Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu điều khiển hệ thống động lực của ô tô tải nhằm hạn chế trượt quay bánh xe chủ động

Chia sẻ: Tỉ Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

65
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của luận án "Nghiên cứu điều khiển hệ thống động lực của ô tô tải nhằm hạn chế trượt quay bánh xe chủ động" là nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển mức tải động cơ nhằm hạn chế độ trượt quay của bánh xe chủ động trên ô tô tải nhỏ sản xuất lắp ráp tại Việt Nam.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu điều khiển hệ thống động lực của ô tô tải nhằm hạn chế trượt quay bánh xe chủ động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN VĂN THOAN NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC CỦA Ô TÔ TẢI NHẰM HẠN CHẾ TRƢỢT QUAY BÁNH XE CHỦ ĐỘNG Ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số: 9520116 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội - 2018
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS.Hồ Hữu Hải 2. PGS. TS. Đàm Hoàng Phúc Phản biện 1: PGS.TS Dương Văn Tài Phản biện 2: PGS.TS Trần Quang Hùng Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Ngọc Quế Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường, họp tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
MỞ ĐẦU Hầu hết các xe tải tại nước ta sử dụng động cơ diezel sử dụng bơm cao áp không có điều khiển điện tử và chưa được trang bị hệ thống chống trượt quay. Vì vậy, việc nghiên cứu, tìm ra giải pháp tác động vào quá trình điều khiển của hệ thống nhiên liệu nhằm hạn chế hiện tượng trượt quay bánh xe trên ô tô khi di chuyển trên đường trơn trượt là cần thiết nhằm tăng tính ổn định và khả năng cơ động cho xe. Chính vì vậy, đề tài “Nghiên cứu điều khiển hệ thống động lực của ô tô tải nhằm hạn chế trượt quay bánh xe chủ động” là một công trình khoa học cần thiết nhằm góp phần tạo dựng cơ sở lý thuyết phục vụ cho việc nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển mức tải động cơ nhằm hạn chế độ trượt quay của bánh xe chủ động trên ô tô tải nhỏ sản xuất lắp ráp tại Việt Nam, góp phần hiện đại hóa các nhà máy ô tô và phục vụ những nghiên cứu trong đào tạo. Mục đích của luận án: Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển mức tải động cơ nhằm hạn chế độ trượt quay của bánh xe chủ động trên ô tô tải nhỏ sản xuất lắp ráp tại Việt Nam. Đối tƣợng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của luận án được lựa chọn là ô tô tải 2,98 tấn, công thức bánh xe 4x2 trang bị động cơ diezel. Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu điều khiển thay đổi mức tải của động cơ nhằm hạn chế hiện tượng trượt quay bánh xe chủ động của ô tô khi hoạt động trên đường thẳng, xấu trơn trượt và đồng nhất. Nội dung và bố cục của luận án: Nội dung nghiên cứu của luận án gồm 4 chương: chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu; chương 2: Mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô; chương 3: Xây dựng bộ điều khiển và mô phỏng hoạt động của hệ thống điều khiển; chương 4: Thiết kế chế tạo và thực nghiệm hệ thống. Những kết quả mới của luận án: - Mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô có xét đến đặc tính động cơ đốt trong sử dụng bơm cao áp dãy. - Thuật toán điều khiển và giá trị các tham số của bộ điều khiển hạn chế trượt quay bánh xe bằng phương pháp điều khiển công suất động cơ. - Các kết quả mô phỏng lý thuyết hoạt động của hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe. - Mẫu bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành (chế tạo thử nghiệm lần đầu) của hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ động. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Trên thực tế hiện nay, các hãng ô tô trên thế giới có nhiều phương pháp để điều khiển hạn chế trượt quay bánh xe chủ động của ô tô nhưng tập trung chủ yếu là điều khiển công suất động cơ và tác động vào hệ thống phanh nhằm giúp ô tô chuyển động an toàn. Một số nghiên cứu ứng dụng sử dụng kết hợp hai phương pháp trên nhằm nâng cao tốc độ và hiệu quả điều khiển. Tại Việt Nam đã có nhiều nghiên cứu về hệ thống hạn chế trượt lết bánh xe tuy nhiên chưa có các công trình nghiên cứu đáng kể nào về hệ thống hạn chế trượt quay. Hệ thống điều khiển hạn chế trượt quay là một hệ thống phức tạp, việc nghiên cứu đòi hỏi kết hợp nhiều lĩnh vực kiến thức: cơ khí động lực, 1
