Nghiên cứu đề xuất thuật toán điều khiển hệ thống phanh ô tô có ABS

- 1 1.1 Hệ thống phanh [9.
- 17 2.1 Mục tiêu điều khiển [12.
- 20 2.2 Các phương pháp điều khiển của ABS.
- 24 2.2.1 Điều khiển theo giá trị độ trượt cho trước.
- 24 2.2.2 Điều khiển theo gia tốc góc bánh xe.
- 32 3.1 Sơ lược tập mờ và điều khiển mờ [2.
- 32 3.1.2 Trình tự tổng hợp bộ điều khiển mờ.
- 56 4.2 Cấu trúc bộ điều khiển chuyển động của ô tô (mô hình phẳng chuyển động của xe.
- 65 4.3 Mô hình mô phỏng bộ điều khiển sự ổn định của ô tô khi phanh.
- 68 4.4.1 Mô phỏng đánh giá sự đúng đắn của hệ thống điều khiển ổn định khi phanh.
- Tuy nhiên, nếu chỉ điều khiển chống bó cứng bánh xe khi phanh thì xe dễ bị xoay quanh trục thẳng đứng và mất ổn định hướng chuyển động khi phanh trên đường có hệ số bám hai bên không đồng nhất.
- Việc xây dựng thuật toán điều khiển hệ thống phanh ABS như vậy có ý nghĩa thực tế trong việc phát triển các hệ thống điều khiển chuyển động ổn định của ô tô tại Việt Nam.
- Với mong muốn góp một phần nhỏ để giải quyết các vấn đề nêu trên, đề tài “Nghiên cứu đề xuất thuật toán điều khiển hệ thống phanh ô tô có ABS ” được thực hiện.
- Kết quả của đề tài có thể dùng để tổng hợp bộ điều khiển điện tử, khảo sát trên mô hình thực nghiệm để khẳng định khả năng nghiên cứu, làm chủ về công nghệ mới đã và đang được áp dụng trên xe ô tô.
- Dẫn động phanh: bao gồm các bộ phận liên kết từ các cơ cấu điều khiển (bàn đạp phanh, cần kéo phanh) tới các chi tiết điều khiển sự hoạt động của cơ cấu phanh.
- Dẫn động phanh dùng để truyền và khuếch đại lực điều khiển từ cơ cấu điều khiển phanh đến các chi tiết điều khiển hoạt động của cơ cấu phanh.
- Điều khiển nhẹ nhàng và thuận lợi: lực tác dụng lên bàn đạp hay cần kéo điều khiển phù hợp với khả năng thực hiện liên tục của người điều khiển.
- Đảm bảo độ tin cậy của hệ thống trong khi thực hiện phanh trong mọi trường hợp sử dụng, kể cả khi một phần dẫn động điều khiển có hư hỏng.
- Có thể hiểu đơn giản là: mômen phanh sinh ra trong cơ cấu phanh cần tỷ lệ với giá trị tải trọng thẳng đứng của bánh xe khi phanh, đảm bảo nâng cao hiệu quả điều khiển phanh và điều khiển hướng chuyển động cho ô tô.
- Hình 1.1 Thể hiện sự thay đổi tải trọng của xe khi phanh Do vậy cầu sau có nhiều khả năng bị trượt lết bánh xe.
- Như được thể hiện trên hình 1.2, đặc tính của bộ điều hòa lực phanh.
- Công ty Toyota sử dụng lần đầu tiên vào năm 1971, đây là hệ thống ABS 1 kênh điều khiển đồng thời 2 bánh sau.
- Năm 1980 kỹ thuật điều khiển điện tử, vi xử lý (digitalmicroprocessors/microcontrollers) thay cho các hệ thống điều khiển tương tự (analog) đơn giản trước đó.
- Ngày nay, với sự hỗ trợ của kỹ thuật điện tử, điều khiển tự động, các phần mềm tính toán, lập trình mạnh như Matlab – Simulink, Matlab - Stateflow cho phép nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp điều khiển mới trong hệ thống ABS như điều khiển mờ, điều khiển thông minh, tối ưu hoá quá trình điều khiển ABS.
