Nghiên cứu động lực học và điều khiển hệ thống cân bằng điện tử ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ Ô TÔ GVHD: ThS DƯƠNG TUẤN TÙNG SVTH: TRẦN THANH SANG PHẠM NGUYỄN MINH KHANG SKL008282 Tp.Hồ Chí Minh, tháng 8/2021 Luan van TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ Ô TÔ SVTH: TRẦN THANH SANG MSSV: 17145350 SVTH: PHẠM NGUYỄN MINH KHANG MSSV: 17145307 GVHD: THS DƯƠNG TUẤN TÙNG Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2021 Luan van TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật ô tô Tên đề tài NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ Ô TÔ SVTH: TRẦN THANH SANG MSSV: 17145350 SVTH: PHẠM NGUYỄN MINH KHANG MSSV: 17145307 GVHD: THS DƯƠNG TUẤN TÙNG Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2021 Luan van TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP HỒ CHÍ MINH Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC TP Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 08 năm 2021 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: PHẠM NGUYỄN MINH KHANG MSSV: 17145307 (E-mail: 17145307@student.hcmute.edu.vn Điện thoại: 0396793792) TRẦN THANH SANG MSSV: 17145350 (E-mail: 17145350@student.hcmute.edu.vn Điện thoại: 0967516441) Ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật tơ Khóa: 2017 Lớp: 171451B Tên đề tài Nghiên cứu động lực học điều khiển hệ thống cân điện tử ô tô Nhiệm vụ đề tài - Hiểu rõ khái niệm, cấu tạo hoạt động hệ thống cân điện tử ESP - Phân tích động lực học hệ thống cân điện tử dựa phân tích động lực học hệ thống phanh hệ thống lái - Nghiên cứu phương pháp điều khiển hệ thống ESP dựa sơ đồ phương trình tốn học - Xây dựng mơ hình mơ hệ thống ESP công cụ MathWorks Sản phẩm đề tài - thuyết minh đề tài PDF, thuyết trình đề tài PPT Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 29/03/2021 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 24/08/2021 TRƯỞNG BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN i Luan van TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Độc lập - Tự – Hạnh phúc Bộ mơn: Ơ tơ PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dành cho giảng viên hướng dẫn) Họ tên sinh viên 1: PHẠM NGUYỄN MINH KHANG MSSV: 17145307 Họ tên sinh viên 2: TRẦN THANH SANG MSSV: 17145350 Tên đề tài: Nghiên cứu động lực học điều khiển hệ thống cân điện tử ô tô Ngành đào tạo: Công nghệ Kỹ thuật ô tô Họ tên GV hướng dẫn: GV.ThS Dương Tuấn Tùng Ý KIẾN NHẬN XÉT Nhận xét tinh thần, thái độ làm việc sinh viên (không đánh máy) Nhận xét kết thực ĐATN (không đánh máy) 2.1 Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN: 2.2 Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn khả ứng dụng đồ án, hướng nghiên cứu tiếp tục phát triển) ii Luan van 2.3 Kết đạt được: 2.4 Những tồn (nếu có): Đánh giá: Điểm tối đa Mục đánh giá TT Hình thức kết cấu ĐATN Điểm đạt 30 Đúng format với đầy đủ hình thức nội dung mục 10 Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan đề tài 10 Tính cấp thiết đề tài 10 Nội dung ĐATN 50 Khả ứng dụng kiến thức toán học, khoa học kỹ thuật, khoa học xã hội… Khả thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10 Khả thiết kế chế tạo hệ thống, thành phần, quy trình đáp ứng yêu cầu đưa với ràng buộc thực tế 15 Khả cải tiến phát triển 15 Khả sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành… Đánh giá khả ứng dụng đề tài 10 Sản phẩm cụ thể ĐATN 10 Tổng điểm 100 Kết luận:  Được phép bảo vệ  Không phép bảo vệ TP.HCM, ngày 26 tháng 08 năm 2021 Giảng viên hướng dẫn (Ký, ghi rõ họ tên) iii Luan van TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Độc lập - Tự – Hạnh phúc Bộ mơn: Ơ tơ PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dành cho giảng viên phản biện) Họ tên sinh viên 1: PHẠM NGUYỄN MINH KHANG MSSV: 17145307 Họ tên sinh viên 2: TRẦN THANH SANG MSSV: 17145350 Tên đề tài: Nghiên cứu động lực học điều khiển hệ thống cân điện tử ô Ngành đào tạo: Công nghệ Kỹ thuật ô tô Họ tên GV phản biện: (Mã GV) Ý KIẾN NHẬN XÉT Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN: Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn khả ứng dụng đồ án, hướng nghiên cứu tiếp tục phát triển) Kết đạt được: Những thiếu sót tồn ĐATN: iv Luan van Câu hỏi: Đánh giá: Điểm tối đa Mục đánh giá TT Hình thức kết cấu ĐATN Điểm đạt 30 Đúng format với đầy đủ hình thức nội dung mục 10 Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan đề tài 10 Tính cấp thiết đề tài 10 Nội dung ĐATN 50 Khả ứng dụng kiến thức toán học, khoa học kỹ thuật, khoa học xã hội… Khả thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10 Khả thiết kế chế tạo hệ thống, thành phần, quy trình đáp ứng yêu cầu đưa với ràng buộc thực tế 15 Khả cải tiến phát triển 15 Khả sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành… Đánh giá khả ứng dụng đề tài 10 Sản phẩm cụ thể ĐATN 10 Tổng điểm 100 Kết luận:  Được phép bảo vệ  Không phép bảo vệ TP.HCM, ngày 27 tháng 08 năm 2021 Giảng viên phản biện (Ký, ghi rõ họ tên) v Luan van TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC XÁC NHẬN HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN Tên đề tài: Nghiên cứu động lực học điều khiển hệ thống cân điện tử ô tô Họ tên Sinh viên: PHẠM NGUYỄN MINH KHANG TRẦN THANH SANG MSSV: 17145307 MSSV: 17145350 Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô Sau tiếp thu điều chỉnh theo góp ý Giảng viên hướng dẫn, Giảng viên phản biện thành viên Hội đồng bảo vệ Đồ án tốt nghiệp hoàn chỉnh theo yêu cầu nội dung hình thức Chủ tịch Hội đồng: Giảng viên hướng dẫn: _ Giảng viên phản biện: Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021 vi Luan van LỜI CẢM ƠN Đồ án “Nghiên cứu động lực học điều khiển hệ thống cân điện tử ô tô” phản ánh công việc mà chúng em thực suốt thời gian thực đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM Trước tiên, chúng em muốn gửi lời cảm ơn đặc biệt đến Giảng viên hướng dẫn ThS Dương Tuấn Tùng cung cấp cho chúng em đề tài tốt nghiệp vô thú vị đầy thử thách Thầy kiên nhẫn giải thích cho chúng em khái niệm liên quan đến động lực phương pháp kiểm soát cân điện tử, hướng dẫn cho chúng em cách để mơ hình hóa chúng cách đơn giản dễ hiểu Sự hướng dẫn Thầy suốt trình đồ án quan trọng để chúng em có kết cuối Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em theo học khóa Đại học chun ngành Cơng nghệ Kỹ thuật ô tô toàn thể quý thầy cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM tận tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức quý báu suốt thời gian học tập Trường Xin cảm ơn q thầy Khoa Cơ Khí Động Lực trang bị kiến thức hữu ích giúp chúng em làm việc sau này, tạo