Hình 3.9. Thơng số khối Speed Limit
Khối Actuator:
Tín hiệu từ Brake Control sẽ được truyền vào Actuator, sau đó qua khối “Gain” có giá trị là 1 với hai bánh trước và 0,4 với hai bánh sau để đảm bảo nguyên tắc phân bố tải trọng khi phanh nhầm đạt hiệu quả phanh tốt nhất, sau đó các hệ số này được nhân với giá trị áp suất xy lanh phanh chính. Tiếp theo các giá trị này sẽ được biến đổi và tạo độ trễ (theo giá trị 0,06) trước khi đưa vào Process (Carsim S-Function 2) bằng hàm truyền (Transfer Fcn). Áp suất xy lanh bánh xe sau đó được trả về mơi trường Carsim và được áp dụng lên từng bánh xe để tiến hành quá trình vận hành của hệ thống ABS trên xe trong cửa sổ mô phỏng.
3.3. Điều khiển TCS
3.3.1. Xây dựng mơ hình của hệ thống TCS
Hình 3.11. Mơ hình hệ thống TCS
Nguyên lý hoạt động:
Điều khiển momen xoắn động cơ: Bộ điều khiển TCS liên tục nhận cảm biến tốc độ bánh xe và nó cũng liên tục tính tốc độ của từng bánh xe. Cùng lúc đó nó ước lượng tốc độ xe trên cơ sở tốc độ của 2 bánh bị động và đặt ra một tốc độ điều khiển tiêu chuẩn. Đối với can thiệp thông qua các đơn vị điều khiển động cơ, TCS đã xác định được mơmen xoắn thực tế của động cơ để tính tốn một mơ-men xoắn lý thuyết của động cơ. Điều này được chuyển đến các đơn vị điều khiển động cơ như bướm ga phụ, hệ thống phun xăng đánh lửa, có thể cả hộp số…
Điều khiển q trình phanh: Khi nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ bánh xe bộ điều khiển ABS sẽ tính tốn và đưa ra tín hiệu tới bộ chấp hành phanh khi có độ trượt. Khi đó bộ chấp hành phanh sẽ tăng giảm áp xuất dầu phanh để phanh cái bánh xe sao cho xe hoạt động ổn định nhất.
3.3.2. Mơ hình hóa hệ thống TCS Matlab Simulink
Xe tăng tốc khi mở bướm ga, nhờ vào các cảm biến tốc độ, tốc độ bánh xe và tốc độ xe sẽ được gửi vào bộ điều khiển TCS, bộ điều khiển TCS xử lý thơng tin từ tín hiệu truyền tới rồi tín hiệu qua bộ truyền động phanh. Thơng tin tín hiệu áp suất xy lanh chính truyền trực tiếp tới bộ truyền động phanh. Sau đó bộ phân truyền động phanh sẽ xử lý thông tin để điều khiên áp suất ở 4 bánh xe.
Hình 3.12. Sơ đồ khối bộ điều khiển hệ thống TCS
Khối Process:
Đầu vào gồm: Tín hiệu điều khiển giảm momen động cơ của ESC (IMP_ESC_ENGINE_CON_STATE), tín hiệu điều khiển momen động cơ của ESC (IMP_MENGINE_ESC_REQUEST), áp suất phanh tại các bánh xe (IMP_PBK_L1/R1/L2/R2)
Hình 3.14. Đầu vào khối Process
Đầu ra gồm: tốc độ của các bánh xe (Vx_L1/R1/L2/R2), tốc độ xe (Vx_SM), momen trục khuỷu động cơ (M_Eng_In), momen trục khuỷu yêu cầu bởi tài xế (M_Eng_Rq)
Hình 3.15. Đầu ra khối Process
Khối Controller:
Hình 3.17. Sơ đồ khối tính toán độ trượt và kiểm soát vận tốc xe
Sau khi tính tốn độ trượt (khi phanh) ở mỗi bánh xe, ta truyền vào bộ Relay (ON/OFF) được chia ra thành hai phần là bánh xe ở phía trước và bánh xe ở phía sau. Trong đó, ‘1’ là nhả lực phanh, ‘-1’ là tác dụng lực phanh vào. Sau đó đi qua bộ Speed Limit, bộ này có nhiệm vụ kiểm sốt tốc độ xe thơng qua tín hiệu ON/OFF của Relay và tín hiệu tăng (‘-1’ là tác dụng thêm lực phanh) và ở bộ này cài đặt tốc độ xe dưới 1,5 km/h thì bộ điều khiển ABS khơng hoạt động nữa. Từ bộ Speed Limit truyền tín hiệu (ON/OFF) tới bộ điều khiển 4 bánh xe qua bộ truyền động phanh.
