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

HUỲNH VĂN SANG ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - HUỲNH VĂN SANG KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÁI STEER-BY-WIRE TRÊN XE Ô TÔ C C R L T U D LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA KHÓA K37.TDH Đà Nẵng – Năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - HUỲNH VĂN SANG C C ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÁI STEER-BY-WIRE TRÊN XE Ô TÔ R L T U D Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 8520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS: NGUYỄN LÊ HÕA Đà Nẵng – Năm 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi.Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả luận văn ký ghi rõ họ tên C C DU R L T Huỳnh Văn Sang TÓM TẮT ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐIỀU KHIỂN HỆ THĨNG LÁI STEER-BY-WIRE TRÊN XE Ơ TƠ Học viên: Huỳnh Văn Sang Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: ………Khóa:37 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt – Cùng với phát triển ô tô nay, hệ thống lái khơng ngừng cải tiến với tính cơng nghệ mới, giúp đáp ứng xác u cầu người lái đảm bảo tính ổn định, an toàn điều kiện bất lợi Trong hệ thống lái Steer-by-wire mang lại nhiều lợi ích tiềm so với hệ thống lái thông thường Việc điều khiển hệ thống lái Steer-by-wire địi hỏi phải xác nâng cao chất lượng hệ thống, để tài “Ứng dụng điều khiển PID điều khiển cho hệ thống lái Steer-by-wire xe ô tô” sử dụng PID để điều khiển hệ thống vô lăng hệ thống lái bánh trước thu nhiều kết khả quan đáp ứng hệ thống đáp ứng tương đối tốt u cầu tốn, có xét đến tỷ số góc lái tốc độ khác giúp đảm bảo điều khiển hệ thống lái bánh trước ln nằm khoảng an tồn, giúp hệ thống hoạt động ổn định C C R L T Từ khóa – Hệ thống lái; Steer-by-wire ; Điều khiển PID; Hệ thống vô lăng; Hệ thống lái bánh trước DU APPLICATION OF PID CONTROL FOR STEER-BY-WIRE CAR STEERING SYSTEM Abstract - Along with the development of cars today, the steering system is constantly being improved with new features and technologies, which help to precisely meet the requirements of the driver as well as ensure stability and safety even In adverse conditions Steer-by-wire steering system offers many benefits as well as potential compared to conventional steering systems.The control of the Steer-by-wire steering system requires precision as well as improving the quality of the system, the ”PID control for Steer-by-wire car steering system“ use PIDs to control the Steering Wheel System and Front Wheel System has obtained many positive results when the system's response relatively well to the requirements of the problem, as well as considering the steering ratio at different speeds helps to ensure that the front wheel angle control is always within a safe range, helping the system to operate stably Key words – Steering system; Steer-by-wire ; PID Control ; Steering Wheel System; Front Wheel System DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT SBW: Steer-by-wire PID: Proportional Integral Derivative PI: Proportional Integral P: Proportional C C DU R L T DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Các đại lượng tương ứng với biến thành phần không đổi biểu đồ Bond miền lượng khác 35 Bảng 2 Các phương trình tương ứng với bond thành phần 37 Bảng Các thông số điều khiển P, PI, PID lựa chọn theo phương pháp Zeigler-Nichols dựa vào đáp ứng hệ hở [4] 49 Bảng Các thông số điều khiển P, PI, PID lựa chọn theo phương pháp Zeigler-Nichols dựa vào đáp ứng hệ kín [4] 50 Bảng Các tham số mô hệ thống 54 C C DU R L T DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1 Các phương pháp quay vịng xe giới Hình Sơ đồ cấu tạo chung hệ thống lái Hình Cấu tạo chung trục lái Hình Hộp số lái kiểu trục vít – cung Hình Hộp số lái kiểu trục vít – lăn Hình Hộp số lái kiểu trục vít – địn lắc Hình Hộp số lái kiểu trục vít – êcu – bi – cung 10 Hình Hộp số lái bánh – 11 Hình