Hcmute nghiên cứu và mô phỏng hệ thống abs tcs sử dụng phần mềm carsim

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ABS/TCS SỬ DỤNG PHẦN MỀM CARSIM S K C 0 9 MÃ SỐ: SV2021-01 S KC 0 7 Tp Hồ Chí Minh, tháng 06/2021 Luan van 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 Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 179450A, khoa Cơ khí động lực Năm thứ: 4/Số năm đào tạo: 4.5 Ngành học: Công nghệ kỹ thuật ô tô Người hướng dẫn : TS Huỳnh Phước Sơn TP Hồ Chí Minh, 06-2021 Luan van MỤC LỤC MỤC LỤC .3 DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 10 PHẦN MỞ ĐẦU 12 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài : 12 Lý chọn đề tài : 12 Mục tiêu đề tài: 13 Phương pháp nghiên cứu: 13 Đối tượng nghiên cứu: 13 PHẦN NỘI DUNG 14 Chương GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRÊN Ô TÔ .14 1.1 Giới thiệu phần mềm mô 14 1.1.1 Phần mềm MATLAB/Simulink 14 1.1.2 Phần mềm Carsim 14 1.2 Hệ thống điều khiển tự động ô tô 15 1.2.1 Hệ thống điều khiển vịng kín (Closed – Loop Control System) 16 1.2.2 Bộ điều khiển Bang-Bang .17 1.2.3 Bộ điều khiển PID 17 Chương HỆ THỐNG PHANH CHỐNG BÓ CỨNG 19 2.1 Tổng quan hệ thống ABS 19 2.1.1 Giới thiệu 19 2.1.2 Lịch sử phát triển 19 2.2 Cơ sở lý thuyết hệ thống ABS 20 2.2.1 Đặc tính ma sát 20 2.2.2 Hệ số trượt hệ số bám (xét phanh) 21 2.2.3 Sự lệch hướng ô tô phanh 24 2.2.4 Tác hại trượt lết phanh .25 2.3 Nguyên lý hoạt động hệ thống ABS 25 Luan van 2.4 Mô hệ thống ABS 28 2.4.1 Thiết lập điều kiện mô Carsim .28 2.4.2 Thiết lập hệ thống ABS Simulink 31 2.5 Đánh giá kết mô hệ thống ABS 35 2.5.1 Quãng đường phanh 36 2.5.2 Tốc độ xe bánh xe 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 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 hệ thống TCS 43 3.3.1 Khi phanh bình thường (TCS khơng hoạt động) 43 3.2.2 Khi tăng tốc (TCS hoạt động) 44 3.4 Mô hệ thống TCS Carsim 48 3.4.1 Thiết lập điều kiện mô 48 3.4.2 Thiết lập hệ thống TCS Simulink 50 3.5 Đánh giá kết mô hệ thống TCS 53 3.5.1 Quãng đường tăng tốc .54 3.5.2 Tốc độ xe bánh xe trình tăng tốc .55 3.5.3 Áp suất phanh xy lanh bánh xe 56 3.6 Kết luận: 57 PHẦN KẾT LUẬN .58 Kết luận 58 Hướng phát triển đề tài 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 PHỤ LỤC 60 Luan van 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 vịng kín .16 Hình 1.4 Bộ điều khiển Bang Bang Simulink 17 Hình 1.5 Sơ đồ khối điều khiển PID .18 Hình 1.6 Phương pháp điều chỉnh thủ cơng 18 Hình 2.1 Lịch sử phát triển hệ thống ABS 20 Hình 2.2 Ma sát tĩnh ma sát động 21 Hình 2.3 Sơ đồ lực tác dụng lên bánh xe phanh 22 Hình 2.4 Đồ thị biểu diễn thay đổi hệ số bám dọc φx hệ số bám ngang φy theo độ trượt tương đối δp .23 Hình 2.5 Sơ đồ lực moment tác dụng lên ô tô phanh mà có tượng quay xe lực phanh phân bố không 24 Hình 2.6 Sơ đồ bố trí hệ thống ABS ô tô .26 Hình 2.7 Đồ thị biểu diễn thay đổi thông số Mp , p ε sử dụng ABS .27 Hình 2.8 Đồ thị biểu diễn thay đổi tốc độ góc ωb bánh xe, tốc độ chuyển động ô tô độ trượt tương đối δp sử dụng hệ thống