Đồ án hệ thống điều khiển tự động

đồ án môn điều khiển tự động ô tô spkt đề tài mô phỏng hệ thống phanh abs bằng phần mềm matlabsimulink và carsim. Nền công nghiệp ô tô đang ngày càng phát triển mạnh, số lượng ô tô tăng nhanh, mức độ lưu thông trên đường ngày càng lớn. Phương tiện giao thông ngày càng được thiết kế với công suất cao, tốc độ chuyển động nhanh vì thế yêu cầu đặt ra với cơ cấu phanh cũng ngày càng cao và nghiêm ngặt hơn. Một ô tô có cơ cấu phanh tốt thì mới có khả năng phát huy hết công suất xe, mới có khả năng chạy ở tốc độ cao, tăng tính kinh tế, tính an toàn và hiệu quả vận chuyển một của ô tô. Trên thế giới cũng có nhiều diễn biến hết sức phức tạp số vụ tai nạn giao thông nên tính cấp thiết là phải nâng cao kĩ thuật cho phương thiện giao thông. Số vụ tai nạn xảy ra trong trường hợp cần dừng khẩn cấp tài xế đạp phanh mạnh đột ngột làm xe bị trượt bánh dẫn đến mất lái ngày càng tăng. Hệ thống phanh chống bó cứng ABS giúp khắc phục tình trạng này.

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

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN

ABS - ANTILOCK BRAKING SYSTEM

DESIGN USING CARSIM

Tp Hồ Chí Minh, tháng năm

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

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN

ABS - ANTILOCK BRAKING SYSTEM

DESIGN USING CARSIM

Tp Hồ Chí Minh, tháng 3 năm 2023

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

NAMĐộc lập – Tự do – Hạnh phúc

***

Tp Hồ Chí Minh, ngày 3 tháng 3 năm 2023

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Họ và tên sinh viên:

1 Tên đề tài:

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

3 Nội dung thực hiện đề tài:

4 Sản phẩm:

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên Sinh viên:

Ngành:Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô

Tên đề tài: ABS – Antilock Braking System Design Using Carsim

Họ và tên Giáo viên hướng dẫn:

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại: 6 Điểm (Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20…

Giáo viên hướng dẫn

(Ký & ghi rõ họ tên )

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên Sinh viên:

Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô

Tên đề tài: ABS – Antilock Braking System Design Using Carsim

Họ và tên Giáo viên phản biện:

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm:………….(Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20…

Giáo viên phản biện

(Ký & ghi rõ họ tên

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC i

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ vii

MỞ ĐẦU 9

1 Lý do chọn đề tài 9

1.1 Lý do chọn đề tài 9

1.2 Mục tiêu của đề tài 9

1.3 Tổng quan lý thuyết 9

1.4 Tính mới của đề tài 11

2 Giới hạn và phạm vi đề tài 11

3 Dự kiến kết quả 11

4 Kế hoạch thực hiện 12

NỘI DUNG 13

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHANH ABS 13

1.1 Tổng quan về hệ thống ABS 13

1.1.1 Giới thiệu 13

1.2 Cơ sở lý thuyết về hệ thống ABS 14

1.2.1 Đặc tính của ma sát 14

1.3 Hệ số trượt và hệ số bám (xét khi phanh) 15

1.4 Sự lệch hướng của ô tô khi phanh 18

1.5 Tác hại của trượt lết khi phanh 19

1.6 Nguyên lý hoạt động của hệ thống ABS 19

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRÊN Ô TÔ 24

2.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng 24

2.1.1 Phần mềm Matlab/Simulink 24

2.1.2 Phần mềm Carsim 25

2.2 Hệ thống điều khiển tự động trên ô tô 26

2.2.1 Hệ thống điều khiển vòng kín (Closed – Loop Control System) 26

2.2.2 Bộ điều khiển Bang Bang 27

2.2.3 Bộ điều khiển PID 27

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ABS 29

3.1 Mô phỏng hệ thống abs bằng matlab simulink 29

3.1.1 Điều khiển ABS bằng bộ điều khiển Bang-Bang 31

3.1.2 Điều khiển ABS bằng bộ điều khiển PID 31

3.2 Mô phỏng hệ thống ABA bằng Carsim 32

3.3 Đánh giá kết quả mô phỏng hệ thống ABS 36

3.4 Kết luận 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO 37

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ABS: Antilock Braking System

