Ứng dụng matlab simulink và carsim mô phỏng hệ thống TCS trên xe toyota vios 2019

PHẦN MỞ ĐẦUVới sự tăng trưởng đến chóng mặt của nền kinh tế và bùng nổ dân số ở nước ta đã làm cho quá trình cơ giới hóa diễn ra nhanh chóng, đặc biệt về sở hữu phương tiện cá nhân khi xe máy chiếm 73% số phương tiện, 5% là số phương tiện công cộng và ô tô chiếm 10%. Theo nhu cầu kinh tế như hiện nay thì số phương tiện xe máy sẽ ngày càng chuyển sang phương tiện ô tô thì nhu cầu lớn về chế tạo ô tô xe ngày càng cần thiết. Để đáp ứng nhu cầu đó, nước ta nên phải đảm bảo xuất ra số lượng ô tô và chất lượng đúng kiểm định theo tiêu chuẩn nhưng hiện nay ngành ô tô của nước ta chủ yếu mang tính chất kiểm nghiệm và sửa chữa rất phụ thuộc vào các thiết bị như băng thử, trạm đăng kiểm nên dẫn đến mất nhiều chi phí tiền của. Để thuận tiện cho việc tính toán kiểm định được nhanh chóng và hiệu quả thì chúng ta phải cần sự giúp đỡ của máy tính thông qua phần mềm chuyên nghiệp và CarSim là một phần mềm đáp ứng đầy đủ các nhu cầu đó, và phần mềm cho chúng ta can thiệp sâu hơn vào bài toán thiết kế để phù hợp hơn khi đưa ra thực tế và đem lại hiệu quả nhanh chóng và chính xác.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - ĐỀ TÀI BÁO CÁO ỨNG DỤNG MATLAB / SIMULINK VÀ CARSIM MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TCS TRÊN TOYOTA VIOS 2019 Tp Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2022 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ABS: Anti-lock Brake System ESC: Electronic stability control TCS: Traction Control System ECU: Electronic Control Unit EBD: Electronic Brakeforce Distribution EBTCM: Electric brake and Traction control module ASM: Anti-slip module SRS: Supplemental Restraint System BSM: Blind Spot Monitor DAA: Driver Attention Alert DSC: Dynamic Stability Control LAS: Lane keep Assist System DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Đồ thị đặc tinh trượt 10 Hình 1.2: Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số bám 11 Hình 1.3: Sự phụ thuộc bán kính lăn rl vào momen (hoặc lực) tác dụng lên bánh xe 12 Hình 1.4: Đồ thị đặc tính trượt loại đường lực kéo phanh 13 Hình 1.5: Đồ thị đặc tinh trượt với loại đường khác 15 Hình 1.6 :ABS kiểm sốt độ ổn định xe phanh hãm cứng .17 Hình 1.7: Sơ đồ bố trí phận hệ thống phanh ABS xe 17 Hình 1.8: Biểu tượng đèn báo ESC 19 Hình 1.9: Khảo sát động học quay vịng tơ 20 Hình 1.10: Hoạt động ESC ảnh hưởng đến góc đánh lái xe 23 Hình 1.11: Tỉ lệ hoạt động TCS 26 Hình 1.12: Hoạt động TCS 26 Hình 1.13: Sơ đồ làm việc TCS phanh bình thường 28 Hình 1.14: Sơ đồ làm việc TCS tăng tốc chế độ tăng áp 29 Hình 1.15: Sơ đồ làm việc TCS tăng tốc chế độ giữ áp 30 Hình 1.16: Sơ đồ làm việc TCS tăng tốc chế độ giảm áp 31 Hình 1.17: Sơ đồ làm việc TCS loại khơng có bình tích (LS400) .32 Hình 