Nghiên cứu đề xuất thuật toán điều khiển hệ thống phanh ô tô có ABS
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.21 MB, 105 trang )
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
CÁC KÝ HIỆU DÙNG CHUNG CHO LUẬN VĂN
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
LỜI NÓI ĐẦU
Chương 1 - TỔNG QUAN ........................................................................................1
1.1 Hệ thống phanh [9] ............................................................................................1
1.1.1 Công dụng của hệ thống phanh ..................................................................1
1.1.2 Yêu cầu kết cấu của hệ thống phanh ..........................................................1
1.2 Hệ thống phanh có điều chỉnh lực phanh ..........................................................2
1.2.1 Bộ điều chỉnh lực phanh (bộ điều hòa lực phanh) ......................................2
1.2.2 Hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh (Antilock Brake Systems:
ABS) [21], [9] ......................................................................................................4
1.3 Các công trình nghiên cứu ứng dụng lô gic mờ trong ABS ............................12
1.3.1 Các công trình trong nước ........................................................................12
1.3.2 Các công trình ngoài nước ........................................................................12
1.4. Mục tiêu, nội dung, phạm vi, phương pháp nghiên cứu, cơ sở khoa học và
tính thực tiễn của đề tài .........................................................................................15
1.4.1 Mục tiêu ....................................................................................................15
1.4.2 Các nội dung cụ thể của luận văn cần thực hiện.......................................15
1.4.3 Phạm vi nghiên cứu ..................................................................................15
1.4.4 Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài ..............................................16
Chương 2 - CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CỦA ABS ...........................17
2.1 Mục tiêu điều khiển [12] .................................................................................17
2.1.1 Các thông số đánh giá hiệu quả phanh .....................................................17
2.1.2 Ổn định hướng của ô tô khi phanh ...........................................................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.........................................................26
Chương 3 - ỨNG DỤNG LÔ GIC MỜ XÁC ĐỊNH NGƯỠNG ĐIỀU KHIỂN
VÀ TRẠNG THÁI QUAY VÒNG CỦA XE KHI PHANH ................................32
3.1 Sơ lược tập mờ và điều khiển mờ [2] ..............................................................32
3.1.1 Tập mờ và lô gic mờ .................................................................................32
3.1.2 Trình tự tổng hợp bộ điều khiển mờ .........................................................40
3.2 Bộ suy luận theo lô gic mờ ..............................................................................42
3.2.1 Định nghĩa biến vào/ra (biến ngôn ngữ) ...................................................43
3.2.2 Xác định tập mờ ........................................................................................43
3.2.3 Các luật hợp thành của bộ suy luận mờ ....................................................46
3.2.4 Quan hệ giữa biến đầu vào và biến đầu ra của bộ suy luận theo lô gic mờ
...........................................................................................................................47
Chương 4 - MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE.....................49
4.1 Mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô [10] ...............................................49
4.1.1 Các phương trình chuyển động của ôtô ....................................................50
4.1.2 Sự nghiêng thân xe và tải trọng thẳng đứng .............................................51
4.1.3 Mô hình bánh xe .......................................................................................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 ...................66
4.4 Mô phỏng hệ thống..........................................................................................68
4.4.1 Mô phỏng đánh giá sự đúng đắn của hệ thống điều khiển ổn định khi
phanh ..................................................................................................................68
4.4.2 Mô phỏng đánh giá hiệu quả phanh và ổn định phanh .............................73
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................82
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................84
PHỤ LỤC 1
PHỤ LỤC 2
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan:
-
Những số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và
chưa hề được sử dụng để bảo một học vị nào.
