Bước 5: Thêm các cảm biến tín hiệu
Bạn đo các đại lượng bằng cách sử dụng khối cảm biến, mắc nối tiếp hoặc song song tùy thuộc vào giá trị đo. Để đo một đại lượng được xác định bởi biến thông qua (chẳng hạn như dòng điện, tốc đợ dịng chảy, lực), hãy kết nối bộ cảm biến theo chuỗi. Để đo một đại lượng được xác định bởi một biến ngang (chẳng hạn như điện áp, áp suất, vận tốc), hãy kết nối cảm biến song song.
Thêm các phần tử sau vào mơ hình:
Ideal Translational Motion Sensor : khối cảm biến chuyển động tịnh tiến;
Mechanical Translational Reference.
Kết nối các khối lại với nhau
Bước 6: Kết nối với Simulink bằng các khối chuyển đổi
Các phương trình trong mơ hình Simscape được giải quyết đồng thời, trong khi các khối Simulink được đánh giá tuần tự. Các khối chuyển đổi, chẳng hạn như khối chuyển đổi Simulink-PS và chuyển đổi PS-Simulink, xử lý ranh giới giữa hai quy ước mơ hình hóa này. Bạn cần các khối chuyển đổi khi tín hiệu Simulink chỉ định số lượng trong mạng Simscape hoặc khi chuyển số lượng Simscape tới Simulink để thiết kế điều khiển hoặc các mục đích khác.
Thêm khối Signal Generator vào mơ hình để thể hiện tín hiệu lực đầu vào (đổi tên thành Force input).
Trong khối Signal Generator, chọn Dạng sóng là "vuông" với biên độ là "-1" và tần số là "0,001 Hz".
Hình 2.61: Hợp thoại khối Signal Generator Force input
Kết nối khối Force input đến cổng đầu vào của khối Bợ chuyển đổi Simulink- PS, nơi nó được chuyển đổi thành tín hiệu vật lý đến khối Force Source.
Cổng ra P của khối Ideal Translational Motion Sensor, dùng để đo vận tốc, kết nối với khối bộ chuyển đổi PS-Simulink. Khối này chuyển tín hiệu vật lý thành tín hiệu Simulink và kết nối với khối Scope để hiển thị kết quả.
Hình 2.62: Mơ hình hồn chỉnh
Bước 7: Mơ phỏng mơ hình
Để chạy mô phỏng, hãy nhấp vào nút RUN trên thanh công cụ Simulink. Nhấp khối scope để kiểm tra đầu ra vận tốc.
Bước 8: Xem kết quả mơ phỏng và phân tích kết quả
Đầu vào là mợt lực với sóng vng có hai bước sóng, mợt dương và mợt âm. Về mặt vật lý, điều này có nghĩa là đầu tiên động cơ tiến lên, sau đó theo chiều ngược lại một thời gian sau khi lực âm tác dụng. Đầu ra vận tốc phản ánh điều này.
Simscape Driveline
Ở đây ta ứng dụng Simscape Driveline để mô phỏng xe ô tô dẫn động bốn bánh. Mơ hình này cho thấy mợt chiếc xe dẫn đợng bốn bánh bắt đầu từ trạng thái nghỉ và đi lên mợt góc nghiêng 15 đợ. Ban đầu xe lăn về phía sau cho đến khi đợng cơ khởi đợng đủ momen xoắn để chống lại độ dốc và chuyển đợng về phía trước.
Hình 2.64: Mơ hình bài tốn
Mơ hình chiếc xe gồm có: - Đợng cơ; - Hộp số;
- Khối lượng thân xe; - Bốn bánh xe.
Tín hiệu đầu vào gồm có :
- Incline: đợ nghiên của mặt đường; - Wind: lực gió;
- Throttle: đợ mở bướm ga.
Các thông số của hệ thống như sau:
- Khối lượng xe = 1500 kg; - Công suất tối đa = 150 KW;
- Công suất tối đa đạt tại 4500 rmp; - Tốc độ tối đa = 6000 rpm;
- Tốc độ khởi động = 500 rmp;
- Độ cứng dọc của bánh xe = 200000 N.m; - Giảm chấn dọc của bánh xe = 1000 N/(m/s);
- Qn tính truyền đợng của trục bánh xe = 12 kg*m^2; - Tỷ số truyền hộp số (NF/NB) = 2;
- Bán kính lăn của bánh xe = 16*2.54/100 m;
- Quán tính của lốp xe = 25*(bán kính lăn)^2 kg*m^2; - Góc nghiên mặt đường = 15 đợ;
- Vận tốc gió = 0 m/s.
Các bước xây dựng một mơ hình vật lý sử dụng Simscape Driveline: Bước 1: Tạo mơ hình mới bằng ssc_new
Nhập lệnh ssc_new ở cửa sổ lệnh của Matlab để mở simscape, một model mới được mở và có các khối thường dùng có sẵn trong model.
Các thành phần của model là:
Khối cấu hình bợ giải thuật;
Khối PS-Simulink và Simulink- PS;
Khối đầu ra scope được kết nối với khối PS-Simulink.
Hình 2.66: Hình ảnh minh hoạ
Bước 2: Lắp ráp mạng vật lý
Khối Vehicle Body: đại diện cho thân xe;
Khối Generic Engine : đại diện cho động cơ, đổi tên thành “Engine”;
Khối Torque Converter: đại diện cho biến mô thủy lực;
Khối Simple Gear: đại diện cho hộp số với tỷ số truyền cố định, đổi tên khối thành “Gearbox”;
2 Khối Differential : đại diện cho vi sai cầu trước và vi sai cầu sau, đổi tên thành “Rear Differential và Front Differential”;
4 khối Tire (Magic Formula): đại diện cho 4 bánh xe, đổi tên thành “Left Rear, Right Rear, Left Front, Right Front”;
Kết nối các khối lại với nhau:
Bước 3: Điều chỉnh các tham số khối và biến
Mở khối Engine và cài đặt thông số:
Mục Engine Torque : Maximum power 150 kW; Speed at maximum power 4500 rpm; Maximum speed 6000 rpm; Stall speed 500 rpm;
Hình 2.68: Hộp thoại khối Engine
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; độ 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 mô 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 đợng trên ơ tơ. 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 mô phỏng các hệ thống và q trình truyền đợng. Tuy nhiên, trong nhiều hệ thống, các chức năng quản lý như thay đổi chế đợ 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 đợ và các điều kiện thay đổi. Trong ví dụ dưới đây, Stateflow cho chúng ta thấy khả năng của nó bằng cách điều khiển q 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 đợ 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 độ 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 hợp 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 bợ biến mơ. Ta có:
Phương trình 1
Iei 𝑁𝑒̇= Te - Ti Trong đó:
Ne = Tốc độ động 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 hộp
Phương trình 4
Iv 𝑁𝑤̇ = Rfd (Tout - Tload ) Trong đó:
Iv = qn tính xe; Nw = tốc độ 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 một 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 độ 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 q trình xuống số.
3.1.1 Thuật tốn điều khiển chuyển số
Giả thuyết trường hợp chuyển số khi hộp số được đặt ở chế độ 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 độ mở bướm ga lớn hơn mức n1 (ví dụ 80%), hệ thống sẽ tiếp tục căn cứ vào vận tốc dài của ô tô để thực hiện quá 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 độ 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 độ đạp ga đó đủ để vận tốc vượt mức v3n2 thì hợp số sẽ chuyển từ số 3 lên số 4. Nếu tốc đợ vượt q 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 độ 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