PID: Proportional-Integral-Derivative

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 0 Bảng kế hoạch thực hiện 12 Bảng 3-1 Hệ số KP , Kl và KD tối ưu của PID Controller trong hệ thống ABS 32

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ

Hình 1-2-1 Ma sát tĩnh và Ma sát động 14

Hình 1-3-1 Sơ đồ các lực tác dụng lên bánh xe khi phanh 15

Hình 1-3-2 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi hệ số bám dọc φxx và hệ số bám ngang φxy theo độ trượt tương đối δpp 17

Hình 1-4-1 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 18

Hình 1-6-1 Sơ đồ bố trí của hệ thống ABS trên ô tô 20

Hình 1-6-2 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi các thông số Mp, p và ε khi sử dụng ABS 21

Hình 1-6-3 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi tốc độ góc ωbb của bánh xe, tốc độ chuyển động của ô tô và độ trượt tương đối δpp khi sử dụng hệ thống ABS 22

Hình 2-1-1 Biểu tượng phần mềm MATLAB/Simulink 24

Hình 2-1-2 Biểu tượng phần mềm Carsim 26

Hình 2-2-1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vòng kín 26

Hình 2-2-2 Bộ điều khiển Bang Bang trong Simulink 27

Hình 2-2-3 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID 28

Hình 3-1-a Thiết lập hệ thống ABS trên Matlab/Simulink 29

Hình 3-1-b Sơ đồ bộ điều khiển hệ thống ABS 30

Hình 3-1-c Sơ đồ bộ chấp hành phanh 30

Hình 3-1-1 Bang – Bang Controller 31

Hình 3-1-2 PID Controller 32

Hình 3-2-1 Chọn loại xe trên carsim 33

Hình 3-2-2 Thiết lập thông số kỹ thuật cho xe 33

Hình 3-2-3 Thiết lập hệ thống ABS trên Carsim 34

Hình 3-2-4 Thiết lập áp suất phanh 34

Hình 3-2-5 Thiết lập điều kiện mô phỏng 35

Hình 3-2-6Thiết lập điều kiện mặt đường mô phỏng 35

Hình 3-2-7 Kết nối Simulink với Carsim 36

cơ cấu phanh cũng ngày càng cao và nghiêm ngặt hơn Một ô tô có cơ cấu phanh tốtthì mới có khả năng phát huy hết công suất xe, mới có khả năng chạy ở tốc độ cao,tăng tính kinh tế, tính an toàn và hiệu quả vận chuyển một của ô tô.

- Trên thế giới cũng có nhiều diễn biến hết sức phức tạp số vụ tai nạn giao thôngnên tính cấp thiết là phải nâng cao kĩ thuật cho phương thiện giao thông Số vụ tainạn xảy ra trong trường hợp cần dừng khẩn cấp tài xế đạp phanh mạnh đột ngột làm

xe bị trượt bánh dẫn đến mất lái ngày càng tăng Hệ thống phanh chống bó cứngABS giúp khắc phục tình trạng này

1.2 Mục tiêu của đề tài

- Tìm hiểu hệ thống phanh abs

- Tìm hiểu về matlab-simulink, carsim

- Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống phanh abs trên ô tô bằng matlab-simulink

- Thiết kế bộ điều khiển mô phỏng bằng carsim

- Mô phỏng hệ thống abs bằng carsim

1.3 Tổng quan lý thuyết

+ Nghiên cứu "A Study of the Characteristics of Anti-Lock Braking System (ABS)Braking Performance" của Jin-Hak Yi và Kyung-Seok Kim (1996) tập trung vàođánh giá hiệu suất phanh ABS bằng cách phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệusuất của hệ thống phanh

Các tác giả đã tiến hành mô phỏng và đánh giá các yếu tố tác động đến hiệu suấtcủa hệ thống phanh ABS như lực phanh, tốc độ xe, độ bám đường, hệ số ma sát củalốp và thiết kế của hệ thống phanh Kết quả cho thấy rằng hệ thống phanh ABS cóthể cải thiện khả năng kiểm soát xe trong trường hợp phanh khẩn cấp và tránh đượcsự trượt của bánh xe

