Luận văn Mô phỏng quá trình điều khiển hệ thống truyền lực ô tô (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Mô phỏng quá trình điều khiển hệ thống truyền lực ô tô (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TỐNG THÀNH THẮNG MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ÐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC Ô TÔ NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ÐỘNG LỰC - 60520116 S K C0 0 5 1 2 2 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TỐNG THÀNH THẮNG MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC Ô TÔ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC- 60140116 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2016
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TỐNG THÀNH THẮNG MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC Ô TÔ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC- 60140116 Hướng dẫn khoa học: TS. LÊ THANH PHÚC Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2016
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: TỐNG THÀNH THẮNG Giới tính: NAM Ngày, tháng, năm sinh: 14/03/1982 Nơi sinh: TÂY NINH Quê quán: TÂY NINH Dân tộc: KINH Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 1300, Ninh Hiệp, Bàu Năng, Dương Minh Châu, Tây Ninh Điện thoại cơ quan: Điện thoại: 0933.575.237 Fax: E-mail: tongthanhthang@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Cao đẳng chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ 10/2000 đến 5/2003 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật, Tp. Hồ Chí Minh Ngành học: Cơ Khí Động Lực 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính Quy Thời gian đào tạo từ 10/2005 đến 10/2007 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật, Tp. Hồ Chí Minh Ngành học: Cơ Khí Động Lực Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Nghiên Cứu Hệ Thống Phanh ABS Trên Các Dòng xe Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 2007, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật, Tp. Hồ Chí Minh Người hướng dẫn: Th.s Huỳnh Phước Sơn III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2007 - 2008 Công ty TNHH TM Huy Phát Cố Vấn Dịch Vụ 2008 - 2009 Công Ty TNHH Ô tô Minh Nguyệt Cố Vấn Dịch Vụ 2009 - Nay Trường Cao Đẳng Nghề Tây Ninh Giáo Viên i
5. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Tống Thành Thắng ii
6. CẢM TẠ Sau một thời gian làm bài luận văn giờ đã hoàn thành. Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi học tập và báo cáo luận văn. Thư viện trường đã tạo điều kiện cho tôi mượn tài liệu tham khảo để hoàn thành đề tài. Đặc biệt là TS. Lê Thanh Phúc đã tận tình giúp đỡ cho tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp chuyên ngành kỹ thuật cơ khí động lực với đề tài “ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC TRÊN Ô TÔ ”. Thầy đã dành cho tôi những hướng dẫn kịp thời, quan trọng và cần thiết nhất, những ý kiến hay và những tài liệu quý giá trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn các quý Thầy/Cô và các Cán Bộ trong khoa Cơ Khí Động Lực của trường đã chỉ dạy và cung cấp cho em những tư liệu và kiến thức quý báu để hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp của mình. Mặc dù rất cố gắng nhưng do thời gian nguyên cứu đề tài có hạn, nên trong luận văn chắc chắn vẫn còn nhiều thiếu sót và hạn chế. Rất mong nhận được sự góp ý và chỉ bảo của quý Thầy/Cô. iii
