BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN QUANG HÀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH CHẨN ĐOÁN TRẠNG THÁI KỸ THUẬT HỆ THỐNG VSC TRÊN Ô TÔ Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số: 62520116 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội - 2017 Cơng trình hồn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phạm Hữu Nam TS Chu Mạnh Hùng Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Văn Tần Phản biện 2: PGS.TS Đào Mạnh Hùng Phản biện 3: PGS.TS Lê Văn Học Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày …… tháng ……… năm …… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Số lượng chủng loại xe ô tô đại chiếm tỷ lệ lớn số xe ô tô sử dụng nước nay.Trên ô tô đại, hệ thống có ĐKĐT lại thường hệ thống xe (như hệ thống cấp nhiên liệu cho động cơ, hệ thống đảm bảo an toàn chuyển động (hệ thống phanh, hệ thống lái)…Do cấu trúc hệ thống có ĐKĐT phức tạp nhiều so với hệ thống khí tơ trước đây, thêm nữa, lỗi xảy hệ thống lại thường tập trung vào phần “điều khiển điện tử” nên chẩn đốn TTKT hệ thống có ĐKĐT khác với hệ thống khí (trên tơ hệ cũ) phải có thêm chẩn đốn TTKT phần điều khiển điện tử Phần chẩn đoán khâu quan trọng thường phải thực trước tiên quy trình chẩn đốn kỹ thuật, sửa chữa xe Các phương pháp sử dụng chẩn đoán hệ điều khiển điện tử ô tô chưa nghiên cứu nhiều nên việc nghiên cứu xây dựng mơ hình chẩn đốn phát lỗi hệ thống có ĐKĐT tơ cần thiết để làm sở khoa học cho việc chủ động thiết kế chế tạo hệ thống chẩn đốn cơng nghiệp tơ nước thay bị động mua, khai thác thiết bị chẩn đoán nhập ngoại Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết: phân tích lựa chọn phương pháp chẩn đốn phát lỗi hệ thống có ĐKĐT ô tô; nghiên cứu sở khoa học sử dụng logic mờ Takagi-Sugeno (T-S) mô tả hệ thống có ĐKĐT tơ; Xây dựng mơ hình chẩn đốn phát lỗi hệ thống có điều khiển điện tử mờ T-S Nghiên cứu thực nghiệm: tiến hành thử nghiệm đánh giá TTKT hệ thống VSC xe Toyota Camry thông qua trị số đo cảm biến hệ thống: cảm biến góc quay vành lái, cảm biến gia tốc bên, tốc độ góc quay thân xe tốc độ chuyển động tơ đường vịng Ý nghĩa khoa học thực tiễn - Ý nghĩa khoa học đề tài: Việc lựa chọn phương pháp chẩn đoán TTKT xây dựng mơ hình chẩn đốn phát trạng thái làm việc có lỗi hệ thống có ĐKĐT tơ sở khoa học cho phương pháp luận chung cho thiết kế, chế tạo hệ thống, thiết bị chẩn đoán TTKT ô tô Luận án sử dụng công cụ tiến hệ suy diễn mờ Takagi-Sugeno để xây dựng mơ hình chẩn đốn TTKT hệ thống có ĐKĐT xe tơ đại Việc xây dựng mơ tự thiết kế chế tạo thu thập liệu từ ECU, xây dựng phần mềm chẩn đoán phát lỗi hệ thống VSC góp phần nâng cao lực chủ động thiết kế, chế tạo trang thiết bị chẩn đốn ngành cơng nghệp tơ nước - Ý nghĩa thực tiễn, cấp thiết đề tài: Mô hình bao gồm thu thập liệu từ ECU, phần mềm chẩn đốn sử dụng để chẩn đốn phát trạng thái làm việc có lỗi hệ thống VSC xe Toyota Camry phục vụ thiết thực cho công việc sửa chữa ô tô xưởng sửa chữa xe Trên sở mơ hình chẩn đốn đề xuất thiết kế, chế tạo thiết bị chẩn đoán phục vụ cho nhu cầu chẩn đốn sửa chữa tơ nước cách chủ động; giảm mức độ phụ thuộc vào trang thiết bị nhập ngoại Trong điều kiện ngành Công nghiệp sản xuất tơ nước có tiềm phát triển, nhờ sách hỗ -1- trợ Nhà nước, việc chủ động phương pháp luận, thiết kế, chế tạo thiết bị chẩn đoán phục vụ khai thác, sửa chữa xe ô tô nước sản xuất nhu cầu thiết thực cấp thiết Các điểm luận án Phương pháp chẩn đoán phát lỗi sở mơ hình cấu trúc có nguyên lý cách thiết kế khác so với phương pháp chẩn đoán phát lỗi sở liệu thống kê thường sử dụng chẩn đoán sửa chữa ô tô Phương pháp cho phép sử dụng quan hệ vật lý, kiến thức biết hệ thống để xây dựng mơ hình chẩn đốn, giảm khối lượng thời gian tiến hành thu thập số liệu thống kê, kinh nghiệm lỗi, TTKT khác hệ thống trình sử dụng Sử dụng quan sát mờ cho phép mô tả hệ thống hiệu trường hợp hệ thống phi tuyến, liệu không đầy đủ phải quan sát từ thực nghiệm Đặc biệt luận án sử dụng công cụ hệ mờ T-S Công cụ cho phép kết hợp sử dụng quan hệ vật lý biết hệ thống VSC (biểu diễn quan hệ toán học thông số) số liệu đo đạc thống kê nhờ giảm bớt khối lượng thống kê, đo đạc thu thập liệu xây dựng mơ hình hệ thống Cấu trúc luận án Luận án bao gồm 113 trang, phần mở đầu (4 trang); chương Tổng quan vấn đề nghiên cứu (32 trang); chương Cơ sở lý thuyết để xây dựng mơ hình chẩn đốn phát lỗi mờ Takagi-Sugeno (21 trang); chương Xây dựng mơ hình để chẩn đốn phát trạng thái làm việc có lỗi hệ thống VSC xe TOYOTA Camry (29 trang); Chương Nghiên cứu thực nghiệm (26 trang); Kết luận chung kiến nghị (1 trang) Các tài liệu tham khảo sử dụng luận án (53 tài liệu) Danh mục cơng trình NCKH báo liên quan đến nội dung luận án công bố (5 cơng trình); Phần phụ lục (4 phụ lục) Các bảng biểu (13) đồ thị hình vẽ (115) CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Đặc điểm chẩn đốn TTKT hệ thống có ĐKĐT tơ Chẩn đốn TTKT phương pháp sử dụng cảm biến, trang thiết bị đo thông số làm việc hệ thống để đánh giá TTKT mà không làm gián đoạn làm việc Nhiệm vụ chẩn đoán xác định thống làm việc bình thường hay có xuất lỗi Phát hệ thống có lỗi bước chẩn đốn, bước xác định vị trí, ngun nhân gây lỗi Để đánh giá TTKT ô tơ có trang bị ĐKĐT phương pháp tối ưu sử dụng cảm biến có sẵn hệ thống xe tích hợp thiết bị đo, phân tích xử lý liệu q trình chẩn đoán đánh giá TTKT hệ thống xe mà không làm gián đoạn làm việc hệ thống Tính ưu việt phương pháp đánh giá TTKT, phát hư hỏng mà không cần tháo rời làm gián đoạn làm việc Phương pháp chẩn đốn khách quan 1.2 Phân tích phương pháp phát lỗi hệ thống có ĐKĐT - Lỗi định nghĩa độ sai lệch q