Đồ án: Ứng dụng Matlab Simulink mô phỏng hệ thống phanh ABS trên xe du lịch

Đồ án mô phỏng hệ thống phanh ABS trên xe du lịch bằng Matlab Simulink. Phân tích nguyên lý, xây dựng mô hình và đánh giá hiệu quả hoạt động.

• Tác giả: Nguyễn Trọng Khương
• Người hướng dẫn: Ths. Đồng Minh Tuấn
• Trường học: Trường ĐHSPKT Hưng Yên
• Chuyên ngành: Ô tô
• Đề tài: Ứng dụng phần mềm Matlab-Simulink mô phỏng hệ thống phanh ABS trên xe du lịch
• Loại tài liệu: Đồ án
• Năm xuất bản: 2009
• Địa điểm: Hưng Yên

Tóm tắt

I. Tổng quan đồ án phanh ABS Hướng dẫn từ A Z cho sinh viên

Đồ án phanh ABS là một chủ đề nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật ô tô, đặc biệt là các đồ án tốt nghiệp ô tô. Chủ đề này không chỉ mang tính học thuật cao mà còn có ứng dụng thực tiễn sâu sắc, góp phần nâng cao an toàn chủ động cho phương tiện. Trọng tâm của các đồ án này là việc xây dựng và mô phỏng hệ thống ô tô nhằm phân tích, đánh giá hiệu quả của hệ thống chống bó cứng phanh (Anti-lock Braking System). Việc ứng dụng phần mềm Matlab Simulink để thực hiện mô phỏng đã trở thành một phương pháp tiêu chuẩn, cho phép sinh viên và nhà nghiên cứu kiểm chứng các lý thuyết phức tạp một cách trực quan. Nội dung cốt lõi của một đồ án phanh ABS thường bao gồm ba phần chính: xây dựng cơ sở lý thuyết về động lực học phanh, thiết kế mô hình mô phỏng trên Simulink, và cuối cùng là phân tích kết quả thu được. Cơ sở lý thuyết tập trung vào các phương trình động lực học, mối quan hệ giữa lực phanh tối ưu và hệ số bám đường, cũng như vai trò của độ trượt bánh xe (wheel slip). Phần mô phỏng yêu cầu kiến thức về các công cụ như Simscape Driveline, Stateflow, và khả năng viết S-Function trong Simulink để mô tả các thành phần phức tạp. Cuối cùng, một báo cáo đồ án phanh ABS hoàn chỉnh phải trình bày được các kết quả mô phỏng dưới nhiều điều kiện vận hành khác nhau, từ đó rút ra kết luận về tính hiệu quả của thuật toán điều khiển được áp dụng. Đề tài này không chỉ giúp sinh viên nắm vững kiến thức chuyên ngành mà còn rèn luyện kỹ năng sử dụng các công cụ mô phỏng hiện đại, một yêu cầu tất yếu trong ngành công nghiệp ô tô ngày nay.

1.1. Tầm quan trọng của hệ thống chống bó cứng phanh trong an toàn

An toàn là yếu tố hàng đầu trong thiết kế ô tô hiện đại. Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) đóng vai trò là một trong những công nghệ an toàn chủ động cốt lõi, giúp ngăn ngừa tai nạn giao thông. Theo tài liệu nghiên cứu, khoảng 10% các vụ tai nạn xảy ra khi phanh khẩn cấp, tài xế đạp phanh đột ngột gây ra hiện tượng bánh xe bị khóa cứng, dẫn đến trượt và mất lái. ABS ra đời để giải quyết triệt để vấn đề này. Nguyên lý cơ bản của ABS là điều chỉnh áp suất dầu phanh một cách liên tục, giữ cho bánh xe không bị bó cứng hoàn toàn. Điều này cho phép bánh xe tiếp tục lăn trong khi vẫn giảm tốc, duy trì được khả năng bám đường và quan trọng nhất là khả năng điều khiển hướng của xe. Nhờ vậy, người lái có thể đánh lái để tránh chướng ngại vật ngay cả khi đang phanh gấp. Tầm quan trọng của ABS càng được thể hiện rõ trên các bề mặt đường có hệ số bám đường thấp như đường ướt, trơn trượt hoặc băng tuyết, nơi mà hiện tượng bó cứng bánh xe rất dễ xảy ra.