1.18: Sơ đồ tổng quát hệ thống TCS 33 Hình 1.19: Cách bố trí hệ thống TCS xe .34 Hình 1.20: Bố trí thực hệ thống TCS xe .34 Hình 1.21: Hoạt động TCS đường băng .35 Hình 2.1: Mơ hình hệ thống TCS .39 Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống TCS 40 Hình 2.3: Sơ đồ điều khiển qua PID Controller 40 Hình 2.4: Các tín hiệu đầu vào điều khiển PID 41 Hình 2.5: Các tín hiệu đầu điều khiển PID 41 Hình 2.6: Thơng số đối tượng điều khiển 41 Hình 2.7 Sơ đồ khối Slip Ratio Caculator 42 Hình 2.8: Sơ đồ khối Controller 42 Hình 2.9: Sơ đồ điều khiển PID 43 Hình 2.10: Khối Speed Limit .44 Hình 2.11: Sơ đồ khối Brake Actuator .44 Hình 2.12: Chế độ làm việc .45 Hình 2.13: Chế độ mở hết bướm ga 10s chạy hết bướm ga thêm 5s 46 Hình 2.14: Loại đường cần xác lập 46 Hình 2.16: Đồ thị tỷ số trượt 47 Hình 2.17: Đồ thị vận tốc 47 Hình 2.18: Đồ thị áp suất phanh bánh xe 48 Hình 2.19 Đồ thị gia tốc .49 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Làm việc TCS phanh bình thường 28 Bảng 1.2: Làm việc TCS khi tăng tốc chế độ tăng áp 29 Bảng 1.3: Làm việc TCS giữ áp 30 Bảng 1.4: Làm việc TCS tăng tốc chế độ giảm áp 31 Bảng 1.5: Làm việc TCS loại khơng có bình tích (LS400) 33 PHẦN MỞ ĐẦU Với tăng trưởng đến chóng mặt kinh tế bùng nổ dân số nước ta làm cho q trình giới hóa diễn nhanh chóng, đặc biệt sở hữu phương tiện cá nhân xe máy chiếm 73% số phương tiện, 5% số phương tiện công cộng ô tô chiếm 10% Theo nhu cầu kinh tế số phương tiện xe máy ngày chuyển sang phương tiện ô tô nhu cầu lớn chế tạo ô tô xe ngày cần thiết Để đáp ứng nhu cầu đó, nước ta nên phải đảm bảo xuất số lượng ô tô chất lượng kiểm định theo tiêu chuẩn ngành ô tô nước ta chủ yếu mang tính chất kiểm nghiệm sửa chữa phụ thuộc vào thiết bị băng thử, trạm đăng kiểm nên dẫn đến nhiều chi phí tiền Để thuận tiện cho việc tính tốn kiểm định nhanh chóng hiệu phải cần giúp đỡ máy tính thông qua phần mềm chuyên nghiệp CarSim phần mềm đáp ứng đầy đủ nhu cầu đó, phần mềm cho can thiệp sâu vào toán thiết kế để phù hợp đưa thực tế đem lại hiệu nhanh chóng xác CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Đặt vấn đề Tai nạn giao thông ln vấn đề nóng hậu khơng liên quan trực tiếp đến người có liên quan đến vụ tai nạn mà gây thiệt hại kinh tế tinh thần nhiều hệ lụy khác cho gia đình xã hội Thực tế cho thấy tai nạn giao thông trở thành vấn đề vô nhức nhối không riêng Việt Nam mà khu vực giới Chính bối cảnh phương tiện gia tăng nhanh chóng đặc biệt xe ô tô Việc ứng dụng công nghệ đại nhằm giám sát hiệu đảm bảo tính an toàn cho xe giải pháp quan trọng quan quản lí người sử dụng phương tiện đặc biệt quan tâm Tổ chức y tế giới WHO cho biết năm tỉ lệ tử vong giao thơng tồn cầu ước tính cướp mạng sống cửa 1,35 triệu người khiến 50 triệu người khác bị thương Trước vấn nạn bên cạnh giải pháp sách gia tăng