TIỂU LUẬN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRÊN Ô TÔ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC TIỂU LUẬN MƠN HỌC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ÔTÔ GVHD : SVTH : MSSV: : TP.HCM, tháng 05 năm 2021 Page Lớp TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN Tên tiểu luận: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ÔTÔ Họ tên Sinh viên: MSSV: Lớp: Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô I NHẬN XÉT Về hình thức trình bày & tính hợp lý cấu trúc tiểu luận: Về nội dung (đánh giá chất lượng tiểu luận, ưu/khuyết điểm giá trị thực tiễn) II NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH, BỔ SUNG III ĐỀ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ Điểm đánh giá (theo thang điểm 10): ……………………………………… Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 05 năm 2021 Giảng viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) Page LỜI NÓI ĐẦU Kể từ ngày đời đến ngành khí động lực phát triển đạt thành tựu to lớn Đất nước tảng lớn mạnh kinh tế ngành công nghiệp ô tô nước ta ngày trọng phát triển thể liên doanh lắp ráp, bảo dưỡng sữa chữa nước ta với hãng xe danh tiếng Honda, Ford, Toyota, Suzuki, Mercedes, Mazda… Một vấn đề lớn đặt việc nắm vững lý thuyết kết cấu loại xe từ khai thác sử dụng cách hiệu Trong tiểu luận : “Hệ Thống Điều Khiển Tự Động Ơ Tơ ” giúp em hiểu thêm hệ thống điều khiển tự động nói chung tơ như: hộp số tự động điều khiển điện tử (ELECTRONIC CONTROL TRANSMISSION - ECT), hệ thống phanh chống hãm cứng (ANTILOCK BRAKING SYSTEM - ABS), hệ thống điều khiển chạy tự động (CCS – CRUISE CONTROL SYSTEM), lý thuyết điều khiển, kỹ thuật điều khiển ứng dụng cho hệ thống điều khiển chạy tự động, ứng dụng fuzzy logic điều khiển hộp số tự động… PHỤ LỤC CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ HỘP SỐ TỰ ĐỘNG 1.Đặt vấn đề Nội dung CHƯƠNG ỨNG DỤNG FUZZY LOGIC ĐIỀU KHIỂN HỘP SỐ TỰ ĐỘNG Cơ Fuzzy Logic Cơ Fuzzy Logic Điều khiển hộp số tự động fuzzy logic CHƯƠNG HỆ THỐNG PHANH CHỐNG HÃM CỨNG (ANTILOCK BRAKING SYSTEM - ABS Cơ sở lý thuyết ABS Các phận hệ thống phanh ABS Nguyên lý hoạt động ABS CHƯƠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GA TỰ ĐỘNG Nhiệm vụ phân loại Điều khiển ga tự động chân không Điều khiển ga tự động motor điện CHƯƠNG CƠ BẢN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN Biến đổi Laplace 2.Hàm truyền 3.Tính ổn định hệ thống CHƯƠNG NGUYÊN LÝ CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ HỘP SỐ TỰ ĐỘNG Đặt vấn đề: Hiện nay, ECU (Engine Control Unit) động & ECT (Electronic Control Transmission ) điều khiển thời điểm chuyển số khố biến mơ cách điều khiển van điện từ điều khiển thuỷ lực để trì điếu kiện lái tối ưu với việc dùng tín hiệu từ cảm biến các công tắc lắp động hộp số tự động Hình Sơ đồ khối hệ thống điều khiển điện tử hộp số tự động ô tô Nội dung: 2.1 Các cảm biến, công tắc a) Nhiệm vụ Các cảm biến/cơng tắc đóng vai trị thu thập dạng liệu để định thông số điều khiển khác biến đổi chúng thành tín hiệu điện, tín hiệu truyền tới ECU động & ECT b) Các cảm biến, cơng tắc Hình Các cảm biến cơng tắc điều khiển điện tử hộp số tự động 1- Cảm biến vị trí bướm ga/ cảm