- Mục tiêu của ABS Mục tiêu của ABS là điều khiển áp suất dầu trong cơ cấu chấp hành hệ thống phanh giữ cho bánh xe trong quá trình phanh có độ trượt thay đổi trong giới hạn hẹp quanh giá trị 0λ để tận dụng được hết khả năng bám, khi đó hiệu quả phanh sẽ cao nhất, đồng thời tính ổn định và tính dẫn hướng là tốt nhất.
- Để hoàn thiện chất lượng phanh, trên ô tô bố trí các hệ thống điện tử điều khiển sự quay của các bánh xe độc lập (hoặc chung một số bánh xe) sao cho: trong quá trình phanh, mômen phanh được điều khiển đảm bảo độ trượt nằm trong giới hạn 15%÷30%.
- Quá trình điều khiển mômen phanh được thực hiện theo: Vận tốc chuyển động của ô tô, Gia tốc góc quay thân xe, Độ trượt giới hạn yêu cầu.
- 6 Hệ thống điều khiển điện tử (ABS) thực hiện chức năng điều khiển mômen phanh, góp phần hoàn thiện chất lượng phanh ô tô với sự biến động thường xuyên của các thông số kể trên.
- Sơ đồ nguyên lí cơ bản của hệ thống phanh ABS trên ô tô con ABS trong hệ thống phanh thủy lực là một bộ tự động điều chỉnh áp suất dàu phanh đưa vào các xi lanh bánh xe sao cho phù hợp với chế độ lăn của bánh xe, nhằm nâng cao hiệu quả điều khiển phanh.
- Ngoài các cụm của hệ thống phanh thủy lực thông thường, hệ thống phanh có ABS còn thêm: các cảm biến tốc độ bánh xe, bộ điều khiển trung tâm (ECU-ABS), các van điều chỉnh áp suất được bố trí trước xi lanh bánh xe (block thủy lực ABS).
- Bộ điều khiển trung tâm (ECU-ABS) theo dõi sự thay đổi tốc độ góc quay bánh xe khi phanh, xác định tốc độ ô tô, gia tốc góc của bánh xe, cấp tín hiệu điều khiển đến các van điều chỉnh áp suất dầu để đảm bảo độ trượt tối ưu (15%÷30.
- 7 Hình 1.4 Bố trí các cụm và sơ đồ hệ thống phanh ABS trên ô tô con e.
- TRC: Hệ thống điều khiển lực kéo bánh xe gồm.
- Người lái xe điều khiển ô tô trên đường, khi thấy tác động của việc nhấn sâu ga không có hiệu quả nâng cao tốc độ chuyển động, sẽ chuyển sang chế độ làm việc có ASR.
- Bánh xe 9 Cụm van điện từ ASR trên ô tô buýt có tác dụng điều khiển mạch cung cấp khí nén ASR.
- Cụm van điều khiển áp suất khí nén ASR.
- Cụm van ASR có tác dụng điều khiển cung cấp khí nén cho cụm van ABS nhằm tiến hành phanh bánh xe chủ động, khi bánh xe xuất hiện trượt quay ở một giá trị tính toán trước.
- Van được mở khi có tín hiệu điện đưa vào cuộn dây, thắng lực lò xo và mở dòng khí cấp cho van điều khiển ABS.
- Nếu không được kích hoạt ASR, khí nén được cấp từ bình chứa tới van đổi chiều và xả nhanh 6 (xem hình 1.7) chờ kích hoạt bằng bàn đạp phanh và cấp khí nén cho van điều khiển áp suất ABS.
- Cụm ASR là một phần của hệ thống điều khiển lực kéo (TRC), nhằm mục đích chống quay trơn bánh xe khi khởi hành và khi chuyển động trên đường trơn.
- ECU có nhiệm vụ điều khiển thanh răng bơm cao áp bằng mô tơ bước thông qua ECU-EDC.
- Tín hiệu điều khiển quan trọng là tốc độ và vị trí bàn đạp chân ga.