mức cho phép thơng số cấu trúc (thông số làm việc) hệ thống so với giá trị chuẩn (hoặc giá trị cho phép) Lỗi trạng thái mà để hệ thống tiếp tục làm việc (với trạng thái đó) dẫn đến cố làm hư hỏng hệ thống Mục tiêu chẩn đoán TTKT hệ thống xác định xem làm việc hệ thống bình -2- thường hay có lỗi - Cơng việc chẩn đốn phân chia hai bước (hai thủ tục), bao gồm: phát trạng thái lỗi xác định vị trí xảy lỗi + Phát trạng thái lỗi thủ tục nhằm phát sai lệch mức cho phép thơng số làm việc hệ thống + Xác định vị trí xảy lỗi thủ tục nhằm khoanh vùng vị trí xảy lỗi, đánh giá tính chất, mức độ lỗi - Phân tích chọn phương pháp phát lỗi hệ thống có ĐKĐT Để phát lỗi, cần tính tốn đánh giá lượng sai lệch r trị số thông số làm việc thời hệ thống so với thơng số tính tốn thiết kế giá trị cho phép vận hành nhà chế tạo quy định Có nhiều phương pháp phát lỗi nghiên cứu ứng dụng như: phát lỗi theo giá trị ngưỡng cố định, phát lỗi sở lập mơ hình hệ thống thực, phát lỗi sở mơ hình tín hiệu [12,17,18, 19,39] Trong hệ thống kỹ thuật đại (như ô tô), hệ thống điều khiển điện tử sử dụng phổ biến, sở phân tích vai trị tín hiệu cảm biến cấu chấp hành hệ thống ĐKĐT, chọn phương pháp chẩn đoán phát lỗi sở mơ hình hợp lý, hiệu tiết kiệm Mơ hình lý thuyết mơ tả hệ thống thực sử dụng hệ thống chẩn đốn loại mơ hình định lượng (thường mơ hình tốn học) mơ hình xây dựng sở tri thức (ví dụ mơ hình sở logic mờ (FL), mơ hình sở mạng Nơ ron (NN) mơ hình mạng Nơ ron - mờ (FNN) Sử dụng mơ hình tốn học mơ tả hệ thống có ưu điểm biểu diễn thành phần hệ thống cách rõ ràng, tường minh Tuy nhiên, thực tế, có nhiều yếu tố ảnh hưởng khiến cho biểu thức tốn học khơng thể mơ tả xác q trình làm việc hệ thống thực như: nhiễu loạn, hạn chế thiết bị đo, sai số chế tạo cho phép Mơ hình logic mờ (FL) mơ hình xử lý thơng tin theo cách tư người Mơ hình tập hợp lập luận dạng ngôn ngữ người để xử lý thông tin, mô tả trạng thái hệ thống sở liệu quan sát kết hợp với kiến thức hiểu biết hệ thống cần mơ tả Sơ đồ cấu trúc mờ trình bày Hình 1.13 Có hai hệ suy diễn tiêu biểu hệ suy diễn Mamdani hệ suy diễn TakagiSugeno (T-S) Trong hệ suy diễn TS sử dụng rộng rãi kỹ thuật nhận dạng, điều khiển chẩn đoán đặc điểm luật IF THEN biểu diễn dạng hàm số bậc biến đầu vào ra: -3- LuËt ℜi : IF x=A vµ y=B THEN z=f(x,y) (1.7) A B tập mờ mệnh đề điều kiện, f(x,y) hàm biến vào x y Với phương pháp chẩn đoán sở mơ hình, việc đánh giá TTKT hệ thống bình thường hay có lỗi vào trị số lượng sai lệch r (hình 1.13) biểu diễn dạng toán học sau: = r (r J th ) hệ thống không lỗi r= y y * (1.8) r >0 (r > J th ) hệ thống có lỗi Cỏc giỏ tr sai lch r > (hoặc r >J th ) tín hiệu đo (y) hệ thống thực tế tín hiệu tính tốn y* thị xuất trạng thái lỗi Để hiệu chỉnh thông số mơ hình, bổ sung thành phần phản ánh ảnh hưởng nhiễu, yếu tố không đo người ta sử dụng nhiều phương pháp (công cụ toán học) phương pháp ước lượng tham số (Parameter Estimation), phương pháp quan sát ước lượng trạng thái (State Observers) quan hệ tương đương (Parity Relations) Trong luận án này, NCS sử dụng phương pháp quan sát ước lượng trạng thái để phát lỗi biết cấu trúc hệ thống thực Hệ thống động học tuyến tính mơ tả dạng không gian trạng thái: x (t ) Ax (t ) + Bu(t ) = y(t ) = Cx (t ) Ở x biến trạng thái, với cấu trúc tham số A, B, C mơ hình hệ thống biết, (trong công thức (1.9), thành phần D bỏ qua nhằm phân tích cấu trúc chung quan sát mà khơng làm ảnh hưởng đến tính tổng qt chung) Cấu trúc quan sát trạng thái Hình 1.16 sở biến vào, biến đo có dạng: xˆ = Axˆ + L( y − Cxˆ ) + Bu Trong xˆ ∈Rn véc tơ trạng thái ước lượng, L∈R hệ số quan sát (observer gain) Kết hợp phương trình (1.9 1.10) tính sai số ước lượng e= x − xˆ thu phương trình vi phân sai số e: = e ( A − LC )e Theo lý thuyết ma trận [49, 25] tất giá trị riêng ma trận [A-LC] xác định sai số e tiệm cận tới x→ xˆ Như vậy, việc tính tốn thiết kế quan sát đưa việc xác định hệ số L Có nhiều phương pháp xác định L, thường sử dụng phương pháp đổi cực (pole placement) phương pháp LQR (Linear Quadratic Regulator) [25] Hình 1.17 trình bày sơ đồ ghép nối song song quan sát với hệ thống thực.Nếu mơ hình mơ tả hệ thống xác, giá trị tính tốn biến xˆ giá -4- trị biến trạng thái hệ thống thực Tuy nhiên, mơ hình có sai khác so với hệ thống thực nên hiệu (x- xˆ ) khác trị số ŷ tính tốn từ quan sát khác với giá trị y đo đầu hệ thống Ký hiệu e sai số y ŷ: e = y- ŷ Bằng cách điều chỉnh (tính toán) trị số hệ số L quan sát làm cực tiểu giá trị sai số e Khi quan sát trở thành mơ hình biểu diễn tốt hệ thống thực Khi đó, lượng sai lệch tính tốn r tính theo công thức: r= y − yˆ Bộ quan sát trạng thái cơng cụ tốn học ứng dụng nhằm xấp xỉ tốt giá trị đầu từ quan sát với giá trị đầu đo từ hệ thống thực Bộ quan sát thiết kế để mơ tả hệ thống thực trường hợp có xét đến ảnh hưởng nhiễu thông tin đầu vào bị thiếu Tuy nhiên, điều kiện cần để thiết kế quan sát tính tuyến tính hệ thống mơ tả Trong đó, nói chung hệ thống có ĐKĐT tơ hệ thống phi tuyến Để giải vấn đề này, luận án, NCS sử dụng mô hình T-S để mơ tả hệ thống thực nhờ hồn tồn sử dụng cơng cụ quan sát cho mơ hình tuyến tính địa phương (mơ hình con) hệ suy diễn T-S chung 1.3 Hệ thống VSC ô tô - Nhiệm vụ hệ thống VSC tên gọi hệ thống Hệ thống VSC (Vehicle Stability Control) làm nhiệm vụ giữ ổn định quỹ đạo cho xe ô tô mặt đường nghiêng ngang, đường vòng Khi xe chuyển động đường vòng, tác dụng lực ly tâm tạo lực ngang tác dụng lên xe Ảnh hưởng lực ngang lớn tốc độ xe đường vịng lớn, mặt đường nghiêng bán kính cong nhỏ…Dưới tác dụng lực ngang, bánh xe cầu trước, cầu sau bị biến dạng ngang trượt ngang cục làm sai lệch quỹ đạo chuyển