mức độ xử phạt vi phạm luật giao thông, cải thiện sở hạ tầng Hiện đa số đơn vị sản xuất xe chủ động đưa vào hệ thống đảm bảo khả an toàn cho xe hệ thống chống bó cứng phanh (ABS), hệ thống cân điện tử (ESC) cuối hệ thống chống trượt trơn hay kiểm soát lực kéo (TCS) Ở phân tích hệ thống kiểm sốt lực kéo TCS thơng qua phần mềm mơ Carsim thấy tính ứng dụng hệ thống 1.2 Hệ thống kiểm soát lực kéo TCS 1.2.1 Cơ sở tạo nên TCS Lực bám đường Trước tìm hiểu hệ thống chống trượt TCS, phải hiểu rõ khái niệm quan trọng liên quan đến độ an toàn xe, lực bám đường Lực bám đường hiểu lực bám sinh bề mặt tiếp xúc mặt đường bánh xe Gồm có lực bám tác động lên lực bám dọc ( lực bám giúp xe di chuyển phía trước giảm tốc độ phanh), lực bám ngang tạo ổn định xe chuyển động Nếu xét khả bám theo chiều dọc ( bánh xe có phản lực dọc: lực kéo lực phanh), hệ số bám gọi hệ số bám dọc định nghĩa sau: Với: : Lực kéo tiếp tuyến cực đại bánh xe với mặt đường Gb: Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe (được gọi trọng lượng bám) Nếu xét khả bám theo chiều ngang ( bánh xe có phản lực ngang Yb ), hệ số bám gọi hệ số bám ngang định nghĩa sau: Ở đây: – phản lực ngang cực đại mặt đường tác dụng lên bánh xe Và lực bám cịn có quan hệ mật thiết với trượt thông qua đồ thị đặc tính trượt Hình 1.1: Đồ thị đặc tinh trượt Yếu tố ảnh hưởng đến lực bám: Không có trọng lượng, khơng có lực bám: Nếu bánh trước nhấc lên, khơng cịn lực bám bánh mặt đường Để khắc phục điều này, hệ thống treo đóng vai trị quan trọng, bên cạnh vai trị mang lại êm dịu cịn giúp bánh ln tiếp xúc với mặt đường Một xe tốt không “bốc đầu” tăng tốc đột ngột hay “nhấc đuôi” phanh gấp dù điều dưởng làm nhiều người thích thú Nguyên nhân thứ hai bánh bị trượt tăng tốc hay đạp phanh đột ngột Khơng lần phim hành động có cảnh xe tăng tốc, bánh quay tròn bốc khói, sau vài khoảng thời gian xe di chuyển Nguyên nhân độ trượt bánh lớn Yếu tố quan trọng thứ ba mặt đường Đường trơn làm giảm lực, phải lái xe đường bùn, đường có cát, lực bám dọc giảm khiến cho xe tăng tốc Cuối tình trạng lốp Áp suất lốp thấp hay cao làm giảm khả bám bánh Hãy trì áp suất lốp theo khuyến cáo nhà sản xuất Lốp bị mòn nguyên nhân làm giảm lực bám, rõ ràng lốp có khả bám đường tốt lốp bị mòn Khi lăn mặt đường, phần rãnh hoa lốp vị trí lốp biến dạng nơi khí, nước giúp cho ln tiếp xúc trực tiếp với mặt đường Xây dựng nghiên cứu mơ hình hố để mơ phỏng, tính tốn thử nghiệm Phân tích điều kiện định môi trường ảnh hưởng vật lí lên xe từ đưa tính tốn phù hợp Các mơ hình tốn học VehicleSim (VS) xây dựng bao gồm số biến đưa giá trị với phương trình khơng tồn mơ hình xây dựng Chúng bao gồm lực tác dụng, thời điểm, điều khiển, đặc tính mặt đường Chúng ta nhập giá trị thông qua môi trường mô khác Matlab, Simulink sử dụng trực tiếp hình để đưa thông số vào biến