Hình 3.12: Đồ thị biểu diễn góc quay động cơ DCM1 mơ phỏng 𝜃𝑚1 và mong muốn 𝜃𝑚1𝑑
Hình 3.13: Sai lệch 𝑒1 giữa góc quay mơ phỏng 𝜃𝑚1 và mong muốn 𝜃𝑚1𝑑 .
Hình 3.14: Đồ thị biểu diễn điện áp cấp cho động cơ DCM1
3.3.3 Mô phỏng bộ chấp hành dẫn hướng
- Trong cụm chấp hành dẫn hướng của hệ thống lái cơ khí, khi trục lái quay một góc bất kỳ thì bánh xe dẫn hướng quay một góc 𝜃𝐹𝑊 tương ứng, với tỉ lệ là tỉ số truyền của hệ thống lái, trong trường hợp xe tải Hino300 series thì tỉ số truyền góc trung bình này là 24,7.
- Bộ chấp hành dẫn hướng của hệ thống lái SBW được mô tả bởi phương trình từ (2.43) – (2.54), với các tham số của hệ thống được trình bày trong Bảng 2.2 và 2.3, cũng cần đảm bảo một tỉ số truyền giống như hệ thống lái cơ khí. Tức là với góc quay của trục động cơ DCM2 𝜃𝑚2 bất kỳ thì góc quay của bánh xe dẫn hướng 𝜃𝐹𝑊 (thu được thông qua việc giải các phương trình (3.34) – (3.57)) cũng phải tương ứng tỉ lệ với 𝜃𝑚2, với tỉ lệ là tỉ số truyền của hệ thống lái.
Như vậy, kết quả mô phỏng cần kiểm chứng các lượng sai lệch: Sai lệch 𝑒2
giữa góc quay đầu ra động cơ DCM2 mơ phỏng 𝜃𝑚2 với góc mong muốn 𝜃𝑚2𝑑 (với
𝜃𝑚2𝑑 = 𝑖𝑚2𝜃𝑠𝑤) hay 𝑒2 = 𝜃𝑚2𝑑 − 𝜃𝑚2 → 0. Sai lệch 𝑒3 giữa góc quay bánh xe DH mơ phỏng 𝜃𝐹𝑊 với góc quay bánh xe DH mong muốn 𝜃𝐹𝑊𝑑 (với 𝜃𝐹𝑊𝑑 = 𝜃𝑠𝑤/24,7) hay
𝑒3 = 𝜃𝐹𝑊𝑑 − 𝜃𝐹𝑊 → 0. Với tham số điều khiển 𝑘2 trong luật điều khiển (3.67) được lựa chọn 𝑘2 = 500 thì ta có kết quả mơ phỏng như như dưới đây:
Hình 3.15 biểu diễn góc quay trục động cơ DCM2 mơ phỏng 𝜃𝑚2 và mong muốn
𝜃𝑚2𝑑 ; Hình 3.16 biểu diễn sai lệch điều khiển 𝑒2: sai lệch lớn nhất =0,0273 (rad), sai lệch bình phương trung bình RMS = 0,0105 (rad); Hình 3.17 biểu diễn góc quay bánh xe DH mơ phỏng 𝜃𝐹𝑊 và góc quay bánh xe DH mong muốn 𝜃𝐹𝑊𝑑 ; Hình 3.18 biểu diễn sai lệch 𝑒3: sai lệch lớn nhất 𝑒3𝑚𝑎𝑥= 0.009 (rad), sai lệch bình phương trung bình RMS𝑒3 = 0.0053 (rad). Các sai lệch rất nhỏ cho thấy độ tin cậy và chính xác cao của mơ hình bộ chấp hành DH; Hình 3.19 biểu diễn điệp áp cấp cho động cơ DCM2: điện áp điều khiển lớn nhất là 9,8 (V), điện áp điều khiển trung bình RMS = 5,7225 (V); Hình 3.20 biểu diễn trợ lực thủy lực 𝐹𝐵 trong hệ thống: lực trợ lực trung bình/ lớn nhất = 401,88/ 807,47 (N);
Hình 3.15: Đồ thị biểu diễn góc quay động cơ DCM2 mơ phỏng 𝜃𝑚2 và mong muốn 𝜃𝑚2𝑑
Hình 3.16: Đồ thị biểu diễn sai lệch 𝑒2
Hình 3. 17: Đồ thị biểu diễn góc quay bánh xe DH mơ phỏng 𝜃𝐹𝑊 và mong muốn 𝜃𝐹𝑊𝑑
Hình 3.19: Đồ thị biểu diễn điện áp điều khiển cấp cho động cơ DCM2
Hình 3.20: Đồ thị biểu diễn trợ lực thủy lực 𝐹𝐵
3.3.4 Mô phỏng đổi hướng chuyển động ô tô
Mô phỏng tại các vận tốc: 5 m/s (17,8 km/h), 10 m/s (35,7 km/h), 15 m/s (53,6 km/h):
Hình 3.21 biểu diễn góc quay vành lái 𝜃𝑠𝑤, đây là đầu vào của mơ hình đổi hướng chuyển động của ô tô: ở 2(s) bắt đầu đánh lái đến góc 1 (rad) đến giây thứ 4, giữ nguyên đến giây thứ 6 và trả lái về 0 (rad) ở giây thứ 8; Hình 3.22 biểu diễn dịch chuyển thân xe theo phương ngang được mô phỏng ở ba vận tốc 5m/s, 10 m/s, 15 m/s cho thấy khi vận tốc tăng thì dịch chuyển ngang thân xe cũng tăng: với cùng góc đánh lái và thời gian đánh lái dịch chuyển xe theo phương ngang lớn nhất ở giây thứ 8 với vận tốc 5 m/s là 0,9 (m); với vận tốc 10 m/s là 2,2 (m) và 15 m/s là 5,1 (m); Hình 3.23 biểu diễn góc quay thân xe 𝜃𝑉 được mơ phỏng ở ba vận tốc 5m/s, 10 m/s, 15 m/s cho thấy khi vận tốc tăng thì góc quay thân xe cũng tăng: với cùng góc đánh lái và thời gian đánh lái góc quay thân xe lớn nhất ở giây thứ 8 với vận tốc 5 m/s là 0,18 (rad); với vận tốc 10 m/s là 0,34 (rad) và 15 m/s là 0,52 (rad); Hình 3.24 biểu diễn mơ men cản của hệ thống lái, mô men cản tăng khi vận tốc tăng: ở vận tốc 5 m/s mô men cản lớn nhất là 22 Nm; vận tốc 10 m/s là 32 Nm; vận tốc 15 m/s là 42 Nm.
Hình 3.21: Đồ thị biểu diễn góc quay vành lái
Hình 3.22: Đồ thị dịch chuyển ngang thân xe
Hình 3.23: Đồ thị góc quay thân xe
Mơ phỏng ở vận tốc cực đại Vmax = 30,5 m/s (109 km/h):
Tại vận tốc cực đại Vmax = 30,5 m/s (109 km/h) với đầu vào là góc quay vành lái 𝜃𝑠𝑤 biểu diễn như Hình 3.21; Hình 3.25 biểu diễn dịch chuyển thân xe theo phương ngang lớn nhất ở giây thứ 8 là 33 (m); Hình 3.26 biểu diễn góc quay thân xe lớn nhất ở giây thứ 8 là 1,3 (rad); Hình 3.27 biểu diễn mơ men cản của hệ thống lái lớn nhất là 140 Nm.
Hình 3.25: Đồ thị dịch chuyển ngang thân xe
Hình 3.26: Đồ thị góc quay thân xe
Hình 3.27: Đồ thị biểu diễn mô men cản hệ thống lái
3.4 Kết luận chương
Trong chương này các kết quả đạt được bao gồm:
- Đã lựa chọn phương pháp điều khiển SMC và nghiên cứu lý thuyết của phương pháp này để ứng dụng trong nội dung luận án.
- Đã xây dựng mơ hình điều khiển cho tồn hệ thống gồm: Mơ hình điều khiển tạo cảm giác lái và mơ hình điều khiển chấp hành dẫn hướng.
- Kết quả mơ phỏng:
Sai lêch 𝑒1 giữa góc quay trục ĐC DCM1 mơ phỏng 𝜃𝑚1 và góc quay mong muốn
𝜃𝑚1𝑑 = 𝜃𝑠𝑤. 𝑖𝑚1 𝑒1𝑚𝑎𝑥 = 0.0144 (𝑟𝑎𝑑) sai lệch RMS 𝑒1= 0.0021 (rad) rất nhỏ hay
𝑒1 → 0.
