Nghiên cứu và mô phỏng hệ thống ABS TCS sử dụng phần mềm carsim

Mục tiêu đề tài: - Nghiên cứu về hệ thống điều khiển an toàn trên ô tô, từ đó đề xuất cấu trúc, thuậttoán và mô phỏng bộ điều khiển trong hệ thống ABS và hệ thống TCS có xét đến tính ổn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ABS/TCS SỬ DỤNG

PHẦN MỀM CARSIM

SV2021-01

Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật

SV thực hiện: Nguyễn Văn Quyền Nam, Nữ: Nam

MỤC LỤC

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH ẢNH 5

DANH MỤC BẢNG BIỂU 8

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 9

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 10

PHẦN MỞ ĐẦU 12

1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài : 12

2 Lý do chọn đề tài : 12

3 Mục tiêu đề tài: 13

4 Phương pháp nghiên cứu: 13

5 Đối tượng nghiên cứu: 13

PHẦN NỘI DUNG 14

Chương 1 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRÊN Ô TÔ 14

1.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng 14

1.1.1 Phần mềm MATLAB/Simulink 14

1.1.2 Phần mềm Carsim 14

1.2 Hệ thống điều khiển tự động trên ô tô 15

1.2.1 Hệ thống điều khiển vòng kín (Closed – Loop Control System) 16

1.2.2 Bộ điều khiển Bang-Bang 17

1.2.3 Bộ điều khiển PID 17

Chương 2 HỆ THỐNG PHANH CHỐNG BÓ CỨNG 19

2.1 Tổng quan về hệ thống ABS 19

2.1.1 Giới thiệu 19

2.1.2 Lịch sử phát triển 19

2.2 Cơ sở lý thuyết về hệ thống ABS 20

2.2.1 Đặc tính của ma sát 20

2.2.2 Hệ số trượt và hệ số bám (xét khi phanh) 21

2.2.3 Sự lệch hướng của ô tô khi phanh 24

2.2.4 Tác hại của trượt lết khi phanh 25

2.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống ABS 25

2.4 Mô phỏng hệ thống ABS 28

2.4.1 Thiết lập điều kiện mô phỏng trên Carsim 28

2.4.2 Thiết lập hệ thống ABS trên Simulink 31

2.5 Đánh giá kết quả mô phỏng hệ thống ABS 35

2.5.1 Quãng đường phanh 36

2.5.2 Tốc độ xe và bánh xe trong quá trình phanh 36

2.5.3 Áp suất phanh 38

2.6 Kết luận 39

Chương 3: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LỰC KÉO 40

3.1 Tổng quan về hệ thống TCS 40

3.1.1 Giới thiệu 40

3.1.2 Lịch sử phát triển 41

3.2 Cơ sở lý thuyết 42

3.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống TCS 43

3.3.1 Khi phanh bình thường (TCS không hoạt động) 43

3.2.2 Khi tăng tốc (TCS hoạt động) 44

3.4 Mô phỏng hệ thống TCS bằng Carsim 48

3.4.1 Thiết lập điều kiện mô phỏng 48

3.4.2 Thiết lập hệ thống TCS trên Simulink 50

3.5 Đánh giá kết quả mô phỏng hệ thống TCS 53

3.5.1 Quãng đường tăng tốc 54

3.5.2 Tốc độ xe và bánh xe trong quá trình tăng tốc 55

3.5.3 Áp suất phanh tại các xy lanh bánh xe 56

3.6 Kết luận: 57

PHẦN KẾT LUẬN 58

1 Kết luận 58

2 Hướng phát triển đề tài 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

PHỤ LỤC 60

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Biểu tượng phần mềm MATLAB/Simulink 14

Hình 1.2 Biểu tượng phần mềm Carsim 15

Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vòng kín 16

Hình 1.4 Bộ điều khiển Bang Bang trong Simulink 17

Hình 1.5 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID 18

Hình 1.6 Phương pháp điều chỉnh thủ công 18

Hình 2.1 Lịch sử phát triển của hệ thống ABS 20

Hình 2.2 Ma sát tĩnh và ma sát động 21

Hình 2.3 Sơ đồ các lực tác dụng lên bánh xe khi phanh 22

Hình 2.4 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi hệ số bám dọc φx và hệ số bám ngang φy theo độ trượt tương đối δp 23

Hình 2.5 Sơ đồ các lực và moment tác dụng lên ô tô khi phanh mà có hiện tượng quay xe do lực phanh phân bố không đều 24

Hình 2.6 Sơ đồ bố trí của hệ thống ABS trên ô tô 26

Hình 2.7 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi các thông số Mp, p và ε khi sử dụng ABS 27

Hình 2.8 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi tốc độ góc ωb của bánh xe, tốc độ chuyển động của ô tô và độ trượt tương đối δp khi sử dụng hệ thống ABS 28

Hình 2.9 Thiết lập hệ thống ABS trên Carsim 28

Hình 2.10 Thông số kỹ thuật của xe 29

Hình 2.11 Thiết lập áp suất phanh 29

Hình 2.12 Thiết lập điều kiện mô phỏng 30

Hình 2.13 Thiết lập điều kiện mặt đường mô phỏng 30

Hình 2.14 Thiết lập hệ thống ABS trên Simulink 31

Hình 2.15 Sơ đồ bộ điều khiển trong hệ thống ABS 32

Hình 2.16 Sơ đồ bộ chấp hành phanh 32

Hình 2.17 Bang-Bang Controller 33

Hình 2.18 PID Controller 34

Hình 2.19 Bộ chấp hành phanh 35

Hình 2.20 Kết quả mô phỏng hệ thống ABS 35

Hình 2.21 Đồ thị thể hiện quãng đường phanh 36

Hình 2.22 Đồ thị thể hiện tốc độ xe và bánh xe không có ABS 36

Hình 2.23 Đồ thị thể hiện tốc độ xe và bánh xe có ABS sử dụng bộ điều khiển

Bang-Bang 37

Hình 2.24 Đồ thị thể hiện tốc độ xe và bánh xe có ABS sử dụng bộ điều khiển PID 37

