(Luận văn thạc sĩ) mô phỏng quá trình điều khiển hệ thống truyền lực ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TỐNG THÀNH THẮNG MƠ PHỎNG Q TRÌNH ÐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC Ô TÔ NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ÐỘNG LỰC - 60520116 S K C0 2 Tp Hồ Chí Minh, tháng 4/2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TỐNG THÀNH THẮNG MƠ PHỎNG Q TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC Ô TÔ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC- 60140116 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TỐNG THÀNH THẮNG MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC Ơ TƠ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC- 60140116 Hướng dẫn khoa học: TS LÊ THANH PHÚC Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2016 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: TỐNG THÀNH THẮNG Giới tính: NAM Ngày, tháng, năm sinh: 14/03/1982 Nơi sinh: TÂY NINH Quê quán: TÂY NINH Dân tộc: KINH Chỗ riêng địa liên lạc: 1300, Ninh Hiệp, Bàu Năng, Dương Minh Châu, Tây Ninh Điện thoại quan: Điện thoại: 0933.575.237 Fax: E-mail: tongthanhthang@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Cao đẳng chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ 10/2000 đến 5/2003 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật, Tp Hồ Chí Minh Ngành học: Cơ Khí Động Lực Đại học: Hệ đào tạo: Chính Quy Thời gian đào tạo từ 10/2005 đến 10/2007 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật, Tp Hồ Chí Minh Ngành học: Cơ Khí Động Lực Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Nghiên Cứu Hệ Thống Phanh ABS Trên Các Dòng xe Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: 2007, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật, Tp Hồ Chí Minh Người hướng dẫn: Th.s Huỳnh Phước Sơn III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2007 - 2008 Công ty TNHH TM Huy Phát Cố Vấn Dịch Vụ 2008 - 2009 Cơng Ty TNHH Ơ tơ Minh Nguyệt Cố Vấn Dịch Vụ 2009 - Nay Trường Cao Đẳng Nghề Tây Ninh Giáo Viên i LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2016 (Ký tên ghi rõ họ tên) Tống Thành Thắng ii CẢM TẠ Sau thời gian làm luận văn hồn thành Tơi xin chân thành cảm ơn Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM tạo điều kiện tốt cho học tập báo cáo luận văn Thư viện trường tạo điều kiện cho tơi mượn tài liệu tham khảo để hồn thành đề tài Đặc biệt TS Lê Thanh Phúc tận tình giúp đỡ cho tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp chuyên ngành kỹ thuật khí động lực với đề tài “ MƠ PHỎNG Q TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC TRÊN Ô TÔ ” Thầy dành cho hướng dẫn kịp thời, quan trọng cần thiết nhất, ý kiến hay tài liệu quý giá suốt trình thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy/Cô Cán Bộ khoa Cơ Khí Động Lực trường dạy cung cấp cho em tư liệu kiến thức quý báu để hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp Mặc dù cố gắng thời gian nguyên cứu đề tài có hạn, nên luận văn chắn cịn nhiều thiếu sót hạn chế Rất mong nhận góp ý bảo q Thầy/Cơ iii TĨM TẮT Luận văn trình