Hình 3.18. Sơ đồ tính áp suất phanh đến các bánh xe
Áp suất xy lanh chính (Master Cylinder Pressure) có giá trị lớn nhất 10MPa sẽ được truyền đến các bánh xe thông qua khối MUX. Từ những giá trị độ trượt khác nhau mà ta sẽ có những M/C Pressure khác nhau thơng qua khối Look–up Table. Sau đó, áp suất này sẽ đi lần lượt đến các bánh xe.
Hình 3.19. Khối xử lý tín hiệu ESC
Hệ thống ESC sẽ nhận yêu cầu của xe mà phân tích để điều chỉnh momen ra cho cần thiết. Trong đó nếu “max” tín hiệu điều khiển 4 bánh xe bé hơn 0,001 thì sẽ giảm momen thông qua khối Transfer Fcn (hệ số trước s là thời gian trễ của cơ cấu cơ khí để điều chỉnh), từ đó momen tại đầu ra của “ESC request” sẽ tăng. Sau đó tổng của 2 giá trị momen của xe và giá trị cần thay đổi sẽ được gửi đến Process (Carsim S-Function).
Khối Actuator:
Hai tín hiệu điều khiển và áp suất phanh từ bộ phận điều khiển sẽ được gửi trực tiếp đến cơ cấu chấp hành.
Hình 3.20. Sơ đồ khối Actuator
Bộ điều khiển phanh sau khi xử lí cơ bản hệ thống phanh đến mỗi bánh xe thơng qua khối demux thì sẽ chia tín hiệu ra mỗi bánh xe theo thứ tự bánh phía trước bên trái (L1), bánh phía trước bên phải (R1), bánh phía sau bên trái (L2) và bánh phía sau bên phải (R2) tất cả phải đi qua Relay để đưa tín hiệu về hai tín hiệu “0” và “1” trong hệ thống phanh và qua bộ “Gain” để phân biệt phía sau và trước. Sau đó tín hiệu đó nhân với áp suất xy lanh chính từ bộ điều khiển gửi qua, sau đó đi tới Transfer Fcn là hàm truyền thể hiện sự biến đổi
để nhận được áp suất xy lanh bánh xe W/C cylinder với độ trễ (0,2) của cơ cấu cơ học (Thủy lực) của dầu truyền đến các cơ cấu phanh của bánh xe.
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN PHẦN MỀM SIMULINK/CARSIM
Để kết luận trực quan về kết quả hệ thống ta tiến hành đưa hệ thống điều khiển đã thiết kế Simulink vào Carsim để tiến hành mơ phỏng. Hệ thống có thể hoạt động khác với thực tế tuy nhiên nó cũng phản ánh đúng với các phương pháp điều khiển đã thiết lập.
4.1. Các trường hợp mô phỏng hệ thống ABS bằng Simulink/Carsim
4.1.1. Mơ phỏng ABS trên đường có 2 hệ số bám khác nhau4.1.1.1. Các bước thiết lập 4.1.1.1. Các bước thiết lập
Bước 1: Chọn một dataset phù hợp với case study để dễ dàng cho việc chỉnh thơng số. Sau đó tạo một dataset mới copy trên dataset đã chọn trước đó.
Ví dụ: Chọn dataset Braking – Slip Mu: ABS, Sau đó ấn tổ hợp phím Ctrl + N để tạo một dataset mới và đặt tên cho case study của chúng ta.
Bước 2: Sau khi tạo được một case study mới bắt đầu thay đổi thơng số.
Hình 4.2. Thay đổi các thông số
- (1): Thay đổi bộ điều khiển Simulink:
+ Đầu tiên chúng ta copy and link Simulink hệ thống ABS của hệ thống để khi thay đổi không ảnh hưởng đến bộ điều khiển của hệ thống.
+ Sau khi tạo một Simulink mới, chúng ta nhấp vào và thay đổi đường dẫn simulink, các đầu nhận và xuất của chúng ta.
Hình 4.4. Thay đổi đường dẫn Simulink
+ (1.1): Chọn vào 3 chấm và thay đổi đường dẫn simulink của chúng ta.
+ (1.2): Copy and link Import Channels và Export Channels để việc thay đổi không ảnh hưởng tới hệ thống.
Import Channels: Ở hệ thống ABS nhóm sử dụng 4 chân input.
Export Channels: Ở hệ thống ABS nhóm sử dụng 6 chân output.
Hình 4.6. Các chân output ABS
- (2): Copy and link thông số kết cấu xe, loại xe.
Ở hệ thống ABS nhóm sử dụng xe B-Class, HatchBack 2017:
Hình 4.7. Copy and link thơng số xe
- (3): Copy and link phương thức vận hành/Procedure.
Ở đây với mỗi trường hợp chúng ta có mỗi chế độ chạy trên mỗi loại đường nên nhóm em sẽ tạo từng trường hợp riêng.