kỹ thuật điện tử, cảm biến và cơ cấu chấp hành và kỹ thuật điều khiển, do vậy đề tài luận án có tính khoa học. Tại Việt Nam hiện nay, các xe tải sử dụng động cơ diesel được sử dụng phổ biến. Các loại xe này hầu như chưa được trang bị hệ thống chống trượt quay bánh xe (Anti-Spin Regulation). Trong khi các phương tiện này hoạt động trên các loại đường xấu ở các vùng nông thôn, miền núi hoặc các công trường xây dựng... các bánh xe rất dễ bị trượt quay, làm giảm khả năng cơ động của xe. Nội dung nghiên cứu của luận án góp phần làm cơ sở để tiến tới làm chủ công nghệ điều khiển hạn chế trượt quay bánh xe chủ động và áp dụng cho các xe tải sản xuất, lắp ráp tại Việt Nam. Do vậy đề tài có ý nghĩa thực tiễn. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Hiện tƣợng trƣợt quay bánh xe và cơ sở lý thuyết hạn chế hiện tƣợng trƣợt quay Trong quá trình chuyển động, các lực và mô men tác dụng lên bánh xe chủ động được thể hiện trên hình 1.1 như sau[26]: Hình 1.1 Sơ đồ lực và mô men tác Hình 1.2 Sự thay đổi hệ số bám dọc và ngang dụng lên bánh xe chủ động theo độ trượt bánh xe. Nếu mô men của động cơ truyền đến bánh xe lớn hơn mô men bám cực đại ( M x  M  max ) sẽ làm cho bánh xe bị trượt quay đến mức gây hại. Hệ số bám dọc, hệ số bám ngang giữa bánh xe và mặt đường phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tình trạng mặt đường, kiểu lốp, chất lượng lốp, nhiệt độ, vận tốc, độ trượt. Với φx và φy là hệ số bám dọc và hệ số bám ngang của bánh xe. Nhiều nghiên cứu cho thấy khi độ trượt nằm trong khoảng 10% - 30% thì hệ số bám theo phương dọc φx lớn và đạt giá trị lớn nhất [3];[7];[18];[38] trong khi đó hệ số bám ngang đang có xu hướng giảm nhưng vẫn ở giá trị cao. 1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc 1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về hệ thống chống trượt quay. Các nghiên cứu hạn chế hiện tượng trượt quay tập trung vào 3 giải pháp đó là điều khiển hệ thống phanh, điều khiển công suất động cơ, kết hợp điều khiển công suất và phanh hợp lý:[20],[21],[22],[27],[28], [30],[31],[32],[33],[34],[35],[40],[41],[42],[44],[46],[49,[50],[51],[52],[53],[54],[55]. 1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc Tại Việt Nam đã có một số công trình nghiên cứu về hệ thống chống trượt lết bánh xe [2];[3];[4] tuy nhiên chưa có công trình đáng kể nào nghiên cứu hệ thống điều khiển chống trượt quay bánh xe ô tô. 2
1.3 Đối tƣợng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 1.3.1 Đối tƣợng nghiên cứu Luận án đã lựa chọn đối tượng nghiên cứu là ô tô tải nhỏ sử dụng động cơ diezel (bơm cao áp dãy), công thức bánh xe 4x2. 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu Việc điều khiển cùng lúc hai giải pháp hết sức phức tạp, vì vậy trong khuôn khổ luận án này chỉ nghiên cứu một phần của giải pháp điều khiển giảm công suất (mô men) động cơ thông qua điều khiển tải của động cơ nhằm giảm độ trượt của các bánh xe chủ động của ô tô khi hoạt động trên đường xấu trơn trượt và đồng nhất. 1.4 Mục tiêu và phƣơng pháp nghiên cứu 1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm được mẫu đầu hệ thống điều khiển giảm công suất động cơ nhằm hạn chế độ trượt quay của bánh xe chủ động trên ô tô tải nhỏ sản xuất lắp ráp tại Việt Nam khi chạy trên đường có hệ số bám thấp. 1.4.2 Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết. - Nghiên cứu thực nghiệm. 1.5 Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ động của ô tô, xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô; - Khảo sát đặc tính tăng tốc của ô tô tải trên đường có hệ số bám khác nhau; - Nghiên cứu đề xuất thuật toán điều khiển và xác định các thông số của bộ điều khiển; - Mô phỏng hệ thống điều khiển, xác định vùng làm việc của bộ điều khiển; - Nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định đặc tính cục bộ, đặc tính ngoài của bơm cao áp dãy, đặc tính bộ điều tốc; - Thiết kế chế tạo bộ điều khiển, cụm cơ cấu chấp hành của hệ thống; - Thực nghiệm hoạt động của hệ thống. CHƢƠNG 2: MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG THẲNG CỦA Ô TÔ Mô hình mô phỏng gồm mô hình động cơ, mô tả hệ thống truyền lực, mô hình bánh xe và mô hình chuyển động theo phương dọc của xe. Hình 2.1 Sơ đồ mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô 2.1 Xây dựng mô hình mô phỏng 3
