Bảng thông số mô hình hệ thống phanh ABS ¼ xe
TT Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị MÔ HÌNH LỐP
1 Hệ số giá trị lớn nhất vr1 1,05
2 Hệ số dạng của đường cong vr2 15,5
3 Hệ số giá trị chênh lệch vr3 0,52
MÔ HÌNH Ô TÔ
1 Bán kính lốp R m 0,217
2 Khối lượng quán tính bánh xe J kg.m^3 1,54
3 Khối lượng xe m kg 100
4 Vận tốc xe V0 m/s
5 Vận tốc bánh xe rad/s
MÔ HÌNH CƠ CẤU CHẤP HÀNH
1 Khối lượng riêng của dầu kg/m^3 1025
2 Hiệu suất tiết lưu 0,85
3 Mô đun đàn hồi của dầu bar 1875
4 Bán kính xy lanh chính m 0.008
5 Khối lượng pit tông xy lanh chính kg 0,01
6 Bán kính xy lanh phanh m 0,029
- 46 -
8 Bán kính lỗ van giảm áp m 0,003
9 Bán kính bình tích năng m 0,01
10 Khối lượng pit tông tích năng kg 0,01
11 Độ cứng lò xo tích năng N/m 2500
12 Bán kính lỗ van 1 chiều 12 m 0,002
Nhận xét về chƣơng 2:
Chương 2 đã xây dựng được hệ phương trình mô tả hệ thống phanh ABS ¼ xe bao gồm: Hệ thống thủy lực, Động lực học bánh xe và Mô hình tính toán lốp. Trong hệ phương trình (2.30), nhận thấy các thông số kết cấu trong hệ thống là những thông số cố định:
Thông số xy lanh chính: Cm, Mm, Am
Thông số của các van: A6,Cd6, A7,Cd7
Thông số xy lanh phanh chính: As, Cs, Ms
Từ các thông số cơ bản trên có thể xác định được áp suất tại xy lanh phanh chính theo điều khiển pha làm việc của hệ thống ABS và do đó xác định được momen phanh.
- 47 -
(P˙s=(βsQ6
Vs> 0 nếu pha tăng áp
0 nếu pha giữ áp
− βsQ7
Vs< 0 nếu pha giảm áp Fx= ˙ω.J+ Kb.Ps R Fx=−m.v˙ λ = v− ωR v (2.31)
Trong điều khiển, một vấn đề quan trọng là độ trễ của hệ thống, độ trễ của hệ thống liên quan tới các khối lượng quán tính. Do đó, khi mô phỏng sử dụng hệ phương trình (2.31) cần quan tâm tới trường hợp có khối lượng quán tính và không có khối lượng quán tính.
Thông số đầu ra mong muốn là duy trì giá trị lực phanh Fx lớn nhất. Hệ phương trình (2.31) cho thấy giá trị lực phanh Fx chịu ảnh hưởng bởi các nhân tố:
Áp suất hay momen phanh: thông số này chịu ảnh hưởng bởi kết cấu của hệ thống thủy lực và pha làm việc của ABS;
Thông số kết cấu của xe: momen quán tính của lốp, khối lượng, bán kính lốp; Đặc điểm của tương tác lốp và mặt đường.
Trong các thông số trên thì các pha làm việc của ABS sẽ ảnh hưởng tới một thông số có thể đo được trong hệ thống ABS thực tế là gia tốc góc bánh xe ˙ω, do đó đề tài lựa chọn thông số này làm thông số đầu vào điều khiển tối ưu lực phanh Fx.
- 48 -
XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN
Những phương pháp mới điều khiển ABS đã và đang được tiếp tục nghiên cứu. Việc xây dựng mô hình phi tuyến động học của bánh xe, lốp, ô tô và hệ thống thủy lực giúp cho quá trình nghiên cứu phanh trên máy tính dễ dàng hơn. Các thuật toán điều khiển độ trượt hay lực phanh được mô phỏng trên máy tính với các điều kiện gần sát với thực tế nhất và được kiểm nghiệm để đánh giá tính đúng đắn của chúng. Thuật toán điều khiển là cơ sở sử dụng để tổ hợp bộ điều khiển.
Các thông số đo được trong hệ thống phanh bao gồm áp suất phanh và vận tốc góc bánh xe. Thông số vận tốc dài tuyệt đối của xe lại không đo được chính xác và do đó không thể xác định được chính xác giá trị độ trượt. Vấn đề xác định hoặc dự đoán được thông số này vẫn là một vấn đề thách thức hiện nay.