- ASR EDC Hình 1.7 Hệ thống phanh ABS có ASR và EDC trên ô tô tải và ô tô buýt 1.
- Van điều khiển áp suất ABS 5.
- Van điều khiển ASR 6.
- Bộ điều khiển tải trọng 9.
- Tác giả đã nghiên cứu xác lập quan hệ góc quay dẫn hướng bánh xe cầu sau theo góc quay cầu trước và vận tốc chuyển động của ô tô, tổng hợp bộ điều khiển hướng bánh xe cầu sau trên cơ sở lô gic mờ bằng công cụ fuzzy control toolbox của Matlab, xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển bánh xe cầu sau dẫn hướng và mô phỏng hệ thống một số trường hợp làm việc điển hình bằng công cụ Matlab-Simulink.
- Năm 2008, các tác giả Lê Hùng Lân, Nguyễn Văn Tiềm [5], ở Bộ môn Điều khiển học, Khoa Điện – Điện tử thuộc Trường Đại học Giao thông Vận tải, đã nghiên cứu: “Tổng hợp điều khiển thích nghi hệ thống chống bó cứng bánh xe ô tô khi phanh trên cơ sở mô hình mờ”.
- Trong bài báo này đã sử dụng lô gic mờ để tự động nhận dạng hệ số ma sát mặt đường, sau đó thiết kế bổ sung mạch điều khiển thích nghi, kết quả mô phỏng cho thấy quá trình phanh luôn đảm bảo được độ trượt ở giá trị tối ưu, hướng sử dụng lô gic mờ cho bài toán này cũng được đề cập tới.
- Năm 2009, tác giả Nguyễn Thành Công [2] đã nghiên cứu ứng dụng lô gic mờ trong điều khiển chuyển động ổn định của ô tô.
- Về mặt ứng dụng lô gic mờ, tác giả đã tổng hợp được bộ điều khiển chuyển động ổn định của ô tô trên cơ sở lô gic mờ bằng công cụ fuzzy control toolbox của phần mềm Matlab-Simulink.
- Mauer [16] đã nghiên cứu “A fuzzy logic controller for an ABS braking system ” với nội dung thiết kế bộ điều khiển ứng dụng lô gic mờ dùng cho xe có ABS nhằm xác định điều kiện mặt đường và đưa ra một tín hiệu điều khiển áp suất phanh, dựa vào giá trị hệ số trượt cho trước, hiện tại và áp suất phanh.
- Bộ điều khiển xác định ngay lập tức hãm bánh xe và sự trượt quá mức.
- LI3 [15] đã nghiên cứu “A fuzzy logic controller design for vehicle ABS with a on-line optimized target wheel slip ratio”, nội dung của bài báo nói về thiết kế bộ điều khiển lô gic mờ dùng cho xe có hệ thống ABS với mục đích duy trì hệ số bám trong vùng tối ưu để đảm bảo quãng đường phanh nhỏ nhất và ổn định khi phanh.
- Mellor [21] đã nghiên cứu ứng dụng các thuật toán điều khiển mờ dùng cho hệ thống phanh chống hãm của xe điện/hệ thống điều khiển lực kéo, bài báo đã nghiên cứu sơ bộ bộ điều khiển lô gic mờ để điều khiển độ trượt bánh xe đối với hệ thống chống hãm xe điện.
- Độ tin cậy của việc điều khiển trượt bằng lô gic mờ tiếp tục được thử nghiệm bằng các ứng dụng các bộ điều khiển kết quả trên phạm vi rộng của các điều kiện vận hành.
- Mirzaeian, B.Fahimi [21] đã nghiên cứu phát triển và cải tiến hệ thống chống hãm cứng khi điều khiển xe phanh gấp trên các bề mặt đường trơn trượt.
- Mục đích của việc điều khiển là tăng lực kéo của xe theo hướng mong muốn trong khi vẫn duy trì sự ổn định xe thích hợp 13 điều khiển dễ dàng và giảm quãng đường phanh.
- Trong bài báo này, việc tối ưu hóa bộ điều khiển mờ được đề xuất đối với hệ thống chống hãm cứng.