biến vị trí bàn đạp ga: Cảm biến phát góc mở bướm ga 2- Công tắc bàn đạp ga: Phát xem bàn đạp ga có bị nhấn xuống hết mức hay khơng 3- Cảm biến vị trí trục khuỷu: Phát tốc độ động 4- Cảm biến tốc độ hộp số: - Cảm biến tốc độ đầu vào tua-bin : Nó phát tốc độ trục sơ cấp hộp số tự động - Cảm biến tốc độ bánh trung gian: Nó phát tốc độ trục thứ cấp hộp số tự động 5- Cảm biến nhiệt độ nước làm mát: Nó phát nhiệt độ nước làm mát 6- Cảm biến tốc độ xe: Phát tốc độ xe 7- Cảm biến nhiệt độ dầu số tự động: Phát nhiệt độ dầu số tự động hộp số tự động 8- Cơng tắc O/D: Cơng tắc O/D công tắc huỷ O/D Khi công tắc tắt “OFF”, khơng lên số O/D được, ngày đạt tốc độ để sang số O/D Nếu công tắc tắt “OFF” lái số truyền tăng hộp số chuyển xuống số Ngồi ra, đèn báo O/D OFF bật sáng cơng tắc O/D “OFF” Hình Cơng tắc O/D bật 9- Cơng tắc khởi động số trung gian: Công tắc khởi động số trung gian truyền vị trí cần chuyển số đến ECU động & ECT ECU nhận thơng tin vị trí mà hộp số hoạt động từ cảm biến vị trí chuyển số đặt công tắc khởi động số trung gian, sau định phương thức chuyển số thích hợp * Chú ý: -Các tiếp điểm cơng tắc cịn sử dụng để bật đèn báo vị trí cần số để báo cho lái xe biết vị trí nằm cần số - Ngồi ra, ECU cịn điều khiển cho máy khởi động vận hành cần số vị trí “P” “N” cho cần số vị trí “R” tín hiệu chng báo số lùi xe phát đèn lùi bật sáng - Các tín hiệu chuyển tới ECU từ công tắc khởi động số trung gian thay đổi tuỳ theo kiểu xe Hình 4: Sơ đồ mạch khởi động theo vị trí tay số trung gian 10- Công tắc đèn phanh: Khi bàn đạp phanh bị ấn xuống ECU động & ECT huỷ trạng thái khố biến mơ Điều tránh cho động khỏi bị chết khố biến mơ Hình 5: Mạch đèn phanh 11- Công tắc chọn phương thức lái: Công tắc chọn phương thức lái cho phép người lái xe chọn chế độ lái Các công tắc chế độ lắp đặt tuỳ thuộc vào kiểu xe thị trường Chế độ tải nặng: Chế độ đặt thời điểm chuyển số vào dãy tốc độ cao động Chế độ tuyết : Chế độ đặt tốc độ số tốc độ chuyển bánh (xe bắt đầu chạy) Chế độ tiết kiệm: Chế độ làm sớm thời điểm chuyển số để giảm tiêu hao nhiên liệu lái xe Chế độ điều khiển tay: Chế độ tạo khả giữ tốc độ việc sử dụng vị trí cần chuyển số Hình Mạch điện chọn chế độ lái 2.2 Các điều khiển bản: ECU động & ECT thực điều khiển sau Điều khiển thời điểm chuyển số Điều khiển khố biến mơ Điều khiển khố biến mơ linh hoạt Các điều khiển khác Hình Các điều khiển ECU động & ECT CHÍNH VAN XẢ Bật Đóng Tắt Mở Bật Tắt Đóng Tắt Mở Bật Điều khiển xung Bật Mở  Đóng Mở  Đóng Đóng Bật Điều khiển xung Bật Mở  Đóng Mở  Đóng Đóng Bật Đặt tốc độ Bật tắc điều khiển Tạm thời tăng tốc bàn đạp ga Tốc độ xe cao tốc độ đặt trước Tốc độ xe thấp tốc độ đặt trước 10 Hùy Bật Bật Bật 11.Phục hồi tốc độ xe công tắc điều TỐC ĐỘ XE VAN ĐK Bật Điều khiển xung Mở  Đóng Mở  Đóng Tắt Đóng Mở Chưa đặt tốc độ tắc điều khiển Giảm tốc với cơng Van khí Tắt Mở Tắt Mở Bật Đóng Bật Đóng Tắt chế độ CCS Tăng tốc với cơng Van khí khơng Tắt Đóng Mở Tắt Đóng Mở Điều khiển xung Mở  Đóng Mở  Đóng Điều khiển xung Mở  Đóng Mở  Đóng CCS tắt Chạy tốc độ với Van chân Bật Mở Tắt Đóng Mở Điều khiển xung Mở  Đóng  Đóng HỦY MởPHỤC HỒI Tắt Mở Bật Đóng khiển Sơ đồ phối hợp tốc độ xe với trạng thái van