báo cáo cuối kỳ mô hình hóa và mô phỏng cruise control trên matlab simulink

Mô hình động lực học xe:Việc nghiên cứu ô tô chuyển động theo phương dọc trục, phương chuyển động về phía trước, liên quan đến đặc tính kéo của ô tô.. Hệ thống điều khiển ga tự động đã đ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

MÔN HỌC: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRÊN Ô TÔ

BÁO CÁO CUỐI KỲ

MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG CRUISE CONTROL TRÊN

MATLAB/SIMULINK

GVHD: TS Trần Đăng Long Người thực hiện:

Nguyễn Thanh Truyền 2230515

Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2024

MỤC LỤC

1 Mô hình động lực học xe: 3

2 Mô hình hệ thống động lực xe dùng động cơ đốt trong 8

3 Mô hình cruise control dùng hộp số tự động và dùng PID 11

1 Mô hình động lực học xe:

Việc nghiên cứu ô tô chuyển động theo phương dọc trục, phương chuyển động về phía trước, liên quan đến đặc tính kéo của ô tô Hệ thống điều khiển ga tự động đã được phát triển và lắp đặt trên ô tô hiện nay

Khi ô tô chuyển động về phía trước với vận tốc , các lực cản tác động lênV

xe ô tô như sau:

- Lực cản do chuyển động lăn của lốp xe

- Lực cản khí động học do chuyển động tiến về phía trước

- Lực cản trọng trường do xe leo dốc

F rf

α

F x

V

F rr

C.G

m.g

F D

Hình 2.1: Các lực tác động lên ô tô đang chuyển động

Lực cản lăn được đặt ở cả 2 cầu xe, lực cản lăn tổng cộng là:

Fr =c mgcos r (α) Trong đó, là hệ số cản lăn là gia tốc trọng trường Lực cản lăn c r g (F r ) của

lốp xe có thể ước lượng xấp xỉ bằng 2% trọng lượng của xe

Lực cản gió được tính theo công thức:

F D=1

2ρ C D A V2

Trong đó,

ρ khối lượng riêng của không khí (1.167 kg/m trong điều kiện tiêu chuẩn)

A là tiết diện mặt trước của ô tô

C D là hệ số cản gió

V là vận tốc chuyển động về phía trước của xe.

Lực cản leo dốc được tính theo công thức:

F P =mg sin(α) Trong đó, là độ dốc của mặt đường.α

Áp dụng định luật II Newton, ta có phương trình động lực học ô tô chuyển động về phía trước:

m ¨x =F x −F r−12ρ CD A V2−mg sin(α) Trong đó, là lực kéo của xe Như vậy, nếu lớn hơn tổng tất cả lực cảnF x F x

lên ô tô thì ô tô sẽ tăng tốc Ngược lại, ô tô sẽ giảm tốc

Thông số xe Lamboghini Diablo [1] :

m = 1576 kg

hệ số cản gió Cd = 0,1

gia tốc trọng trường g = 9,81 m/s^2

khối lượng riêng của không khí:

ro = 1,167

anpha = 0 ( xe chạy trên đường thẳng)

diện tích cản gió:

A = 1,6 + 0,0056*(m-756)

= 2,05 (m^2)

Lực cản lăn Fr = 0,02*1576*9,81=309,2 N

Giả thiết: xe này dùng lốp: P235/75R15:

Chiều rộng của lốp h = 235*75%=176,25mmT

Bán kính hình học Rg = (2*h +15)/2 = 366,9mmT

Suy ra bán kính hiệu quả Reff = 0,98*Rg= 359,6mm

Giả thiết: động cơ quay 5000 rpm = 523 rad/s

Giả thiết: biến mô đang bị khoá : w = 523, T = T , w/w = 0,9

Mô men bánh tua bin ( hộp số) [2]:

Thay số, được T = 435 N.mT

Suy ra lực kéo mỗi bánh xe Fx = T /Reff = 435/0,3596 = 1200 N 1 T

Tổng lực kéo Fx = 4800 N (xe 4 bánh chủ động)

Mô hình xe chuyển động trên đường nghiêng với góc anpha:

Áp dụng định luật II Newton, ta có phương trình động lực học ô tô chuyển động về phía trước:

m ¨x =F x −F r−1

2ρ C D A V2

−mg sin(α)

Mô hình Simulink:

Kết quả:x và x’:

Sau 10s, vận tốc xe tăng từ 0 đến 100 km/h

Sau 10s, xe đi được quãng đường khoảng 150m.