Nghiên cứu này cũng đã chỉ ra rằng sự cân bằng giữa lực phanh và độ bám đường làyếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống phanh ABS Ngoài ra, thiếtkế của hệ thống phanh cũng cần được tối ưu hóa để đảm bảo tính an toàn và hiệusuất của hệ thống phanh

+ Nghiên cứu "Fault Detection and Isolation for Anti-lock Braking Systems" của

Yuxia Dong và Wen-Hua Chen (2010) tập trung vào phát hiện và phân lập các lỗicủa hệ thống phanh ABS Các tác giả đã phân tích các lỗi phổ biến trong hệ thốngphanh ABS, bao gồm các lỗi phát sinh từ cảm biến, mạch điện, và hệ thống điềukhiển Nghiên cứu này đã đề xuất một phương pháp phát hiện và phân lập lỗi dựatrên mô hình của hệ thống phanh ABS Phương pháp này sử dụng các giải thuậtđịnh tuyến và các kỹ thuật xử lý tín hiệu để phát hiện các lỗi và xác định nguyênnhân gây ra lỗi Ngoài ra, nghiên cứu cũng đề xuất một phương pháp điều chỉnhtham số để cải thiện độ chính xác của phương pháp phát hiện lỗi.

Kết quả của nghiên cứu cho thấy rằng phương pháp phát hiện và phân lập lỗi đềxuất có thể đạt được độ chính xác cao và có thể áp dụng cho các hệ thống phanhABS trong thực tế Nghiên cứu này cung cấp một cách tiếp cận mới cho việc giámsát và bảo trì các hệ thống phanh ABS

+ Nghiên cứu "Development of a Test Method for Evaluating the Reliability of anAnti-lock Braking System (ABS) Under Severe Winter Conditions" của S Kim vàđồng nghiệp (2014) tập trung vào đánh giá độ tin cậy của hệ thống phanh ABStrong điều kiện đường trơn trượt và khắc nghiệt trong mùa đông

Nghiên cứu này đã phát triển một phương pháp thử nghiệm mới để đánh giá độ tincậy của hệ thống phanh ABS dưới điều kiện đường trơn trượt và tuyết đóng dày.Phương pháp thử nghiệm bao gồm các yêu cầu đánh giá như hiệu suất phanh, độ ổnđịnh và độ bền của hệ thống phanh ABS

Kết quả của nghiên cứu cho thấy rằng phương pháp thử nghiệm mới này có thểđánh giá độ tin cậy của hệ thống phanh ABS trong điều kiện thực tế khắc nghiệt vàgiúp cải thiện hiệu quả của hệ thống phanh ABS Nghiên cứu này có ý nghĩa quantrọng trong việc phát triển các tiêu chuẩn đánh giá độ tin cậy của hệ thống phanhABS và cải thiện an toàn khi lái xe trong điều kiện mùa đông khắc nghiệt

+ Theo bài “NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ABS”của Nguyễn VănQuyền sinh viên Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật tp.hcm năm 2021 thì nghiêncứu tập trung vào đánh giá hiệu suất phanh ABS bằng cách phân tích các yếu tốảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống phanh như lực ma sát, hệ số trượt, hệ số bám,

độ lệch hướng , trượt lết …

Trong bài nghiên cứu tác giả đã tiến hành mô phỏng và đánh giá các yếu tố tácđộng đến hiệu suất của hệ thống phanh ABS như lực phanh, tốc độ xe, độ bámđường, hệ số ma sát của lốp và thiết kế của hệ thống phanh Từ đó tác giả rút rađược những kết quả về quảng đường phanh, tốc độ xe và bánh xe khi phanh và ápsuất khi phanh

Nghiên cứu này cũng đã chỉ ra rằng sự cân bằng giữa lực phanh và độ bám đường làyếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống phanh ABS Ngoài ra, thiếtkế của hệ thống phanh cũng cần được tối ưu hóa để đảm bảo tính an toàn và hiệusuất của hệ thống phanh