Hình 2.25 Đồ thị thể hiện áp suất phanh xe không có ABS 38

Hình 2.26 Đồ thị thể hiện áp suất phanh tại các bánh xe của xe có ABS sử dụng bộ điều khiển Bang-Bang 38

Hình 2.27 Đồ thị thể hiện áp suất phanh tại các bánh xe của xe có ABS sử dụng bộ điều khiển PID 39

Hình 3.1 Mercedes-Benz W126 S–Class 41

Hình 3.2 Sơ đồ các lực tác dụng lên bánh xe khi tăng tốc 42

Hình 3.3 Sự thay đổi hệ số bám dọc φx và hệ số bám ngang φy theo độ trượt tương đối  của bánh xe khi tăng tốc 43

Hình 3.4 Sơ đồ hoạt động của hệ thống TCS khi phanh bình thường 44

Hình 3.5 Sơ đồ hoạt động của hệ thống TCS khi tăng tốc ở chế độ tăng áp 45

Hình 3.6 Sơ đồ hoạt động của hệ thống TCS khi tăng tốc ở chế độ giữ áp 46

Hình 3.7 Sơ đồ hoạt động của hệ thống TCS khi tăng tốc ở chế độ giảm áp 47

Hình 3.8 Giao diện mô phỏng hệ thống TCS trên Carsim 48

Hình 3.9 Thiết lập điều kiện xe mô phỏng 48

Hình 3.10 Thiết lập điều kiện xe mô phỏng 49

Hình 3.11 Thiết lập điều kiện mặt đường mô phỏng 49

Hình 3.12 Thiết lập điều kiện mặt đường 50

Hình 3.13 Mô phỏng hệ thống TCS trên Simulink 50

Hình 3.14 Thiết lập độ mở bướm ga 51

Hình 3.15 Bộ điều khiển trong hệ thống TCS 52

Hình 3.16 Bộ chấp hành phanh 52

Hình 3.17 TCS điểu khiển bởi bộ điều khiển Bang-Bang 53

Hình 3.18 Kết quả mô phỏng hệ thống TCS 54

Hình 3.19 Đồ thị thể hiện quãng đường tăng tốc 54

Hình 3.20 Đồ thị thể hiện tốc độ xe và bánh xe của xe không sử dụng TCS 55

Hình 3.21 Đồ thị thể hiện tốc độ xe và bánh xe của xe có TCS sử dụng bộ điều khiển Bang-Bang 55

Hình 3.22 Đồ thị thể hiện tốc độ xe của xe có TCS và xe không có TCS 56

Hình 3.23 Đồ thị thể hiện áp suất phanh tại các bánh xe của xe không có TCS 56Hình 3.24 Đồ thị thể hiện áp suất phanh tại các bánh xe của xe có TCS sử dụng bộđiều khiển Bang-Bang 57

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Table 1 Hệ số KP, KI và KD tối ưu của PID Controller trong hệ thống ABS 29

Table 2 Chế độ hoạt động của hệ thống TCS khi phanh bình thường 44

Table 3 Chế độ hoạt động của hệ thống TCS khi tăng tốc ở chế độ tăng áp 45

Table 4 Chế độ hoạt động của hệ thống TCS khi tăng tốc ở chế độ giữ áp 46

Table 5 Chế độ hoạt động của hệ thống TCS khi tăng tốc ở chế độ giảm áp 47

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ABS (Anti-lock Braking System): Hệ thống phanh chống bó cứng

PID (Proportional–Integral–Derivative): Bộ điều khiển 3 khâu: tỷ lệ, tích phân, vi phânTCS (Traction Control System): Hệ thống kiểm soát lực kéo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Nghiên cứu và mô phỏng hệ thống ABS/TCS sử dụng phần mềm Carsim

- Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Văn Quyền Mã số SV: 17145348

- Lớp: 179450A Khoa: Cơ khí động lực

- Thành viên đề tài:

1 Nguyễn Thị Như Mơ 17145323 179450A Cơ khí động lực

- Người hướng dẫn: TS Huỳnh Phước Sơn

2 Mục tiêu đề tài:

- Nghiên cứu về hệ thống điều khiển an toàn trên ô tô, từ đó đề xuất cấu trúc, thuậttoán và mô phỏng bộ điều khiển trong hệ thống ABS và hệ thống TCS có xét đến tính

ổn định hướng chuyển động của ô tô khi phanh và khi tăng tốc

- Nội dung nghiên cứu của đề tài có thể làm tài liệu tham khảo học tập và nghiên cứucho sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật ô tô về việc điều khiển quá trình phanh ô tô

sử dụng hệ thống ABS và hệ thống TCS

3 Tính mới và sáng tạo:

- Thiết kế mô hình hệ thống ABS và hệ thống TCS mới trên MATLAB/Simulink

- Mô phỏng hệ thống phanh ABS và hệ thống TCS trên phần mềm Carsim với điềukiện mô phỏng mới

4 Kết quả nghiên cứu:

- Thiết kế mô hình hệ thống ABS và hệ thống TCS trên MATLAB/Simulink và môphỏng hệ thống ABS và hệ thống TCS trên phần mềm Carsim

