Mở khối Tire (Magic Formula) và cài đặt thông số:
Mục Geometry cài đặt bán kính lăn của bánh xe là 16*2.54/100 m
Mục Dynamics cài đặt độ cứng dọc của bánh xe = 200000 N.m; Giảm chấn dọc của bánh xe = 1000 N/(m/s) ; Quán tính của lốp xe = (25*(16*2.54/100)^2)/2 kg*m^2;
Hình 2.70: Hợp thoại khối Tire (Magic Formula)
Mở khối Vehicle Body và cài đặt: khối lượng xe là 1500 kg; khoảng cách từ
trọng tâm xe theo chiều ngang đến trục trước xe 1.4 m; khoảng cách từ trọng tâm xe theo chiều ngang đến trục sau xe 1.6 m; khoảng cách từ trọng tâm đến mặt đất 0.5 m; gia tốc trọng trường 9.81 m/s^2.
Hình 2.71: Hợp thoại khối Vehicle Body
Bước 4: Thêm các nguồn và cảm biến tín hiệu
Thêm khối Inertia đại diện cho qn tính truyền đợng của trục bánh xe = 12 kg*m^2;
Thêm khối Terminator để giới hạn cổng ra của bánh xe.
Tạo Subsystem cho bánh xe (mục đích là để phân biệt các bánh xe với nhau)
Tương tự như vậy chúng ta tạo Subsystem cho 4 bánh xe và đặt tên Left Rear, Right Rear, Left Front, Right Front để phân biệt.
Thêm tín hiệu đầu vào (lực gió, góc nghiên mặt đường, độ mở bướm ga):
Thêm khối Signal Builder để tạo ra tín hiệu đầu vào, đổi tên thành “Signal input”
Tiến hành cài đặt 3 tín hiệu: Góc nghiên mặt đường = 15 đợ; Vận tốc gió = 0 m/s; đợ mở bướm ga = 40 %.
Hình 2.73: Giá trị đầu vào của mơ hình
Sử dụng khối Go To để đưa tín hiệu đi và From để nhận tín hiệu:
Tín hiệu gió được gửi đến cổng W của khối Vehicle Body thông qua bộ chuyển đổi Simulink – PS;
Tín hiệu góc nghiên mặt đường được gửi đến cổng b của khối Vehicle Body thông qua bộ chuyển đổi Simulink – PS;
Tín hiệu đợ mở bướm ga được gửi đến cổng T của khối Engine thông qua bộ chuyển đổi Simulink – PS.
Cổng ra V của khối Vehicle Body được kết nối với khối Scope (đổi tên thành Vehicle Speed) để hiển thị kết quả thông qua bộ chuyển đổi PS – Simulink, do bộ chuyển đổi là đơn vị m/s nên ta thêm vào khối Gain (3.6) để đổi sang đơn vị km/h.
Kết nối cách bộ phận lại với nhau để hồn thành mơ hình:
Hình 2.74: Mơ hình tổng qt
Bước 5: Mơ phỏng mơ hình
Tiến hành mơ phỏng trong Stop Time 10 s.
Để chạy mô phỏng, hãy nhấp vào nút RUN trên thanh công cụ Simulink. Nhấp khối Scope để kiểm tra đầu ra vận tốc.
Hình 2.75: Kết quả của mơ hình
Bước 6: Xem kết quả mơ phỏng và phân tích kết quả
Kết quả cho thấy là đúng với thực tế, lúc bắt đầu khởi đợng thì momen xoắn đợng cơ chưa lớn, lực nhỏ nên xe bị lùi về phía sau vì vậy vận tối xe lúc đầu bị âm. Sau khoảng thời gian 1.5 s thì momen xoắn đợng cơ lúc này tăng lên dần nên xe mới thắng được độ dốc của mặt đường và xe đi lên từ từ vì vậy vân tốc xe tăng lên.