-
Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các
thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Hà Nội, ngày 06 tháng 06 năm 2012
Tác giả
Bùi Văn Trung
CÁC KÝ HIỆU DÙNG CHUNG CHO LUẬN VĂN
Kí
hiệu
Ý nghĩa (tên gọi)
Đơn vị
a
Khoảng cách từ tâm cầu trước đến trọng tâm
m
b
Khoảng cách từ tâm cầu sau đến trọng tâm
m
B
Chiều rộng cơ sở của xe
m
L
Chiều dài cơ sở
m
m
Khối lượng xe khi đầy tải
kg
m’o
Khối lượng phần được treo
kg
mt
Khối lượng phần không được treo cầu trước
kg
ms
Khối lượng phần không được treo cầu sau
kg
hg
Chiều cao trọng tâm xe
m
ht
Chiều cao trọng tâm phần không được treo cầu trước
m
hs
Chiều cao trọng tâm phần không được cầu treo sau
m
G
Trọng lượng của xe
N
g
Gia tốc trọng trường
m/s2
ay
Gia tốc bên
m/s2
ax
Gia tốc dọc
m/s2
ah
Gia tốc hướng tâm
m/s2
Jz
Mômen quán tính ô tô quanh trục thẳng đứng
kg.m2
Mk
Mômen kéo
N.m
Mp
Mômen phanh bánh xe
N.m
Zi
Tải trọng thẳng đứng tại các bánh xe
N
rb
Bán kính làm việc bánh xe
m
v
Vận tốc của dọc xe
m/s
pt
Khoảng cách từ tâm nghiêng ngang cầu trước đến mặt đường
m
ps
Khoảng cách từ tâm nghiêng ngang cầu sau đến mặt đường
m
ih
Tỷ số truyền của hệ thống lái
Cψt
i
Độ cứng chống nghiêng ngang cầu trước
N/rad
Chỉ số các bánh xe dẫn hướng
Cψs
Độ cứng chống nghiêng ngang cầu sau
α
Góc lệch bên bánh xe
rad
ε
Góc quay thân xe
rad
β vl
Góc quay vành lái
rad
β
Góc quay bánh xe dẫn hướng
rad
ψ
Góc nghiêng thân xe
rad
ϕx
Hệ số bám
ϕy
Hệ số bám ngang
t
Thời gian khảo sát
4WS
Hệ thống lái 4 bánh dẫn hướng
2WS
Hệ thống lái 2 bánh dẫn hướng
N/rad
s
TTQV Trạng thái quay vòng
Fbd
Lực bàn đạp phanh
N
AN
Độ lệch của ô tô khi phanh
m
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Bảng chân lý mệnh đề hợp thành trong lô gic kinh điển
Bảng 3.2 Các luật hợp thành của bộ suy luận mờ ở vận tốc nhỏ
Bảng 3.3 Các luật hợp thành của bộ suy luận mờ ở vận tốc vừa
Bảng 3.4 Các luật hợp thành của bộ suy luận mờ ở vận tốc nhanh
Bảng 4.1 Bảng so sánh hiệu quả phanh trên đường nửa khô nửa ướt
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Thể hiện sự thay đổi tải trọng của xe khi phanh
Hình 1.2 Đường đặc tính của bộ điều hoà lực phanh hai thông số
Hình 1.3 Đồ thị quan hệ lực dọc F, lực ngang Y giới hạn với độ trượt
Hình 1.4 Bố trí các cụm và sơ đồ hệ thống phanh ABS trên ô tô con
Hình 1.5 Nguyên lý làm việc của ASR
Hình 1.6 Cấu tạo bên ngoài và nguyên lý làm việc của ASR
Hình 1.7 Hệ thống phanh ABS có ASR và EDC trên ô tô tải và ô tô buýt
Hình 2.1 Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô khi phanh ô tô bị quay đi một góc β
Hình 2.2 Sơ đồ để xác định độ lệch của ô tô khi phanh
Hình 2.3 Sơ đồ thuật toán điều khiển theo độ trượt cho trước
Hình 2.4 Sơ đồ thuật toán điều khiển theo gia tốc gới hạn
Hình 2.5 Sơ đồ thuật toán điều khiển theo luận văn đề xuất
Hình 3.1 Minh hoạ về độ cao, miền xác định và miền tin cậy
Hình 3.2 Hàm thuộc của hai tập hợp có cùng không gian nền
Hình 3.3 Hàm thuộc của hai tập hợp có cùng không gian nền
Hình 3.4 Tập bù mạnh Ac của tập mờ A
Hình 3.5 Giải mờ bằng phương pháp cực đại
Hình 3.6 Giải mờ theo phương pháp điểm trọng tâm
Hình 3.7 Giải mờ theo phương pháp đường phân đối diện tích
Hình 3.8 Sơ đồ mô phỏng bộ suy luận theo lô gic mờ
Hình 3.9 Hàm liên thuộc gia tốc góc xoay thân xe
Hình 3.10 Hàm liên thuộc góc quay vành lái βvl
Hình 3.11 Hàm liên thuộc vận tốc dài của xe
Hình 3.12 Hàm liên thuộc của tín hiệu đầu ra
Hình 3.13 Quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu đầu ra
Hình 4.1 Lực và mômen xác định trong mặt phẳng nằm ngang
Hình 4.2 Sự nghiêng thân xe quanh trục nghiêng dọc
Hình 4.3 Lực ly tâm và sự thay đổi phản lực thẳng đứng
Hình 4.4 Sự thay đổi tải trọng thẳng đứng giữa hai cầu trước và sau
Hình 4.5 Sơ đồ cân bằng lực ngang
Hình 4.6a Lực và mômen ở cầu sau
Hình 4.6b Lực và mômen ở cầu trước
Hình 4.7 Lực và mômen tác dụng lên bánh xe ô tô
Hình 4.8 Đồ thị đặc tính lốp thể hiện mối quan hệ giữa lực dọc Fi, tải trọng Zi, độ
trượt dọc si
Hình 4.9 Đồ thị đặc tính lốp thể hiện mối quan hệ giữa lực dọc Fi, góc lệch bên α i ,
và độ trượt dọc si
Hình 4.10 Đồ thị đặc tính lốp thể hiện mối quan hệ giữa lực bên Si, tải trọng Zi và
góc lệch bên α i
Hình 4.11 Đồ thị đặc tính lốp thể hiện mối quan hệ giữa lực bên Si, độ trượt si và
góc lệch bên α i
Hình 4.14 Mô hình tính góc lệch bên
Hình 4.13 Mối quan hệ giữa hệ trục tọa độ thân xe và hệ trục tọa độ mặt đường.