+ Qua 4 bài nghiên cứu thì nhóm chúng em quyết định nghiên cứu về lý thuyết cấutạo, cách thức hoạt động của phanh abs, và tập trung vào nghiên cứu, phân tích cácyếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống phanh như lực ma sát, hệ số trượt, hệ

số bám, độ lệch hướng , trượt lết … cuối cùng kết hợp các phương pháp mô hìnhhóa hệ thống và sử dụng 2 phần mềm hỗ trợ chính là matlab-simulink và carsim đểtiến hành mô phỏng và đưa ra kết quả từ đó rút ra được những đánh giá chính xác

về hệ thống abs

1.4 Tính mới của đề tài

- Nghiên cứu và mô phỏng theo điều kiện tiêu chuẩn làm việc ở nước ta để mangtính thị trường Việt Nam nhiều hơn nữa để nâng cao chất lượng cũng như tính tiệnlợi, an toàn cho người dùng

- Nghiên cứu sâu hơn nữa vào tính toán, các yếu tố ảnh hưởng đến lực phanh, cơcấu phanh trên các loại xe có sử dụng hệ thống ABS ở Việt Nam hiện nay

- Dựa trên cơ sở tính toán lý thuyết, sử dụng phần mềm Carsim, Matlab để môphỏng tính toán các thiết kế, đặt các tính toán đó vào môi trường vận hành môphỏng thực tế để kiểm tra kiểm nghiệm

- Giới thiệu được về matlab-simulink, casim, tổng quan hệ thống phanh abs

- Trình bày lịch sử và quá trình phát triển của hệ thống phanh abs trên xe ô tô

- Mô hình hóa và mô phỏng được hệ thống phanh abs trên ô tô bằng simulink

matlab Thiết kế bộ điều khiển mô phỏng bằng casim

- Đánh giá kết quả mô phỏng và các chế độ làm việc điển hình

Tuần5

Tuần6

Tuần7

Tuần8

Tuần9

Tuần10

Tuần11

Tuần12

NỘI DUNG CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHANH 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,lúc này xe bị trượt ngang Trong trường hợp xe phanh khi đang quay vòng, hiệntượng trượt ngang của các bánh xe dễ dẫn đến các hiện tượng quay vòng thiếu hoặcthừa, 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 trangbị hệ thống chống bó cứng phanh, còn được gọi là hệ thống ABS – Anti-lockBraking System Hệ thống này sẽ chống hiện tượng bị hãm cứng của bánh xe bằngcách điều khiển và thay đổi áp suất dầu tác dụng lên các cơ cấu phanh được đặt tạicác bánh xe để ngăn không cho chúng bị hãm cứng khi phanh trên đường trơn hoặckhi phanh đột ngột, đảm bảo hiệu quả phanh và tính ổn định chuyển động của ô tôkhi phanh

1.2 Cơ sở lý thuyết về hệ thống ABS

1.2.1 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 mặttiếp xúc

- 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 khikéo vật từ trạng thái đứng yên thì ma sát tĩnh lớn hơn ma sát động của vật đang ởtrạng thái chuyển 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

và mặt đường

Hình 1-2-1 Ma sát tĩnh và Ma sát động

- 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 thìbánh xe sẽ bị hãm cứng và trượt lết trên mặt đường, do ma sát động nhỏ hơn ma sáttĩnh nên khi bánh xe càng bị trượt nhiều sẽ khiến hiệu quả phanh giảm, gây mất ổnđịnh hướng lái 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

1.3 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 bằngthực nghiệm khi bánh xe đang chuyển động mà bị hãm cứng hoàn toàn, nghĩa làbánh xe bị trượt lết hoàn toàn

- Thực tế, hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường không chỉ phụ thuộc vào tìnhtrạng mặt đường mà còn phụ thuộc khá nhiều vào độ trượt tương đối giữa bánh xe

và mặt đường khi phanh

Hình 1-3-1 Sơ đồ các lực tác dụng lên bánh xe khi phanh

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

λ= v−ωb b r b

v (v > ωbb r b)

Trong 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 xe

Việc 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:

Như vậy, nếu giữ cho quá trình phanh luôn xảy ra ở độ trượt tương đối tối ưu λ p ,0

thì chúng ta sẽ đạt được lực phanh cực đại, nghĩa là hiệu quả phanh sẽ cao nhất vàđảm bảo ổn định tốt nhất khi phanh:

F p ,max=φxx ,max G b

Để độ trượt tương đối luôn nằm trong giới hạn hẹp quanh giá trị λ p ,0thì hệ thốngphanh thường được lắp đặt thêm hệ thống ABS, nhờ vậy sẽ đảm bảo hiệu quảphanh, tính ổn định, tính dẫn hướng khi phanh nhờ giá trị φx x ,max , φx y đạt giá trị cao

Từ đồ thị thấy rằng, nếu khi phanh mà các bánh xe bị bó cứng ngay từ đầu thì hiệuquả phanh, tính ổn định, tính dẫn hướng khi phanh sẽ giảm đột ngột do φx x giảm đi

một nửa và φx y 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 (ε)

- Theo giá trị độ trượt tương đối cho trước λ

- Theo giá trị của tỷ số giữa vận tốc góc của bánh xe và gia tốc góc chậm dầncủa 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 đườngthay đổi quanh giá trị λ p ,0 trong 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

Đường cong cho thấy lực bám dọc của bánh xe tăng nhanh khi độ trượt tương đốiHình 1-3-2 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi hệ số bám dọc φx x và hệ số bám ngang φx y

theo độ trượt tương đối λ p

tăng 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 sắpkhóa cứng để bắt đầu giảm áp suất phanh nhằm ngăn chặn các bánh xe không bịtrượt

1.4 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 chuyển

Hình 1-4-1 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 λ p tăng thì tính ổn định của ô tô giảm, khi đó chỉ cầnmột lực ngang nhỏ tác dụng lên ô tô sẽ khiến cho xe quay vòng Nghĩa là, γ tăngthì φx ygiảm và khi γ → ∞ thì φx y= 0

1.5 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 mặtđuờng sẽ làm xe dừng lại Khi phanh đột ngột, nếu các bánh xe bị bó cứng, lực quántính của xe khi đang chuyển động sẽ làm cho các bánh xe bị trượt lết trên mặtđường

- 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 quáđột ngột thì các bánh xe vẫn tiếp tục quay chậm dần trên mặt đường thì khi đó, masát giữa bánh xe và mặt đường là ma sát tĩnh Do ma sát tĩnh giữa bánh xe và mặtđường hãm bánh xe tốt hơn ma sát động giữa chúng nên khi trượt lết sẽ làm giảmhiệu 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 đĩa

phanh 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 sựmòn lốp, tăng tính trượt dọc và ảnh hưởng xấu đến tính ổn định ngang của ô tô.

1.6 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 λ p ,0trong giới hạn hẹp Các hệ thống ABS cóthể 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 λ p

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

Hình 1-6-1 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

Khi đạp phanh, áp suất trong dẫn động tăng lên, nghĩa là moment phanh M p

tăng lên làm tăng giá trị của gia tốc góc chậm dần của bánh xe và làm tăng độ trượttương đối của nó Sau khi vượt qua điểm cực đại trên đường cong φx x=f ( p) , giatốc góc chậm dần của bánh xe bắt đầu tăng đột ngột Điều này báo hiệu bánh xe cóHình 1-6-2 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi các thông số M p , p và ε khi sử dụng ABS

xu hướng bị hãm cứng Giai đoạn này của quá trình phanh khi sử dụng hệ thốngABS sẽ ứng với các đường cong 0 − 1 trên Hình 1.6.2-b Giai đoạn này được gọi làpha I (pha bắt đầu phanh 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 c1 trên Hình 1.6.2-c) và ra lệnh cho bộ chấp hành phanh phải giảm ápsuất trong dẫn động Sự giảm áp suất được bắt đầu với độ chậm trễ nhất định dođặc tính của hệ thống ABS Quá trình diễn biến từ điểm 1 − 2 được gọi là pha II(pha giảm sự phanh hoặc là pha giảm áp suất trong dẫn động phanh) Gia tốc góccủa bánh xe lúc này giảm dần và tại điểm 2, gia tốc tiến gần giá trị 0 Giá trị gia tốcgóc lúc này tương ứng với đoạn c2 trên Hình 1.6.2-c Sau khi ghi lại giá trị này, bộđiều khiển ra lệnh cho bộ chấp hành phanh ổn định áp suất trong dẫn động Lúcnày, bánh xe sẽ tăng tốc trong chuyển động tương đối và vận tốc góc của bánh xetiến gần tới vận tốc của ô tô, nghĩa là độ trượt tương đối sẽ giảm và như vậy hệ sốbám dọc φx x tăng lên (đoạn 2 − 3) Giai đoạn này được gọi là pha III (pha giữ ápsuất 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

