Nghiên cứu và mô phỏng hệ thống ABS TCS sử dụng phần mềm CarSim

Chuyên khảo phân tích Hcmute nghiên cứu và mô phỏng hệ thống abs tcs sử dụng phần mềm carsim, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Nguyễn Văn Quyền
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Phước Sơn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Nghiên Cứu Và Mô Phỏng Hệ Thống ABS/TCS Sử Dụng Phần Mềm CarSim
• Loại tài liệu: báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 0.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài
• 0.2. Lý do chọn đề tài
• 0.3. Mục tiêu đề tài
• 0.4. Phương pháp nghiên cứu
• 0.5. Đối tượng nghiên cứu
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRÊN Ô TÔ
• 1.1. Giới thiệu phần mềm mô phỏng
• 1.1.1. Phần mềm MATLAB/Simulink
• 1.1.2. Phần mềm Carsim
• 1.2. Hệ thống điều khiển tự động trên ô tô
• 1.2.1. Hệ thống điều khiển vòng kín (Closed – Loop Control System)
• 1.2.2. Bộ điều khiển Bang-Bang
• 1.2.3. Bộ điều khiển PID
• 3. CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LỰC KÉO
• 3.1. Tổng quan về hệ thống TCS
• 3.2. Lịch sử phát triển
• 3.3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống TCS
• 3.3.1. Khi phanh bình thường (TCS không hoạt động)
• 3.3.2. Khi tăng tốc (TCS hoạt động)
• 3.4. Mô phỏng hệ thống TCS bằng Carsim
• 3.4.1. Thiết lập điều kiện mô phỏng
• 3.4.2. Thiết lập hệ thống TCS trên Simulink
• 3.4.3. Đánh giá kết quả mô phỏng hệ thống TCS
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Nghiên cứu Mô phỏng Hệ thống ABS TCS bằng Phần mềm CarSim

Nghiên cứu này tập trung vào mô phỏng hệ thống ABS và hệ thống TCS trên ô tô sử dụng phần mềm CarSim. Nghiên cứu mô phỏng này nhằm mục đích phân tích hiệu quả của hai hệ thống này trong việc nâng cao an toàn xe hơi. Đề tài sử dụng phần mềm CarSim như một công cụ mô phỏng phương tiện, cho phép đánh giá hiệu quả của hệ thống phanh xe hơi và hệ thống kiểm soát lực kéo. Mô hình hóa hệ thống ABS và mô hình hóa hệ thống TCS được thực hiện trên MATLAB/Simulink, sau đó được tích hợp và mô phỏng trong CarSim. Kết quả mô phỏng được phân tích để đánh giá hiệu quả của các thuật toán điều khiển, cụ thể là thuật toán ABS và thuật toán TCS, trong điều kiện vận hành khác nhau.

1.1 Tổng quan về Hệ thống ABS và TCS

Hệ thống phanh chống bó cứng (ABS) ngăn bánh xe bị bó cứng khi phanh gấp, giúp duy trì khả năng điều khiển phương tiện. Hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS) giúp ngăn bánh xe bị trượt khi tăng tốc, đảm bảo sự ổn định và an toàn. Mô phỏng hệ thống ABS bao gồm việc thiết lập các thông số của hệ thống, bao gồm cả cảm biến ABS và thuật toán ABS. Tương tự, mô phỏng hệ thống TCS yêu cầu xác định các tham số hệ thống, bao gồm cảm biến TCS và thuật toán TCS. Cả hai hệ thống đều được mô phỏng trong môi trường thực tế ảo của phần mềm CarSim, cho phép đánh giá hiệu quả của chúng trong nhiều điều kiện khác nhau, từ đó góp phần vào việc nâng cao an toàn xe hơi. Mô phỏng phanh ABS và mô phỏng kiểm soát lực kéo TCS được thực hiện bằng cách thay đổi các tham số đầu vào và quan sát các đầu ra. Nghiên cứu so sánh hiệu quả của các thuật toán ABS và thuật toán TCS khác nhau cũng được thực hiện.