bày việc mơ hình hóa mơ q trình điều khiển hệ thống truyền lực xe du lịch: hộp số tự động hệ thống kiểm sốt hành trình logic mờ Mô làm tảng cho việc thiết kế phần cứng để điều khiển hệ thống truyền lực, giúp cho việc nghiên cứu, phát triển điều khiển hệ thống truyền lực ngày hồn thiện tốn Mô điều khiển hộp số tự động sử dụng hai tín hiệu đầu vào: Vị trí bướm ga tốc độ động Sử dụng logic mờ để thiết lập điều khiển lựa chọn số tín hiệu đầu dựa vào hai tín hiệu đầu vào, tín hiệu lựa chọn số đưa vào mơ hình động học xe thay đổi tốc độ xe theo tín hiệu đầu vào Mơ điều khiển hệ thống kiểm sốt hành trình dụng hai tín hiệu đầu vào: Độ chênh lệch vận tốc gia tốc so với vận tốc thiết lập Sử dụng logic mờ để thiết lập điều khiển tăng giảm tốc độ, tín hiệu đưa vào mơ hình động học xe thay đổi tốc độ xe theo tín hiệu tốc độ thiết lập Kết mô cho kết sát với thực tế đạt yêu cầu đề iv ABSTRACT This thesis presents the modeling and simulation process drivetrain controls on passenger cars: automatic transmission and cruise control system based on fuzzy logic The simulation results may be used to design the hardware to control, research, development drivetrain controls become more complete and less expensive The simulation uses two input signals: throttle position and vehicle speed Fuzzy logic was used to establish control output signal based on the two input signals Gear-shifting signals are sent to vehicle model to change their speed according to the input signal Simulated controlled cruise control system uses two input signals: difference in velocity and acceleration compared to current velocity setting Using fuzzy logic controller to set the speed increase or decrease, these signals will be sent to car model and vehicle speed changes according to the speed setting signal Simulation results approached practical models v MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách chữ viết tắt vii Danh sách hình viii Danh sách bảng xi Chương TỔNG QUAN Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương MÔ PHỎNG ECT BẰNG LOGIC MỜ 44 Chương MÔ PHỎNG CCS BẰNG LOGIC MỜ 61 Chương KẾT LUẬN 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 vi DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ECT (Electronic Control Transmission): Hộp số tự động điều khiển điện tử CCS (Cruise Control System): Hệ thống kiểm sốt hành trình ECU (Electronic Control Unit): Bộ điều khiển điện tử LN: Âm lớn MN: Âm vừa ZERO: Bằng MP: Dương vừa LP: Dương lớn AVHN: Thêm giá trị dương lớn AHN: Thêm giá trị dương lớn AMP: Thêm giá trị dương trung bình ASP: Thêm giá trị dương nhỏ ANO: Không thêm ASN: Thêm giá trị âm nhỏ AMN: Thêm giá trị âm trung bình AHN: Thêm giá trị âm lớn AVHN: Thêm giá trị âm lớn vii Chương Mô CCS Logic mờ 4.1 Mô hình điều khiển hệ thống kiểm sốt hành trình Fd Bướm ga động T Hộp số u Bộ chấp hành F + - V(t) Khung xe Bộ điều khiển Công tắc tổ hợp điều khiển tốc độ Vd On/off Set/decel Resume/accel Cancel Hình 4.1: Sơ đồ khối điều khiển hệ thống kiểm sốt hành trình [11], [12] Khi điều khiển độ mở bướm ga động sinh mô men T, mô men tạo thành lực