1.2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đồ án mô phỏng phanh ABS

Mục tiêu chính của một đồ án phanh ABS là xây dựng cơ sở lý thuyết vững chắc và áp dụng nó để mô phỏng hệ thống ô tô trên phần mềm Matlab Simulink. Đề tài hướng đến việc phân tích và diễn tả quá trình làm việc của hệ thống, từ đó đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như vận tốc xe và hệ số bám đường đến hiệu quả phanh. Phạm vi nghiên cứu thường được giới hạn trong hệ thống phanh thủy lực có trang bị ABS trên xe du lịch, một cấu hình điển hình và phổ biến hiện nay. Nội dung nghiên cứu bao gồm: phân tích quá trình chống bó cứng và các thông số đánh giá; trình bày cấu trúc và nguyên lý điều khiển của các thành phần chính như cảm biến tốc độ bánh xe, ECU (Electronic Control Unit), và cơ cấu chấp hành thủy lực; xây dựng mô hình mô phỏng chi tiết và tiến hành phân tích kết quả ở các chế độ làm việc điển hình. Kết quả của đồ án cung cấp một cái nhìn sâu sắc về hiệu quả của phanh ABS, làm cơ sở cho các nghiên cứu cải tiến và phát triển trong tương lai.

II. Phân tích thách thức Hiện tượng bó cứng độ trượt bánh xe

Thách thức lớn nhất đối với một hệ thống phanh truyền thống là hiện tượng bó cứng bánh xe, đặc biệt khi phanh gấp hoặc di chuyển trên mặt đường có độ bám kém. Khi người lái tác dụng một lực phanh quá lớn, mô-men phanh vượt qua giới hạn lực bám giữa lốp xe và mặt đường. Tại thời điểm này, bánh xe ngừng quay và bắt đầu trượt lết trên đường. Hiện tượng này dẫn đến hai hệ quả tiêu cực nghiêm trọng. Thứ nhất, quãng đường phanh bị kéo dài. Điều này có vẻ phản trực giác, nhưng các nghiên cứu động lực học đã chỉ ra rằng hệ số bám đường (hay lực ma sát) giữa lốp và mặt đường đạt giá trị cực đại khi có một độ trượt nhất định, chứ không phải khi trượt hoàn toàn. Khi bánh xe bị bó cứng, độ trượt bánh xe (wheel slip) đạt 100%, và hệ số bám giảm xuống đáng kể, làm giảm lực phanh tối ưu. Thứ hai, và nguy hiểm hơn, là việc mất khả năng điều khiển hướng. Một bánh xe đang trượt không thể tạo ra lực bám ngang, khiến xe không phản ứng với thao tác đánh lái của người lái. Nếu bánh trước bị bó cứng, xe sẽ lao thẳng về phía trước. Nếu bánh sau bị bó cứng, đuôi xe có xu hướng văng ra, gây ra hiện tượng quay vòng thừa và mất ổn định. Việc giải quyết bài toán này đòi hỏi một hệ thống có khả năng can thiệp vào quá trình phanh, điều chỉnh lực phanh một cách thông minh để duy trì độ trượt bánh xe trong khoảng tối ưu, đó chính là nhiệm vụ của hệ thống chống bó cứng phanh ABS.

2.1. Mối quan hệ giữa hệ số bám đường và độ trượt bánh xe

Hiệu quả của quá trình phanh phụ thuộc trực tiếp vào hệ số bám đường, một đại lượng đặc trưng cho ma sát giữa lốp và mặt đường. Tuy nhiên, giá trị này không phải là một hằng số. Nó thay đổi phụ thuộc vào độ trượt bánh xe (wheel slip), được định nghĩa là sự chênh lệch tương đối giữa vận tốc dài của xe và vận tốc quay của bánh xe. Theo các đường đặc tính trượt thực nghiệm, khi độ trượt tăng từ 0%, hệ số bám đường sẽ tăng nhanh và đạt giá trị cực đại trong khoảng độ trượt từ 10% đến 30%. Đây được gọi là vùng trượt tối ưu, nơi lực phanh tối ưu có thể được tạo ra. Nếu độ trượt tiếp tục tăng vượt qua ngưỡng này, hệ số bám sẽ giảm dần. Khi bánh xe bị bó cứng hoàn toàn (độ trượt 100%), hệ số bám có thể giảm tới 20-30% so với giá trị cực đại. Mục tiêu của ABS chính là duy trì độ trượt trong vùng tối ưu này để tối đa hóa hiệu quả phanh.