Chương 3
SỬ DỤNG SIMULINK TRONG MÔ PHỎNG KỸ THUẬT Ô TÔ
3.1 Ứng dụng Simulink và Stateflow vào mơ phỏng q trình chuyển số của hộp số
Ở đây, ta sử dụng Simulink để mơ hình hóa đợng cơ và hệ thống truyền động trên ô tô. Stateflow kết hợp với mơ hình Simulink để logic hố q trình sang số của mơ hình lý thuyết. Simulink cung cấp mơi trường cho việc mơ phỏng các hệ thống và q trình truyền đợng. Tuy nhiên, trong nhiều hệ thống, các chức năng quản lý như thay đổi chế độ hoặc tạo ra lịch trình mới phải có khả năng xử lý được các sự kiện có thể xảy ra và các điều kiện mà chúng có thể thay đổi theo thời gian. Cho nên, mơi trường u cầu mợt ngơn ngữ có khả năng quản lý đa chế độ và các điều kiện thay đổi. Trong ví dụ dưới đây, Stateflow cho chúng ta thấy khả năng của nó bằng cách điều khiển quá trình sang số của xe. Chức năng này được kết hợp với động lực học của hệ thống truyền lực một cách tự nhiên và theo cách trực quan bằng cách kết hợp khối Stateflow trong sơ đồ khối Simulink.
Hình dưới đây cho thấy dịng truyền cơng suất trong hệ thống truyền lực cơ bản trên ô tô. Dựa vào các khối này để xây dựng nên các khối Simulink thành phần tương ứng sẽ được trình bày cụ thể ở phần dưới. Ngồi ra thêm mợt khối Stateflow để tăng độ chính xác cho hệ thống, nói cách khác nó tương ứng khối Transmission Control Unit.
Theo như sơ đồ tổng quát trên hệ thống truyền lực dưới dây sẽ có hai đầu vào là góc mở bướm ga và lực phanh để tính tốn tốc đợ của xe (mph). Tức là khối đầu vào của hệ thống gồm hai tín hiệu chinh diều khiến chính và khối đâu ra duy nhất mợt tín hiệu.
Hình 3.1: Mơ hình lý thuyết
Tiến hành xây dựng 4 khối Simulink chính đó là khối đợng cơ (Engine), khối hộp số tự động (4 cấp), khối bộ biến mô (Torque Converter), khối bộ truyền hành tinh (Gearset and Shift Mechanism), khối bộ cơ cấu chấp hành (Vehicle).
Đầu tiên trong khối Engine, đầu vào là tín hiệu góc mở bướm ga và đầu ra là số
vòng quay động cơ, động cơ được nối với bánh bơm của bộ biến mơ. Ta có:
Phương trình 1
Iei 𝑁𝑒̇= Te - Ti Trong đó:
Ne = Tốc đợ đợng cơ (rpm);
Iei = Momen quán tính của đợng cơ và cánh bơm;
Te = f1(góc mở bướm ga, Ne ) = Momen xoắn của động cơ; Ti = Momen của bánh bơm.
Trong khối Torque Converter, cụ thể, khối biến mơ sẽ nhận tín hiệu đầu vào
số vòng quay đợng cơ và cho ra tín hiệu đầu ra là momen bánh bơm của biến mơ. Vì thế nó sẽ áp dụng phương trình 2 để giải quyết bài tốn trong khối biến mơ này.
Phương trình 2
Ti = (Ne / K) 2 Trong đó:
K = f2 (Nin / Ne) = Công suất hoặc hệ số K;
Nin = Tốc độ tuabin = Tốc độ đầu vào của hộp số; Tt = RTQTi = Momen tuabin;
RQT = f3(Nin / Ne ) = Hệ số khuếch đại momen .
Khối Gearset and Shift Mechanism, sẽ gồm có 2 đầu vào gồm mợt tín hiệu
momen bánh tuabin từ bợ biến mơ và tín hiệu điều khiển lựa chọn tỉ số truyền từ khối cơ sở TCU (transmission control unit). Sau đó qua áp dụng phương trình 3 sẽ cho ra giá trị momen của hợp số hành trình này.
