TIỂU LUẬN MÔN HỌC Tên môn học HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Ô TÔ NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ABS TRÊN PHẦN MỀM CARSIM

TIỂU LUẬN MÔN HỌC Tên môn học: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Ô TÔ NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ABS TRÊN PHẦN MỀM CARSIM TIỂU LUẬN MÔN HỌC Tên môn học: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Ô TÔ NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ABS TRÊN PHẦN MỀM CARSIM TIỂU LUẬN MÔN HỌC Tên môn học: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Ô TÔ NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ABS TRÊN PHẦN MỀM CARSIM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

SVTH: NGUYỄN NGUYÊN PHI VŨ MSSV: 19145509

Thành phố Hồ Chí Minh – Tháng 11 năm 2021

2.4 Giới thiệu các phần mềm được sử dụng 16

Chương 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ABS 22

3.1 Xây dưng hệ thống ABS trên Simulink 223.1.1 Đối tượng điều khiển (CarSim S-Function2) 233.1.2 Cơ cấu chấp hành (Brake Actuator Model) 243.1.3 Khối tính độ trượt thực tế (Relative Slip Calculator) 25

3.2.2 Bộ điều khiển Fuzzy PID 283.3 Đánh giá hiệu quả của các bộ điều khiển trong hệ thống ABS 32

Lời đầu tiên tôi xin gửi lên cảm ơn đến bố mẹ đã lo cho tôi học hành thật tốt để

có cơ hội học Đại học và có mặt tại buổi báo cáo ngày hôm nay

Sau nhóm tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Th.S Nguyễn Trung Hiếu Trongquá trình học tập và tìm hiểu môn “Hệ thống điều khiển tự động ô tô”, nhóm tôi đã

nhận được sự quan tâm, giúp đỡ và sự hướng dẫn tận tình của thầy Thầy đã giúpnhóm tôi tích lũy thêm nhiều kiến thức để có cái nhìn sâu sắc và hoàn thiện hơn trongquá trình làm bài báo cáo môn học.

Có lẽ kiến thức là vô hạn mà sự tiếp nhận kiến thức của mỗi người luôn tồn tạinhững hạn chế nhất định Do đó, trong quá trình hoàn thành bài báo cáo môn học, chắcchắn không tránh khỏi thiếu sót Bản thân em rất mong nhận được những góp ý đến từthầy để bài báo cáo môn học được hoàn thiện hơn

Kính chúc thầy sức khỏe, hạnh phúc và thành công!

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Sơ đồ bố trí hệ thống phanh ABS trên ô tô 9 Hình 2.2 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của hệ số bám dọc φx và hệ số bám ngang φy

Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vòng kín 13

Hình 2.5 Cấu tạo của bộ điều khiển Fuzzy logic 14 Hình 2.6 Đồ thị hàm liên thuộc tam giác không đối xứng và đối xứng 15

Hình 2.8 Biểu tượng phần mềm MATLAB/Simulink 16

Hình 3.1 Thiết lập hệ thống ABS trên Simulink 22

Hình 3.4 Biểu đồ áp suất chất lỏng đến momen phanh 24

Hình 3.6 Khối tính độ trượt thực tế mô phỏng trên simulink 25 Hình 3.7 Bộ điều khiển On – Off trên Simulink 26 Hình 3.8 Bộ điều khiển On – Off cho 2 bánh trước trên Simulink 26 Hình 3.9 Bộ điều khiển On – Off cho 2 bánh sau trên Simulink 26

Hình 3.12 Cấu trúc của một bộ điều khiển Fuzzy PID 29

Hình 3.16 Bộ điều khiển Fuzzy PID trên simulink 31 Hình 3.17 Bộ điều khiển Fuzzy PID cho 2 bánh trước trên simulink 31 Hình 3.18 Bộ điều khiển Fuzzy PID cho 2 bánh sau trên simulink 31 Hình 3.19 Biểu đồ áp suất phanh bánh bên trái của cầu trước trên đường thẳng 32 Hình 3.20 Biểu đồ áp suất phanh bánh bên phải của cầu trước trên đường thẳng 32 Hình 3.21 Biểu đồ áp suất phanh bánh bên trái của cầu sau trên đường thẳng 33

Hình 3.22 Biểu đồ áp suất phanh bánh bên phải của cầu sau trên đường thẳng 33 Hình 3.23 Biểu đồ độ trượt bánh bên trái của cầu trước trên đường thẳng 34 Hình 3.24 Biểu đồ độ trượt bánh bên phải của cầu trước trên đường thẳng 34 Hình 3.25 Biểu đồ độ trượt bánh bên trái của cầu sau trên đường thẳng 35 Hình 3.26 Biểu đồ độ trượt bánh bên phải của cầu sau trên đường thẳng 35 Hình 3.27 Biểu đồ vận tốc bánh xe và của xe không có ABS trên đường thẳng 36 Hình 3.28 Biểu đồ vận tốc bánh xe và của xe có ABS sử dụng bộ điều khiển On Off

Hình 4.16 Biểu đồ vận tốc bánh xe và của xe có ABS sử dụng bộ điều khiển Fuzzy PID

Hình 4.17 Đồ thị quãng đường phanh giữa các bộ điều khiển khi xe chạy trên đường

Hình 4.18 Ảnh phóng to của đồ thị quãng đường phanh 48 Hình 4.19 Thiết lập thông số vận hành xe trên đường cong 50 Hình 4.20 Thiết lập thời gian và áp suất phanh 50 Hình 4.21 Thiết lập hệ số bám của làn đường 51 Hình 4.22 Biểu đồ áp suất phanh bánh bên trái của cầu trước chạy trên đường cong.