động đường vòng xe Trường hợp bánh xe cầu sau bị trượt ngang nhiều bánh xe trước dẫn đến tượng quay vòng thừa, trường hợp ngược lại, xe bị quay vòng thiếu Hệ thống VSC tự động tác động lực phanh phù hợp bánh xe (bên bên ngồi đường vịng, bánh xe trước bánh xe sau) để tạo mô men ổn định trì quỹ đạo chuyển động xe đồng thời tự động điều chỉnh chế độ tải động (giảm ga) cho phù hợp với tình trạng phanh tốc độ ô tô - Đặc điểm chẩn đoán phát lỗi hệ thống VSC Hệ thống VSC hệ thống có ĐKĐT, lỗi xảy có nguyên nhân từ phần ĐKĐT lỗi cảm biến, mạch truyền dẫn tín hiệu, cấu chấp hành van điện từ nguyên nhân từ phần khí áp suất lốp không đều, lỗi hệ thống treo trước, sau Đặc biệt trạng thái lỗi hệ thống cịn liên quan đến quan hệ thơng số vận tốc xe, góc quay bánh xe dẫn hướng với thơng số gia tốc ngang, tốc độ góc quay thân xe Mối liên hệ phi tuyến Từ phân tích cho thấy việc chẩn đốn TTKT, phát lỗi hệ thống VSC thực phương pháp chẩn đoán hệ thống khí thơng thường Việc xây dựng mơ hình chẩn đốn lỗi cho hệ thống VSC cung cấp cho ta phương pháp chung để chẩn đoán TTKT, phát lỗi hệ thống có ĐKĐT khác tơ 1.4 Một số cơng trình nghiên cứu lĩnh vực chẩn đốn * Một số cơng trình nước ngồi nghiên cứu chẩn đoán logic mờ - Các nghiên cứu J Gertler [19], R J Patton, P M Frank, R N Clark [39] đặt móng, trình bày khái niệm lý thuyết chẩn đoán kỹ thuật -5- (phân loại lỗi, khái niệm lượng sai lệch - Residual) - Các nghiên cứu Ding SX [12], Isermann R [16,17,18] nghiên cứu phân tích phương pháp phát chẩn đốn lỗi cho hệ thống có điều khiển điện tử Phương pháp chẩn đốn lỗi sở mơ hình tốn học nghiên cứu phương pháp ước lượng tham số xây dựng quan sát để phát lỗi cho trường hợp hệ thống tuyến tính Về ứng dụng lý thuyết mờ điều khiển chẩn đốn TTKT tơ: Các tác giả D Ichalal, Benoit M Isemann [16] cơng bố cơng trình nghiên cứu sử dụng mơ hình TS để chẩn đốn lỗi cảm biến Trong nghiên cứu đưa phương pháp xây dựng mơ hình tốn học biểu diễn lỗi cảm biến cấu chấp hành HT có ĐKĐT; Các cơng trình nghiên cứu chẩn đoán lỗi hệ thống ĐKĐT động mơ hình khác nhau: mơ hình Mamdani, hệ suy diễn kết hợp mạng nơ ron ; Các tác giả Zahedi E., Gahraveis A.A cơng trình [51] cơng bố kết ứng dụng mơ hình chẩn đốn mờ TS để chẩn đoán lỗi hệ thống phanh ABS Trong tác giả chưa xét ảnh hưởng điều kiện chuyển động, nhiễu từ mặt đường ảnh hưởng đến q trình phanh Về chẩn đốn lỗi hộp số tự động: tác giả M.Shahab, M Moavenian dùng hệ suy diễn T-S xây dựng liệu thống kê; tácgiả Mo Lian Guang, Xie Zheng nghiên cứu chẩn doán lỗi hộp số tự động mơ hình mạng nơ ron * Các cơng trình nghiên cứu ứng dụng lý thuyết mờ Việt Nam Sử dụng hệ thống logic mờ để giải toán điều khiển, dự báo chẩn đoán lĩnh vực y tế, thủy lợi, truyền tải điện [1, 8] Các cơng trình nghiên cứu ứng dụng logic mờ Mamdani chẩn đốn TTKT động cơ, hệ thống phanh tô, hệ thống treo Trong lĩnh vực nông lâm nghiệp, tác giả Phạm Văn Lang cộng "Nghiên cứu phương pháp tập mờ đánh giá chất lượng thiết kế - chế tạo nhà lưới trồng rau, hoa, giống" mơ hình suy diễn mờ Mamdani; tác giả Đào Chí Cường cơng trình "Nghiên cứu xây dựng CSDL cho hệ thống chẩn đoán động diesel dùng nông nghiệp, nông thôn Việt Nam" (Luận án TSKT 2011) sử dụng mờ Mamdani để chẩn đoán lỗi phát hư hỏng cho động cơ; tác giả Lê Hùng Lân cộng nghiên cứu "Tổng hợp điều khiển thích nghi cho hệ thống chống bó cứng bánh xe ô tô phanh sở hệ suy diễn" (Tạp chí KH GTVT số 21, trang 72-80) Một số đề tài nghiên cứu chẩn đoán hư hỏng hệ thống phanh khí nén tơ tải dùng logic mờ Mamdani ứng dụng công tác sửa chữa nước Trong đó, tô đại, theo thông tin giới thiệu hãng sản xuất, nhiều hệ thống phanh ABS, hệ thống treo điện tử, hệ thống phun xăng đánh lửa động cơ, điều khiển hộp số tự động sử dụng điều khiển mờ (Fuzzy controller) [10,11] Trong hệ thống đó, ngồi chức điều khiển cịn tích hợp chức tự chẩn đoán TTKT phát hư hỏng 1.5 Lựa chọn đề tài mục tiêu nghiên cứu luận án Từ phân tích trên, xuất phát từ nhu cầu xây dựng phương pháp luận cho chẩn đoán TTKT hệ thống có ĐKĐT tơ đại làm sở ứng dụng, khai thác, thiết kế hệ thống chẩn đốn hệ thống tơ nước, NCS chọn đề tài nghiên cứu luận văn là: “Xây dựng mơ hình chẩn đốn trạng thái kỹ thuật hệ thống VSCtrên ô tô” Các mục tiêu nghiên cứu cụ thể luận án gồm có: Nghiên cứu phương pháp chẩn đoán TTKT phát trạng thái làm việc có -6- lỗi hệ thống có ĐKĐT tơ Nghiên cứu sở lý thuyết việc chẩn đoán phát trạng thái lỗi hệ thống có ĐKĐT tơ hệ suy diễn mờ Takagi-Sugeno, bao gồm việc thiết kế quan sát mờ hệ thống chẩn đốn phát trạng thái làm việc có lỗi hệ thống thông qua lượng sai lệch trị số đầu quan sát với trị số đầu đo từ hệ thống thực Xây dựng mơ hình chẩn đốn trạng thái làm việc có lỗi hệ thống VSC xe Toyota Camry sở hệ suy diễn mờ Takagi-Sugeno Thử nghiệm đánh giá hiệu hệ thống chẩn đoán mờ Thiết kế chế tạo thu thập liệu từ ECU tơ để phục vụ cho chẩn đốn phát lỗi hệ thống VSC xe Toyota Camry 1.6 Kết luận chương Từ kết nghiên cứu phân tích Chương 1, rút số kết luận sau: - Đối với hệ thống có ĐKĐT, NCS định hướng sử dụng phương pháp chẩn đốn sở mơ hình Phương pháp chẩn đốn hiệu tiết kiệm lý do: + Sử dụng thơng số chẩn đốn trực tiếp trạng thái làm việc hệ thống đánh giá TTKT hệ thống xác, hiệu + Để đo đạc thơng số chẩn đốn, khơng cần bố trí lắp đặt thiết bi, cảm biến đo lường mà sử dụng tín hiệu cảm biến mạch ĐKĐT hệ thống nên vừa tiết kiệm chi phí, thời gian thao tác chẩn đoán - NCS chọn phương pháp sử dụng mờ Takagi Sugeno để mô tả hệ thống Phương pháp kết hợp ưu điểm mơ hình toán học (sử dụng hàm biểu diễn quan hệ vật lý yếu tố hệ thống, giảm bớt khối lượng thống kê liệu) với ưu điểm mờ T-S (mô tả hệ phi tuyến tập hợp mơ hình tuyến tính địa phương) - Q trình chẩn đốn TTKT gồm hai giai đoạn: phát trạng thái làm việc có lỗi hệ thống xác định vị trí, nguyên nhân gây lỗi để khắc phục Với khuôn khổ luận án, NCS tập trung nghiên cứu vào phương pháp phát trạng thái làm việc có lỗi xây dựng mơ hình phát lỗi hệ thống VSC xe Toyota Camry - Trên ô tô đại, tiến hành chẩn đoán TTKT, việc phải làm chẩn đốn phần ĐKĐT Mơ hình chẩn đốn phát lỗi mà NCS nghiên cứu sử dụng công việc Tuy nhiên, mơ hình chẩn đốn phát lỗi khơng có ý nghĩa hồn tồn thay cho phần chẩn đốn khí thơng thường mà có ý nghĩa bổ sung, hỗ trợ thêm cho công tác chẩn đốn hệ thống tơ nói chung CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ XÂY DỰNG CHẨN ĐOÁN PHÁT HIỆN LỐI BẰNG HỆ SUY DIỄN MỜ TAKAGI-SUGENO Lý thuyết mờ nhằm kết hợp hai loại thông tin (các tín hiệu từ cảm biến kiến thức chuyên môn hệ thống) vào thiết kế, điều khiển hệ thống kỹ thuật Nghiên cứu ứng dụng hệ suy diễn mờ để xây dựng mơ hình chẩn đốn lỗi số mục tiêu luận án, cần phải tìm hiểu đặc điểm, phương pháp xây dựng chế vận hành hệ suy diễn mờ đặc biệt hệ mờ TakagiSugeno dùng để xây dựng mơ hình chẩn đốn hệ thống có ĐKĐT tơ 2.1 Hệ suy diễn mờ -7- Hình 2.1 trình bày sơ đồ khối hệ suy diễn mờ bao gồm bốn khối chức năng: khối mờ hóa đầu vào, khối sở tri thức, khối suy diễn logic khối giải mờ đầu Khối mờ hóa đầu vào làm nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu vào hệ thống thực từ miền vật lý (miền giá trị rõ) sang miền ngôn ngữ (miền giá trị mờ); khối tri thức bao gồm hai phần, liệu thu thập thông số trạng thái, môi trường làm việc hệ thống, hai kiến thức chuyên môn hệ thống (các quan hệ vật lý toán học, cấu trúc, kinh nghiệm chuyên gia); khối chế suy diễn (IE) phần lõi FIS, thực tính tốn lập luận xử lý tín hiệu đầu vào sở tri thức hệ thống đưa kết định cuối (dưới dạng kết mờ); khối giải mờ đầu làm nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu từ IE (có giá trị mờ) sang miền giá trị rõ 2.2 Hệ suy diễn mờ T-S Trong trình ứng dụng hệ suy diễn mờ vào lĩnh vực điều khiển hệ thống kỹ thuật công nghiệp, tác giả Takagi Sugeno (1975) đề xuất cấu trúc luật mờ sở có dạng đầu khơng phải biến mờ mà thay hàm số bậc biến đầu vào Đặc điểm hệ thống suy diễn kết đầu luật sở có giá trị rõ dạng hàm số biến đầu vào đầu Ví dụ với hai biến mờ đầu vào x y; biến mờ đầu z với hai luật sở có dạng tổng quát là: : IF x A= (2.5) Luật ℜ i= Bi THEN zi f ( x , y ) = i y Trong đó: A i B i tập mờ mệnh đề điều kiện; f(x,y) hàm biến vào x y Kết đầu hàm rõ z = px + qy + r với p, q, r số xác định Khi f hằng, mơ hình FIS T-S gọi mơ hình bậc 0; trị số biến z đầu mơ hình tính sở phương pháp giải mờ điểm trọng tâm: w z + w2 z2 z= 1 w1 + w2 Trong w i trọng số, xác định: w1 = min( µ A1 ( x ).µ B1 ( y)) w2 = min( µ A2 ( x ).µ B2 ( y)) Ưu điểm hệ suy diễn mờ T-S chỗ: kết đầu luật hàm bậc nên mơ hình T-S thực chất tổ hợp mơ hình tuyến tính địa phương Với tính chất đó, ứng dụng mơ hình T-S vào lĩnh vực có sử dụng kỹ thuật tuyến tính nhận dạng, mơ tả hệ thống kỹ thuật phức tạp với mục đích điều khiển chẩn đốn lỗi, điều khiển hệ thống kỹ thuật (ví dụ điều khiển PID, quan sát trạng thái, tính ước lượng tham số) thuận lợi 2.3 Xây dựng hệ suy diễn mờ T-S để mô tả hệ thống kỹ thuật -8- = 0 ( HC − I ) Eu T= I − HC A HCA − K1C F =− K = FH (2.28) Thì phương trình vi phân sai số có dạng: e(t ) = F e(t ) Nếu chọn ma trận F có dạng ma trận Hurwitz (các giá trị riêng ma trận F ổn định [49]) phương trình sai số tiệm cận tới biến xˆ quan sát có giá trị biến trạng thái x hệ thống thực Trị số biến đầu quan sát tiệm cận tới giá trị biến đo hệ thống thực Trong phương trình sai số (2.27) ta thấy khơng có mặt thành phần đầu vào khơng rõ E u d u (t) Như vậy, trường hợp này, sử dụng công cụ quan sát loại bỏ ảnh hưởng yếu tố đầu vào khơng rõ Thuật tốn để xác định hệ số quan sát trình bày Hình 2.12 Các hệ số A, B, C, E u , D, phương trình khơng gian trạng thái (2.24) thơng số đầu vào chương trình tính (Bước 1) Bước nhằm kiểm tra tính phù hợp hạng ma trận phân phối E u ma trận tích C*E u Nếu kết khơng phù hợp, quan sát UIO xây dựng Trong MatLab, sử dụng lệnh “rank“ để tính hạng ma trận Bước thủ tục tính ma trận hệ số H, T ma trận A* theo công thức: H = E CE T CE −1 CE T u ( u) u ( u) T= I − HC A = TA Bước thủ tục kiểm tra tính quan sát cặp C, A* Nếu cặp khơng đảm bảo "tính quan sát được", Bộ quan sát UIO xây dựng Trong MatLab, sử dụng lệnh “obsv“ [7, 49] Bước 5, 6, thủ tục tính hệ số K , K K = K +K Xây dựng quan sát mờ T-S Hệ phương trình khơng gian trạng thái hệ thống trường hợp có yếu tố đầu vào khơng rõ biểu diễn công thức (2.24) Tương ứng, hệ suy diễn T-S mơ tả hệ thống có dạng tập hợp p luật Mỗi luật thứ i có dạng sau: Luật ℜ i : IF z1 is M i1 and and zθ is M iθ THEN x(t) = Ai x(t) + Bi u(t) + Eu ,i du (t) y(t) = Ci x(t) + Di u( t ) + Fu ,i du ( t ) (2.31) Các ma trận A i , B i , C i , E u,i F u,i với kích thước phù hợp Tương ứng với luật R i , ta có mơ hình tuyến tính địa phương Do ta xây dựng -11- quan sát UIO cho mơ hình tuyến tính địa phương Như quan sát mờ UIO hệ suy diễn T-S biểu diễn dạng tập p luật mờ T-S 2.5 Tính tốn giá trị ngưỡng (t ) y (t ) − yˆ (t ) véc tơ chứa phần tử tương ứng Lượng sai lệch r= lượng sai lệch thông số thành phần biến đầu yˆ(t ) quan sát đầu hệ thống thực Để phát trạng thái lỗi cần phải tiến hành so sánh trị số lượng sai lệch với giá trị ngưỡng J th r= = r (r Jth ) hệ thống không lỗi y − yˆ(t ) r >0 hc (r >Jth ) hệ thống có lỗi Trng hp h thng khơng có lỗi: r (t ) 2,τ ≤ rd (t ) (2.34) 2,τ ≤ Jth, d ( t ) Với giá trị ngưỡng Jth,d(t) tính theo cơng thức: Jth, d ( t ) = sup d ( t )∈L2 rd (t ) 2,τ Trong "sup" ký hiệu tốn học với ý nghĩa cận (suprenum) dãy số thực Cuối giá trị ngưỡng tính theo công thức: Jth = Jth, d ( t ) Như vây, giá trị ngưỡng tính riêng cho thơng số chẩn đốn, xác định trường hợp hệ thống khơng có lỗi chứa thành phần sai số cho phép thơng số chẩn đốn (bao gồm sai số tĩnh sai số động), đặc trưng tín hiệu đầu vào khơng đo (tính theo phương pháp xác suất thống kê chuẩn L 2.6 Sử dụng quan sát mờ T-S để phát trạng thái làm việc có lỗi hệ thống Sau xác định thông số cấu trúc, quan sát mờ (2.32) sử dụng để chẩn đoán phát trạng thái lỗi cho hệ thống sơ đồ Hình 2.13 Đầu y hệ thống thực đầu yˆ quan sát véc tơ mà thành phần trị số tương ứng thông số chẩn đoán đo từ hệ thống thực thơng số tính tốn từ quan sát Vì vậy, kết so sánh r J th đánh giá hệ thống làm việc bình thường hay làm việc với trạng thái có lỗi mà cịn khoanh vùng lỗi liên quan đến thơng số chẩn đoán Đây ưu điểm quan trọng với mục đích chẩn đốn TTKT hệ thống Từ kết nghiên cứu trên, NCS đề xuất xây dựng hệ suy diễn T-S để chẩn đoán phát trạng thái lỗi hệ thống có ĐKĐT theo sơ đồ Hình 2.14 2.7 Kết luận chương - Trong chương này, NCS nghiên cứu sở lý thuyết việc ứng dụng hệ suy diễn mờ T-S để xây dựng mơ hình lý thuyết mơ tả hệ thống cần chẩn đốn trường hợp hệ thống khơng có lỗi Hệ suy diễn mờ mô tả hệ thống tập luật dạng IF THEN (biểu thức 2.14) Các biểu thức (2.15, 2.16) trình bày cách tính tốn để giải -12- mờ đầu hệ - Để loại bỏ ảnh hưởng nhiễu thành phần đầu vào không đo đầy đủ, NCS xây dựng quan sát mờ hệ thống Tính tốn thông số cấu trúc quan sát trình bày biểu thức (2.28 2.30) Bộ quan sát mơ hình lý thuyết mơ tả hệ thống (khi khơng có lỗi) sơ đồ ứng dụng để chẩn đốn phát lỗi (Hình 2.13) - NCS nghiên cứu cách xác định trị số ngưỡng làm sở để đánh giá, phân biệt trạng thái làm việc bình thường trạng thái làm việc có lỗi hệ thống Các cơng thức tính tốn giá trị ngưỡng trình bày (2.34, 2.39) - Mơ hình chẩn đốn phát lỗi cho hệ thống có ĐKĐT tơ bao gồm thành phần: hệ suy diễn mờ, quan sát mờ UIO véc tơ giá trị ngưỡng tín hiệu đầu hệ thống cần chẩn đoán Cách nối ghép mơ hình chẩn đốn với hệ thống cần chẩn đốn trình bày Hình 2.13 Trên sở kết nghiên cứu lý thuyết chương NCS tiến hành xây dựng mơ hình chẩn đốn phát lỗi cho hệ thống VSC xe Toyota Camry CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH CHẨN ĐỐN PHÁT HIỆN TRẠNG THÁI LÀM VIỆC CÓ LỖI CỦA HỆ THỐNG VSC TRÊN XE TOYOTA CAMRY 3.1 Hệ thống VSC xe Toyota Camry Hệ thống VSC (Vehicle Stability Control) làm nhiệm vụ giữ ổn định cho xe ô tô mặt đường nghiêng ngang, đường vòng Khi xe chuyển động đường vòng, tác dụng lực ly tâm tạo lực ngang tác dụng lên xe Ảnh hưởng lực ngang lớn tốc độ xe đường vòng lớn, mặt đường nghiêng bán kính cong nhỏ Trường hợp bánh xe cầu sau bị trượt ngang nhiều bánh xe trước dẫn đến tượng quay vòng thừa, trường hợp ngược lại, xe bị quay vòng thiếu Hệ thống VSC tự động tác động lực phanh phù hợp bánh xe (bên bên ngồi đường vịng, bánh xe trước bánh xe sau) để tạo mô men ổn định trì quỹ đạo chuyển động xe đồng thời tự động điều chỉnh chế độ tải động cho phù hợp với tình trạng phanh tốc độ tơ 3.2 Hệ phương trình trạng thái mơ tả động lực học bên xe Mơ hình 3-DOF sử dụng rộng rãi thiết kế điều khiển trực tuyến chuyển động dọc ổn định bên xe Theo số liệu nghiên cứu [12,43], mơ hình đáp ứng điều kiện chuyển động tơ đường vịng mặt đường phẳng có hệ số bám cao với gia tốc bên tới 0,4g Các giả thiết sử dụng cho mơ hình gồm có: - Ơ tơ có trục đối xứng dọc; - Ơ tơ chuyển động ổn định đường vịng (𝑣𝑣𝑥𝑥̇ ≈ 0), khơng có trượt dọc; - Sử dụng mơ hình lốp tuyến tính: -13- Fy = −Cα α (3.1) Hình 3.5 sơ đồ biểu diễn mơ hình 3-DOF xe mặt phẳng ngang Từ quan hệ vật lý, hệ phương trình vi phân mơ tả động lực học bên có dạng: m ( v y + ψ vx ) = C f δ − ( v y + a.ψ ) + Cr − ( v y − b.ψ ) v v x x I z ψ = a.C f δ − v ( v y + a.ψ ) − b.Cr − v ( v y − b.ψ ) x x (3.13) Phương trình khơng gian trạng thái có bổ sung thành phần không đo biến vào: C f + Cr − mvx β ψ aC − bC r − f Iz a − C f + Cr y = m ψ bCr − aC f Cf −1 β mvx ψ + aC 2 a C f + b Cr f − I z vx I z mvx2 bCr − aC f Cf β mvx + m ψ δ * + E d (t ) u u (3.16) δ * + F d (t ) u u Trong đó: x(t) véc tơ biến quan sát y(t) đầu đo mơ hình; d(t) ma trận hàm thời gian yếu tố đầu vào, không đo T T x(t ) = [ β ψ ] ; y (t ) = a y ψ ; δ * = δ vl il 3.3 Xây dựng hệ suy diễn mờ mô tả động lực học bên Hệ suy diễn mờ T-S mô tả hệ thống được trình bày dạng luật:Luật ℜi: If zi (t ) is MFi xi (t ) = Ai x(t ) + Biδ (t) + Ei du (t ) Then yi (t ) = Ci x(t ) + Diδ (t) + Fi du (t ) (3.19) Các kết tính tốn hệ số: A1 -51.8400 5.0031 -25.9200 0.5008 -17.2800 -0.3330 = 29.5660 ; A2 = ; A3 29.5660 -27.5734 ; -82.7201 29.5660 -41.3600 A4 -12.9600 -0.6248 -10.3680 -0.7599 -8.6400 -0.8332 = ; A5 = ; A6 29.5660 -13.7867 29.5660 -20.6800 29.5660 -16.5440 A5 -10.3680 -0.7599 -8.6400 -0.8332 = ; A6 29.5660 -13.7867 29.5660 -16.5440 B3 4.3200 3.6000 7.2000 5.4000 = B5 = ; B6 57.8298 ; = ; B4 57.8298 57.8298 57.8298 C1 -144.0000 16.6752 -144.0000 8.3376 -144.0000 5.5584 ; C2 = ; C3 = C4 -144.0000 4.1688 -144.0000 3.3350 -144.0000 2.7792 = ; C5 = ; C6 1 21.6000 10.8000 = B1 = ; B2 57.8298 57.8298 -14- 21.6000 10.8000 60 Fi = D = i = E1 = ; E2 57.8298 ; 57.8298 7.2000 5.4000 4.3200 3.6000 = ; E4 = ; E5 = ; E6 E3 = ; 57.8298 57.8298 57.8298 57.8298 3.4 Thiết kế quan sát mờ Bộ quan sát mờ UIO mơ hình biểu diễn dạng luật sở tương ứng xây dựng hệ suy diễn mô tả hệ thống Bộ quan sát mờ thứ i (i=1, ,6) biểu diễn dạng luật sau: If zi (t ) is MFi Then Luật ℜ i : zi (t ) =Fi zi (t ) + Ti Biu (t ) + K i y (t ) zi (t ) + H i y (t ) xˆ= i (t ) yˆ (t ) = C xˆ (t ) i i i (3.25) Cấu trúc quan sát mờ thứ i mơ chương trình Matlab Simulink ( Phụ lục 1) 3.5 Tính giá trị ngưỡng Lượng sai lệch r(t) so sánh với giá trị ngưỡng tương ứng để đưa kết luận hệ thống có lỗi hay khơng có lỗi Giá trị ngưỡng tính cho thơng số chẩn đốn trường hợp hệ thống khơng có lỗi Giá trị ngưỡng tính theo công thức Jth = Jth ,d ( t ) Trong mơ hình chẩn đốn này, lượng sai lệch r(t) véc tơ gồm thành phần: sai lệch trị số gia tốc ngang a y sai lệch trị số tốc độ góc quay thân xe ψ Giá trị ngưỡng tính riêng cho thơng số, cụ thể là: a - Giá trị ngưỡng gia tốc ngang a y : J th = ±0.25m / s - Giá trị ngưỡng tốc độ góc quay thân xe ψ: J thψ = ±0.04 rad / s 3.6 Các trường hợp mô phân tích kết Các trường hợp chạy mơ máy tính bao gồm: Trường hợp 1: Kiểm tra, đánh giá mức độ phù hợp kết tính tốn đầu hệ thống suy diễn mờ so với kết tính tốn đầu hệ thống thực không lỗi (gọi tắt hệ thống lấy mẫu) Trường hợp 2: Chạy chương trình tính ma trận hệ số quan sát mờ địa phương đánh giá mức độ phù hợp kết đầu hệ thống lấy mẫu không lỗi với đầu quan sát sau thiết kế Trường hợp 3: Sử dụng số liệu thu thập qua thí nghiệm xe để chẩn đoán TTKT cho hệ thống VSC trường hợp hệ thống khơng có lỗi có lỗi Hình 3.10 trình bày quy luật đánh lái sử dụng chạy mơ Các Hình 3.11, , 3.16 trình bày kết tính tốn trị số gia tốc ngang, tốc độ góc quay thân xe hệ suy diễn mô tả hệ thống so sánh với trị số tính tốn từ hệ thống thực với vận tốc quay vòng ổn định 20km/h y -15- 0.4 1.5 0.5 Lỵng sai lƯch gia tèc ngang aYY (m/s2) Tốc độ góc quay thân xe r1 (rad/s) Gia tèc ngang ay (m/s ) 0.06 0.35 2.5 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 10 15 20 25 Thêi gian (s) 35 30 40 10 15 20 25 Thêi gian (s) 30 35 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 40 10 15 20 25 Thêi gian (s) 30 35 40 Hình 3.11: Gia tốc ngang tính tồn Hình 3.12: Tốc độ góc quay thân xe Hình 3.15: Lượng sai lệch gia tốc từ hệ thống lấy mẫu tính tồn từ hệ hệ thống lấy mẫu ngang hệ suy diễn mờ h thng ly mu Tốc độ góc quay thân xe r1YY (rad/s) 0.4 Gia tèc ngang aYY (m/s2) 2.5 1.5 0.5 0 10 15 20 25 Thêi gian (s) 30 35 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 40 10 15 20 25 Thêi gian (s) 30 35 40 Hình 3.13: Gia tốc ngang tính tồn Hình 3.14: Tốc độ góc quay tính Hình 3.16: Lượng sai lệch tốc độ góc quay thân xe hệ suy diễn mờ hệ từ hệ suy diễn mờ toàn từ hệ suy diễn mờ thống lấy mẫu 0.7 0.07 0.6 0.06 2 Lỵng sai lƯch gia tèc (m/s ) Tốc độ góc quay thân xe r1 (rad/s) Gia tèc ay (m/s2) Các Hình 3.17, , 3.22 trình bày kết tính trị số gia tốc ngang, tốc độ góc quay thân xe hệ suy diễn mờ so sánh với trị số thu từ hệ thống lấy mẫu với vận tốc ổn định 35km/h, qui luật đánh lái 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 10 15 20 25 Thêi gian (s) 30 35 Hình 3.17: Gia tốc ngang hệ thống lấy mẫu 0.7 0.6 0 10 15 20 25 Thêi gian (s) 30 35 40 0.04 0.03 0.02 0.01 10 15 20 25 Thêi gian (s) 30 35 10 15 20 25 Thêi gian (s) 30 35 40 Hình 3.21: Lượng sai lệch gia tốc ngang hệ suy diễn mờ hệ thống lấy mẫu 0.025 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 40 Hình 3.18: Tốc độ góc quay thân xe hệ thống lấy mẫu Tèc ®é gãc quay th©n xe r1aYY (rad/s) Gia tèc aYY (m/s2) 40 Lượng sai lệch tốc độ góc quay thân xe (rad/s) 0.05 0.02 0.015 0.01 0.005 0 10 15 20 25 Thêi gian (s) 30 35 40 10 15 20 25 30 35 40 Thêi gian (s) Hình 3.19: Gia tốc ngang tính tồn Hình 3.20: Tốc độ góc quay tính tồn Hình 2.22: Lượng sai lệch tốc độ góc quay thân xe hệ suy diễn mờ từ hệ suy diễn mờ từ hệ suy diễn mờ hệ thống lấy mẫu Nhận xét: Từ đồ thị biểu diễn cho thấy: -16- + Ứng với vận tốc 20km/h lượng sai lệch gia tốc ngang hệ suy diễn mờ hệ thống lấy mẫu lớn xấp xỉ 0.055m/s2, tốc độ 35km/h sai lệch lớn xấp xỉ 0.065m/s2 Điều chứng tỏ lượng sai lệch tốc độ cao tăng tốc độ thấp + Ứng với vận tốc 20km/h lượng sai lệch tốc độ góc quay thân xe hệ suy diễn mờ hệ thống lấy mẫu lớn xấp xỉ 1.9×10-2rad/s, tốc độ 35km/h sai lệch lớn xấp xỉ 2.3×10-2rad/s, chứng tỏ lượng sai lệch tốc độ cao có xu hướng tăng + Xu hướng sai lệch tăng tốc độ chuyển động xe tăng, điều giải thích tính phi tuyến mơ hình tốn học theo thơng số vận tốc v Các Hình 3.23, , 3.26 trình bày kết tính trị số gia tốc ngang, tốc độ góc quay thân xe đầu quan sát so sánh với trị số tính tốn từ hệ thống thực tốc độ quay vòng ổn định 20km/h Gia tèc ngang aydot (m/s2) 2.5 1.5 0.5 0 10 15 25 20 Thêi gian (s) 30 35 40 Hình 3.23: Gia tốc ngang tính tốn từ quan sát Hình 3.24: Tốc độ góc quay thân xe tính tốn từ quan sát Hình 3.25: Lượng sai lệch gia tốc ngang quan sát hệ thống lấy mẫu Hình 3.26 Lượng sai lệch tốc độ góc quay thân xe quan sát hệ thống lấy mẫu Nhận xét: trị số đầu quan sát khảo sát với đầu hệ thống lấy mẫu sát (sai số cỡ 10-3), cụ thể là: + Ứng với vận tốc 20km/h lượng sai lệch trị số gia tốc ngang quan sát hệ thống lấy mẫu lớn xấp xỉ 4.2×10-3m/s2, tốc độ 35km/h sai lệch lớn xấp xỉ 8.8×10-3m/s2 tốc độ 45km/h sai lệch lớn xấp xỉ 7.5×10-2m/s2; + Ứng với vận tốc 20km/h lượng sai lệch tốc độ góc quay thân xe quan sát hệ thống lấy mẫu lớn xấp xỉ 3.4×10-3rad/s, tốc độ 35km/h sai lệch lớn xấp xỉ 1.4×10-2rad/s tốc độ 45km/h sai lệch lớn xấp xỉ 4.6×10-2rad/s; Như vậy, xây dựng hệ suy diễn mờ để khảo sát động lực học hệ thống có xét đến ảnh hưởng yếu tố khơng rõ đầu vào việc sử dụng quan sát cần thiết -17- Các kết mô phần 3.5 cho thấy quan sát với thơng số tính tốn thiết kế bám sát hệ thống lấy mẫu Chạy chương trình máy tính phần nhằm mơ tả cách sử dụng chương trình phần mềm Bộ quan sát việc chẩn đoán TTKT hệ thống VSC thực tế Để đánh giá TTKT hệ thống VSC cần liệu đo thực tế xe: tốc độ xe, góc quay vành lái, trị số gia tốc ngang trị số tốc độ góc quay thân xe Các Hình 3.36, 3.37 số liệu đo thí nghiệm xe có hệ thống VSC hoạt động bình thường, khơng lỗi (xem Chương 4, phần kết thí nghiệm) tương ứng với trị số góc quay vành lái, gia tốc ngang tốc độ góc quay thân xe Vận tốc xe quay vòng 20km/h 3.7 Kết luận chương - Trên sở kết nghiên cứu lý thuyết chương ứng dụng hệ suy diễn mờ T-S để mô tả hệ thống chẩn đoán TTKT, chương này, NCS tiến hành xây dựng mơ hình chẩn đốn TTKT cho hệ thống VSC có ĐKĐT xe Toyota Camry Các thơng số sử dụng để chẩn đoán TTKT hệ thống VSC bao gồm: góc quay vành lái, tốc độ tơ, gia tốc ngang xe, tốc độ góc quay thân xe - NCS xây dựng hệ suy diễn mờ T-S để mô tả hệ thống VSC (trong trường hợp hệ thống khơng có lỗi) với yếu tố đầu vào không đo (các nhiễu, sai số cảm biến đầu vào…); thiết kế quan sát mờ UIO để hiệu chỉnh loại bỏ ảnh hưởng nhiễu đến sai lệch đầu mô hình tính tốn đầu đo từ hệ thống thực; Tính tốn xác định giá trị ngưỡng sai lệch thơng số chẩn đốn đầu tương ứng gia tốc ngang tốc độ góc quay thân xe - Các kết chạy chương trình mơ cho thấy, sai lệch kết tính tốn đầu Bộ quan sát so với trị số tương ứng từ hệ thống mẫu (hệ thống thực có ảnh hưởng nhiễu khơng có lỗi) nhỏ lần so với sai lệch tương ứng tính từ hệ suy diễn mờ với hệ thống mẫu Điều chứng tỏ Bộ quan sát mô tả hệ thống thực (trong trường hợp thông số đầu vào bị nhiễu đo không đầy đủ) -18- tốt so với dùng hệ suy diễn mờ thông thường CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1 Mục đích nghiên cứu, đối tượng thông số thực nghiệm * Mục đích: Các thực nghiệm nhằm mục đích đánh giá khả ứng dụng hiệu mơ hình NCS nghiên cứu để chẩn đoán phát lỗi hệ thống VSC xe Toyota Camry * Đối tượng thực nghiệm Hệ thống VSC xe Toyota Camry 2.4, sản xuất năm 2009 Việt Nam (trên xe cụ thể xe phục vụ giảng dạy NCKH Trường Cao đẳng nghề Kỹ thuật Công nghệ Đông Anh - Bộ Lao động, Thương binh Xã hội) * Thông số đo thực nghiệm Bảng 4-1 thơng số đo q trình thực nghiệm lấy từ ECU hệ thống điều khiển điện tử ô tô Để chủ động đo thông số chẩn đốn thí nghiệm cơng tác sửa chữa thực tế, NCS nghiên cứu chế tạo Bộ thu thập liệu, thiết bị kết nối ECU tơ với máy tính cá nhân nhằm thu thập thông tin từ cảm biến gửi ECU xe Thiết bị giúp truy cập tức thời số liệu thí nghiệm lưu trữ số liệu vào máy tính, nhập liệu vào chương trình xử lý quan sát thiết kế để tiến hành chẩn đoán phát lỗi hệ thống VSC xe thí nghiệm 4.2 Chế tạo thu thập liệu * Cơ sở thiết kế, chế tạo thu thập liệu Bộ thu thập liệu thiết bị điện tử thiết kế theo chuẩn OBD2 Đây hệ thống chuẩn SAE quy định giao tiếp thông tin người, thiết bị ngoại vi với hệ thống điều khiển điện tử (thông qua ECU) ô tô * Thiết kế mạch thiết bị Về nguyên tắc, muốn giao tiếp với ECU xe cụ thể cần có thiết bị kết nối với ECU qua đầu nối chuẩn DLC3 xử lý thiết bị phải tương thích với giao thức truyền tin mà hãng sản xuất xe sử dụng Các module kết nối gồm có: - Module chuyển đổi chuẩn giao tiếp - Module chuyển đổi giao tiếp UART-USB để chuyển đổi giao tiếp từ cổng COM máy tính PC sang máy tính Laptop -19- * Kiểm tra làm việc thu thập liệu Để kiểm tra khả làm việc độ xác số liệu mà Bộ thu thập liệu thiết kế chế tạo, NCS tiến hành thí nghiệm kiểm tra đối chứng liệu kết thu từ mạch đo dùng cảm biến MPU 6050 kết mà Bộ thu thập liệu nhận từ ECU xe Camry Sơ đồ nối ghép hệ thống đo Hình 4.10 Để phục vụ việc thu thập liệu đối chứng từ nguồn liệu (Thiết bị thu thập liệu từ cảm biến xe Mạch cảm biến MPU 6050), NCS thiết kế chương trình máy tính sở phần mềm LabView (Phụ lục 4) để thu thập lưu trữ kết thí nghiệm Giao diện hình thu thập liệu thí nghiệm kiểm chứng mạch đo dùng cảm biến MPU 6050 kết nối ELM327 thể Hình 4.11 Các đồ thị Hình 4.12-4.15 trình bày so sánh đối chiếu trị số nhận từ Bộ thu thập liệu từ cảm biến MPU -20- 4.3 Thí nghiệm phát lỗi hệ thống VSC xe Camry * Mục đích thí nghiệm Các thí nghiệm thực nhằm: - Kiểm tra khả sử dụng hệ thống chẩn đoán bao gồm Bộ thu thập liệu từ ECU, phần mềm hệ suy diễn mờ, quan sát (mà NCS nghiên cứu thiết kế, chế tạo) giá trị ngưỡng tính tốn để chẩn đoán phát lỗi hệ thống VSC xe Toyota Camry - Đánh giá ảnh hưởng yếu tố mặt đường, độ cứng vững hệ dẫn động lái đến thông số liên quan đến làm việc hệ thống VSC gây lệch hướng bánh xe dẫn hướng, gây biến động gia tốc ngang tốc độ góc quay thân xe xe chuyển động ổn định đường thẳng, mặt đường phẳng * Điều kiện thí nghiệm: xe khơng tải chuyển động với vận tốc ổn định * Các thông số đo trang thiết bị đo, quan sát thí nghiệm Trong thí nghiệm, thiết bị Carman Scan VG+ (Hình 4.18) sử dụng để thực nhiệm vụ: Kiểm tra hiệu chỉnh theo quy trình hướng dẫn hãng xe đặt vị trí cảm biến góc quay vành lái, cảm biến gia tốc ngang cảm biến tốc độ góc quay thân xe; xóa mã lỗi sau thực thí nghiệm đánh lỗi cảm biến Để kết nối Carman VG với ECU xe, sử dụng đầu nối tiêu chuẩn DLC3 16 chân (Hình 4.21) Vị trí đầu nối DLC3 chuẩn hóa (Hình 4.22) * Sơ đồ lắp đặt thu thập liệu với ECU máy tính thí nghiệm Kết nối Bộ thu thập liệu, thông tin cảm biến tốc độ tơ, gia tốc ngang, tốc độ góc quay thân xe góc quay vành lái từ ECU tơ với máy tính thể Hình 4.23 Giao diện chương trình điều khiển trình bày -21- hình 4.24 * Phân tích kết thí nghiệm chẩn đốn phát lỗi hệ thống VSC Thí nghiệm (Trường hợp hệ thống VSC hoạt động bình thường, khơng có lỗi) - Các đồ thị Hình 4.25 4.27 kết đo thơng số góc quay vành lái, gia tốc ngang, tốc độ góc quay thân xe thí nghiệm với điều kiện hệ thống VSC hoạt động bình thường (khơng có lỗi) So sánh lượng sai lệch r với giá trị ngưỡng cảm biến tốc độ góc quay thân xe gia tốc ngang.