Phương trình 3
Tout = RRTTin Nin = RRTNout Trong đó:
RTR = f4 (gear);
Tin , Tout = momen đầu vào, đầu ra của hộp số; Nin , Nout = tốc độ đầu vào, đầu ra;
RRT = Tỷ số truyền.
Khối Vehicle, sẽ có đầu vào là giá trị điều khiển lực phanh và đầu ra của hợp
Phương trình 4
Iv 𝑁𝑤̇ = Rfd (Tout - Tload ) Trong đó:
Iv = qn tính xe; Nw = tốc đợ bánh xe; Rfd = final drive ratio;
Tload = f5 (Nw) = Momen cản tổng.
Momen cản bao gồm lực cản lăn, lực cản khí đợng học và lực phanh.
Phương trình 5
Tload = sgn (mph) (Rload0 + Rload2mph2 + Tbrake ) Trong đó:
Tload = momen tải; Tbrake = momen phanh;
Rload0 ,Rload2 = ma sát và hệ số cản khí đợng học; mph = vận tốc tuyến tính của xe.
Stateflow là mợt công cụ để thiết kế logic tuần tự. Thiết kế có thể được thể hiện bằng đồ họa bằng cách sử dụng biểu đồ, trạng thái … Stateflow được sử dụng để đáp ứng các thay đổi tức thời. Trong mơ hình này, Stateflow được sử dụng để mơ phỏng khối Transmission Control Unit, khối này cần hai tín hiệu đầu vào là góc mở bướm ga và tốc đợ xe để so sánh các giá trị nhất định và đưa ra tín hiệu cho việc có quyết định chuyển số hay khơng (dựa vào thuật tốn chuyển số).
Mơ hình xác nhận thời điểm chuyển số dựa trên một sơ đồ. Đối với một độ mở bướm ga nhất định cho mợt số nhất định, chỉ có duy nhất mợt tốc đợ xe duy nhất mà lúc đó xảy ra q trình lên số, tương tự cho quá trình xuống số.
3.1.1 Thuật toán điều khiển chuyển số
Giả thuyết trường hợp chuyển số khi hộp số được đặt ở chế đợ chuyển số tự đợng. Thuật tốn chuyển số được xây dựng dựa trên hộp số tự động năm cấp, sử dụng độ mở bướm ga và vận tốc của ô tô để quyết định thời điểm chuyển số.
3.1.1.1 Điều khiển tăng số
Thuật toán điều khiển tăng số được xây dựng theo phương pháp so sánh điều kiện đúng hoặc sai của hai thông số là độ mở bướm ga và vận tốc của ô tô.
Khi hệ thống bắt đầu hoạt động sẽ căn cứ vào mức độ mở bướm ga thực hiện quá trình điều khiển chuyển số. Trong trường hợp đợ mở bướm ga lớn hơn mức n1 (ví dụ 80%), hệ thống sẽ tiếp tục căn cứ vào vận tốc dài của ơ tơ để thực hiện q trình này. Vận tốc của ô tô tăng dần, đến thời điểm vận tốc lớn hơn mức v1n1 thì hợp số sẽ chuyển từ số 1 lên số 2, sau 1 thời gian nếu vận tốc lớn hơn mức v2n1 thì hợp số sẽ chuyển từ số 2 lên số 3. Nếu với mức đợ đạp ga đó đủ để vận tốc vượt mức v3n1 thì hợp số sẽ chuyển từ số 3 lên số 4. Nếu vận tốc vượt mức v4n1 thì hợp số tiếp tục chuyển từ số 4 lên số 5, và nếu với mức đợ đạp ga đó đủ để vận tốc vượt mức v5n1 thì hợp số sẽ chuyển từ số 5 lên số 6 và giữ ở số này.