7. TÓM TẮT Luận văn này trình bày việc mô hình hóa và mô phỏng quá trình điều khiển hệ thống truyền lực trên xe du lịch: hộp số tự động và hệ thống kiểm soát hành trình bằng logic mờ. Mô phỏng sẽ làm nền tảng cho việc thiết kế phần cứng để điều khiển hệ thống truyền lực, giúp cho việc nghiên cứu, phát triển điều khiển hệ thống truyền lực ngày càng hoàn thiện và ít tốn kém. Mô phỏng điều khiển hộp số tự động sử dụng hai tín hiệu đầu vào: Vị trí bướm ga và tốc độ động cơ. Sử dụng logic mờ để thiết lập điều khiển lựa chọn số ở tín hiệu đầu ra dựa vào hai tín hiệu đầu vào, tín hiệu lựa chọn số sẽ đưa vào mô hình động học xe và thay đổi tốc độ xe theo các tín hiệu đầu vào. Mô phỏng điều khiển hệ thống kiểm soát hành trình sự dụng hai tín hiệu đầu vào: Độ chênh lệch vận tốc và gia tốc hiện tại so với vận tốc thiết lập. Sử dụng logic mờ để thiết lập điều khiển tăng hoặc giảm tốc độ, tín hiệu này sẽ đưa vào mô hình động học xe và thay đổi tốc độ xe theo tín hiệu tốc độ thiết lập. Kết quả mô phỏng cho kết quả sát với thực tế và đạt yêu cầu đề ra. iv
8. ABSTRACT This thesis presents the modeling and simulation process drivetrain controls on passenger cars: automatic transmission and cruise control system based on fuzzy logic. The simulation results may be used to design the hardware to control, research, development drivetrain controls become more complete and less expensive. The simulation uses two input signals: throttle position and vehicle speed. Fuzzy logic was used to establish control output signal based on the two input signals. Gear-shifting signals are sent to vehicle model to change their speed according to the input signal. Simulated controlled cruise control system uses two input signals: difference in velocity and acceleration compared to current velocity setting. Using fuzzy logic controller to set the speed increase or decrease, these signals will be sent to car model and vehicle speed changes according to the speed setting signal. Simulation results approached practical models. v
9. MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách các chữ viết tắt vii Danh sách các hình viii Danh sách các bảng xi Chương 1. TỔNG QUAN 1 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4 Chương 3. MÔ PHỎNG ECT BẰNG LOGIC MỜ 44 Chương 4. MÔ PHỎNG CCS BẰNG LOGIC MỜ 61 Chương 5. KẾT LUẬN 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 vi
10. DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ECT (Electronic Control Transmission): Hộp số tự động điều khiển bằng điện tử CCS (Cruise Control System): Hệ thống kiểm soát hành trình ECU (Electronic Control Unit): Bộ điều khiển điện tử LN: Âm lớn MN: Âm vừa ZERO: Bằng 0 MP: Dương vừa LP: Dương lớn AVHN: Thêm giá trị dương rất lớn AHN: Thêm giá trị dương lớn AMP: Thêm giá trị dương trung bình ASP: Thêm giá trị dương nhỏ ANO: Không thêm ASN: Thêm giá trị âm nhỏ AMN: Thêm giá trị âm trung bình AHN: Thêm giá trị âm lớn AVHN: Thêm giá trị âm rất lớn vii
11. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1: Điều khiển thời điểm chuyển số 4 Hình 2.2: Bản đồ sang số 5 Hình 2.3: Điều khiển thời điểm chuyển số theo phương thức lái 6 Hình 2.4: Tính năng của biến mô 7 Hình 2.5: Cơ cấu khóa biến mô 8 Hình 2.6: Điều khiển khóa biến mô 9 Hình 2.7: Điều khiển khóa biến mô linh hoạt 11 Hình 2.8: Các thành phần của hệ thống kiểm soát hành trình 12 Hình 2.9: Mặt cắt của bộ trợ lực áp thấp được sử dụng mở bướm ga 13 Hình 2.10: Sơ đồ khối của hệ thống kiểm soát hành trình bằng điện tử 13 Hình 2.11: Công tắc điều khiển được gắn trên cần bật tín hiệu rẽ hoặc tay lái 14 Hình 2.12: Hoạt động của van trợ lực trong hệ thống điều khiển điện tử 15 Hình 2.13: Sơ đồ khối của hệ thống kiểm soát hành trình sử dụng ECT 17 Hình 2.14: Màn hình khởi động nhanh Simulink 20 Hình 2.15: Cửa sổ Simulink Library 21 Hình 2.16: Cửa sổ mô hình sau khi mở Simulink 22 Hình 2.17: Đường liên kết các khối trong Simulink 23 Hình 2.18: Mô hình xây dựng hệ thống cơ bản 24 Hình 2.19: Cửa sổ lựa chọn các khối trong Simulink Libray 25 Hình 2.20: Thư viện khối của Source 25 Hình 2.21: Chọn 1 khối trong thư viện khối của Source 26 Hình 2.22: Chọn các khối cần thiết trong thư viện khối của Source 26 Hình 2.23: Chọn tất cả khối cần thiết trong thư viện khối của Source 27 Hình 2.24: Thay đổi giá trị khối Transfer Function 27 Hình 2.25: Thay đổi giá trị khối PID Controller 28 Hình 2.26: Mô hình hoàn chỉnh sau khi chỉnh sửa nội dung của các khối 28 Hình 2.27: Liên kết khối Step vào dương của khối Sum 29 viii
12. Hình 2.28: Mô tả liên kết chưa đúng 29 Hình 2.29: Liên kết các khối cơ bản hoàn chỉnh 30 Hình 2.30: Tạo liên kết phản hồi của mô hình 30 Hình 2.31: Mô hình hoàn chỉnh 31 Hình 2.32: Kết quả mô phỏng 31 Hình 2.33: Quả cóc và hạt cóc 33 Hình 2.34: Định nghĩa tập truyền thống 34 Hình 2.35: Định nghĩa tập fuzzy 34 Hình 2.36: Hàm tính thành viên 35 Hình 2.37: Hàm thành viên tập fuzzy A, B 37 Hình 2.38: Đầu ra của fuzzy logic 38 Hình 2.39: Điều khiển mực nước trong thùng 39 Hình 2.40: Giao diện fuzzy logic 39 Hình 2.41: Giao diện khối Level 40 Hình 2.42: Giao diện khối Valve 41 Hình 2.43: Giao diện khối luật 42 Hình 2.44: Kết quả tập fuzzy đầu ra 43 Hình 3.1: Sơ đồ khối hộp số tự động điều khiển bằng điện tử 44 Hình 3.2: Mô hình hộp số tự động điều khiển bằng điện tử 44 Hình 3.3: Mô hình động cơ 45 Hình 3.4: Mô hình bộ biến mô 46 Hình 3.5: Mô hình bánh răng hành tinh 46 Hình 3.6: Mô hình tỉ số truyền hộp số 47 Hình 3.7: Mô hình động lực học của ô tô 48 Hình 3.8: Biểu đồ sang số 48 Hình 3.9: Mô hình điều khiển số bằng logic mờ 49 Hình 3.10: Sơ đồ điều khiển số bằng logic mờ 49 Hình 3.11: Hàm thành viên đầu vào góc mở bướm ga (Alpha) 50 Hình 3.12: Hàm thành viên đầu vào tốc độ (speed) 50 ix
13. Hình 3.13: Hàm thành viên đầu ra vị trí số (gear) 51 Hình 3.14: Luật sang số 51 Hình 3.15: Hiển thị luật sang số 52 Hình 3.16: Mô hình chọn số 52 Hình 3.17: Đồ thị tín hiệu đầu vào khi tăng ga tuyến tính 53 Hình 3.18: Đồ thị tốc độ động cơ theo thời gian khi tăng ga tuyến tính 54 Hình 3.19: Đồ thị quá trình chuyển số khi tăng ga tuyến tính 54 Hình 3.20: Đồ thị tốc độ xe theo thời gian (đường trên) khi tăng ga tuyến tính 55 Hình 3.21: Đường tín hiệu đầu vào khi giam ga 56 Hình 3.22: Đường tốc độ động cơ khi giảm ga 56 Hình 3.23: Vị trí số khi giảm ga 57 Hình 3.24: Đường tốc độ xe (màu xanh trên) khi giảm ga 