2.2. Phân tích các lực và mô men tác động lên ô tô khi phanh

Khi phanh, ô tô chịu tác động của một hệ thống lực và mô-men phức tạp. Việc hiểu rõ các phương trình động lực học là nền tảng để xây dựng mô hình toán học phanh ABS. Các lực chính bao gồm: lực phanh sinh ra tại bánh xe, lực quán tính, lực cản không khí, và lực cản lăn. Quan trọng nhất là sự phân bố lại tải trọng giữa cầu trước và cầu sau do tác dụng của lực quán tính. Lực quán tính, tỷ lệ với gia tốc chậm dần, có xu hướng làm tăng tải trọng lên cầu trước và giảm tải trọng lên cầu sau. Điều này dẫn đến khả năng bám của bánh trước tăng lên trong khi của bánh sau giảm đi. Nếu không có sự điều chỉnh, bánh sau sẽ có xu hướng bị bó cứng trước. Đây là lý do tại sao các hệ thống phanh hiện đại, kể cả không có ABS, cũng cần bộ điều hòa lực phanh. Trong một đồ án phanh ABS, việc mô hình hóa chính xác sự thay đổi tải trọng này là cực kỳ quan trọng để mô phỏng đúng hành vi của xe.

III. Phương pháp xây dựng mô hình toán học phanh ABS trên ô tô

Để thực hiện mô phỏng bằng Matlab Simulink, bước đầu tiên và quan trọng nhất là xây dựng một mô hình toán học phanh ABS đủ chính xác. Mô hình này là tập hợp các phương trình động lực học mô tả chuyển động của xe và của từng bánh xe trong quá trình phanh. Mô hình phổ biến nhất được sử dụng là mô hình một phần tư xe (quarter-car model), tập trung vào động lực học của một bánh xe. Mô hình này bao gồm các phương trình mô tả chuyển động tịnh tiến của xe và chuyển động quay của bánh xe. Phương trình chuyển động quay của bánh xe cân bằng giữa mô-men phanh do cơ cấu chấp hành thủy lực tạo ra, mô-men bám từ mặt đường, và mô-men quán tính của bánh xe. Phương trình chuyển động tịnh tiến của xe liên quan đến tổng lực phanh từ tất cả các bánh xe, lực cản không khí và gia tốc chậm dần của xe. Một thành phần quan trọng khác của mô hình toán học là mô hình lốp. Mô hình này, thường được biểu diễn bằng các công thức thực nghiệm như công thức Magic Formula của Pacejka, mô tả mối quan hệ phi tuyến phức tạp giữa lực phanh tối ưu, hệ số bám đường, và độ trượt bánh xe (wheel slip). Việc xây dựng thành công các phương trình này tạo thành nền tảng vững chắc để thiết kế thuật toán điều khiển ABS và triển khai nó trong môi trường Simulink, đảm bảo kết quả mô phỏng phản ánh gần đúng với thực tế.

3.1. Xây dựng phương trình động lực học mô hình một phần tư xe

Mô hình một phần tư xe (quarter-car model) là cách tiếp cận hiệu quả để đơn giản hóa bài toán mà vẫn nắm bắt được các đặc tính động lực học chính. Phương trình động lực học cho bánh xe được viết dựa trên định luật II Newton cho chuyển động quay: Jω̇ = rF_x - T_b, trong đó J là mô-men quán tính của bánh xe, ω̇ là gia tốc góc, r là bán kính bánh xe, F_x là lực bám dọc (lực phanh), và T_b là mô-men phanh. Phương trình cho khối lượng của xe là Mv̇ = -F_x, với M là khối lượng tương đương của một phần tư xe và v̇ là gia tốc tịnh tiến. Độ trượt bánh xe (wheel slip) được tính bằng công thức λ = (v - rω) / v. Các phương trình này tạo thành một hệ phương trình vi phân phi tuyến, là cơ sở để xây dựng khối mô hình trong Simulink.

3.2. Mô hình hóa lực bám và các thành phần của hệ thống ABS

Lực bám F_x là thành phần quan trọng nhất, kết nối động lực học quay và tịnh tiến. Nó được mô hình hóa bằng công thức F_x = μ(λ) * N, trong đó N là lực pháp tuyến và μ(λ) là hệ số bám đường phụ thuộc vào độ trượt λ. Hàm μ(λ) thường được mô phỏng bằng các đường cong thực nghiệm. Bên cạnh đó, các thành phần của hệ thống chống bó cứng phanh cũng cần được mô hình hóa. Cảm biến tốc độ bánh xe được giả định là lý tưởng hoặc có độ trễ nhỏ. ECU (Electronic Control Unit) được mô phỏng bằng một khối điều khiển chứa thuật toán điều khiển ABS. Cơ cấu chấp hành thủy lực được mô hình hóa như một hệ thống có khả năng thay đổi mô-men phanh T_b theo ba chế độ: tăng, giữ, và giảm áp suất, dựa trên tín hiệu từ bộ điều khiển.

