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

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ THẮM THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Đà Nẵng, 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ THẮM THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số : 62.52.02.16 LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS NGUYỄN LÊ HÒA ĐÀ NẴNG, 2020 ii THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH ABS Học viên: Nguyễn Thị Thắm Mã số: Khóa: 36 Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Luận văn trình bày thiết kế điều khiển PID cho hệ thống chống bó cứng phanh ABS Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) hệ thống an tồn tơ cho phép bánh xe trì tiếp xúc chủ động với mặt đường, ngăn chặn bánh xe bị khóa tránh trượt khơng kiểm soát ABS giúp cải thiện khả kiểm soát xe giảm khoảng cách dừng mặt đường khô ướt ABS điều chỉnh áp suất phanh độc lập với lực đạp để đưa tốc độ bánh xe giới hạn trượt cho phép ABS giúp cải thiện khả kiểm soát xe giảm khoảng cách dừng mặt đường khô ướt Bộ Bộ điều khiển PID tính tốn giá trị "sai số" hiệu số giá trị đo thông số biến đổi giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển thực giảm tối đa sai số cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Từ khóa - Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS), điều khiển PID, vận tốc dừng ô tô, khoảng cách dừng ô tô, khả bẻ lái ô tô PID CONTROLLER DESIGN FOR SYSTEMS ABS HARD BRAKE Abstract This thesis presents PID controller design for ABS anti-lock braking system Anti-lock braking system (ABS) is an automotive safety system that allows the wheels to maintain active contact with the road, preventing the wheels from locking and avoiding uncontrolled gliding ABS helps improve vehicle control and reduce stopping distance on wet and dry pavement ABS adjusts brake pressure independently with pedal force to bring wheel speed to the slip limit ABS helps improve vehicle control and reduce stopping distances on dry and wet roads The PID controller will calculate the "error" value as the difference between the variable parameter measurement value and the desired set value The controller will minimize the error by adjusting the input control value Key word - Anti-lock braking system (ABS), PID controller, stopping speed, stopping distance, ability to steer cars iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i TÓM TẮT ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vi DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH viii MỞ ĐẦU .1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học tính thực tiễn .2 Bố cục CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH (ABS) .4 1.1 Giới thiệu chung hệ thống ABS 1.1.1 Tổng quan .4 1.1.2 Chức .6 1.2 Cấu tạo 1.2.1 Tín hiệu đầu vào (cảm biến) 1.2.2 Bộ điều khiển điện tử trung tâm ECU 10 1.2.3 Cơ cấu chấp hành 15 1.3 Nguyễn lý hoạt động hệ thống phanh ABS 16 1.4 Điều khiển hệ thống ABS .18 1.5 Kết luận 22 CHƢƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG ABS 23 2.1 Mơ hình hệ thống phanh 1/4 xe 23 2.1.1 Động lực học xe bánh xe 23 2.1.2 Quan hệ hệ số ma sát hệ số trượt 24 2.2 Bộ điều khiển PID 26 2.2.1 Cấu trúc điều khiển PID 26 2.2.2 Đặc điểm khâu P, I D 28 2.3 Thiết kế điều