điều kiện tốt để chúng em nghiên cứu thực đồ án tốt nghiệp lần Trong trình thực đề tài mình, điều kiện hạn chế kiến thức thời gian thực có hạn nên khơng tránh sai sót, mong nhận góp ý từ q thầy bạn để đề tài chúng em ngày hoàn thiện Một lần chúng em xin cảm ơn tất quý thầy cô, kính chúc q thầy sức khỏe ln thành cơng đường đào tạo nhân tài Nhóm sinh viên thực vii Luan van Hình 5.30 Quỹ đạo xe khơng có ESP (mu = 0,9) Hình 5.31 Quỹ đạo xe có ESP (mu = 0,9) 69 Luan van Hình 5.32 Quỹ đạo (phóng to) xe khơng có ESP (mu = 0,9) Hình 5.33 Quỹ đạo (phóng to) xe khơng có ESP (mu = 0,9) 70 Luan van TỔNG KẾT CHƯƠNG 5: Chương sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để phân tích mơ cấu trúc điều khiển hệ thống cân điện tử ESP dựa phanh vi sai Q trình mơ hồn thành nội dung sau: - Xây dựng mơ hình mơ - Xác định giá trị, thông số mơ hình mơ - Dựa vào phanh vi sai, ESP can thiệp giúp cải thiện vận tốc lệch hướng xe trì chênh lệch góc trượt lốp trước-sau ngưỡng giá trị mong muốn - Nếu điều khiển kiểm soát vận tốc lệch hướng mà khơng kiểm sốt góc trượt đường có hệ số bám thấp hơn, vận tốc lệch hướng chưa đạt giá trị mong muốn 71 Luan van Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 6.1 KẾT LUẬN Sau khoảng thời gian tìm hiểu nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu động lực học điều khiển hệ thống cân điện tử ô tô” với giúp đỡ tận tình thầy Dương Tuấn Tùng Nhóm chúng em đạt kết sau: Đề tài giúp chúng em khắc sâu kiến thức học môn học Lý thuyết động lực học ô tô Giúp chúng em làm quen học tập mơi trường lập trình Matlab/Simulink Đồng thời đề tài cịn giúp chúng em có nhìn tổng quát về hệ thống cân điện tử tơ Biết phân tích động lực học điều khiển hệ thống Qua hiểu khả tuyệt vời mà hệ thống mang lại Nâng cao khả làm việc nhóm, suy nghĩ giải vấn đề Tất kết học kinh nghiệm quý báu cho nhóm chúng em Hy vọng giúp kiến thức cho chúng em sau 6.2 ĐỀ NGHỊ Trong trình thực đề tài, chúng em nỗ lực nhiều lượng kiến thức khả đọc hiểu tài liệu cịn hạn hẹp, khơng tránh khỏi sai sót Rất mong nhận ý kiến/đóng góp q giá thầy (cơ) bạn đọc để đề tài ngày hồn thiện Nhóm dừng lại việc nghiên cứu mô hệ thống cân điện tử ESP dựa phanh vi sai Chưa phát triển thêm với hệ thống lái điện tử hệ thống phân phối mô-men xoắn chủ động độc lập Các mơ mang tính thực nghiệm, chưa phù hợp với thực tế Từ kết đạt hạn chế, nhóm mong tương lai, việc nghiên cứu mô hai hệ thống lại thực áp dụng chúng hãng xe thực tế Xin chân thành cảm ơn 72 Luan van DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tingvall, C et al (2003) The effectiveness of ESP (Electronic Stability Program) in reducing real-life accidents ESV Paper 261, 18th ESV Conference, Nagoya , 2003 [2] Aga, M and Okada, A (2003) Analysis of Vehicle Stability Control (VSC)'s effectiveness from crash data ESV Paper 541, 18th ESV Conference, Nagoya , 2003 [3] Breuer, J (2002) ESP safety benefits Daimler Chrysler press presentation, Sindelfingen, 2002 [4] danhgiaXe, Hệ thống cân điện tử ESP, 03/12/2016 (https://www.danhgiaxe.com) [5] logos-world, MATLAB Logo, April 18, 2021 (https://logos-world.net) [6] Wikipedia, File:Simulink Logo (non-wordmark).png, 15 November 2020 (https://en.wikipedia.org) [7] GVC MSc Đặng Quý, Giáo trình “Lý thuyết tơ (Ơ tơ 1)”, 09/2010 [8] Honda Phát Tiến, ABS