Hình 4.14 Các trạng thái quay vòng
Hình 4.16 Mô hình mô phỏng bộ điều khiển phanh
Hình4.17 Sơ đồ làm việc của ECU
Hình 4.18 Độ trượt khi phanh gấp trên đường khô ở vận tốc v=36 km/h
Hình 4.19 Độ trượt hai bánh trước khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận
tốc v=36 km/h
Hình 4.20 Độ trượt khi phanh gấp trên đường khô ở vận tốc v=72 km/h
Hình 4.21 Độ trượt hai bánh trước khi phanh gấp trên đường đường nửa khô nửa
ướt ở vận tốc v=72 km/h
Hình 4.22 Gia tốc xe khi phanh gấp trên đường khô ở vận tốc v=36 km/h
Hình 4.23 Gia tốc xe khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc v=36
km/h
Hình 4.24 Gia tốc xe khi phanh gấp trên đường khô ở vận tốc v=72 km/h
Hình 4.25 Gia tốc xe khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc v=72
km/h
Hình 4.26 Quãng đường phanh khi phanh gấp trên đường khô ở vận tốc v=36 km/h
Hình 4.27 Quãng đường phanh khi phanh trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc
v=36 km/h
Hình 4.28 Quãng đường phanh khi phanh gấp trên đường khô ở vận tốc v=72 km/h
Hình 4.29 Quãng đường phanh khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc
v=72 km
Hình 4.30 Quỹ đạo chuyển động của xe khi phanh gấp trên đường khô ở vận tốc
v=36 km/h
Hình 4.31 Quỹ đạo chuyển động của xe khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt
ở vận tốc v=36 km/h
Hình 4.32 Quỹ đạo chuyển động của xe khi phanh gấp trên đường khô ở vận tốc
v=72 km/h
Hình 4.33 Quỹ đạo chuyển động của xe khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt
ở vận tốc v=72 km/h
Hình 4.34 Góc quay thân khi phanh gấp trên đường khô ở vận tốc v=36 km/h
Hình 4.35 Góc quay thân khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc v=36
km/h
Hình 4.36 Góc quay thân khi phanh gấp trên đường khô ở vận tốc v=72 km/h
Hình 4.37 Góc quay thân khi phanh gấp trên đường khô ở vận tốc v=72 km/h
Hình 4.38 Độ lệch của ô tô khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc
v=36 km/h
Hình 4.39 Độ lệch của ô tô khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc
v=72 km/h
Hình 4.40 Lực phanh hai bánh trước khi phanh gấp trên đường khô ở vận tốc
v=36km/h
Hình 4.41 Lực phanh hai bánh trước khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở
vận tốc v= 36km/h
Hình 4.42 Lực phanh hai bánh trước khi phanh gấp trên đường khô ở vận tốc v=72
km/h
Hình 4.43 Lực phanh hai bánh trước khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở
vận tốc v=72 km/h
Hình 4.44 Độ trượt hai bánh trước khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở
vận tốc v=90 km/h
Hình 4.45 Độ trượt hai bánh trước khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở
vận tốc v=108 km/h
Hình 4.46 Quãng đường phanh khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc
v=90 km
Hình 4.47 Quãng đường phanh khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc
v=108 km/h
Hình 4.48 Góc quay thân khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc v=90
km/h
Hình 4.49 Góc quay thân khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc
v=108 km/h
Hình 4.50 Quỹ đạo chuyển động của xe khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt
ở vận tốc v=90 km/h
Hình 4.51 Quỹ đạo chuyển động của xe khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt
ở vận tốc v=108 km/h
Hình 4.52 Độ lệch của ô tô khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc
v=90 km/h
Hình 4.53 Độ lệch của ô tô khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc
v=108 km/h
LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, sự bùng nổ giao thông cùng với sự phát triển
mạnh mẽ về kinh tế đã gây nên cơn sốc đối với Chính Phủ nhiều nước châu Á. Mặc
dù số lượng ô tô, xe máy, xe buýt của các nước trên châu lục chỉ chiếm 16% số
lượng toàn cầu, nhưng theo thống kê của Tổ chức Y tế thế giới (WHO), tỷ lệ tai nạn
giao thông (TNGT) ở châu Á chiếm 50% trên toàn thế giới. Mỗi năm, TNGT cướp
đi mạng sống của hơn 600.000 người châu Á, làm 9,4 triệu người khác bị thương
nặng. Những con số thống kê trên cho thấy, mạng lưới giao thông đường bộ ở châu
Á đã trở nên nguy hiểm nhất thế giới. Tại Thái Lan, theo số liệu của Bộ Y tế cho
biết, TNGT là nguyên nhân gây tử vong lớn thứ 3, chỉ xếp sau bệnh AIDS và bệnh
tim. Còn ở Trung Quốc và Ấn Độ, nơi những người thuộc tầng lớp có thu nhập
trung bình đổ xô đi mua sắm phương tiện giao thông mới, số lượng các vụ đụng độ
trên đường đã tăng đột biến, ngoài tầm kiểm soát của Chính Phủ. Ông P.K.Sikdar,
Giám đốc Viện Nghiên cứu đường bộ trung ương, một cơ quan tư vấn có trụ sở đặt
tại New Delhi cho biết: TNGT đường bộ cũng là nguyên nhân gây tử vong thứ 3 ở
Ấn Độ, xếp sau động đất và gió xoáy, nhưng khác với hai nguyên nhân trên, TNGT
xảy ra đều đặn và hầu như không lúc nào ngừng. Hằng năm, 80.000 người Ấn Độ bị
TNGT cướp đi mạng sống.
Ở Việt Nam, vấn nạn đó càng trầm trọng hơn, theo số liệu thống kê của Uỷ
ban An toàn giao thông quốc gia thì hiện nay số lượng các vụ tai nạn giao thông đã
tăng một cách đáng kể. Trong năm 2011, cả nước xảy ra 44.548 vụ tai nạn giao
thông, làm 11.395 người chết và 48.734 người bị thương.
Nước ta hiện nay do nền kinh tế mới phát triển và hội nhập, số lượng ô tô du
lịch ngày càng tăng nhanh cả về số lượng, chủng loại. Tính đến hết năm 2011, số
lượng ô tô, xe máy đăng ký mới cũng tăng thêm 35.800 phương tiện, đồng thời
ngành công nghiệp sản xuất ô tô đang hình thành với nhiều tiềm năng. Số lượng ô
tô tăng nhanh, mật độ lưu thông trên đường ngày càng lớn, các xe ô tô được thiết kế
với công suất cao, tốc độ chuyển động nhanh, đòi hỏi hệ thống phanh ngày càng
hoàn thiện với nhiều công nghệ, kỹ thuật mới, hiện đại được ứng dụng.
Một vấn đề được đặt ra đồng thời cũng là bài toán cần phải giải quyết đối với
hoạt động của hệ thống phanh trong đó có hệ thống chống bó cứng bánh xe khi
phanh ABS có ý nghĩa lớn đối với tính năng an toàn và ổn định chuyển động của ô
tô. 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. Để tránh hiện tượng đó, cần thiết
phải theo dõi góc quay thân xe, nếu thân xe bị xoay cần được được điều chỉnh lực
phanh ngay cả khi độ trượt bánh xe không lớn. 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.
Nội dung của đề tài có thể hình thành các tài tài liệu giảng dạy. 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.
Dưới sự hướng dẫn của PGS. TS Hồ Hữu Hải, các thầy trong Bộ môn Ô tô
và Xe chuyên dụng, các bạn đồng nghiệp khác đề tài đã được hoàn thành. Đề tài
thực hiện tại Bộ môn Ô tô và Xe chuyên dụng - Viện Cơ khí Động lực - Trường Đại
học Bách Khoa Hà Nội. Tác giả xin chân thành cảm ơn sự hướng tận tụy của PGS.
TS Hồ Hữu Hải, sự đóng góp ý kiến quý báu của các thầy, các bạn đồng nghiệp để
bản luận văn được hoàn thành.
Do thời gian hạn chế nên bản luận văn khó tránh khỏi thiếu sót, rất mong
nhận được các ý kiến đóng góp của các thầy và các bạn đồng nghiệp.