2.1.1 Xây dựng đặc tính tốc độ động cơ diezen Mô men động cơ có thể tính theo công thức sau:[37] Qb (nbca ) M e  M e* . (2.1) Qb max(nbca ) 2.1.1.1 Xây dựng đặc tính ngoài của bơm cao áp: Đặc tính ngoài của bơm Qb max(nbca ) thể hiện mối quan hệ giữa lượng phun nhiên liệu với các số vòng quay khác nhau tại mức ga 100% ở chế độ thực nghiệm ổn định được xác định ở phần thực nghiệm bơm cao áp. 2.1.1.2 Xây dựng đặc tính cục bộ của bơm cao áp: Đặc tính cục bộ của bơm Qb (nbca ) được xác định bằng thực nghiệm thể hiện mối quan hệ giữa lượng phun nhiên liệu với vận tốc góc của bơm cao áp ở các mức ga khác nhau. 0.09 0.09 0.08 luong phun nhien lieu (cm3/chutrinh) 0.08 luong phun nhien lieu (cm3/chutrinh) 0.07 100% 0.07 90% 80% 0.06 0.06 70% 0.05 0.05 60% 0.04 0.04 50% 0.03 0.03 30% 40% 20% 0.02 0.02 0.01 0.01 10% 0 00% 400 600 800 1000 1200 1400 1600 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Van toc goc bom cao ap (v/p) Van toc goc bom cao ap (v/p) Hình 2.5. Đặc tính tốc độ ngoài của bơm cao áp Hình 2.6. Đặc tính tốc độ của bơm cao áp 2.1.1.3 Xây dựng mô hình bộ điều tốc cơ khí ly tâm đa chế độ Đặc tính đáp ứng trễ của vị trí thanh răng theo sự thay đổi vị trí của bàn đạp ga cần thiết được 1 mô tả trong mô hình bơm cao áp. Hàm truyền của bộ điều tốc có dạng: W(s)  (2.2) a1.s b1 Từ các kết quả thực nghiệm bơm cao áp. Ứng dụng công cụ System Identification Parameters trong Matlab, luận án xác định được các thông số của mô hình bộ điều tốc bơm cao áp (a1=0,2; b1=1). 2.1.1.4 Xây dựng đặc tính mô men của động cơ Trong mô hình mô phỏng, đặc tính ngoài động cơ được đưa vào ở dạng bảng giá trị tham chiếu lookup tables- theo mối quan hệ như sau: Từ các đặc tính ngoài của bơm, đặc tính cục bộ của bơm, đặc tính ngoài động cơ, áp dụng công thức 2.1 luận án xây dựng đặc tính mô men của động cơ được thể hiện trên Hình 2.13 4
360 320 280 320 240 Me (Nm) 240 200 Me (Nm) 160 160 120 80 80 100 80 0 40 0 60 800 40 1600 muc ga (%) 0 2400 20 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 ne (v/p) 3200 ne (v/p) 4000 0 Hình 2.12. Đặc tính ngoài động cơ Hình 2.13. Đặc tính mô men của động cơ 2.1.2 Mô tả hệ thống truyền lực Hình 2.14. Sơ đồ hệ thống truyền lực Phạm vi nghiên cứu của luận án chỉ giới hạn ở hiện tượng trượt quay trong trường hợp xe đi thẳng trên đường đồng nhất, khi đó vi sai không làm việc nên luận án không xét đến mô hình vi sai. Với các giả thiết như trên, luận án đã coi cả hệ thống truyền lực như một hệ thống có một tỉ số truyền cố định cho trước. 2.1.3 Mô hình mô phỏng bánh xe Các lực và mô men tác dụng lên bánh xe chủ động: Phương trình chuyển động quay của bánh xe chủ động như sau: . J qd .s  M x  M fs  Fxs .rd (2.7) Các lực và mô men tác dụng lên bánh xe bị động: Trên bánh xe bị động, khi chuyển động có các lực và mô men tác dụng sau: Hình 2.16. Lực và mô men tác dụng lên bánh xe bị động Phương trình chuyển động quay bánh xe bị động có dạng như sau: 5
. J bxt .t  M ft  Fxt .rd (2.12) Quan hệ giữa hệ số bám dọc tức thời theo độ trượt. Trong mô hình mô phỏng, hệ số bám dọc được đưa vào mô phỏng bằng cách nội suy tuyến tính (sử dụng lookup table) ở từng điểm trên đường đặc tính quan hệ giữa hệ số bám dọc với độ trượt của lốp xe ô tô nghiên cứu, lực bám dọc này phụ thuộc vào độ trượt  và đã được xác định từ thực nghiệm [3]. Hình 2.17 Quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt dọc[3] 2.1.4 Mô hình mô phỏng động lực học theo phƣơng dọc của xe Hình 2.18. Sơ đồ các lực tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động Phương trình chuyển động của xe theo phương dọc được viết như sau: .. m. x  2( Fxs  Fxt ) (2.27) Tổng hợp các phương trình mô tả chuyển động của ô tô trên đường thẳng gồm: 6