- Các kết quả mô phỏng thể hiện hiệu quả của bộ điều khiển phanh trên các điều kiện đường khác nhau là rất tốt nhưng chỉ dừng lại ở mức độ nghiên cứu lý thuyết.
- Năm 2007, các tác giả Bin Li, Daofei Li và Fan Yu [13], Viện Kỹ thuật ô tô, Trương đại học Giao thông Thượng Hải, Trung Quốc đã thiết kế bộ điều khiển lô gic mờ: “Vehicle Yaw Stability Control Using the Fazzy-Logic Controller” nhằm nâng cao chuyển động ổn định của ô tô thông qua hệ thống phân phối lực phanh tại các bánh xe để điều khiển vận tốc xoay thân xe và góc lệch bên thân xe gần với giá trị mong muốn.
- Các tác giả đã xây dựng mô hình chuyển động của xe với mô hình lốp phi tuyến và mô phỏng chuyển động của ô tô khi có bộ điều khiển chuyển động khi ô tô chuyển làn (tín hiệu góc quay vành lái dạng hình sin) và khi ô tô quay vòng (tín hiệu góc quay vành lái dạng J-turn).
- Khi ô tô chuyển động mất ổn định hệ thống điều khiển sẽ hiệu chỉnh lại góc quay vành lái để đạt được góc dẫn hướng bánh xe phù hợp.
- Năm 2007, các tác giả Roozbeh Keshmiri, và Alireza Mohamad Shahri thuộc [19] Viện khoa học và Công nghệ thế giới đã công bố công trình nghiên cứu “Intelligent ABS Fuzzy Controller for Diverse Road Surfaces”, các tác giả đã nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển ABS thông minh để điều chỉnh phanh trên đường có độ trượt không đồng nhất với phần thứ nhất bao gồm bộ điều khiển lực kéo ứng 14 dụng lô gic mờ nhằm tạo ra mômen phanh tối ưu đối với các bánh trước và bánh sau, và bộ điều khiển lực kéo ứng dụng lô gic thứ hai cũng nhằm tạo ra một giá trị mômen phù hợp với các loại đường có độ trượt khác nhau.
- Năm 2007, công trình “Robust fuzzy sliding mode control for antilock bracking system” của tác giả M.Oudghiri và các cộng sự [17] đã đề xuất phát triển phương pháp điều khiển theo kiểu trượt và lô gic mờ để điều chỉnh lực phanh.
- Mục tiêu, nội dung, phạm vi, phương pháp nghiên cứu, cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài 1.4.1 Mục tiêu - Nghiên cứu đề xuất thuật toán điều khiển, ứng dụng lô gic mờ để xác định ngưỡng điều khiển.
- Xây dựng mô hình và mô phỏng quá trình làm việc của hệ thống khi được điều khiển theo thuật toán đề xuất.
- 1.4.2 Các nội dung cụ thể của luận văn cần thực hiện Chương 1: Tổng quan Chương 2: Các phương pháp điều khiển của ABS Chương 3: Ứng dụng lô gic mờ để xác định ngưỡng điều khiển và trạng thái quay vòng của xe khi phanh Chương 4: Mô hình mô phỏng chuyển động của xe 1.4.3 Phạm vi nghiên cứu Do hạn chế về mặt thời gian và kinh phí nên đề tài chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu nghiên cứu đề xuất thuật toán điều khiển, ứng dụng lô gic mờ để xác định ngưỡng điều khiển, xây dựng mô hình và mô phỏng lý thuyết quá trình làm việc của hệ thống khi được điều khiển theo thuật toán đề xuất.
- 16 Chương 2 - CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CỦA ABS 2.1 Mục tiêu điều khiển [12.
- Từ hình 2.3 ta có: mYAN.
- (2.33) Hình 2.3: Sơ đồ để xác định độ lệch của ô tô khi phanh Thay m từ biểu thức (2.33) vào biểu thức (2.32) ta có: ββcos2sin.BlYAN.