Tác giả xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 5 năm 2012
Tác giả
Bùi Văn Trung
Chương 1 - TỔNG QUAN
1.1 Hệ thống phanh [9]
1.1.1 Công dụng của hệ thống phanh
Hệ thống phanh có chức năng giảm tốc độ chuyển động tới tốc độ chuyển
động nào đó hoặc dừng hẳn ở một vị trí nhất định. Thông thường, quá trình phanh
xe được tiến hành bằng cách tạo ma sát giữa phần quay và phần đứng yên trên xe,
như vậy động năng chuyển động của xe biến thành nhiệt năng của cơ cấu ma sát và
được truyền ra môi trường xung quanh.
Hệ thống phanh trên ô tô gồm có các bộ phận chính: cơ cấu phanh, dẫn động
phanh. Ngày nay trên cơ sở các bộ phận kể trên, hệ thống phanh còn được bố trí
thêm các thiết bị để nâng cao hiệu quả phanh.
- Cơ cấu phanh: được bố trí gần bánh xe, thực hiện chức năng của các cơ cấu ma sát
nhằm tạo ra mômen hãm trên các bánh xe của 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.
1.1.2 Yêu cầu kết cấu của hệ thống phanh
Hệ thống phanh trên ô tô cần đảm bảo các yêu cầu cơ bản sau:
- Có hiệu quả phanh cao nhất ở tất cả các bánh xe, nghĩa là đảm bảo quãng đường
phanh ngắn nhất, khi phanh gấp trong trường hợp nguy hiểm,
- 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 sự ổn định chuyển động của ô tô và phanh êm dịu trong mọi trường hợp,
- Dẫn động phanh phải có độ nhạy cao, đảm bảo mối tương quan giữa lực bàn đạp
với sự phanh của ô tô trong quá trình thực hiện phanh,
- Cơ cấu phanh thoát nhiệt tốt, duy trì ổn định hệ số ma sát trong cơ cấu phanh trong
mọi điều kiện sử dụng,
1
- Hạn chế tối đa hiện tượng trượt lết bánh xe khi phanh với các cường độ lực bàn
đạp khác nhau,
- Có khả năng giữ ô tô đứng yên trong thời gian dài, kể cả trên nền đường dốc,
- 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.
1.2 Hệ thống phanh có điều chỉnh lực phanh
Quá trình phanh tiến hành tốt nhất khi lực phanh gần xấp xỉ bằng lực bám,
tức là mômen phanh sinh ra trong cơ cấu phanh cần tương ứng với mômen bám của
bánh xe. 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.
Quy luật tổng quát đã chỉ ra: khi càng tăng cường độ phanh (so sánh giữa
phanh nhẹ và phanh gấp), tải trọng thẳng đứng đặt trên cầu trước G1 càng tăng cao,
còn tải trong thẳng đứng trên cầu sau G2 càng giảm (xem hình 1.1).
G2
G1
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.
Theo xu hướng hoàn thiện hệ thống phanh trên ô tô có thể bố trí bộ điều
chỉnh lực phanh hoặc bộ chống hãm cứng bánh xe (ABS).
1.2.1 Bộ điều chỉnh lực phanh (bộ điều hòa lực phanh)
Trong hệ thống phanh thủy lực cũng như hệ thống phanh khí nén, áp suất
thủy lực (hoặc khí nén) dẫn ra các bánh xe của cầu trước và cầu sau có thể bằng
nhau hoặc khác nhau. Đa số ô tô có bố trí sử dụng các kết cấu phân bố áp suất dầu
2
như nhau. Như vậy các bánh xe cầu sau thường bị trượt lết, cần hạn chế áp suất dầu
phanh dẫn tới.
Một số hệ thống sử dụng van phân phối (phanh khí nén) hoặc xi lanh chính
hai dòng có áp suất khí nén, thủy lực ra các dòng khác nhau. Mức độ thay đổi áp
suất giữa các dòng phanh phụ thuộc vào lực bàn đạp, không phụ thuộc vào tải trọng
thẳng đứng lên trên cầu xe. Mặc dù chất lượng phanh trong trường hợp này có cải
thiện hơn, nhưng chỉ thích hợp trong một số ít các tình trạng thực tế khi phanh trên
đường.
Ngày nay, hệ thống phanh trên ô tô dùng van phân phối hoặc xi lanh chính
hai dòng có áp suất các dòng ra như nhau với bộ điều hòa lực phanh (bộ tự động
điều chỉnh áp suất ra cầu sau). Bộ điều hòa lực phanh có nhiều dạng cấu trúc khác
nhau, tuy nhiên các dạng cấu trúc đều tập trung giải quyết yêu cầu như trên hình
1.2.
Hình 1.2 Đường đặc tính của bộ điều hoà lực phanh hai thông số
- Loại điều hòa lực phanh bằng van hạn chế áp suất, làm việc trên cơ sở của
sự thay đổi áp suất sau xi lanh chính (bộ điều hòa tĩnh).
