Thông số mô phỏng: Các thông số mô phỏng ĐLH bộ chấp hành DH, thông số mô phỏng hệ thống thủy lực, thông số mô phỏng đổi hướng chuyển động ô tô được đo đạc, thực nghiệm trên xe ô tô HINO 300Series, tham khảo ở các tài liệu [21], [23], [39], [40]được trình bày ở các Bảng 2.2 ÷ Bảng 2.4.
Bảng 2.2: Thông số mô phỏng bộ chấp hành [21], [23], [39],[40]
STT Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
1 Mơ men qn tính động cơ DCM2 𝐽𝑚2 kgm2 0.0004 2 Hệ số cản động cơ DCM2 𝐶𝑚2 N.m/(rad/s) 0.19 3 Hệ số cứng trục động cơ DCM2 𝐾𝑚2 N.m/rad 42057 4 Hệ số ma sát nhớt động cơ DCM2 𝐵𝑚2 N.m/(rad/s) 0,19
5 Hệ số mô men động cơ DCM2 𝑘𝑚 N.m/A 0.3
6 Điện trở phần ứng 𝑅𝑚2 ohm 0.39
7 Tỷ số truyền hộp giảm tốc 𝑖𝑚2 - 16,33
8 Mơ men qn tính thanh xoắn 𝐽𝑡𝑏 kgm2 0.0344 9 Hệ số cản thanh xoắn 𝐶𝑡𝑏 N.m/(rad/s) 0,36042
10 Hệ số cứng thanh xoắn 𝐾𝑡𝑏 N.m/rad 14878
11 Mơ men qn tính bánh răng 𝐽𝑝 kgm2 0.0344 12 Hệ số cản bánh răng 𝐶𝑝 N.m/(rad/s) 0.36042
14 Bán kính bánh răng 𝑟𝑝 m 0,18 15 Hệ số cản thanh xoắn 𝐶𝑝 N.m/(rad/s) 0.36042
16 Khối lượng thanh răng 𝑚𝑅 kg 2.5
17 khối lượng cụm xy lanh - pít tơng TL 𝑚𝐻 kg 5 18 Độ cứng thanh răng 𝐾𝑇𝑅 N.m/rad 206000 19 Hệ số cản thanh răng 𝐶𝑇𝑅 N.m/(rad/s) 450 20 Đòn quay bánh xe dẫn hướng 𝑙 m 0,195
21 Mơ men qn tính bánh xe 𝐽𝐹𝑊 kgm2 0,18
22 Hệ số cản bánh răng 𝐶𝑇𝑖 N.m/(rad/s) 1100
23 Hệ số cứng bánh răng 𝐾𝑇𝑖 N.m/rad 28000
Bảng 2.3: Thông số mô phỏng hệ thống thủy lực [21], [23], [39],[40]
STT Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
1 Mô đun đàn hồi khối 𝛽 kgf/m2 8.7
2 Thể tích hệ thống 𝑉𝑠 m3 2.10-4
3 Lưu lượng qua bơm 𝑞𝑝 l/min 9
4 Hệ số lưu lượng dòng chảy 𝐶𝑑 - 0.61
5 Tỷ trọng chất lỏng 𝜌 Kg/ m3 850
6 Diện tích pít tơng 𝐴𝑝 m2 8.26*10-4
7 Chiều dài xy lanh 𝐿 m 0.4
Bảng 2.4: Thông số mô phỏng đổi hướng chuyển động của xe [21], [23], [39],[40]
STT Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
1 Mơ men qn tính của xe 𝐼𝑧 kgm2 2500
2 Khối lượng xe 𝑚𝑉 kg 1470
3 Độ cứng của lốp trước khi quay vòng 𝐶𝑓 N /rad 100.000 4 Độ cứng của lốp sau khi quay vòng 𝐶𝑟 N /rad 110.000
5 Tỷ số truyền hệ thống 𝑁𝑠𝑔 - 24,7
7 Mơ men qn tính trục lái 𝐼𝑠𝑐 kgm2 0.02
8 Hệ số cản nhớt 𝑏𝑝𝑠 N.m/(rad/s) 10
9 Khoảng cách từ trọng tâm đến bánh trước 𝐿𝑓 m 1.24 10 Khoảng cách từ trọng tâm đến bánh sau 𝐿𝑟 m 1.30
11 Mơ men qn tính vành lái 𝐽𝑠𝑤 kgm2 0.084
12 Vận tốc xe 𝑉𝑥 m/s -
Kết quả mơ phỏng được trình bày trong Chương 3 cho phù hợp với logic nghiên cứu.