.. m. x  2(Fxs  Fxt ) Fxt  Fzt .x (t ) Fxs  Fzs .x (s ) . J qd .s  M x  M fs  Fxs .rd (2.30) . J bxt .t   M ft  Fxt .rd M ft  Gbt . f .rd M fs  Gbs . f .rd M e .itl .k LH Mx  2 2.2 Khảo sát đặc tính tăng tốc của ô tô khi hệ số bám thay đổi 2.2.1 Khảo sát đặc tính tăng tốc của ô tô trên đƣờng có hệ số bám thấp và cao: Kết quả mô phỏng quá trình khởi hành ở tay số 1 của ô tô có các thông số như trong Bảng 1.1 với các điều kiện của phương án PA1 được thể hiện trên các hình sau: Phƣơng án Thông số mô phỏng Mục đích φ =0,3; φ =0,8 Khảo sát quan hệ các thông số chuyển động của PA1 Pin=(40;70;100)%; xe theo mức tải tại đường có hệ số bám thấp và f=0,15 cao. φ=0,25:0,05:0,55 Khảo sát khả năng tăng tốc của ô tô với các mức PA2 Pin=(10÷100)%; tải trên đường có hệ số bám thấp khác nhau. f=0,15 2 3 V(m/s) V(m/s) 2 1 1 0 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 1 1 a(m/s2) a(m/s2) 0.5 0.5 0 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 lambda(x100%) lambda(x100%) 1 1 phi=0,3 phi=0,3 phi=0,8 phi=0,8 0.5 0.5 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 Thoi gian(s) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Thoi gian(s) Hình 2.20. Gia tốc ô tô, vận tốc ô tô và độ trượt Hình 2.21. Gia tốc ô tô, vận tốc ô tô và độ trượt bánh xe tại mức tải 40% bánh xe tại mức tải 70% Từ kết quả mô phỏng có thể thấy khi tăng mức tải động cơ (số vòng quay động cơ tăng) dẫn đến: Trên đường có hệ số bám cao: độ trượt của bánh xe chủ động của ô tô nhỏ và không phụ thuộc vào mức tải động cơ. Trên đường có hệ số bám thấp: độ trượt của bánh xe ô tô lớn và tỉ lệ với mức tải động cơ (tổng thời gian có độ trượt lớn (  >30%) ở các mức tải 40%; 70% và 100% tăng lên lần lượt là 7,1s; 10,1s và 13s ) bánh xe ô tô bị trượt rất lớn. Các kết quả mô phỏng đã phản ánh đúng mối quan hệ động lực học từ mô men động cơ cho đến độ trượt của bánh xe chủ động và gia tốc của ô tô. Mô hình mô phỏng có thể ứng dụng để khảo 7
sát, nghiên cứu hiện tượng trượt quay cũng như hạn chế trượt quay của bánh xe chủ động trong quá trình chuyển động trên đường xấu. Trên các đường có hệ số bám thấp tổng thời gian bánh xe chủ động có độ trượt (  >30%) tăng dần theo mức tải động cơ. 2.2.2 Khảo sát đặc tính tăng tốc của ô tô trên các đƣờng xấu có hệ số bám thấp Ở nội dung này, luận án tiếp tục tiến hành mô phỏng quá trình khởi hành của ô tô trên các đường có hệ số bám thấp (φ=0,25:0,05:0,55) với các mức tải Pin=(10:10:100)% nhằm khảo sát ảnh hưởng của mức tải động cơ Pin tới khả năng tăng tốc của ô tô. 2 V(m/s) 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 Pin10% a(m/s2) Pin20% 0.5 Pin30% 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 lambda(x100%) 1 0.5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Thoi gian(s) Hình 2.23. Vận tốc ô tô, gia tốc ô tô và độ trượt Hình 2.24 Vận tốc ô tô, gia tốc ô tô và độ trượt bánh bánh xe ô tô khi tăng tốc trên đường có hệ số bám xe ô tô khi tăng tốc trên đường có hệ số bám φ = 0,3 φ = 0,45 tại mức tải 10%; 20%; 30% tại mức tải 10%; 20%; 30% Bảng 2.4: Gia tốc cực đại, độ trượt tại thời điểm gia tốc đạt cực đại (amax, λamax) trong quá trình khởi hành với các mức tải (Pin) và hệ số bám (φ) khác nhau Từ các kết quả trên cho thấy: Tại thời điểm ô tô đạt gia tốc cực đại (amax) với các hệ số bám (  ) khác nhau đều có độ trượt (  30%) là không tốt cho quá trình tăng tốc của ô tô. 8
30 thoi gian co do truot > 0,3 (s) 25 20 15 10 5 0 100 0.1 80 0.2 60 0.3 40 0.4 20 muc chan ga(%) he so bam 0.5 Hình 2.25. Mối quan hệ giữa thời gian có độ trượt lớn hơn 30% khi khởi hành trên đường có hệ số cản lăn f=0,15 với các hệ số bám khác nhau và mức tải khác nhau Từ kết quả đồ thị cho thấy với đường có hệ số cản lăn f =0,15: Trên các đường có hệ số bám φ nhỏ hơn 0,3 bánh xe chủ động bị trượt quay hoàn toàn ở tất cả các mức tải động cơ khác nhau do đó ô tô không có khả năng tăng tốc. Trên các đường có hệ số bám φ từ 0,45 trở lên độ trượt bánh xe nằm trong vùng λ=[15-20]% do đó càng tăng tải động cơ thì quá trình tăng tốc càng tốt hơn. Trên các đường có hệ số bám φ từ 0,3 đến 0,4 nếu càng tăng mức tải động cơ thì thời gian độ trượt λ>30% càng tăng, điều này làm giảm khả năng tăng tốc của ô tô. Có thể so sánh thông số tổng thời gian có độ trượt (λ>30%) để đánh giá khả năng tăng tốc của ô tô trên các loại đường có hệ số bám thấp với các mức tải động cơ khác nhau. Tuy nhiên, khi xảy ra hiện tượng trượt quay bánh xe chủ động trên đường, người lái khó có khả năng xác định mức tải động cơ phù hợp để điều khiển mức ga hợp lý. Từ đó cho thấy sự cần thiết của một bộ điều khiển giúp người lái điều chỉnh mức ga phù hợp với điều kiện bám nhằm giúp ô tô khởi hành tốt hơn. 2.3 Kết luận chƣơng 2 Luận án đã xây dựng được mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô. Luận án đã mô phỏng khảo sát quá trình khởi hành của ô tô với các mức ga khác nhau trên đường có hệ số bám khác nhau, các kết quả mô phỏng phù hợp với quy luật vật lý của ô tô, mô hình mô phỏng có thể ứng dụng để khảo sát nghiên cứu hiện tượng trượt quay cũng như điều khiển hạn chế trượt quay của bánh xe ô tô chủ động. Các kết quả khảo sát trên đường có hệ số bám thấp cho thấy: - Trên các đường tương đối xấu (hệ số bám trong khoảng 0,3 đến 0,45), độ trượt của bánh xe chủ động khi xe đạt gia tốc cực đại amax trong khoảng 20% đến 30%. - Có thể sử dụng thông số tổng thời gian có độ trượt (λ>30%) để đánh giá khả năng tăng tốc của ô tô trên các loại đường có hệ số bám thấp với các mức tải động cơ khác nhau. Các giá trị thông số độ trượt khi xe đạt gia tốc cực đại và tổng thời gian có độ trượt (λ>30%) sẽ được sử dụng làm cơ sở cho việc lựa chọn thuật toán điều khiển và đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển trong chương 3. 9
CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3.1 Đề xuất cấu trúc của hệ thống Mục đích của bộ điều khiển là xuất ra một mức điều khiển Pdk hợp lý thông qua cơ cấu chấp hành để bù trừ với mức ga người lái Pnl nhằm điều khiển mức tải động cơ Pin hợp lý giúp ô tô khởi hành tốt hơn trên các loại đường xấu và trơn trượt. Pin  Pnl  Pdk (3.1) 1.Động cơ 2. Ly hợp 3. Hộp số 4. Các đăng 5. Cầu chủ động 6. Bán trục 7. Bánh chủ động trái 8. Bánh chủ động phải 9. Bánh bị động phải 10. Bánh bị động trái 11. Cảm biến vận tốc góc bánh xe 12. Bơm cao áp dãy 13. Dây ga 14. Cơ cấu chấp hành 15. Bàn đạp ga 16. Bộ điều khiển Hình 3.1. Sơ đồ cấu tạo chung của hệ thống điều khiển Hình 3.1. Sơ đồ mô hình hệ thống điều khiển công suất động cơ 3.2 Bộ điều khiển và phƣơng pháp xác định tham số điều khiển Bé ®iÒu khiÓn PID ®ưîc xác định từ tín hiệu đầu vào e(t) như sau: t d u (t )  k P e(t)  k I  e( )d  k D e(t) 0 dt (3.3) 10
Hệ thống điều khiển theo thuật toán PID được mô tả như sau. Hình 3.5. Hệ thống điều khiển sử dụng thuật toán PID Bước1: Đặt kI=0; kD=0, Tăng dần giá trị kP đến khi dao động tuần hoàn. Đặt giá trị kP=kC và xác định chu kỳ dao động Pc. Tiến hành đánh giá tổng thời gian có độ trượt của bánh xe chủ động (λ>30%) và mức độ điều khiển của bộ điều khiển để xác định kC và PC. Luận án lựa chọn hệ số kC =1,5 và có chu kỳ dao động PC=0,5 để xác định các thông số bộ điều khiển kP; kI; kD theo bảng lựa chọn thông số của phương pháp Ziegler-Nichols [36] trong bước 2. Bảng 3.1: Thông số xác định tham số bộ điều khiển Loại bộ điều khiển kP kI kD P 0.5kC - - PI 0.45kC 1,2kP/Pc - PID 0.6kC 2kP/Pc kP.Pc/8 Từ cách xác định các thông số trong Bảng 4 với các giá trị kC =1,5 và PC =0,5 trong bước 1. Để so sánh và lựa chọn loại bộ điều khiển phù hợp với yêu cầu. Luận án đã tiến hành mô phỏng tổng thời gian có độ trượt của bánh xe chủ động (λ>30%) và mức điều khiển (pdk) với các loại bộ điều khiển có kết quả như sau: 1 lambda(x100%) P lambda mong uoc PI 0.5 PID 0 00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 P PID Pdk(x100%) -0.5 PI -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Thoi gian(s) Hình 3.8 Kết quả mô phỏng trên đường có hệ số bám φ=0,3; hệ số cản lăn f=0,15; mức tải 80% Các phân tích kết quả cho thấy ưu điểm của bộ điều khiển PID đã giảm nhanh được tổng thời gian có độ trượt của bánh xe chủ động λ>30% và có mức điều khiển pdk hợp lý, vì vậy luận án lựa chọn sử dụng phương pháp điều khiển theo sai số giữa giá trị độ trượt mong muốn và giá trị độ trượt thực tế theo quy luật PID với các hệ số lần lượt là: kP=0,9; kI=3,6; kD=0,056. 3.3 Mô phỏng hoạt động của hệ thống khi có bộ điều khiển 11