gì? Nguyên lý hoạt động hệ thống ABS Ơ tơ, 25/02/2020 (https://hondaotophattien.com.vn) [9] Tác dụng hệ thống chống trượt TCS ô tô, 09/12/2016 (https://autobikes.vn) [10] Hệ thống phân phối lực phanh điện tử EBD xe ô tô, 02/01/2019 (https://oto.com.vn/kham-pha) [11] R Rajamani, Vehicle Dynamics and Control, Mechanical Engineering Series, DOI 10.1007/978-1-4614-1433-9_8, © Rajesh Rajamani 2012 [12] Dugoff, H., Fancher, P.S and Segal, L., "Tyre Performance Charecteristics Affecting Vehicle Response to Steering and Braking Control Inputs," Final Report, Contract CST-460, Office of Vehicle Systems Research, US National Bureau of Standards, 1969 [13] Ackermann, J., "Robust Decoupling, Ideal Steering Dynamics and Yaw Stabilization of 4WS Cars," Automatics, Vol 30, No 11, pp 1761-1768, 1994 [14] Ackermann, "Robust Control Prevents Car Skidding," 1996 Bode Lecture Prize Article, IEEE Control Systems Magazine, pp 23-31, June 1997 [15] https://www.researchgate.net/figure/Components-of-SbW-system1_fig1_224115761 73 Luan van [16] Drakunov, S.V., Ashrafi, B and Rosiglioni, A., “Yaw Control Algorithm via Sliding Mode Control,” Proceedings of the American Control Conference, pp 580 - 583, June 2000 [17] Uematsu, K and Gerdes, J.C., “A Comparison of Several Sliding Surfaces for Stability Control,” Proceedings of the International Symposium on Advanced Vehicle Control (AVEC), 2002 [18] Yi, K., Chung, T., Kim, J and Yi, S., “An Investigation into Differential Braking Strategies for Vehicle Stability Control,” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, Vol 217, pp 1081-1093, 2003 [19] Yoshioka, T., Adachi, T., Butsuen, T., Okazaki, H and Mochizuki, H., “Application of Sliding Mode Control to Control Vehicle Stability,” Proceedings of the International Symposium on Advanced Vehicle Control (AVEC), pp 455-459, 1998 [20] Slotine, J.J.E and Li, W., Applied Nonlinear Control, Prentice Hall, 1991 [21] Gillespie, T.D., Fundamentals of Vehicle Dynamics, SAE, ISBN 1-56091-199-9, 1992 [22] Tseng, H.E., Ashrafi, B., Madau, D., Brown, T.A and Recker, D., “The Development of Vehicle Stability Control at Ford,” IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol 4, No 3, pp 223-234, September, 1999 [23] Van Zanten, A T., Erhardt, R., Pfaff, G., Kost, F., Uwe, H and Ehret, T., “Control Aspects of the Bosch-VDC,” Proceedings of the International Symposium on Advanced Vehicle Control, Vol 1, pp 573-608, 1996 [24] Fukada, Y., “Slip Angle Estimation for Vehicle Stability Control,” Vehicle System Dynamics, Vol 32, pp 375-388, 1999 [25] Ghoneim, Y.A., Lin, W.C., Sidlosky, D.M., Chen, H.H., Chin, Y.K and Tedrake, M.J., “Integrated Chassis Control System to Enhance Vehicle Stability,” International Journal of Vehicle Design, Vol 23, No 1/2, pp 124-144, 2000 [26] Piyabongkarn, D., Rajamani, R., Grogg, J.A and Lew, J.Y., “Development and Experimental Evaluation of a Slip Angle Estimator for Vehicle Stability Control,” IEEE Transactions on Control Systems Technology, Vol 17, No 1, pp 78-88, January 2009 [27] Daily, R and Bevly, D.M., “The Use of GPS for Vehicle Stability Control Systems,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol 51, No 2, April 2004 74 Luan van [28] Bevly, D.M., Sheridan, R and Gerdes, J.C., “Integrating INS