kéo F truyền đến mặt đường thông qua hộp số bánh xe Khi xe chuyển động đường chịu tác dụng lực cản Fd bao gồm: cản lăn, cản đốc, cản gió Khi lực kéo F lớn lực cản Fd làm cho xe di chuyển mặt đường thông qua khung xe Vận tốc xe V(t) xác định hệ thống điều khiển độ mở bướm ga thông qua phận chấp hành Công tắc điều khiển tổ hợp cho phép thiết lập tốc độ kiểm sốt hành trình Vd, có chênh lệch tốc độ V(t) Vd cụm điều khiển đưa tín hiệu điều khiển đến chấp hành giúp tăng hay giảm độ mở bướm ga nhằm làm cho V(t) = Vd 61 Hình 4.2: Mơ hình điều khiển hệ thống kiểm sốt hành trình Fuzzy PI 4.1.1 Mơ hình động lực xe [13] m dv  F  Fd dt (4.1) m: Khối lượng xe + hành khách; v: vân tốc xe; F: Lực kéo động truyền đến khung xe; Fd: Lực cản lăn (Fr), cản gió (Fα), cản đốc (Fg) [11], [13] Lực kéo động truyền xuống mặt đường phụ thuộc vào độ mở bướm ga, ta sử dụng tín hiệu < u < để điều khiển độ mở bướm ga Như mô men truyền xuống mặt đường phụ thuộc vào tốc độ góc động  Phương trình mơ men động sinh bướm ga mở hoàn toàn: T ( )  Tm (1   (   1) ) m (4.2) Tm: Là mô men xoắn cực đại động tương ứng với tốc độ góc m n: Là tỉ số truyền hộp số r : bán kính bánh xe Mối liên hệ tốc độ động vận tốc xe theo công thức sau: 62  n v   nv r (4.3) Lực kéo F viết thành: F nu T ( )   n uT ( n v ) r (4.4) Mơ hình lực cản lăn sau: Fr  mgCr sgn(v) (4.5) Cr : Hệ số cản lăn sgn(v): Tín hiệu tốc độ xe, v = (±1, 0) Mơ hình lực cản gió sau: Fg  C d Av 2 (4.6) : Mật độ không khí Cd : Hệ số cản gió, phụ thuộc vào hình dáng khí động học xe A: Diện tích mặt trước xe Mơ hình lực cản lăn: Fg = mgsin  : Góc nghiêng mặt đường Cơng thức (4.1) viết thành: m dv   n uT ( n v)  mgC r sgn(v)  Cd Av  mg sin  dt Công thức điều khiển PI [11], [13] 63 (4.7) u(k )  u(k  1)  u(k ) (4.8) Trong u(k )  f (e, e) Điều khiển Fuzzy PI dựa theo công thức (4.8), Fuzzy điều khiển dựa vào hai tín hiệu e ∆e 4.1.2 Mơ hình điều khiển hệ thống kiểm sốt hành trình logic mờ (Fuzzy Logic Controller) - Tín hiệu đầu vào: Độ chênh lệch vận tốc (e) độ chênh lệch gia tốc (Delta-e) - Tín hiệu đầu ra: Vị trí tốc độ đầu theo tín hiệu đầu vào Cruise_control e (Mamdani) Control Delta-e Hình 4.3: Sơ đồ điều khiển hệ thống kiểm sốt hành trình logic mờ a Tín hiệu đầu vào  Biểu thị độ chênh lệch vận tốc vận tốc thiết lập xe Chia làm giá trị: LN (âm lớn), MN ( Âm vừa), ZERO (Bằng 0), MP (Dương vừa), LP (Dương lớn) Miền giá trị từ [-15; 15] 64 MN LN ZERO MP LP 0.5 -15 -10 -5 10 15 Hình 4.4: Hàm thành viên đầu vào chênh lệch vận tốc thiết lập vận tốc xe  Biểu thị độ chênh lệch gia tốc xe (Delta-e) Chia làm giá trị: LN (âm lớn), MN ( Âm vừa), ZERO (Bằng 0), MP (Dương vừa), LP (Dương lớn) Miền giá trị từ [-15; 15] LN MN ZERO MP LP 0.5 -15 -10 -5 10 15 Hình 4.5: Hàm thành viên đầu vào tốc độ (speed) b Tín hiệu đầu ra, điều khiển tăng giảm tốc độ xe  Biểu thị mối quan hệ giá trị điều khiển (Control) Chia làm giá trị: AVHN (Thêm giá trị dương lớn), AHN ( Thêm giá trị dương lớn), AMP (Thêm giá trị dương trung bình), ASP (Thêm giá trị dương nhỏ), ANO (Không thêm), ASN (Thêm giá trị âm nhỏ), AMN 65 (Thêm giá trị âm trung bình), AHN (Thêm giá trị âm lớn), AVHN (Thêm giá trị âm lớn) Miền giá trị từ [-10; 10] AVHN AHN AMN ASN ANO ASP AMP AHP AVHP 0.5 -10 -8 -6 -4 -2 10 Hình 4.6: Hàm thành viên đầu tăng hay giảm tốc (Control) c Bảng luật  Biểu thị quy luật tăng giảm tốc độ dựa vào tín hiệu đầu vào: Độ chênh lệch tốc độ xe tốc độ thiết lập, độ chênh lệch gia tốc xe, theo quy luật điều khiển tốc độ lái tự động Tổng cộng có 25 luật điều khiển tốc độ [13] Bảng 4.1: Luật điều khiển e LN MN ZERO MP LP Delta-e LN AVHP AVHP ASP ASN AMN MN ZERO MP LP AVHP AHP ASP AMN AHN AHP AMP ANO AMN AHN AHP AMP ASN AHN AVHN AMP ASP ASN AHN AVHN 66 Hình 4.7: Hiển thị luật sang số 4.2 Kết mô 4.2.1 Tăng ga theo bước 4.2.1.1 Tín hiệu đầu vào  Thiết lập tốc độ vị trí 10s tăng từ 18 lên 22 m/s (64,8 lên 79,2 km/h) speed set 23 22 21 20 19 18 17 10 20 30 40 50 Time (sec) Hình 4.8: Thiết lập tốc độ đầu vào tăng theo bước 67 60 4.2.1.2 Kết mô 22.5 22 21.5 [km/h] 21 20.5 20 19.5 19 18.5 18 10 20 30 t[s] 40 50 60 Hình 4.9: Kết tốc độ đầu tăng theo bước Từ  10s, tốc độ xe tốc độ thiết lập Từ 10  25s tốc độ tăng tuyến tính theo tốc độ thiết lập xe, có chậm trễ (15s) để đáp ứng thay đổi tốc độ, cần có thời gian để thắng lực cản xe 4.2.2 Tăng ga tuyến tính 4.2.2.1 Tín hiệu đầu vào  Thiết lập tốc độ vị trí 10 20s tăng từ 18 lên 22 m/s (64,8 lên 79,2 km/h) speed set 23 22 [km/h] 21 20 19 18 17 10 20 30 Time (sec) 40 50 Hình 4.10: Thiết lập tốc độ đầu vào tăng tuyến tính 68 60 4.2.2.2 Kết mô 22.5 22 21.5 [km/h] 21 20.5 20 19.5 19 18.5 18 10 20 30 t[s] 40 50 60 Hình 4.11: Kết tốc độ đầu tăng tuyến tính Từ  10s, tốc độ xe tốc độ thiết lập Từ 10  20s tốc độ tăng tuyến tính theo tốc độ thiết lập xe, có chậm trễ (10s) để đáp ứng thay đổi tốc độ, cần có thời gian để thắng lực cản xe 4.2.3 Giảm ga theo bước 4.2.3.1 Tín hiệu đầu vào  Thiết lập tốc độ vị trí 10s giảm từ 18 xuống 16 m/s (64,8 xuống 57,6 km/h) 19 speed set 18.5 18 [km/h] 17.5 17 16.5 16 15.5 15 10 20 30 Time (sec) 40 50 Hình 4.12: Thiết lập tốc độ đầu vào giảm theo bước 4.2.3.2 Kết mô 69 60 18.5 18 [km/h] 17.5 17 16.5 16 15.5 15 10 15 20 25 30 t[s] 35 40 45 50 55 60 Hình 4.13: Kết tốc độ đầu giảm theo bước Từ  10s, tốc độ xe tốc độ thiết lập Từ 10  18s tốc độ giảm tuyến tính theo tốc độ thiết lập xe, vị trí 18s tốc độ xe tốc độ thiết lập Từ 18  32s tốc độ xe tiếp tục giảm Từ 32  45s tốc độ xe tăng lên đến giây thứ 45 tốc độ xe tốc độ thiết lập  Có chậm trễ (35s) việc thích ứng tốc độ xe cần thời gian để thắng lực qn tính xe 4.2.4 Giảm ga tuyến tính 4.2.4.1 Tín hiệu đầu vào  Thiết lập tốc độ từ 10 20s giảm từ 18 lên 16 km/h (64,8 xuống 57,6 km/h) 19 speed set 18.5 18 17.5 17 16.5 16 15.5 15 10 20 30 40 50 Time (sec) Hình 4.14: Thiết lập tốc độ đầu vào giảm ga tuyến tính 70 60 4.2.4.2 Kết mơ 18.5 [km/h] 18 17.5 17 16.5 16 10 20 30 t[s] 40 50 Hình 4.15: Kết tốc độ đầu giảm ga tuyến tính Tốc độ xe ln ln với tốc độ thiết lập 71 60 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận Đề tài: “MƠ PHỎNG Q TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC TRÊN Ô TÔ” thực tháng Trong khoản thời gian đó, tác giả nghiên cứu tham khảo tài