Chƣơng 1 trình bày một số kiến thức cơ bản của lý thuyết tập mờ, quan hệ mờ và một số phép toán của nó. Các phƣơng pháp khử mờ, các mệnh đề mờ và mô hình lập luận xấp xỉ đƣợc mô tả chi tiết làm tiền đề nghiên cứu cho chƣơng tiếp theo.
Chƣơng 2
MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN MỜ CÁC THIẾT BỊ Ô TÔ
2.1. Điều khiển tự động các thiết bị ô tô 2.1.1. Điều khiển tự động vô lăng
2.1.1.1. Công dụng[1]
Hệ thống lái dùng để thay đổi hƣớng chuyển động hoặc giữ cho ô tô chuyển động ổn định theo hƣớng đã định của ngƣời lái.
Hệ thống lái bao gồm cơ cấu lái và dẫn động lái. Cơ cấu lái là một hộp giảm tốc dùng để quay bánh xe dẫn hƣớng với tỉ số truyền cần thiết. Dẫn động lái là hệ thống đòn kéo để đảm bảo bánh xe dẫn hƣớng quay vòng không trƣợt.
2.1.1.2. Yêu cầu[1]
- Đảm bảo các bánh xe dẫn hƣớng quay vòng không trƣợt, - Giảm sự va đập truyền từ bánh xe lên vành tay lái,
- Đảm bảo cho ô tô chuyển động thẳng ổn định, - Điều khiển lái nhẹ nhàng và tiện lợi,
- Bán kính quay vòng của ô tô nhỏ.
2.1.1.3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử[12]
Hình 2.1 Một số bộ phận của hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử 1- Cảm biến; 2- Bộ xử lý và điều khiển điện tử trung tâm ECU;
Hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử (hệ thống lái linh hoạt) hoạt động không nhƣ các hệ thống lái khác. Khi xe chạy với tốc độ chậm, bình thƣờng thì việc điều khiển xe tƣơng đối dễ dàng, lúc này bộ trợ lực điều khiển điện tử vẫn chƣa hoạt động. Khi xe chạy với tốc độ cao, tình trạng mặt đƣờng xấu và có sự thay đổi đột ngột trong khi lái nhƣ qua khúc cua với tốc độ cao, lạng lách để tránh các xe khác thì lúc này bộ trợ lực điều khiển điện tử mới hoạt động để hỗ trợ cho ngƣời lái xử lý tình huống một cách dễ dàng hơn.
Để biết đƣợc những sự thay đổi đó thì ở hệ thống lái này có các cảm biến để thu nhận những tín hiệu để truyền đến bộ xử lý và điều khiển điện tử trung tâm ECU. Thƣờng có các cảm biến nhƣ cảm biến tốc độ của xe, cảm biến góc quay vô lăng lái….
Bộ xử lý và điều khiển điện tử trung tâm ECU sau khi nhận các tín hiệu từ các cảm biến sẽ xử lý các thông tin đó và đƣa ra tín hiệu để điều khiển cho động cơ điện quay, làm cho bộ bánh răng hành tinh quay theo dẫn tới thanh răng sẽ đƣợc chuyển động và làm cho các bánh xe dẫn hƣớng hoạt động.
Hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử hoạt động không phụ thuộc hoàn toàn vào sự điều khiển của ngƣời lái mà nó có thể tự điều khiển việc lái xe khi mà ngƣời lái chƣa tác dụng một lực nào lên vô lăng lái, tức là nó có thể tự điều khiển để hỗ trợ cho ngƣời lái.
Trên đa số các xe ô tô hiện nay ngƣời ta thƣờng phải xoay vô lăng lái nhiều vòng để chuyển hƣớng bánh xe từ bên trái sang bên phải và ngƣợc lại. Một tỷ số truyền cao nghĩa là bạn phải quay vô lăng lái nhiều hơn để bánh xe đổi hƣớng theo một khoảng cách cho trƣớc. Tuy nhiên một tỷ số truyền cao sẽ không hiệu quả bằng tỷ số truyền thấp. Tỷ số truyền thấp sẽ cho vô lăng phản ứng nhanh hơn.
Với hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử thì có thể thay đổi tỷ số truyền lái để phù hợp với từng trƣờng hợp có thể xảy ra trong quá trình lái xe. Đặc biệt là khi xe qua chỗ cua gấp thì không cần xoay vô lăng lái nhiều vòng.
Còn đối với xe không có bộ trợ lực điều khiển điện tử thì không thể thay đổi đƣợc tỷ số truyền, điều đó đƣợc thể hiện trên Hình 2.2.
Hình 2.3 Vết của các bánh xe ở hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử Với hệ thống lái trợ lực điều khiển bằng điện tử thì khi ngƣời lái thay đổi hƣớng chuyển động của xe nhƣ lúc quay vòng hay vƣợt lên trƣớc xe khác thì vết của hai bánh trƣớc và sau trùng nhau, chính điều này giúp cho lốp xe ít bị mòn và bám sát quỹ đạo quay vòng của xe.