IV. Hướng dẫn mô phỏng hệ thống phanh ABS bằng Matlab Simulink

Sau khi có mô hình toán học phanh ABS, bước tiếp theo là triển khai mô phỏng trên Matlab Simulink. Đây là công cụ mạnh mẽ cho phép xây dựng mô hình dưới dạng sơ đồ khối trực quan, giúp việc mô phỏng hệ thống ô tô trở nên dễ dàng hơn. Quá trình mô phỏng bắt đầu bằng việc tạo một mô hình Simulink mới. Các phương trình động lực học được chuyển thành các khối tính toán. Ví dụ, phương trình vi phân được thực hiện bằng khối Integrator. Các khối Gain, Sum, Product được sử dụng để thực hiện các phép toán đại số. Mô hình lốp, mô tả mối quan hệ giữa hệ số bám đường và độ trượt bánh xe (wheel slip), có thể được xây dựng bằng khối Lookup Table hoặc khối S-Function trong Simulink để xử lý các logic phức tạp. Phần quan trọng nhất là khối điều khiển ABS, nơi thuật toán điều khiển ABS được lập trình. Thuật toán này có thể dựa trên logic ngưỡng gia tốc, bộ điều khiển PID, hoặc các phương pháp tiên tiến hơn như logic mờ (Fuzzy Logic). Công cụ Stateflow rất hữu ích để mô hình hóa logic chuyển trạng thái của bộ điều khiển (tăng áp, giữ áp, giảm áp). Ngoài ra, thư viện Simscape Driveline cung cấp các khối mô hình vật lý chi tiết hơn cho hệ thống truyền động và phanh, cho phép xây dựng mô hình với độ chính xác cao hơn. Việc lấy code Matlab phanh ABS từ các nguồn tham khảo có thể giúp đẩy nhanh quá trình nhưng cần hiểu rõ để tùy chỉnh và phân tích.

4.1. Thiết kế thuật toán điều khiển ABS PID và Logic Mờ

Trái tim của hệ thống ABS là thuật toán điều khiển ABS. Mục tiêu của nó là điều khiển mô-men phanh để duy trì độ trượt λ quanh giá trị tối ưu λ_ref. Một phương pháp phổ biến là sử dụng bộ điều khiển PID. Sai số e = λ_ref - λ được đưa vào bộ điều khiển PID để tạo ra tín hiệu điều khiển áp suất phanh. Tuy nhiên, do tính phi tuyến cao của hệ thống, PID có thể khó tinh chỉnh. Một cách tiếp cận tiên tiến hơn là sử dụng logic mờ (Fuzzy Logic). Bộ điều khiển mờ sử dụng các quy tắc dạng "NẾU-THÌ" dựa trên kinh nghiệm của chuyên gia, ví dụ: "NẾU độ trượt lớn VÀ sai số lớn THÌ giảm áp suất nhanh". Logic mờ tỏ ra hiệu quả hơn trong việc xử lý các điều kiện không chắc chắn và thay đổi của mặt đường, giúp hệ thống thích ứng tốt hơn.

4.2. Sử dụng Stateflow và S Function để mô phỏng bộ điều khiển

Stateflow là một công cụ mạnh mẽ trong Simulink để mô hình hóa các hệ thống dựa trên sự kiện và logic. Nó rất phù hợp để mô phỏng hoạt động của ECU trong hệ thống ABS. Sơ đồ Stateflow có thể bao gồm các trạng thái như 'Tăng_Áp', 'Giữ_Áp', và 'Giảm_Áp'. Việc chuyển đổi giữa các trạng thái này được quyết định bởi các điều kiện dựa trên giá trị của độ trượt bánh xe và gia tốc bánh xe. Trong khi đó, S-Function trong Simulink cho phép người dùng viết các khối Simulink tùy chỉnh bằng ngôn ngữ lập trình như C/C++ hoặc M-code của Matlab. Việc này rất hữu ích khi cần mô phỏng các mô hình toán học phức tạp hoặc các thuật toán không thể biểu diễn dễ dàng bằng các khối Simulink tiêu chuẩn, ví dụ như mô hình lốp Pacejka chi tiết hoặc một thuật toán điều khiển ABS phức tạp.

V. Cách phân tích kết quả mô phỏng cho báo cáo đồ án phanh ABS

Phân tích kết quả là bước cuối cùng và quyết định sự thành công của một đồ án phanh ABS. Sau khi chạy mô phỏng, cần thu thập và trình bày dữ liệu một cách khoa học để chứng minh hiệu quả của hệ thống. Một báo cáo đồ án phanh ABS chất lượng cần so sánh kết quả giữa ba trường hợp: không có ABS (bánh xe bị bó cứng), có ABS với thuật toán đã thiết kế, và trường hợp phanh lý tưởng (duy trì độ trượt chính xác tại điểm tối ưu). Các biểu đồ cần được trình bày bao gồm: vận tốc xe theo thời gian, vận tốc bánh xe theo thời gian, độ trượt bánh xe (wheel slip) theo thời gian, và áp suất/mô-men phanh theo thời gian. Từ các biểu đồ này, có thể tính toán và so sánh các chỉ số quan trọng như quãng đường phanh và thời gian phanh. Phân tích cần chỉ ra rằng, với ABS, vận tốc bánh xe dao động quanh vận tốc xe thay vì giảm đột ngột về không, và độ trượt bánh xe được duy trì trong một dải hẹp quanh giá trị tối ưu. Cần thực hiện mô phỏng dưới nhiều điều kiện khác nhau, chẳng hạn như thay đổi hệ số bám đường (đường khô, đường ướt) hoặc vận tốc ban đầu của xe. Việc so sánh kết quả trong các kịch bản này sẽ chứng tỏ tính mạnh mẽ và khả năng thích ứng của thuật toán điều khiển ABS đã được thiết kế, làm tăng giá trị học thuật và thực tiễn của đồ án.

5.1. So sánh hiệu quả phanh giữa hệ thống có và không có ABS

So sánh trực quan là phương pháp hiệu quả nhất. Cần vẽ các đồ thị chồng lớp để thấy rõ sự khác biệt. Đồ thị vận tốc bánh xe sẽ cho thấy bánh xe trong trường hợp không có ABS bị bó cứng (vận tốc giảm về 0 rất nhanh) trong khi có ABS thì vận tốc bánh xe bám theo vận tốc xe. Đồ thị độ trượt bánh xe (wheel slip) sẽ cho thấy trường hợp không ABS độ trượt nhanh chóng tiến tới 100%, trong khi có ABS độ trượt dao động quanh ngưỡng 20%. Kết quả cuối cùng là quãng đường phanh. Trong hầu hết các trường hợp, đặc biệt là trên đường trơn, hệ thống ABS sẽ cho quãng đường phanh ngắn hơn đáng kể, chứng minh được hiệu quả của hệ thống chống bó cứng phanh.

5.2. Đánh giá khả năng đáp ứng của hệ thống trên các loại mặt đường

Một hệ thống ABS tốt phải hoạt động hiệu quả trên nhiều loại mặt đường. Do đó, cần tiến hành mô phỏng bằng cách thay đổi giá trị hệ số bám đường trong mô hình. Ví dụ, chạy mô phỏng với hệ số bám cao (μ ≈ 0.8, đường khô) và hệ số bám thấp (μ ≈ 0.3, đường ướt). Kết quả phân tích cần chỉ ra rằng bộ điều khiển có khả năng nhận biết và thích ứng với sự thay đổi này. Trên đường bám thấp, chu kỳ điều khiển (tăng-giữ-giảm áp) sẽ diễn ra nhanh hơn và với biên độ nhỏ hơn để tránh bó cứng. Việc chứng minh được khả năng thích ứng này là một điểm cộng lớn cho bất kỳ báo cáo đồ án phanh ABS nào, thể hiện sự hiểu biết sâu sắc về vấn đề điều khiển.

VI. Bí quyết hoàn thiện đồ án tải full code Matlab phanh ABS

Hoàn thiện một đồ án phanh ABS đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết vững chắc, kỹ năng mô phỏng và khả năng phân tích dữ liệu. Một bí quyết quan trọng là bắt đầu từ những mô hình đơn giản nhất, chẳng hạn như mô hình một phần tư xe với thuật toán điều khiển ngưỡng, sau đó mới dần dần nâng cấp độ phức tạp bằng cách thêm các yếu tố như bộ điều khiển PID hoặc logic mờ (Fuzzy Logic). Việc tham khảo các tài liệu nghiên cứu và các đồ án tốt nghiệp ô tô đã được công bố là rất cần thiết để có định hướng đúng đắn. Trong quá trình viết báo cáo, cần trình bày rõ ràng từng bước, từ việc xây dựng mô hình toán học phanh ABS đến triển khai trên Simulink và phân tích kết quả. Sử dụng các công cụ như Stateflow hay Simscape Driveline không chỉ giúp mô hình chính xác hơn mà còn thể hiện năng lực sử dụng công nghệ mới. Đối với nhiều sinh viên, việc tìm kiếm nguồn tham khảo code Matlab phanh ABS là một nhu cầu thiết thực. Các nguồn tài liệu mở, diễn đàn học thuật, hoặc các kho mã nguồn như GitHub là những nơi có thể tìm thấy các đoạn mã hoặc mô hình Simulink mẫu. Tuy nhiên, điều quan trọng là phải hiểu rõ cách thức hoạt động của mã nguồn đó, tùy chỉnh và cải tiến nó cho phù hợp với đề tài của mình, thay vì sao chép một cách máy móc. Một đồ án thành công là một đồ án thể hiện được sự sáng tạo và dấu ấn cá nhân của người thực hiện.