58 Hình 3.25: Đường tín hiệu đầu vào khi giảm ga và phanh 58 Hình 3.26: Đường tốc độ động cơ khi giảm ga và phanh 59 Hình 3.27: Vị trí số khi giảm ga và phanh 60 Hình 3.28: Tốc độ xe khi giảm ga và phanh 60 Hình 4.1: Sơ đồ khối điều khiển hệ thống kiểm soát hành trình 61 Hình 4.2: Mô hình điều khiển hệ thống kiểm soát hành trình bằng Fuzzy PI 62 Hình 4.3: Sơ đồ điều khiển hệ thống kiểm soát hành trình bằng logic mờ 64 Hình 4.4: Hàm thành viên đầu vào chênh lệch vận tốc thiết lập và vận tốc xe (e) 65 Hình 4.5: Hàm thành viên đầu vào tốc độ (speed) 65 Hình 4.6: Hàm thành viên đầu ra tăng hay giảm tốc (Control) 66 Hình 4.7: Hiển thị luật sang số 67 Hình 4.8: Thiết lập tốc độ đầu vào khi tăng theo bước 67 Hình 4.9: Kết quả tốc độ đầu ra khi tăng theo bước 68 Hình 4.10: Thiết lập tốc độ đầu vào khi tăng tuyến tính 68 Hình 4.11: Kết quả tốc độ đầu ra khi tăng tuyến tính 69 Hình 4.12: Thiết lập tốc độ đầu vào khi giảm theo bước 69 Hình 4.13: Kết quả tốc độ đầu ra khi giảm theo bước 70 x
14. Hình 4.14: Thiết lập tốc độ đầu vào khi giảm ga tuyến tính 70 Hình 4.15: Kết quả tốc độ đầu ra khi giảm ga tuyến tính 71 xi
15. DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật của xe mô phỏng – Lexus GS 460 2008 19 Bảng 2.2: Phép toán logic truyền thống 36 Bảng 2.3: Phép toán fuzzy logic 36 Bảng 2.4: Ví dụ về phép toán fuzzy logic 36 Bảng 3.1: Tỉ số truyền của hộp số (Look-Up Table) 47 Bảng 4.1: Luật điều khiển 66 xii
16. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Các kết quả nghiên cứu Ứng dụng logic mờ trong việc chuyển số [1], nhóm tác giả S.Sakaguchi, I.Sakai, T.Haga đã nhận định lái xe lên dốc, xuống dốc phương pháp mờ hóa so với các phương pháp thay đổi số trong hộp số tự động thông thường đã cải thiện đáng kể trong tính năng lái, giảm tiêu hao nhiên liệu. Nhưng giới hạn đề tài chỉ ứng dụng trên xe hộp số 4 cấp, ngày nay hộp số 8 cấp đang được ứng dụng rộng rải nên đề tài không ứng dụng trên xe hiện nay được. Mô hình hóa động học và mô phỏng hộp số tự động trên xe bánh xích sử dụng điều khiển mờ [2], nhóm tác giả Wu Shijing , Li Qunli, Zhu Enyong, Zhang Dawei, Xie Jing đã nhận định phương pháp thay đổi số bằng mờ hóa đã cải thiện khả năng di chuyển xe bánh xích theo các điều kiện lái xe khác nhau và làm giảm tần số chuyển số và tránh chu trình chủ động chuyển có hiệu quả. Nhưng giới hạn đề tài chỉ cho xe bánh xích, hộp số 4 cấp nên tôi phát triển phương pháp điều khiển này để điều khiển số trên xe du lịch, hộp số 8 cấp. Thiết kế hệ thống kiểm soát hành trình dựa trên bộ điều khiển tỉ lệ vi phân [11], kết quả phân tích cho thấy tăng thời gian phản ứng trung bình. Thí nghiệm ô tô chỉ ra hệ thống hoạt động hiệu quả và ổn định. Chưa sử dụng logic mờ để điều khiển kiểm soát hành trình. 1.2. Lý do chọn đề tài Hệ thống truyền lực quyết định sức mạnh, tiêu hao nhiên liệu, an toàn, tiện nghi của xe. Vì vậy các nhà khoa học nỗ lực nghiên cứu, phát triển điều khiển hệ thống truyền lực, nhưng gặp rất nhiều khó khăn và tốn kém nếu sử dụng vật thật. Từ những công trình nguyên cứu trên cho thấy tính ưu việt của phương pháp điều khiển bằng logic mờ. 1