- Loại điều hòa lực phanh bằng van hạn chế áp suất, làm việc trên cơ sở của
sự thay đổi áp suất sau xi lanh chính và tải trọng tác dụng lên các bánh xe của các
cầu (bộ điều hòa hai thông số).
3
Bộ điều hòa tĩnh có khả năng điều chỉnh áp suất xi lanh chính, do đó khi tải
trọng trên các bánh xe sau thay đổi lớn, áp suất dầu không thay đổi theo. Ngày nay
thường dùng bộ điều hòa hai thông số do khả năng làm việc thích hợp hơn so với bộ
điều hòa tĩnh.
Như được thể hiện trên hình 1.2, đặc tính của bộ điều hòa lực phanh. Đường
nét đứt thể hiện mối quan hệ giữa áp suất (p) trong xi lanh bánh xe trước và sau khi
không có bộ điều hòa. Đường cong liền thể hiện mỗi quan hệ giữa áp suất trong xi
lanh bánh trước và sau ở điều kiện lý tưởng (yêu cầu). Đường liền gãy khúc thể hiện
mỗi quan hệ giữa áp suất trong xi lanh bánh trước và sau khi có bộ điều hòa lực
phanh. Đường này bám sát đường lý tưởng nên đã được cải thiện chất lượng phanh.
1.2.2 Hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh (Antilock Brake Systems:
ABS) [21], [9]
a. Lịch sử phát triển của hệ thống ABS
Hệ thống ABS được sử dụng đầu tiên trên các máy bay thương mại vào năm
1949, chống hiện tượng trượt ra khỏi đường băng khi máy bay hạ cánh. Nhưng do
công nghệ của những năm đó còn hạn chế vì vậy kết cấu hệ thống ABS còn cồng
kềnh, hoạt động không tin cậy, quá trình làm việc chưa linh hoạt trong các tình
huống.
Năm 1969, công nghệ kỹ thuật điện tử phát triển, các vi mạch (microchip) ra
đời, hệ thống ABS lần đầu tiên được lắp trên ô tô. 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.
Trong giai đoạn đầu, hệ thống ABS chỉ được lắp trên các xe du lịch cao cấp,
đắt tiền, theo yêu cầu của thị trường, dần dần hệ thống này được đưa vào sử dụng
rộng rãi hơn. Đến nay, ABS đã trở thành tiêu chuẩn bắt buộc đối với các loại xe du
lịch và các xe hoạt động ở những vùng đường băng tuyết dễ trơn trượt. Mặt khác,
hiện nay hệ thống ABS không chỉ thiết kế trên các hệ thống phanh dẫn động thuỷ
4
lực mà còn ứng dụng rộng rãi trên hệ thống phanh dẫn động khí nén của các xe tải
và xe khách cỡ lớn. Nhằm nâng cao tính ổn định và an toàn của xe khi hoạt động, hệ
thống ABS còn được thiết kế kết hợp với nhiều hệ thống khác:
- Hệ thống kiểm soát lực kéo Traction Regulator Control (TRS) hay
Acceleraion Slip Regulator (ASR).
- Hệ thống phân phối lực phanh bằng điện tử Electronic Brakeforce
Distribution (EBD) và hệ thống trợ lực phanh khẩn cấp Brake Assit System
(BAS).
- Hệ thống làm tăng lực phanh ở các bánh xe Brake Assist System (BAS), để
quãng đường phanh ngắn nhất trong trường hợp phanh gấp.
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.
b. 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 λ 0 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.
c. Cơ sở lí thuyết của ABS
Trong quá trình phanh, mômen phanh trong cơ cấu phanh ngăn cản chuyển
động quay của các bánh xe, nhưng mômen phanh phụ thuộc vào điều kiện bám giữa
bánh xe và nền đường, tức là phụ thuộc vào độ trượt của bánh xe trên nền đường.
5
Hình 1.3 Đồ thị quan hệ lực dọc F, lực ngang Y giới hạn với độ trượt
Hình 1.3 biểu diễn mối quan hệ giữa lực dọc F giới hạn, lực ngang Y giới
hạn với độ trượt (%) trên.
Khi phanh xe đang chuyển động, nếu bánh xe bị bó cứng hoàn toàn, độ trượt
giữa bánh xe và mặt đường là 100%, lực dọc F giới hạn, lực ngang giới hạn giữa
bánh xe và mặt đường giảm xuống rất thấp. Điều đó dẫn đến giảm hiệu quả phanh
và giảm khả năng ổn định của ô tô. Như vậy sự lăn của bánh xe khi phanh cần thiết
được xem xét với mối quan hệ tối ưu giữa lực phanh, lực lọc với độ trượt bánh xe.