- 2.2 Các phương pháp điều khiển của ABS 2.2.1 Điều khiển theo giá trị độ trượt cho trước Để đưa ra tín hiệu điều khiển các van điện từ của hệ thống ABS đúng thời điểm, phù hợp với trạng thái chuyển động của các bánh xe trong quá trình phanh, ECU-ABS phải xác định được λ và điều khiển quá trình phanh để độ trượt bánh xe λ nằm trong vùng độ trượt tối ưu.
- Như được thể hiện trên hình 2.11 sau đây.
- Để điều khiển độ trượt bằng đúng độ trượt tối ưu (λ= λ0) là một vẫn đề rất khó, vì vậy trong thực tế thường cho phép độ trượt λ dao động trong một vùng giới hạn xung quanh giá trị độ trượt tối ưu, λ0- gọi là vung trượt tối ưu.
- Phương pháp điều khiển theo độ trượt λ cho trước được thể hiện trên sơ đồ thuật toán trên hình 2.11.
- Phương pháp điều khiển này có ưu điểm là quá trình phanh phù hợp với nhiều loại đường, là phương pháp điều khiển lý tưởng, điều khiển phanh dựa trên nguyên lý điều khiển này để tối ưu quá trình phanh.
- Tuy nhiên, phương pháp điều khiển này có nhược điểm là giá trị độ trượt λ là thông số xác định, muốn xác định được giá trị độ trượt λ thì phải xác định được các thông số: ω và vận tốc dài của xe.
- Mặt khác muốn điều khiển phanh với nhiều loại đường khác nhau, phải xác định một vùng giá trị độ trượt tối ưu λ0 và điều khiển λ nằm trong vùng đó, vì vậy hiệu quả phanh giảm.
- 25 Hình 2.11 Sơ đồ thuật toán điều khiển theo độ trượt cho trước 2.2.2 Điều khiển theo gia tốc góc bánh xe Để điều khiển tối ưu quá trình phanh, mỗi nhãn xe khi thiết kế, chế tạo ECU-ABS phải xác định được giá trị gia tốc góc bánh xe làm giá trị ngưỡng gia tốc góc, gồm: ngưỡng giá trị giới hạn gia tốc dưới và ngưỡng giá trị giới hạn gia tốc trên.
- Phương pháp điều khiển theo giá trị gia tốc góc bánh xe được thể hiện trên sơ đồ thuật toán trên hình 2.12 dưới đây: Xác định độ trượt Giảm áp Giữ áp Tăng áp Bắt đầu phanh > Vùng trượt tối ưu V0 Phanh bình thường Kết thúc Đ S 26 Hình 2.12 Sơ đồ thuật toán điều khiển theo gia tốc gới hạn Khi phanh, ECU-ABS nhận tín hiệu từ cảm biến đo vận tốc, nếu V Giới hạn trên .ε< Giới hạn dưới Đ S S Đ Xác định V>V0 Phanh bình thường Kết thúc Đ S 27 - Nếu giá trị gia tốc góc bánh xe (gia tốc chậm dần) có giá trị lớn hơn ngưỡng giá trị gia tốc trên (.ω.
- Dựa trên nguyên lý điều khiển quá trình phanh của hệ thống ABS, luận văn đề xuất cơ sở lựa chọn thuật toán phương pháp điều khiển của bộ ECU-ABS.
- Để nghiên cứu một cách đầy đủ hệ thống điều khiển chống hãm cứng bánh xe và ổn định hướng chuyển động của xe khi phanh, khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình phanh ô tô cần xây dựng mô hình toán và mô hình mô phỏng động lực học quá trình phanh, tác giả đã đưa ra sơ đồ thuật toán điều khiển phanh trên như sau với các yêu tố điều khiển: điều khiển theo độ trượt và trạng thái quay vòng (TTQV) (tất nhiên là có gia tốc quay thân xe, vận tốc và góc quay vành lái ßvl).
- 4) Nếu µA(x)≤ µB(x) thì µAc(x)≥ µBc(x) µA µB x x x x µA∩µB µA∩µB a) b) c) d) 35 Hình 3.4 Tập bù mạnh Ac của tập mờ A a - hàm thuộc của tập mờ A.