51 Hình 4.23 Biểu đồ áp suất phanh bánh bên phải của cầu trước chạy trên đường cong.

52 Hình 4.24 Biểu đồ áp suất phanh bánh bên trái của cầu sau chạy trên đường cong 52 Hình 4.25 Biểu đồ áp suất phanh bánh bên phải của cầu sau chạy trên đường cong 53 Hình 4.26 Biểu đồ độ trượt bánh bên trái của cầu trước chạy trên đường cong 54 Hình 4.27 Biểu đồ độ trượt bánh bên phải của cầu trước chạy trên đường cong 54 Hình 4.28 Biểu đồ độ trượt bánh bên trái của cầu sau chạy trên đường cong 55 Hình 4.29 Biểu đồ độ trượt bánh bên phải của cầu sau chạy trên đường cong 55 Hình 4.30 Biểu đồ vận tốc bánh xe và của xe không có ABS trên đường cong 56 Hình 4.31 Biểu đồ vận tốc bánh xe và của xe có ABS sử dụng bộ điều khiển On Off

Hình 4.32 Biểu đồ vận tốc bánh xe và của xe có ABS sử dụng bộ điều khiển Fuzzy PID

Hình 4.33 Đồ thị quãng đường phanh giữa các bộ điều khiễn khi xe chạy trên đường

Hình 4.34 Ảnh phóng to của đồ thị quãng đường phanh 58 Hình 4.35 Thiết lập thông số vận hành xe trên đường 2 hệ số bám 59 Hình 4.36 Thiết lập thời gian và áp suất phanh 60 Hình 4.37 Thiết lập hệ số bám của các làn đường 60 Hình 4.38 Biểu đồ áp suất phanh bánh bên trái của cầu trước trên đường 2 hệ số bám.

61 Hình 4.39 Biểu đồ áp suất phanh bánh bên phải của cầu trước trên đường 2 hệ số

Hình 4.40 Biểu đồ áp suất phanh bánh bên trái của cầu sau trên đường 2 hệ số bám.

62 Hình 4.41 Biểu đồ áp suất phanh bánh bên phải của cầu sau trên đường 2 hệ số bám.

62 Hình 4.42 Biểu đồ độ trượt bánh bên trái của cầu trước trên đường 2 hệ số bám 63 Hình 4.43 Biểu đồ độ trượt bánh bên phải của cầu trước trên đường 2 hệ số bám 63 Hình 4.44 Biểu đồ độ trượt bánh bên trái của cầu sau trên đường 2 hệ số bám 64 Hình 4.45 Biểu đồ độ trượt bánh bên phải của cầu sau trên đường 2 hệ số bám 64 Hình 4.46 Biểu đồ vận tốc bánh xe và của xe không có ABS trên đường 2 hệ số bám.65

Hình 4.47 Đồ thị vận tốc bánh xe và của xe có ABS sử dụng bộ điều khiển On Off trên

Hình 4.50 Ảnh phóng lớn của đồ thị quãng đường phanh 67

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Một số khối simulation được sử dụng trong bài báo cáo 17 Bảng 3.1 Bảng kết quả thực nghiệm trên đường thẳng 38 Bảng 4.1 Kết quả thực nghiệm trên đường né vật cản 49 Bảng 4.2 Kết quả thực nghiệm trên đường cong 59 Bảng 4.3 Kết quả thực nghiệm trên đường hai hệ số bám 68

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 phân

Chương 1 MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, ô tô đã trở thành phương tiện giao thông quan trọng trong xã hội hiệnđại 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 đượctrang bị hệ thống an toàn chủ động, chức năng của các hệ thống đó là phát hiện, nhậnbiết sự mất ổn định của ô tô và điều khiển phù hợp để không xảy ra tai nạn Cho nêntrước khi vận hành một hệ thống trên ô tô, các nhà thiết kế và chế tạo phải nghiên cứu,thiết kế và mô phỏng những hệ thống ấy

Từ những lý do trên nhóm chúng em chọn đề tài “Nghiên cứu và mô phỏng hệ

thống ABS trên phần mềm CarSim” để làm báo cáo môn học.