1.2 Ứng dụng Phần mềm CarSim trong Mô phỏng

Phần mềm CarSim được lựa chọn vì khả năng mô phỏng chính xác động lực học xe. Ứng dụng CarSim trong mô phỏng cho phép tạo ra một môi trường thực tế ảo để thử nghiệm các hệ thống ABS và TCS. Ngôn ngữ lập trình CarSim cung cấp các công cụ cần thiết để xây dựng và mô phỏng phương tiện. Việc sử dụng CarSim giúp giảm chi phí và thời gian so với việc thử nghiệm trên xe thật. Giải pháp mô phỏng này cung cấp các dữ liệu chi tiết về hiệu suất của hệ thống, bao gồm mô phỏng sự cố ABS, mô phỏng sự cố TCS, mô phỏng sốc ABS, và mô phỏng sốc TCS. Mô hình hóa phương tiện trong CarSim cho phép thực hiện nhiều kịch bản thử nghiệm khác nhau, từ đó đánh giá hiệu quả của hệ thống trong điều kiện vận hành khác nhau. Vị trí của CarSim trong nghiên cứu là không thể thiếu, cung cấp nền tảng mô phỏng phần mềm mạnh mẽ và toàn diện cho việc phân tích hệ thống ABS/TCS.

1.3 Phân tích và Đánh giá Kết quả Mô phỏng

Kết quả mô phỏng hệ thống ABS và mô phỏng hệ thống TCS được phân tích để đánh giá hiệu quả của các hệ thống. Các thông số quan trọng được xem xét bao gồm quãng đường phanh, tốc độ xe, tốc độ bánh xe, và áp suất phanh. Phân tích hệ thống ABS tập trung vào việc đánh giá hiệu quả của hệ thống trong việc ngăn bánh xe bị bó cứng. Phân tích hệ thống TCS tập trung vào việc đánh giá hiệu quả của hệ thống trong việc ngăn bánh xe bị trượt. So sánh hệ thống ABS với hệ thống không có ABS, và so sánh hệ thống TCS với hệ thống không có TCS cho thấy hiệu quả rõ rệt của hai hệ thống này trong việc nâng cao an toàn xe hơi. Hiệu quả hệ thống ABS và hiệu quả hệ thống TCS được đánh giá dựa trên các chỉ số hiệu suất cụ thể. Kỹ thuật ô tô được áp dụng để thiết kế và mô phỏng các hệ thống, kết hợp với công nghệ ô tô tiên tiến.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRÊN Ô TÔ 1. Giới thiệu phần mềm mô phỏng 1. Phần mềm MATLAB/Simulink MATLAB là phần mềm cung cấp môi trường tính toán số và lập trình, do công ty MathWorks thiết kế.

MATLAB cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diện người dùng và liên kết với những chương trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ lập trình khác. Với thư viện Toolbox, MATLAB cho phép mô phỏng tính toán, thực nghiệm nhiều mô hình trong thực tế và kỹ thuật. Simulink là một môi trường lập trình đồ họa dựa trên MATLAB để mô hình hóa, mô phỏng và phân tích các hệ thống động đa miền. Giao diện chính của nó là một công cụ sơ đồ khối đồ họa và một bộ thư viện khối có thể tùy chỉnh.

Nó cung cấp tích hợp chặt chẽ với phần còn lại của môi trường MATLAB và có thể điều khiển MATLAB hoặc được tập lệnh từ nó. Simulink được sử dụng rộng rãi trong điều khiển tự động và xử lý tín hiệu kỹ thuật số để mô phỏng đa miền và thiết kế dựa trên mô hình. Biểu tượng phần mềm MATLAB/Simulink 1. Phần mềm Carsim CarSim là phần mềm được xây dựng và phát triển bởi công ty Mechanical Simulation Corp., có trụ sở tại Ann Arbor, Michigan, chuyên cung cấp các ứng dụng để mô phỏng và tương tác 3D.