Trong quá trình phát triển của hệ thống ABS đã có nhiều nguyên lý và thuật toán điều khiển được đưa ra. Thuật toán điều khiển đầu tiên và thường được nhắc tới trong điều khiển ABS trên ô tô là thuật toán điều khiển theo giá trị độ trượt được định trước. Một phương pháp điều khiển ABS khác thường được nhắc tới là điều khiển theo giá trị gia tốc góc giới hạn. Sự phát triển của kỹ thuật điều khiển đã đưa nhiều phương pháp điều khiển khác nhau vào điều khiển quá trình phanh như: lý thuyết điều khiển mờ, điều khiển kiểu trượt,…
3.1. PHÂN TÍCH CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
- 49 -
Trong chương 2, đề tài đã phân tích ảnh hưởng tương tác giữa lốp và mặt đường tới chất lượng phanh và khả năng dẫn hướng của ô tô. Do tương tác này phụ thuộc vào bản chất của mặt tiếp xúc, do đó đối với mỗi một loại đường có một giá trị độ trượt tối ưu mà tại đó giá trị lực phanh lớn nhất và giá trị lực bám ngang khá lớn đảm bảo hiệu quả phanh và tính ổn định hướng khi phanh.
Do đó để điều khiển tốt nhất quá trình phanh, bộ điều khiển phải xác định được độ trượt và điều khiển độ trượt của lốp nằm gần giá trị độ trượt tối ưu. Phương pháp điều khiển theo độ trượt được thực hiện như sau:
Khi độ trượt của lốp nhỏ hơn giá trị độ trượt tối ưu: hệ thống phanh sẽ tăng áp suất, làm cho vận tốc góc bánh xe giảm và do đó làm tăng giá trị độ trượt lên;
Khi độ trượt của lốp vượt quá giá trị độ trượt tối ưu: hệ thống phanh sẽ giảm áp suất, do đó vận tốc góc bánh xe sẽ tăng lên, giảm giá trị độ trượt;
Khi độ trượt của lốp nằm bằng giá trị độ trượt tối ưu: hệ thống phanh sẽ giữ áp suất, giữ cho momen phanh bánh xe ổn định, giữ cho giá trị độ trượt nằm trong gần giá trị độ trượt tối ưu.
Tuy nhiên để điều khiển giữ cho độ trượt bằng đúng độ trượt tối ưu là một vấn đề rất khó, vì vậy thực tế thường cho phép độ trượt dao động trong một vùng nhỏ xung quanh giá trị độ trượt tối ưu – gọi là vùng trượt.
Phương pháp điều khiển theo độ trượt định trước được thể hiện theo sơ đồ thuật toán sau:
- 50 -
Hình 3.1: Sơ đồ thuật toán điều khiển theo độ trượt định trước
Phương pháp điều khiển này có ưu điểm là quá trình phanh phù hợp với nhiều loại đường, có thể coi phương pháp điều khiển theo độ trượt là phương pháp điều khiển lý tưởng, các phương pháp điều khiển phanh sau này đều cố gắng dựa trên nguyên lý điều khiển của phương pháp này để tối ưu quá trình phanh.
Đề tài đã tiến hành mô phỏng thử nghiệm kiểm chứng phương pháp điều khiển này trên mô hình hệ thống phanh ABS ¼ xe đã xây dựng trong chương 2 với các trường hợp hệ thống không có độ trễ ở hai loại đường khác nhau.
- 51 -
Bảng thông số các loại đường thử nghiệm
Loại đường vr1 vr2 vr3
I 0,95 15,5 0,52
II 1 9,5 0,52
- 52 -
- 53 -
- 54 -
Qua kết quả mô phỏng của cả 2 trường hợp trên, nhận thấy điều khiển theo độ trượt trong điều kiện không có trễ kết quả phanh rất tốt. Hiệu quả phanh cao thể hiện ở thời gian phanh, quãng đường phanh ngắn.
Nhận thấy trong điều khiển không có độ trễ, giá trị gia tốc góc bánh xe dao động xung quanh một giá trị gia tốc góc nhất định, và giảm dần theo trị số vận tốc góc.