2.4 Kết luận chương
Trong chương này các nghiên cứu được thực hiện bao gồm:
- Đã xây dựng mơ hình động lực học cho hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực, trong đó có các mơ hình con: Hệ thống trợ lực thủy lực, động cơ điện một chiều, cụm bánh xe dẫn hướng, cụm vành lái, bộ chấp hành dẫn hướng, mơ hình đổi hướng chuyển động ơ tơ. Các mơ hình này được nghiên cứu đầy đủ với các yếu tố phi tuyến như: lực ma sát ổ đỡ trực lái, giữa các bánh răng, khớp quay; mô men cản của bánh xe dẫn hướng; lốp đàn hồi được mơ hình hóa bằng hệ lị xo và giảm chấn.
- Đã xây dựng sơ đồ khối mô phỏng động lực cụm vành lái và bộ chấp hành dẫn bằng phần mềm Matlab/Simulink với các thông số mô phỏng được xác định trong các bảng 2.1 đến bảng 2.4.
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG LÁI SBW ĐIỆN TỬ - THỦY LỰC
3.1 Tổng quan vềđiều khiển
Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực bao gồm: Thiết kế bộ điều khiển động cơ DCM1 tạo cảm giác lái và thiết kế bộ điều khiển động cơ DCM2 chấp hành dẫn hướng.
Nhiệm vụ của bộ điều khiển động cơ tạo cảm giác lái là điều khiển động cơ điện DCM1 tạo cảm giác cho người lái (tạo ra mô men cản). Trên hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực liên kết giữa trục lái và bộ phận chấp hành gián tiếp thông qua tín hiệu điện nên việc tạo cảm giác lái đóng vai trị quan trọng khi lái xe.
Nhiệm vụ của bộ điều khiển bộ phận chấp hành là điều khiển động cơ DCM2 dẫn động cơ cấu lái làm quay bánh xe dẫn hướng bám theo góc quay vành lái và đáp ứng các chếđộ hoạt động linh hoạt của hệ thống lái.
Trước khi thiết kế các bộ điều khiển trên, Luận án tìm hiểu cơ sở lý thuyết về điều khiển và một số phương pháp điều khiển thông dụng hiện nay như điều khiển PID, điều khiển LQR và điều khiển SMC [6],[41]÷[47].
3.1.1 Bộđiều khiển PID
Trong bộ điều khiển PID, luật điều khiển được định nghĩa như sau:
𝑢(𝑡) = 𝐾𝑝(𝑒(𝑡) + 1
𝑇𝑖∫ 𝑒(𝜏)𝑑𝑡
0 𝜏 + 𝑇𝐷𝑑𝑒(𝑡) 𝑑𝑡 )
(3.1) Trong đó: u - tín hiệu điều khiển; e - sai lệch điều khiển. Tín hiệu điều khiển là tổng của 3 thành phần: Tỉ lệ, tích phân và vi phân.
Hàm truyền của bộ điều khiển PID:
𝐺𝑃𝐼𝐷(𝑠) =𝑈(𝑠) 𝐸(𝑠) = 𝐾𝑝 + 𝐾𝐼 1 𝑠+ 𝐾𝐷𝑠 = 𝐾𝑝(1 + 1 𝑇𝑖𝑠+ 𝑇𝐷𝑠) (3.2) Các tham số của bộđiều khiển là KP, KI hoặc (Ti), KD hoặc (TD). Sau đây là một số đặc điểm về các khâu trong bộ điều khiển PID.
