Control por modos deslizantes de alto orden para un sistema de frenado ABS

Abstract

This thesis proposes the control of the antilock braking system (ABS), based on different schemes of robust control, by using the high order sliding mode control technique. The mathematical model of the ABS correspond to a prototype manufactured by Inteco Ltd, which consists of two wheels, in which the lower wheel simulates the relative linear vehicle movement on the surface, while the upper wheel correspond to the wheel motion of the vehicle. For the implementation of ABS braking, the upper wheel is equipped with a braking system disk, which is powered by a DC motor (actuator). The analysis and control design is based on the mathematical model of the ABS in state space, in which are involved the most important parts of the system. The considered states of the model are: the angular velocity of the upper wheel and the angular velocity of the lower wheel (modeling the linear speed of the vehicle). The control for ABS is difficult since it is a non-linear system with parametric uncertainties and disturbances. The ABS has a relative degree 2 (including the actuator dynamics); therefore, we are proposing a quasi-continuous sliding mode controller of second order, which allows to have an adequate performance of the control system. One disadvantage that occurs when the control system has the same relative degree than the controller, is the generation of a switching frequency named chattering, which is not desired, since it may cause irreversible damage to the systems. One may to solve this problem is by artificially increasing the order of the controller, which results in the design of a new control for ABS system, named quasi continuous of third-order sliding mode controller.

En el presente trabajo de tesis, se estudia el sistema de frenado antibloqueo (ABS, por sus siglas en inglés Antilock Breaking System), donde se proponen esquemas de control robusto basados en modos deslizantes de alto orden. El modelo matemático del sistema ABS que se considera, parte de un prototipo de laboratorio ABS fabricado por Inteco Ltd, el cual consta de dos ruedas, la rueda inferior simula el movimiento lineal del vehículo relativo a la superficie del suelo, mientras que la rueda superior simula la rueda del vehículo. Para la implementación del frenado ABS, la rueda superior está equipada con un sistema de frenado de disco que es accionado por un motor de corriente continua (actuador). El análisis y diseño del control parte del modelo matemático del ABS en espacio de estados, en el cual se consideran las partes más importantes del sistema. Los estados del modelo son: la velocidad angular de la rueda superior y la velocidad angular de la rueda inferior (modelando la velocidad lineal del vehículo). El diseño del control para el ABS es difícil dado que es un sistema no lineal con incertidumbres paramétricas y perturbaciones. El sistema ABS tiene un grado relativo 2 (incluyendo la dinámica del actuador), por tanto se propone un controlador por modos deslizantes de tipo quasi continuo de segundo orden, que permite tener un buen desempeño de control. Una desventaja que se presenta cuando el sistema a controlar tiene grado relativo igual al orden del controlador, es que se genera una frecuencia de conmutación llamada chatterig, y que no es deseada, ya que puede ocasionar daños irreversibles en los sistemas. Una opción para resolver el problema del chattering, es aumentar artificialmente el orden del controlador. Este aumento ocasiona el diseño de un nuevo controlador para el sistema ABS, llamado controlador por modos deslizantes de tipo quasi continuo de tercer orden.