Với nội dung mục này, luận án trình bày các kết quả mô phỏng khảo sát quá trình khởi hành của ô tô nhằm phân tích hiệu quả của bộ điều khiển trong hai trường hợp khi có điều khiển và khi không có điều khiển theo Bảng 6: Phương án mô phỏng nhằm đánh giá hiệu quả bộ điều khiển Phƣơng án Thông số mô phỏng Mục đích Pnl=(20-100)%; f=0,15; PA3: Khởi hành ở Đánh giá hiệu quả của φ =(0,3; 0,35; 0,4); tay số 1, đầy tải bộ điều khiển ih1=7.31; m=7685 kg Pnl=(20-100)%; f=0,15; PA4: Khởi hành ở Đánh giá hiệu quả của φ =(0,3; 0,35; 0,4); tay số 2, không tải bộ điều khiển ih2=4.31; m=4510 kg 3.3.1 Kết quả mô phỏng quá trình khởi hành ở tay số 1, xe đầy tải (PA3) 3 3 v(m/s) v(m/s) 2 2 1 1 0 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 1 a(m/s2) 1 lambda(x100%) a(m/s2) 0.5 0.5 0 0 lambda(x100%) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 1 1 kdk codk 0.5 codk 0.5 kdk 0 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 100 100 muctai(%) muctai(%) 50 50 0 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 thoi gian(s) thoi gian(s) Hình 3.10. Vận tốc ô tô, gia tốc ô tô, độ trượt bánh Hình 3.11. Vận tốc ô tô, gia tốc ô tô, độ trượt bánh xe xe chủ động, mức ga người lái 80% trên đường có chủ động, mức ga người lái 80% trên đường có hệ số hệ số bám φ=0,3 khi không có và có bộ điều khiển bám φ=0,35 khi không có và có bộ điều khiển Từ các kết quả trên cho thấy trên các đường có hệ số bám φ=0,3 và φ=0,35 cho thấy hiệu quả của bộ điều khiển đã giảm được thời gian có độ trượt (λ>30%) và rút ngắn thời đạt vận tốc 1 (m/s). Tiếp tục khảo sát với các mức ga người lái Pnl=(20-100)% trên các đường có hệ số bám φ=0,3 và φ=0,35. Tổng thời gian bánh xe chủ động có độ trượt (λ>30%) và thời gian để ô tô đạt vận tốc 1 (m/s) với các đường có hệ số bám thấp khác nhau và các mức ga do người điều khiển thiết lập khác nhau trong hai trường hợp có và không có bộ điều khiển được trình bày trên các hình sau: 10 12 ko dk ko dk co dk co dk 10 8 thoi gian(s) thoi gian (s) 8 6 6 4 4 2 2 0 0 20 30 40 50 60 70 80 90 100 20 30 40 50 60 70 80 90 100 muc ga nguoi lai (%) muc ga nguoi lai (%) Hình 3.13. Tổng thời gian có (λ>30%) trên đường φ=0,3 Hình 3.14. Tổng thời gian có (λ>30%) trên đường φ=0,35 12
8 3.4 ko dk ko dk co dk 3.2 co dk 7 3 thoi gian (s) thoi gian (s) 6 2.8 5 2.6 4 2.4 3 2.2 2 2 20 30 40 50 60 70 80 90 100 20 30 40 50 60 70 80 90 100 muc ga nguoi lai (%) muc ga nguoi lai (%) Hình 3.15. Thời gian đạt vận tốc v=1(m/s) trên Hình 3.16. Thời gian đạt vận tốc (v=1m/s) trên đường φ=0,3 đường φ=0,35 Các kết quả khảo sát tổng thời gian ô tô có độ trượt lớn (  >30%) và thời gian ô tô đạt vận tốc (Vx=1m/s) khi không có và có bộ điều khiển đều cho thấy hiệu quả của bộ điều khiển đã giúp tăng khả năng tăng tốc của ô tô trên các đường có hệ số bám thấp. 3.3.2 Kết quả mô phỏng quá trình khởi hành ở tay số 2, xe không tải (PA4) 5 5 v(m/s) 4 4 v(m/s) 3 3 2 2 1 1 0 0 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 0.5 0.5 muctai% lambda(x100%) a(m/s2) a(m/s2) 0.25 0 0 lambda(x100%) 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 1 1 kdk kdk 0.5 codk 0.5 codk 0 0 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 100 100 muctai% 50 50 0 0 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 thoi gian(s) thoi gian(s) Hình 3.17 Vận tốc ô tô, gia tốc ô tô, độ trượt bánh Hình 3.18. Vận tốc ô tô, gia tốc ô tô, độ trượt bánh xe chủ động, mức ga người lái 80% trên đường có xe chủ động, mức ga người lái 80% trên đường có hệ số bám φ=0,3 khi không có và có bộ điều khiểnhệ số bám φ=0,35 khi không có và có bộ điều khiển Kết quả mô phỏng quá trình khởi hành của ô tô có các thông số (Bảng 1) với các điều kiện của phương án PA4 (ở Bảng 6) khi có và không có bộ điều khiển tương tự như phương án PA3, trên các đường có hệ số bám φ=0,3 và φ=0,35 cho thấy hiệu quả của bộ điều khiển đã giảm được thời gian có độ trượt (λ>30%) và rút ngắn thời đạt vận tốc 3 (m/s). Tiếp tục khảo sát với các mức ga người lái Pnl=(20-100)%; trên các đường có hệ số bám φ=0,3 và φ=0,35. Các thông số tổng thời gian bánh xe chủ động có độ trượt (λ>30%) và thời gian để ô tô đạt vận tốc 3(m/s) với các đường có hệ số bám thấp khác nhau và các mức ga do người điều khiển thiết lập khác nhau trong hai trường hợp có và không có bộ điều khiển được trình bày trên các hình sau: 13