Sai lêch 𝑒2 giữa góc quay đầu ra ĐC DCM2 mơ phỏng 𝜃𝑚2 và góc quay mong muốn 𝜃𝑚2𝑑 𝑒2𝑚𝑎𝑥 = 0.0273 (𝑟𝑎𝑑) sai lệch RMS 𝑒2= 0.0105 (rad) rất nhỏ hay 𝑒2 →
0 (góc quay của trục ra hộp giảm tốc 𝜃𝑚2𝑖
𝑚2 bám theo góc quay vành lái 𝜃𝑠𝑤).
Sai lêch 𝑒3 giữa góc quay bánh xe DH mơ phỏng 𝜃𝐹𝑊 và góc quay bánh xe DH mong muốn 𝜃𝐹𝑊𝑑 𝑒3𝑚𝑎𝑥 = 0.009 (𝑟𝑎𝑑) sai lệch RMS 𝑒3= 0.0053 (rad) rất nhỏ hay
𝑒3 → 0 cho thấy độ chính xác cao của mơ hình.
Điện áp điều khiển lớn nhất = 9,8 (V) phù hợp với điện áp định mức 12 (V). Bộ trợ lực thủy lực đảm nhiệm mô men cản trong hệ thống lái trung bình 401,88 (N), trợ lực 55,89% mơ men cản theo tính tốn lý thuyết.
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1 Mục đích và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Thực nghiệm là một bước trong nghiên cứu khoa học để làm sáng tỏ mơ hình khoa học hay giả thuyết. Có thể nói phương pháp thực nghiệm là chân lý (đúng đắn), nó được dùng làm chuẩn mực để đánh giá sự đúng đắn của phương pháp lý thuyết. Thực tiễn đặt ra nhu cầu nghiên cứu và cuối cùng thực tiễn cũng chính là thước đo để đánh giá vấn đề nghiên cứu.
4.1.1 Mục đích thực nghiệm
Nghiên cứu thực nghiệm trong luận án được tiến hành qua hai giai đoạn: Giai đoạn 1: Thực nghiệm trên ô tô HINO 300Series với hệ thống lái trợ lực thủy lực và giai đoạn 2: Thực nghiệm trên ô tô HINO 300Series với hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực.
Thực nghiệm trên ô tô HINO 300Series với hệ thống lái trợ lực thủy lực với mục đích: Đo đạc, đánh giá các thơng số (các góc đặt BXDH, góc quay bánh xe dẫn hướng, các thơng số kích thước xe, thông số lốp xe…) và xác định tỉ số truyền góc của hệ thống lái.
Thực nghiệm trên ơ tô HINO 300Series với hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực được tiến hành trong 03 trường hợp: Trạng thái tĩnh; vận hành trên đường giao thông; thực nghiệm quỹ đạo chuyển động (trên sa bàn) và quay vịng với bán kính quay vịng nhỏ nhất. Việc thực hiện các trường hợp này nhằm các mục đích sau đây: - Thực nghiệm ở trạng thái tĩnh; vận hành trên đường giao thông nhằm đánh giá sự hoạt động chính xác, tin cậy của hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực được thiết kế trên xe HINO 300Series. Để khẳng định hệ thống hoạt động chính xác, tin cậy thì góc quay của động cơ DCM2 (𝜃𝑚2
𝑖𝑚2) phải bám theo góc quay vành lái (𝜃𝑠𝑤), điều này được thể hiện khi sai lệch 𝑒4 → 0.
- Thực nghiệm quỹ đạo chuyển động (trên sa bàn) và quay vịng với bán kính quay vịng nhỏ nhất (đánh lái đến điểm giới hạn về một bên), việc thực nghiệm được tiến hành nhiều vịng liên tục (3÷5 vịng) trong cùng điều kiện như: người lái, đường thử, góc đánh lái, tốc độ, tọa độ GPS…nhằm đánh giá sự hoạt động liên tục, ổn định của hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực được thiết kế trên xe HINO 300Series. Điều
này được thể hiện thơng qua hình dạng của các đường biểu diễn quỹ đạo trên đồ thị: Các đường quỹ đạo phù hợp về hình dạng, đều (không bị gãy, gấp khúc), đường quỹ đạo liên tục (khơng bị đứt, hở) và có sự trùng khít tương đối giữa các đường quỹ đạo. - Cung cấp số liệu đầu vào cho mơ hình lý thuyết để kiểm nghiệm, đánh giá sự tin cậy, chính xác của mơ hình lý thuyết nghiên cứu đối với hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực. Điều này được thể hiện khi kết quả đầu ra của mơ hình lý thuyết và kết quả thực nghiệm có sai lệch nhỏ 𝑒5 → 0.