số bám dọc φx x đạt cực đại Gia tốc góc chậm dần cực đại này được chọn làm thờiđiểm phát lệnh và nó tương ứng với đoạn c3 trên Hình 1.6.2-c Lúc này, bộ điềukhiển ghi lại giá trị gia tốc góc này và ra lệnh cho bộ chấp hành phanh tăng áp suấttrong dẫn động phanh Như vậy, sau điểm 3 lại bắt đầu pha I của chu kỳ làm việcmới của hệ thống ABS

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 6 a), lúc ấy bánh xe làm việc ở gần hệ số bám dọccực đại φx x ,maxvà hệ số bám ngang φx ycũng có giá trị cao Trong trường hợp bánh xebị hãm cứng, các thông số sẽ diễn biến theo đường đứt nét trên Hình 1.6.2-a.

Từ đó, ta thấy vận tốc góc ωb b 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 đổitheo thời gian có dạng hình răng cưa Hệ thống như vậy có hai pha, nó khác với sựlàm việc ở hệ thống được xét ở trên

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU

KHIỂN TỰ ĐỘNG TRÊN Ô TÔ 2.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng.

2.1.1 Phần mềm Matlab/Simulink.

Matlab là một phần mềm tính toán số được sử dụng rộng rãi trong các lĩnhvực liên quan đến kỹ thuật, khoa học và công nghệ Nó cho phép người dùngthực hiện các phép tính số học và toán học phức tạp, xử lý tín hiệu và hình ảnh,thực hiện phân tích thống kê và dữ liệu, tạo mô hình toán học, và phát triển cácứng dụng trực quan

Matlab cũng cung cấp một loạt các công cụ và tính năng để giúp người dùngthiết kế, kiểm tra và tối ưu hóa các hệ thống điều khiển, mô phỏng các quá trìnhvật lý và hóa học, và phân tích dữ liệu trực quan

Matlab được phát triển bởi MathWorks và được sử dụng rộng rãi trong cáclĩnh vực như kỹ thuật, khoa học, y tế, tài chính, và các ngành khác.Nó đượccung cấp với một số công cụ và tính năng đặc biệt, chẳng hạn như Simulink cho

mô phỏng hệ thống, và các công cụ để tương tác với các phần cứng như Arduino

Hình 1-6-3 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi vận tốc góc ωb b của bánh

xe, tốc độ chuyển động của ô tô và độ trượt tương đối λ p khi sử

dụng hệ thống ABS

và Raspberry Pi.

Simulink là một phần mềm mô hình hóa và mô phỏng được phát triển bởiMathWorks Nó là một phần mềm rất phổ biến được sử dụng trong các ứngdụng điện tử, điện-điện tử và lập trình điều khiển

Simulink cho phép người dùng tạo các mô hình hóa và mô phỏng động củacác hệ thống điều khiển bằng cách sử dụng các khối chức năng, thể hiện cácphương trình và biểu đồ Các khối được sử dụng để mô hình hóa các thành phầncủa hệ thống như bộ điều khiển, cảm biến, tín hiệu đầu vào, tín hiệu đầu ra vàcác phương tiện khác

Simulink cũng cho phép người dùng mô phỏng các hệ thống phức tạp vàđánh giá tính hiệu quả của các thuật toán điều khiển khác nhau Nó cung cấp cáccông cụ để phân tích tín hiệu, phân tích dữ liệu, tối ưu hóa và mô phỏng các hệthống