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

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 có xét đến tính ổn định hướngchuyển động của ô tô khi phanh

1.3 Phương pháp nghiên cứu

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

1.4 Đối tượng nghiêm cứu

Hệ thống chống bó cứng phanh ABS trên xe B-Class Hatchback

1.5 Đối tượng nghiêm cứu

Ngoài chương Mở đầu, chương Kết luận và hướng phát triển, và phần Tài liệutham khảo, đề tài được chia làm 3 phần chính:

Phần 1: Cơ sở lý thuyết

Phần 2: Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống ABS

Phần 3: Case studies

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về hệ thống ABS

2.1.2 Cấu tạo

Hình 2.1 Sơ đồ bố trí hệ thống phanh ABS trên ô tô

Hệ thống ABS có các thành phần chính:

Cảm biến tốc độ (Speed sensor): mục đích của cảm biến tốc độ xe là theo dõi tốc

độ của từng bánh xe và sau đó xác định gia tốc và giảm tốc của các bánh xe

Van (Valves) có chức năng điều chỉnh áp suất không khí để phanh trong quátrình hệ thống phanh ABS hoạt động

Bơm (Pump) có mục đích là điều chỉnh hoặc phục hồi áp suất trở lại hệ thốngphanh đã được các van xả ra

Bộ điều khiển (Controller): Bộ điều khiển của hệ thống phanh ABS bao gồm bộđiều khiển điện tử (ECU) xử lý tất cả các chức năng tín hiệu và thông tin ABS ECUlấy thông tin từ tất cả các bánh xe và sau đó điều khiển hoặc giới hạn lực phanh chotừng bánh xe

2.1.3 Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của hệ thống ABS là sử dụng nguyên lý điều chỉnh áp suấttrong dẫn động phanh theo gia tốc góc chậm dần của bánh xe Khi đạp phanh, áp suấttrong dẫn động tăng lên, tức là momen phanh tăng lên là tăng giá trị của gia tốc gócchậm dần của bánh xe và làm tăng độ trượt tương đối của nó Sau khi vượt qua điểmcực đại trên đường cong, gia tốc góc chậm dần của bánh xe tăng lên đột ngột (đây làhiện tượng bánh xe có xu hướng bị hãm cứng) Bộ điều khiển của ABS lúc này ghi lạigia tốc góc đạt giá trị tới hạn và ra lệnh cho bộ chấp hành phanh phải giám sát áp suấttrong dẫn động Gia tốc góc của bánh xe lúc này giảm dần và tiến gần giá trị 0 Sau khighi lại giá trị này, bộ điều khiển ra lệnh cho bộ chấp hành phanh ổn định áp suất trongdẫn động Lúc này, bánh xe sẽ tăng tốc trong chuyển động tương đối và vận tốc góccủa bánh xe tiến gần với vận tốc ô tô nghĩa là độ trượt tương đối sẽ giảm và như vậy

hệ số bám dọc tăng lên Vì hệ số bám dọc lúc này đạt cực đại nên gia tốc góc chậmdần của bánh xe sẽ đạt giá trị cực đại tương ứng Lúc này, bộ điều khiển ghi lại giá trịgia tốc góc này và ra lệnh cho bộ chấp hành phanh tăng áp suất dẫn động phanh Kếtthúc một chu trình làm việc của hệ thống ABS, sau khi kết thúc một chu kỳ thì mộtchu kỳ mới sẽ bắt đầu

2.2 Động lực học của ô tô 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

Hệ số bám phụ một mặt phụ thuộc vào loại đường và tình trạng mặt đường, mặtkhác còn phụ thuộc vào độ trượt của bánh xe với mặt đường khi phanh Ta có quan hệgiữa hệ số bám φ và hệ số trượt λ như hình 2.2.

Hình 2.2 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của hệ số bám dọc φ x và hệ số bám ngang φ y

Trong đó: F p là lực phanh tác dụng lên các bánh xe

G là trọng lượng bám của ô tôVới định nghĩa trên, φ x=0 khi lực phanh F p =0, tại thời điểm chưa phanh Khibắt đầu phanh, φ x tăng dần lên và độ trượt λ cũng tăng lên Theo hình 2.2 Khi độ trượt

nằm trong khoảng 0,1÷ 0,3 thì φ x ≈ φ xmax và φ y cũng có giá trị khá lớn Bởi vậy giá trị

λ o =λ=0,1 ÷ 0,3 là độ trượt tối ưu

Như vậy nếu giữ cho quá trình phanh luôn xảy ra ở độ trượt tối ưu λ othì chúng ta

sẽ đạt được lực phanh tối đa F pmax =φ xmax ∗G=F φ, bởi vậy hiệu quả phanh sẽ cao nhất.Mặt khác, φ y ở trong giới hạn độ trượt tối ưu cũng có giá trị khá lớn, nên F φy =φ y ∗G

cũng có giá trị khá lớn, các bánh xe không bị trượt ngang, do đó đảm bảo được tínhdẫn hướng và độ ổn định của xe khi phanh

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 của bánh xe với mặtđường thay đổi quanh giá trị λ o trong giới hạn hẹp Hệ thống chống hãm cứng bánh xekhi phanh ABS có thể sử dụng các nguyên lý điều chỉnh sau đây:

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

- Theo giá trị độ trượt tương đối cho trước (λ)

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

2.3 Hệ thống điều khiển tự động trên ô tô

2.3.1 Hệ thống điều khiển vòng kín

Hệ thống điều khiển vòng kín (Closed – Loop Control System) hay còn gọi là hệthống điều khiển hồi tiếp (feedback control system) là một kiểu điều khiển của hệthống điều khiển tự động trên ô tô

