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 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 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 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.