6.1. Hướng phát triển và ứng dụng tương lai cho hệ thống phanh

Công nghệ ABS không ngừng phát triển. Các hướng nghiên cứu tương lai tập trung vào việc tích hợp ABS với các hệ thống an toàn khác như Hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS) và Hệ thống cân bằng điện tử (ESP). Các thuật toán điều khiển ABS ngày càng thông minh hơn, sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (Machine Learning) để dự đoán điều kiện mặt đường và tối ưu hóa lực phanh cho từng bánh xe một cách độc lập và chính xác hơn. Việc nghiên cứu các hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên xe điện, kết hợp chức năng của ABS, cũng là một lĩnh vực đầy tiềm năng, góp phần nâng cao cả an toàn và hiệu suất năng lượng cho phương tiện trong tương lai.

6.2. Tài liệu tham khảo và nguồn tài nguyên cho đồ án tốt nghiệp

Để thực hiện tốt một đồ án tốt nghiệp ô tô về phanh ABS, việc tiếp cận đúng nguồn tài liệu là rất quan trọng. Các nguồn tài liệu học thuật uy tín bao gồm các bài báo khoa học trên IEEE Xplore, ScienceDirect, và các tạp chí chuyên ngành về kỹ thuật ô tô. Sách giáo khoa về Động lực học ô tô và Lý thuyết điều khiển tự động cung cấp nền tảng lý thuyết vững chắc. Đối với phần mô phỏng, tài liệu hướng dẫn chính thức của MathWorks cho Matlab, Simulink, Stateflow, và Simscape Driveline là không thể thiếu. Ngoài ra, các diễn đàn như MATLAB Answers hay các cộng đồng kỹ sư ô tô trên mạng là nơi tuyệt vời để trao đổi, học hỏi kinh nghiệm và tìm kiếm sự trợ giúp khi gặp khó khăn trong quá trình mô phỏng hệ thống ô tô.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Lịch sử phát triển của cơ cấu ABS. Với sự hiểu biết đơn giản và kinh nghiệm, tránh hiện tượng các bánh xe bị hãm cứng trong quá trình phanh khi lái xe trên đường trơn trượt, người lái xe đạp phanh bằng cách nhấn liên tục lên bàn đạp phanh để duy trì lực bám ngăn không cho bánh xe bị trượt lết và đồng thời có thể điều khiển được hướng chuyển động của xe. Về cơ bản chức năng của cơ cấu phanh ABS cũng giống như vậy nhưng hiệu quả, độ chính xác và an toàn cao hơn.

Cơ cấu ABS được sử dụng lần đầu tiên trên các máy bay thương mại vào năm 1949, chống hiện tượng trượt ra khỏi đường băng khi máy bay hạ cánh. Với công nghệ thời đó, kết cấu của cơ cấu ABS còn cồng kềnh, hoạt động không tin cậy và không tác động đủ nhanh trong mọi tình huống. Trong quá trình phát triển ABS đã được cải tiến từ loại cơ khí sang loại điện và hiện nay là loại điện tử. Vào thập niên 60, nhờ kỹ thuật điện tử phát triển, các vi mạch điện tử ra đời, giúp cơ cấu ABS lần đầu tiên được lắp trên ô tô vào năm 1969, sau đó cơ cấu ABS được nhiều công ty sản suất ô tô nghiên cứu và đưa vào ứng dụng vào năm 1970.

Công ty toyota sử dụng lần đầu tiên cho các xe tại Nhật Bản vào năm 1971 đây là cơ cấu ABS một kênh điều khiển đồng thời hai bánh sau. Nhưng phải đến thập niên 80 cơ cấu này mới được phát triển mạnh nhờ cơ cấu điều khiển kĩ thuật số, vi xử lý thay cho các cơ cấu điều khiển tương tự đơn giản trước đó. Lúc đầu cơ cấu ABS chỉ được lắp ráp trên các xe du lịch mới, đắt tiền, được trang bị theo yêu cầu và theo thị trường. Dần dần cơ cấu này đư ợc đưa vào sử dụng rộng rãi hơn, đến nay ABS gần như trở thành tiêu chuẩn bắt buộc cho tất cả các loại xe du lịch và cho phần lớn các loại xe hoạt động ở những vùng có đường băng, tuyết dễ trơn trượt, ngày nay cơ cấu ABS không chỉ được thiết kế trên các cơ cấu phanh thuỷ lực mà còn ứng dụng rộng rãi trên các cơ cấu phanh khí nén của các xe tải và xe khách lớn.

