3.1.1 Matlab – Simulink
Simulink là một phần mềm đồ hoạ, định hƣớng sơ đồ khối dùng để mô phỏng các hệ động lực. Đây là sản phẩm nằm bên trong Matlab và sử dụng nhiều hàm của Matlab và cũng có thể trao đổi qua lại với môi trƣờng Matlab để tăng thêm khả năng mềm dẻo của nó. Với Simulink chúng ta có thể xây dựng mô hình mô phỏng của hệ thống giống nhƣ khi ta vẽ sơ đồ khối. Simulink có một khối thƣ viện với nhiều chức năng khác nhau. Để xây dựng mô hình ta khởi động Matlab và khởi tạo Simulink, mở thƣ viện của khối Simulink sau đó chọn các nhóm thích hợp. Thƣ viện của Simulink thƣờng có 8 nhóm:
- Nhóm Continuous và Discrete: chứa các khối cơ bản để xử lý tín hiệu liên tục và rời rạc
-Nhóm Function & table: chứa các khối thực hiện việc gọi hàm từ Matlab, khối
nội suy và khối hàm truyền
-Nhóm Math: chứa các khối thực thi các hàm toán học
-Khối Monlinear: chứa các khối phi tuyến
-Nhóm Sinks & Systems: chứa các khối công cụ xử lý tín hiệu
-Nhóm Sinks: chứa các khối thực hiện chức năng xuất kết quả
- Nhóm Source: chứa các khối phát tín hiệu.
Để copy một khối từ thƣ viện vào cửa sổ của mô hình, chọn khối, rê chuột để
kéo khối đã chọn thả vào cửa sổ mô hình. Trong cửa sổ mô hình, nếu muốn copy một khối, ấn phím Ctrl và rê chuột sang vị trí đặt bản copy; nếu muốn xoá hãy chọn nó và ấn phím Delete.
Để thực hiện một quá trình mô phỏng ta tiến hành các bƣớc: xây dựng mô hình
mô phỏng; xác lập giá trị các thông số của mô hình; xác lập điều kiện đầu; lựa chọn cách thức xuất kết quả; điều khiển việc thực thi quá trình mô phỏng.
3.1.2 Matlab – State flow
Khái niệm Stateflow: thực hiện chức năng của một cơ cấu máy hữu hạn trạng thái của một mô hình mô phỏng trong Simulink. Một mô hình mô phỏng có thể bao gồm các khối của Simulink, các khối Toolbox và các khối của Stateflow. Một sơ đồ Stateflow tập hợp các đối tƣợng đồ hoạ và đối tƣợng phi đồ hoạ.
Trạng thái (State): mô tả phƣơng thức hệ thống đƣợc điều khiển bởi các sự kiện, tình trạng làm việc hay không làm việc của các trạng thái luôn thay đổi theo các điều kiện và sự kiện. Có hai loại trạng thái là trạng thái loại trừ (OR) mô tả phƣơng
thức loại trừ lẫn nhau, trạng thái ngang hàng (AND).
Chuyển đổi (Transitions): Hành động chuyển đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác của hệ thống thông qua một đối tƣợng gọi là “chuyển đổi”. Đó là đối tƣợng đồ hoạ (đối tƣợng nguồn) nối với một đối tƣợng khác (đối tƣợng đích), bằng một đƣờng cong có mũi tên. Đối tƣợng nguồn là nơi chuyển đổi bắt đầu, đối tƣợng đích là nơi chuyển đổi kết thúc. Điểm phân chia một chuyển đổi thành các đoạn (hay nhánh) gọi là điểm nút. Chuyển đổi mặc định là một loại chuyển đổi đặc biệt, có đối tƣợng đích, không có đối tƣợng nguồn; chuyển đổi mặc định để báo cho Stateflow biết trạng thái con nào sẽ hoạt động ngay sau khi trạng thái mẹ đƣợc kích hoạt. Nhãn của một chuyển đổi xác định chuyển đổi đó; nhãn này có thể chứa một sự kiện, một điều kiện, một hoạt động có điều kiện hoặc một hoạt động chuyển đổi.