khiển PID cho hệ thống ABS 32 iv 2.4 Kết luận 33 CHƢƠNG MÔ PHỎNG HỆ THỐNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 34 3.1 Mô hệ thống ABS vịng hở (chưa có điều khiển) 34 3.1.1 Sơ đồ mô 34 3.1.2 Kết mô 35 3.2 Mơ hệ thống ABS vịng kín (có điều khiển) .37 3.2.1 Bộ điều khiển tỷ lệ (P) 37 3.2.2 Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân (PI) .41 3.2.3 Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân - vi phân (PID) 44 3.2.4 So sánh kết mô hệ thống phanh ABS có điều khiển PID khơng có điều khiển .48 3.5 Kết luận 50 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .51 TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tên đầy đủ ABS Anti-lock Braking System Hệ thống chống bó cứng phanh ASR Anti-Slip Regulation Hệ thống chống trượt quay bánh xe BA Brake Assist Hệ thống hỗ trợ phanh EBD Eletronic Brakeforce Distribution Bộ phân phối lực phanh điện tử ECU Electronic Control Unit Bộ điều khiển điện tử VSC Vehicle Stability Control Hệ thống điều khiển ổn định thân xe PID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ ESP Electronic Stability Program Chương trình kiểm sốt ổn định động học SBC Sensoelectric Braking Control Hệ thống phanh thủy lực điện tử EHB Electrohydraulic brake Hệ thống phanh thủy lực điện tử BBW Brake – By – Wirre Hệ thống phanh điện Ý nghĩa vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU KÝ HIỆU ĐƠN VỊ GIẢI THÍCH λ Độ trượt dọc bánh xe µ Hệ số ma sát Quãng đường phanh S m Tb Nm Momen phanh v m/s Vận tốc ô tơ ω rad/s Vận tốc góc bánh xe ω0 rad/s Vận tốc góc trước phanh v0 m/s Vận tốc ô tô trước phanh g m/s2 Gia tốc chậm dần ô tô m Kg Khối lượng ô tô Mz Nm Momen quanh trục z L m Chiều dài sở ô tô J kg.m2 K N/m G N Trọng lượng tơ R m Bán kính bánh xe Momen quán tính bánh xe Hằng số độ cứng má phanh W N.s2 Hệ số cản khơng khí N.s2/m2 ρ Kg/ m3 Khối lượng riêng dầu phanh vii DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1.1 Các trạng thái giảm tốc cảm biến giảm tốc 10 2.1 Tham số mơ hình theo phương trình (3.8) loại mặt đường khác 25 2.2 Tham số mơ hình theo phương trình (2.9) loại mặt đường khác 26 2.3 Các tham số mơ hình (2.10) 26 3.1 Tham số mô 34 3.2 Khoảng cách dừng xe 49 3.3 Vận tốc bánh xe 50 3.4 Vận tốc xe 50 viii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1 Quá trình phát triển hệ thống phanh ABS 1.2 Quỹ đạo xe phanh có ABS khơng có ABS 1.3 Cấu tạo ABS 1.4 Vị trí cấu tạo cảm biến giảm tốc 1.5 Hoạt động ABS phanh bình thường 11 1.6 Hoạt động ABS chế độ giảm áp 12 1.7 Hoạt động ABS chế độ giữ áp 13 1.8 Hoạt động ABS chế độ tăng áp 14 1.9 Sơ đồ hệ thống phanh ABS ô tô 15 1.10 Dạng xung cảm biến tốc độ bánh xe 16 1.11 Xe có ABS khơng có ABS 17 1.12 Sơ đồ ngun lý hệ thống phanh ABS 18 1.13 Vùng hệ số trượt có lực phanh lớn 19 1.14 Cảm biến gia tốc dọc thân xe 20 2.1 Động lực học 1/4 xe 23 2.2 Quan hệ μ(λ) theo mơ hình Pacejka 25 2.3 Cấu trúc điều khiển PID 27 2.4 Cấu trúc điều khiển PI 28 2.5 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (Ki Kd số) 29 2.6 Đồ thị PV theo thời gian, tương ứng với giá trị Ki (Kpvà Kd không đổi) 30 2.7 Đồ thị PV theo thời gian, với giá trị Kd (Kp and Ki không đổi) 31 2.8 Cấu trúc hệ thống điều khiển ABS 32 2.9 Cơ cấu chấp hành hệ thống ABS 32 3.1 Hệ thống ABS chưa có điều khiển 34 