Qua đồ thị nhận rõ: khi độ trượt nằm trong khoản 15%÷30%, lực dọc và lực ngang
có thể đạt giá trị lớn. Khi độ trượt lơn hơn 50%, lực dọc và lực ngang bắt đầu suy
giảm và có thể giảm mạnh.
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.
d. 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.
Mô tả cấu trúc các cụm bố trí trên xe và sơ đồ hệ thống phanh ABS thủy lực
cơ bản được trình bày trên hình 1.4.
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 (ECUABS), các van điều chỉnh áp suất được bố trí trước xi lanh bánh xe (block thủy lực
ABS).
Chức năng của các bộ phận chính như sau:
- Cảm biến tốc độ bánh xe nhằm xác định tốc độ góc của bánh xe và chuyển
thành tín hiệu điện gửi đến bộ ECU-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
Cảm biến tốc độ
ECU-ABS
Bộ chấp hành của phanh
Cảm biến
tốc độ
bánh xe
Bánh răng
tạo xung
Càng phanh
Cảm biến tốc độ bánh xe
Phanh đĩa
Công tắc báo mức
dầu phanh
Công tắc đèn phanh
Bộ chấp
hành của
phanh
Cảm
biến
tốc độ
bánh
xe
Bộ điều
khiển
trung tâm
DLC3
Cảm
biến
tốc độ
bánh
xe
Đèn báo ABS
Đèn báo hệ
thống phanh
Đồng hồ đo
tốc độ
Hình 1.4 Bố trí các cụm và sơ đồ hệ thống phanh ABS trên ô tô con
e. Các liên hợp với ABS
Để nâng cao chất lượng hoạt động của ô tô trên các điều kiện sử dụng khác
nhau, trên các ô tô sử dụng ABS với chức năng sử dụng liên hợp:
- BAS: Hệ thống hỗ trợ phanh khẩn cấp dùng trên ô tô con,
- TRC: Hệ thống điều khiển lực kéo bánh xe gồm:
+ ASR: Kiểm soát trượt quay bánh xe chủ động,
+ VSC: Kiểm soát ổn định hướng.
8
- EDC: Bộ tự động hạ mức cung cấp nhiên liệu
* Nguyên lý cơ sở của ASR và EDC.
Tương tự sự trượt lết khi phanh, sự trượt quay cũng có tác động xấu tới khả
năng bám của bánh xe, gây tiêu thụ nhiên liệu vô ích, giảm khả năng ổn định
chuyển động và gây mài mòn nhanh lốp.
Nếu coi ô tô chuyển động với mômen chủ động từ động cơ truyền xuống bán
trục là 100%, khả năng bám trên nền chỉ bằng 30%, bánh xe có khả năng chuyển
động với giá trị mômen xấp xỉ bằng mômen bám và làm tốt các yếu tố động lực của
ô tô.
2
M cần giảm=70%
Mk=100%
3
1
M bám=30%
Hình 1.5 Nguyên lý làm việc của
ASR
1. Bán trục
2. Cơ cấu phanh
3. Bánh xe
Khi bánh xe trượt quay, nhờ thiết bị ASR (phanh bớt mômen kéo) và EDC
(hạ thấp mômen truyền từ động cơ), mômen truyền xuống bánh xe giảm, bánh xe
không bị trượt lớn
Sự trượt quay chỉ xuất hiện trên các bánh xe chủ động, do vậy ASR được bố
trí trên các bánh xe này, cùng với EDC để hạn chế mômen động cơ truyền xuống
bánh xe.
Muốn làm việc ở chế độ ASR cần thiết phải có cơ cấu kích hoạt chuyển sang chế độ
có ASR.
Trên ô tô ngày nay sử dụng một phím kích hoạt, tại chế độ này đèn ASR
sáng. 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. Khi chuyển động trên đường tốt để phát huy tốc độ lập tức nhả phím ấn,
khi đó chờ ô tô hoạt động theo chế độ ABS.
9
Cụm van điện từ ASR trên ô tô buýt có tác dụng điều khiển mạch cung cấp
khí nén ASR. Khi kích hoạt làm việc ở chế độ ASR, đồng thời đưa ABS tham gia
hoat động.
* 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. Cấu trúc van ASR được trình bày trên hình 1.6, bao gồm: vỏ,
cuộn dây, lõi từ đồng thời là van, đầu nối dây điện.
Từ van phân phối (P)
P
Đầu nối
24V
Cuộn
dây
Đầu nối
24V
Đường khí
xả (R)
Hình 1.6 Cấu tạo bên ngoài và nguyên lý làm việc của ASR
Cấu trúc van có dạng van chặn điện từ. 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. Khí
nén được lấy trực tiếp từ bình chứa khí nén.