Cấu tạo hình thang lái điển hình 12 Hình 10 Kết cấu nối bên 13 Hình 11 Sơ đồ cấu trúc hệ thống lái 14 Hình 12 Các hệ thống lái khí 15 Hình 13 Các giá trị định lượng cảm giác lái 16 Hình 14 Hệ thống lái trợ lực thủy lực điển hình 17 Hình 15 Sơ đồ nguyên lí điều khiển trợ lực thủy lực 18 Hình 16 Hệ thống lái trợ lực thủy lực điện tử 19 Hình 17 Sơ đồ nguyên lý hệ thống trợ lực thủy lực điều khiển điện tử 19 Hình 18 Sơ đồ nguyên lý hệ thống lái trợ lực điện 20 Hình 19 Các loại hệ thống lái trợ lực điện (a EPAS-Column b EPAS-Pinion c EPAS-Dual-Pinion d EPAS-Rack) 21 Hình 20 Mơ hình phân tích góc quay thân xe biến dạng lốp 22 Hình 21 Các kiểu hệ thống lái điện( a Dẫn động tích hợp b Dẫn động độc lập) 23 Hình 22 Hệ thống lái thơng thường 25 Hình 23 Cấu tạo hệ thống lái Steer-by-wire 26 Hình 24 Nguyên lý hoạt động hệ thống lái Steer-by-wire 27 Hình 25 Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống Steer-by-wire theo [1] 28 Hình 26 Đồ thị kết góc lái bánh trước sử dụng điều khiển PID theo [1] 28 Hình 27 Kết góc lái bánh trước có xét đến nhiễu theo [1] 29 Hình 28 Kết góc lái tốc độ 10km/h 100km/h theo [1] 29 Hình 29 Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống Steer-by-wire theo [2] 30 Hình 30 Đáp ứng hệ thống tín hiệu vào hàm nấc đơn vị theo [2] 30 Hình 31 Đáp ứng hệ thống tín hiệu vào hình sin theo [2] 31 Hình 32 Đáp ứng hệ thống tín hiệu vào nhiễu theo [2] 31 C C R L T DU Hình Mơ hình hệ thống lái Steer-by-wire 33 Hình 2 Sơ đồ hệ thống vô lăng 34 Hình Biểu đồ Bond hệ thống vô lăng 35 Hình Mối quan hệ biến thành phần khơng đổi biểu đồ Bond 36 Hình Sơ đồ trạng thái hệ thống vô lăng 38 Hình Sơ đồ hệ thống lái bánh trước 39 Hình Biểu đồ Bond hệ thống lái bánh trước 40 Hình Sơ đồ trạng thái hệ thống lái bánh trước 41 Hình Sơ đồ hệ thống điều khiển sử dụng điều khiển 42 Hình Sơ đồ hệ thống điều khiển sử dụng điều khiển 43 Hình 3 Biểu đồ Bode khâu hiệu chỉnh sớm pha (trái) trễ pha (phải) [4] 45 Hình Biểu đồ Bode khâu hiệu chỉnh sớm trễ pha [4] 46 Hình Biểu đồ Bode khâu hiệu chỉnh PI (trái) PD (phải) [4] 47 Hình Biểu đồ Bode khâu hiệu chỉnh PID [4] 48 Hình Sơ đồ thành phần hệ thống điều khiển Steer-By-Wire 51 Hình Sơ đồ cấu trúc điều khiển sử dụng PID 52 Hình Đáp ứng nấc hệ hở có dạng S [4] 49 Hình 10 Đáp ứng nấc hệ kín K = Kgh [4] 50 Hình 11 Đáp ứng đầu đầu vào hàm nấc đơn vị [4] 53 C C DU R L T Hình Sơ đồ khối p3 khối hệ thống vô lăng 55 Hình Sơ đồ khối q5 khối hệ thống vô lăng 55 Hình Sơ đồ khối p10 khối hệ thống vô lăng 55 Hình 4 Sơ đồ khối p15 khối hệ thống vô lăng 56 Hình Sơ đồ khối hệ thống vô lăng Matlab Simulink 56 Hình Sơ đồ khối p2 khối hệ thống lái bánh trước 57 Hình Sơ đồ khối p6 nằm khối hệ thống lái bánh trước 57 Hình Sơ đồ khối q9 nằm khối hệ thống lái bánh trước 57 Hình Sơ đồ khối p12 nằm khối hệ thống lái bánh trước 58 Hình 10 Sơ đồ khối q16 nằm khối hệ thống lái bánh trước 58 Hình 11 Sơ đồ khối p18 nằm khối hệ thống lái bánh trước 58 Hình 12 Sơ đồ khối hệ thống lái bánh trước Matlab Simulink 59 Hình 13 Sơ đồ khối điều khiển tín hiệu phản hồi tỷ số góc lái Matlab Simulink 59 Hình 14 Sơ đồ mơ hệ thống lái Matlab Simulink 60 Hình 15 Giao diện PID tuner khối PID1 61 Hình 16 Đáp ứng vịng điều khiển hệ thống vơ lăng PID tuner sau hiệu chỉnh 61 Hình 17 Đáp ứng đầu vịng điều khiển hệ thống vơ lăng so với đầu vào 62 Hình 18 Đáp ứng vòng điều khiển hệ thống lái bánh trước giao diện PID tuner 62 Hình 19 Đáp ứng vòng điều khiển hệ thống lái bánh trước sử dụng PID tuner 63 Hình 20 Khối tín hiệu điều khiển yêu cầu trước Matlab Simulink 63 Hình 21 Đáp ứng hệ thống đầu vào có dạng hàm nấc đơn vị 64 Hình 22 Đáp ứng hệ thống đầu vào có dạng sin 64 Hình 23 Đáp ứng hệ thống với tín hiệu vào nhiễu 65 Hình 24 Đồ thị so sánh góc lái bánh trước khơng sử dụng sử dụng tỷ số góc lái 66 C C DU R L T MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN TÓM TẮT DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI 1.1 Chức năng, cấu tạo, phân loại hệ thống lái C C 1.1.1 Chức R L T 1.1.2 Yêu cầu hệ thống lái 1.1.3 Phân loại hệ thống lái DU 1.