- So sánh hiệu quả phanh của xe khi phanh không có hệ thống ABS với xe khi phanh

có hệ thống ABS dùng bộ điều khiển Bang-Bang và bộ điều khiển PID

- So sánh hiệu quả tăng tốc của xe khi tăng tốc mà không có hệ thống TCS với xe khităng tốc có hệ thống TCS dùng bộ điều khiển Bang-Bang

5 Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài:

- Nội dung nghiên cứu của đề tài có thể làm tài liệu tham khảo học tập và nghiên cứucho sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật ô tô về việc điều khiển quá trình phanh ô tô

Nguyễn Văn Quyền

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề

PHẦN MỞ ĐẦU

1 . Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài :

Trong nước: Tại Việt Nam cũng đã có các đề tài nghiên cứu liên quan đến đề tàinhư: PGS.TS Phạm Hữu Nam: Nghiên cứu bổ sung một số chỉ tiêu để đánh giá hiệuquả phanh ô tô ở nước ta Luận án tiến sĩ của Dương Tiến Minh: Nghiên cứu nâng caochất lượng phanh ô tô quân sự với hệ thống phanh có lắp bộ điều hòa lực phanh, nhằmnâng cao chất lượng phanh của ô tô quân sự sử dụng trong Quân đội nhân dân ViệtNam Nguyễn Văn Tiềm: Ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại - điều khiển thíchnghi(logic mờ) và mạng nơ ron nhân tạo, để điều khiển chống bó cứng bánh xe khiphanh trên mô hình mô phỏng 1/4 xe Nguyễn Sỹ Đỉnh: đã đề xuất thiết lập mô hìnhtính toán động lực học dẫn động phanh thủy lực theo mô hình đàn hồi và lắp đặt, thửnghiệm hệ thống ABS lên xe UAZ - 31512 nhằm nâng cao chất lượng xe chỉ huy trongquân đội Các đề tài nghiên cứu hệ thống phanh ABS của các tác giả Nguyễn MạnhCường, Hồ Hữu Hùng, Nguyễn Thanh Tùng và một số đề tài nghiên cứu mô phỏngchuyển động ô tô khi phanh của các tác giả Vũ Tiến Linh, Đỗ Ngọc Thịnh

Ngoài nước: Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu liên quan đến đề tài, tiêu biểunhư: Rengaraj và các cộng sự: nghiên cứu động lực học xe và hệ thống điều khiểnABS, đã xây dựng mô hình trên Matlab/Simulink và mô phỏng trên phần mềm chuyêndụng Carsim, thử nghiệm, đánh giá trên mô hình mô phỏng CHUN and Sunwoo: môphỏng quá trình điều khiển chống trượt bánh xe dùng cho hệ thống TCS Cem Unsal

và Pushkin Kachroo: nghiên cứu điều khiển kết hợp theo độ rộng xung PWM và độttrượt để thiết kế mô hình bộ điều khiển hệ thống phanh M Oudghiri và các cộng sự:nghiên cứu điều khiển theo kiểu trượt và logic mờ để điều chỉnh lực phanh.Hyeongcheol Lee và Masayoshi Tomizuka: Ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi

để nghiên cứu chống trượt bánh xe Mark A Morton: nghiên cứu các chế độ điềukhiển chống trượt quay bánh xe của ô tô robot Hunsang Jung và các cộng sự: đề xuất

mô hình mô phỏng quá trình điều khiển chống trượt quay của bánh xe

2 Lý do chọn đề tài :

Hiện nay, ô tô đã trở thành phương tiện giao thông quan trọng trong xã hội hiện đại

Ở nước ta, ngày càng nhiều người sử dụng ô tô và đi cùng với đó là sự tăng trưởngnhanh chóng của nền kinh tế và mật độ lưu thông của các loại phương tiện trên đường

Do đó, để đảm bảo an toàn giao thông là một trong những giải pháp cực kỳ cần thiết,

luôn nhận được sự quan tâm từ các nhà thiết kế cũng như chế tạo ô tô, mà hệ thống antoàn chủ động trên ô tô đóng vai trò rất quan trọng.

Trên hầu hết các loại ô tô đều được trang bị hệ thống an toàn chủ động, chức năngcủa các hệ thống đó là phát hiện, nhận biết sự mất ổn định của ô tô và điều khiển phùhợp để không xảy ra tai nạn

Cho nên trước khi vận hành một hệ thống trên ô tô, các nhà thiết kế và chế tạo phảinghiên cứu, thiết kế và mô phỏng những hệ thống ấy Với vai trò là sinh viên ngànhCông nghệ Kỹ thuật Ô tô, kết quả nghiên cứu của đề tài có ý nghĩa rất thiết thực Đó là

lý do chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu và mô phỏng hệ thống ABS/TCS sử dụng phần mềm CarSim”.

3 Mục tiêu đề tài:

Nghiên cứu về hệ thống điều khiển tự động trên ô tô, từ đó đề xuất cấu trúc, thuậttoán và mô phỏng bộ điều khiển trong hệ thống ABS và hệ thống TCS có xét đến tính

ổn định hướng chuyển động của ô tô khi phanh và khi tăng tốc

Nội dung nghiên cứu của đề tài có thể làm tài liệu tham khảo học tập và nghiên cứucho sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật ô tô về việc điều khiển quá trình phanh ô tô

sử dụng hệ thống ABS và hệ thống TCS

4 Phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu lý thuyết hệ thống điều khiển tự động trên ô tô, lý thuyết hệ thốngABS/TCS và mô phỏng hệ thống ABS và hệ thống TCS trên phần mềm Carsim vàMATLAB/Simulink

5 Đối tượng nghiên cứu:

Hệ thống chống bó cứng phanh ABS và hệ thống kiểm soát lực kéo TCS trên ô tô

PHẦN NỘI DUNG Chương 1 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU

KHIỂN TỰ ĐỘNG TRÊN Ô TÔ 1.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng

1.1.1 Phần mềm MATLAB/Simulink

MATLAB là phần mềm cung cấp môi trường tính toán số và lập trình, do công

ty MathWorks thiết kế MATLAB cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm

số hay biểu đồ thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diện người dùng và liên kếtvới những chương trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ lập trình khác Với thư việnToolbox, MATLAB cho phép mô phỏng tính toán, thực nghiệm nhiều mô hình trongthực tế và kỹ thuật

Simulink là một môi trường lập trình đồ họa dựa trên MATLAB để mô hình hóa,

mô phỏng và phân tích các hệ thống động đa miền Giao diện chính của nó là mộtcông cụ sơ đồ khối đồ họa và một bộ thư viện khối có thể tùy chỉnh Nó cung cấp tíchhợp chặt chẽ với phần còn lại của môi trường MATLAB và có thể điều khiểnMATLAB hoặc được tập lệnh từ nó Simulink được sử dụng rộng rãi trong điều khiển

tự động và xử lý tín hiệu kỹ thuật số để mô phỏng đa miền và thiết kế dựa trên môhình

Hình 1.1 Biểu tượng phần mềm MATLAB/Simulink

xuất, 150 trường đại học và các nhóm nghiên cứu trên toàn thế giới CarSim mô phỏngcác chuyển động của xe đua, xe khách, xe tải nhẹ và các loại xe tiện ích Được dùng đểthiết kế, phát triển và kiểm định các hệ thống trên ô tô, CarSim cho phép người dùng

có thể thay đổi các thông số, lựa chọn và phân tích tối ưu về khí động học, kiểmnghiệm khung sườn và những ảnh hưởng của hệ thống treo, lái, phanh… đến ô tô.CarSim phân tích hiệu suất của ô tô ứng với sự thay đổi của các hệ thống truyền lực vàđiều khiển trên xe trong một môi trường nhất định thông qua các chuyển động, lực vàmoment tác động lên quá trình tăng tốc, ổn định hoặc phanh xe

Và CarSim là phần mềm mô phỏng có hình ảnh sống động, với hơn 800 phươngtrình phân tích, tính toán và có khả năng xuất file dưới các định dạng của MATLAB,Excel… Bằng giao diện hiện đại, người dùng có thể sử dụng CarSim để mô phỏnghoặc đồ thị các kết quả nhanh chóng Các đồ thị và kết quả mô phỏng là những công

cụ phân tích linh hoạt và mang tính tương tác cao, từ đó chúng ta có thể dễ dàng xuất

và đưa vào các bản báo cáo và thuyết trình

Những phép toán sử dụng trong CarSim được xây dựng từ cơ sở lý thuyết cũngnhư đã qua kiểm nghiệm thực tế chặt chẽ CarSim sử dụng chương trình VehicleSimLisp để tổng hợp, phân tích các phương trình tính toán, cung cấp những phương trìnhphi tuyến chính xác để hỗ trợ các mô phỏng phức tạp, từ đó giúp cho việc tính toánđược tối ưu Ngoài ra, MATLAB/Simulink được viết trên nền của Visual Basic, C++,cho nên chúng ta có thể tùy biến hoặc xây dựng những công cụ hỗ trợ cho chúng mộtcách thuận tiện

Hình 1.2 Biểu tượng phần mềm Carsim

1.2 Hệ thống điều khiển tự động trên ô tô

Lý thuyết điều khiển tự động là một nhánh liên ngành của kỹ thuật và toán học,liên quan đến hành vi của các hệ thống động lực Đầu ra mong muốn của một hệ thốngđược gọi là giá trị đặt trước Khi một hoặc nhiều biến đầu ra của hệ thống cần tuântheo một giá trị đặt trước theo thời gian, một bộ điều khiển điều khiển các đầu vào cho

hệ thống để đạt được hiệu quả mong muốn trên đầu ra hệ thống

1.2.1 Hệ thống điều khiển vòng kín (Closed – Loop Control System)

Hệ thống điều khiển vòng kín (Closed – Loop Control System) hay còn gọi là hệ thốngđiều khiển hồi tiếp (feedback control system) là một kiểu điều khiển của hệ thống điềukhiển tự động trên ô tô bên cạnh hệ thống điều khiển vòng hở (Open – Loop ControlSystem)

Trong một hệ thống điều khiển vòng kín, một cảm biến giám sát đầu ra và cung cấp dữliệu đó về một máy tính để điều chỉnh một cách liên tục tín hiệu điều khiển đầu vàokhi cần thiết để giữ cho sai số điều khiển trong mức độ tối thiểu Tín hiệu phản hồi về

hệ thống cho phép bộ điều khiển bù một cách linh động cho những thay đổi trong hệthống Một hệ thống điều khiển phản hồi lý tưởng loại bỏ tất cả những sai số, có tácdụng giảm thiểu tác động của bất kỳ lực nào có thể hoặc không thể phát sinh trongsuốt quá trình làm việc và tạo ra một phản ứng trong hệ thống mà phù hợp hoàn hảovới mong muốn của người dùng Trong thực tế, điều này không thể thực hiện được dosai số đo lường trong các cảm biến, độ trễ trong các bộ điều khiển, và sự không hoànhảo trong điều khiển đầu vào

Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vòng kín

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống ABS và hệ thống TCS là các hệ thốngđiều khiển tự động trên ô tô sử dụng điều khiển hồi tiếp với bộ điều khiển – Controller

là bộ điều khiển Bang-Bang (On-Off) và bộ điều khiển PID, cơ cấu chấp hành –

Actuator là cơ cấu phanh, sử dụng các cảm biến phản hồi – sensor là các cảm biến vậntốc góc bánh xe, cảm biến gia tốc đo tốc độ của các bánh xe, tốc độ chuyển động của ô

tô, … tính toán và xử lý để đạt hiệu quả phanh và hiệu quả tăng tốc của hệ thống ABS

và hệ thống TCS

1.2.2 Bộ điều khiển Bang-Bang

Trong lý thuyết điều khiển, điều khiển Bang-Bang (điều khiển On-Off hay điềukhiển đóng – mở), cũng được gọi là điều khiển trễ, là một bộ điều khiển phảnhồi chuyển đột ngột giữa hai trạng thái Các bộ điều khiển này có thể được thực hiệntrong điều kiện của bất kỳ yếu tố nào có độ trễ Hàm bước Heaviside ở dạng rời rạc làmột ví dụ của một tín hiệu điều khiển bang-bang Do tín hiệu điều khiển gián đoạn,các hệ thống bao gồm các bộ điều khiển bang-bang là những hệ thống cấu trúcbiến đổi, và các bộ điều khiển bang-bang do vậy chính là các bộ điều khiển cấu trúcbiến đổi

Hình 1.4 Bộ điều khiển Bang Bang trong Simulink

1.2.3 Bộ điều khiển PID

Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ ( PID- Proportional Integral Derivative) làmột cơ chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệthống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụngnhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị "saisố" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển

sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Trongtrường hợp không có kiến thức cơ bản (mô hình toán học) về hệ thống điều khiển thì

bộ điều khiển PID là sẽ bộ điều khiển tốt nhất.[1] Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốtnhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệthống-trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặcthù của hệ thống

Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi

nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt

là P, I, và D Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác địnhtác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độbiến đổi sai số Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thông quamột phần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia

nhiệt Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộcvào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán các sai

số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại

Hình 1.5 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID

Có nhiều phương pháp khác nhau để điều chỉnh vòng lặp PID, trong đề tài sửphương pháp điều chỉnh thủ công để chọn các hệ số PID

Điều chỉnh thủ công

Nếu hệ thống phải duy trì trạng thái online, một phương pháp điều chỉnh là thiếtđặt giá trị đầu tiên của �� và ��bằng không Tăng dần ��cho đến khi đầu ra của vòngđiều khiển dao động, sau đó �� có thể được đặt tới xấp xỉ một nửa giá trị đó để đạpđạt được đáp ứng "1/4 giá trị suy giảm biên độ" Sau đó tăng �� đến giá trị phù hợp saocho đủ thời gian xử lý Tuy nhiên, �� quá lớn sẽ gây mất ổn định Cuối cùng, tăng ��,nếu cần thiết, cho đến khi vòng điều khiển nhanh có thể chấp nhận được nhanh chónglấy lại được giá trị đặt sau khi bị nhiễu Tuy nhiên, �� quá lớn sẽ gây đáp ứng dư vàvọt lố.Một điều chỉnh cấp tốc của vòng điều khiển PID thường hơi quá lố một ít khitiến tới điểm đặt nhanh chóng; tuy nhiên, vài hệ thống không chấp nhận xảy ra vọt lố,trong trường hợp đó, ta cần một hệ thống vòng kín giảm lố, thiết đặt một giá trị ��nhỏhơn một nửa giá trị ��gây ra dao động

Hình 1.6 Phương pháp điều chỉnh thủ công

Chương 2 HỆ THỐNG PHANH CHỐNG BÓ CỨNG (ABS- ANTI-LOCK BRAKING SYSTEM) 2.1 Tổng quan về hệ thống ABS

Khi ô tô phanh đột ngột hoặc phanh trên các loại đường trơn, đường băng, đườngtuyết sẽ dễ xảy ra hiện tượng sớm bị hãm cứng bánh xe (hiện tượng bánh xe bị trượtlết trên mặt đường khi phanh) Lúc này, quãng đường phanh sẽ dài hơn (hiệu quảphanh giảm) đồng thời dẫn đến tình trạng mất ổn định hướng lái và khả năng điềukhiển của ô tô Nếu các bánh xe trước bị hãm cứng thì xe không thể chuyển hướngtheo sự điều khiển của người lái Nếu các bánh xe sau bị hãm cứng thì sự khác nhaugiữa hệ số bám của bánh xe trái và phải với mặt đường sẽ làm cho đuôi xe bị đảo, lúcnày xe bị trượt ngang Trong trường hợp xe phanh khi đang quay vòng, hiện tượngtrượt ngang của các bánh xe dễ dẫn đến các hiện tượng quay vòng thiếu hoặc thừa, từ

đó làm mất tính ổn định chuyển động của ô tô

Để giải quyết được vấn đề trên, đa phần các ô tô hiện đại ngày nay đều được trang

bị hệ thống chống bó cứng phanh, còn được gọi là hệ thống ABS– Anti-lock Braking

System Hệ thống này sẽ chống hiện tượng bị hãm cứng của bánh xe bằng cách điềukhiển và thay đổi áp suất dầu tác dụng lên các cơ cấu phanh được đặt tại các bánh xe

để ngăn không cho chúng bị hãm cứng khi phanh trên đường trơn hoặc khi phanh độtngột, đảm bảo hiệu quả phanh và tính ổn định chuyển động của ô tô khi phanh

2.1.2 Lịch sử phát triển

Tập đoàn Bosch của Đức đã có những ý tưởng và bắt đầu phát triển hệ thống này

từ những thập niên 30, sau đó đến năm 1978 lần đầu tiên đã sản xuất được hệ thốngABS điện

Hệ thống ABS được áp dụng lần đầu tiên trên ô tô là dòng xe S-series củaMercedes-Benz vào năm 1978, sau đó được áp dụng trên cả những phương tiện khác

kể cả mô tô nhưng dựa trên loại má phanh có tính phanh mềm (phanh từ từ, chậm dần).Ngày nay, hầu hết các xe trên thế giới đều được trang bị hệ thống ABS.

Hình 2.1 Lịch sử phát triển của hệ thống ABS

2.2 Cơ sở lý thuyết về hệ thống ABS

2.2.1 Đặc tính của ma sát

Ma sát là sự cản trở chuyển động của hai vật khi chúng tiếp xúc nhau Nó thay đổiphụ thuộc vào lực tác dụng lên bề mặt trượt, độ phẳng và vật liệu của các bề mặt tiếpxúc

Khi kéo vật từ trạng thái đứng yên sang trạng thái chuyển động thì chúng ta cầnnhiều sức hơn so với khi kéo vật đó tiếp tục chuyển động Điều này có nghĩa là khi kéovật từ trạng thái đứng yên thì ma sát tĩnh lớn hơn ma sát động của vật đang ở trạng tháichuyển động

Hình 2.2 Ma sát tĩnh và ma sát động

Hệ thống phanh trên ô tô được thiết kế và chế tạo dựa trên hai loại lực ma sát này,

đó là ma sát giữa má phanh và đĩa phanh (hoặc trống phanh) và ma sát giữa bánh xe vàmặt đường

Nếu ma sát của hệ thống phanh nhỏ hơn ma sát giữa bánh xe và mặt đường thì xekhông thể giảm tốc nhanh chóng được

Nếu ma sát của hệ thống phanh lớn hơn ma sát giữa bánh xe và mặt đường thì bánh

xe sẽ bị hãm cứng và trượt lết trên mặt đường, do ma sát động nhỏ hơn ma sát tĩnh nênkhi bánh xe càng bị trượt nhiều sẽ khiến hiệu quả phanh giảm, gây mất ổn định hướnglái của xe và khó điều khiển xe hơn…

Với những xe được trang bị hệ thống ABS sẽ điều chỉnh áp lực dầu tác dụng lêncác xylanh bánh xe, làm cho các bánh xe giảm cùng tốc độ và không bị hãm cứng,giúp duy trì ổn định hướng lái của xe tốt hơn so với khi phanh đột ngột

2.2.2 Hệ số trượt và hệ số bám (xét khi phanh)

Trong tính toán động lực học của quá trình phanh ô tô, chúng ta thường sử dụnggiá trị hệ số bám đã được dữ liệu hóa trước Hệ số bám này được xác định bằng thựcnghiệm khi bánh xe đang chuyển động mà bị hãm cứng hoàn toàn, nghĩa là bánh xe bịtrượt lết hoàn toàn

Thực tế, hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường không chỉ phụ thuộc vào tình trạngmặt đường mà còn phụ thuộc khá nhiều vào độ trượt tương đối giữa bánh xe và mặtđường khi phanh

Hình 2.3 Sơ đồ các lực tác dụng lên bánh xe khi phanh

Độ trượt tương đối (khi phanh) được xác định theo công thức:

δp =v − ωbrbv v > ωbrbTrong đó: v: vận tốc chuyển động của ô tô

ωb: vận tốc góc của bánh xe khi đang quay

rb: bán kính tính toán của bánh xeViệc xác định độ trượt tương đối của bánh xe là quan trọng vì nó liên quan đến lựcbám dọc và khả năng tăng/giảm tốc của ô tô

Hệ số bám dọc là tỷ số giữa lực phanh tiếp tuyến giữa bánh xe và mặt đường Fp vàtải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe Gb:

φx =GFp

bVới công thức trên thì hệ số bám dọc φx bằng 0 khi lực phanh tiếp tuyến Fpbằng 0,nghĩa là khi chưa phanh Từ Hình 2.3, ta thấy hệ số bám dọc đạt cực đại ��,��� khi độtrượt tương đối tối ưu δp= δ�,0 Thực nghiệm chứng tỏ rằng, giá trị δ�,0 thường nằmtrong khoảng từ 10 ÷ 30% Tại giá trị độ trượt tương đối tối ưu δ�,0 không những đảmbảo hệ số bám dọc đạt cực đại mà hệ số bám ngang ��cũng đạt giá trị khá cao

Như vậy, nếu giữ cho quá trình phanh luôn xảy ra ở độ trượt tương đối tối ưu δ�,0thì chúng ta sẽ đạt được lực phanh cực đại, nghĩa là hiệu quả phanh sẽ cao nhất và đảmbảo ổn định tốt nhất khi phanh:

��,��� = ��,�����

Để độ trượt tương đối luôn nằm trong giới hạn hẹp quanh giá trị δ�,0 thì hệ thốngphanh thường được lắp đặt thêm hệ thống ABS, nhờ vậy sẽ đảm bảo hiệu quả phanh,tính ổn định, tính dẫn hướng khi phanh nhờ giá trị ��,���, �� đạt giá trị cao Từ đồ thịthấy rằng, nếu khi phanh mà các bánh xe bị bó cứng ngay từ đầu thì hiệu quả phanh,tính ổn định, tính dẫn hướng khi phanh sẽ giảm đột ngột do �� giảm đi một nửa và ��giảm đi vài lần.