24 12 ko dk ko dk co dk co dk 20 16 8 thoi gian (s) thoi gian (s) 12 8 4 4 0 0 20 30 40 50 60 70 80 90 100 20 30 40 50 60 70 80 90 100 muc ga (%) muc ga nguoi lai (%) Hình 3.20. Tổng thời gian có (λ>30%) trên Hình 3.21.Tổng thời gian có (λ>30%) đường φ=0,3 trên đường φ=0,35 20 11 ko dk ko dk co dk co dk 18 10 16 thoi gian (s) thoi gian (s) 9 14 8 12 7 10 8 6 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 muc ga nguoi lai (%) muc ga nguoi lai (%) Hình 3.22.Thời gian đạt vận tốc (v=3m/s) trên Hình 3.23.Thời gian đạt vận tốc (v=3m/s) trên đường φ=0,3 đường φ=0,35 Kết quả mô phỏng theo các phương án PA3 và PA4 với các tay số và tải trọng khác nhau đều cho thấy phương pháp điều khiển mức tải động cơ theo sai số giữa giá trị độ trượt mong muốn và giá trị độ trượt thực tế theo quy luật PID đã có hiệu quả và có thể sử dụng để điều khiển hạn chế độ trượt quay của bánh xe chủ động, tăng khả năng chuyển động của xe tải. Bộ điều khiển được đề xuất đã giúp giảm đáng kể tổng thời gian có độ trượt lớn (  > 30%) và rút ngắn thời gian tăng tốc (Vx=1m/s) và (Vx=3m/s) của ô tô. 3.4 Nghiên cứu xác định vùng điều khiển có hiệu quả trên đƣờng khác nhau Với mục đích khảo sát đánh giá vùng điều khiển có hiệu quả cũng như đánh giá ảnh hưởng của điều kiện mặt đường đến khả năng làm việc của bộ điều khiển. Luận án tiến hành mô phỏng khảo sát khả năng chuyển động thẳng của ô tô tải nhỏ có các thông số theo Bảng 1 với các phương án mô phỏng theo Bảng 7 sau: Bảng 7: Các phương án mô phỏng vùng điều khiển Phƣơng án Mục tiêu Thông số mô phỏng mô phỏng Khảo sát và xác định các vùng làm việc của f =0,06 với φ=[0,05:0,05:0,55] PA5 bộ điều khiển Pnl=100% Khảo sát ảnh hưởng của hệ số cản lăn tới φ =0,3 với f=[0,05:0,01:0,15] PA6 vùng làm việc hiệu quả của bộ điều khiển Pnl=100% 3.4.1 Kết quả mô phỏng khảo sát và xác định các vùng làm việc của bộ điều khiển (PA5) 14
Phương án này nhằm xác định các vùng làm việc của bộ điều khiển và khảo sát ảnh hưởng của hệ số bám  tới các vùng làm việc này. 4 4 v(m/s) v(m/s) 2 2 0 0 0 5 10 15 0 5 10 15 1 1 a(m/s2) muctai(%) lambda(x100%) a(m/s2) phi=0,1 f=0,05 0.5 phi=0,2 0.5 f=0,1 phi=0,4 0 0 muctai(%) lambda(x100%) 0 5 10 15 0 5 10 15 1 1 0.5 0.5 0 0 0 5 10 15 0 5 10 15 100 100 50 50 0 0 0 5 10 15 0 5 10 15 Thoigian(s) Thoigian(s) Hình 3.24. Vận tốc ô tô, gia tốc ô tô, độ trượt bánh Hình 3.25. Vận tốc ô tô, gia tốc ô tô, độ trượt bánh xe ô tô chủ động, mức tải động cơ khi có bộ điều xe ô tô chủ động, mức tải động cơ khi có bộ điều khiển tại hệ số cản lăn f=0,06 khiển tại hệ số bám  =0,06 Trên đường có hệ số bám φ=0,1, mặc dù bộ điều khiển đã điều khiển hết khả năng (Pdk=100%) dẫn đến (Pin=0%) nhưng vẫn không cải thiện được khả năng tăng tốc của ô tô (a=0; v=0), bánh xe ô tô chủ động bị trượt quay hoàn toàn (λ=100%). Như vậy những vùng có (Pdk=100%; λ=100%) là vùng điều khiển không có hiệu quả. Trên đường có hệ số bám φ=0,4, tín hiệu ra của bộ điều khiển (Pdk=0) dẫn đến không có tác động thay đổi, mức ga người lái bằng mức tải động cơ (Pnl= Pin=100%). Độ trượt bánh xe ô tô chủ động luôn nằm trong vùng (λ
Hệ số số cản lăn f = [0,01:0,01:0,15] Hệ số bám φ =[0,05:0,05:0,55] f 0,15 0,14 0,13 0,12 0,11 0,10 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 φ vùng điều khiển không có hiệu quả vùng không cần điều khiển vùng điều khiển hiệu quả Hình 3.28. Các vùng làm việc của hệ thống điều khiển theo đặc tính bám và cản của mặt đường Đồ thị đã thể hiện đúng quan hệ tương quan giữa khả năng bám và cản của mặt đường, cho phép đánh giá và lý giải kết quả mô phỏng và hiệu quả hoạt động của hệ thống trên các loại đường khác nhau. Mặc dù bộ điều khiển không sử dụng đến đồ thị này (vì không có cảm biến theo dõi được hệ số bám (φ) và hệ số cản lăn (f). Tuy nhiên, đồ thị cho phép đánh giá và lý giải kết quả mô phỏng và hiệu quả hoạt động của hệ thống trên các loại đường khác nhau. 3.5 Kết luận chƣơng 3 Trong chương này, luận án đã đề xuất được hệ thống điều khiển, lựa chọn thuật toán điều khiển PID và xác định các tham số của bộ điều khiển lần lượt là kP=0,9; kI=3,6; kD=0,056. Trên cơ sở đó, luận án đã tiến hành mô phỏng hệ thống điều khiển giảm công suất động cơ khi ô tô đi trên đường trơn trượt nhằm hạn chế hiện tượng trượt quay bánh xe ô tô chủ động. Các kết quả chỉ ra hiệu quả điều khiển của hệ thống thông qua các thông số động lực học của ô tô. Từ các kết quả khảo sát mô hình mô phỏng đã tìm ra các vùng làm việc hiệu quả, vùng làm việc không hiệu quả và vùng không cần điều khiển của hệ thống tương ứng với đặc tính của mặt đường. Việc xác định sơ bộ các tham số của bộ điều khiển và vùng điều khiển hiệu quả sẽ giúp tiết kiệm chi phí và thời gian trong việc nghiên cứu thực nghiệm quá trình phát triển hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe. Chương tiếp theo sẽ trình bày nội dung thiết kế chế tạo thử nghiệm và thực 16