ABS 28 Hình 2.9 Thiết lập hệ thống ABS Carsim 28 Hình 2.10 Thơng số kỹ thuật xe 29 Hình 2.11 Thiết lập áp suất phanh 29 Hình 2.12 Thiết lập điều kiện mô 30 Hình 2.13 Thiết lập điều kiện mặt đường mô 30 Hình 2.14 Thiết lập hệ thống ABS Simulink 31 Hình 2.15 Sơ đồ điều khiển hệ thống ABS 32 Hình 2.16 Sơ đồ 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 mơ hệ thống ABS .35 Hình 2.21 Đồ thị thể quãng đường phanh 36 Hình 2.22 Đồ thị thể tốc độ xe bánh xe khơng có ABS 36 Luan van Hình 2.23 Đồ thị thể tốc độ xe bánh xe có ABS sử dụng điều khiển BangBang .37 Hình 2.24 Đồ thị thể tốc độ xe bánh xe có ABS sử dụng điều khiển PID 37 Hình 2.25 Đồ thị thể áp suất phanh xe khơng có ABS 38 Hình 2.26 Đồ thị thể áp suất phanh bánh xe xe có ABS sử dụng điều khiển Bang-Bang 38 Hình 2.27 Đồ thị thể áp suất phanh bánh xe xe có ABS sử dụng điều khiển PID .39 Hình 3.1 Mercedes-Benz W126 S–Class 41 Hình 3.2 Sơ đồ lực tác dụng lên bánh xe tăng tốc 42 Hình 3.3 Sự thay đổi hệ số bám dọc φx hệ số bám ngang φy theo độ trượt tương đối  bánh xe tăng tốc 43 Hình 3.4 Sơ đồ hoạt động hệ thống TCS phanh bình thường 44 Hình 3.5 Sơ đồ hoạt động hệ thống TCS tăng tốc chế độ tăng áp 45 Hình 3.6 Sơ đồ hoạt động hệ thống TCS tăng tốc chế độ giữ áp 46 Hình 3.7 Sơ đồ hoạt động hệ thống TCS tăng tốc chế độ giảm áp 47 Hình 3.8 Giao diện mô hệ thống TCS Carsim 48 Hình 3.9 Thiết lập điều kiện xe mô 48 Hình 3.10 Thiết lập điều kiện xe mô 49 Hình 3.11 Thiết lập điều kiện mặt đường mơ 49 Hình 3.12 Thiết lập điều kiện mặt đường 50 Hình 3.13 Mơ hệ thống TCS Simulink 50 Hình 3.14 Thiết lập độ mở bướm ga 51 Hình 3.15 Bộ điều khiển hệ thống TCS 52 Hình 3.16 Bộ chấp hành phanh 52 Hình 3.17 TCS điểu khiển điều khiển Bang-Bang 53 Hình 3.18 Kết mơ hệ thống TCS 54 Hình 3.19 Đồ thị thể quãng đường tăng tốc 54 Hình 3.20 Đồ thị thể tốc độ xe bánh xe xe khơng sử dụng TCS 55 Hình 3.21 Đồ thị thể tốc độ xe bánh xe xe có TCS sử dụng điều khiển Bang-Bang .55 Hình 3.22 Đồ thị thể tốc độ xe xe có TCS xe khơng có TCS 56 Luan van Hình 3.23 Đồ thị thể áp suất phanh bánh xe xe khơng có TCS 56 Hình 3.24 Đồ thị thể áp suất phanh bánh xe xe có TCS sử dụng điều khiển Bang-Bang 57 Luan van DANH MỤC BẢNG BIỂU Table Hệ số KP, KI KD tối ưu PID Controller hệ thống ABS 29 Table Chế độ hoạt động hệ thống TCS phanh bình thường 44 Table Chế độ hoạt động hệ thống TCS tăng tốc chế độ tăng áp 45 Table Chế độ hoạt động hệ thống TCS tăng tốc chế độ giữ áp .46 Table Chế độ hoạt động hệ thống TCS tăng tốc chế độ giảm áp 47 Luan van DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ABS (Anti-lock Braking System): Hệ thống phanh chống bó cứng PID (Proportional–Integral–Derivative): Bộ điều khiển khâu: tỷ lệ, tích phân, vi phân TCS (Traction Control System): Hệ thống kiểm soát lực kéo Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu mô 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: Stt Họ tên MSSV Lớp Khoa Nguyễn Thị Như Mơ 17145323 179450A Cơ khí động lực - Người hướng dẫn: TS Huỳnh Phước Sơn Mục tiêu đề tài: - Nghiên