Điều khiển bướm ga điện tử xe ôtô (electronic throttle control )

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - ĐINH TRƯỜNG SƠN ĐIỀU KHIỂN BƯỚM GA ĐIỆN TỬ XE ÔTÔ (ELECTRIC THROTTLE CONTROL) LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Mã số ngành: 60520114 TP HỒ CHÍ MINH, tháng 03 năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - ĐINH TRƯỜNG SƠN ĐIỀU KHIỂN BƯỚM GA ĐIỆN TỬ XE ÔTÔ (ELECTRIC THROTTLE CONTROL) LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Mã số ngành: 60520114 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN VIỄN QUỐC TP HỒ CHÍ MINH, tháng 03 năm 2016 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học : TS NGUYỄN VIỄN QUỐC (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 05 tháng 03 năm 2016 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT Họ tên Chức danh Hội đồng PGS.TS Nguyễn Thanh Phương Chủ tịch TS Nguyễn Văn Nhanh Phản biện TS Đặng Xuân Kiên Phản biện TS Võ Hoàng Duy TS Nguyễn Duy Anh Ủy viên Ủy viên, Thư ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập – Tự – Hạnh phúc TP HCM, ngày 26 tháng 05 năm 2015 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : ĐINH TRƯỜNG SƠN Giới tính : Nam Ngày sinh : 18-03-1980 Nơi sinh : Tam Bình-Vĩnh Long Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Điện Tử MSHV : 1341840026 I- Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN BƯỚM GA ĐIỆN TỬ XE ÔTÔ (ELECTRIC THROTTLE CONTROL) II- Nhiệm vụ nội dung: Nhận dạng bướm ga xe ô tô, xác định khâu phi tuyến hệ thống, xây dựng mơ hình tốn học, mơ Matlab/Simulink Đề xuất giải pháp điều khiển, mô hệ thống máy tính III- Ngày giao nhiệm vụ : 26-05-2015 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ : 26-11-2015 V- Cán hướng dẫn : TS NGUYỄN VIỄN QUỐC CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực Luận văn (Ký ghi rõ họ tên) ii LỜI CÁM ƠN Trước tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành giúp đỡ nhiệt tình thầy Nguyễn Viễn Quốc, thầy giúp em tìm phương pháp cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu mới, cách làm việc có kế hoạch, q thầy môn điện tử trường đại học Công Nghiệp thành phố Hồ Chí Minh, q thầy trường đại học Cơng Nghệ thành phố Hồ Chí Minh Trong suốt thời gian học tập làm đồ án tốt nghiệp Học viên thực Luận văn (Ký ghi rõ họ tên) Đinh Trường Sơn iii TÓM TẮT Hiện nay, bướm ga điều khiển dây cáp khí sử dụng phần lớn xe ôtô Gần đây, hãng xe nghiên cứu đưa vào ứng dụng bướm ga điện tử kết hợp với hệ thống phun xăng điện tử, nhằm tối ưu việc sử dụng nhiên liệu nâng công suất động cơ, nâng cao tính an tồn, … Các loại bướm ga điện tử truyền động động DC servo dựa vào tín hiệu điều khiển từ chân ga Các loại bướm ga điện tử có đặc điểm chung có tính phi tuyến cao độ cứng lị xo hồi có ma sát khơ bướm ga thành họng xăng trình vận hành Do đó, tốn điều khiển vị trí bướm ga, việc tìm quy luật điều khiển phù hợp để có đáp ứng nhanh, với độ xác cao điều cần thiết Trong luận văn này, luật điều khiển trượt thích nghi đề xuất để điều khiển hệ thống bướm ga điện tử, dựa mô hình phi tuyến hệ thống với thơng số hệ thống khơng biết xác Hiệu luật điều khiển minh chứng qua kết mô iv ABSTRACT Until now, throttles are controlled by cables in most cars Many car manufacturers have recently carried out research on electronic throttles for using them in combinations with electronic fuel injections to optimize the fuel consumption and improve safety The electronic throttle is driven by a DC servo motor controlled according to the angle of the acceleration pedal The electronic throttle has high non-linearity due to the nonlinear spring and dry friction For such systems, it is essential to have suitable control laws that are able to overcome the nonlinearities and uncertainties in the system parameters In this thesis, an adaptive sliding mode control law is proposed for the throttle system which contains high nonlinearities and inexactly-known parameters The effectiveness of the proposed control law is proved via simulation results v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i  LỜI CÁM ƠN ii  TÓM TẮT iii  ABSTRACT iv  DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi  DANH MỤC CÁC HÌNH vii  Chương1 TỔNG QUAN .1 ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI: 1  1.1 Đặt vấn đề: 1  1.2 Tính cấp thiết đề tài: .1  MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1  2.1 Mục tiêu đề tài: .1  2.