Nhằm nâng cao tính ổn định và tính an toàn của xe trong mọi chế độ hoạt động như khi xe khởi hành hay tăng tốc đột ngột, khi đi vào đường vòng với t ốc độ cao, khi phanh trong những trường hợp khẩn cấp … Cơ cấu ABS còn được thiết kế kết hợp với nhiều cơ cấu khác. Cơ cấu ABS kết hợp với cơ cấu kiểm soát lực kéo Traction Control (hay ASR) làm giảm bớt công suất động cơ và phanh các bánh xe để tránh hiện tượng các bánh xe bị trượt lăn tại chỗ khi xe khởi hành hay tăng tốc đột ngột, bởi điều này làm tổn hao vô ích một phần công suất của động cơ và mất tính ổn định chuyển động của ô tô. Cơ cấu ABS kết hợp với cơ cấu phân phối lực phanh bằng điện tử EBD (Electronic Break force Distribution) nhằm phân phối áp suất dầu phanh đến các bánh xe phù hợp với các chế độ tải trọng và các chế độ chạy của xe. Cơ cấu ABS kết hợp với cơ cấu BAS ( Break Assist System) làm tăng thêmực l phanh ở các bánh xe để quãng đường phanh là ngắn nhất trong trường hợp phanh khẩn cấp.

Cơ cấu ABS kết hợp với cơ cấu ổn định ô tô bằng điện tử (ESP) không chỉ có tác dụng trong khi dừng xe, mà còn can thiệp vào cả quá trình tăng tốc và chuyển động quay vòng của ô tô, giúp nâng cao hiệu quả chuyển động của ô tô trong mọi trường hợp. Ngày nay với sự phát triển vượt bậc và hỗ trợ rất lớn của kĩ thuật điện tử của ngành điều khiển tự động và các phần mềm tính toán, lập trình đã cho phép nghiên cứu và đưa vào ứng dụng các phương pháp điều khiển mới trong ABS như điều khiển mờ, điều khiển thông minh, tối ưu hoá quá trình điều khiển ABS. Các công ty như BOSCH, AISIN, DENCO, BENDI là nh ững công ty đi đầu trong việc nghiên cứu, cải tiến và chế tạo các cơ cấu ABS và cung cấp cho các công ty sản xuất ô tô trên toàn thế giới.2 Các thành tựu đạt được trong lĩnh vực chống bó cứng bánh xe 1. Tình hình nghiên cứu chống bó cứng bánh xe trên thế giới.

Trên thế giới đã có rất nhiều nhà nghiên cứu về lĩnh vực này ví dụ như : Asami, K. Traction Control (TRC) System for 1987 Toyota Crown. Nonlinear Sliding mode controller with pulse width modulation for vehicular slip ratio control. Proceedings of the KSAE 1999 Spring Annual Meeting.

The ‘Lexus’ Traction Control (TRAC) System. A Sliding Mode Controller for Wheel Slip Ratio Control System. Vehicl Systems Dynamics, Vol. Vehicle antilock braking and traction control.

Qua nghiên cứu các đề tài trên, mỗi đề tài có mục tiêu, nội dung phương pháp nghiên cứu khác nhau và đạt được kết quả nhất định trong đó nổi trội nhât là: Công trình nghiên cứu với đề tài (wheel slip control with moving slipding surface for traction control system) của K.SUNWOO đại học Hanyang –seoul -Hàn Quốc (11/4/2004); trong đó tác giả đã phân tích được quá trình điều khiển, tiến hành mô phỏng bằng phần mềm Matlap- Simulink và được thử nghiệm trên xe điện (electric kart) công trình đã đạt được : - Đã tính tới yếu tố thời gian tăng tốc và thời gian phản ứng của hệ thống - Mô phỏng được quá trình điều khiển - Kiểm nghiệm trong phòng thí nghiệm trên loại xe điện nhỏ Hạn chế của đề tài : - Mới chỉ kiểm nghiệm dưới dạng mô hình đơn giản 1. Tình hình nghiên cứu chống bó cứng bánh xe ở Việt Nam. Những kết quả nghiên cứu về về hệ thống chống bó cứng bánh xe trên ô tô ở việt nam đến nay còn rất nhiều hạn chế,chưa có công trình chuyên sâu nghiên cứu tổng thể về hệ thống .Một số công trình đã được thực hiện ở Việt Nam hoặc ở nước ngoài của các tác giả Việt Nam chủ yếu đi sâu vào nghiên cứu một phần trong hệ thống như hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh như: Đề tài: Nghiên cứu hệ thống phanh ABS trên cơ sở hệ thống thử nghiệm tương đương, thực hiện năm 2005; Đề tài : Mô phỏng hệ dẫn động phanh dầu sử dụng trợ lực chân không, thực hiện năm 2005; Đề tài: Thiết kế chế tạo mô hình hệ thống phanh chống hãm cứng bánh xe, thực hiện năm 2006; Đề tài “Tổng hợp bộ điều khiển điện tử và mô phỏng hệ thống phanh có ABS trên ô tô du lịch” của tác giả anh Vũ. Nhìn chung với các hiểu biết chưa nhiều ở nước ta, đề tài mong muốn tham gia một phần trong mảng nghiên cứu chống trượt quay bánh xe giúp ô tô tăng khả năng tăng tốc trên đường đặc biệt là đường có hệ số bám thấp.