- nguyên lý cận trái: y’ là giá trị cận trái của G (hình 3.5b.
- (hình 3.5c) Hình 3.5 Giải mờ bằng phương pháp cực đại a - nguyên lý trung bình.
- Hình 3.7 Giải mờ theo phương pháp đường phân đối diện tích 3.1.2 Trình tự tổng hợp bộ điều khiển mờ Thực hiện tổng hợp bộ điều khiển mờ phải tiến hành theo các bước sau.
- Định nghĩa biến vào/ra y’ y µB’ B1 B2 S2=S1 S1 y’ y µB’ B1 B2 40 Tùy thuộc vào đối tượng điều khiển và mục đích điều khiển, người thiết kế phải xác định các biến vào/ra của bộ điều khiển.
- Trong bài toán điều khiển chuyển động ổn định của ô tô biến vào của bộ điều khiển có thể là sai lệch vận tốc xoay thân xe, góc lệch bên của bánh xe, góc đánh lái.
- biến ra của bộ điều khiển là mômen xoay thân xe.
- Xác định hàm thuộc, đây là một điểm quan trọng vì quá trình làm việc của bộ điều khiển mờ phụ thuộc rất lớn vào dạng và kiểu của hàm thuộc.
- Cần chọn các hàm thuộc có phần chồng lên nhau và phủ kín miền giá trị vật lý để trong quá trình điều khiển không xuất hiện “lỗ hổng.
- Xây dựng các luật điều khiển Các luật điều khiển được xây dựng dựa trên cơ sở tri thức của chuyên gia hoặc tài tiệu chuyên ngành.
- Thường trong thiết kế bộ điều khiển mờ, giải mờ theo phương 41 pháp phân đôi điện tích hoặc phương pháp điểm trọng tâm có ưu điểm hơn vì trong kết quả có sự tham gia của tất cả các kết luận của các luật điều khiển.
- Tối ưu bộ điều khiển • Sau khi đã tổng hợp được bộ điều kiểm mờ, có thể ghép nối với đối tượng điều khiển thực hoặc đối tượng mô phỏng để thử nghiệm, đánh giá và tối ưu bộ điều khiển.
- Biến vào (góc quay vành lái βvl) được định lượng bằng năm giá trị ngôn ngữ (xem hình 3.10.
- Biến vào (vận tốc dài của xe) được định lượng bằng ba giá trị ngôn ngữ (xem hình 3.11.
- Biến ra của bộ suy luận mờ là hệ số lựa chọn K, để xác định trạng thái quay vòng được mờ hoá bằng bảy giá trị ngôn ngữ (xem hình 3.12): (K)= (Thiếu, thiếu vừa, thiếu ít, đúng, thừa ít, thừ vừa, thừa).
- 45 Hình 3.12 Hàm liên thuộc của tín hiệu đầu ra (TTQV) 3.2.3 Các luật hợp thành của bộ suy luận mờ Bộ suy luận theo lô gic mờ sử dụng phương pháp suy luận Mamdamin, tập luật điều khiển của bộ điều khiển mờ được xây dựng trên cơ sở nguyên lý điều khiển của mô hình kết hợp với tri thức các chuyên gia trong lĩnh vực nghiên cứu bao gồm 5 x 5 x 3 = 75 luật diều khiển, được tóm tắt qua các bảng sau: Bảng 3.2 Các luật hợp thành của bộ suy luận mờ ở vận tốc nhỏ K ε.
- Tín hiệu đầu ra là trạng thái quay vòng (TTQV) được đưa vào làm tín hiệu đầu vào của bộ điều khiển phanh ABS ở chương tiếp theo.
- Sự nghiêng thân xe khi quay vòng dẫn tới đồng thời thay đổi giá trị phản lực thẳng đứng, góc nghiêng ngang của bánh xe và thay đổi góc điều khiển của bánh xe, do vậy ảnh hưởng tới quĩ đạo chuyển động của ô tô

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt