Nghiên cứu điều khiển hệ thống động lực của ô tô tải nhằm hạn chế trượt quay bánh xe chủ động (tt)

Vì vậy, việc nghiên cứu, tìm ra giải pháp tác động vào quá trình điều khiển của hệ thống nhiên liệu nhằm hạn chế hiện tượng trượt quay bánh xe trên ô tô khi di chuyển trên đường trơn trư

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS TS.Hồ Hữu Hải

2 PGS TS Đàm Hoàng Phúc

Phản biện 1: PGS.TS Dương Văn Tài

Phản biện 2: PGS.TS Trần Quang Hùng

Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Ngọc Quế

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường, họp tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

MỞ ĐẦU Hầu hết các xe tải tại nước ta sử dụng động cơ diezel sử dụng bơm cao áp không có điều khiển điện tử và chưa được trang bị hệ thống chống trượt quay Vì vậy, việc nghiên cứu, tìm ra giải pháp tác động vào quá trình điều khiển của hệ thống nhiên liệu nhằm hạn chế hiện tượng trượt quay bánh xe trên ô tô khi di chuyển trên đường trơn trượt là cần thiết nhằm tăng tính ổn định và khả năng cơ động cho xe

Chính vì vậy, đề tài “Nghiên cứu điều khiển hệ thống động lực của ô tô tải nhằm hạn chế trượt quay bánh xe chủ động” là một công trình khoa học cần thiết nhằm góp phần tạo dựng cơ sở

lý thuyết phục vụ cho việc nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển mức tải động cơ nhằm hạn chế

độ trượt quay của bánh xe chủ động trên ô tô tải nhỏ sản xuất lắp ráp tại Việt Nam, góp phần hiện đại hóa các nhà máy ô tô và phục vụ những nghiên cứu trong đào tạo

Mục đích của luận án:

Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển mức tải động cơ nhằm hạn chế độ trượt quay của bánh xe chủ động trên ô tô tải nhỏ sản xuất lắp ráp tại Việt Nam

Đối tƣợng nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu của luận án được lựa chọn là ô tô tải 2,98 tấn, công thức bánh xe 4x2 trang bị động cơ diezel

Phạm vi nghiên cứu:

Nghiên cứu điều khiển thay đổi mức tải của động cơ nhằm hạn chế hiện tượng trượt quay bánh xe chủ động của ô tô khi hoạt động trên đường thẳng, xấu trơn trượt và đồng nhất

Nội dung và bố cục của luận án:

Nội dung nghiên cứu của luận án gồm 4 chương: chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu; chương 2: Mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô; chương 3: Xây dựng bộ điều khiển và

mô phỏng hoạt động của hệ thống điều khiển; chương 4: Thiết kế chế tạo và thực nghiệm hệ thống

Những kết quả mới của luận án:

- Mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô có xét đến đặc tính động cơ đốt trong sử dụng bơm cao áp dãy

- Thuật toán điều khiển và giá trị các tham số của bộ điều khiển hạn chế trượt quay bánh xe bằng phương pháp điều khiển công suất động cơ

- Các kết quả mô phỏng lý thuyết hoạt động của hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe

- Mẫu bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành (chế tạo thử nghiệm lần đầu) của hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ động

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Trên thực tế hiện nay, các hãng ô tô trên thế giới có nhiều phương pháp để điều khiển hạn chế trượt quay bánh xe chủ động của ô tô nhưng tập trung chủ yếu là điều khiển công suất động cơ

và tác động vào hệ thống phanh nhằm giúp ô tô chuyển động an toàn Một số nghiên cứu ứng dụng

sử dụng kết hợp hai phương pháp trên nhằm nâng cao tốc độ và hiệu quả điều khiển Tại Việt Nam

đã có nhiều nghiên cứu về hệ thống hạn chế trượt lết bánh xe tuy nhiên chưa có các công trình nghiên cứu đáng kể nào về hệ thống hạn chế trượt quay Hệ thống điều khiển hạn chế trượt quay là một hệ thống phức tạp, việc nghiên cứu đòi hỏi kết hợp nhiều lĩnh vực kiến thức: cơ khí động lực,

kỹ thuật điện tử, cảm biến và cơ cấu chấp hành và kỹ thuật điều khiển, do vậy đề tài luận án có tính khoa học