Như vậy ta có thể đưa ra một số nhận xét sau đây về quá trình phanh điều khiển theo phương pháp giá trị độ trượt định trước ở loại đường I:
Gia tốc góc bánh xe trong quá trình phanh thay đổi tỷ lệ với vận tốc góc bánh xe, nếu vận tốc góc bánh xe lớn thì gia tốc góc cũng lớn và ngược lại;
Gia tốc góc bánh xe luôn dao động quanh một giá trị xác định, giá trị này phụ thuộc vào bản chất tương tác lốp – đường;
Hiệu quả phanh đối với một loại đường xác định rất tốt, giá trị lực phanh duy trì ổn định ở mức cao, tận dụng hết lực bám của bánh xe.
Như vậy phương pháp điều khiển theo độ trượt định trước là một hướng nghiên cứu đúng.
Tuy nhiên phương pháp điều khiển theo độ trượt cũng có nhược điểm là giá trị độ trượt là một thông số khó xác định do không đo được trực tiếp. Muốn xác định được giá trị độ trượt phải xác định được các thông số: vận tốc góc bánh xe và vận tốc dài của xe, trong đó thông số vận tốc dài của xe là một thông số khó xác định được chính xác. Do đó khả năng áp dụng phương pháp điều khiển theo độ trượt định trước trong thực tế là rất khó, bắt buộc phải có các phương pháp khác để dự đoán hoặc ước lượng giá trị độ trượt thông qua một vài thông số trung gian khác.
- 55 -
Kết quả thử nghiệm với 2 loại đường khác nhau cho thấy nhận xét như sau: Điều khiển theo độ trượt định trước hiệu quả phanh có thể cao ở loại đường này, nhưng lại không cao ở loại đường khác; điều này có thể giải thích là do ở loại đường thứ I, tại độ trượt 0,2 thì giá trị độ bám lớn nhất, do đó lực phanh luôn duy trì ở giá trị lớn nhất, trong khi đó ở loại đường thứ II, ở độ trượt 0,2 thì giá trị độ bám chưa phải lớn nhất, do đó hiệu quả phanh kém hơn.
Nếu muốn điều khiển phanh hiệu quả đối với nhiều loại đường khác nhau, bắt buộc phải xác định được trước một vùng giá trị độ trượt tối ưu và điều khiển độ trượt nằm trong vùng đó. Tuy phương pháp này đảm bảo cho hệ thống phanh ABS hoạt động được ở nhiều loại đường nhưng lại làm giảm hiệu quả phanh do điều khiển độ trượt nằm trong một vùng giá trị không đảm bảo cho lực phanh phát huy tối đa trong điều kiện bám.
3.1.2. Điều khiển theo gia tốc góc bánh xe
Cùng với phương pháp điều khiển theo độ trượt, có một phương pháp khác để điều khiển vùng làm việc của quá trình phanh đó là phương pháp điều khiển theo sự biến thiên của vận tốc góc bánh xe. Phương pháp này được giới thiệu trong cuốn “Bosch Automotive Handbook” xuất bản năm 2000.
Khi độ trượt bánh xe tăng vượt quá vùng làm việc theo như hình 2.4, nhận thấy độ bám dọc của bánh xe giảm mạnh, dẫn tới hiện tượng vận tốc bánh xe giảm đột ngột do đó gia tốc góc của bánh xe sẽ tăng rất nhanh.
Phương trình sau mô tả sự ảnh hưởng của gia tốc góc bánh xe, áp suất phanh tới lực dọc sinh ra:
Fx= ˙ω.J+ Kb.Ps
- 56 -
Hình 3.5: Thuật toán điều khiển theo gia tốc chậm dần của bánh xe
Dựa trên nguyên lý này, phương pháp điều khiển theo biến thiên vận tốc góc bánh xe sẽ tính ra giá trị gia tốc ngưỡng là ngưỡng trên và ngưỡng dưới:
Giá trị ngưỡng dưới là giá trị gia tốc ứng với thời điểm độ trượt bánh xe nhỏ hơn vùng làm việc, khi đó hệ thống sẽ tác động tăng áp (tăng lực phanh) đẩy trị số trượt tăng lên;
Giá trị ngưỡng trên là giá trị gia tốc ứng với thời điểm độ trượt bánh xe lớn hơn vùng làm việc, khi đó ứng với khả năng bánh xe sắp bị bó cứng, hệ thống sẽ giảm áp (giảm lực phanh) để cho trị số trượt giảm xuống, giảm nguy cơ bánh xe bị bó cứng;
- 57 -
Khi gia tốc góc nằm giữa ngưỡng trên và ngưỡng dưới, độ trượt sẽ nằm gần vùng trượt tối ưu, do đó hệ thống sẽ giữ áp để duy trì vùng hoạt động này, tối ưu quá trình phanh.