17. Khi mô phỏng hoàn thiện sẽ làm nền tảng để chế tạo phần cứng điều khiển hệ thống truyền lực. 1.3. Mục đích nghiên cứu , đối tượng nghiên cứu 1.3.1. Mục đích nghiên cứu Mô phỏng ứng dụng để nghiên cứu và phát triển phần cứng điều khiển hệ thống truyền lực bao gồm: Hộp số tự động điều khiển bằng điện tử (ECT), hệ thống kiểm soát hành trình (CCS). 1.3.2. Đối tượng nghiên cứu Quá trình điều khiển hệ thống truyền lực Phần mềm ứng dụng mô phỏng MATLAB Simulink, công cụ Fuzzy Logic. 1.4. Nhiệm vụ, phạm vi nghiên cứu 1.4.1. Nhiệm vụ nghiên cứu Mô phỏng quá trình điều khiển hệ thống truyền lực, từ đó giúp cho việc nguyên cứu và phát triển hệ thống truyền lực ngày càng hoàn thiện và ít tốn kém. 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu Mô phỏng quá trình điều khiển hệ thống truyền lực trên xe Lexus GS 460 đời 2008 bao gồm 2 nội dung: Quá trình điều khiển ECT bằng logic mờ Quá trình điều khiển CCS bằng logic mờ 1.5. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp tham khảo tài liệu trong và ngoài nước về mô phỏng quá trình điều khiển hệ thống truyền lực trên ô tô Phương pháp quan sát khoa học về hoạt động điều khiển hệ thống truyền lực thực tế trên ô tô và kết quả mô phỏng. 1.6. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài 2
18. Nghiên cứu đề tài khi thành công, sẽ góp phần giải quyết những khó khăn trong việc nguyên cứu và phát triển phần cứng điều khiển hệ thống truyền lực. 1.7. Cấu trúc của luận văn. Ngoài phần danh mục các tài liệu tham khảo, nội dung của luận văn gồm 5 chương. Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Mô phỏng ECT bằng logic mờ Chương 4: Mô phỏng CCS bằng logic mờ Chương 5: Kết luận và đề nghị 3
19. Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Hộp số tự động điều khiển điện tử (ECT) 2.1.1. Điều khiển thời điểm chuyển số ECU động cơ & ECT được lập trình vào trong bộ nhớ về phương thức chuyển số tối ưu tại mỗi vị trí cần số và chế độ lái. Trên cơ sở phương thức chuyển số, ECU sẽ Bật hoặc Tắt các van điện từ dựa theo các tín hiệu tốc độ xe, góc mở bướm ga và các tín hiệu khác của các cảm biến/ công tắc. Với phương thức điều khiển như vậy, ECU vận hành các van điện từ, mở hoặc đóng các đường dầu vào các li hợp và phanh để chuyển số. Hình 2.1: Điều khiển thời điểm chuyển số [3] 4
20. Hình 2.2: Bản đồ sang số [3] Khi lái, trong khi vẫn giữ độ mở của bàn đạp ga không đổi, tốc độ xe tăng lên và hộp số được chuyển lên số trên. Khi bàn đạp ga được nhả ra ở điểm A (trong hình 2.2) và độ mở của bàn đạp ga đạt điểm B, thì hộp số sẽ chuyển từ số 3 lên số O/D. Ngược lại, nếu tiếp tục đạp ga ở điểm A và độ mở của bàn đạp ga đạt điểm C, thì hộp số sẽ chuyển từ số 3 về số 2. Sự điều khiển thời điểm chuyển số khác nhau tuỳ theo chế độ của công tắc chọn phương thức lái. ECU xác định phương thức lái để áp dụng và điều khiển thời điểm chuyển số. Đối với chế độ tải nặng, điểm chuyển số và điểm khoá biến mô được đặt ở một tốc độ động cơ cao hơn so với chế độ bình thường. 5
21. Hình 2.3: Điều khiển thời điểm chuyển số theo phương thức lái [3] Tốc độ mà tại đó hộp số chuyển lên số cao và xuống số thấp xảy ra trong một khoảng nhất định bất kỳ ở số nào. Khoảng này được gọi là độ trễ. Độ trễ là một đặc tính được thiết kế cho mọi hộp số tự động để ngăn không cho phép hộp số chuyển số lên và xuống quá thường xuyên. 2.1.2. Tính năng của biến mô 6
22. S K L 0 0 2 1 5 4