Sensors with GPS Velocity Measurements for Continuous Estimation of Vehicle Sideslip and Cornering Stiffness,” Proceedings of the American Control Conference, Vol 1, pp 25-30, 2001 [29] Sawase, K and Sano, Y., “Application of Active Yaw Control to Vehicle Dynamics by Utilizing Driving/ Braking Force”, JSAE Review, Vol 20, pp 289-295, 1999 [30] Osborn, R.P and Shim, T., “Independent Control of All-Wheel Drive Torque Distribution,” SAE Technical Paper Series, 2004-01-2052, 2004 [31] Piyabongkarn, D., Lew, J.Y., Rajamani, R., Grogg, J.A and Yuan, Q., “On the Use of Torque Biasing Systems for Electronic Stability Control: Limitations and Possibilities,” IEEE Transactions on Control Systems Technology, Vol 15, No 3, pp 581-589, May 2007 [32] Piyabongkarn, D., Rajamani, R., Lew, J.Y and Grogg, J.A., “Active Driveline Torque Management Systems – Individual Wheel Torque Control for Active Automotive Safety Applications,” IEEE Control Systems Magazine, Vol 30, No 4, pp 86-102, August 2010 75 Luan van PHỤ LỤC I CÁC THÔNG XE VÀ THÔNG SỐ MÔ PHỎNG Bảng I.1 Các thông số xe thông số mô (Dựa thông số sử dụng khối động học xe Matlab/Simulink) Ký hiệu Giá trị 𝑚 1181 kg Khoảng cách từ trục trước đến trọng tâm xe 𝑎 = ℓ𝑓 1,515 m Khoảng cách từ trục sau đến trọng tâm xe 𝑏 = ℓ𝑟 1,504 m Độ cứng lốp trước vào cua 𝐶𝛼𝑓 15000 N/rad Độ cứng lốp sau vào cua 𝐶𝛼𝑟 35000 N/rad Bề ngang sở trục xe ℓ𝑤 1,922 m −𝜂𝑠 −100𝑠 𝜉 𝑟𝑤 0,309 m Tên Khối lượng xe Đạo hàm bề mặt trượt 𝑠̇ điều khiển dựa phanh vi sai Hằng số sử dụng để xác định bề mặt trượt cho điều khiển dựa phanh vi sai Bán kính bánh xe II CÁC KHỐI TRONG SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN VÀ NHIỆM VỤ CỦA CHÚNG Khối tạo vận tốc góc lái mong muốn Hình II.1 Khối tạo vận tốc góc lái mong muốn Nhiệm vụ khối: Tạo vận tốc dọc, góc lái (vơ lăng) mong muốn Bên Khối tạo vận tốc góc lái mong muốn Khối tạo vận tốc dọc mong muốn Khối tạo góc đánh lái 76 Luan van Hình II.2 Bên Khối tạo vận tốc góc lái mong muốn Hình II.3 Giao diện lựa chọn vận tốc vào cua Khối người lái Hình II.4 Khối người lái Hình II.5 Bên Khối người lái Ta thay đổi kết cấu lái thông số Khối lái dọc (Longitudinal Driver) 77 Luan van Hình II.6 Bên Khối lái dọc Nhiệm vụ Khối người lái: Dựa tốc độ phản hồi vận tốc xe vận tốc xe yêu cầu để tạo lệnh tăng tốc (gia tốc) Khối mơi trường Hình II.7 Khối mơi trường Hình II.8 Bên Khối môi trường Nhiệm vụ khối Khối môi trường: Dùng để nhập hệ số bám Kí hiệu: mu 78 Luan van Khối xe Hình II.9 Khối xe Bên Khối xe có nhiều khối con: Hình II.10 Cụm Khối động Hình II.11 Cụm khối Lái, Hộp số, Truyền động Phanh 79 Luan van Hình II.12 Khối thân xe, Hệ thống treo, Bánh xe Nhiệm vụ Khối xe: Thực mơ xe từ tín hiệu điều khiển mơi trường, đồng thời trả tín hiệu cảm biến điều khiển Khối hình ảnh Hình II.13 Khối hình ảnh Nhiệm vụ Khối hình ảnh: thể số thông số hoạt động xe như: tốc độ xe, tốc độ động cơ, gia tốc ngang, góc lái vơ lăng… thể mơ hình xe chạy đường thử 80 Luan van Hình II.14 Bên Khối hình ảnh Hình II.15 Bên Khối hình ảnh 81 Luan van Khối điều khiển Hình II.16 Khối điều khiển Nhiệm vụ: Chứa khối điều khiển Động cơ, Hộp số, ESP, … nhận tín hiệu từ cảm biến truyền sau tính tốn gửi tín hiệu điều khiển đến cấu thực xe bánh xe, phanh, … Hình II.17 Bên Khối điều khiển 82 Luan van S K L 0 Luan van