Mô phỏng thử nghiệm phương pháp điều khiển này trong trường hợp có trễ, kết quả thử nghiệm cho thấy nếu chọn được ngưỡng gia tốc góc bánh xe phù hợp thì hiệu quả phanh vẫn tốt.
Kết quả mô phỏng cho thấy, sử dụng phương pháp này đối với hệ thống có độ trễ khả năng bánh xe bị bó cứng thấp hơn do sử dụng trị số gia tốc góc để dự đoán khả năng sắp bị bó cứng của bánh xe. Tuy nhiên, thời gian quá độ để trị số độ trượt hay lực phanh tiến tới vùng tối ưu dài và do đó hiệu quả phanh thấp. Để giảm thời gian này bắt buộc phải lựa chọn trị số ngưỡng gia tốc lớn hơn, nhưng điều này lại dẫn tới giai đoạn cuối quá trình phanh bánh xe bị bó cứng, đây là điều không mong muốn.
Từ đồ thị quá trình phanh, có thể thấy rằng quá trình biến đổi của độ trượt có xu hướng tăng dần, do đó lực phanh cũng tăng dần và có những thời điểm đạt tới giá trị giới hạn của lực bám. Thời gian phanh của phương pháp này dài hơn so với điều khiển theo độ trượt định trước là do độ trượt không duy trì ở giá trị lớn nhất mà dao động gần giá trị đó.
Kết hợp với nhận xét có được từ phương pháp điều khiển theo độ trượt định trước ở trên, để quá trình tăng lực phanh nhanh hơn, cũng như tránh hiện tượng bó cứng bánh xe ở vận tốc thấp, thay vì sử dụng trực tiếp giá trị gia tốc góc, có thể sử dụng tỷ số giữa gia tốc góc và vận tốc góc bánh xe làm thông số điều khiển.
- 58 -
Hình 3.6: Điều khiển theo gia tốc góc bánh xe trong điều kiện có trễ
Phương pháp điều khiển theo gia tốc góc bánh xe có ưu điểm là gia tốc góc bánh xe là thông số có thể ước lượng hoặc đo trực tiếp từ vận tốc góc bánh xe, do đó phương pháp này có thể áp dụng vào thực tế được ngay trên hệ thống thực. Tuy
- 59 -
nhiên nhược điểm của phương pháp này là do phải tính gián tiếp qua 2 giá trị gia tốc ngưỡng nên vùng làm việc của hệ thống khá rộng, làm cho quá trình quá độ để lực phanh đạt tới giá trị giới hạn bám chậm, làm giảm hiệu quả phanh.
3.1.3. Cơ sở lý thuyết điều khiển trượt – sliding mode
Mô hình phanh ô tô bao gồm nhiều yếu tố phi tuyến, điều này sẽ dẫn tới sai khác giữa mô hình và thực tế. Sự sai khác này thể hiện do hai loại nhân tố chính:
Nhân tố có cấu trúc xác định: những nhân tố này ảnh hưởng tới tính không chính xác của mô hình;
Nhân tố không có cấu trúc xác định (nhân tố không mô hình được): những nhân tố này ảnh hưởng tới trình tự của mô hình.
Sự sai khác trong mô hình hóa so với thực tế gây ảnh hưởng lớn tới hiệu quả của hệ thống. Một trong những cách tiếp cận hiệu quả đối với những mô hình này là điều khiển bền vững (Robust Control).
Điều khiển trượt (Sliding mode control) là một phương pháp tiếp cận điều khiển bền vững quan trọng. Bộ điều khiển trượt cho phép hệ thống tiến tới điểm làm việc ổn định trên cơ sở mô hình hóa không chính xác. Cơ sở của phương pháp điều khiển trượt là phương pháp điều khiển kiểu đóng/ngắt (Switching), trong đó hệ thống sẽ duy trì ở trong vùng trạng thái “trên” và “dưới”. Nếu giá trị “trên” và “dưới” này nằm trùng nhau, ta sẽ có một “mặt phẳng” mà trong đó hoạt động của hệ thống duy trì trong lân cận của mặt phẳng đó. Mặt phẳng như vậy được gọi là mặt phẳng trượt.
Một trong những phương pháp điều khiển trượt là phương pháp điều khiển