liệu, sách giáo khoa, tài liệu mạng với hướng dẫn tận tình TS Lê Thanh Phúc Đến nay, đề tài hoàn thành đạt kết mong muốn Cụ thể sau: Kết mô cho thấy đề tài ứng dụng thành công phương pháp điều khiển đại hộp số tự động hệ thống kiểm sốt hành trình Về chất, hạt nhân trình điều khiển Simulink sử dụng logic mờ Phương pháp có tính ưu việt là: dễ thiết lập cho kết tương đối xác phương trình phi tuyến phức tạp ô tô mà phương pháp điều khiển khác không phát huy 5.2 Hướng phát triển đề tài Đề tài tảng cho việc nghiên cứu, chế tạo phần cứng điều khiển hệ thống truyền lực nói riêng cho tơ ngày hoàn thiện 72 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S.Sakaguchi I.Sakai T.Haga, Application of Fuzzy Logic to Shift Scheduling Method for Automatic Transmission, IEEE, 0-7803-0614-7, 1993 [2] Wu Shijing, and Li Qunli, and Zhu Enyong, and Zhang Dawei, and Xie Jing, Dynamic Modeling and Simulation on Automatic Transmission of Tracked Vehicle Using Fuzzy Control, IEEE, 2008 [3] Cơng ty ơtơ Toyota, Kỹ thuật viên chẩn đốn gầm, Bộ phận kỹ thuật - Trung tâm dịch vụ khách hàng - Tập đoàn Toyota Nhật Bản, 2003 [4] Barry Hollembeak, Today’s Technician™: Automotive Electricity and Electronics 5th Edition, Delmar Cengage Learning, 2011 [5] Takeshi Ootsuki, and Tetsuya Yamaguchi and Akira Fukatsu, Toyota AA80E 8Speed Automatic Transmission with Novel Powertrain Control System, SAE International, 2007 [6] Global Service Information Center, Major technical specifications 2008 Lexus GS 460, Toyota International, 2008 [7] Matlab Help and Simulink demos, 2015 [8] Getting Started with Fuzzy Logic Internet: https://www.calvin.edu/~pribeiro/othrlnks/Fuzzy/home.htm, 20/09/2015 [9] The MathWorks, Using simulink and stateflow in automotive applications, the MathWorks, Inc., 1998 [10] FRAJ A H and PFEIFFER H Dynamic Modeling and Analysis of Automatic Transmissions, Proceedings of the 1999 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, IEEE, 1999 [11] Pallab Maji, Sarat Kumar Patra and Kamalakanta Mahapatra, Implementation of FPGA based Fuzzy PI Approximate Control for Automatic Cruise Control System, Proceedings of International Conference on Circuits, Communication, Control and Computing (I4C 2014), IEEE, 2014 73 [12] PGS TS Đỗ Văn Dũng, Hệ thống điện thân xe điều khiển tự động ô tô, ĐH SPKT TP HCM, 2004 [13] Tsegazeab Shishaye, Cruise control system design using fuzzy logic, Northwestern Polytechnical University, 2012 74 S K L 0 ... tham khảo tài liệu ngồi nước mơ q trình điều khiển hệ thống truyền lực ô tô Phương pháp quan sát khoa học hoạt động điều khiển hệ thống truyền lực thực tế ô tô kết mô 1.6 Ý nghĩa khoa học tính thực... cứng điều khiển hệ thống truyền lực bao gồm: Hộp số tự động điều khiển điện tử (ECT), hệ thống kiểm sốt hành trình (CCS) 1.3.2 Đối tượng nghiên cứu Quá trình điều khiển hệ thống truyền lực Phần... truyền lực ngày hoàn thiện tốn 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu Mơ trình điều khiển hệ thống truyền lực xe Lexus GS 460 đời 2008 bao gồm nội dung: Quá trình điều khiển ECT logic mờ Quá trình điều khiển