Hình 4.8. Copy and link phương thức vận hành
Các thơng tin cài đặt: Phương thức vận hành/Procedure:
Hình 4.9. Phương thức vận hành
+ Đóng bướm ga hồn tồn.
+ Tác dụng bàn đạp phanh để áp suất phanh đạt 15 MPa trong 0,3 giây. + Xe chạy với toàn bộ tay số.
+ Khơng đánh lái.
- (2): Loại đường: Đường thẳng có hệ số bám khác nhau ở 2 mặt đường, mặt đường bên trái có hệ số bám 0,2, mặt đường bên phải có hệ số bám 0,5
Hình 4.10. Thiết lập loại đường
Thơng số kết cấu, loại xe: Xe có ABS:
- (1): Sử dụng bộ điều khiển ABS bằng Simulink của nhóm đã link ban đầu. - (2): Giữ nguyên thông số kết cấu của xe.
Hình 4.11. Thiết lập xe ABS
Đối với xe khơng có ABS:
- (1): Tạo một dataset mới “No ABS case 1”. - (2): Tắt bộ điều khiển ABS bằng Simulink.
- (3): Tạo một xe mới cùng loại với xe có hệ thống ABS nhưng tắt chế độ ABS đi.
Hình 4.12. Thiết lập xe khơng có ABS
Bước 3: Thực hiện chạy và so sánh:
- (1): Bấm “Run now/Run Math Model” ở cả 2 case “ABS case 1” và “No ABS case 1” để hệ thống chạy lại những thông số đã thay đổi.
- (2): Tích mở Overlay videos, sau đó chọn “No ABS case 1” để có thể chạy cùng lúc nhiều trường hợp.
Hình 4.13. Thực hiện chạy và so sánh
4.1.1.2. Phân tích đồ thị kết quả đạt được
Ở trường hợp xe chạy trên đường có hệ số bám khác nhau ở 2 mặt đường, nhóm sẽ sử dụng 2 đồ thị “Vận tốc mỗi bánh xe” và “Áp suất phanh mỗi bánh xe” để phân tích và giải thích.
Xe khơng ABS: Nhìn vào đồ thị vận tốc dài của xe có thể thấy xe đang giảm tốc một cách không kiểm sốt, khơng ổn định. Cịn ở vận tốc của 4 bánh xe sau khi phanh bị bó bị cứng nên giảm nhanh về 0 km/h làm mất khả năng phanh của xe.
Xe có ABS: Về đồ thị vận tốc dài của xe giảm dần một cách ổn định. Nhìn vào đồ thị vận tốc của các bánh xe có thể thấy tốc độ của các bánh xe ln được kiểm sốt giảm dần theo vận tốc của xe làm cho xe có thể phanh trên mặt đường.
Hình 4.15. Đồ thị áp suất phanh mỗi bánh xe
Xe khơng có ABS: Áp suất phanh ở các bánh xe sẽ nhận hoàn toàn áp suất mà khi người lái đạp phanh. Trong trường hợp này nhóm thiết lập phanh đạt 15 MPa trong 0,3 giây và áp phanh ở 2 bánh trước nhận hồn tồn lực phanh, cịn 2 bánh sau sẽ nhận 6 MPa (tuân theo nguyên tắc phân bố trọng lượng xe khi phanh). Trong trường hợp mặt đường trơn và có hệ số bám khác nhau với áp suất phanh như vậy sẽ làm xe mất độ bám khơng cịn khả năng phanh.
Xe có ABS: Áp suất phanh ở các bánh xe sẽ bị hệ thống ABS kiểm sốt, ln đảm bảo lực phanh bé hơn lực bám bằng cách nhấp nhả phanh liên tục đến khi xe dừng hẳn.
Hình 4.16. Đồ thị hệ số trượt ở các bánh xe của xe có ABS và khơng ABS
Ở xe có ABS, hệ thống ABS tác động lực phanh lên các bánh xe và giúp kiểm soát độ trượt tại các bánh xe để đảm bảo bánh xe vẫn lăn tốt trên đường, nhưng theo đồ thị ta thấy, độ vọt lố của hệ số trượt vượt xa ngoài khoảng 5% - 10% đã thiết lập ở bộ điều khiển vì mặt đường mơ phỏng có hệ số bám rất thấp và độ trễ của hệ thống của hệ thống cơ khí. Mặc dù vậy, xe vẫn sẽ được kiểm soát tốt, tuy nhiên, tần số tác động của bộ điều khiển cao là nhược điểm của bộ điều khiển on – off.
Ở xe khơng có ABS, các bánh xe nhận hồn tồn lực phanh và lập tức bị bó cứng nên hệ số trượt tại các bánh xe đạt giá trị -1, khi xe bị quay vòng, làm vận tốc đổi chiều nên hệ số trượt tại các bánh xe đạt giá trị 1.