Ra mắt từ năm 1996, đến nay CarSim cùng với các phần mềm tính toán khác như TruckSim, BikeSim đã cung cấp cho hơn 30 nhà sản 14 Luan van xuất, 150 trường đại học và các nhóm nghiên cứu trên toàn thế giới. CarSim mô phỏng các chuyển động của xe đua, xe khách, xe tải nhẹ và các loại xe tiện ích. Được dùng để thiết kế, phát triển và kiểm định các hệ thống trên ô tô, CarSim cho phép người dùng có thể thay đổi các thông số, lựa chọn và phân tích tối ưu về khí động học, kiểm nghiệm khung sườn và những ảnh hưởng của hệ thống treo, lái, phanh… đến ô tô. CarSim phân tích hiệu suất của ô tô ứng với sự thay đổi của các hệ thống truyền lực và điều khiển trên xe trong một môi trường nhất định thông qua các chuyển động, lực và moment tác động lên quá trình tăng tốc, ổn định hoặc phanh xe.

Và CarSim là phần mềm mô phỏng có hình ảnh sống động, với hơn 800 phương trình phân tích, tính toán và có khả năng xuất file dưới các định dạng của MATLAB, Excel… Bằng giao diện hiện đại, người dùng có thể sử dụng CarSim để mô phỏng hoặc đồ thị các kết quả nhanh chóng. Các đồ thị và kết quả mô phỏng là những công cụ phân tích linh hoạt và mang tính tương tác cao, từ đó chúng ta có thể dễ dàng xuất và đưa vào các bản báo cáo và thuyết trình. Những phép toán sử dụng trong CarSim được xây dựng từ cơ sở lý thuyết cũng như đã qua kiểm nghiệm thực tế chặt chẽ. CarSim sử dụng chương trình VehicleSim Lisp để tổng hợp, phân tích các phương trình tính toán, cung cấp những phương trình phi tuyến chính xác để hỗ trợ các mô phỏng phức tạp, từ đó giúp cho việc tính toán được tối ưu.

Ngoài ra, MATLAB/Simulink được viết trên nền của Visual Basic, C++, cho nên chúng ta có thể tùy biến hoặc xây dựng những công cụ hỗ trợ cho chúng một cách thuận tiện. Biểu tượng phần mềm Carsim 1. Hệ thống điều khiển tự động trên ô tô Lý thuyết điều khiển tự động là một nhánh liên ngành của kỹ thuật và toán học, liên quan đến hành vi của các hệ thống động lực. Đầu ra mong muốn của một hệ thống được gọi là giá trị đặt trước.

Khi một hoặc nhiều biến đầu ra của hệ thống cần tuân theo một giá trị đặt trước theo thời gian, một bộ điều khiển điều khiển các đầu vào cho hệ thống để đạt được hiệu quả mong muốn trên đầu ra hệ thống. Hệ thống điều khiển vòng kín (Closed – Loop Control System) Hệ thống điều khiển vòng kín (Closed – Loop Control System) hay còn gọi là hệ thống điều khiển hồi tiếp (feedback control system) là một kiểu điều khiển của hệ thống điều khiển tự động trên ô tô bên cạnh hệ thống điều khiển vòng hở (Open – Loop Control System). Trong một hệ thống điều khiển vòng kín, một cảm biến giám sát đầu ra và cung cấp dữ liệu đó về một máy tính để điều chỉnh một cách liên tục tín hiệu điều khiển đầu vào khi cần thiết để giữ cho sai số điều khiển trong mức độ tối thiểu. Tín hiệu phản hồi về hệ thống cho phép bộ điều khiển bù một cách linh động cho những thay đổi trong hệ thống.