(Hình 4.28 4.29) Thí nghiệm (Trường hợp xuất lỗi hệ thống VSC) Các hình 4.30 4.33 trình bày đồ thị tín hiệu nhận từ cảm biến gia tốc ngang tốc độ góc quay thân xe thời điểm xuất lỗi thí nghiệm có xuất lỗi hệ thống VSC -22- Thí nghiệm (Thí nghiệm chuyển động thẳng) Kết thí nghiệm phát lệch hướng xe giữ nguyên vành lái theo hướng chuyển động thẳng Độ lệch hướng chuyển động xe qua lần đo Các trị số dao động cảm biến gia tốc ngang, góc quay vành lái tốc độ góc quay thân xe Từ đồ thị cho thấy, xe chuyển động thẳng, tín hiệu cảm biến có trị số khác khơng Với cảm biến gia tốc ngang, giá trị max nhiễu đạt tới 0.27m/s2; với cảm biến đo tốc độ góc quay thân xe, tín hiệu nhiễu max có giá trị 0.8o/s; với cảm biến góc quay vành lái, trị số tương ứng 4.8o Các số liệu thí nghiệm cho thấy yếu tố ngẫu nhiên không đo từ mặt đường, cấu trúc hệ thống, sai lệch thông số kỹ thuật (ví dụ áp suất lốp khơng quy định, lốp mòn…) làm ảnh hưởng đến sai lệch mơ hình hệ thống thực Việc sử dụng cơng cụ quan sát UIO cho mơ hình chẩn đoán cần thiết 4.5 Nhận xét kết luận chương Các nội dung kết nghiên cứu chương liên quan đến thực nghiệm mà NCS tiến hành nhằm đánh giá hiệu làm việc mơ hình chẩn đốn phát lỗi hệ thống VSC xe Toyota Camry - NCS thiết kế chế tạo Bộ thu thập liệu cảm biến góc quay vành lái, tốc độ tơ, gia tốc ngang tốc độ góc quay thân xe gửi ECU Các liệu thơng số đầu vào chương trình tính toán đánh giá trạng thái kỹ -23- thuật, phát lỗi hệ thống VSC Toyota Camry Bộ thu thập liệu kiểm chứng qua thí nghiệm chứng tỏ hoạt động xác, tin cậy - Các kết thí nghiệm đánh giá tính làm việc hệ thống chẩn đốn lỗi (bao gồm Bộ thu thập liệu, chương trình máy tinh L2.xlsx) cho thấy hệ thống chẩn đoán chẩn đoán trạng thái kỹ thuật hệ thống VSC xe Toyota, phát trạng thái làm việc có lỗi hệ thống thơng qua thơng số chẩn đốn góc quay vành lái, tốc độ ô tô, gia tốc ngang tốc độ góc quay thân xe - Các kết thí nghiệm cho thấy ảnh hưởng yếu tố ngẫu nhiên mặt đường, ảnh hưởng độ cứng vững dẫn động lái, thông số cấu trúc cấu truyền động bánh xe dẫn hướng … đến quỹ đạo chuyển động mong muốn xe chuyển động thẳng quay vịng Các thơng số thơng số đầu vào, không đo nguyên nhân gây tính khơng xác mơ hình lý thuyết mô tả hệ thống thực KẾT LUẬN CHUNG VÀ CÁC KIẾN NGHỊ Kết luận chung Đã lựa chọn phương pháp chẩn đốn sở mơ hình để xây dựng mơ hình chẩn đốn phát lỗi hệ thống có ĐKĐT xe tơ nói chung cụ thể hệ thống VSC xe Toyota Camry Đã ứng dụng hệ suy diễn mờ T-S để mô tả hệ thống VSC ô tô, sử dụng hàm biểu diễn quan hệ vật lý yếu tố hệ thống, giảm bớt khối lượng thống kê liệu so với phương pháp sử dụng hệ suy diễn mờ Mamdani Xây dựng mơ hình chẩn đốn phát trạng thái làm việc có lỗi hệ thống VSC xe Toyota Camry, bao gồm thành phần: thu thập liệu thơng tin chẩn đốn từ cảm biến góc quay vành lái, tốc độ ô tô, gia tốc ngang, tốc độ góc quay thân xe; hệ suy diễn mờ mơ tả hệ thống VSC chẩn đốn; quan sát trạng thái UIO lập trình để đánh giá lượng sai lệch làm để phát trạng thái làm việc có lỗi hệ thống VSC xe Toyota Camry Kết thí nghiệm đánh giá TTKT hệ thống VSC xe Toyota Camry (được trình bày mục 4.3) chứng tỏ mơ hình chẩn đốn TTKT hệ thống VSC NCS nghiên cứu đề xuất làm việc tốt, hiệu Đã thiết kế, chế tạo thu thập liệu cảm biến góc quay vành lái, tốc độ tơ, gia tốc ngang, tốc độ góc quay thân xe gửi ECU thông qua đầu nối chẩn đốn DLC3 đưa trực tiếp vào chương trình chẩn đốn lỗi cài đặt máy tính Các kết nghiên cứu phương pháp chẩn đoán thiết kế mơ hình chẩn đốn phát lỗi hệ thống VSC xe tơ làm sở cho tính tốn thiết kế chế tạo hệ thống chẩn đoán xe sản xuất nước Kiến nghị Phát triển ứng dụng mờ T-S quan sát mờ UIO để chẩn đốn hệ thống có ĐKĐT tơ hệ thống phanh, lái trợ lực điện, hộp số tự động, hệ thống by-wire Phương pháp luận chẩn đốn lỗi hệ thống có ĐKĐT tơ trình bày luận án sử dụng làm sở cho thiết kế chế tạo thiết bị, hệ thống chẩn đoán lỗi (phần cứng phần mềm) hệ thống có ĐKĐT tơ -24- DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH Đà CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Phạm Hữu Nam, Nguyễn Thanh Tùng, Nguyễn Trọng Minh, Trần Quang Hà (2011) Hệ thống tự chẩn đoán lỗi động phun xăng điện tử EFI, Tạp chí Giao thơng vận tải, số tháng năm 2011,trang 35, 36, 37 38 Phạm Hữu Nam, Chu Mạnh Hùng, Trần Quang Hà (2011) Ứng dụng mạng Nơ ron để chẩn đoán trạng thái kỹ thuật động cơ, Tạp chí Giao thơng vận tải, số tháng 12 năm 2011, trang 40, 41 42 Trần Quang Hà (2013) Ứng dụng mạng Nơ ron mờ chẩn đốn lỗi hộp số tự động, Tạp chí Giao thơng vận tải, số tháng năm 2013, trang 16, 17 71 Trần Quang Hà, Phạm Hữu Nam (2013) Sử dụng phương trình tương đương chẩn đốn lỗi hệ thống tơ, Tạp chí Giao thơng vận tải, số tháng năm 2013, trang 27, 28 29 Tran Quang Ha, Pham Huu Nam, Pham Van Thoan (2015) Application of Takazi-Sugeno fuzzy system for automotive fault detection and isolation, The International conference on automotive technology for Vietnam Hosted by Vietnamese Society of Automotive Engineers Hanoi, October 9-11,2015 -25- ... xe ô tô đại chiếm tỷ lệ lớn số xe ô tô sử dụng nước nay .Trên ô tô đại, hệ thống có ĐKĐT lại thường hệ thống xe (như hệ thống cấp nhiên liệu cho động cơ, hệ thống đảm bảo an toàn chuyển động (hệ. .. Mối liên hệ phi tuyến Từ phân tích cho thấy việc chẩn đốn TTKT, phát lỗi hệ thống VSC thực phương pháp chẩn đoán hệ thống khí thơng thường Việc xây dựng mơ hình chẩn đoán lỗi cho hệ thống VSC cung... chẩn đốn trạng thái kỹ thuật hệ thống VSCtrên ô tô? ?? Các mục tiêu nghiên cứu cụ thể luận án gồm có: Nghiên cứu phương pháp chẩn đoán TTKT phát trạng thái làm việc có -6- lỗi hệ thống có ĐKĐT tơ