Tại Việt Nam hiện nay, các xe tải sử dụng động cơ diesel được sử dụng phổ biến Các loại

xe này hầu như chưa được trang bị hệ thống chống trượt quay bánh xe (Anti-Spin Regulation) Trong khi các phương tiện này hoạt động trên các loại đường xấu ở các vùng nông thôn, miền núi hoặc các công trường xây dựng các bánh xe rất dễ bị trượt quay, làm giảm khả năng cơ động của

xe Nội dung nghiên cứu của luận án góp phần làm cơ sở để tiến tới làm chủ công nghệ điều khiển hạn chế trượt quay bánh xe chủ động và áp dụng cho các xe tải sản xuất, lắp ráp tại Việt Nam Do vậy đề tài có ý nghĩa thực tiễn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Hiện tượng trượt quay bánh xe và cơ sở lý thuyết hạn chế hiện tượng trượt quay

Trong quá trình chuyển động, các lực và mô men tác dụng lên bánh xe chủ động được thể hiện trên hình 1.1 như sau[26]:

Hình 1.1 Sơ đồ lực và mô men tác

dụng lên bánh xe chủ động

Hình 1.2 Sự thay đổi hệ số bám dọc và ngang

theo độ trượt bánh xe

Nếu mô men của động cơ truyền đến bánh xe lớn hơn mô men bám cực đại (M x Mmax) sẽ làm cho bánh xe bị trượt quay đến mức gây hại Hệ số bám dọc, hệ số bám ngang giữa bánh xe và mặt đường phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tình trạng mặt đường, kiểu lốp, chất lượng lốp, nhiệt độ, vận

tốc, độ trượt Với φ x và φ y là hệ số bám dọc và hệ số bám ngang của bánh xe Nhiều nghiên cứu cho thấy khi độ trượt nằm trong khoảng 10% - 30% thì hệ số bám theo phương dọc φx lớn và đạt giá trị lớn nhất [3];[7];[18];[38] trong khi đó hệ số bám ngang đang có xu hướng giảm nhưng vẫn ở giá trị cao

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về hệ thống chống trượt quay Các nghiên cứu hạn chế hiện tượng trượt quay tập trung vào 3 giải pháp đó là điều khiển hệ thống phanh, điều khiển công suất động cơ, kết hợp điều khiển công suất và phanh hợp lý:[20],[21],[22],[27],[28], [30],[31],[32],[33],[34],[35],[40],[41],[42],[44],[46],[49,[50],[51],[52],[53],[54],[55]

1.3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu

Luận án đã lựa chọn đối tượng nghiên cứu là ô tô tải nhỏ sử dụng động cơ diezel (bơm cao áp dãy), công thức bánh xe 4x2

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu

Việc điều khiển cùng lúc hai giải pháp hết sức phức tạp, vì vậy trong khuôn khổ luận án này chỉ nghiên cứu một phần của giải pháp điều khiển giảm công suất (mô men) động cơ thông qua điều khiển tải của động cơ nhằm giảm độ trượt của các bánh xe chủ động của ô tô khi hoạt động trên đường xấu trơn trượt và đồng nhất

1.4 Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu

1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm được mẫu đầu hệ thống điều khiển giảm công suất động cơ nhằm hạn chế độ trượt quay của bánh xe chủ động trên ô tô tải nhỏ sản xuất lắp ráp tại Việt Nam khi chạy trên đường có hệ số bám thấp

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết

- Nghiên cứu thực nghiệm

1.5 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ động của ô tô, xây dựng mô hình mô

phỏng chuyển động thẳng của ô tô;

- Khảo sát đặc tính tăng tốc của ô tô tải trên đường có hệ số bám khác nhau;

- Nghiên cứu đề xuất thuật toán điều khiển và xác định các thông số của bộ điều khiển;

- Mô phỏng hệ thống điều khiển, xác định vùng làm việc của bộ điều khiển;

- Nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định đặc tính cục bộ, đặc tính ngoài của bơm cao áp dãy, đặc tính bộ điều tốc;

- Thiết kế chế tạo bộ điều khiển, cụm cơ cấu chấp hành của hệ thống;