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động chung hệ thống lái 1.2.1 Cấu tạo 1.2.2 Nguyên lý hoạt động 1.2.3 Các phận hệ thống lái 1.3 Các loại hệ thống lái 13 1.3.1 Hệ thống lái khí 14 1.3.2 Hệ thống lái trợ lực thủy lực 17 1.3.3 Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện tử 19 1.3.4 Hệ thống lái trợ lực điện tử 20 1.3.5 Hệ thống lái chủ động 21 1.3.6 Hệ thống lái điện 22 1.3.7 Hệ thống lái Steer-by-wire 24 1.4 Phương pháp điều khiển hệ thống lái 27 CHƢƠNG 2: MÔ HÌNH TỐN HỆ THỐNG LÁI STEER-BY-WIRE 33 2.1 Các vấn đề 33 2.2 Mô hình tổng quát hệ thống lái steer-by-wire 33 67 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Đề tài “Ứng dụng điều khiển PID điều khiển cho hệ thống lái Steer-by-wire xe ô tơ” xây dựng phương trình tốn học dựa biểu đồ Bond từ giúp xây dựng mơ hình tốn học hệ thống, phương pháp điều khiển sử dụng hai PID để điều khiển hệ thống vô lăng hệ thống lái bánh trước, sử dụng tỷ số góc lái để điều khiển góc lái bánh trước theo tốc độ khác Kết cho thấy hệ thống thỏa mãn yêu cầu toán đặt việc đáp ứng đầu với thời gian xác lập nhỏ, độ lọt vố nằm khoảng cho phép, hoạt động tương tín hiệu nhiễu, thay đổi front wheel angle theo tốc độ giúp đảm bảo an tồn tính ổn định hệ thống Đề tài chưa xét đến nhiều yếu tố ảnh hưởng đến trình điều khiển xe thực tế cảm giác lái, tín hiệu đặt chưa thực tế Tuy đề tài dùng làm tài liệu tham khảo cho ứng dụng phát triển sau C C DU R L T 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Sheikh Muhamad Hafiz fahami, Hairi Zamzuri, Saiful Amri Mazlan, Muhammad Aizzat Zakaria, “Modeling and Simulation of Vehicle Steer by Wire System”, IEEE Symp Humanit Sci Eng Res, tr 765–770, 2012 [2] Mohd Zaidi Mohd Tumari, Muhammad Salihin Saealal, Wan Norhisyam Abd Rashid, Shahrizal Saat, Muhamad Azidi Mohd Nasir “The Vehicle Steer by Wire Control System by Implementing PID Controller” e-ISNN:2289-8131, Vol.9 No 3-2, 2017 [2] [3] Reza Kazemi, Iman Mousavinejad, “A Comprehensive model for developing of Steer-By-Wire System”, World Academy of Science, Engineering and Technology International Journal of Mechanical, Aerospace, Industrial and Mechatronics Engineering, Vol:5 No:8, 2011 [4] Nguyễn Thị Phương Hà, Lý thuyết điều khiển tự động, Đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, 2005 [5] Nguyễn Thị Phương Hà, Lý thuyết điều khiển đại, Đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, 2002 [6] Cao Trọng Hiền, Đào Mạnh Hùng, Lý thuyết ô tô, NXB Giao thông vận tải, 2010 [7] Nguyễn Doãn Phước, Lý Thuyết Điều Khiển Nâng Cao, (2009), NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2009 [8] Nguyễn Dỗn Phước, Phân tích Điều Khiển Hệ phi tuyến, NXB Bách khoa Hà Nội, 2015 [9] https://oto.edu.vn/tim-hieu-he-thong-lai-dien-tu-steer-by-wire [10] https://thanhphongauto.com/he-thong-lai-xe-o-to [11] https://congnghe.vn/muc/thanh-tuu-khoa-hoc/tin/he-thong-lai-dien-tusteer-by-wire-2098110 [12] https://autovietnam.wordpress.com/2007/04/03/nguyen-ly-hoat-dong-cuahe-tthong-lai [13] https://garatructuyen.com/full-he-thong-lai-trang-bi-tren-o-to-hien-nay [14] https://autodaily.vn/2012/07/nguyen-ly-hoat-dong-cua-he-thong-lai [15] https://khoahoc.tv/nguyen-ly-hoat-dong-cua-he-thong-lai-14897 C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T ... hệ thống lái thông thường Việc điều khiển hệ thống lái Steer- by- wire địi hỏi phải xác nâng cao chất lượng hệ thống, để tài ? ?Ứng dụng điều khiển PID điều khiển cho hệ thống lái Steer- by- wire xe. .. điều khiển hệ thống lái công bố, áp dụng số báo như: Ở [1] sử dụng phương pháp điều khiển sử dụng điều khiển PID để điều khiển hệ thống vô lăng hệ thống lái bánh trước Ngồi cịn có khối điều khiển. .. L T DU Hệ thống lái thông thường mơ tả hình 1.22 Hình 22 Hệ thống lái thông thường [5] Hệ thống lái Steer- by- wire hệ thống lái điện tử sử dụng thước lái hệ thống lái nay, nhiên thay sử dụng bơm