4.1.2 Phương pháp thực nghiệm
Một số phương pháp thực nghiệm hiện nay như:
- Thực nghiệm gián tiếp trên mơ hình đồng dạng: Trong nhiều trường hợp, khơng thể tiến hành thí nghiệm trực tiếp trên ơ tơ thực do chi phí cho thí nghiệm quá lớn, hoặc do tính chất nguy hiểm của thí nghiệm (ví dụ thí nghiệm va chạm, thí nghiệm lật…), hoặc vì một lý do nào đó người ta khơng thể tiến hành thí nghiệm trên đối tượng thực, thì thí nghiệm trên mơ hình là một giải pháp thích hợp.
- Thực nghiệm gián tiếp trên mơ hình tốn học: Thí nghiệm gián tiếp trên mơ hình tốn học là phương pháp nghiên cứu mà ô tô thực và các thơng số của nó được thay bằng các mơ hình tốn học, việc thí nghiệm thực hiện hồn tồn trên máy tính với sự tham gia của các phần mềm tính tốn, mơ phỏng. Hiện nay có nhiều phần mềm có thể sử dụng để tính tốn mơ phỏng các q trình làm việc của các hệ thống hoặc tồn bộ ô tô như: Matlab/Simulink, Catia, ANSYS Workbench… hoặc các phần mềm chun dùng cho thí nghiệm ơ tơ.
- Thực nghiệm trực tiếp trên ơ tơ thực: Việc thí nghiệm được thực hiện trực tiếp trên ô tô thực. Có thể tiến hành làm thí nghiệm ơ tơ trên đường, thí nghiệm ơ tơ trong phịng thí nghiệm hoặc trên các băng thử chuyên dùng. Việc thí nghiệm trên ô tô thực đòi hỏi các điều kiện về phương tiện, thiết bị thí nghiệm, người lái, thời gian, địa điểm làm thí nghiệm, các vấn đềđảm bảo an tồn…
Trong nghiên cứu này tác giả đã sử dụng hai phương pháp:
- Thực nghiệm gián tiếp trên mơ hình tốn học: Tiến hành xây dựng mơ hình tốn học của hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực, mô phỏng các quá trình hoạt động của hệ thống bằng phần mềm Matlab/Simulink (được thực hiện trong chương 2, 3).
- Thực nghiệm trực tiếp trên ô tô thực (được thực hiện trong chương 4): Việc thực nghiệm được thực hiện trực tiếp trên ô tô HINO 300Series ở các chế độ tĩnh, hoạt động trên đường giao thông nội bộ, quay vịng với bán kính quay vịng nhỏ nhất.
4.2 Nghiên cứu thực nghiệm trên ô tô với hệ thống lái trợ lực thủy lực
Mục đích của thực nghiệm trên ô tô HINO 300Series với hệ thống lái trợ lực thủy lực là đo đạc, đánh giá các thơng số (các góc đặt BXDH, góc quay bánh xe dẫn hướng, các thơng số kích thước xe, thơng số lốp xe…) và xác định tỉ số truyền góc trung bình của hệ thống lái.
4.2.1 Các bước chuẩn bị thực nghiệm
Xe thí nghiệm: Nhóm nghiên cứu và Xe HINO 300Series như Hình 4.1.
Hình 4.1: Nhóm nghiên cứu và xe thí nghiệm HINO 300Series
Chiếc xe để thực nghiệm là xe tải cỡ nhỏ có nhãn hiệu HINO 300Series như Hình 4.2, thuộc quản lý của Bộ mơn Cơ khí ơ tơ - Trường ĐH Giao thơng vận tải.