nghiệm đánh giá hoạt động của hệ thống trên cơ sở bộ điều khiển đã được đề xuất và vùng làm việc hiệu quả đã được xác định trong chương này. CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG 4.1 Thiết kế chế tạo hệ thống 4.1.1 Cảm biến vận tốc góc bánh xe ô tô Các ô tô vận tải thường xuyên làm việc trong điều kiện đi trên đường có bùn đất, cát sỏi có thể ảnh hưởng đến khả năng làm việc của cảm biến nên việc lựa chọn cảm biến phù hợp là rất quan trọng. Luận án đã thừa hưởng cụm vành răng cảm biến và cảm biến đo vận tốc góc bánh xe từ các đề tài nghiên cứu trước đó đã lắp đặt trên ô tô thí nghiệm [2];[3]. Cảm biến tiệm cận PRT08-1.5DN có tín hiệu vận tốc góc đầu ra dưới dạng tín hiệu xung. 4.1.2 Cơ cấu chấp hành Để điều khiển thay đổi mức tải động cơ độc lập với người lái và không ảnh hưởng tới quá trình điều khiển thông thường của hệ thống. Cơ cấu điều khiển được bố trí ngay bên dưới khoang lái và có vị trí được thể hiện trên Hình 4.5. Hình 4.5. Sơ đồ bố trí cơ cấu chấp hành Hình 4.6. Sơ đồ tổng thể cơ cấu chấp hành Cơ cấu chấp hành được bố trí ở thân xe, là một bộ phận của dây ga, cơ cấu sẽ giúp thay đổi chiều dài của dây ga theo sự điều khiển của bộ điều khiển. Cơ cấu bao gồm: động cơ bước trượt trên thanh ray điều khiển trục vít được bố trí trên dây gaVới phương án này, do cơ cấu chấp hành được lắp trên dây ga nên không cần đến việc tác động thay đổi cấu trúc của bơm hay chân ga. Cơ cấu chấp hành dễ dàng lắp đặt, chế tạo cũng như vận hành do vị trí lắp đặt trên khung ô tô phía dưới khoang lái tương đối rộng rãi. 4.1.2.1 Tính chọn động cơ và mô đun điều khiển động cơ Để lựa chọn động cơ có vận tốc góc và mô men phù hợp với yêu cầu điều khiển và lực căng dây ga tại bơm cao áp, luận án tiến hành tính toán sơ bộ vận tốc góc và mô men xoắn trên trục cần thiết của động cơ [1]; [10]; [16]. Sau khi tham khảo các loại động cơ bước trên thị trường, luận án đã lựa chọn loại động cơ bước 2 pha YH42BYGH47. Để điều khiển cấp nguồn cho động cơ bước 2 pha này, luận án lựa chọn mô đun công suất TB6600-4A. 4.1.2.2 Thiết kế, lựa chọn các bộ phận: Để lắp ráp hoàn thiện cơ cấu chấp hành, luận án đã tìm hiểu lựa chọn và thiết kế chế tạo các chi tiết sau: Chọn cơ cấu thanh ray-con trượt; Chọn trục vít; Chế tạo khớp nối; Thiết kế đồ gá lắp động cơ 4.1.2.3 Phƣơng án lắp đặt: Trong quá trình thực hiện, luận án đã tiến hành thử nghiệm lắp đặt cơ cấu nằm bên thân xe (ở phía dưới người lái xe). 4.1.3 Bộ điều khiển: Hệ thống điều khiển hạn chế trượt quay thiết kế cho xe nghiên cứu sử dụng 4 cảm biến để đo vận tốc góc của 4 bánh xe, là cơ sở để điều khiển mô men của động cơ (thông qua 17
mức độ dịch chuyển của thanh răng trong bơm cao áp) nhằm phù hợp với tình trạng trượt quay của bánh xe, từ đó giúp giảm độ trượt của bánh xe và sự ổn định của ô tô. Ngoài ra bộ điều khiển cần có thêm thông tin về trạng thái đạp ga của người lái thông qua cảm biến vị trí bàn đạp ga để xác định khả năng điều khiển của hệ thống. Hình 4.15 Cấu trúc bộ điều khiển điện tử của hệ thống Mạch in khi thiết kế và mạch in hoàn thiện lắp trên xe được thể hiện như trên Hình 4.17. Hình 4.17. Mạch in sau khi thiết kế và mạch in hoàn thiện 4.2 Thực nghiệm hệ thống Sau khi đã chế tạo thử nghiệm cơ cấu chấp hành và bộ điều khiển. Luận án tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống trên đối tượng nghiên cứu. 4.2.1 Mục đích và phƣơng pháp thực nghiệm a) Mục đích: Luận án thực nghiệm hoạt động của cơ cấu chấp hành và hoạt động của hệ thống đã thiết kế và lắp đặt trên xe nhằm đánh giá khả năng hoạt động của hệ thống đã chế tạo thử nghiệm. b)Phƣơng pháp thực nghiệm: Thực nghiệm tại chỗ và khi chuyển động trong phòng thí nghiệm cũng như trên đường thực và tiến hành đo mức tải động cơ, mức điều khiển ga của người lái, vận tốc góc của các bánh xe ô tô trong trường hợp không có và có hệ thống điều khiển. 4.2.2 Đối tƣợng thực nghiệm Đối tượng của thí nghiệm là ô tô tải nhỏ sử dụng động cơ diezel (bơm cao áp dãy), công thức bánh xe 4x2 ở tay số 2 (chế độ không tải). Các thông số của xe thí nghiệm được thể hiện trong Bảng 1. 4.2.3 Thiết bị thử nghiệm Để thực hiện quá trình thử nghiệm cần sử dụng thiết bị đo và các cảm biến đo mức ga của người lái, mức dịch chuyển cần bơm cao áp. Các yêu cầu của thiết bị đo: 18