Khâu tỷ lệ (P)
𝑢(𝑡) = 𝐾𝑝𝑒(𝑡) (3.3)
Tín hiệu điều khiển tỉ lệ tuyến tính với sai lệch điều khiển 𝑒(𝑡). Ban đầu khi sai
giảm dần. Khi sai lệch 𝑒(𝑡) = 0 thì 𝑢(𝑡) = 0, và khi sai lệch đổi dấu thì tín hiệu cũng đổi dấu. Thành phần P có ưu điểm là tác động nhanh và đơn giản. Hệ số tỉ lệ Kp càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh, do đó thành phần P có vai trị lớn trong giai đoạn đầu của quá trình quá độ. Tuy nhiên khi hệ số tỉ lệ Kp càng lớn thì sự thay đổi của tín hiệu điều khiển càng mạnh dẫn đến dao động lớn, đồng thời hệ nhạy cảm hơn với nhiễu đo. Hơn nữa đối với đối tượng khơng có đặc tính tích phân thì sử dụng bộ điều khiển P vẫn tồn tại sai lệch tĩnh.
Cấu tạo và hoạt động của khâu P được mô tả theo Hình 3.1 sau:
Hình 3.1: Khâu tỷ lệ P
Khi làm việc với khâu tỷ lệ thường xuất hiện sai lệch tĩnh với các cơ cấu chấp hành tĩnh, để khắc phục được điều này ta tăng dần Kp tuy nhiên khi tăng Kp quá cao sẽ xảy ra hiện tượng dao động, làm hệ thống mất ổn định. Để tránh hiện tượng này xảy ra cần chú ý tăng Kp tới một giới hạn cho phép sao cho độ vọt lố của giá trị đáp ứng không vượt quá 15% so với giá trịđặt.
Khâu tích phân (I)
𝑢(𝑡) = 𝐾𝑝∫ 𝑒𝑡
0 (𝜏)𝑑𝜏 (3.4)
Với thành phần tích phân (I), khi tồn tại một sai lệch điều khiển dương, ln làm tăng tín hiệu điều khiển và khi sai lệch điều khiển âm thì ln làm giảm tín hiệu điều khiển bất kể sai lệch đó là nhỏ hay lớn. Do đó ở trạng thái xác lập, sai lệch bị triệt tiêu (𝑒(𝑡) = 0). Đâu cũng là ưu điểm của thành phần tích phân. Nhược điểm của nó là phải mất một khoảng thời gian để đợi 𝑒(𝑡) → 0 nên đặc tính tác động của bộ điều khiển sẽ chậm hơn. Ngoài ra thành phần tích phân đơi khi cịn làm xấu đi đặc tính động học của hệ thống, thậm chí có thể làm mất ổn định.
Hình 3.2: Khâu tích phân (I)
Tín hiệu điều khiển của khâu này:
𝑢(𝑡) = 𝐾𝑖∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡𝑡
𝑡0
(3.5) Khâu tích phân trong điều khiển có tác dụng triệt tiêu giá trị sai lệch 𝑒(𝑡) giữa tín hiệu đặt và tín hiệu đáp ứng. Đó là ưu điểm của hệ thống tích phân. Nhưng luật điều khiển tích phân lại có nhược điểm là tín hiệu ra ln chậm pha so với tín hiệu đặt và làm cho q trình đáp ứng của hệ thống chậm lại. Chính vì lý do này cho nên thường khơng sử dụng luật điều khiển tích phân một cách độc lập mà phải kết hợp với các luật điều khiển khác để hệ thống đạt kết quả mong muốn.