Trường hợp độ mở bướm ga ở trong khoảng lớn hơn mức n2 (ví dụ mức 50%), nhỏ hơn mức n1 (80%), hệ thống sẽ tiếp tục căn cứ vào vận tốc của ô tô để điều khiển chuyển số. Nếu vận tốc lớn hơn mức v1n2 thì hợp số sẽ chuyển từ số 1 lên số 2, sau 1 thời gian nếu vận tốc lớn hơn mức v2n2 thì hợp số sẽ chuyển từ số 2 lên số 3. Nếu với mức đợ đạp ga đó đủ để vận tốc vượt mức v3n2 thì hợp số sẽ chuyển từ số 3 lên số 4. Nếu tốc độ vượt quá v4n2 thì hợp số sẽ chuyển từ số 4 lên số 5, và nếu vận tốc vượt v5n2 thì hợp số sẽ chuyển từ số 5 lên số 6 và giữ ở số này.
Và hệ thống sẽ tiếp tục căn cứ từng trường hợp cho đến khi đợ mở bướm ga lớn hơn mức nn.
Hình 3.2: Sơ đồ logic quá trình lên số Bắt đầu Bắt đầu Mức Vào số D Vào số 1 v>v1n1 Vào số 2 v>v2n1 Vào số 3 v>v3n1 Vào số 4 v>v4n1 Vào số 5 đúng đúng đúng sai Mức ga>n2 Vào số 1 sai … đúng sai đúng đúng v>v1n2 Vào số 2 đúng sai v>v2n2 đúng Vào số 3 v>v3n2 sai Vào số 4 v>v4n2 đúng sai Vào số 5 đúng Mức ga>nn Vào số 1 v>v1nn Vào số 2 v>v2nn Vào số 3 v>v3nn Vào số 4 v>v4nn đúng Vào số 5 đúng đúng sai đúng đúng
sai sai sai
sai
sai sa
i
3.1.1.2 Điều khiển giảm số
Thuật toán điều khiển giảm số được xây dựng theo phương pháp so sánh điều kiện đúng hoặc sai của hai thông số là độ mở bướm ga và vận tốc của ô tô với các ngưỡng đã được tính tốn, được thể hiện như trên Hình.
Trường hợp đợ mở bướm ga nhỏ hơn mức x1 (ví dụ 5%), hệ thống sẽ tiếp tục căn cứ vào vận tốc của ô tô đề thực hiện chuyển số. Nếu vận tốc nhỏ hơn mức v5x1 thì hợp số sẽ chuyển từ số 6 về số 5, sau 1 thời gian nếu vận tốc giảm nhỏ hơn mức v4x1 thì hợp số sẽ chuyển từ số 5 về số 4. Nếu vận tốc giảm nhỏ hơn v3x1 thì hợp số sẽ chuyển từ số 4 về số 3. Nếu vận tốc giảm nhỏ hơn v2x1 thì hợp số sẽ chuyển từ số 3 về số 2. Và nếu sau một thời gian vận tốc giảm đủ nhỏ hơn v1x1 thì hợp số sẽ chuyển từ số 2 về số 1 và giữ ở số này.
Trường hợp đợ mở bướm ga nhỏ hơn mức x2 (ví dụ 20%), lớn hơn mức x1 (5%), hệ thống sẽ tiếp tục căn cứ vào vận tốc của ô tô. Nếu vận tốc nhỏ hơn mức v5x2 thì hợp số sẽ chuyển từ số 6 về số 5, sau 1 thời gian nếu vận tốc giảm nhỏ hơn mức v4x2 thì hợp số sẽ chuyển từ số 5 về số 4. Nếu vận tốc giảm nhỏ hơn v3x2 thì hợp số sẽ chuyển từ số 4 về số 3. Nếu vận tốc giảm nhỏ hơn v2x2 thì hợp số sẽ chuyển từ số 3 về số 2. Và nếu sau một thời gian vận tốc giảm đủ nhỏ hơn v1x2 thì hợp số sẽ chuyển từ số 2 về số 1 và giữ ở số này.
Hệ thống sẽ tiếp tục căn cứ vào điều kiện và thực hiện giảm số sao cho hợp lý đến khi độ mở bướm ga nhỏ hơn mức xn.