Sự kiện (Events): các sự kiện không phải là một đối tƣợng đồ hoạ nên không thể hiện trực tiếp trong sơ đồ Stateflow nhƣng nó làm cho sơ đồ đó hoạt động. Khi sự kiện bắt đầu xảy ra, các trạng thái của sơ đồ Stateflow đƣợc đánh giá. Sự truyền đi một sự kiện sẽ kích hoạt một chuyển đổi hoặc kích hoạt một hoạt động nào đó.
Dữ liệu (Data): chúng là những đối tƣợng phi đồ hoạ, đƣợc dùng để lƣu giữ các giá trị bằng số trong sơ đồ Stateflow.
Điều kiện (Condition): là một mệnh đề logic, có giá trị đúng hoặc sai dùng để xác định một chuyển đổi xảy ra nếu mệnh đề đó đúng.
Hành động (Acstions): các hành động xảy ra khi khởi động mô hình Stateflow, đó có thể là hành động chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác hoặc là hành động của một trạng thái. Các trạng thái có thể có các hành động đi vào, ở trong, đi ra
và hành động nƣơng theo sự kiện.
Matlab – Simulink, Matlab - Stateflow là công cụ hữu hiệu để mô phỏng các hệ
thống các (hybrid systems) có bao hàm các quá trình động lực liên tục hoặc gián đoạn và các ứng xử logic phức hợp. Với Stateflow có thể thực hiện các hệ thống điều khiển có giám sát các trạng thái và có thể luôn tự thay đổi để phù hợp với đối tƣợng điều khiển.
Hệ thống phanh dẫn động thuỷ lực có ABS sẽ đựoc mô phỏng bằng công cụ Matlab – Simulink; bộ điều khiển trung tâm trong mô hình mô phỏng đƣợc tổng hợp bằng công cụ Matlab – Stateflow.
3.2 S đồ mô phỏng
Mô phỏng đơn giản các phần tử cơ bản và quá trình vật lý xảy ra trong hệ thống điều khiển phanh ABS, đƣợc diễn tả trong sơ đồ khối hình 39
Khi ngƣời lái đạp bàn đạp phanh, bàn đạp sẽ dịch chuyển một đoạn là Xbđ. Sự
dịch chuyển đó tác động tới bầu trợ lực và ở đầu ra có lực Fmc tác động vào pít tông xy (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
lanh chính. Nhƣ vậy, ở đầu vào của pít tông xy lanh chính có lực Fmc; xy lanh chính gồm 2 khoang, khoang I chứa pít tông sơ cấp, khoang II chứa pít tông thứ cấp. Khi lực Fmc tác động vào pít tông sơ cấp làm cho nó dịch chuyển một lƣợng X1 và pít tông
thứ cấp sẽ dịch chuyển một lƣợng X2. Khi các pít tông xy lanh chính dịch chuyển lƣu
lƣợng dầu Q1 từ khoang I đƣợc đẩy đến cụm van điều khiển (cơ cấu chấp hành của
ABS) theo dòng phanh thứ nhất, lƣu lƣợng dầu Q2 từ khoang II đƣợc đẩy đến cụm van
Hình 3.1: Sơ đồ bố trí hệ thống phanh ABS
Lƣu lƣơng dầu đƣợc đẩy tử xi lanh phanh chính tới cụm van ASR và đƣợc đƣa tới van cắt xi lanh phanh chính, dòng thứ 2 có lƣu lƣợng và đƣợc tạo bởi bơm ASR và đƣa tới cụm van cắt bình tích năng, hợp hai lƣu lƣợng này tạo ra lƣu lƣợng đƣợc đẩy đến cụm van ABS lƣu lƣợng này chia làm 2 dòng:
* Dòng phanh thứ nhất: Lƣu lƣợng dầu Q1 đƣợc đẩy đến cụm van 1 của
cơ cấu chấp hành ABS, tại đây lƣu lƣợng dầu Q1 đƣợc chia làm 2 nhánh.
