Điều khiển chuyển động ô tô điện cải thiện độ bám đường dùng lý thuyết mờ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG Ô TÔ ĐIỆN: CẢI THIỆN ĐỘ BÁM ĐƯỜNG DÙNG LÝ THUYẾT MỜ NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HỐ MÃ SỐ: HỒNG KIM NGA Người hướng dẫn khoa học: TS TẠ CAO MINH HÀ NỘI - 2008 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Điều khiển chuyển động ô tô điện: cải thiện độ bám đường dùng lý thuyết mờ” tự thiết kế hướng dẫn Thầy giáo TS Tạ Cao Minh Để hoàn thành luận văn này, sử dụng tài liệu ghi bảng tài liệu tham khảo mà không sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Hà Nội, ngày 25 tháng 11 năm 2008 Người thực Hoàng Kim Nga MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN 1.1 Giới thiệu xe điện ………………………………………… 1.1.1 Lịch sử phát triển xe điện ………………………… 1.1.2 Ưu điểm vấn đề tồn xe điện …… 1.1.3 Cấu trúc ô tô điện ………………………………… 1.1.4 Nguyên lý hoạt động ô tô điện …………… 1.1.5 Các loại động dùng cho ô tô điện ………………… 1.2 Giới thiệu đề tài …………………………………………… 11 Chương MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ơ TƠ ĐIỆN 13 2.1 Hiện tượng trượt ô tô điện …………………………… 13 2.2 Xây dựng mơ hình động lực học tơ điện …………… 15 2.2.1 Mơ hình động tơ điện ………………………… 19 2.2.2 Mơ hình điều khiển hệ thống ……………………… 21 2.2.3 Mô hệ thống điều khiển ô tô điện môi trường Matlab - Simulink ……………………………………… 26 Chương CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỂ NÂNG CAO ĐỘ BÁM ĐƯỜNG 30 3.1 Phương pháp điều khiển theo mơ hình mẫu (MFC) ……… 31 3.1.1 Ngun lý điều khiển theo mơ hình mẫu ……………… 31 3.1.2 Điều khiển theo phương mơ hình mẫu ………………… 33 3.2 Phương pháp điều khiển tối ưu tỷ số trượt ………………… 36 3.2.1 Nguyên tắc điều khiển tối ưu tỷ số trượt ……………… 37 3.2.2 Mơ hình tơ điện phương pháp điều khiển tối ưu tỷ số trượt …………………………………………………………… 39 3.2.3 Ước lượng điều kiện mặt đường điều khiển tối ưu tỷ số trượt …………………………………………………………… 3.2.4 Thiết kế điều khiển tỷ số trượt …………………… 41 44 3.2.5 Mô phương pháp điều khiển tối ưu tỷ số trượt môi trường Matlab - Simulink ………………………………… 46 Chương ƯỚC LƯỢNG CHẤT LƯỢNG ĐƯỜNG DÙNG LÔGIC MỜ 52 4.1 Đặt vấn đề ………………………………………………… 52 4.2 Tổng quan lý thuyết mờ 53 4.2.1 Sơ đồ chức điều khiển mờ 53 4.2.2 Mơ hình mờ MAMDANI 55 4.3 Thuật toán điều khiển độ bám đưịng cho tơ điện 61 Chương MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIÈU KHIỂN Ô TÔ ĐIỆN 64 5.1 Mô hệ thống ………………………………………… 64 5.2 Đánh giá kết mô ……………………………… 72 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Tham số µ = f(λ) 23 Bảng 2.2 Các thông số sử dụng để mô 26 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình vẽ 1.1 Cấu trúc ô tô điện Hình vẽ 2.1 Đặc tính lực truyền động lực bên 13 Hình vẽ 2.2 Mơ hình tổng qt truyền động cho xe điện 15 Hình vẽ 2.3 Phân tích động lực học xe điện 16 Hình vẽ 2.4 Đặc tính µ - λ 17 Hình vẽ 2.5 Mơ hình động tơ 21 Hình vẽ 2.6 Khối tính tốn tỷ số trượt 21 Hình vẽ 2.7 Xây dựng đặc tính µ = f(λ) dựa bảng tính Lookup Table 22 Hình 2.8 Dạng đường cong lực cản khơng khí 23 Hình 2.9 Sơ đồ tính tốn lực cản khơng khí Fa = Fa(v) 24 Hình 2.10 Mơ hình điều khiển hệ thống 25 Hìng 2.11 Sơ đồ mơ mơ hình tơ điện 27 Hình 2.12 Tốc độ bánh xe tốc độ xe 28 Hình 2.13 Đáp ứng tỷ số trượt 28 Hình 2.14 Đáp ứng mome ……………………………………… 29 Hình 3.1 Nguyên tắc lý thuyết điều khiển theo mơ hình mẫu 31 Hình 3.2 Dạng tín hiệu hệ xác 33 Hình 3.3 Sơ đồ khối P2 điều khiển theo mơ hình mẫu 34 Hình 3.4 Sơ đồ tổng quát nguyên lý điều khiển tối ưu tỷ số trượt 37 Hình 3.5 Cấu trúc điều khiển tỷ số trượt 39 Hình 3.6 Mơ hình xe điện 39 Hình 3.7 Ước lượng mặt đường khác 42 Hình 3.8 Ước lượng đương cong µ - λ cho đường nhựa khơ 43 Hình 3.9 Ước lượng đương cong µ - λ cho kim loại ướt điều khiển tỷ số trượt 43 Hình 3.10 Sơ đồ điều khiển tỷ số trượt 45 Hình 3.11 Tỷ số trượt tối ưu thường xác định α = 45 Hình 3.12 Sơ đồ khối Slip ratio control 46 Hình 3.13 Sơ đồ khâu tạo tỷ số trượt tối ưu 46 Hình 3.14 Sơ đồ mô P2 điều khiển tối ưu tỷ số trượt 48 Hình 3.15 Đồ thị tốc độ ô tô tốc độ bánh xe λopt = 0.15 49 Hình 3.16 Đồ thị tỷ số trượt λopt = 0.15 49 Hình 3.17 Đồ thị momen λopt = 0.15 50 Hình 4.1 Sơ đồ khối chức điều khiển mờ 54 Hình 4.2 Mơ hình mờ MAMDANI 55 Hình 4.3 Hàm liên thuộc kiểu tam giác 56 Hình 4.4 Hệ mờ với nhiều đầu vào đầu 57 Hình 4.5 µB’ xác định theo ngun tắc hợp thành MIN 59 Hình 4.5 µB’ xác định theo nguyên tắc hợp thành PROD 59 Hình 4.7 Giá trị đầu vào rõ giá trị đầu vào mờ 60 Hình 5.1 Hệ mờ MISO tính ước lượng độ bám đường ……… 64 Hình 5.2 Biến ngơn ngữ đầu vào Slip-ratio …………………… 65 Hình 5.3 Biến ngơn ngữ đầu vào Friction-Co ………………… 65 Hình 5.4 Biến ngơn ngữ đầu Water ………………………… 66 Hình 5.5 Biến ngơn ngữ đầu Concrete ……………………… 66 Hình 5.6 Biến ngơn ngữ đầu Gravel ……………………… 67 Hình 5.7 Biến ngơn ngữ đầu Asphalt ……………………… 67 Hình 5.8 Đặc tính quan hệ vào hệ mờ MISO ……………… 68 Hình 5.9 Các luật suy luận mờ ………………………………… 68 Hình 5.10 Kết mơ xác định ước lượng độ bám đường 69 Hình 5.11 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tô điện sử dụng ước lượng điều kiện mặt đường ……………………………………… 70 Hình 5.12 Sơ đồ khối ước lượng độ trượt tối ưu …………… 71 Hình 5.13 Sơ đồ điều khiển tỷ số trượt tối ưu ……………… 71 Hình 5.14 Tốc độ bánh xe tốc độ ô tô ……………………… 72 Hình 5.15 Đáp ứng tỷ số trượt …………………………… 72 Hình 5.16 Momen ……………………………………………… 73 Hình 5.17 Sơ đồ khối mơ trường hợp đưa độ trượt tối ưu vào hệ thống …………………………………………………… Hình 5.18 Tốc độ ô tô tốc độ bánh xe ……………………… 74 Hình 5.19 Đáp ứng tỷ sổ trượt ………………………………… 75 Hình 5.20 Momen ……………………………………………… 76 75 MỞ ĐẦU Ơ tơ loại phương tiện giao thơng có từ lâu ngày trở nên thiếu đời sống người Ơ tơ sử dụng đa phần chạy xăng dầu - nguyên nhân vấn đề cạn kiệt nguồn lượng, vấn đề ô nhiễm môi trường thành phố, hiệu ứng nhà kính dẫn tới nóng lên trái đất Để khắc phục nhược điểm trên, tơ điện đời với tính trội như: thân thiện với môi trường, tiết kiệm nguồn lượng dầu, độ an tồn xác cao Với tính ưu việt đó, tương lai không xa ô tô điện dần thay ô tô chạy động đốt chiếm lĩnh vị trí quan trọng ngành cơng nghiệp ô tô Tuy nhiên, ô tô điện gặp phải khó khăn làm để điều khiển ô tô điện đoạn đường trơn ướt mà đảm bảo khơng trượt an tồn Để giải vấn đề này, người ta đề xuất phương pháp cải thiện độ bám đường dùng lý thuyết mờ Vì vậy, tơi giao đề tài tốt nghiệp “Điều khiển chuyển động ô tô điện: cải thiện độ bám đường dùng lý thuyết mờ” Nội dung đề tài chia thành chương: - Chương 1: Tổng quan ô tô điện - Chương 2: Mơ hình động lực học tơ điện - Chương 3: Các phương pháp điều khiển để nâng cao độ bám đường - Chương 4: Ước lượng chất lượng đường lý thuyết mờ - Chương 5: Mô điều khiển mờ cải thiện độ bám đường ô tô điện Bản luận văn hoàn thành hướng dẫn tận tình thầy giáo TS Tạ Cao Minh Tuy nhiên, thời gian trình độ thân cịn hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu xót, kính mong nhận đóng góp ý kiến tận tình thầy bạn để luận văn hoàn thiện Hà Nội, ngày 25 tháng 11 năm 2008 Hồng Kim Nga 65 Hình 5.2 Biến ngơn ngữ đầu vào Slip-ratio Hình 5.3 Biến ngơn ngữ đầu vào Friction-Co 66 Hình 5.4 Biến ngơn ngữ đầu Water Hình 5.5 Biến ngơn ngữ đầu Concrete 67 Hình 5.6 Biến ngơn ngữ đầu Gravel Hình 5.7 Biến ngơn ngữ đầu Asphalt 68 Hình 5.8 Đặc tính quan hệ vào hệ mờ MISO Hình 5.9 Các luật suy luận mờ 69 Hình 5.10 Kết mô xác định ước lượng độ bám đường Hình 5.11 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ô tô điện sử dụng ước lượng điều kiện mặt đường 70 71 Hình 5.12 Sơ đồ khối ước lượng độ trượt tối ưu Hình 5.13 Sơ đồ điều khiển tỷ số trượt tối ưu a) Đáp ứng hệ thống tỷ số trượt thay đổi Sau kết mô với trường hợp bề mặt đường có tham số sau: Water = 0.21 Concrete = 0.19 Gravel = 0.14 Asphalt = 0.09 Để khảo sát hoạt động hệ điều khiển, ta cho hệ số trượt biến thiên dạng xung mỏng (hình 5.11) 72 Hình 5.14 Tốc độ bánh xe tốc độ tơ Hình 5.15 Đáp ứng tỷ số trượt 73 Hình 5.16 Momen b) Kết mơ trưịng hợp đưa độ trượt tối ưu vào hệ thống Sơ đồ mô hệ thống điều khiển bám đường dùng công tắc vẽ hình 5.20 Để khảo sát đáp ứng hệ thống điều khiển, sơ đồ mô ta dùng chuyển mạch để đưa độ trượt tối ưu ước lượng từ ước lượng mờ vào mạch điều khiển sau thời gian 3s (hình 5.20) Hình 5.17 Sơ đồ khối mô trường hợp đưa độ trượt tối ưu vào hệ thống 74 75 Hình 5.18 Tốc độ tơ tốc độ bánh xe Hình 5.19 Đáp ứng tỷ sổ trượt 76 Hình 5.20 Momen 5.2 Đánh giá kết mô a/ Về tốc độ Tốc độ bánh xe Vw tốc độ tơ V tăng lên theo tín hiệu đặt vào Khi tỷ số trượt đặt thay đổi tốc độ Vw thay đổi theo tỷ số trượt đặt vào điều khiển Khảo sát trường hợp đưa độ trượt tối ưu vào hệ thống trình điều khiển ta thấy hệ thống phản ứng nhanh b/ Về tỷ số trượt Ta thấy tỷ số trượt tối ưu số cố định tỷ số trượt thực tăng dần lên bám theo Khi tỷ số trượt tối ưu thay đổi phạm vi đặt trước tỷ số trượt thực bám theo biến thiên Tóm lại, tỷ số trượt thực bám dần theo tỷ số trượt đặt Như ta đạt mục đích phương pháp ước lượng độ bám đường ô tô điện Với tham số ước lượng bề mặt đường khác ta có hệ số trượt khác Trên kết mô ta thấy dùng ước lượng có tỷ số trượt thực tỷ số trượt tối ưu bám sát hay chất lượng bám đường ô tô 77 trường hợp tốt hơn, đảm bảo độ an tồn xác q trình điều khiển tơ Cịn với trường hợp có cơng tắc độ bám đưịng khơng cao, có độ điều chỉnh lớn c/Về momen Tóm lại, phương pháp ước lượng điều kiện bề mặt đường có ưu điểm độ xác cao, khả điều khiển mềm dẻo, đáp ứng tốt với tất bề mặt đường ln thay đổi Khó khăn phương pháp ước lượng điều khiển mờ cho đáp ứng yêu cầu nhanh chóng xác hệ thống KẾT LUẬN Khẳng định kết đạt Sau thời gian làm luận văn không dài, giúp đỡ tận tình thầy Bộ mơn Tự động hoá XNCN - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt thầy hướng dẫn TS Tạ Cao Minh, với nỗ lực thân, luận văn hoàn thành thời hạn với kết đạt sau: - Xây dựng mơ hình tơ điện sơ đồ mơ phỏng, thiết kế điều khiển tỷ số trượt để nâng cao độ bám đường - Nghiên cứu điều khiển mờ, sau thiết kế điều khiển mờ để ước lượng độ bám đường cho ô tô điện - Mô đánh giá kết Kiến nghị - Cần ước lượng xác bề mặt đường - Phát triển thành sản phẩm thực tế, ứng dụng cho tơ điện hồn thiện tiện nghi Việt Nam TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền, Truyền động điện, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2005 [2] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi, Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2002 [3] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất, NXB khoa học kỹ thuật 2000 [4] Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ Nguyễn Văn Sáu, Máy điện, NXB Khoa học kỹ thuật - 2001 [5] T.Furuya, Y.Toyoda, Y.Hori, “Implementation of Advanced Adhesion Control for Electric Vehicle”, Proc IEEE Workshop on Advanced Motion Control, AMC - Mie’96, Vol.2, pp.430-435, 1996 [6] Y.Hori, Y.Toyoda, Y.Tsuruoka, “Traction Control of Electric Vehicle: Basic Experimental Result Using the Test EV “UOT Electric March”, Proc.IEEE Transactions on Industry Applications, pp.1131-1137, Vol.34, 1998 [7] Bimal K Bose, Modern Power Electrics and AC Drivers, Prentice Hall - 2002 [8] H.Sado, S.Sakai, Y.Hori, “Road Condition Estimation for Traction Control in Electric Vehicle”, IEEE Trans On Mechatronic, Vol.4, March 1999, pp.9-16 [9] Yoichi Hori, Hideo Sado, Shin-ichro Sakai, Tashiyki Uchida (07.1999), “Motion control of electric Vehicle utilizing fast forque response of electric mortor”, 14th IFAC World Congress, Beijing [10] http://www.Electricvehicle.com.vn ... độ bám đường dùng lý thuyết mờ Đây nội dung luận văn Điều khiển chuyển động ô tô điện: Cải thiện độ bám đường dùng lý thuyết mờ 13 Chương MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ ĐIỆN 2.1 Hiện tượng trượt ô. .. động ô tô điện 25 Điều khiển chuyển động ô tô điện: Cải thiện độ bám đường dùng lý thuyết mờ 26 2.2.3 Mô hệ thống điều khiển ô tô điện môi trường Matlab - Simulink Từ việc xây dựng khối mô hình điều. .. ứng dụng sử dụng truyền động động xoay chiều Điều khiển chuyển động ô tô điện: Cải thiện độ bám đường dùng lý thuyết mờ 10 1.1.5.2 Động không đồng Động không đồng loại máy điện xoay chiều hai dây