Hình 3.3: Sơ đồ logic quá trình xuống số Mức Mức Vào số D Số 5 v>v4x1 Số 4 v>v3x1 Số 3 v>v2x1 Số 2 v>v1x1 Số 1 đúng đúng đúng sai sai Mức ga<x2 Số 5 sai … sai đúng sai đúng đúng v>v4x2 Số 4 đúng sai v>v3x2 đúng Số 3 v>v2x2 sai Số 2 v>v1x2 đúng sai Số 1 đúng Mức ga<xn Số 5 v>v4xn Số 4 v>v3xn Số 3 v>v2xn Số 2 v>v1x2 đúng Số 1 đúng đúng sai đúng đúng sai sai sai sai sai Bắt đầu
Hình 3.4: Sơ đồ thời điểm sang số
Hình 3.6: Sơ đồ giá trị K-factor và tỉ số momen xoắn
3.2 Sử dụng Simscape trong mô phỏng xe Fortuner với hệ thống sang số tự động
Hình 3.7: Mơ hình lý thuyết
Ở đây chúng ta dùng các khối vật lý có sẵn bên trong thư viện Simscape để thực hiện mô phỏng vật lý mơ hình. Mơ hình trên khái quát lại đường truyền vật lý và mơ hình tổng qt của mơ hình Simscape.
Để thực hiện mơ hình, ta sử dụng các khối mô phỏng vật lý để mô phỏng lại động cơ và các chi tiết vật lý trên ô tô cũng như là hộp số tự động. Đồng thời ta cũng sử dụng các khối Stateflow để mô phỏng khối Transmission Cotrol Unit như đã làm ở phần mô phỏng hộp số tự động 5 cấp nhưng ở đây ta mơ phỏng đợng cơ Fortuner có 6 cấp số nên mơ hình Stateflow sẽ là mơ hình điều khiển hợp số tự động 6 cấp số. Các khối ta sử dụng để mô phỏng:
- Engine:
Được dùng để mô phỏng động cơ đốt trong. Ở đây khối này đại diện cho đợng cơ.
Hình 3.8: Khối Generic Engine
Các cổng của khối:
Cổng T: Nhận tín hiệu góc mở bướm ga;
Cổng B: Liên kết với khung, vỏ;
Cổng F: Xuất ra tín hiệu của trục khuỷu cụ thể là tốc đợ vịng quay;
Cổng P: Xuất ra công suất ở thời điểm hiện tại;
Cổng FC: Xuất động tiêu hao nhiên liệu của động cơ. Các cài đặt của khối:
Hình 3.9: Các cài đặt cơ bản của khối Generic Engine
- Khối Torque Converter:
Khối này có nhiệm vụ biến đổi dịng truyền cơng suất như ở biến mô thuỷ lực trong hộp số tự đợng.
Hình 3.10: Khối Torque Converter
Các cổng của khối:
Cổng I: Mô tả đường truyền công suất được truyền từ động cơ đến bơm;
Cổng T: Mô tả đường truyền công suất từ tuabin đến đầu vào hợp số. Các cài đặt của khối:
Hình 3.11: Các cài đặt cơ bản của khối Torque Converter
- Khối Vehicle Body:
Khối này đại diện cho thân xe. Có nhiệm vụ tính tốn khối lượng thân xe, lực cản khí đợng học, đợ nghiêng của mặt đường và sự phân bố tải trọng lên cầu trước và cầu sau khi xe di chuyển.
Các cổng của khối:
Cổng beta: Nhận tín hiệu đợ nghiêng của mặt đường;
Cổng W: Nhận tín hiệu lực cản khí đợng học;
Cổng H: Nhận chuyển động bám đường của bánh xe;
Cổng NR: Truyền các tín hiệu vật lý của khung xe đến cầu sau;
Cổng NF: Truyền các tín hiệu vật lý của khung xe đến cầu trước;
Cổng V: Xuất ra vận tốc của khung xe.