Hình 2.4 Vết của các bánh xe ở hệ thống lái không có điều khiển bằng điện tử Đối với các xe không dùng hệ thồng lái trợ lực điều khiển điện tử thì khi thay đổi hƣớng chuyển động của xe nhƣ lúc quay vòng hoặc vƣợt lên trƣớc xe khác thì vết của hai bánh xe trƣớc và hai bánh sau không trùng với nhau, nên lốp của các bánh xe mau mòn hơn và quay vòng cũng không xác bằng hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử và đặc biệt là lúc quay vòng ở tốc độ cao sẽ dễ bị lật xe.
2.1.1.4. Những ưu điểm của hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử
- Hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử có thể thay đổi tỷ số truyền lái một cách linh hoạt tùy thuộc vào tốc độ của xe và góc quay vô lăng lái.
- Khi chuyển hƣớng xe đột ngột thì vết của hai bánh trƣớc và sau trùng nhau tránh cho lốp xe ít bị mòn.
- Không cần phải quay nhiều vòng vô lăng lái khi qua khúc cua, chỉ cần một tác động nhỏ ở vô lăng lái là đã tạo nên một góc xoay tƣơng đối. Bộ xử lý
trung tâm ECU sau khi nhận các tín hiệu từ các cảm biến sẽ xử lý các thông tin đó và đƣa ra tín hiệu để điều khiển cho động cơ điện quay, làm cho bộ bánh răng hành tinh quay theo dẫn tới thanh răng sẽ đƣợc chuyển động và làm cho các bánh xe dẫn hƣớng hoạt động.
2.1.2. Điều khiển tự động bƣớm ga
2.1.2.1. Công dụng[1]
Bƣớm ga là nơi mà không khí thực sự đi vào trong động cơ. Khi đạp bàn đạp ga thì cánh bƣớm ga sẽ mở, độ mở sẽ tùy thuộc vào việc đạp bàn đạp ga bao nhiêu và cho phép gió đi vào trong ống góp hút. Hầu hết các bƣớm ga đƣợc đặt ở đầu vào của ống góp hút và đƣợc nối với lọc gió.
Hình 2.5 Hệ thống bƣớm ga (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.1.2.2. Yêu cầu[1]
Những động cơ phun nhiên liệu thì sử dụng một hệ thống định lƣợng không khí mà hệ thống này đƣợc đo bởi 2 cách:
- Thứ nhất: Mass Airflow Meter (MAF) là đo lƣu lƣợng khí nạp vào động cơ.
- Thứ hai: Manifold Absolute Pressure sensor (MAP) đo áp suất tuyệt đối khí nạp tại ống góp hút.
Một cảm biến khác liên quan trực tiếp đến bƣớm ga là cảm biến vị trí bƣớm ga TPS, cảm biến này đƣợc bắt trực tiếp trên phần cuối của trục bƣớm ga và báo cho hộp ECU chính xác độ mở của cánh bƣớm ga.
Một số xe không sử dụng cảm biến vị trí bƣớm ga, những cái này đƣợc gọi là "Điều khiển bằng điện tử", điều này có nghĩa là sẽ không sử dụng dây cáp để móc vào bàn đạp ga tới bƣớm ga. Xe điều khiển bƣớm ga bằng điện tử, sẽ sử dụng một cảm biến vị trí bƣớm ga bàn đạp ga và một mô tơ điện đƣợc gắn cố định trên bƣớm ga, cái này hoạt động nhƣ cáp dây ga và điều khiển tốc độ cầm chừng, bằng cách sử dụng tín hiệu đầu vào từ cảm biến vị trí bàn đạp ga để điều khiển cánh bƣớm ga mở.
2.1.2.3. Điều khiển bướm ga điện tử thông minh (Hệ thống ETCS-i)[11]ETCS-i (Hệ thống điều khiển bƣớm ga điện tử - thông minh) là một hệ ETCS-i (Hệ thống điều khiển bƣớm ga điện tử - thông minh) là một hệ thống sử dụng máy tính để điều khiển bằng điện tử góc mở của bƣớm ga.
Hình 2.6 Hệ thống ETCS-i
a) Mô tả
Góc mở của bƣớm ga thông thƣờng đƣợc điều khiển trực tiếp bằng dây cáp nối từ bàn đạp ga đến bƣớm ga để mở và đóng nó. Trong hệ thống này, dây cáp đƣợc loại bỏ, và ECU động cơ dùng môtơ điều khiển bƣớm ga để
Cảm biến góc đạp chân ga Cảm biến vị trí bƣớm ga Môtơ ECU động cơ
điều khiển góc mở của bƣớm ga đến một giá trị tối ƣu tƣơng ứng với mức độ đạp bàn đạp ga. Ngoài ra, góc mở của bàn đạp ga đƣợc nhận biết bằng cảm biến vị trí bàn đạp ga, và góc mở của bƣớm ga đƣợc nhận biết bởi cảm biến vị trí bƣớm ga. Hệ thống ECTS-i bao gồm cảm biến vị trí bƣớm ga, ECU động cơ và cổ họng gió. Cổ họng gió bao gồm bƣớm ga, môtơ điều khiển bƣớm ga, cảm biến vị trí bƣớm ga và các bộ phận khác.
Hình 2.7 Cổ họng gió
b) Cấu tạo và hoạt động của cổ họng gió
Nhƣ Hình 2.7 minh họa, cổ họng gió bao gồm bƣớm ga, cảm biến vị trí bƣớm ga dùng để phát hiện góc mở của bƣớm ga, môtơ bƣớm ga để mở và đóng bƣớm ga, và một lò xo hồi để trả bƣớm ga về một vị trí cố định. Môtơ bƣớm ga ứng dụng một môtơ điện một chiều (DC) có độ nhạy tốt và tiêu thụ ít năng lƣợng. ECU động cơ điều khiển độ lớn và hƣớng của dòng điện chạy đến môtơ điều khiển bƣớm ga, làm quay hay giữ môtơ, và mở và đóng bƣớm ga qua một cụm bánh răng giảm tốc. Góc mở bƣớm ga thực tế đƣợc phát hiện bằng một cảm biến vị trí bƣớm ga, và thông số đó đƣợc phản hồi về cho ECU
động cơ. Khi dòng điện không chạy qua môtơ, lò xo hồi sẽ mở bƣớm ga đến một vị trí cố định (khoảng 70). Tuy nhiên, trong chế độ không tải bƣớm ga đƣợc đóng lại nhỏ hơn so với vị trí cố định.
Hình 2.8 Cấu tạo của cổ họng gió
- Khi ECU động cơ phát hiện thấy có trục trặc, nó bật đèn báo hƣ hỏng trên đồng hồ táplô đồng thời cắt nguồn đến môtơ, nhƣng do bƣớm ga đƣợc giữ ở góc mở khoảng 70, xe vẫn có thể chạy đến nơi an toàn.
- Những kiểu xe đầu tiên có hệ thống ETCS-i sử dụng một ly hợp từ giữa môtơ và bƣớm ga, nó có thể dùng để nối và ngắt môtơ.
c)Các chế độ điều khiển
ETCS-i điều khiển góc mở của bƣớm ga đến giá trị tối ƣu tùy theo mức độ nhấn của bàn đạp ga.
- Điều khiển ở chế độ bình thƣờng, chế độ gia tốc và chế độ đi đƣờng tuyết.
Về cơ bản, động cơ sử dụng chế độ bình thƣờng, nhƣng có thể dùng công tắc điều khiển để chuyển sang chế độ gia tốc hay đi đƣờng tuyết.
Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý điều khiển chế độ thƣờng, chế độ gia tốc và chế độ trên tuyết
+ Điều khiển chế độ thƣờng
Đây là chế độ điều khiển cơ bản để duy trì sự cân bằng giữa tính dễ vận hành và chuyển động êm.
+ Điều khiển chế độ gia tốc
Ở chế độ này giữ cho góc mở bƣớm ga nhỏ hơn so với chế độ bình thƣờng. Do đó, chế độ này mang lại cảm giác động cơ đáp ứng ngay với thao tác đạp ga và xe vận hành mạnh mẽ hơn so với chế độ thƣờng. Chế độ này chỉ có ở một số kiểu xe.
+ Điều khiển chế độ đƣờng tuyết
Chế độ điều khiển này giữ cho góc mở bƣớm ga nhỏ hơn so với chế độ bình thƣờng để tránh trƣợt khi lái xe trên đƣờng trơn trƣợt, nhƣ đƣờng có tuyết rơi. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Điều khiển mômen truyền lực chủ động
Chế độ điều khiển này làm cho góc mở bƣớm ga nhỏ hơn hay lớn hơn nhƣ Hình 2.9 cho thấy khi bàn đạp ga đƣợc giữ ở một vị trí đạp nhất định. Đối với những kiểu xe không có hệ thống điều khiển mômen truyền lực chủ động, bƣớm ga đƣợc mở ra gần nhƣ đồng bộ với chuyển động của bàn đạp ga, nhƣ
vậy, trong một khoảng thời gian ngắn, tạo ra gia tốc dọc xe G tăng đột ngột và sau đó giảm dần. So với kiểu xe có điều khiển mômen truyền lực chủ động, bƣớm ga đƣợc mở dần ra sao cho gia tốc dọc xe G tăng dần trong một khoảng thời gian lâu hơn để đảm bảo tăng tốc êm.