Hệ thống cung cấp trên xe tạo nên hai mạch cấp khí nén song song và được
góp chung tại van đổi chiều và xả nhanh 12 trên sơ đồ tổng quát.
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. Nếu ASR được kích hoạt, khí nén được cấp
đến van ASR và tới van đổi chiều và xả nhanh 6, mở thông thường cấp khí nén cho
van ABS (nằm nối tiếp sau van ASR).
Sau đây là mô tả phối hợp giữa ASR và ABS:
10
Trạng thái
Hoạt động của hệ
thống
Không kích hoạt ASR
ABS
Ấn phím (kích hoạt)
ASR + ABS
ASR
Độ trượt
ABS
Trượt lết
+
Trượt lết
+
Trượt quay
+
ASR
+
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.
ASR
EDC
7
2
12
1
5
6
Hình 1.7 Hệ thống phanh ABS có ASR
và EDC trên ô tô tải và ô tô buýt
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
11
6
3
10
4
4
9
13
9
CB tốc độ bánh xe
Vành răng cảm biến
ECU ABS+ASR
Van điều khiển áp suất ABS
Van điều khiển ASR
Van đổi chiều xả phanh
Van phân phối hai dòng
Bộ điều khiển tải trọng
Bầu phanh bánh xe sau
ECU EDC
Bàn đạp ga
Cảm biến vị trí bàn đạp
Bơm cao áp diezel
* Nguyên lý tự động điều chỉnh hạ chân ga (EDC) có thể được bố trí trên ô tô,
nguyên lý của hệ thống có thể được mô tả trên hình 1.7 Các chi tiết cơ bản của EDC
nằm bên phải của hình vẽ. Liên kết giữa bàn đạp chân ga và thanh răng bơm cao áp
không bố trí liên kết cơ khí thông thường. Khối ECU-EDC được bố trí như một bộ
phận của ECU toàn xe. 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.
Thông qua ECU vị trí thanh răng được xác định và hạn mức độ bàn đạp chân ga
xuống tương ứng. Khi đó ABS làm việc với mức độ phanh nhẹ hơn (có thể không
cần phanh), mà mômen quay bánh xe không vượt quá giới hạn trượt của bánh xe.
11
1.3 Các công trình nghiên cứu ứng dụng lô gic mờ trong ABS
1.3.1 Các công trình trong nước
Như đã biết, năm 2007, tác giả Phạm Quang Hưng [3] đã nghiên cứu mô
phỏng hệ thống lái bốn bánh xe dẫn hướng dùng cho ô tô con. 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.
Tuy nhiên chưa được ứng dụng vào thực tế.
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.
1.3.2 Các công trình ngoài nước
Năm 1995, tác giả G. F. 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. Hệ thống ABS được thực hiện thử nghiệm trên mô hình ¼ với hệ thống treo
12
đàn hồi phi tuyến. Bài báo này đã mô tả tiêu chuẩn thiết kế và đưa ra kết cấu quy tắc
của hệ thống. Các kết quả mô phỏng của hệ thống được tiến hành trên nhiều loại
đường và dưới các điều kiện đường thay đổi rất nhanh.
Năm 2002, các tác giả F. YU1, J.-Z. FENG2 và J. 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. Lô gic mờ được áp dụng để duy trì mục đích tối ưu hóa tỷ lệ trượt
giữa giảm tốc độ phanh, quãng đường phanh và tính ổn định hướng khi phanh. Mục đích
trên đạt được bằng cách sử dụng mô hình chiếc xe phi tuyến 8-DOF và thử nghiệm mô
phỏng được tiến hành ở các điều kiện khác nhau.
Năm 2003, các tác giả P. Khatun, C. M. Bingham, Member, IEEE, N.
Schofield, và P. H. 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. Các nghiên cứu mô phỏng được thử nghiệm
sau đó rút ra quy tắc để tiến hành trên hệ thống phanh. Việc thử nghiệm trên các
điều kiện khác nhau với nhiều loại lốp. Các hàm liên thuộc của logic mờ sau đó
được xác định lại bằng cách phân tích các dữ liệu từ kết quả mô phỏng ở hệ số bám
cao. 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. Các kết quả cho thấy ABS/việc kiểm soát lực kéo có thể cải thiện đáng kể
theo chiều dọc và kiểm soát tối ưu các bánh xe truyền động, cụ thể dưới điều kiện
băng tuyết.
Năm 2005, công trình “Design of an Optimal Fuzzy Controller for Antilock
Braking Systems” của các tác giả A. Mirzaei, M. Moallem, B. 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