4.1.2. Mô phỏng ABS khi xe chạy với vận tốc 120km/h vào cua và phanh4.1.2.1. Các bước thiết lập 4.1.2.1. Các bước thiết lập
Thực hiện tạo case mới “ABS case 2” và “No ABS case 2”. Ở trường hợp này về thông số kết cấu xe và bộ điều khiển ABS bằng Simulink không thay đổi, chúng ta chỉ cần thiết lập như các bước trên.
Cịn về phương thức vận hành/Procedure thì sẽ cần phải thay đổi chế độ vận hành và loại đường.
Phương thức vận hành/Procedure:
Hình 4.17. Thiết lập phương thức vận hành
- (1): Chế độ vận hành của xe: Vận tốc ban đầu 120 km/h. + Đóng bướm ga hồn tồn.
+ Tác dụng bàn đạp phanh để áp suất phanh đạt 15 MPa trong 0,3 giây. + Xe chạy với tồn bộ tay số.
+ Khơng đánh lái.
- (2): Loại đường là đường cong với hệ số bám là 0,85 trên toàn bộ mặt đường. - (3): Hiệu chỉnh lại các thơng số, vị trí cho phù hợp với đường.
Hình 4.18. Thiết lập vị trí xuất phát
+ Chỉnh lại thời gian phanh cho hợp lý. Ở đây vì chúng ta can thiệp vào thơng số nên cần phải copy and link để tạo một case mới “Spike: 15 MPa @ 0.3 sec. Case 2”. Trong trường hợp này nhóm chỉnh thời gian bắt đầu phanh vào giây thứ 6.
Hình 4.19. Thiết lập thời gian bắt đầu phanh
Thực hiện chạy và so sánh:
- (1): Bấm “Run now/Run Math Model” ở cả 2 case “ABS case 2” và “No ABS case 2” để hệ thống chạy lại những thông số đã thay đổi.
- (2): Tích mở Overlay videos, sau đó chọn “No ABS case 2” để có thể chạy cùng lúc nhiều trường hợp.
Hình 4.20. Thực hiện chạy và so sánh
4.1.2.2. Phân tích đồ thị kết quả đạt được
Ở trường hợp này khi đang đi với tốc độ cao (120 km/h) và vào cua buộc chúng ta phải phanh để tránh bị lật xe.
Xe khơng có ABS: Các bánh xe nhận tồn bộ áp suất phanh khi người điều khiển đạp phanh, làm các bánh xe bị bó cứng dẫn đến tốc độ của các bánh xe giảm nhanh về 0 km/h. Lúc này 2 bánh trước mất đi tính dẫn hướng dẫn đến khi vào cua xe sẽ không đi theo hướng mong muốn mà sẽ văng ra ngồi đường theo lực qn tính.
Xe có ABS: Hệ thống ABS thực hiện việc nhấp nhả phanh liên tục giúp vận tốc bánh xe được kiểm soát theo tốc độ xe nhưng khơng bị bó cứng từ đó bánh xe trước vẫn có thể dẫn hướng theo như mong muốn.
Hình 4.24. Đồ thị hệ số trượt các bánh xe của xe có ABS
Xe có ABS: Để thấy rõ hơn về sự can thiệp của ABS thì ta nhìn vào đồ thị từ giây 6,15 đến 6,55. Hệ thống ABS đã hiệu chỉnh lực phanh trên các bánh xe và kiểm soát độ trượt giúp các bánh xe dẫn hướng vào cua. Nhưng ở đây vẫn có sự vọt lố ngồi khoảng 5% - 10% của hệ thống đã thiết lập ban đầu do bị ảnh hưởng độ trễ của vận hành cơ khí.
Xe khơng có ABS: Vào giây 4,5 xe bắt đầu phanh và vào cua, nhưng ngay sau đó các bánh xe nhận tồn bộ lực phanh dẫn đến bị bó cứng và hệ số trượt giảm nhanh về -1. Làm bánh xe trước khơng cịn tính dẫn hướng, theo quán tính bị văng ra khỏi đường.
4.1.3. Mô phỏng ABS khi xe đi trên đường, đột ngột gặp vật cản, phanh và đánh lái tránhvật cản vật cản
4.1.3.1. Các bước thiết lập
Tiến hành tạo một dataset mới bằng cách copy dataset từ Carsim. Ở dataset này sẽ là dữ liệu mô phỏng của xe có ABS:
Bước 1: Tạo dataset mới.
Hình 4.25. Tạo dataset mới
- (1): Đặt tên Dataset phù hợp.
- (2): Ở Vehicle, thiết lập xe mặc định từ dataset đã copy, khơng chỉnh sửa. - (3): Thiết lập Procedure để có được mặt đường chúng ta mong muốn. - (4): Link Carsim với Simulink với bộ điều khiển “ABS Nhom 1”.