Nhận xét: kết quả mô phỏng khác biệt tương đối so với thực tế vì sai số trong quá trình tính toán, đặt nhiều giả thiết

2 Mô hình hệ thống động lực xe dùng động cơ đốt trong

Tác giả vẫn dùng thông số xe giống phần 1 Mô hình lực kéo có bổ sung bản

đồ động cơ engine map

Bản đồ động cơ có dạng 2D-lookup table, từ input %ga và tốc độ động cơ ( rpm) , output sau khi tra bảng là moment động cơ Te Công thức tính lực kéo từ moment động cơ:

F k =T e iio Rbx

Trong đó: i i là tỉ số truyền hộp số

i o là tỉ số truyền vi sai

R bx là bán kính bánh xe

Kết quả mô phỏng:

Ta thấy, sau khoảng 40s, xe đã đạt tốc độ mong muốn là 110 km/h, sau đó tiếp tục tăng do đầu vào bướm ga đang mở 100%

Nhận xét: do lực kéo nhỏ nên thời gian xe đạt tốc độ mong muốn còn chậm, chưa đúng với thực tế do mô hình dùng nhiều công thức và giả thiết

Lực kéo ban đầu là 1200 N sau đó tăng lên cực đại gần 2200 N sau đó ở giây

50 giảm xuống do vận tốc xe ngày càng tăng, lực kéo giảm do tỉ lệ nghịch với vận tốc

3 Mô hình cruise control dùng hộp số tự động và dùng PID

Bộ điều khiển PID gồm có 3 khâu: khâu P tỉ lệ, khâu I tích phân, khâu D đạo hàm Đây là một bộ điều khiển được sử dụng phổ biến trong các hệ thống điều khiển công nghiệp Biểu thức của giải thuật PID là:

U(t) = MV(t) = K e(t) + Kp i∫

0

t

e(t)dt+ Kdd

dte(t) Trong đó, các thông số điều chỉnh là:

Độ lợi tỉ lệ, K : giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh nên sai số càng lớn,p

bù khâu tỉ lệ càng lớn giá trị K càng lớn thì hệ thống có đáp ứng mất ổn định vàp

dao động

Độ lợi tích phân, K : giá trị càng lớn thì sai số ổn định bị khử càng nhanhi

nhưng vọt lố sẽ càng lớn, bất kì sai số âm nào được tích phân trong suốt quá trình đáp ứng quá độ phải được triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tới trạng thái ổn định

Độ lợi vi phân, K : giá trị càng lớn thì càng giảm vọt lố, nhưng làm chậmd

đáp ứng và có thể dẫn tới mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số

Các thông số của hộp số được minh họa như hình dưới:

Mô hình Simulink:

Kết quả:

Với bộ điều khiển PID và hộp số, mô hình tốn 25s để đạt được tốc độ mong muốn 100 km/h Đáp ứng của hệ thống dao động rất nhỏ ở khoảng từ 25s đến 47s sau đó mới ổn định từ giây 47 trở đi

Độ lớn lực kéo của mô hình như hình trên, lực kéo lớn nhất 4500N Nhờ hộp

số nên lực kéo tăng nhanh ở dãy số thấp, sau đó lực kéo giảm do hộp số chuyển số

OD, sau khi đạt được tốc độ mong muốn, lực kéo giữ nguyên để giữ vận tốc không đổi

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Lamborghiniconfiguration,https://www.car.info/ense/lamborghini/diablo/ diablo-sv-m5-1997-27790/specs,7/4/2024

2 Rajesh Rajamani, Vehicle Dynamics and Control Springer Singapore (2012)