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu: .2  2.3 Phương pháp luận phương pháp nghiên cứu 2  TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 3  3.1. Cấu trúc Bướm ga điện tử: 3  3.2. Giới thiệu tổng quan tình hình nghiên cứu bướm ga điện tử xe ôtô :6  3.3. Đề xuất tác giả phương pháp điều khiển bướm ga điện tử: .9  Chương MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG 11  Chương 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIÊM 17 3.1 Mô phong matlab Simulink: .17  3.2 Thực nghiệm mơ hình làm kiểm chứng: 23  Chương 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 32 Tài liệu tham khảo .34 PHỤ LỤC 35 vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ECU: Electric Control Unit DC: Direct current PID: Proportional Integral Derivative 25 Tính u Xuất tính hiệu điều khiển pwm Giải thích lưu đồ giải thuật: Tính giá trị m0 , m1 , m2 , đọc giá trị góc đo góc đặt so sánh Nếu tiếp tục đọc so sánh Nếu giá trị góc đo góc đặt khác nhau, tính độ sai lệch áp dụng luật điều khiển Adaptive Sliding Mode tính tốn giá trị điều khiển để đưa góc đo tiến đến giá trị góc đặt nhanh Tiếp tục đọc giá trị góc đo góc đặt,…đến kết thúc Phân tích modun boad mạch liên quan: - Bộ điều khiển: Dùng Board Arduino Mega 2560 (thông số chi tiết xem phần phụ lục), modun có nhiệm vụ đo góc quay bướm ga so sánh với góc đặt sau xuất tính hiệu PWM phù hợp cho mạch công suất để điều khiển motor 26 - Mạch cầu H: Ta dùng Board H-BTS7960 43A (thông số chi tiết xin xem phần phụ lục), - Bộ đo liệu: Ta dùng Board Arduino Mega 2560 thứ hai Modun có nhiệm vụ đo góc quay bướm ga so sánh với góc đặt sau lên máy tính giao diện Matlab thông qua thư viện target thư viện hỗ trợ Matlab cho Arduino Thông qua thông số đo online ta dễ dàng điều chỉnh hệ số Kp, Kd,Ki điều khiển 27 Cảm biến đo moment xoắn : hãng Lorenz Messtechnik GmbH D-2553 (thông số chi tiết xin xem phần phụ lục) Hình3.8: cảm biến đo moment xoắn hãng Lorenz Messtechnik GmbH D-2553 Các bước tiến hành thí nghiệm mơ hình thực : Bước 1: Đo moment xoắn ta dùng cảm biến đo moment xoắn hãng Lorenz Messtechnik GmbH D-2553 Sau lấy thông số moment hệ thống ta dùng phần mềm Matlab vẽ lại đường đặt tuyến 28 Hình 3.9: Cảm biến dụng cụ đo moment tải bướm ga điện tử Hình 3.10 : Mơ đun đo mement phần mềm Labview 29 Hình 3.11: Đo moment tải phần mềm Labview Kết sau đo thực tế khó quan sát số lý khách quan sau: Cảm biến có có giá trị đo lớn khoản 50N.m moment đo không đến 0.3N.m Nên giá trị đo có giá trị tham khảo Bước 2: Tiến hành điều khiển đối tượng: Đầu tiên viết chương trình PID với điều kiện hệ số như: Kp, Kd, Ki thay đổi thơng qua biến trở để tìm thơng số làm cho chất lượng điều khiển chấp nhận báo số [1] Code chương trình: int cnt = 0; unsigned long times = 0, old_times = 0; float sp, u, up = 0, ud = 0, ui = 0, theta = 0; float kp, kd, ki; 30 float last_error, error, u_max = 1023.0, u_min = -1023.0; void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(5, OUTPUT); // sets the pin as output pinMode(6, OUTPUT); // sets the pin as output } void loop() { unsigned long dt; times = micros(); dt = times - old_times; kp = analogRead(A3) * 0.01; // read the input pin kd = analogRead(A4) * 0.0; ki = analogRead(A5) * 0.001; sp = analogRead(A6) * 0.087976; //90/1023.0; theta = (analogRead(A7) - 105) * 0.12129; //gia tri goc theta 105-846: 90/(846105)=0.12129 error = sp - theta; up = kp * error; ud = kd * (error - last_error) / (dt * 1.0e-6); ui = ui + ki * error * dt * 1.0e-6; u = up + ud + ui; if (u > u_max) u = u_max; if (u < u_min) u = u_min; 31 if (u >= 0) analogWrite(5, abs((int)(u))); else analogWrite(6, abs((int)(u))); last_error = error; old_times = times; } Kết : Tác giả thay đổi hiệu chỉnh nhiều giá trị Kp, Ki, Kd đối