điều khiển van xả ON OF F 26 ON OF F 27 Điều khiển ga tự động motor điện Bộ chấp hành gồm mô tơ, ly hợp từ biến trở, thực nhiệm vụ truyền tác động điều khiền từ ECU đến bướm ga tương tự dẫn động chân không ECU ĐC Hình 8-8: CCS dẫn động mơ tơ bước CHƯƠNG CƠ BẢN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN Biến đổi Laplace Biến đổi Laplace (Laplace transform) nội dung tảng điều khiển Trong chương này, khái niệm biến đổi Laplace diễn giải để người đọc khơng chun ngành điều khiển hiểu Đây kiến thức cần thiết để tiếp tục nghiên cứu nội dung kỹ thuật điều khiển Biến đổi hàm số làm cho hàm số chuyển từ dạng sang dạng khác Ví dụ, thực phép biến đổi hàm số cách nhân hàm số cho 2, ta hàm số Ta lập bảng giá trị sau: Bảng 1: Mô tả giá trị hàm số x f(x) 16 25 g(x) 18 32 50 28 Ta biến đổi hàm số g(x) thành f(x) cách chia g(x) cho Đây gọi phép biến đổi ngược Đạo hàm phép biến đổi, ví dụ, Tích phân phép biến đổi ngược đạo hàm, Cho c = 0, hàm f(x) Phép biến đổi Laplace phép biến đổi tích phân đặc biệt, định nghĩa sau: Trong t biến thời gian Kết phép biến đổi hàm theo s Chúng ta thường dùng chữ in hoa để ký hiệu hàm theo s kết phép biến đổi Laplace Ví dụ, F(s) = {f(t)} Ví dụ 1: Tính Giải: Theo định nghĩa biến đổi Laplace, ta có: MATLAB Tập câu lệnh sau dùng để tìm đáp án Ví dụ syms t f=exp(-3*t) laplace(f) Kết quả: ans = 1/(s + 3) Thực tương tự phép tích phân, ta thu bảng biến đổi Laplace số hàm sau: Bảng 2: Biến đổi Laplace số hàm 29 Nếu F(s) biến đổi Laplace hàm f(t)} f(t)} biến đổi Laplace ngược hàm F(s), ta viết f(t)}= -1 {F(s)} Bảng biến đổi Laplace ngược số hàm cho sau: Bảng 2: Biến đổi Laplace ngược số hàm Ví dụ 2: Tính: Giải: Tồn giá trị số A, B cho: Đồng tử số ta có: A + B = 5; 4A – B = Giải ta được: Biểu thức ban đầu phân tích thành: Vì vậy: 30 MATLAB Tập câu lệnh sau dùng để tìm đáp án Ví dụ syms s F=(5*s+9)/((s-1)*(s+4)) ilaplace(F) Kết quả: ans = (11*exp(-4*t))/5 + (14*exp(t))/5 Trong kỹ thuật điều khiển, thường biến đổi Laplace phương trình vi phân biểu diễn đặc tính động học động lực học hệ thống Biểu thức biến đổi Laplace đạo hàm bậc bậc cho sau: Để chứng minh kết trên, người đọc xem tài liệu tham khảo [1] Trong biểu thức này, F(s) = {f(t)} f(0) f’(0) điều kiện ban đầu, giá trị hàm f(t) đạo hàm hàm f(t) thời điểm t = Hàm truyền Hàm truyền (transfer function) hệ thống định nghĩa tỉ số biến đổi Laplace biến đầu biến đổi Lablace biến đầu vào với tất điều kiện ban đầu giả định không Để làm rõ khái niệm này, thiết lập hàm truyền hệ gồm vật nặng, lị xo giảm chấn cho hình vẽ Vật chịu tác động lực F(t) thay đổi theo thời gian, chuyển động theo hướng trục x 31 Hình 1: Hệ thống vật nặng – lò xo – giảm chấn Ta vẽ sơ đồ vật thể tự hình bên Lực lị xo tỉ lệ thuận với khoảng cách dịch chuyển vật, x lực giảm chấn nhớt tỉ lệ thuận với vận tốc vật, Cả hai lực trái chiều chuyển động đặt theo hướng chiều âm trục x Hình 2: Sơ đồ vật thể tự Ứng dụng Định luật II Newton, ta có: Đây phương trình chủ đạo (governing equation) hệ, đặc trưng cho động lực hệ Giải phương trình vi phân giúp phân tích tính chất hoạt động hệ tác động lực F(t) Trong phương trình này, F(t) lực tác động bên ngồi, xem đầu vào x(t) dịch chuyển vật, kết