3.2 Vận tốc bánh vận tốc xe chưa điều khiển 35 3.3 Khoảng cách dừng xe chưa có điều khiển 35 3.4 Sự biến thiên hệ số trượt theo thời gian 36 3.5 Mo mem phanh 37 3.6 Điều khiển phản hồi kiểu (P) 37 3.7 Hệ thống ABS có điều khiển (P) 38 49 Hình 3.24 Khoảng cách dừng hệ thống phanh có điều khiển PID không điều khiển Bảng 3.2 Khoảng cách dừng xe Điều Khiển Thời gian dừng Khoảng cách dừng P 5,45 (s) 79,79 (m) PI 5,40 (s) 79,77 (m) PID 5,35 (s) 79,75 (m) Không điều khiển 5,60 (s) 81,20 (m) Kết mô bảng 3.2, chứng tỏ rằng: - Hệ thống phanh ABS có sử dụng điều khiển PID khoảng cách thời gian dừng xe rút ngắn so với hệ thống phanh sử dụng điều khiển P, PI hệ thống phanh không sử dụng điều khiển 50 Bảng 3.3 Vận tốc bánh xe Điều Khiển Thời gian dừng Vận tốc bánh xe P 5,410 (s) 17,5 (m/s) PI 5,352 (s) 17,5 (m/s) PID 5,348 (s) 17,5 (m/s) Không điều khiển 5,493 (s) 17,5 (m/s) Kết mô Bảng 3.3, ta thấy hệ thống phanh có điều khiển PID vận tốc bánh xe bám với vận tốc xe so với điều khiển P, PI hệ thống phanh khơng có điều khiển Bảng 3.4 Vận tốc xe Điều Khiển Thời gian dừng Vận tốc xe P 5,425 (s) 17,5 (m/s) PI 5,408 (s) 17,5 (m/s) PID 5,385 (s) 17,5 (m/s) Không điều khiển 5,498 (s) 17,5 (m/s) Kết mô Bảng 3.4, ta thấy hệ thống phanh có điều khiển PID thời gian dừng xe giảm đáng kể so với hệ thống phanh sử dụng điều khiển P, PI hệ thống phanh không sử dụng điều khiển 3.5 Kết luận Luận văn áp dụng điều khiển PID cho hệ thống chống bó cứng phanh, rõ ràng hệ thống phanh ABS cải thiện hiệu phanh xe đáng kể Mơ hình tốn học hệ thống phanh chống bó cứng thiết lập Mơ hình ¼ xe trải qua cấu phanh, động lực học mơ hình toán học động lực phanh thủy lực phát triển để thiết kế cho mơ hình tốn học ABS Mục tiêu điều khiển trì độ trượt bánh xe mức mong muốn 0.2 để có hệ số ma sát lớn nhất, giảm khoảng cách dừng xe Các cơng thức tốn học chứng minh điều khiển thiết kế đáp ứng yêu cầu ổn định dựa lý thuyết Lyapunov Nghiên cứu thực để đánh giá chứng minh tính hiệu điều khiển thiết kế Kết mơ sử dụng Matlab/Simulink xác nhận tính hiệu điều khiển ưu điểm PID phương pháp đơn giản cho hệ thống phanh chống bó cứng 51 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN a Những mặt đạt đƣợc - Kết nghiên cứu luận văn dừng lại việc tìm hiểu sâu đề tài thiết kế điều khiển PID cho hệ thống chống bó cứng phanh ABS xem xét, đánh giá so với kết công bố dựa số báo quốc tế nghiên cứu điều khiển PID cho hệ thống chống bó cứng phanh Điểm đáng xem xét báo cáo cho thấy việc sử dụng điều khiển mang đến đổi khác biệt so với phương pháp truyền thống - Những điểm luận văn nghiên cứu là: + Đưa giải pháp sử dụng điều khiển PID cho hệ thống chống bó cứng phanh phù hợp sử dụng thực tiễn, với cơng thức tính tốn đơn giản + Độ trượt bánh xe điều chỉnh cho hệ số bám đường bánh xe cực đại hóa, tức cực đại hóa lực ma sát Rút ngắn thời gian dừng xe b Hạn chế đề tài - Mặc dù học viên có nhiều cố gắng trình nghiên cứu tìm hiểu hạn chế mặt thời gian, kiến thức, đề tài thiết kế điều khiển PID cho hệ thống chống bó cứng phanh cịn thiếu sót cần khắc phục bổ sung sau: + Hệ thống phanh chống bó cứng sử dụng điều khiển PID so với hệ thống phanh không sử dụng điều khiển khoảng cách dừng xe giảm 10% + Vận tốc bánh xe vận tốc xe chưa hoàn toàn dừng lúc hệ thống phanh chống bó