Bài viết trình bày kết quả mô phỏng hệ kiểm soát hành trình trên cơ sở động học phương dọc cho xe ô tô bằng công cụ Matlab Simulink. Kết quả mô phỏng đã chỉ ra bộ điều khiển PID đáp ứng yêu cầu hệ thống, tự động điều chỉnh mô men của động cơ đốt trong sao cho lực kéo của xe cân bằng với nhiễu lực cản bên ngoài, duy trì ổn định một tốc độ xe không đổi khi có nhiễu lực cản thay đổi.
CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016 MƠ PHỎNG HỆ KIỂM SỐT HÀNH TRÌNH TRÊN CƠ SỞ ĐỘNG HỌC PHƯƠNG DỌC CHO XE Ô TÔ BẰNG CÔNG CỤ MATLAB SIMULINK SIMULATION OF CRUISE CONTROL BASED FORWARD VEHICLE DYNAMICS WITH MATLAB SIMULINK NCS ĐÀO QUANG KHANH PGS.TS LƯU KIM THÀNH; PGS.TS TRẦN ANH DŨNG Khoa Điện – Điện tử, Trường ĐHHH Việt Nam Tóm tắt Bài báo trình bày kết mơ hệ kiểm sốt hành trình sở động học phương dọc cho xe ô tô công cụ Matlab Simulink Kết mô điều khiển PID đáp ứng yêu cầu hệ thống, tự động điều chỉnh mô men động đốt cho lực kéo xe cân với nhiễu lực cản bên ngồi, trì ổn định tốc độ xe khơng đổi có nhiễu lực cản thay đổi Nội dung báo phần đề tài: Nghiên cứu điều khiển tiết kiệm nhiên liệu cho xe sử dụng động xăng Abstract This paper presents the results of simulations cruise control system based forward vehicle dynamics with Matlab Simulink The simulation results showed PID controllers meet the system requirements, automatically adjusts the torque of the internal combustion engine so that the traction of the car balanced with outside interference resistance, maintaining a stable speed the constant car when resistance to change This is part of research project: Reseach controlled fuel efficiency for vehicle using gasoline engine Key words: PID controllers (Proportional-Integral-Derivative), Matlab Simulink, PID Tuner, forward vehicle dynamics Đặt vấn đề Kiểm sốt hành trình tự động hệ thống điều khiển phản hồi ứng dụng nhiều loại xe đại Mục đích hệ thống kiểm sốt hành trình để trì tốc độ xe khơng đổi có nhiễu lực cản bên ngoài, chẳng hạn thay đổi gió hay điều kiện mặt đường Điều thực cách đo tốc độ xe, so sánh với tốc độ mong muốn tự động điều chỉnh theo luật điều khiển Trong báo đề cập đến vấn đề tổng hợp điều khiển hành trình sở động học phương dọc cho xe ô tô công cụ Matlab – Simulink Nội dung 2.1 Mơ hình động học phương dọc xe tơ Khảo sát mơ hình động học xe theo phương dọc, thể hình Khối lượng xe m, xe chịu tác động lực kéo Fk Lực Fk đại diện cho lực tạo tiếp tuyến đường lốp Trong mơ hình, khảo sát lực trực tiếp từ mơ men động hệ thống truyền động, lốp xe Các lực cản ma sát lăn gió kéo, lực cản trọng trường tác động theo hướng ngược lại chuyển động xe F F b k Hình Mơ hình động học tơ theo phương dọc Từ mơ hình động học tơ theo phương dọc (hình 1), phương pháp tổng hợp lực áp dụng định luật Newton ta có hệ phương trình sau[4]: mv Fb v Fk y v Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải (1) Số 45 – 01/2016 26 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016 Trong đó: m : Là khối lượng xe (kg), Fb : Tổng lực cản tác động vào xe (N.s/m), Fk : lực kéo xe (N) v : Là vận tốc xe (m/s) Lực kéo xe Fk sinh từ động gắn xe mà mơ men xoắn tỷ lệ thuận với tỷ lệ phun nhiên liệu hay vị trí bướm ga (tín hiệu điều khiển u ) Mô men xoắn hàm phi tuyến theo tốc độ động cơ, đưa đường cong mô men [2]: n r v : n v (2) T Tm 1 m (3) nu T nuT ( n v) r (4) Fk Tm mô men xoắn cực đại động cơ, n hàm tỷ số truyền bánh răng, tốc độ động cơ, m tốc độ mà mơ men xoắn đạt cực đại, n tỷ số truyền bánh răng, r bán kính bánh xe, v vận tốc xe, hệ số, u tín hiệu điều khiển ( u )[2] Trong đó: Tổng lực cản tác động vào hệ xe bao gồm: ma sát lăn bánh xe, Fg lực cản trọng trường, Fr lực cản Fa lực cản khơng khí [2] Fb Fg Fr Fa mg sin mgCr Cv Av (5) Trong đó: m khối lượng xe, g gia tốc trọng trường, Cr hệ số cản lăn, Cv hệ số cản khơng khí theo phương dọc, A tiết diện mặt cản trước xe, v vận tốc xe, góc nghiên đường, mật dộ khơng khí [2] a Mơ hình trạng thái động học ô tô theo phương dọc Hệ thống có phần lượng động xe, vận tốc v biến trạng thái Từ (1) ta có phương trình trạng thái hệ động học ô tô theo phương dọc [4]: Fb v Fk x v m m y 1 v (6) Từ (5) ta có ma trận hệ thống mơ hình trạng thái[4]: b A , m 1 B , m C 1 , D0 b Hàm truyền động học ô tô theo phương dọc Sử dụng phép biến đổi Laplace cho phương trình vi phân (1), bỏ qua có điều kiện ban đầu, tìm hàm truyền đối tượng sau [4]: P s V s U s ms Fb Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải (7) Số 45 – 01/2016 27 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016 2.2 Tổng hợp điều khiển mơ hệ kiểm sốt hành trình xe sử dụng Matlab Simulink Khảo sát hệ xe có thông số theo bảng 1[2] Bảng Bảng thống số hệ xe Ký hiệu A m g Ý nghĩa Giá trị Tiết diện mặt cản trước xe 2.4[ m2] Khối lượng xe 1000[kg] Gia tốc trọng trường 9.8 [m/s2] Ký hiệu Tm Cr Hệ số cản lăn 0.01 Cv Hệ số cản khơng khí theo phương dọc 0.32 Vận tốc xe [m/s] n [rad/s] n v m Tốc độ mà mơ men xoắn đạt cực đại Ý nghĩa Tốc độ động Hệ số Góc nghiên đường mô men xoắn cực đại động Thứ tự chuyển số hộp số Mật độ khơng khí Tỷ số truyền bánh hộp số Giá trị [rad/s] 0.4 [rad] 190[Nm] [40,25,16,12,10] 1.3[k/m3] Từ phương trình (1),(2),(3),(4),(5) sử dụng cơng cụ Matlab – Simulink [1] ta có mơ hệ thống điều khiển hành trình cho xe ô tô theo động học theo phương dọc sử dụng điều khiển PID (hình 2) Hình Mơ hệ kiểm sốt hành trình cho hệ xe sử dụng thuật toán điều khiển PID Nhiệm vụ điều khiển PID phát sai lệch e, tạo hàm điều khiển u cho hệ thống ổn định đầu y đảm bảo chất lượng động, tĩnh theo yêu cầu theo giá trị đặt r [3] Bộ điều khiển có phản hồi dùng PID có cấu trúc hình 3, C(s) điều khiển PID, P(s) hàm truyền đối tượng Hình Cấu trúc điều khiển PID Bộ điều khiển PID xây dựng ba chức điều khiển tỷ lệ P, tích phân I, đạo hàm D, biểu diễn phương trình điều khiển [3] Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 45 – 01/2016 28 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016 C s KP KI KDs s (8) Hình Cơng cụ PID Tuner Matlab - Simulink Tùy theo đối tượng điều khiển, điều khiển PID sử dụng dạng khác nhau: P, PI,PD,PID Việc tính tốn lựa chọn tham số, điều khiển để đảm bảo chất lượng yêu cầu gọi thiết kế tổng hợp điều khiển Có nhiều phương pháp tổng hợp điều khiển, báo việc tổng hợp điều khiển cho hệ điều khiển hành trình xe sử dụng cơng cụ PID Tuner (hình 4) Sau nhập thông số bảng vào mô hình, sử dụng cơng cụ PID Tuner chỉnh định thơng số điều khiển cho kết Kp = 0.1, Ki= 0.01, Kd=0 Cho chạy mô với giá trị tốc độ ban đầu 20m/s sau thời gian 40s cho xe tăng tốc lên 30m/s, xe hoạt động ổn định đến thời gian 100s lực cản đặt lên xe thay đổi thay đổi độ dốc 300, kết mơ hình Hình Kết mơ kiểm sốt hành trình cho xe lực cản đường thay đổi Kết luận Bài toán kiểm sốt hành trình tự động mơ thành cơng với công cụ Matlab – Simulink, đáp ứng yêu cầu đặt toán là: Ổn định trì tốc độ xe khơng đổi có nhiễu lực cản bên ngoài, cho chất lượng động học tốt, hệ thống tự đông điều chỉnh momen động đốt cho lực kéo xe cân với nhiễu lực cản bên Việc điều chỉnh tự động điều chỉnh momen động đốt cân lực kéo với lực cản làm tăng hiệu suất xe hoạt động, từ giảm thiểu tiêu hao nhiên liệu Trong mơ hình mơ phỏng, cho phép hiệu chỉnh điều khiển PID tùy thuộc vào yêu cầu chất lượng đặt cho hệ thống công cụ PID Tuner Matlab Simulink TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Phùng Quang, Matlab &Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội năm 2005 [2] R M Murray, Control and Dynamical Systems, California Institute of Technology, 2006 [3] Bùi Quốc Khánh, Điều khiển trình, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội năm 2015 [4] http://ctms.engin.umich.edu Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 45 – 01/2016 29 ... lên xe thay đổi thay đổi độ dốc 300, kết mơ hình Hình Kết mơ kiểm sốt hành trình cho xe lực cản đường thay đổi Kết luận Bài tốn kiểm sốt hành trình tự động mơ thành công với công cụ Matlab – Simulink, ... [40,25,16,12,10] 1.3[k/m3] Từ phương trình (1),(2),(3),(4),(5) sử dụng cơng cụ Matlab – Simulink [1] ta có mơ hệ thống điều khiển hành trình cho xe tơ theo động học theo phương dọc sử dụng điều khiển... Fb Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải (7) Số 45 – 01/2016 27 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016 2.2 Tổng hợp điều khiển mơ hệ kiểm sốt hành trình xe sử dụng Matlab Simulink Khảo sát hệ xe có thơng số theo