Do đó, hệ thống ABS dựa trên các nguyên lý điều chỉnh sau:

- Theo gia tốc góc chậm dần của bánh xe được phanh �

- Theo giá trị độ trượt tương đối cho trước ��

- Theo giá trị của tỷ số giữa vận tốc góc của bánh xe và gia tốc góc chậm dần của nó

Từ đó mà hệ thống ABS ra đời, đảm bảo hiệu quả phanh cao và điều chỉnh áp suấttrong dẫn động phanh sao cho độ trượt tương đối giữa các bánh xe và mặt đường thayđổi quanh giá trị δ�,0trong giới hạn hẹp

Những loại mặt đường trơn có hệ số ma sát thấp như đường nhựa ướt sẽ có lựcphanh thấp, quãng đường phanh dài hơn so với đường bê tông khô

Hình 2.4 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi hệ số bám dọc ��và hệ số bám ngang ��theo

độ trượt tương đối ��

Đường cong cho thấy lực bám dọc của bánh xe tăng nhanh khi độ trượt tương đốităng từ 10 ÷ 30% Lực bám dọc đạt cực đại khi độ trượt tương đối khoảng 25%, sau

đó khi tăng độ trượt tương đối

thì lực bám dọc có xu hướng giảm

Ngày nay, một số ô tô sử dụng các khái niệm đường cong này, quen thuộc nhất là

hệ thống ABS – xác định độ trượt tương đối bằng cách xác định khi bánh xe sắp khóacứng để bắt đầu giảm áp suất phanh nhằm ngăn chặn các bánh xe không bị trượt

2.2.3 Sự lệch hướng của ô tô khi phanh

Khi ô tô phanh, tải trọng bị dồn lên cầu trước và tải trọng của cầu sau giảm, khiếncho xe chuyển động không ổn định

Nếu bánh xe bị hãm cứng sẽ làm cho xe không thể chuyển hướng được theo sựđiều khiển của người lái

Thực tế vào cuối quá trình phanh, trục dọc bị lệch một góc � so với hướng chuyểnđộng ban đầu: � = ��

2��

���1

��� 2

Từ công thức trên, � tỷ lệ nghịch với bình phương hệ số bám ngang ��

Ta suy ra, hệ số bám ngang: �� =�� �1

�

��2���

Hình 2.5 Sơ đồ các lực và moment tác dụng lên ô tô khi phanh mà có hiện tượng quay

xe do lực phanh phân bố không đều

Khi độ trượt tương đối �� tăng thì tính ổn định của ô tô giảm, khi đó chỉ cần mộtlực ngang nhỏ tác dụng lên ô tô sẽ khiến cho xe quay vòng Nghĩa là, � tăng thì ��giảm và khi � → ∞ thì �� = 0

2.2.4 Tác hại của trượt lết khi phanh

Khi phanh bánh xe, ma sát giữa má phanh và đĩa phanh (hoặc trống phanh) sẽ làmtốc độ quay của các bánh xe chậm dần, sau đó nhờ ma sát giữa bánh xe và mặt đuờng

sẽ làm xe dừng lại Khi phanh đột ngột, nếu các bánh xe bị bó cứng, lực quán tính của

xe khi đang chuyển động sẽ làm cho các bánh xe bị trượt lết trên mặt đường

Khi bánh xe bị trượt lết hoàn toàn thì ma sát giữa bánh xe và mặt đường là ma sátđộng Ngược lại, nếu hệ thống phanh giảm tốc độ quay của các bánh xe không quá độtngột thì các bánh xe vẫn tiếp tục quay chậm dần trên mặt đường thì khi đó, ma sát giữabánh xe và mặt đường là ma sát tĩnh Do ma sát tĩnh giữa bánh xe và mặt đường hãmbánh xe tốt hơn ma sát động giữa chúng nên khi trượt lết sẽ làm giảm hiệu quả phanh,làm mất tính dẫn hướng và ổn định khi phanh

Ngoài ra, khi các bánh xe bị bó cứng thì công của lực ma sát giữa má phanh và đĩaphanh cũng như lực cản lăn lúc này hoàn toàn không xuất hiện nữa, vì tất cả nănglượng hầu như đều bị chuyển thành nhiệt năng tại bề mặt tiếp xúc giữa bánh xe vớimặt đường Ngoài việc làm giảm hiệu quả phanh, trượt lết còn làm tăng thêm sự mònlốp, tăng tính trượt dọc và ảnh hưởng xấu đến tính ổn định ngang của ô tô

2.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống ABS

Để giữ cho các bánh xe không bị hãm cứng và đảm bảo hiệu quả phanh cao, cầnphải điều chỉnh áp suất trong dẫn động phanh sao cho độ trượt tương đối giữa bánh xe

và mặt đường thay đổi quanh giá trị δp,0 trong giới hạn hẹp Các hệ thống ABS có thể

sử dụng các nguyên lý điều chỉnh sau:

- Theo gia tốc góc chậm dần của bánh xe được phanh ε

- Theo giá trị độ trượt tương đối cho trước δp

- Theo giá trị của tỷ số giữa vận tốc góc của bánh xe và gia tốc góc chậm dần của nó

Hình 2.6 Sơ đồ bố trí của hệ thống ABS trên ô tô

Hệ thống ABS gồm các phần tử sau:

Một là, cảm biến wheel speed (cảm biến vận tốc góc, cảm biến áp suất, cảm biến

gia tốc của ô tô) được đặt tại các bánh xe, nhằm tiếp nhận và truyền tín hiệu về tìnhtrạng của bánh xe đang được phanh đến bộ điều khiển

Hai là, bộ điều khiển (thường là loại điện tử) nhằm tiếp nhận và xử lý các thông

tin từ cảm biến wheel speed và phát các lệnh nhả phanh hoặc phanh bánh xe đến bộchấp hành phanh