Đây là vấn đề liên quan đến an toàn giao thông khi điều kiện đường xá nước ta còn chưa phát triển và tạo điều kiện cho xe có khả năng tăng tốc tốt khi điều kiện thời tiết xấu. Để khắc phục những hiện tượng đó, phần lớn các ô tô con sang trọng hiện nay đều được trang bị hệ thống chống trượt quay bánh xe, gọi tắt là ASR (Traction Control System). Tại thị trường ô tô Việt Nam rất ít hãng trang bị hệ thống này trên ôtô chỉ có vài hãng như: BMW, GM Daewoo,Toyota. Nội dung , nhiệm vụ của đề tài 1.Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu quá trình điều khiển của hệ thống chống bó cứng bánh xe (ABS) trên xe du lịch.

- Mô phỏng và diễn tả quá trình làm việc của hệ thống chống bó cứng bánh xe bằng Simulink, từ đó phân tích yếu tố như: vận tốc chuyển động của xe, hệ số bám bánh xe với mặt đường đến quá trình phanh ôtô - Đánh giá kết quả mô phỏng các chế độ làm việc điển hình 1. Nội dung nghiên cứu - Một là : Phân tích làm rõ quá trình chống bó cứng bánh xe và thông số đánh giá, từ đó phân tích hệ số bám của bánh xe với mặt đường và ảnh hưởng của nó đến quá trình phanh ôtô - Hai là : Trình bày quá trình điều khiển và mô tả các phần tử chính của hệ thống phanh chống bó cứng bánh xe(ABS). - Ba là : Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống chống bó cứng bánh xe ABS và tiến hành mô phỏng quá trình làm việc ở một số chế độ làm việc điển hình - Bốn là : Phân tích kết quả mô phỏng. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu 1.

Phạm vi nghiên cứu. Do giới hạn về thời gian và kinh phí, nên phạm vi nghiên cứu của đề tài được giới hạn ở hệ thống phanh thuỷ lực có trang bị cơ cấu ABS trên xe đu lịch, đây là cơ cấu phanh điển hình được trang bị cơ cấu ABS nhiều trên các xe hiện nay. Phương pháp nghiên cứu Với mục tiêu là “mô phỏng cơ cấu phanh ABS bằng simulink” để phục vụ công tác nghiên cứu và giảng dạy, nên phương pháp nghiên cứu chính ở đây là phương phá p tham khảo tài liệu kết hợp với phương pháp thực nghiệm, phù hợp với nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài. Dựa trên các nguồn tài liệu liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu của đề tài, tiến hành chọn lọc, phân tích và cơ cấu hóa, giải thích bản chất vật lý của các hiện tượng xảy ra trong quá trình phanh, từ đó có những phân tích đánh giá tính hiệu quả và phạm vi ứng dụng của cơ cấu ABS, giúp người đọc nắm được một cách có cơ cấu bản chất hoạt động của cơ cấu.

Sử dụng phương pháp nghiên cứu để xây dựng mô hình hoạt động của cơ cấu ABS và giải thích cơ chế các quá trình điều khiển của ABS. Mục tiêu của đề tài Trước những yêu cầu cấp thiết đó về sự an toàn và chất lượng điều khiển thì đề tài ”mô phỏng hệ thống phanh ABS trên xe du lịch” được thực hiện với mục tiêu sau * Mục tiêu: - Nghiên cứu quá trình điều khiển của hệ thống chống bó cứng bánh xe (ABS) trên xe du lịch. - Mô phỏng và diễn tả quá trình làm việc của hệ thống chống bó cứng bánh xe bằng Simulink, từ đó phân tích ảnh hưởng của các yếu tố như: vận tốc chuyển động của xe, hệ số bám bánh xe với mặt đường.đến quá trình phanh ôtô - Đánh giá kết quả mô phỏng các chế độ làm việc điển hình CHƯƠNG II HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG BÁNH XE ABS 2.