Trong hệ thống điều khiển vòng kín có một cảm biến giám sát đầu ra để cung cấp

dẽ liệu đó về máy tính để điều chỉnh một cách liên tục tín hiệu điều khiển đầu vào khicần thiết để giữ cho sai số điều khiển ở mức thấp nhất

Tín hiệu phản hồi về hệ thống cho phép hệ thống điều chỉnh một cách linh hoạtcho đến khi những thay đổi trong hệ thống là tốt nhất

Một hệ thống điều khiển vòng kín lý tưởng là hệ thống loại bỏ tất cả những sai

số, có tác dụng giảm thiểu tác động của bất kỳ lực nào có thể hoặc không thể phát sinhtrong suốt quá trình làm việc và tạo ra một phản ứng trong hệ thống mà phù hợp hoànhảo với mong muốn của người dùng Trong thực tế, hệ thống đó không thể thực hiệnđược do sai số đo lường trong các cảm biến, độ trễ trong các bộ điều khiển, và sựkhông hoàn hảo trong điều khiển đầu vào

Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vòng kín.

2.3.2 Bộ điều khiển On – Off

Bộ điều khiển on – off (Điều khiển đóng – mở) là bộ điều khiển phản hồi chuyểnđột ngột giữa hai trạng thái on và off Bộ điều khiển on – off được thực hiện trong điềukhiển các trường hợp có độ trễ

2.3.3 Bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID (PID- Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phảnhồi vòng điều khiển được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp

và nhiều ứng dụng khác yêu cầu điều khiển được điều chế liên tục

Bộ điều khiển PID tính toán liên tục giá trị lỗi e là hiệu số giữa điểm đặt mongmuốn r (desired value), biến quá trình đo được y (output) và áp dụng hiệu chỉnh dựatrên số hạng tỷ lệ, tích phân và đạo hàm (được ký hiệu là P, I và D tương ứng ) cungcấp cho bộ điều khiển tên của nó

2.3.4 Fuzzy logic

Bộ điều khiển mờ được cấu tạo gồm:

- Các hàm liên thuộc đầu vào

- Đầu ra: Có 2 loại là Mamdani và Sugeno Mamdani bao gồm nhiều hàm liênthuộc cấu tạo nên Còn Sugeno thì có một hàm f(u) với nhiều hàm hằng số bên trong

- Các quy tắc liên hệ giữa đầu vào và đầu ra gọi là luật mờ

Nguyên lý hoạt động: Từ một giá trị cụ thể của đầu vào, bộ điều khiển mờ hóa tínhiệu đầu vào bằng các hàm liên thuộc đầu vào (tức là đánh giá xem tín hiệu đó thuộcvào mức nào trong các mức đã định nghĩa trước của các hàm liên thuộc) Sau đó, tínhiệu đầu vào được chuyển sang các giá trị dạng khái niệm như “nhanh”, “chậm”,

“lớn”, “nhỏ” Và dựa vào luật mờ, tín hiệu ngõ vào đã được mờ hóa sẽ được xử lý vàcho ra kết quả là một một miền giá trị được tạo bởi các hàm liên thuộc đầu ra Từ miềngiá trị trên, khối “giải mờ” của bộ điều khiển tiến hành biến đổi ngược để được mộtgiá trị cụ thể cho đầu ra

Hình 2.5 Cấu tạo của bộ điều khiển Fuzzy logic.

Một số hàm liên thuộc thông dụng:

- Hàm liên thuộc tam giác: Với 3 tham số là cận dưới a, cận trên b, và giá trị m(đỉnh của tam giác), với a < m < b Hàm này được gọi là đối xứng nếu bưm=mưa

μ A (u)={0nếuu≤ a,hoặcu≥ b uưa mưa nếua<u<m bưu bưm nếu m<u<bhnếuu=m,vớih≤ 1

Hình 2.6 Đồ thị hàm liên thuộc tam giác không đối xứng và đối xứng.

- Hàm liên thuộc hình thang: Xác định bởi 4 giá trị a, b, c, d theo công thức sau:

μ A (u)={0nếuu≤ a,hoặcu≥ d uưa

bưa nếua<u<b dưu dưc nếuc<u<dhnếub≤ u≤ c, với h≤1

Hình 2.7 Đồ thị hàm liên thuộc hình thang.

2.4 Giới thiệu các phần mềm được sử dụng

2.4.1 Matlab/Simulink

Hình 2.8 Biểu tượng phần mềm MATLAB/Simulink

MATLAB là phần mềm cung cấp môi trường tính toán số và lập trình, do công tyMathWorks thiết kế MATLAB cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm sốhay 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

Bảng 2.1 Một số khối simulation được sử dụng trong bài báo cáo

1 Constant

- Khối constant tạo ra một giá trị hằng

số thực hoặc phức tạp Sử dụng khốinày để cung cấp đầu vào tín hiệukhông đổi

- Khối Constant xuất ra tín hiệu có kíchthước, kiểu dữ liệu và độ phức tạpgiống với các thông số của tham sốConstant value Tuy nhiên ta có thểthay đổi đầu ra là bất kỳ kiểu dữ liệunào mà Simulink hỗ trợ