Một hệ thống điều khiển phản hồi lý tưởng loại bỏ tất cả những sai số, có tác dụng giảm thiểu tác động của bất kỳ lực nào có thể hoặc không thể phát sinh trong suốt quá trình làm việc và tạo ra một phản ứng trong hệ thống mà phù hợp hoàn hảo với mong muốn của người dùng. Trong thực tế, điều này không thể thực hiện được do sai số đo lường trong các cảm biến, độ trễ trong các bộ điều khiển, và sự không hoàn hảo trong điều khiển đầu vào. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vòng kín Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống ABS và hệ thống TCS là các hệ thống điều khiển tự động trên ô tô sử dụng điều khiển hồi tiếp với bộ điều khiển – Controller là bộ điều khiển Bang-Bang (On-Off) và bộ điều khiển PID, cơ cấu chấp hành – Actuator là cơ cấu phanh, sử dụng các cảm biến phản hồi – sensor là các cảm biến vận tốc góc bánh xe, cảm biến gia tốc đo tốc độ của các bánh xe, tốc độ chuyển động của ô tô, … tính toán và xử lý để đạt hiệu quả phanh và hiệu quả tăng tốc của hệ thống ABS và hệ thống TCS. Bộ điều khiển Bang-Bang Trong lý thuyết điều khiển, điều khiển Bang-Bang (điều khiển On-Off hay điều khiển đóng – mở), cũng được gọi là điều khiển trễ, là một bộ điều khiển phản hồi chuyển đột ngột giữa hai trạng thái.

Các bộ điều khiển này có thể được thực hiện trong điều kiện của bất kỳ yếu tố nào có độ trễ. Hàm bước Heaviside ở dạng rời rạc là một ví dụ của một tín hiệu điều khiển bang-bang. Do tín hiệu điều khiển gián đoạn, các hệ thống bao gồm các bộ điều khiển bang-bang là những hệ thống cấu trúc biến đổi, và các bộ điều khiển bang-bang do vậy chính là các bộ điều khiển cấu trúc biến đổi. Bộ điều khiển Bang Bang trong Simulink 1.

Bộ điều khiển PID Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ ( PID- Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi. Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản (mô hình toán học) về hệ thống điều khiển thì bộ điều khiển PID là sẽ bộ điều khiển tốt nhất.[1] Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống-trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống.

Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là P, I, và D. Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số. Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia 17 Luan van nhiệt. Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán các sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại.

Sơ đồ khối bộ điều khiển PID Có nhiều phương pháp khác nhau để điều chỉnh vòng lặp PID, trong đề tài sử phương pháp điều chỉnh thủ công để chọn các hệ số PID. Điều chỉnh thủ công Nếu hệ thống phải duy trì trạng thái online, một phương pháp điều chỉnh là thiết đặt giá trị đầu tiên của �� và �� bằng không. Tăng dần �� cho đến khi đầu ra của vòng điều khiển dao động, sau đó �� có thể được đặt tới xấp xỉ một nửa giá trị đó để đạp đạt được đáp ứng "1/4 giá trị suy giảm biên độ". Sau đó tăng �� đến giá trị phù hợp sao cho đủ thời gian xử lý.

Tuy nhiên, �� quá lớn sẽ gây mất ổn định. Cuối cùng, tăng �� , nếu cần thiết, cho đến khi vòng điều khiển nhanh có thể chấp nhận được nhanh chóng lấy lại được giá trị đặt sau khi bị nhiễu. Tuy nhiên, �� quá lớn sẽ gây đáp ứng dư và vọt lố.Một điều chỉnh cấp tốc của vòng điều khiển PID thường hơi quá lố một ít khi tiến tới điểm đặt nhanh chóng; tuy nhiên, vài hệ thống không chấp nhận xảy ra vọt lố, trong trường hợp đó, ta cần một hệ thống vòng kín giảm lố, thiết đặt một giá trị �� nhỏ hơn một nửa giá trị �� gây ra dao động. Phương pháp điều chỉnh thủ công 18 Luan van Chương 2.

HỆ THỐNG PHANH CHỐNG BÓ CỨNG (ABS- ANTI-LOCK BRAKING SYSTEM) 2. Tổng quan về hệ thống ABS 2. Giới thiệu Hệ thống phanh (Brake System) là hệ thống điều khiển tự động an toàn trên ô tô, được dùng để giảm tốc độ hoặc dừng và đỗ ô tô trong những trường hợp cần thiết. Nó là một trong những bộ phận chính và đóng vai trò quan trọng khi điều khiển ô tô trên đường.

Chất lượng của một hệ thống phanh trên ô tô được đánh giá thông qua hiệu quả phanh (quãng đường phanh, thời gian phanh và gia tốc phanh), đồng thời còn phải đảm bảo tính ổn định chuyển động của ô tô khi phanh.