- Nhánh 1 có lƣu lƣợng Q11 qua van đến xy lanh công tác cơ cấu phanh
bánh xe cầu trƣớc bên trái(xy lanh CT1). Làm pít tông của xy lanh công tác bánh trƣớc bên trái dịch chuyển một lƣợng x1 tác động vào cơ cấu phanh bánh trƣớc bên trái (CCP trƣớc trái), làm guốc phanh dịch chuyển ép sát vào tang phanh (đối với phanh tang trống) hay đĩa phanh
(đối với phanh đĩa) và tạo ra mô men phanh Mp ở các bánh xe. Guốc phanh tác
dụng ngƣợc lên pít tông xy lanh công tác một lực, lực này sinh ra áp suất Px11 ,
- Nhánh 2 có lƣu lƣợng Q12 qua van đến xy lanh công tác cơ cấu phanh bánh xe cầu sau bên phải (xy lanh CT2). Làm cho pít tông của xy lanh công tác cơ cấu
phanh bánh sau bên phải dịch chuyển một lƣợng x2 tác động vào cơ cấu phanh bánh
sau bên phải (CCP sau phải), làm guốc phanh dịch chuyển ép sát vào tang phanh (đối
với phanh tang trống) hay đĩa phanh (đối với phanh đĩa) và tạo ra mô men phanh Mp ở
các bánh xe. Guốc phanh tác dụng ngƣợc lên pít tông xy lanh công tác một lực, lực
này sinh ra áp suất P xl2 phản hồi lại cụm van.
Hợp lực phản hồi của áp suất Px11, áp suất P xl2 là áp suất P1 tác động lại
pít tông sơ cấp xy lanh chính tạo thành một dòng kín trong hệ thống phanh thuỷ lực.
* Dòng phanh thứ hai: Lƣu lƣợng dầu Q2 đƣợc đẩy đến cụm van 2 của cơ cấu chấp hành ABS, tại đây lƣu lƣợng dầu Q2 đƣợc chia làm 2 nhánh.
- Nhánh 3 có lƣu lƣợng Q 21 qua van đến xy lanh công tác cơ cấu phanh
bánh xe cầu trƣớc bên phải (xy lanh CT3). Làm pít tông của xy lanh công tác bánh trƣớc bên phải dịch chuyển một lƣợng x3 tác động vào cơ cấu phanhbánh trƣớc bên phải (CCPtrƣớc phải), làm guốc phanh dịch chuyển ép sát vào tang phanh (đối với phanh tang trống) hay đĩa phanh
(đối với phanh đĩa) và tạo ra mô men phanh Mp ở các bánh xe. Guốc phanh tác
dụng ngƣợc lên pít tông xy lanh công tác một lực, lực này sinh ra áp suất Px13,
phản hồi lại cụm van.
- Nhánh 4 có lƣu lƣợng Q 22 qua van đến xy lanh công tác cơ cấu phanh
bánh xe cầu sau bên trái (xy lanh CT4). Làm cho pít tông của xy lanh công tác cơ cấu phanh bánh sau bên trái dịch chuyển một lƣợng x4 tác động vào cơ cấu phanh bánh sau bên trái (CCP sau trái), làm guốc phanh dịch chuyển ép sát vào tang phanh (đối
với phanh tang trống) hay đĩa phanh (đối với phanh đĩa) và tạo ra mô men phanh Mp ở
các bánh xe. Guốc phanh tác dụng ngƣợc lên píttông xylanh công tác một lực, lực này (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
sinh ra áp suất P xl4 phản hồi lại cụm van
Hợp lực phản hồi của áp suất Px13, áp suất P xl4 là áp suất P2 tác động lại
pít tông thứ cấp xy lanh chính tạo thành một dòng kín trong hệ thống phanh thuỷ lực.
trong đƣờng ống dẫn, lực căng của các lò xo trong hệ thống; nghĩa là phải tính đến khối đƣờng ống ở vị trí trƣớc van điều khiển và trƣớc xy lanh công tác cũng nhƣ có lò xo trong pít tông xy lanh chính, trong cơ cấu phanh. Tuy nhiên, để đơn giản mô hình mô phỏng ta đã bỏ qua sức cản của dầu, bỏ qua lực căng của các lò xo trong hệ thống.
Trong luận văn này ta sử dụng mô hình động lực học của ô tô theo quĩ đạo thẳng dẫn động phanh 2 dòng; sơ đồ mô phỏng trên hình.
Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển phanh ABS
3.3 Mô phỏng các cụm của hệ thống 3.3.1 Xy lanh chính 3.3.1 Xy lanh chính
Ngƣời lái đạp bàn đạp phanh, bàn đạp dịch chuyển tác động tới bầu trợ lực và ở
đầu ra có lực Fmc tác động vào pít tông xy lanh chính, làm cho nó dịch chuyển. Mô
Hình 3.3: Mô hình mô phỏng xy lanh chính
Độ dịch chuyển X1 của pít tông xy lanh chính đƣợc xác định từ phƣơng
trình chuyển động:
Trong đó: m1: khối lƣợng pít tông sơ cấp của xy lanh chính (kg)
m2: khối lƣợng pít tông thứ cấp của xy lanh chính (kg)
Fmc: lực của bộ trợ lực tác động vào pít tông xy lanh chính (N)
P1: áp suất dầu trong khoang sơ cấp xy lanh chính (N/m2)
P2: áp suất dầu trong khoang thứ cấp xy lanh chính (N/m2)
Amc: diện tích bề mặt làm việc của pít tông (m2
Fms1: lực ma sát nhớt giữa pít tông sơ cấp với thành xy lanh (N )
Fms2: lực ma sát nhớt giữa pít tông thứ cấp với thành xy lanh (N )
μ: hệ số cản nhớt của dầu (Kgm/s)
Lƣu lƣợng dầu Q1 từ xy lanh chính chảy đến cụm van 1 của cơ cấu chấp
hành ABS.đƣợc xác định:
Q1= Amc. X1 + Qb (3.4)
Qb = QT1 +QT 2
Lƣu lƣợng dầu Q2 từ xy lanh chính chảy đến cụm van 2 của cơ cấu chấp
hành ABS đƣợc xác định: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Q2= Amc + Qb (3.5) Trong đó:
-X1: vận tốc dịch chuyển của pít tông sơ cấp xy lanh chính (m)
- : vận tốc dịch chuyển của pít tong thứ cấp xy lanh chính(m)
-Qb: lƣu lƣợng dầu bù do bơm chuyển về từ thùng chứa dầu hồi (m3
/s)
-Q1T: lƣu lƣợng dầu chảy qua van về thùng chứa dầu hồi của cơ cấu chấp
hành bánh trƣớc bên trái
-Q2T: lƣu lƣợng dầu chảy qua van về thùng chứa dầu hồi của cơ cấu chấp
hành bánh sau bên phải
* Áp suất dầu trong khoang sơ cấp xy lanh chính được xác định:
Trong đó:
-K: môđun đàn hồi của dầu phanh, kể ảnh hƣởng độ cứng của đƣờng ống
dẫn K=2.109(N/m2)
-V: thể tích làm việc của xy lanh chính kể cả thể tích của đƣờng ống và
phần không gian của van điều khiển nối chung vói nó (m3
)
V=V k1+ VR1+ Vvan (3.8)
Với Vk1 là thể tích công tác của xy lanh chính (m3)
Vk1 = Amc. lxl (3.9)
Trong đó:
lxl: chiều dài làm việc của pít tông trong xy lanh chính.
VR1: thể tích đoạn đƣờng ống nối từ xy lanh chính đến van điều khiển đƣợc xác định
VR1=π.D l2 1 (m3) (3.10) Trong đó:
-D: đƣờng kính ống dẫn dầu (m)
-l1: chiều dài ống dẫn dầu (m)
-Vvan: thể tích của van (m3)
Nhƣ vậy, mô hình mô phỏng khối “xy lanh chính” dẫn động dòng 2 gồm:
+ Fmc lực của bộ trợ lực tác động vào pít tông xy lanh chính (N)
+ P1 áp suất dầu trong khoang sơ cấp xy lanh chính (N/m2).