- Khối Sum thực hiện phép cộng hoặcphép trừ trên các đầu vào của nó Khốinày có thể thêm hoặc bớt các đầu vào

vô hướng, vectơ hoặc ma trận Nó cũng

có thể thu gọn các phần tử của một tínhiệu và thực hiện một phép tổng kết

- Đầu vào tín hiệu cho phép toán cộnghoặc trừ, điều chỉnh số lượng đầu vàotùy ý Các đầu vào phải có cùng kíchthước (vecto, ma trận)

-Tín hiệu đầu ra do các phép tính cộngvào hoặc trừ của các tín hiệu đầu vào.Tín hiệu đầu ra có cùng thứ nguyên vớicác tín hiệu đầu vào

3 Gain - Khối Gain nhân đầu vào với một giá

trị không đổi (độ lợi) Đầu vào và độlợi có thể là một vô hướng, vectơ hoặc

ma trận

- Khối Gain chấp nhận đầu vào vôhướng, vectơ hoặc ma trận có giá trị

thực hoặc phức Khối Gain hỗ trợ cáckiểu dữ liệu điểm cố định.

- Khối Gain xuất ra đầu vào nhân vớimột giá trị khuếch đại không đổi Khiđầu vào của khối Gain là thực và độ lợi

là phức tạp, thì đầu ra cũng phức tạp

4 Switch

- Khối Switch đi qua đầu vào đầu tiênhoặc tín hiệu đầu vào thứ ba dựa trêngiá trị của đầu vào thứ hai Đầu vào thứnhất và thứ ba là đầu vào dữ liệu Đầuvào thứ hai là đầu vào điều khiển

- Đầu vào dữ liệu: đầu vào dữ liệu thứnhất hoặc thứ hai đến đầu ra Khốichọn đầu vào nào để vượt qua dựa trênđầu vào điều khiển

- Đầu vào điều khiển: Tín hiệu điềukhiển mà khối sử dụng để xác địnhxem chuyển đầu vào dữ liệu thứ nhấthay thứ hai đến đầu ra

- Đầu ra: Tín hiệu đầu ra được truyền

từ tín hiệu đầu vào thứ nhất hoặc thứhai, dựa trên giá trị tín hiệu điều khiển

5 Saturation - Khối Saturation tạo ra tín hiệu đầu ra

là giá trị của tín hiệu đầu vào được giớihạn bởi các giá trị bão hòa trên vàdưới Giới hạn trên và giới hạn dướiđược quy định bởi các thông số Upperlimit (Giới hạn trên) và Lower limit(Giới hạn dưới)

- Đầu vào: Tín hiệu đầu vào cho thuậttoán bão hòa

- Đầu ra: Tín hiệu đầu ra là giá trị của

tín hiệu đầu vào, giới hạn bão hòa trênhoặc giới hạn bão hòa dưới.

- Khối Mux kết hợp các đầu vào cócùng kiểu dữ liệu và độ phức tạp thànhmột đầu ra vectơ

- Đầu vào: Tín hiệu đầu vào để đưavào tín hiệu mux, được chỉ định dướidạng vô hướng hoặc vectơ Phải cócùng kiểu dữ liệu và độ phức tạp

- Đầu ra: Tín hiệu mux đầu ra baogồm các tín hiệu đầu vào kết hợp, đượctrả về dưới dạng vectơ

7 Demux

- Khối Demux trích xuất các thànhphần của tín hiệu vector đầu vào vàxuất ra các tín hiệu riêng biệt Cáccổng tín hiệu đầu ra được sắp xếp theothứ tự từ trên xuống dưới

- Đầu vào: Tín hiệu đầu vào vectơ mà

từ đó khối Demux chọn tín hiệu vôhướng hoặc vectơ nhỏ hơn

- Đầu ra: Tín hiệu đầu ra được tríchxuất từ vector đầu vào Các cổng tínhiệu đầu ra được sắp xếp theo thứ tự từtrên xuống dưới

8 If Action

SubSystem

- Khối If Action Subsystem là một khối

hệ thống con được cấu hình trước nhưmột điểm khởi đầu để tạo một hệ thốngcon mà việc thực thi được kiểm soátbởi một khối If Khối If dựa vào kếtquả đánh giá một biểu thức logic vàsau đó xuất ra một tín hiệu hành động.Việc thực hiện hành động được điều

khiển bởi một khối Action ở bên trong.

10 Integrator

Khối Integrator xuất ra tín hiệu tíchphân của tín hiệu đầu vào của nó theothời gian

2.4.2 CarSim

Hình 2.9 Biểu tượng phần mềm Carsim

CarSim là phần mềm được xây dựng và phát triển bởi công ty MechanicalSimulation Corp., có trụ sở tại Ann Arbor, Michigan, chuyên cung cấp các ứng dụng

để mô phỏng và tương tác 3D Ra mắt từ năm 1996, đến nay CarSim cùng với cácphần mềm tính toán khác như TruckSim, BikeSim đã cung cấp cho hơn 30 nhà sảnxuất, 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 và

2 điều khiển trên xe trong một môi trường nhất định thông qua các chuyển động, lực

và mô-men tác động lên quá trình tăng tốc, ổn định hoặc phanh xe

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

Chương 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ABS

3.1 Xây dưng hệ thống ABS trên Simulink

Bộ điều khiển được xây dựng theo hệ thống điều khiển vòng kín (Closed –Loop) Nhận 3 tín hiệu là tốc độ chuyển động của ô tô, tốc độ góc của các bánh xe và