Ba là, bộ chấp hành phanh (có thể là loại thuỷ lực, loại khí hoặc loại hỗn hợp thủy

khí) để thực hiện các lệnh do bộ điều khiển truyền đến

Nguyên lý hoạt động

Các hệ thống ABS hiện nay thường sử dụng nguyên lý điều chỉnh áp suất trong dẫnđộng phanh theo gia tốc góc chậm dần của bánh xe và ở bánh xe có bố trí cảm biếnvận tốc góc Biến thiên của vận tốc góc theo thời gian sẽ cho ra giá trị gia tốc góc

Hình 2.7 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi các thông số ��, � và � khi sử dụng ABS

Khi đạp phanh, áp suất trong dẫn động tăng lên, nghĩa là moment phanh �� tănglên làm tăng giá trị của gia tốc góc chậm dần của bánh xe và làm tăng độ trượt tươngđối của nó Sau khi vượt qua điểm cực đại trên đường cong �� = � � , gia tốc gócchậm dần của bánh xe bắt đầu tăng đột ngột Điều này báo hiệu bánh xe có xu hướng

bị hãm cứng Giai đoạn này của quá trình phanh khi sử dụng hệ thống ABS sẽ ứng vớicác đường cong 0 − 1 trên Hình 1.7 Giai đoạn này được gọi là pha I (pha bắt đầuphanh hoặc là pha tăng áp suất trong dẫn động phanh)

Bộ điều khiển trong hệ thống ABS lúc này ghi lại gia tốc góc tại điểm 1 đạt giá trịtới hạn (đoạn �1 trên Hình 1.7 c) và ra lệnh cho bộ chấp hành phanh phải giảm áp suấttrong dẫn động Sự giảm áp suất được bắt đầu với độ chậm trễ nhất định do đặc tínhcủa hệ thống ABS Quá trình diễn biến từ điểm 1 − 2 được gọi là pha II (pha giảm sựphanh hoặc là pha giảm áp suất trong dẫn động phanh) Gia tốc góc của bánh xe lúcnày giảm dần và tại điểm 2, gia tốc tiến gần giá trị 0 Giá trị gia tốc góc lúc này tươngứng với đoạn �2 trên Hình 1.7 c Sau khi ghi lại giá trị này, bộ điều khiển ra lệnh cho

bộ chấp hành phanh ổn định áp suất trong dẫn động Lúc này, bánh xe sẽ tăng tốctrong chuyển động tương đối và vận tốc góc của bánh xe tiến gần tới vận tốc của ô tô,nghĩa là độ trượt tương đối sẽ giảm và như vậy hệ số bám dọc �� tăng lên (đoạn

2 − 3) Giai đoạn này được gọi là pha III (pha giữ áp suất ổn định)

Vì moment phanh trong thời gian này được giữ cố định nên gia tốc góc chậm dầncực đại của bánh xe trong chuyển động tương đối sẽ phát sinh tương ứng với lúc hệ sốbám dọc �� đạt cực đại Gia tốc góc chậm dần cực đại này được chọn làm thời điểmphát lệnh và nó tương ứng với đoạn �3 trên Hình 1.7 c Lúc này, bộ điều khiển ghi lạigiá trị gia tốc góc này và ra lệnh cho bộ chấp hành phanh tăng áp suất trong dẫn độngphanh Như vậy, sau điểm 3 lại bắt đầu pha I của chu kỳ làm việc mới của hệ thốngABS

Từ lập luận trên thấy rằng, hệ thống ABS điều khiển cho moment thay đổi theo chu

kỳ khép kín 1 − 2 − 3 − 1 (Hình 1.7 a), lúc ấy bánh xe làm việc ở gần hệ số bám dọccực đại ��,��� và hệ số bám ngang �� cũng có giá trị cao Trong trường hợp bánh xe

bị hãm cứng, các thông số sẽ diễn biến theo đường đứt nét trên Hình 1.7 a

Hình 2.8 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi tốc độ góc �� của bánh xe, tốc độ chuyển động

của ô tô và độ trượt tương đối �� khi sử dụng hệ thống ABS

Từ đó, ta thấy tốc độ góc �� của bánh xe thay đổi theo chu kỳ Ở một số hệ thốngABS, áp suất trong dẫn động thay đổi, có lúc tăng, giảm và đồ thị áp suất thay đổi theothời gian có dạng hình răng cưa Hệ thống như vậy có hai pha, nó khác với sự làm việc

ở hệ thống được xét ở trên

2.4 Mô phỏng hệ thống ABS

2.4.1 Thiết lập điều kiện mô phỏng trên Carsim

Hình 2.9 Thiết lập hệ thống ABS trên Carsim

Hình 2.10 Thông số kỹ thuật của xe

Chọn loại xe để mô phỏng là B-Class Hatchback có cầu trước chủ động với khốilượng thân xe là 1110 kg, chiều dài cơ sở là 2600 mm, chiều rộng cơ sở là 1695 mm(như hình 2.10)

Hình 2.11 Thiết lập áp suất phanh

Hình 2.12 Thiết lập điều kiện mô phỏng

Thiết lập ô tô chuyển động trên đường với vận tốc ban đầu là 65 km/h (như hình2.12) và thiết lập tài xế đạp phanh ở giây thứ 2 đến giây thứ 2.2 thì áp suất xylanhchính là 15 Mpa (như hình 2.11)

Hình 2.13 Thiết lập điều kiện mặt đường mô phỏng

Giả thiết xe chạy trên đường đèo lúc trời mưa nên hệ số bám giảm Như hình 2.13,thiết lập xe mô phỏng chạy trên đường cong với hệ số bám là 0.4