+ P2 áp suất dầu trong khoang thứ cấp xy lanh chính (N/m2) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
-Đầu ra của khối gồm:
+ Q1 lƣu lƣợng dầu từ khoang sơ cấp xy lanh chính chảy đến cụm van 1 của
cơ cấu chấp hành ABS (m3
/s)
+ Q2 lƣu lƣợng dầu từ khoang thứ cấp xy lanh chính chảy đến cụm van 2
của cơ cấu chấp hành ABS (m3/s)
-X1 độ dịch chuyển của pít tông sơ cấp xi lanh chính (m);
-X2 độ dịch chuyển của pít tông thứ cấp xi lanh chính (m)
3.3.2. Khối cụm van điều khiển (ABS)
Khối cụm van điều khiển (cơ cấu chấp hành của ABS) gồm 2 khối con, tƣơng ứng là cụm van 1 và cụm van 2, mỗi cụm nằm trên 1 dòng dẫn động mô phanh riêng biệt nhƣng điều khiển theo nguyên lý hoàn toàn tƣơng tự nhau. Trong mô hình mô phỏng, chỉ xét quá trình điều khiển cụm van 1, điều khiển bánh cơ cấu phanh bánh trƣớc bên trái và bánh sau bên phải.
Lƣu lƣợng dầu Q1 từ xy lanh chính theo dòng phanh thứ nhất qua cụm van 1 đƣợc đẩy đến cơ cấu phanh bánh xe theo hai nhánh:
-Nhánh 1 đến xy lanh công tác của cơ cấu phanh bánh trƣớc bên trái lƣu
lƣợng Q11, tại đây áp suất dầu sinh ra là Pxl1.
-Nhánh 2 đến xy lanh công tác của cơ cấu phanh bánh sau bên phải lƣu
lƣợng Q12, tại đây áp suất dầu sinh ra là Pxl2.
Phƣơng trình mô tả các đại lƣợng nhƣ sau:
Lƣu lƣợng dầu từ van điều khiển đến xy lanh công tác của cơ cấu phanh tuỳ theo trạng thái làm việc của van điều khiển tăng áp và đƣợc điều khiển bởi ECU. Đƣợc xác định:
(3.11) Trong đó:
-Qd: lƣu lƣợng danh nghĩa của van điều khiển (m3
/s).
-δ: hệ số thể hiện sự đóng mở của van điều khiển
-∆Pd: độ chênh áp danh nghĩa của van điều khiển (N/m2)
-P1: áp suất dầu ở phía trƣớc van điều khiển (N/m2); - Pxl1: áp suất tại xy lanh
công tác bánh trƣớc trái (N/m2).
(3.12)
-Pxl2: áp suất tại xy lanh công tác bánh sau phải (N/m2)
Lƣu lƣợng dầu chảy qua van giảm áp về thùng chứa dầu hồi cơ cấu phanh chấp hành bánh trƣớc bên trái là Q1T, bánh sau bên phải là Q2T phụ thuộc vào trạng thái làm việc của van điều khiển. Đƣợc xác định:
-PT: áp suất của thùng chứa dầu hồi, để đơn giản ta chọn PT= 0.
Lƣu lƣợng dầu chảy qua van không đáp ứng tức thời với tín hiệu điều khiển van do sự quán tính của van và của chất lỏng. Ở đây ta giả thiết tổng số thời gian của cụm van là T = 0,003 (giây).
2 đƣợc đẩy đến cơ cấu phanh bánh xe theo hai nhánh: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
-Nhánh 1 đến xy lanh công tác của cơ cấu phanh bánh trƣớc bên phải lƣu
lƣợng Q21, tại đây áp suất dầu sinh ra là Pxl3.
-Nhánh 2 đến xy lanh công tác của cơ cấu phanh bánh sau bên trái lƣu
lƣợng Q22, tại đây áp suất dầu sinh ra là Pxl4.
Phƣơng trình mô tả các đại lƣợng nhƣ sau:
Lƣu lƣợng dầu từ van điều khiển đến xy lanh công tác của cơ cấu phanh tuỳ theo trạng thái làm việc của van điều khiển tăng áp và đƣợc điều khiển bởi ECU. Đƣợc xác định:
Q21= Qd.δ. (m3/s) (3.15)
Trong đó:
-Qd: lƣu lƣợng danh nghĩa của van điều khiển (m3
/s)
-δ: hệ số thể hiện sự đóng mở của van điều khiển