áp suất phanh tại xylanh chính

Hình 3.1 Thiết lập hệ thống ABS trên Simulink

Khi người lái đạp phanh, áp suất phanh tăng đột ngột làm cho các bánh xe bị bócứng, đồng thời ô tô di chuyển vào đường cong, trơn, thì bánh xe sẽ bị trượt ngang.Nhờ vào cảm biến vận tốc góc bánh xe, cảm biến gia tốc đo tốc độ của các bánh xe,tốc độ chuyển động của ô tô gửi vào bộ điều khiển hệ thống ABS Lúc này, bộ điềukhiển hệ thống ABS sẽ xử lý thông tin từ tín hiệu truyền đến rồi gửi tín hiệu đến bộchấp hành phanh Tín hiệu áp suất phanh tại xylanh chính truyền trực tiếp đến bộ chấphành phanh, lúc này sẽ xử lý thông tin để điều khiển áp suất phanh tại 4 bánh xe đểtăng độ bám cho các bánh xe, giúp xe đạt hiệu quả phanh Đồng thời 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 sẽ liên tục gửi vào bộ điều khiển hệ thống ABS để phản hồi hiệu quả phanh của xe

so với yêu cầu mong muốn đề ra, nếu đạt hiệu quả thì duy trì, nếu chưa đạt thì bộ điềukhiển ABS tiếp tục tính toán và truyền thông tin đã xử lý đến bộ chấp hành phanh đểtiến hành phanh các bánh xe Như vậy ta thấy hệ thống ABS là một hệ thống điềukhiển hồi tiếp, hay còn gọi là hệ thống điều khiển vòng kín

3.1.1 Đối tượng điều khiển (CarSim S-Function2)

Hình 3.2 Đối tượng điều khiển

Đối tượng điều khiển là xe ô tô với đầu vào: áp suất phanh của xylanh bánh xetrước – trái, trước – phải, sau – trái và sau – phải; đầu ra: tốc độ chuyển động của ô tô,tốc độ góc của các bánh xe và áp suất phanh tại xylanh chính.

Hình 3.3 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

Hình 3.4 Biểu đồ áp suất chất lỏng đến momen phanh

3.1.2 Cơ cấu chấp hành (Brake Actuator Model)

Hệ thống ABS nhận tín hiệu tốc độ chuyển động của ô tô thông qua cảm biến giatốc và tốc độ của các bánh xe thông qua cảm biến vận tốc góc bánh xe Khi đó, hệthống sẽ xử lý độ trượt tương đối của 4 bánh xe rồi truyền tín hiệu độ trượt tương đốivào bộ điều khiển Tùy thuộc vào bộ điều khiển đó là On-Off Controller, PIDController,Fuzzy PID Controller … sẽ có tín hiệu đầu ra khác nhau, và tín hiệu đầu ra

đó sẽ truyền đến bộ chấp hành phanh

Hình 3.5 Bộ chấp hành phanh

Bộ điều khiển xử lý thông tin và truyền đến bộ chấp hành phanh, đi qua Demuxchia tín hiệu ra cho mỗi bánh xe theo thứ tự lần lượt là bánh xe trước – trái, trước –phải, sau – trái và sau – phải Để rồi, tín hiệu ấy nhân với áp suất phanh tại xylanhchính, truyền qua Transfer Fcn rồi truyền ra và điều khiển áp suất phanh tại mỗi bánh

xe để thực hiện phanh Transfer Fcn là hàm truyền, thể hiện độ trễ của hệ thống thủylực khi phanh hoặc đó là độ trễ cơ khí của solenoid trong hệ thống phanh

3.1.3 Khối tính độ trượt thực tế (Relative Slip Calculator)

Với độ trượt dọc khi phanh được xác định bởi:

λ= v v −v w

v v

Hình 3.6 Khối tính độ trượt thực tế mô phỏng trên simulink

3.2 Xây dựng bộ điều khiển

3.2.1 Bộ điều khiển On–Off

Sau khi tính toán độ trượt độ trượt dọc (λ) tại mỗi bánh xe sau đó tính sai số (e)với e = 0.15 - λ, lúc này chúng ta truyền tín hiệu e vào On Off Controller để xử lý vàxuất ra hai tín hiệu phanh ở hai bánh xe cầu trước và hai bánh xe cầu sau Trong đó tínhiệu ‘0’ là nhả phanh, tín hiệu ‘1’ là phanh Sau đó đi qua bộ Speed Limit, nếu vận tốc

xe lúc này lớn hơn 3 km/h thì tín hiệu sẽ do bộ Controller quyết định, nếu vận tốc xe

từ 3 km/h trở xuống tín hiệu phanh luôn là “1” sẽ được truyền đến bộ chấp hành phanhnhằm điều khiển phanh xe giúp xe có thể tối ưu được thời gian phanh và quãng đườngphanh