cứu hệ thống điều khiển an tồn tơ, từ đề xuất cấu trúc, thuật tốn mơ điều khiển hệ thống ABS hệ thống TCS có xét đến tính ổn định hướng chuyển động tô phanh tăng tốc - Nội dung nghiên cứu đề tài làm tài liệu tham khảo học tập nghiên cứu cho sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật ô tô việc điều khiển q trình phanh tơ sử dụng hệ thống ABS hệ thống TCS Tính sáng tạo: - Thiết kế mơ hình hệ thống ABS hệ thống TCS MATLAB/Simulink - Mô hệ thống phanh ABS hệ thống TCS phần mềm Carsim với điều kiện mô Kết nghiên cứu: - Thiết kế mơ hình hệ thống ABS hệ thống TCS MATLAB/Simulink mô hệ thống ABS hệ thống TCS phần mềm Carsim - So sánh hiệu phanh xe phanh khơng có hệ thống ABS với xe phanh có hệ thống ABS dùng điều khiển Bang-Bang điều khiển PID - So sánh hiệu tăng tốc xe tăng tốc mà khơng có hệ thống TCS với xe tăng tốc có hệ thống TCS dùng điều khiển Bang-Bang 10 Luan van Hình 3.7 Sơ đồ hoạt động hệ thống TCS tăng tốc chế độ giảm áp Table Chế độ hoạt động hệ thống TCS tăng tốc chế độ giảm áp Solenoid Van Solenoid cắt xylanh Bật Đóng Solenoid cắt bình tích Bật Mở Solenoid cắt bình dầu Bật Mở Solenoid vị trí ABS Bật � Cửa A đóng, cửa B mở 47 Luan van 3.4 Mô hệ thống TCS Carsim 3.4.1 Thiết lập điều kiện mơ Hình 3.8 Giao diện mô hệ thống TCS Carsim Chọn loại xe để mô xe F-Class Sedan hai cầu chủ động với khối lượng thân xe 1820 kg, chiều dài sở 3160 mm, chiều rộng sở 1870 mm Hình 3.9 Thiết lập điều kiện xe mơ 48 Luan van Hình 3.10 Thiết lập điều kiện xe mô Thiết lập điều khiển xe ô tô chạy đường với vận tốc đầu 20km/h, sau xe tăng tốc vào đường trơn với hệ số bám 0.3 Hình 3.11 Thiết lập điều kiện mặt đường mơ 49 Luan van Hình 3.12 Thiết lập điều kiện mặt đường 3.4.2 Thiết lập hệ thống TCS Simulink Bộ điều khiển nhận tín hiệu tốc độ chuyển động tơ, tốc độ bánh xe từ cảm biến Hình 3.13 Mơ hệ thống TCS Simulink Khi ô tô tăng tốc góc mở bướm ga tăng (bướm ga mở hồn tồn vịng giây từ thời điểm tài xế đạp ga) đồng thời ô tơ di chuyển vào đường trơn, bánh xe bị trượt lết, nhờ vào cảm biến vận tốc góc bánh xe, cảm biến gia tốc đo tốc độ bánh xe, tốc độ chuyển động ô tô gửi vào điều khiển hệ thống TCS Lúc 50 Luan van này, điều khiển hệ thống TCS xử lý thơng tin từ tín hiệu truyền đến gửi tín hiệu đến chấp hành phanh Thơng tin tín hiệu áp suất phanh xylanh truyền xử lý điều khiển hệ thống TCS trước đến chấp hành phanh, chấp hành phanh xử lý thông tin để điều khiển áp suất phanh bánh xe để tăng độ bám cho bánh xe, giúp xe tăng tốc Đồng thời cảm biến vận tốc góc bánh xe, cảm biến gia tốc đo tốc độ bánh xe, tốc độ chuyển động ô tô liên tục gửi vào điều khiển hệ thống TCS để phản hồi hiệu tăng tốc xe so với yêu cầu mong muốn đề ra, đạt hiệu trì, chưa đạt điều khiển TCS tiếp tục tính tốn truyền thơng tin xử lý đến chấp hành phanh để tiến hành phanh bánh xe Và ta thấy hệ thống TCS hệ thống điều khiển hồi tiếp, hay gọi hệ thống điều khiển vịng kín (Closed – Loop) Hình 3.14 Thiết lập độ mở bướm ga Hệ thống TCS nhận tín hiệu tốc độ chuyển động ô tô thông qua cảm