Hình 2.10 Sơ đồ điều khiển truyền lực chủ động mômen - Các điều khiển khác
+ Điều khiển tốc độ không tải: Chức năng này điều khiển bƣớm ga ở phía đóng để duy trì tốc độ không tải lý tƣởng.
+ Điều khiển giảm va đập khi chuyển số: Chức năng điều khiển này giảm góc mở của bƣớm ga và giảm mômen động cơ đồng thời với điều khiển ECT khi hộp số tự động chuyển số để làm giảm va đập khi chuyển số.
+ Điều khiển bƣớm ga TRAC: Nếu bánh xe chủ động bị trƣợt quá nhiều, nhƣ là một phần của hệ thống TRAC, tín hiệu yêu cầu từ ECU điều khiển trƣợt sẽ đóng bƣớm ga để giảm công suất để tăng tính ổn định của xe và đảm bảo đƣợc lực dẫn động.
+ Điều khiển hổ trợ VSC: Chức năng này điều khiển góc mở bƣớm ga bằng điều khiển kết hợp với ECU điều khiển trƣợt để tận dụng tối đa hiệu quả điều khiển của hệ thống VSC.
+ Điều khiển chạy tự động: Trong điều khiển chạy tự động thông thƣờng, ECU điều khiển chạy tự động mở và đóng bƣớm ga qua bộ chấp hành ECU điều khiển chạy tự động và dây cáp. Nhƣng với hệ thống ETCS-i, ECU động cơ, mà bao gồm ECU điều khiển chạy tự động, sẽ trực tiếp điều khiển góc mở bƣớm ga qua môtơ điều khiển bƣớm ga để thực hiện thao tác điều khiển chạy tự động.
- Chức năng dự phòng
+ Nếu ECU động cơ phát hiện thấy có trục trặc trong hệ thống ETCS-i, nó bật đèn báo hƣ hỏng trên đồng hồ táplô để báo cho ngƣời điều khiển xe.
+ Cảm biến vị trí bàn đạp ga có mạch cảm biến cho 2 hệ thống, chính và phụ. Nếu hƣ hỏng xảy ra trong một mạch cảm biến, và ECU phát hiện thấy có sự chênh lệch điện áp không bình thƣờng trong tín hiệu giữa 2 mạch cảm biến, ECU động cơ sẽ chuyển sang chế độ hoạt động hạn chế. Trong chế độ hoạt động hạn chế, mạch còn lại đƣợc sử dụng để tính toán góc của bàn đạp ga và xe vận hành với góc mở bƣớm ga hạn chế hơn so với bình thƣờng. Ngoài ra, nếu có vẻ nhƣ hƣ hỏng xảy ra trong cả hai mạch, ECU động cơ sẽ đặt bƣớm ga ở trạng thái không tải. Lúc này xe chỉ có thể chạy ở trong phạm vi không tải.
+ Cảm biến vị trí bƣớm ga cũng có 2 mạch cảm biến, chính và phụ. Nếu hƣ hỏng xảy ra ở trong mạch cảm biến, và ECU động cơ phát hiện thấy điện áp không bình thƣờng giữa 2 mạch cảm biến, ECU động cơ sẽ cắt dòng điện đến môtơ điều khiển bƣớm ga và sau đó chuyển sang chế độ hoạt động hạn chế. Lúc này bƣớm ga đƣợc mở ở góc cố định bằng lò xo hồi, lƣợng phun nhiên liệu và thời điểm đánh lửa đƣợc điều khiển bằng tín hiệu bàn đạp ga. Công suất của động cơ sẽ bị hạn chế đi nhiều nhƣng xe vẫn có thể chạy đƣợc. + Khi ECU động cơ phát hiện thấy có hƣ hỏng trong hệ thống môtơ điều khiển bƣớm ga, khi đó nó sẽ điều khiển giống nhƣ khi có hƣ hỏng về cảm biến vị trí bƣớm ga.
2.2. Mô hình Tagaki-Sugeno[3]
Mô hình mờ mà ta nói đến trong các phần trƣớc là mô hình Mamdani. Ƣu điểm của mô hình Mamdani là đơn giản, dễ thực hiện nhƣng khả năng mô tả hệ thống không tốt. Trong kỹ thuật điều khiển ngƣời ta thƣờng sử dụng mô hình mờ Tagaki-Sugeno (TS).
Tagaki-Sugeno đƣa ra mô hình mờ sử dụng cả không gian trạng thái mờ lẫn mô tả linh hoạt hệ thống. Theo Tagaki-Sugeno thì một vùng mờ LXk đƣợc mô tả bởi luật:
Rsk : If x = LXk Thenx x = A( x k ) x + B( x k )u (2.1) Luật này có nghĩa là: nếu véctơ trạng thái x nằm trong vùng LXk