- Thực nghiệm hoạt động của hệ thống

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG THẲNG CỦA Ô TÔ

Mô hình mô phỏng gồm mô hình động cơ, mô tả hệ thống truyền lực, mô hình bánh xe và mô hình chuyển động theo phương dọc của xe

Hình 2.1 Sơ đồ mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô

2.1 Xây dựng mô hình mô phỏng

2.1.1 Xây dựng đặc tính tốc độ động cơ diezen

Mô men động cơ có thể tính theo công thức sau:[37]

(n )

* max(n )

2.1.1.1 Xây dựng đặc tính ngoài của bơm cao áp:

Đặc tính ngoài của bơm max(n )

bca b

Q thể hiện mối quan hệ giữa lượng phun nhiên liệu với các

số vòng quay khác nhau tại mức ga 100% ở chế độ thực nghiệm ổn định được xác định ở phần thực nghiệm bơm cao áp

2.1.1.2 Xây dựng đặc tính cục bộ của bơm cao áp:

Đặc tính cục bộ của bơm (n )

bca b

Q được xác định bằng thực nghiệm thể hiện mối quan hệ giữa lượng phun nhiên liệu với vận tốc góc của bơm cao áp ở các mức ga khác nhau

0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09

Van toc goc bom cao ap (v/p)

Hình 2.6 Đặc tính tốc độ của bơm cao áp

2.1.1.3 Xây dựng mô hình bộ điều tốc cơ khí ly tâm đa chế độ

Đặc tính đáp ứng trễ của vị trí thanh răng theo sự thay đổi vị trí của bàn đạp ga cần thiết được

mô tả trong mô hình bơm cao áp Hàm truyền của bộ điều tốc có dạng:

1 1

1W(s)

2.1.1.4 Xây dựng đặc tính mô men của động cơ

Trong mô hình mô phỏng, đặc tính ngoài động cơ được đưa vào ở dạng bảng giá trị tham chiếu lookup tables- theo mối quan hệ như sau:

Từ các đặc tính ngoài của bơm, đặc tính cục bộ của bơm, đặc tính ngoài động cơ, áp dụng công thức 2.1 luận án xây dựng đặc tính mô men của động cơ được thể hiện trên Hình 2.13

20 40 60 80 100

0 80 160 240 320

2.1.3 Mô hình mô phỏng bánh xe

Các lực và mô men tác dụng lên bánh xe chủ động:

Phương trình chuyển động quay của bánh xe chủ động như sau:

.

Các lực và mô men tác dụng lên bánh xe bị động:

Trên bánh xe bị động, khi chuyển động có các lực và mô men tác dụng sau:

Hình 2.16 Lực và mô men tác dụng lên bánh xe bị động

Phương trình chuyển động quay bánh xe bị động có dạng như sau:

J bx t.tM f t F r x t d

(2.12)

Quan hệ giữa hệ số bám dọc tức thời theo độ trượt

Trong mô hình mô phỏng, hệ số bám dọc được đưa vào mô phỏng bằng cách nội suy tuyến tính (sử dụng lookup table) ở từng điểm trên đường đặc tính quan hệ giữa hệ số bám dọc với độ trượt của lốp xe ô tô nghiên cứu, lực bám dọc này phụ thuộc vào độ trượt  và đã được xác định từ thực nghiệm [3]

Hình 2.17 Quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt dọc[3]

2.1.4 Mô hình mô phỏng động lực học theo phương dọc của xe

Hình 2.18 Sơ đồ các lực tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động

Phương trình chuyển động của xe theo phương dọc được viết như sau:

e tl LH x

M i k

2.2 Khảo sát đặc tính tăng tốc của ô tô khi hệ số bám thay đổi

2.2.1 Khảo sát đặc tính tăng tốc của ô tô trên đường có hệ số bám thấp và cao: Kết quả

mô phỏng quá trình khởi hành ở tay số 1 của ô tô có các thông số như trong Bảng 1.1 với các điều kiện của phương án PA1 được thể hiện trên các hình sau:

PA1

φ =0,3; φ =0,8

P in =(40;70;100)%;

f=0,15

Khảo sát quan hệ các thông số chuyển động của

xe theo mức tải tại đường có hệ số bám thấp và cao

Hình 2.20 Gia tốc ô tô, vận tốc ô tô và độ trượt

bánh xe tại mức tải 40%

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0

1 2 3

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0

0.5 1

2 )

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0

0.5 1

Hình 2.21 Gia tốc ô tô, vận tốc ô tô và độ trượt

bánh xe tại mức tải 70%

Từ kết quả mô phỏng có thể thấy khi tăng mức tải động cơ (số vòng quay động cơ tăng) dẫn đến: Trên đường có hệ số bám cao: độ trượt của bánh xe chủ động của ô tô nhỏ và không phụ thuộc vào mức tải động cơ Trên đường có hệ số bám thấp: độ trượt của bánh xe ô tô lớn và tỉ lệ với mức tải động cơ (tổng thời gian có độ trượt lớn (>30%) ở các mức tải 40%; 70% và 100% tăng lên lần lượt là 7,1s; 10,1s và 13s ) bánh xe ô tô bị trượt rất lớn

Các kết quả mô phỏng đã phản ánh đúng mối quan hệ động lực học từ mô men động cơ cho đến độ trượt của bánh xe chủ động và gia tốc của ô tô Mô hình mô phỏng có thể ứng dụng để khảo

sát, nghiên cứu hiện tượng trượt quay cũng như hạn chế trượt quay của bánh xe chủ động trong quá trình chuyển động trên đường xấu Trên các đường có hệ số bám thấp tổng thời gian bánh xe chủ động có độ trượt (>30%) tăng dần theo mức tải động cơ

2.2.2 Khảo sát đặc tính tăng tốc của ô tô trên các đường xấu có hệ số bám thấp

Ở nội dung này, luận án tiếp tục tiến hành mô phỏng quá trình khởi hành của ô tô trên các

đường có hệ số bám thấp (φ=0,25:0,05:0,55) với các mức tải P in =(10:10:100)% nhằm khảo sát ảnh

hưởng của mức tải động cơ Pin tới khả năng tăng tốc của ô tô

Hình 2.23 Vận tốc ô tô, gia tốc ô tô và độ trượt

bánh xe ô tô khi tăng tốc trên đường có hệ số bám

φ = 0,45 tại mức tải 10%; 20%; 30%

Hình 2.24 Vận tốc ô tô, gia tốc ô tô và độ trượt bánh

xe ô tô khi tăng tốc trên đường có hệ số bám φ = 0,3 tại mức tải 10%; 20%; 30%

Từ các kết quả trên cho thấy: Tại thời điểm ô tô đạt gia tốc cực đại (a max) với các hệ số bám () khác nhau đều có độ trượt (<30%) Vậy tại các vùng có độ trượt (>30%) là không tốt cho quá trình tăng tốc của ô tô

0.1 0.2 0.3 0.4

0 5 10 15 20 25 30

muc chan ga(%)

Hình 2.25 Mối quan hệ giữa thời gian có độ trượt lớn hơn 30% khi khởi hành trên đường có hệ số cản

lăn f=0,15 với các hệ số bám khác nhau và mức tải khác nhau

Từ kết quả đồ thị cho thấy với đường có hệ số cản lăn f =0,15:

Trên các đường có hệ số bám φ nhỏ hơn 0,3 bánh xe chủ động bị trượt quay hoàn toàn ở tất

cả các mức tải động cơ khác nhau do đó ô tô không có khả năng tăng tốc Trên các đường có hệ số

bám φ từ 0,45 trở lên độ trượt bánh xe nằm trong vùng λ=[15-20]% do đó càng tăng tải động cơ thì

quá trình tăng tốc càng tốt hơn

Trên các đường có hệ số bám φ từ 0,3 đến 0,4 nếu càng tăng mức tải động cơ thì thời gian độ trượt λ>30% càng tăng, điều này làm giảm khả năng tăng tốc của ô tô Có thể so sánh thông số tổng thời gian có độ trượt (λ>30%) để đánh giá khả năng tăng tốc của ô tô trên các loại đường có hệ số

bám thấp với các mức tải động cơ khác nhau

Tuy nhiên, khi xảy ra hiện tượng trượt quay bánh xe chủ động trên đường, người lái khó có khả năng xác định mức tải động cơ phù hợp để điều khiển mức ga hợp lý Từ đó cho thấy sự cần thiết của một bộ điều khiển giúp người lái điều chỉnh mức ga phù hợp với điều kiện bám nhằm giúp

ô tô khởi hành tốt hơn

2.3 Kết luận chương 2

Luận án đã xây dựng được mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô Luận án đã mô phỏng khảo sát quá trình khởi hành của ô tô với các mức ga khác nhau trên đường có hệ số bám khác nhau, các kết quả mô phỏng phù hợp với quy luật vật lý của ô tô, mô hình mô phỏng có thể ứng dụng để khảo sát nghiên cứu hiện tượng trượt quay cũng như điều khiển hạn chế trượt quay của bánh xe ô tô chủ động Các kết quả khảo sát trên đường có hệ số bám thấp cho thấy:

- Trên các đường tương đối xấu (hệ số bám trong khoảng 0,3 đến 0,45), độ trượt của bánh xe

chủ động khi xe đạt gia tốc cực đại a max trong khoảng 20% đến 30%

- Có thể sử dụng thông số tổng thời gian có độ trượt (λ>30%) để đánh giá khả năng tăng tốc

của ô tô trên các loại đường có hệ số bám thấp với các mức tải động cơ khác nhau

Các giá trị thông số độ trượt khi xe đạt gia tốc cực đại và tổng thời gian có độ trượt (λ>30%)

sẽ được sử dụng làm cơ sở cho việc lựa chọn thuật toán điều khiển và đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển trong chương 3

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ

THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3.1 Đề xuất cấu trúc của hệ thống

Mục đích của bộ điều khiển là xuất ra một mức điều khiển Pdk hợp lý thông qua cơ cấu chấp hành để bù trừ với mức ga người lái Pnl nhằm điều khiển mức tải động cơ Pin hợp lý giúp ô tô khởi hành tốt hơn trên các loại đường xấu và trơn trượt P in P nl P dk (3.1)

16 Bộ điều khiển

Hình 3.1 Sơ đồ cấu tạo chung của hệ thống điều khiển

Hình 3.1 Sơ đồ mô hình hệ thống điều khiển công suất động cơ

3.2 Bộ điều khiển và phương pháp xác định tham số điều khiển

Hệ thống điều khiển theo thuật toán PID được mô tả như sau

Hình 3.5 Hệ thống điều khiển sử dụng thuật toán PID

Bước1: Đặt k I =0; k D =0, Tăng dần giá trị k P đến khi dao động tuần hoàn Đặt giá trị k P =k C và

xác định chu kỳ dao động Pc Tiến hành đánh giá tổng thời gian có độ trượt của bánh xe chủ động (λ>30%) và mức độ điều khiển của bộ điều khiển để xác định k C và P C

Luận án lựa chọn hệ số kC =1,5 và có chu kỳ dao động P C=0,5 để xác định các thông số bộ điều khiển kP; kI; kD theo bảng lựa chọn thông số của phương pháp Ziegler-Nichols [36] trong bước

2

Bảng 3.1: Thông số xác định tham số bộ điều khiển

Từ cách xác định các thông số trong Bảng 4 với các giá trị k C =1,5 và P C =0,5 trong bước 1

Để so sánh và lựa chọn loại bộ điều khiển phù hợp với yêu cầu Luận án đã tiến hành mô phỏng

tổng thời gian có độ trượt của bánh xe chủ động (λ>30%) và mức điều khiển (p dk) với các loại bộ điều khiển có kết quả như sau:

PI

lambda mong uoc

P

Hình 3.8 Kết quả mô phỏng trên đường có hệ số bám φ=0,3; hệ số cản lăn f=0,15; mức tải 80%

Các phân tích kết quả cho thấy ưu điểm của bộ điều khiển PID đã giảm nhanh được tổng thời

gian có độ trượt của bánh xe chủ động λ>30% và có mức điều khiển p dk hợp lý, vì vậy luận án lựa chọn sử dụng phương pháp điều khiển theo sai số giữa giá trị độ trượt mong muốn và giá trị độ

trượt thực tế theo quy luật PID với các hệ số lần lượt là: k P =0,9; k I =3,6; k D=0,056

3.3 Mô phỏng hoạt động của hệ thống khi có bộ điều khiển