biến gia tốc tốc độ bánh xe thông qua cảm biến vận tốc góc bánh xe Khi đó, hệ thống xử lý độ trượt tương đối bánh xe theo công thức  = ωb rb −v v ωb r b > v truyền tín hiệu độ trượt tương đối vào điều khiển Bang-Bang, sau xuất tín hiệu điều khiển phanh truyền đến chấp hành phanh Đồng thời tín hiệu điều khiển phanh cịn nhân với áp suất xy lanh truyền tín hiệu áp suất đến chấp hành phanh 51 Luan van Hình 3.15 Bộ điều khiển hệ thống TCS Sau điều khiển xử lý thông tin truyền đến chấp hành phanh, qua Demux chia tín hiệu cho bánh xe theo thứ tự bánh xe trước – trái, trước – phải, sau – trái sau – phải Để rồi, tín hiệu nhân với theo thứ tự, truyền qua Transfer Fcn truyền điều khiển áp suất phanh bánh xe để thực phanh Transfer Fcn hàm truyền, thể độ trễ hệ thống thủy lực phanh độ trễ khí solenoid hệ thống phanh Hình 3.16 Bộ chấp hành phanh 52 Luan van Điều khiển hệ thống TCS điều khiển Bang-Bang Sau tính tốn độ trượt tương đối bánh xe, lúc truyền tín hiệu vào Bang-Bang Controller để xử lý xuất hai tín hiệu phanh hai bánh xe cầu trước hai bánh xe cầu sau Sau qua Speed Limit, vận tốc xe lúc nhỏ 1,5 km/h tín hiệu giảm phanh “-1” truyền đến chấp hành, ngược lại vận tốc xe lúc từ 1,5 km/h trở lên tín hiệu phanh hai bánh xe cầu trước hai bánh xe cầu sau truyền đến chấp hành phanh Đồng thời tín hiệu phanh hai bánh xe cầu trước hai bánh xe cầu nội suy nhân với áp suất xy lanh xuất tín hiệu áp suất đến chấp hành phanh nhằm điều khiển phanh xe giúp xe bám tối ưu để tăng tốc tốt Hình 3.17 TCS điểu khiển điều khiển Bang-Bang 3.5 Đánh giá kết mô hệ thống TCS Sau cho chạy xe có sử dụng điều khiển TCS với xe khơng có điều khiển TCS ta có so sánh: quãng đường tăng tốc, tốc độ xe bánh xe trình tăng tốc, áp suất phanh bánh xe Ta so sánh điều kiện làm việc xe có hiệu tốt 53 Luan van Hình 3.18 Kết mơ hệ thống TCS Trong đó: Xe đỏ: Xe có TCS sử dụng điều khiển Bang-Bang Xe hồng: Xe có khơng TCS 3.5.1 Qng đường tăng tốc Hình 3.19 Đồ thị thể quãng đường tăng tốc Đồ thị thể quãng đường tăng tốc: Xe có TCS có quãng đường tăng tốc dài xe khơng có TCS xe khơng có TCS, bánh xe bị trượt lết trình tăng tốc dẫn đến quãng đường tăng tốc ngắn hơn, bánh xe có điều khiển TCS tăng độ bám với mặt đường nhờ tăng giảm áp suất phanh giúp xe không bị trượt tăng tốc đường 54 Luan van 3.5.2 Tốc độ xe bánh xe trình tăng tốc Hình 3.20 Đồ thị thể tốc độ xe bánh xe xe khơng sử dụng TCS Hình 3.21 Đồ thị thể tốc độ xe bánh xe xe có TCS sử dụng điều khiển Bang-Bang Dựa vào hình 3.20, ta thấy vận tốc bánh xe xe khơng có TCS bị trượt lết, dù tốc độ bánh xe lớn tốc độ xe lại q chênh lệch (nhỏ nhiều) Cịn xe có TCS vận tốc bánh xe với vận tốc xe chênh lệch khơng nhiều (hình 3.21) 55 Luan van Hình 3.22 Đồ thị thể tốc độ xe xe có TCS xe khơng có TCS Từ đồ thị thể tốc độ xe xe có TCS xe khơng có TCS ta thấy tốc độ xe dùng điều khiển Bang-Bang có tốc độ cao xe khơng có TCS (hình 3.22) 3.5.3 Áp suất phanh xy lanh bánh xe Hình 3.23 Đồ thị thể áp suất phanh bánh xe xe khơng có TCS Từ hình 3.23, ta thấy xe khơng có