số nhập để chúng kết hợp với biến có sẵn mơ hình tốn học từ đưa mô Lưu ý: Để chỉnh sửa thông số mà muốn thay đổi phải sử dụng lệnh Duplicate để tạo để chỉnh sửa nhằm không gây liệu gốc có sẵn CarSim 1.4 Giới thiệu xe Toyota Vios 2019 Thơng số kỹ thuật: Kích thước Thơng số Toyota Vios 2019 Kích thước tổng thể D x R x C (mm) 4.425 x 1.730 x 1.475 Kích thước tổng thể bên D x R x C (mm) 1.895 x 1.420 x 1.205 Chiều dài sở (mm) 2.550 35 Chiều rộng sở trước/sau (mm) 1.475 / 1.460 Khoảng sáng gầm xe (mm) 133 Bán kính vịng quay tối thiểu (mm) 5,1 1.110 - G CVT/ 1.105 E CVT/ 1.075 E MT Khối lượng không tải (kg) Khối lượng tồn tải (kg) 1.550 Dung tích khoang hàng lý (lít) 506 Dung tích bình chứa nhiên liệu (lít) 42 Thông số kỹ thuật: Khung gầm Thông số 1.5G CVT 1.5E CVT Hệ thống treo trước Độc lập MacPherson Hệ thống treo sau Dầm xoắn 1.5E MT Hệ thống phanh trước Đĩa thơng gió Đĩa thơng gió Hệ thống phanh sau Đĩa đặc Tang trống Lốp xe 185/60R15 Mâm xe Mâm đúc Lốp dự phóng Mâm đúc 36 CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TCS 2.1 Xây dựng mơ hình Hình 2.22: Mơ hình hệ thống TCS Ngun lý hoạt động: Điều khiển momen xoắn động cơ: ECU TCS liên tục nhận cảm biến tốc độ bánh xe liên tục tính tốc độ bánh xe Cùng lúc ước lượng tốc độ xe sở tốc độ bánh bị động đặt tốc độ điều khiển tiêu chuẩn Đối với can thiệp thông qua đơn vị điều khiển động cơ, TCS xác định mô-men xoắn thực tế động để tính tốn mô-men xoắn lý thuyết động Điều chuyển đến đơn vị điều khiển động bướm ga phụ, hệ thống phun xăng đánh lửa, hộp số… Điều khiển trình phanh: Khi nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ bánh xe ECU ABS tính tốn đưa tín hiệu tới chấp hành phanh có độ trượt Khi chấp hành phanh tăng giảm áp suất dầu phanh để phanh bánh xe cho xe hoạt động ổn định Qua ba chế độ tăng áp, giảm áp, giữ áp 37 Hình 2.23: Sơ đồ hệ thống TCS 2.2 Mô hệ thống TCS Simulink / Carsim Mô hệ thống sử dụng điều khiển PID 2.2.1 Điều khiển hệ thống TCS qua Simulink Hình 2.24: Sơ đồ điều khiển qua PID Controller *Khối Process: 38 Đầu vào: Hình 2.25: Các tín hiệu đầu vào điều khiển PID Đầu ra: Hình 2.26: Các tín hiệu đầu điều khiển PID Đối tượng điều khiển: Toyota Vios 2019 Hình 2.27: Thơng số đối tượng điều khiển 39 * Khối Relative slip: Tính tốn tỷ số trượt quay xe: -Vo: tốc độ bánh xe -V: tốc độ thực tế xe Theo cơng thức ta có sơ đồ khối Simulink hình 2.16 Hình 2.28 Sơ đồ khối Slip Ratio Caculator *Bộ controller: Hình 2.29: Sơ đồ khối Controller 40 - Từ tỷ số trượt thực tế ta tính qua khối Relative Slip, ta trừ tỷ số trượt mong muốn 0.15 ta chênh lệch tỷ số trượt - Theo sơ đồ đặc tính trượt hình 1.15 ta có tỷ số trượt nằm khoảng từ 0.1 đến 0.3 xe đảm bảo hiệu suất tốt di chuyển loại đường có hệ số bám thấp Vậy nên nhóm có chọn tỷ số trượt mong muốn 0.15 để xe hoạt động ổn định - Sau qua khối saturation để giới hạn sai lệch khoản từ đến 0.05 - Tiếp theo qua điều khiển PID: Hình 2.30: Sơ đồ điều khiển PID + Với hai bánh trước:  Bánh trước bên trái: Kp = 50, Ki = 3, Kd = 0.38  Bánh trước bên phải: Kp = 60, Ki = 1.75, Kd = 0.12 + Với hai bánh sau: 41 Các hệ số bánh sau giống nhau, với Kp = 10, Ki =1, Kd = 0.3, khối Gain Đây thông số chọn lọc qua nhiều lần thử nghiệm Và tín hiệu đầu PID ta nhân cho hệ số để cải thiện tín hiệu từ điều khiển - Tín hiệu từ điều khiển PID qua khối Saturation để giới hạn tín hiệu từ đến để điều khiển hệ thống phanh xe - Khối Speed limit: Nếu vận tốc xe 1.5 km/h hệ thống cho tín hiệu đầu hệ thống TCS khơng hoạt động Hình 2.31: Khối Speed Limit *Brake Actuator: Hình 2.32: Sơ đồ khối Brake Actuator Sau nhận tín hiệu điều khiển từ controller, khối thực thi nhân tín hiệu điều khiển từ bánh xe tương ứng với tỷ lệ moment phanh bánh xe áp suất xylanh Tiếp theo qua khối Transfer Fcn để chuyển đổi 42 điều khiển áp suất phanh đến bánh xe.Khối Transfer Fcn thể độ trễ hệ thống thuỷ lực phanh độ trễ khí Selenoid hệ thống phanh 2.2.2 Thực mô hệ thống TCS Carsim Thiết lập chế độ làm việc cho xe: Hình 2.33: Chế độ làm việc *Chú thích: Vận tốc xe lúc bắt đầu mô : 10 Km/h Mở hết bướm ga vòng 10s Áp suất phanh xylanh là: 10 MPa Loại đường mơ 43 Hình 2.34: Chế độ mở hết bướm ga 10s chạy hết bướm ga thêm 5s Thiết lập loại đường xe cần mơ phỏng: Ở nhóm thực chọn đường có chia với độ bám bên khác để thể rõ đặc tính xe chọn đường cong có bán kính lớn để xe thể đặc tính cân Hình 2.35: Loại đường cần xác lập 44 2.3 Kết thu 2.3.1 Đồ thị tỷ số trượt bánh xe trình tăng tốc Hình 2.36: Đồ thị tỷ số trượt Nhận xét: Vì xe TOYOTA VIOS 2019 có cầu chủ động phía trước nên nhìn vào đồ thị thấy hai đường đặc tính tỷ số trượt hai bánh trước giao động lên xuống nhiều Với điều khiển PID đường đặc tính bốn bánh xe bám sát vào hệ số trượt mong muốn khoảng đến 0.15 Trong đường đặc tính hai bánh trước giao động sát 0.15 hai bánh trước vào đường có hệ số bám khác cầu chủ động xe 45 2.3.2 Đồ thị vận tốc bánh xe trình tăng tốc Hình 2.37: Đồ thị vận tốc Nhận xét: Nhờ điều khiển TCS mà vào đường có hai hệ số bám khác nhau, vận tốc bánh xe vận tốc xe bám sát nhau, đồng thời khơng xảy tượng trượt trơn Vì vậy, q trình vào đường trơn giúp xe ln giữ ổn định 2.3.3 Đồ thị áp suất phanh bánh xe Hình 2.38: Đồ thị áp suất phanh bánh xe Nhận xét: Đối với xe có TCS đường thẳng, hệ thống TCS can thiệp bắt đầu tăng (hoặc giảm) áp suất phanh đến bánh xe bị trượt (các bánh xe cầu 46 chủ động) nhằm giảm tốc độ bánh xe, tăng lực kéo bánh xe chủ động tác dụng lên mặt đường 2.3.4 Đồ thị so sánh gia tốc hai xe Hình 2.39 Đồ thị gia tốc Nhận xét: Trong khoảng thời gian ( 0;1.15s) hai xe chuyển với gia tốc giống Bắt đầu từ giây 1.15s xe khơng có TCS xảy tượng trượt trơn khiến cho gia tốc xe ổn định khơng thể tăng qua 0.12 Km/h2 , cịn với xe có TCS gia tốc ổn định tăng lên đến 0.175 Km/h2 Vì vậy, xe có điều khiển TCS tăng tốc nhanh 47 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN  Kết luận Phần mềm Carsim cơng cụ hữu ích, hiệu việc hỗ trợ cho việc học tập nghiên cứu Qua đề tài “MƠ PHỎNG HỆ THỐNG TCS TRÊN CARSIM”, nhóm thực phần hiểu rõ Carsim, cách sử dụng để mơ động hay hệ thống tơ Với nghiên cứu nhóm qua việc phân tích video đồ thị đặc tính hệ thống TCS, nhóm thực có nhìn tổng quan hệ thống này, hệ thống động đầy đủ mang lại ổn định, tính động cần thiết cho xe khía cạnh khác việc xây dựng dựa phần cứng sẵn có hệ thống ổn định lớn ABS ESC TCS lại tỏ ưu điểm không cạnh giải vấn đề làm khó khăn, gây ổn định cho xe mà hai hệ thống chưa giải Nhưng ưu điểm mà TCS lại phải sử dụng cơng tắc an tồn thay hệ thống an toàn lắp đặt sẵn cố định xe số trường hợp hi hữu Mặt khác TCS, ESC ABS thường gọi chung với ba hộ mệnh xe giúp giữ an toàn cho xe điều kiện đường khơng tốt, giảm thiểu tính ổn định lái, tạo cảm giác an toàn cho người lái xe  Hướng phát triển Trong đề tài này, nhóm thực mơ số thơng số điều kiện có sẵn, nên kết thu có tính sai số Bên cạnh có hạn chế kiến thức sử dụng phần mềm Carsim nên khơng thể tìm phân tích số đặc tính quan trọng khác hệ thống TCS TCS có can thiệp đến góc mở bướm ga xe tăng tốc để giảm độ trượt, nhiên biểu đồ Carsim để làm rõ vấn đề Trong tương lai, nhóm thực tìm cách khắc phục điểm hạn chế để đề tài hoàn thiện hơn, đồng thời can thiệp thay đổi số thuộc tính xe phù hợp với điều kiện đường xá, môi trường Việt Nam, giúp hệ thống TCS hoạt động hiệu 48 Tài liệu tham khảo [1] File hướng dẫn (pdf) sử dụng phần mềm carsim: Mechanical Simulation (CarSim Quick Start Guide) [2]: Đặng Q Giáo trình Ơ tơ 1, Tp HCM.: ĐH Sư phạm Kỹ thuật, 2010 [3]: https://oto.com.vn/thong-so-ky-thuat/toyota-vios-2019-thehe-moi-vua-mo-ban-tai-viet-nam-articleid-55uwk74 [4]: Konrad Reif Ed, Brakes, Brake Control and Driver Assistance Systems Konrad Reif Ed Function, Regulation and Components [5]: Bentley_Publishers, Bosch_Automotive_Handbook(b-ok.org) [6]: Automatic Control Systems-B.C.Kuo [7]: Automotive control systems 2012 49 ... Mercedes-Benz vào năm 1995 Hệ thống hoạt động dựa tích hợp liên kết hệ thống phanh chống bó cứng ABS, hệ thống kiểm soát lực kéo TCS Nếu hệ thống ABS hệ thống điều khiển lực kéo TCS hệ thống giúp... Sơ đồ tổng quát hệ thống TCS 31 Hình 1.19: Cách bố trí hệ thống TCS xe Hình 1.20: Bố trí thực hệ thống TCS xe Vai trò hệ thống TCS: Khi xe tăng tốc thường hay xảy tượng bánh xe ma sát với mặt... xe cho xe hoạt động ổn định Qua ba chế độ tăng áp, giảm áp, giữ áp 37 Hình 2.23: Sơ đồ hệ thống TCS 2.2 Mô hệ thống TCS Simulink / Carsim Mô hệ thống sử dụng điều khiển PID 2.2.1 Điều khiển hệ