tác động F(t), xem đầu Biến đổi Laplace hai vế phương trình, ta được: Giả định rằng, thời điểm ban đầu t = 0, vật vị trí cân x(0) = đứng yên , ta thu được: Sắp xếp lại phương trình, ta có: Đây hàm truyền hệ vật – lò xo – giảm chấn theo định nghĩa Để biểu diễn hệ thống điều khiển, người ta thường dùng sơ đồ khối (block diagram) Sơ đồ khối hệ vật – lò xo – giảm chấn biểu diễn hình bên F(s) G(s) X(s) Hình 3: Sơ đồ khối 32 Sơ đồ khối thể trình tự thơng tin theo chiều định Nếu thông tin qua hai hệ thống, biểu diễn Hình 4(a) Thực hiệp phép biến đổi sơ đồ khối, sơ đồ Hình 4(a) đơn giản thành sơ đồ Hình 4(b) (a) F(s) (b) F(s) G(s) X(s) H(s) Y(s) Y(s) G(s)H(s) Hình 4: Sơ đồ khối nối tiếp Nếu thông tin đầu dùng làm phần tín hiệu điều khiển, ta có hệ thống điều khiển kín (closed – loop control system) Trên ô tô, liên hệ đến hệ thống điều khiển chạy tự động (cruise control system) Cảm biến tốc độ xe gửi tín hiệu điều khiển, tốc độ thực tế xe Bộ điều khiển so sánh tốc độ cài đặt trước với tốc độ thực tế để điều chỉnh cần thiết Sơ đồ hệ thống cho Hình 5(a) Thực phép biến đổi sơ đồ khối Sơ đồ đơn giản sơ đồ tương đương Hình 5(b) Để giải thích biến đổi vậy, người đọc xem tài liệu tham khảo [2] (a) X(s) + e(s) - (b) X(s) G(s) Y(s) Y(s) Hình 5: Sơ đồ điều khiển kín Ví dụ 3: Cho hàm truyền sau: a) Tính hàm truyền tương đương chúng mắc nối tiếp Hình b) Tính hàm truyền tương đương G(s) điều khiển kín Hình Giải: a) Khi mắc nối tiếp G(s) H(s) ta hàm tương đương hệ thống: 33 b) Hàm truyền tương đương hệ thống điều khiển kín là: MATLAB Các tập câu lệnh sau dùng để tìm đáp án Ví dụ Khai báo hàm truyền G(s) G=tf(1,[1 0.5 3]) Kết quả: G= s^2 + 0.5 s + a) Mắc nối tiếp H=tf([0.1 10],[1 0]) P=G*H Kết quả: H= 0.1 s + 10 -s P= 0.1 s + 10 s^3 + 0.5 s^2 + s b) Hệ thống điều khiển kín P=feedback(G,1) Kết quả: P= 34 s^2 + 0.5 s + Tính ổn định hệ thống Ổn định đặc tính quan trọng thiết kế hệ thống điều khiển Hình mơ tả trạng thái ổn định khơng ổn định Viên bi trịn đặt bình bán cầu hình (a) xem ổn định Khi ta xê dịch viên bi khỏi vị trí cân bằng, có xu hướng lấy lại vị trí cân Ngược lại hình (b), viên bi khó đứng n vị trí cao Viên bi có xu hướng lăn khỏi vị trí rơi xuống (a) (b) Hình 6: Ổn định không ổn định Trong điều khiển, hệ thống ổn định có đáp ứng bị giới hạn chịu tác động bên ngồi giới hạn Hay nói cách khác, có tín hiệu đầu vào đo được, đáp ứng hệ thống không tăng dần đến kiểm soát cuối hư hỏng Trên ô tô, hệ thống chạy tự động (CCS) trì tốc độ xe khơng đổi Khi có tác động bên ngồi gió thổi chiều chuyển động xe, xe bị tăng tốc độ sau khoảng thời xe lấy lái giá trị cài đặt trước Hệ thống CCS xem không đạt để tốc độ xe tăng đến kiểm soát Để minh họa tính ổn định hệ thống, khảo sát hệ vật – lị xo – giảm chấn có hàm truyền: Hệ chịu tác động xung lực (impulse) Nó dạng hàm Dirac delta, hay δ(t), có giá trị khơng trục x ngoại trừ vị trí 35 Hình 7: Hàm δ(t) Chúng ta liên tưởng xung lực tương tự dùng tay đập mạnh vào mặt bàn nhấc tay lên nhanh, thực động tác nhanh Khi thời gian lực tác động ngắn, xem khơng Chúng ta khảo sát hệ vật – lò xo – giảm chấn tác động xung lực với giá trị giảm chấn khác Biến đổi Laplace hàm δ(t) là: ℒ-1{δ(t)} = Sơ đồ khối biểu diễn hệ vật – lị xo – giảm chấn Hình 3, đó, F(s) = Khi đó, Vì vậy, trường hợp hệ chịu tác động xung lực δ(t), khảo sát đáp ứng hệ thống khảo sát hàm truyền G(s) Trường hợp 1: m = kg; k = N.m; b = Ns/m Giải phương trình đặc trưng: Ta nghiệm: s1 = -0.38; s2 = -2.62 MATLAB Dùng tập câu lệnh sau để giải phương trình Nghiem=solve('s^2+3*s+1=0') Kết quả: 36 Nghiem = 5^(1/2)/2 - 3/2 - 5^(1/2)/2 - 3/2 vpa(Nghiem) Kết quả: ans = -0.38196601125010515179541316563436 -2.6180339887498948482045868343656 Hàm truyền G(s) phân tích thành: Biến đổi Laplace ngược hàm G(s): Độ lớn 1.5 0.5 0 10 Thời gian [s] 15 20 Hình 7: Đồ thị dịch chuyển vật vật trường hợp MATLAB Dùng tập câu lệnh sau để vẽ đồ thị t=0:0.01:20 yt=exp(-0.38*t)+exp(-2.62*t) plot(t,yt) Trường hợp 2: m = kg; k = N.m; b = 0.2 Ns/m 37 Giải phương trình đặc trưng: Ta nghiệm phức: s1 = -0.1 – i; s2 = -0.1 + i Để thực phép biến đổi Laplace ngược cho G(s) trường hợp phương trình đặc trưng có nghiệm phức, ta áp dụng cơng thức: Từ phương trình đặc trưng, ta xác định tham số: ωn = 1; ζ ωn = 0.2, suy ζ = 0.1 0.5 Độ lớn -0.5 -1 10 15 20 Thời gian [s] Hình 8: Đồ thị dịch chuyển vật trường hợp MATLAB Dùng tập câu lệnh sau để vẽ đồ thị t=0:0.01:20 yt=1/sqrt(1-0.1^2)*exp(-0.1*t).*sin(sqrt(1-0.1^2)*t) plot(t,yt) Trường hợp 3: m = kg; k = N.m; b = -3 Ns/m Giải phương trình đặc trưng: Ta nghiệm: s1 = 0.38; s2 = 2.62 38 3000 Độ lớn 2500 2000 1500 1000 500 0 0.5 1.5 2.5 Thời gian [s] Hình 9: Sự dịch chuyển vật trường hợp Trường hợp 4: m = kg; k = N.m; b = - 0.2 Ns/m Giải phương trình đặc trưng: Ta nghiệm phức: s1 = 0.1 – i; s2 = 0.1 + i 10 Độ lớn -5 -10 10 15 20 Thời gian [s] Hình 10: Sự dịch chuyển vật trường hợp Trường hợp 1, hệ thống ổn định, ngược lại trường hợp 3, hệ thống không ổn định Quan sát nghiệm s1, s2 trường hợp ta thấy, hệ thống ổn định nghiệm thực phần thực nghiệm phức âm Ngược lại nghiệm thực phần thực nghiệm phức dương, biến đổi Laplace ngược làm cho phần mũ hàm e dương Đáp ứng hệ có xu hướng tăng dần theo thời gian, kết làm cho hệ thống không ổn định 39 Trong trường hợp 4, giá trị hệ số giảm chấn b giả định để khảo sát hoạt động hệ thống b khơng lấy giá trị nhỏ không Trong thực tế, hệ vật – lị xo – giảm chấn khơng có đáp ứng giống trường hợp Hay nói cách khác hệ thống ổn định Trong điều khiển, thường xuyên phải đối mặt hệ thống không ổn định trường hợp Nhiệm vụ phải thiết kế cấu điều khiển để đưa hệ thống không ổn định hệ thống ổn định với số hoạt động tốt Xét phương trình đặc trưng Trong trường hợp phương trình có nghiệm phức: ζ gọi hệ số giảm chấn 40 ... Trong tiểu luận : ? ?Hệ Thống Điều Khiển Tự Động Ơ Tơ ” giúp em hiểu thêm hệ thống điều khiển tự động nói chung ô tô như: hộp số tự động điều khiển điện tử (ELECTRONIC CONTROL TRANSMISSION - ECT), hệ. .. điều khiển, ta có hệ thống điều khiển kín (closed – loop control system) Trên ô tô, liên hệ đến hệ thống điều khiển chạy tự động (cruise control system) Cảm biến tốc độ xe gửi tín hiệu điều khiển, ... Các phận hệ thống phanh ABS Nguyên lý hoạt động ABS CHƯƠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GA TỰ ĐỘNG Nhiệm vụ phân loại Điều khiển ga tự động chân không Điều khiển ga tự động motor