cứng sử dụng điều khiển PID hệ thống phanh không sử dụng điều khiển KIẾN NGHỊ Với hạn chế nêu học viên mong muốn có điều kiện nghiên cứu phát triển, cải thiện đề tài theo hướng sau: Thiết kế điều khiển PID cho hệ thống phanh chống bó cứng phanh nhận dạng mặt đường người quan sát bao gồm để tìm kiếm độ trượt tối ưu Điều khiển ABS luận văn sử dụng điểm đặt trượt bánh xe cố định, có nghĩa thuật tốn điều khiển khơng xác định tình trạng đường khác Độ trượt bánh xe cố định 0,2 đặt làm tham chiếu lúc Giá trị khơng tối ưu tốt cho hầu hết tình 52 Do đó, mong muốn bao gồm người quan sát để xác định tình trạng mặt đường đặt giá trị trượt bánh xe tối ưu cho hệ số ma sát tối đa để điều khiển điều chỉnh nghiên cứu mở rộng để kiểm soát theo dõi Bên cạnh đó, nghiên cứu xem xét phanh thẳng Do đó, hy vọng luận văn mở rộng bao gồm tình tránh chướng ngại vật, tách phanh phanh Kiểm sốt phanh chống bó cứng kết hợp với kiểm soát lái để ổn định tổng thể xe theo hướng dọc ngang Điều hiệu suất xử lý xe phụ thuộc vào kiểm soát lái lực kéo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Byung-Ryong Lee, Kyu-Hyun Sin (2000), “Slip-Ratio Control of ABS Using PID-Control”, IEEE Transactions on Control System Technology [2] Harshal et al (2017), Linear PID control technique for single wheel ABS of motocycle, 2017 2nd International Conference for Convergence in Technology, pp 227-281 [3] Hoffmann, Oliver, et al (2007), "The Motorcycle integral brake system MIB–AN advance brake solution for high performance Motorcycle", 20th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles (ESV) No 07-0312 [4] Huang, Chun-Kuei, and Ming-Chang Shih (2010), "Design of a hydraulic antilock braking system (ABS) for a motorcycle", Journal of mechanical science and technology 24.5, 11411149 [5] Mirzaeinejad H., Mirzaei M (2010), “A novel method for non-linear control of wheel slip in anti-lock braking systems”, Control Engineering Practicevol 18, pp 918–926 [6] Pacejka (2005), H B Tire and Vehicle Dynamics Elsevier Science [7] Pacejka, Hans B., and Egbert Bakker (1992), "The magic formula tire model", Vehicle system dynamics 21.S1, 1-18 [8] Patil, Adarsh, et al (2016), "Uncertainty-Estimation-Based Approach to Antilock Braking Systems", IEEE Transactions on Vehicular Technology 65.3, 11711185 [9] Shamsmohammadi, M., et al (2011), "Design of a New Anti-Lock Braking System for Motorcycles", International Journal of Advanced Design and Manufacturing Technology 5.1 [10] Savaresi, Sergio M., and Mara Tanelli (2010), Active braking control systems design for vehicles, Springer Science & Business Media ... khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Luận văn trình bày thiết kế điều khiển PID cho hệ thống chống bó cứng phanh ABS Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) hệ thống an tồn tơ cho phép bánh xe trì tiếp xúc chủ động... phương pháp điều khiển ABS điều khiển mờ, điều khiển thơng minh, tối ưu hóa trình điều khiển ABS 2 Vì lý nên đề tài ? ?Thiết kế điều khiển PID cho hệ thống chống bó cứng phanh? ?? thực cần thiết Mục... (2.11) 2.2 Bộ điều khiển PID 2.2.1 Cấu trúc điều khiển PID Bộ điều khiển PID - điều khiển vi tích phân tỉ lệ (Proportional Integral Derivative) chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng