vịng thiếu Mơ hình ô tô sử dụng nghiên cứu mô hình đầy đủ gồm dao động quay vịng ô tô Do vậy, báo phân với cấu trúc gồm phần Phần giới thiệu mô hình đầy đủ tơ nghiên cứu Phần thiết kệ điều khiển PID với mục tiêu nâng cao ổn định quỹ đạo chuyển động theo mong muốn ngưới lái Phần kết mô miền thời gian Phần kết luận đề xuất hướng nghiên cứu ngang cách trọng tâm đoạn hr; góc lắc quanh trục lắc dọc cách trọng tâm đoạn hp bốn dịch chuyển thẳng đứng bốn bánh xe ZUi Hệ phương trình dao động ô tô viết sau: ms Zs FK1 FA1 FD1 FK2 FA2 FD2 FK3 FA3 FD3 FK4 FA4 FD4 (FK1 FA1 FD1)Tf (FK2 FA2 FD2 )Tf ( J x msh r ) (FK3 FA3 FD3 )Tr (FK4 FA4 FD4 )Tr Fjyhp (J m h ) s p (FK1 FA1 FD1)Lf (FK2 FA2 FD2 )Lf y (FK3 FA3 FD3 )Lr (FK4 FA4 FD4 ))Lr Fwhw Fjxhr m z ( F FA1 FD1) Ku1(q1 zu1) u1 u1 K1 mu2zu2 (FK2 FA2 FD2 ) Ku2 (q2 zu2 ) mu3zu3 (FK3 FA3 FD3 ) Ku3 (q3 zu3 ) m z (F F F K ( z ) K4 A4 D4 u4 q4 u4 u4 u4 (1) Trong đó: FKi = ksi(zui – zsi): lực đàn hồi, với ksi độ cứng phần tử đàn hồi FAi = kAi(zui – zsi): lực ổn định ngang, với kAi độ cứng chống xoắn FDi dsi (z ui z si ) : lực cản giảm chấn, với dsi hệ số cản giảm chấn 2.2 Mơ hình động lực học chuyển động tơ MƠ HÌNH Ơ TƠ CON 2.1 Mơ hình động lực học dao động Hình Sơ đồ mơ hình dao động tổng qt tơ [12] Mơ hình tơ xây dựng với giả thiết: thân xe coi cứng tuyệt đối, có trọng lượng phân bố đối xứng theo trục dọc xe, phần tử đàn hồi giảm chấn mô hình có đặc tính tuyến tính, bỏ qua hệ số cản lốp độ dốc đường Mơ hình có bậc tự thể hình gồm có: chuyển động thân xe dịch chuyển theo phương thẳng đứng Zs; góc lắc quanh trục lắc Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Hình Mơ hình động lực học chuyển động tơ [12] Hình minh họa mơ hình tơ hai vết nghiên cứu chuyển động ô tô trường hợp tổng quát chịu tác dụng lực gió ngang với giả thiết lực tác dụng lên bánh xe đặt tâm vết tiếp xúc bánh xe với mặt đường, bỏ qua lực cản bánh xe tải trọng tĩnh phân bố đối xứng theo phương chuyển động ô tô Các ký hiệu hình gồm: C - trọng tâm tơ, δi góc quay bánh xe dẫn hướng, αi - góc lệch bên bánh xe thứ i (i = ÷ 4), ψ - góc quay thân xe quanh trục thẳng đứng qua trọng tâm, β - góc lệch thân xe so với phương chuyển động, v- vận tốc chuyển động ô tô, vx, vy - thành phần vận tốc ô tô hệ tọa độ trọng tâm, vi - vận tốc bánh xe thứ i; Fyi - phản lực ngang từ mặt đường tác dụng lên bánh xe thứ i, Fxi - lực dọc tác dụng lên bánh xe thứ i, Fw - lực cản không; N - lực ngang tác dụng đặc trưng cho gió ngang; Tf ,Tr - nửa khoảng cách tâm hai vết bánh xe cầu trước sau; Lf, Lr - khoảng cách từ trọng tâm đến tâm vết bánh cầu trước sau Vol 56 - No (Oct 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 89 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Phương trình lực tác dụng lên tô theo phương dọc ngang xác định sau: m v x m v y ( ) Fx cos( 1 ) Fx cos( ) Fx Fx Fy1 sin( 1 ) Fy sin( ) Fw m v y m v x ( ) Fx sin( ) Fx1 sin( 1 ) F cos( ) F cos( ) F F N y2 y3 y4 y1 (2) Phương trình mơ men trọng tâm xe xác định sau: Jz Fy1 cos( 1 )Lf Fy cos( )Lf Fy 3Lr Fy Lr Fy sin( 1 )Tf Fy sin( )Tf Fx1 sin( 1 )Lf Fx sin( )Lf (3) Hình Mơ hình cấu trúc điều khiển PID Sơ đồ điều khiển PID đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh nó, tổng ba khâu tạo thành tín hiệu điều khiển, xác định sau: Fx1 cos( 1 )Tf Fx cos( )Tf Fx Tr Fx Tr Ne t u(t) K p e(t) K i e(t)dt K d Từ phương trình (1), (2) (3), hệ phương trình mơ tả chuyển động tổng quát sau: vx vy ( ) m(Fx1 cos(1 ) Fx2 cos(2 ) Fx3 Fx4 Fy1 sin(1) Fy2 sin(2 ) Fw) v y vx ( ) (Fx2 sin(2 ) Fx1 sin(1) m Fy1 cos(1 ) Fy2 cos(2 ) Fy3 Fy4 N) Jz (Fy1 cos(1)Lf Fy2 cos(2 )Lf Fy3Lr Fy4Lr Fy1 sin(1)Tf Fy2 sin(2 )Tf Fx1 sin(1 )Lf Fx2 sin(2 )Lf Fx1 cos(1 )Tf Fx2 cos(2 )Tf Fx4 Tr Fx3Tr Ne) ms Zs FK1 FA1 FD1 FK2 FA2 FD2 FK3 FA3 FD3 FK FA4 FD4 (FK1 FA1 FD1)Tf (FK2 FA2 FD2 )Tf (Jx msh2r ) (FK3 FA3 FD3 )Tr (FK4 FA4 FD4 )Tr Fjyhp (J m h2 ) s p (FK1 FA1 FD1 )Lf (FK2 FA2 FD2 )Lf y (FK3 FA3 FD3 )Lr (FK FA4 FD4 ))Lr Fwhw Fjxhr m z (F u1 u1 K1 FA1 FD1 ) K u1(q1 zu1 ) mu2 zu2 (FK2 FA2 FD2 ) Ku2 (q2 zu2 ) mu3zu3 (FK3 FA3 FD3 ) Ku3 (q3 zu3 ) mu4zu4 (FK FA4 FD4 Ku4 (q4 zu4 ) d e (t ) dt (5) Trong đó: e sai số, Kd: độ lợi vi phân, Kp: độ lợi tỉ lệ, Ki: độ lợi tích phân 3.2 Xây dựng điều khiển PID Tính ổn định quỹ đạo chuyển động ô tô đánh giá khả ô tô đảm bảo quỹ đạo chuyển động mong muốn theo tín hiệu điều khiển người lái Quan hệ giá trị tốc độ góc quay thân xe mong muốn theo tốc độ chuyển động góc quay bánh xe dẫn hướng xác định sau [9]: ( t ) (4) THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ 3.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển PID Bộ điều khiển PID xem xét giá trị sai số hiệu số giá trị đo thông số biến đổi thực tế giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển thực giảm tối đa sai số cách điều chỉnh giá trị đầu vào Trong trường hợp kiến thức trình bị hạn chế điều khiển PID điều khiển đơn giản để áp dụng Tuy nhiên, để đạt kết tốt nhất, thông số PID gồm Ki, Kp, Kd cần phải điều chỉnh theo tính chất hệ thống Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID thể hình Bằng cách lựa chọn giá trị Ki, Kp, Kd khác biến thể thường xuất điều khiển điều khiển P hay PI Cần lưu ý hệ số xác định tự động từ phần mềm Matlab để đạt hiệu tốt v R v l l mv L ( r f ) 2L C af C ar , [rad / s ] (6) Để đảm bảo ô tô chuyển động theo quỹ đạo mong muốn, cần xác định hệ số Kp, Kd Ki điều khiển PID để sai lệch e tốc độ quay thân xe thực tế * (t) (được xác định cảm biến tốc độ quay thân xe) tốc độ góc quay mong muốn nhỏ Do toán tối ưu xác định: e(t) | * (t) (t) | (7) K p ,K i ,K d Ứng dụng thuật toán tối ưu tổng bình phương sai lệch nhỏ với hàm phi tuyến “lsqnonlin” phần mềm Matlab Simulink [10], ta nhận giá trị tối ưu điều khiển PID là: Kp = 22899; Ki = 113284; Kd = 41 Để đảm bảo khả bám ngang bánh xe dẫn hướng tơ quay vịng, điều khiển cung cấp tín hiệu đến bánh xe phía sau Tín hiệu lực phanh phân phối đến bánh xe dựa chiều quay bánh xe dẫn hướng giá trị hệ số quay vòng Ks m ( lr lf ) L Caf Car KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ Ở phần tác giả đánh giá hiệu điều khiển đề xuất miền thời gian Với đường nét đứt cho ô tô không sử dụng hệ thống ổn định quỹ đạo chuyển động nét liền cho ô tô sử dụng hệ thống ổn định quỹ đạo chuyển động với điều khiển PID Giá trị độ cứng bên bánh xe cầu trước cầu sau trường hợp quay vòng thiếu xác định sau: Caf = 30000 [N/rad] Car = 26000 [N/rad] hệ số quay vòng Ks = 0,00017 90 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (10/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY Hình Quỹ đạo chuyển động ô tô quay vòng thiếu Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol 56 - No (Oct 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 91 ... bánh xe dẫn hướng xác định sau [9]: ( t ) (4) THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ 3.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển PID Bộ điều khiển PID xem xét giá trị sai... Car KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ Ở phần tác giả đánh giá hiệu điều khiển đề xuất miền thời gian Với đường nét đứt cho ô tô không sử dụng hệ thống ổn định quỹ đạo chuyển động nét liền cho ô tô sử... Stability Program) đời chương trình điều khiển ổn định hướng chuyển động xe nhờ tự động điều khiển lực phanh bánh xe Có nhiều phương pháp điều khiển hệ thống ổn định ESP kể đến PID [6], Fuzzy [7,8]