TCS khơng có áp suất phanh bánh xe khiến bánh xe giảm tốc bị trượt lết 56 Luan van Hình 3.24 Đồ thị thể áp suất phanh bánh xe xe có TCS sử dụng điều khiển Bang-Bang Từ hình 3.24, ta thấy xe dùng điều khiển Bang-Bang có áp suất phanh bánh xe cầu trước sau tăng giảm liên tục để giúp xe giảm lực phanh, tăng lực bám bánh xe với mặt đường 3.6 Kết luận: Sau so sánh kết mô xe trên, ta thấy sử dụng TCS giúp xe khơng bị trượt đường có hệ số bám thấp q trình tăng tốc, qua đạt hiệu tăng tốc (rút ngắn quãng đường tăng tốc, tăng tốc nhanh đường) 57 Luan van PHẦN KẾT LUẬN Kết luận Đề tài đạt mục tiêu nội dung đề ra, có ý nghĩa nghiên cứu chương trình giảng dạy Qua đó, đánh giá cụ thể nội dung sau: - Đã nghiên cứu lý thuyết trình phanh, trình kéo ô tô; lý thuyết chế độ điều khiển hệ thống ABS hệ thống TCS sở tài liệu hệ thống thực tế xe - Đã phân tích chất vật lý bản, công thức ứng dụng phần mềm CarSim để mơ hoạt động hệ thống an tồn chủ động ô tô (hệ thống ABS hệ thống TCS) gồm nội dung: + Xây dựng mơ hình mơ + Xác định thơng số đầu vào mơ hình mơ + Xác định kết xuất tốc độ chuyển động tơ, vận tốc góc bánh xe, độ trượt tương đối bánh xe mặt đường, lệch ngang xe chuyển động, góc trượt xe… + Đề tài có ý nghĩa thực tiễn đóng góp vào chương trình nghiên cứu khoa học ngành công nghệ kỹ thuật ô tô + Nội dung nghiên cứu đề tài làm tài liệu tham khảo học tập nghiên cứu cho sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật ô tô việc điều khiển q trình phanh tơ sử dụng hệ thống phanh ABS/TCS Tuy nhiên, thời gian giới hạn nên số hạn chế sau: - Chưa tiến hành thực nghiệm để kiểm nghiệm kết Hướng phát triển đề tài Trên sở đề tài “Nghiên cứu mô hệ thống ABS/TCS sử dụng phần mềm CarSim”, để từ áp dụng vào thực tế ô tô việc phát triển ứng dụng điều khiển thiết kế tốt hệ thống ABS hệ thống TCS 58 Luan van TÀI LIỆU THAM KHẢO Đặng Q (2012), Giáo trình Lý thuyết tơ, Nxb Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, Tp Hồ Chí Minh Lại Năng Vũ (2012), Nghiên cứu hệ thống điều khiển q trình phanh tơ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội Volkswagen AG (2007), Traction Control and Assist Systems, Volkswagen AG, Germany 59 Luan van PHỤ LỤC Video kết mô hệ thống ABS Carsim: https://youtu.be/rTGOJ8GIRf4 Video kết mô hệ thống TCS Carsim: https://youtu.be/XEb4FgbTBr0 60 Luan van S K L 0 Luan van ... hình hệ thống ABS hệ thống TCS MATLAB/Simulink - Mô hệ thống phanh ABS hệ thống TCS phần mềm Carsim với điều kiện mô Kết nghiên cứu: - Thiết kế mơ hình hệ thống ABS hệ thống TCS MATLAB/Simulink mô. .. tài: ? ?Nghiên cứu mô hệ thống ABS/ TCS sử dụng phần mềm CarSim? ?? Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu hệ thống điều khiển tự động ô tơ, từ đề xuất cấu trúc, thuật tốn mô điều khiển hệ thống ABS hệ thống TCS. .. nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết hệ thống điều khiển tự động ô tô, lý thuyết hệ thống ABS/ TCS mô hệ thống ABS hệ thống TCS phần mềm Carsim MATLAB/Simulink Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống chống