Hình 2-1-1 Biểu tượng phần mềm MATLAB/Simulink

2.1.2 Phần mềm Carsim.

CarSim là phần mềm được xây dựng và phát triển bởi công ty Mechanical Simulation 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 các phần mềm tính toán khác như TruckSim, BikeSim đã cung cấp cho hơn 30 nhà sản 15 xuất, 150 trường đại học và các nhóm nghiên cứu trên toàn thế giới CarSim mô phỏng các chuyển động của xe đua, xe khách, xe tải nhẹ và các loại xe tiện ích Được dùng để thiết 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, kiểm nghiệm 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 điều khiển trên xe trong một môi trường nhất định thông qua các chuyển động, lực và moment tác động lên quá trình tăng tốc, ổn

CARSim cung cấp các công cụ mô phỏng chi tiết cho hệ thống treo, hệ thống

phanh, động cơ và hộp số, giúp người dùng tùy chỉnh các thông số để phù hợp vớicác loại xe khác nhau Ngoài ra, phần mềm này còn cho phép người dùng thực hiệncác kịch bản lái xe khác nhau, bao gồm lái xe trên đường trường, lái xe trong thànhphố và các tình huống khẩn cấp với hơn 800 phương trình 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 phỏng hoặc 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 cũng như đã qua kiểm nghiệm thực tế chặt chẽ CarSim sử dụng chương trình VehicleSim Lisp để tổng hợp, phân tích các phương trình tính toán, cung cấp những phương trình phi tuyến chính xác để hỗ trợ các mô phỏng phức tạp, từ

đó giúp cho việc tính toán được 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 một cách thuận tiện

CARSim được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô và trong nghiêncứu động học xe hơi Các ứng dụng của phần mềm này bao gồm thiết kế xe hơi,đánh giá hiệu suất và an toàn của các loại xe khác nhau, và nghiên cứu các chiếnlược điều khiển xe tối ưu

Hình 2-1-2 Biểu tượng phần mềm Carsim

2.2 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 thống được gọi là giá trị đặt trước Khi một hoặc nhiều biến đầu ra của

hệ thống cần tuân theo 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 thố

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

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

dữ liệu đó về một máy tính để điều chỉnh một cách liên tục tín hiệu điều khiển đầuvào khi cần thiết để giữ cho sai số điều khiển trong mức độ tối thiểu Tín hiệu phảnhồi về hệ thống cho phép bộ điều khiển bù một cách linh động cho những thay đổi

trong hệ thống Một hệ thống điều khiển phản hồi lý tưởng loại bỏ tất cả những sai

số, có tác dụng giảm thiểu tác động của bất kỳ lực nào có thể hoặc không thể phátsinh trong suốt quá trình làm việc và tạo ra một phản ứng trong hệ thống mà phùhợp hoàn hảo với mong muốn của người dùng Trong thực tế, điều này không thểthực hiện được do sai số đo lường trong các cảm biến, độ trễ trong các bộ điềukhiển, và sự không hoàn hảo trong điều

Hình 2-2-1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vòng kín

Đối tượng nghiên cứu của đề tài hệ thống ABS là các hệ thống điều 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 vận tốc 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

2.2.2 Bộ điều khiển Bang Bang.

Bộ điều khiển bang bang là một loại bộ điều khiển đơn giản trong các hệ thốngđiều khiển Nó được gọi là "bang-bang" vì bộ điều khiển này chỉ có hai trạng tháiđầu ra có thể: bật hoặc tắt Bộ điều khiển này thường được sử dụng để điều khiểncác hệ thống nhị phân (có hai trạng thái khác nhau)

Bộ điều khiển bang-bang hoạt động bằng cách so sánh giá trị đầu vào của hệthống với một ngưỡng hoặc giá trị đặc biệt Nếu giá trị đầu vào lớn hơn ngưỡng, thì

bộ điều khiển sẽ bật đầu ra của nó Ngược lại, nếu giá trị đầu vào nhỏ hơn ngưỡng,

bộ điều khiển sẽ tắt đầu ra của nó Điều này tạo ra một tín hiệu đầu ra nhị phân,trong đó hệ thống chỉ có thể ở trạng thái bật hoặc tắt

Hình 2-2-2 Bộ điều khiển Bang Bang trong Simulink

2.2.3 Bộ điều khiển PID.