طراحی و مقایسه عملکرد کنترل‌کننده‌های قانون‌مدار و مد لغزشی سیستم ترمز ضدقفل هیدرولیکی خودرو

نصیری, صیاد; رحیمی آسیابرکی, حسین; عارفیان, محمد

doi:10.48301/kssa.2022.350886.2197

طراحی و مقایسه عملکرد کنترل‌کننده‌های قانون‌مدار و مد لغزشی سیستم ترمز ضدقفل هیدرولیکی خودرو

نوع مقاله : مقاله پژوهشی (کاربردی)

نویسندگان

¹ عضو هیات علمی، مرکز آموزش مهارت‌های مهندسی، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران.

² عضو هیات علمی، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه فنی و حرفه‌ای، تهران، ایران.

³ کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران.

10.48301/kssa.2022.350886.2197

چکیده

از عیوب عمده سیستم ترمز معمولی خودرو، کنترل نشدن مقدار گشتاور ترمزی اعمال‌شده به چرخ‌ها نسبت به گشتاور اصطکاکی بین تایر و زمین در ترمزگیری شدید می‌باشد. چنانچه راننده اطلاع دقیقی از شرایط جاده نداشته باشد، با اعمال نیروی بیش‌ازحد به پدال ترمز، باعث قفل شدن چرخ‌ها خواهد شد. با قفل شدن چرخ‌های خودرو علاوه بر افزایش مسافت ترمزی، پایداری جانبی خودرو نیز کاهش می‌یابد و خودرو از مسیر خود منحرف می‌گردد. سیستم ترمز ضدقفل به‌منظور افزایش راندمان سیستم ترمز و دستیابی به کمترین مسافت ترمزی و افزایش پایداری خودرو در شرایط اضطراری ترمزگیری از طریق پیشگیری از قفل شدن چرخ‌ها طراحی گردیده است. بدین منظور الگوریتم‌های کنترلی مختلفی برای کنترل کردن مقدار لغزش، شتاب و سرعت زاویه‌ای پیشنهاد شده است. در مقاله حاضر ابتدا برای کل سیستم ترمز ضدقفل مدل‌سازی تحلیلی ارائه و با آزمایشات تجربی صحه‌گذاری و معادلات حالت سیستم ارائه گردیده است. سپس دو الگوریتم کنترلی قانون‌مدار و مد لغزشی برای سیستم طراحی‌شده و نحوه عملکرد آن‌ها با داده‌های تجربی به‌دست‌آمده از آزمایش سیستم ترمز در شرایط واقعی ارزیابی و مقایسه شده است. نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که استفاده از الگوریتم‌های قانون‌مدار می‌تواند با حجم کم کدهای برنامه‌نویسی در مقایسه با الگوریتم‌های مقاوم با حجم بالای محاسبات و کدهای برنامه‌نویسی در شرایط واقعی نتایج قابل‌قبولی را به دنبال داشته باشد.

کلیدواژه‌ها

20.1001.1.23829796.1401.19.3.6.6

موضوعات

طراحی سیستم های دینامیکی خودرو

عنوان مقاله [English]

Designing and Comparing the Performance of Rule-Based and Sliding Mode Controllers of Automotive Hydraulic Anti-Lock Braking System

نویسندگان [English]

Sayyad Nasiri ¹
Hossein Rahimi Asiabaraki ²
Mohammad Arefian ³

¹ Faculty Member, Center for Engineering Skills Training, Sharif University of Technology, Tehran, Iran.

² Faculty Member, Department of Mechanical Engineering, Technical and Vocational University (TVU), Tehran, Iran.

³ MSc, Department of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran.

چکیده [English]

One of the major defects of the conventional Car Braking System (CBS) is the lack of control of the amount of braking torque applied to the wheels compared to the frictional torque between the tire and the ground during extreme braking. If the driver does not have accurate estimate of the road conditions, applying too much force to the brake pedal will cause the wheels to lock. By locking the wheels of the car, in addition to increasing the braking distance, the lateral stability of the car is also reduced and the car deviates from its path. The anti-lock braking system was designed to increase the efficiency of the braking system, achieve the minimum braking distance and increase the directional stability of the vehicle in emergency braking situations by preventing the wheels from locking. For this purpose, various control algorithms were proposed to control the amount of slip, deceleration and angular velocity. In the present research, first, analytical modeling was presented for the entire anti-lock braking system followed by experimental validation tests and system state equations. Then, two control algorithms of Rule-Based and Sliding Mode were designed for the system and their performance was evaluated and compared with the experimental data obtained from the brake system test under real conditions. The findings of this research show that under real conditions, the use of rule-based algorithms, with a small volume of calculations and programming codes, can lead to acceptable results compared to robust algorithms consisting of a high volume of calculations and programming codes.