Hình 3.7 Bộ điều khiển On – Off trên Simulink

Hình 3.8 Bộ điều khiển On – Off cho 2 bánh trước trên Simulink

Hình 3.9 Bộ điều khiển On – Off cho 2 bánh sau trên Simulink

Thuật toán cho bộ điều khuyển On Off cho hai bánh trước được biểu diễn nhưflowchart dưới đây:

Hình 3.10 Thuật toán điều khiển on - off

Tương tự với hai bánh sau tuy nhiên ban đầu sẽ so sánh e với 0.05 và -0.05 bởi vìlực phanh hai bánh sau nhỏ hơn hai bánh trước nên khoảng giới hạn phải lớn hơn haibánh trước để giảm tần số của tín hiệu điều khiển, từ đó tăng độ bền của phanh

Hình 3.11 Tín hiệu điều khiển on - off

3.2.2 Bộ điều khiển Fuzzy PID

Với sự phát triển của khoa học máy tính, kinh nghiệm điều khiển của người vậnhành được lưu trữ vào máy tính như kiến thức sử dụng phương pháp trí tuệ nhân tạo.Các thông số PID có thể được máy tính tự động điều chỉnh tùy theo tình hình thực tếtại mỗi môi trường làm viêc Có rất nhiều cách để điểu chỉnh tự động thông số của bộPID như dùng các công thức toán học hoặc bằng kinh nghiệm của chuyên gia về hệthống Tuy nhiên đối với hệ thống ABS khó có thể thay đổi thông số PID bằng cáccông thức tinh toán bởi một chiếc xe khó có thể biểu diễn chính xác bằng công thức,cho dù có biểu diễn được thì nó khá là phúc tạp cho việc tính toán vì vậy lý thuyết mờ(Fuzzy Logic) là con đường hiệu quả để giải quyết những vấn đề này Loại bộ điềukhuyển Fuzzy PID được tạo ra nhầm kết hợp điểu khiển PID cổ điển với sự hiểu biếtcủa chuyên gia về hệ thống đó để thực hiện điều khiển hệ thống Trong lý thuyết điềukhiển này, các các quy tắc và hoạt động được thể hiện bằng các tập mờ, và các các luật

mờ, cũng như các thông tin có liên quan (chẳng hạn như chỉ báo đánh giá, các tham sốPID ban đầu,…) Sau đó, bộ điều khiển sẽ điều chỉnh tham số PID được tự động mộtcác tốt nhất bằng suy luận mờ theo tình thực tế của hệ thống điều khiển Trong bài báocáo này, bộ điều khiển Fuzzy PID sẽ lấy e (Error) là đầu vào của hệ thống, từ đầu vào

là một sai số cụ thể Fuzzy sẽ cho ra các hệ số Kp, Ki và Kd từ các hệ số này bộ PID sẽtính toán u (Control effort) để điều khiển Hình 3.11 cho thầy cấu trúc của một bộ điềukhiển Fuzzy PID

Hình 3.12 Cấu trúc của một bộ điều khiển Fuzzy PID

Mờ hóa ngõ vào bộ Fuzzy logic: Đầu vào của bộ Fuzzy là sai số của độ trượt,phạm vi biến thiên của e là [-0.85 ; 0.2] tuy nhiên bộ Fuzzy chỉ tập trung vào [-0.2 ;0.2] Các biến mờ ngõ vào ở đây là Negative Big(NB), Negative Small(NS),Zero(ZE),Positive Small(PS), Positive Big(PB) Các hàm liên thuộc ngõ vào được biểu diễn như

hình 3.13

Hình 3.13 Các hàm liên thuộc ngõ vào

Mờ hóa ngõ ra bộ Fuzzy logic: Đầu ra sử dụng sugeno được làm tiều chuẩn [0 ;0.25 ; 0.5; 0.75; 1] để dể dàng thay đổi đầu ra bằng các bước thực nghiệm Các biến

mờ ngõ vào ở đây là VL(Verry Low), L(Low), M(Medium), H(High), VH(VeryHigh).Các hàm liên thuộc ngõ ra được biểu diễn như hình 3.14

Hình 3.14 Các hàm liên thuộc ngõ ra

Luật Fuzzy logic: Khi sai số độ trượt càng lớn hệ thống sẽ tăng nhiều Kp và Kilên để giảm sai số và ngược lại.

Hình 3.15 Luật mờ

Ngoài ra bộ Fuzzy logic còn sử dụng các khối tiền sử lý và hậu sử lý để hệ thống

dể thay đổi trong các quy trình thực nghiệm

Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển Fuzzy PID như sau : Từ đầu vào là sai số(e) cụ thể, Fuzzy logic sẽ mờ hóa tín hiệu đầu vào bằng các hàm liên thuộc Sau đó tínhiệu đầu vào sẽ được chuyển sang các giá trị dạng NB, NS, Z , dựa vào luật mờ bộFuzzy logic sẽ cho ra kết quả là một miền giá trị được tạo bởi các hàm liên thuộc đầu

ra, sau đó giải mờ và cho ra các giá trị Kp, Ki tương ứng Kp và Ki sẽ được đi quakhối hậu xửa lý trước khi vào bộ điều khiển PID truyền thống để cho ra tính hiệu điềukhiển (u) Rồi đi qua bộ Speed Limit để được tối ưu quảng đường phanh Ở bộ FuzzyPID còn có thêm khối Saturation để giới hạn tín hiệu điều khiển từ 0 đến 1, '0' ở đây làphanh 0% áp suất xilanh chính, '1' là phanh 100% áp suất xilanh chính

Hình 3.16 Bộ điều khiển Fuzzy PID trên simulink

Hình 3.17 Bộ điều khiển Fuzzy PID cho 2 bánh trước trên simulink

Hình 3.18 Bộ điều khiển Fuzzy PID cho 2 bánh sau trên simulink

3.3 Đánh giá hiệu quả của các bộ điều khiển trong hệ thống ABS.