tượng điều khiển bám tốt vào đối tượng đặt tính phi tuyến cao bướm ga 32 Chương 4: Kết luận hướng phát triển Về sở lý thuyết phân tích tác giả đạt mục tiêu đề giúp đối tượng điều khiển bám tốt vào đối tượng đặt nhanh 50% so với phương pháp PID thông qua việc đưa thêm thành phần -φs vào luật điều khiển giúp đẩy nhanh việc tiến mặt trược đối tượng Khi đối tượng tiến gần mặt trượt (s ̴ 0) λ định tốc độ giãm sai số e Tác giả làm cho việc thiết kế hệ thống thực tế trở nên đơn giản nhờ vào phương pháp ước lượng giá trị (nghĩa hệ thống nạp giá trị khởi tạo bạn đầu đo lường tính tốn sau q trình vận hành hệ thơng tự đông cập nhật online giá trị dẫn đến chật lượng điều khiển tốt hơn) Bảng tổng kết kết phân tích : Các phương pháp điều khiển PID Thời gian đáp 0.23s Backstepping 30s Fuzzy Sliding Mode 30s Adaptive Sliding Mode 0.12s ứng Những vấn đề thực hiện: - Về lý thuyết: Mơ hình hóa đối tượng tiến hành thí nghiệm Matlab Simulink với tín hiệu vào khác nhau, sau đánh giá kết thông qua mô chay ổn định tiến hành làm phần cứng mơ hình bướm ga thực - Thực hành: Thiết kế mơ hình hệ thống bướm ga điện tử xe ô tô Viết chương trình điều khiển phương pháp PID với thơng số Kp, Ki, Kd điều chỉnh cho mạch điều khiển để đánh giá phương pháp Kết quả: Tác giả thay đổi hiệu chỉnh nhiều giá trị Kp, Ki, Kd đối tượng điều khiển bám tốt vào đối tượng đặt tính phi tuyến cao bướm ga - Hạn chế : Do thời gian thực điều kiện trang thiết bị hạn chế nên việc tiến hành đo đạt thông số đối tượng không đầy đủ 33 xác : Đo moment xoắn lò xo hồi, lực ma sát (ước ma sát khơ), thí nghiệm nhiều điều kiện khác (ảnh hưởng nhiệt độ, độ ẩm, nhiễu,…) để đánh giá tính ổn định hệ thống - Ngồi để đánh giá cơng trình báo cáo khoa học tác giả khác phải tiến hành mơ lại làm thí nghiệm kiểm chứng dựa vào thông tin tác giả cung cấp xem có phù hợp hay khơng, sau đánh giá kết nhận xét phù hợp Nhưng thời gia hạn chế nên ta lấy kết báo cáo thơng qua số liệu hình ảnh minh họa báo Hướng phát triển đề tài: - Viết chương trình điều khiển theo phương pháp Adaptive Sliding Mode để đánh giá phương pháp chạy tốt mơ hình thực tế giống kết mô Matlab Simulink không? - Ta cần nghiên cứu phát triển ECU hoàn chỉnh có chất lượng phù hợp với nhiều điều kiện sử dụng 34 Tài liệu tham khảo [1] A.Thomasson and L.Eriksson(2011) Model-Based Throttle control using Static compensators and Pole Placement Oil&Gas Science and Technology-Rev, Vol.66, 717-727 [2] Rui Bai, Shaocheng Tong and Hamid Reza Karimi (2013) Modeling and Backstepping Control of Electronic Throttle System Hindawi Publishing Corporation, Volume 2013,Article ID 871674, pages [3] Rui Bai, Yumei Liu and Shengxian Wang Fuzzy Sliding Mode Control of the Electronic Throttle System Proceeding of the 11th word congress on intelligent and Automomation Shengang, China, june 29-July 2014 [4] Rui Bai and Shaocheng Tong Adaptive Backstepping Sliding –Mode Control of the Electronic Throttle System in Moder Automobiles Hindawi Publishing Corporation, Volume 2014,Article ID 383064, pages [5] Dương Hoài Nghĩa (2011) Điều khiển hệ thống đa biến Tái lần thứ NXB Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh 35 Phụ lục Các thơng số mơ hình tham khảo tài liệu số [4]: Gr = 17 Kb = 0.016 Ks = 0.0247 theta0 = 0.16 J = 4e-6 Kt = 0.016 Kd = 4e-4 Ubat = 12 Ra = 1.2 Km = 0.107 Kk = 4.8e-3 m0 = Kt*Ubat/(Gr*J*Ra) m1 = Ks/(Gr^2*J) m2 = Kb*Kt/(J*Ra)+Kd/(Gr^2*J) m3 = Km/(Gr^2*J) m4 = Kk/(Gr^2*J) lam = 50 phi = 100 gam1 = 0.1 gam2 = 0.1 36 37 38 39 ... tài: Bướm ga điện tử có nhiều ưu điểm so với bướm ga khí (bướm ga khí dễ bị kẹt, độ rơ khớp nối, ) Bướm ga điện tử kết hợp với cảm biến khác xe, điều khiển trung tâm ECU (Electric Control Unit)... tối đa xe nhờ vào bướm ga điện tử Hệ thống điều khiển bướm ga điện tử có tính phi tuyến cao lị xo hồi ma sát Vì việc thiết kế điều khiển phù hợp bảo đảm điều khiển vị trí bướm ga nhanh xác điều. .. chuyển động bướm ga điện tử: N rTe (t )  TL  N r2 J d  (t ) dt ( 1) 12 Moment điện từ motor DC: Te (t )  Kt iu (t ) ( 2) Ta có: iu (t ) Ru  Uu (t )  Ub (t ) ( 3) Mà : Uu (t )  Ubat D(t ) Suy :