Khâu vi phân (D)
𝑢(𝑡) =𝑑𝑒(𝑡)𝑑𝑡 (3.6)
Thành phần vi phân cải thiện sự ổn định của hệ kín. Do động học của quá trình nên sẽ tồn tại một khoảng thời gian trễ làm bộ điều khiển chậm so với sự thay đổi của sai lệch 𝑒(𝑡) và đầu ra 𝑦(𝑡) của quá trình. Thành phần vi phân đóng vai trị dự đốn đầu ra của q trình và đưa ra phản ứng thích hợp dựa trên chiều hướng và tốc độ thay đổi của sai lệch 𝑒(𝑡), làm tang tốc độ đáp ứng của hệ. Ngoài ra thành phần vi phân giúp ổn định một số quá trình mà các bộ P, I khơng thực hiện được. Tuy nhiên nhược điểm của bộ (D) là rất nhạy với nhiễu đo hay giá trị đặt do tính đáp ứng nhanh nêu ở trên. Cấu tạo và nguyên lý của khâu D được mơ tả theo Hình 3.3 như sau :
Nhận xét:
Các bộ điều khiển PID là bộ điều khiển đơn giản, khi thiết kế khơng cần địi hỏi hiểu biết về mơ hình hệ thống cho nên có thểđược dùng cho nhiều bài tốn điều khiển và có thể đạt được kết quả nhất định, tuy nhiên trong một số ứng dụng thì khơng đáp ứng được yêu cầu điều khiển.
Nhược điểm cơ bản của điều khiển PID là một hệ thống phản hồi, với các thông số bộ điều khiển phản hồi khơng đổi và khơng có thơng tin về mơ hình điều khiển. Ngoài ra, sử dụng bộ điều khiển PID khơng đảm bảo được tính ổn định của hệ thống. Bộ điều khiển PID đã được tác giả Trần Văn Lợi sử dụng trong nghiên cứu về điều khiển cho hệ thống lái thanh răng - bánh răng lắp trên xe ô tô con [6]. Kết quả nghiên cứu của tác giả cho thấy nếu bộ điều khiển PID với các tham số Kp, KI, KD cố định, sai số đáp ứng hệ thống thay đổi theo tình trạng cản (tình trạng mặt đường thay đổi: đường nhựa khơ, đường nhựa ướt, đường tuyết…) ảnh hưởng đến chất lượng bộ điều khiển. Để giải quyết vấn đề trên, cần phát triển bộ điều khiển khác phù hợp với đặc tính cản thay đổi tác dụng lên hệ thống lái điện.
3.1.2 Điều khiển LQR
LQR là thuật toán điều khiển được xây dựng dựa trên cơ sở nguyên lý phản hồi trạng thái. Bộ điều khiển nhận tín hiệu vào là trạng thái của hệ thống và tín hiệu mẫu sau đó tính tốn và chuyển thành tín hiệu điều khiển cho q trình.
Xét hệ thống có phương trình trạng thái (u ≠ 0):
𝑥̇ = 𝐴𝑥 + 𝐵𝑢 (3.7)
Bản chất của phương pháp này là ta chọn các tham số của bộ điều khiển xuất phát từ quá trình tìm cực tiểu của một hàm chất lượng (hàm mục tiêu) nào đó. Cần tìm ma trận phản hồi trạng thái K của vector điều khiển tối ưu: 𝑢(𝑡) = 𝐾𝑥(𝑡) thỏa mãn chỉ tiêu chất lượng J đạt giá trị cực tiểu:
𝐽 = ∫ (𝑥∞ 𝑇𝑄𝑥 + 𝑢𝑇𝑅𝑢)𝑑𝑡
0
(3.8) Trong đó: Q - ma trận xác định dương (hoặc bán xác định dương); R - ma trận xác định dương. Ma trận K phản hồi trạng thái được xác định theo công thức:
𝐾 = −𝑅−1𝐵𝑇𝑃 (3.9)
𝑃𝐴 + 𝐴𝑇𝑃 + 𝑄 − 𝐵𝑃𝑅−1𝐵𝑇𝑃 = 0 (3.10) Bài tốn này có 2 dạng: Phản hồi tối ưu trạng thái dương (0) Hình 3.4 và phản hồi tối ưu trạng thái âm (0) Hình 3.5.