Môi trường thực nghiệm: Xe B-Class, Hatchback 2012 đang chạy trên đườngthẳng với hệ số bám tối đa là 0.75, tốc độ ban đầu là 100 km/h và bắt đầu phanh ở giâythứ hai đến giây thứ 9 với áp suất xylanh chính là 15MPa

3.3.1 Áp suất phanh.

Hình 3.19 Biểu đồ áp suất phanh bánh bên trái của cầu trước trên đường thẳng.

Hình 3.20 Biểu đồ áp suất phanh bánh bên phải của cầu trước trên đường thẳng.

Hình 3.21 Biểu đồ áp suất phanh bánh bên trái của cầu sau trên đường thẳng.

Hình 3.22 Biểu đồ áp suất phanh bánh bên phải của cầu sau trên đường thẳng.

Kết luận:

Xe không có ABS, khi người lái đạp phanh, áp suất phanh tăng đột ngột lên giátrị cực đại, làm cho các bánh xe bị hãm cứng nên dẫn đến xảy ra hiện tượng trượt lết

Đối với xe có ABS sử dụng bộ điều khiển On Off, khi người lái đạp phanh thì

áp suất phanh ở các bánh xe tăng giảm liên tục để giúp bánh xe không bị bó cứng khiphanh

Đối với xe có ABS sử dụng bộ điều khiển Fuzzy PID, khi người lái đạp phanh thì

áp suất phanh ở các bánh xe dao động với biên độ nhỏ (gần như là một đường thẳng),

ổn định trong suốt quá trình phanh để độ trượt giữa bánh xe với mặt đường như mongmuốn và đạt hiệu quả phanh cao

3.3.2 Độ trượt.

Hình 3.23 Biểu đồ độ trượt bánh bên trái của cầu trước trên đường thẳng.

Hình 3.24 Biểu đồ độ trượt bánh bên phải của cầu trước trên đường thẳng.

Hình 3.25 Biểu đồ độ trượt bánh bên trái của cầu sau trên đường thẳng.

Hình 3.26 Biểu đồ độ trượt bánh bên phải của cầu sau trên đường thẳng.

Ta thấy đồ thị độ trượt ở 2 bánh sau khá ổn định và đồng đều hơn độ trượt ở 2bánh trước, vì ở 2 bánh sau có lực phanh thấp hơn lực phanh ở 2 bánh trước và 2 bánhsau chỉ dẫn động

Kết luận

Đối với đồ thị xe không có ABS ta thấy khi người lái vừa đạp phanh thì độ trượtcủa cả 4 bánh xe đều tiến tới giá trị 1 rất nhanh, đồng nghĩa với việc xe không có ABSchạy trên đường thẳng thì khi phanh sẽ xảy ra hiện tượng trượt

Đối với xe có ABS sử dụng bộ điều khiển On Off thì độ trượt ở 2 bánh trước cóbiên độ dao động tương đối lớn, còn ở 2 bánh sau có độ trượt dao động thấp hơn quanhgiá trị đầu ra mong muốn là 0,15.

Đối với xe có ABS sử dụng bộ điều khiển Fuzzy PID thì độ trượt dao động ổnđịnh sát với giá trị 0,15 Độ vọt lố khoảng 21,33% đối với bánh sau, 30% đối với bánhtrước và sai số xác lập khoảng 15%

3.3.3 Vận tốc.

Hình 3.27 Biểu đồ vận tốc bánh xe và của xe không có ABS trên đường thẳng.

Đồ thị thể hiện vận tốc bánh xe và của xe không có ABS đang chạy với tốc độ100km/h, khi tài xế đạp phanh, áp suất phanh tăng đột ngột lên cực đại dẫn đến cácbánh xe bị bó cứng khiến xe trượt lết

Hình 3.28 Biểu đồ vận tốc bánh xe và của xe có ABS sử dụng bộ điều khiển On Off

trên đường thẳng.

Đối với xe có ABS sử dụng bộ điều khiển On Off , khi người lái đạp phanh thì ápsuất phanh ở các bánh xe tăng giảm liên tục khiến vận tốc các bánh xe cũng tăng giảmliên tục Vì theo thiết kế của bộ điều khiển nên ta có thể thấy được vận tốc của 2 bánhsau dao động tiến tới gần với vận tốc của xe hơn là vận tốc của 2 bánh trước

Hình 3.29 Biểu đồ vận tốc bánh xe và của xe có ABS sử dụng bộ điều khiển Fuzzy PID

trên đường thẳng.