Hình 4.2: Xe ơ tơ tải HINO 300Series
Xe ô tô tải HINO 300Series được chọn để nghiên cứu thực nghiệm bởi các lý do sau:
- Chiếc xe có hệ thống lái được trang bị hệ thống trợ lực thủy lực phù hợp với hướng nghiên cứu;
- Đây là chiếc xe mới 100% của nhà sản xuất do đó các thơng số đo đạc, tính tốn đảm bảo chính xác, các đặc tính của hệ thống lái đảm bảo độ tin cậy cao;
- Không phải thay đổi cấu trúc của xe nhiều và thuận lợi cho việc lắp đặt thiết bị thí nghiệm;
- Cuối cùng là phù hợp với mục đích sử dụng xe trong việc nghiên cứu, đào tạo. Các thông số kỹ thuật của xe ô tô HINO 300Series và hệ thống lái được trình bày trong bảng 4.1 (tài liệu kỹ thuật của xe xem chi tiết trong Phụ lục 1).
Bảng 4.1: Các thông số kỹ thuật của xe HINO 300Series
STT Tên thơng số Giá trị
1 Kích thước: Dài x Rộng x Cao (mm) (OL x OW x OH)
4710 x 1850 x 2100
2 Chiều dài cơ sở (WB) (mm) 2525
3 Vết bánh xe trước (FT) (mm) 1400
5 Trọng lượng bản thân (kg) 2245 6 Trọng lượng tác dụng lên cầu trước (kg) 1420 7 Trọng lượng tác dụng lên cầu sau (kg) 825
8 Tỉ số truyền cơ cấu lái 20,9
9 Bán kính quay vịng nhỏ nhất (m) 9,6
10 Lốp xe trước/sau 7.00R-16
(185/85R16)
11 Nguồn điện ắc quy 12Vx60AH
55D23L x 2
12 Tốc độ lớn nhất (km/h) 113
Thiết bị, dụng cụ thực nghiệm:
- Thiết bị đo các góc đặt bánh xe dẫn hướng:
Hình 4.3: Thiết bị đo góc đặt bánh xe dẫn hướng
- Thiết bịđo góc quay bánh xe dẫn hướng:
- Dụng cụ đo độ dơ vành lái:
Hình 4.5: Dụng cụđo độdơ vành lái
Hình 4.6: Lắp đặt các dụng cụđo lên ô tô
4.2.2 Phương pháp thực hiện
- Tiến hành thí nghiệm hệ thống lái trợ lực thủy lực: Đo góc vành lái θ, góc quay bánh xe dẫn hướng α, β.
- Thực hiện đánh lái lần lượt mỗi góc 90 độ cho đến khi hết lái về hai bên, đọc các giá trị góc quay bánh xe dẫn hướng bên trái và bên phải.
- Thực nghiệm được lặp lại 04 lần để lấy kết quả trung bình.
4.2.3 Kết quả thực nghiệm
- Trường hợp đánh lái sang phải
Bảng 4.2: Thông sốđo đạc khi đánh lái sang phải STT STT Góc quay vành lái (độ) Lực đánh lái (Nm) Góc quay bánh xe phía trong β (độ) Góc quay bánh xe phía ngoài α (độ) lần 1 lần 2 lần 3 lần 4 lần 1 lần 2 lần 3 lần 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 90 2.4 4 3 3 3.5 3 3 3 3.5 3 180 2.3 8 7.5 8 7.5 6.5 6.5 7 7 4 270 1.7 12 11.5 11.5 12 10 10 10 10.5 5 360 2.4 16 16 16 16 14 14 14 14 6 450 3 20 20 20 20 17 16.5 17 17 7 540 2.6 24.5 24.5 24.5 24.5 20 20 20 20 8 630 2.8 29 29 29 29 23 23 23 23 9 720 2.8 33.5 33.5 33 34 26 26 25 26 10 740 3 35 35 35 35 27 27 26.5 26.5 Quan hệ giữa góc quay vành tay lái và góc quay bánh xe dẫn hướng được biểu diễn như Hình 4.7:
Hình 4.7: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ góc quay VL và góc quay BXDH khi đánh lái bên phải
- Đánh lái sang trái
Tiến hành quay vành tay lái mỗi góc 90o, ta được các giá trị như bảng 4.3:
0 10 20 30 40 0 0 90 180 270 360 450 540 630 720 740 Gó c q uay b án h xe D H (đ ộ) Góc quay vành lái (độ) bánh trong bánh ngồi
Bảng 4.3: Thơng sốđo đạc khi đánh lái sang tráiSTT STT Góc quay vành lái (độ) Lực đánh lái (Nm) Góc quay bánh xe phía ngồi α (độ)