کلیدواژه‌ها [English]

Modeling Anti
lock braking Rule
based controller Sliding mode controller Automotive

مراجع

[1] Orthwein, W. C. (2004). Clutches and brakes: design and selection (2 ed.). Chemical Rubber Company Press. https://doi.org/10.1201/9780203026236

[2] Gerdes, J. C., & Hedrick, J. K. (1999). Brake System Modeling for Simulation and Control. Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 121(3), 496-503. https://doi.or g/10.1115/1.2802501

[3] Wu, M-C., & Shih, M-C. (2003). Simulated and experimental study of hydraulic anti-lock braking system using sliding-mode PWM control. Mechatronics, 13(4), 331-351. ht tps://doi.org/10.1016/S0957-4158(01)00049-6

[4] Khan, Y., Kulkarni, P., & Youcef-Toumi, K. (1994). Modeling, Experimentation and Simulation of a Brake Apply System. Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 116(1), 111-122. https://doi.org/10.1115/1.2900665

[5] Ho, H. P., Day, A., Hussain, K., & Johnstone, A. (2007, April 23-25). Modelling and Simulation of The Characteristics of an Hydraulic Brake Master Cylinder. 21st International Automotive Conference "Science & Motor Vehicles 07", Belgrade, Serbia. https://go.fisita.com/stor e/papers/science-&-motorvehicles07/01_day_ho

[6] Harifi, A., Aghagolzadeh, A., Alizadeh, G., & Sadeghi, M. (2008). Designing a sliding mode controller for slip control of antilock brake systems. Transportation Research Part C: Emerging Technologies, 16(6), 731-741. https://doi.org/10.1016/j.trc.2008. 02.003

[7] Kuang, M. L., Fodor, M., Hrovat, D., & Tran, M. (1999, June 2-4). Hydraulic brake system modeling and control for active control of vehicle dynamics. Proceedings of the 1999 American Control Conference (Cat. No. 99CH36251), San Diego, CA, USA. https://doi. org/10.1109/ACC.1999.786447

[8] Challa, A., Ramakrushnan, K., Subramanian, S. C., Vivekanandan, G., & Sivaram, S. (2020). Analysis Of Thresholds In Rule-Based Antilock Braking Control Algorithms. International Federation of Automatic Control-PapersOnLine, 53(1), 404-409. https://d oi.org/10.1016/j.ifacol.2020.06.068

[9] Benine-Neto, A., Moreau, X., & Lanusse, P. (2017). Robust control for an electro-mechanical anti-lock braking system: the CRONE approach. International Federation of Automatic Control -PapersOnLine, 50(1), 12575-12581. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2017.08.2 198

[10] Chen, M. Q., Liu, W. S., Ma, Y. Z., Wang, J., Xu, F. R., & Wang, Y. J. (2018). Mixed Slip-Deceleration PID Control of Aircraft Wheel Braking System. International Federation of Automatic Control -PapersOnLine, 51(4), 160-165. https://doi.org/10 .1016/j.ifacol.2018.06.059

[11] Vogt, P., Lenz, E., Klug, A., Westerfeld, H., & Konigorski, U. (2019). Robust Two-Degree-of-Freedom Wheel Slip Controller Structure for Anti-lock Braking. International Federation of Automatic Control -PapersOnLine, 52(5), 431-437. http s://doi.org/10.1016/j.ifacol.201 9.0 9.069

[12] Fernández, J. P., Alcázar Vargas, M. G., Velasco García, J. M., Cabrera Carrillo, J. A., & Castillo Aguilar, J. J. (2021). Influence of tire dynamics on a braking process with ABS. Transportation Research Procedia, 58, 189-192. https://doi.org/10.1016/j.trp ro.2021.11.026

[13] N. Elghitany, M., Tolba, F., & Mohamed Abdelkader, A. (2022). Low Vehicle Speeds Regenerative Anti-lock Braking System. Ain Shams Engineering Journal, 13(2), 101570. https://doi.org/10.1016/j.asej.2021.08.013

[14] Limpert, R. (2011). Brake design and safety (3 ed.). Society of Automotive Engineers international. https://www.amazon.com/Brake-Design-Safety-Rudolf-Limpert/dp/0 768034388

[15] Nasiri, S., Moaveni, B., Payganeh, G., & Arefiyan, M. (2012). Modeling and analysis of the hydraulic antilock brake system of vehicle. Journal of Control, 6(3), 11-26. http://joc.kntu.ac.ir/browse.php?a_id=50&sid=1&slc_lang=en

[16] Gillespie, T. D. (2021). Fundamentals of Vehicle Dynamics, Revised Edition. Society of Automotive Engineers International. https://www.sae.org/publications/books/conte nt/r-506/

[17] Wit, C. C. d., & Tsiotras, P. (1999, December 7-10). Dynamic tire friction models for vehicle traction control. Proceedings of the 38th IEEE Conference on Decision and Control (Cat. No.99CH36304), Phoenix, AZ, USA. https://doi.org/10.1109/CDC.19 99.827937

[18] Canudas de Wit, C., Horowitz, R., & Tsiotras, P. (1999). Model-based observers for tire/road contact friction prediction. In Nijmeijer, H. & Fossen, T. I. (Eds.), New Directions in nonlinear observer design. Springer London. https://doi.org/10.1007/ BFb0109919

[19] Slotine, J-J. E., & Li, W. (1991). Applied nonlinear control. Prentice hall Englewood Cliffs. http://www.ioe.nchu.edu.tw/Pic/CourseItem/4497_APPLIED%20NONLINEAR%20CONTROL_slotine_Part1.pdf

[20] Fangjun, J., & Zhiqiang, G. (2000, September 27). An adaptive nonlinear filter approach to the vehicle velocity estimation for ABS. Proceedings of the 2000. IEEE International Conference on Control Applications. Conference Proceedings (Cat. No.00CH37162), Anchorage, AK, USA. https://doi.org/10.1109/CCA.2000.897472