Cơ điện tử ô tô cơ bản phần 2

Hệ thống điện thực sự cần thiết cho hầu hết các hoạt động của xe. Bất cứ khi nào nhắc đến điện xe hơi, mọi người đều nghĩ đến một loạt dây, nối với bình ắcquy. Tuy nhiên, thực tế thì hệ thống điện xe ô tô không chỉ đơn giản là dây nối và nguồn điện. Hệ thống này gồm nhhiều chi tiết kết nối chặt chẽ với nhau. Hệ thống điện gồm nhhiều chi tiết kết nối chặt chẽ với nhau Trong giai đoạn phát triển đầu tiên, xe hơi được trang bị máy phát điện 1 chiều, bây giờ nó đã được thay thế bằng máy phát điện xoay chiều. Hệ thống điện và điện tử can thiệp vào gần như tất cả các hoạt động trên một chiếc xe hơi, từ hệ thống đơn giản như khởi động, cung cấp điện, đánh lửa đến những hệ thống mới được nghiên cứu và ứng dụng như hệ thống phanh, hệ thống lái. Sau đây là liệt kê một số hệ thống điện và điện tử trên ô tô: Hệ thống khởi động Hệ thống nạp Hệ thống điều khiển động cơ Hệ thống chiếu sáng và tín hiệu Hệ thống điện phụ: nâng kính, gạt nước, khóa cửa, điều khiển từ xa Hệ thống điều khiển điều hòa không khí Hệ thống phanh điều khiển điện tử Hệ thống lái điện tử Hệ thống mã hóa khóa động cơ và chống trộm Hệ thống điều khiển xe Hệ thống điều khiển xe Hybrid Hệ thống định vị toàn cầu GPS v.v...

Trang 1

u : tín hiệu vào (input)

y : tín hiệu ra (output)

x : tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng (O)

e : sai lệch điều khiển

f : tín hiệu phản hồi

Phân loại: - điều khiển giữ ổn định

- điều khiển theo chương trình

4.3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

Trang 2

Phân loại:

Hệ liên tục ~ hệ gián đoạn (rời rạc)

Hệ tuyến tính ~ Hệ phi tuyến

Hệ 1 đầu vào 1 đầu ra ~ Hệ nhiều đầu vào nhiều đầu ra

Hệ không đổi ~ Hệ thích nghi

Mô tả hệ thống

Trong miền thời gian

hàm truyền, phương trình trạng thái.

Trong miền tần số.

Trang 3

Hàm truyền đạt của hệ thống là tỉ số giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào

của hệ thống đó biểu diễn theo biến đổi Laplace với điều kiện đầu

triệt tiêu

Y(p) =W(p).U(p)

trong đó:

Y(p) là tín hiệu ra của hệ thống

U(p) là tín hiệu vào của hệ thống

W(p) là hàm truyền đạt của hệ thống

Mô tả hệ thống bằng hàm truyền

Biến đổi Laplace của hàm f(t) là tích phân:

Trong đó s là số phức và được gọi là toán tử Laplace

Trang 4

Biến đổi Laplace của các hàm thông dụng:

Trang 5

Hệ thống điều khiển tự động thường được biểu diễn dưới dạng phương

Trang 6

Ví dụ: Xác định hàm truyền của hệ thống mô tả bời PTVP:

Biến đổi sơ đồ khối của hệ thống

Trang 7

Trang 8

Ví dụ: xây dựng sơ đồ khối của hệ thống:

Tìm hàm truyền đạt của hệ thống sau

Trang 9

Trạng thái của hệ thống gồm n biến trạng thái được mô tả bởi tập n

phương trình vi phân cấp 1 của biến trạng thái (x1, x2, …, xn) và các

biến đầu vào (u1, u2, …, um) dạng tổng quát:

Hay:

Các biến đầu ra (y1, y2, …, yn) của hệ tuyến tính được xác định từ biến

trạng thái và biến đầu vào theo công thức tổng quát (phương trình đầu

ra):

Mô tả hệ thống bằng phương trình trạng thái

Dạng phương trình trạng thái dạng tổng quát mô tả một hệ thống

tuyến tính như sau:

u là các vector các tín hiệu vào

Trang 10

Sơ đồ cấu trúc dạng tổng quát

Xác định hàm truyền từ phương trình trạng thái:

Thí dụ: Xây dựng phương trình trạng thái cho hệ thống:

Trang 11

Thí dụ: Xác định mô tả của hệ thống trên hình vẽ

Tính ổn định của hệ thống

Hệ thống tuyến tính liên tục:

- ổn định nếu quá trình quá độ của nó tắt dần theo thời gian,

- không ổn định nếu quá trình quá độ của nó tăng dần theo thời gian,

- ở biên giới ổn định nếu quá trình quá độ của nó dao động với biên độ

không đổi

Trang 12

Hệ thống được biểu diễn dưới dạng phương trình vi phân tổng quát:

Nghiệm của phương trình này có dạng: y (t )= y0 (t) + y qđ (t)

Trong đó :

y0(t) là nghiệm riêng của phương trình có vế phải, nó đặc trng cho quá

trình xác lập.

yqđ(t) là nghiệm tổng quát của phương trình không vế phải, đặc trưng

cho quá trình quá độ.

Quá trình xác lập là quá trình ổn định Tính ổn định của hệ thống

chỉ phụ thuộc vào quá trình quá độ.

Tiêu chuẩn Routh:

Điều kiện cần và đủ để hệ thống tuyến tính ổn định là tất cả các số hạng

trong cột thứ nhất của bảng Routh dương.

Trang 13

Cách lập bảng Routh:

- Dòng đầu tiên của bảng Routh ghi các số hạng có chỉ số chẵn, dòng

thứ hai ghi các số hạng có chỉ số lẻ của PTĐT

- Mỗi số hạng tiếp theo trong bảng Routh là một tỷ số, trong đó:

+ Tử số là định thức bậc hai, mang dấu âm Cột thứ nhất của định thức

là cột thứ nhất của hai hàng đứng sát trên hàng có số hạng đang tính;

cột thứ hai của định thức là cột đứng sát bên phải số hạng đang tính của

hai hàng đó

+ Mẫu số của tất cả các số hạng trên cùng 1 hàng là số hạng ở cột thứ

nhất của hàng sát trên hàng có số hạng đang tính

Cách lập bảng Routh:

Mỗi số hạng trong một hàng (từ hàng thứ ba trở đi) của bảng Routh

cũng có thể xác định là một số mang dấu âm có giá trị là một định thức

bậc hai với cột thứ nhất là cột thứ nhất của hai hàng ngay sát trên hàng

có số hạng đang tính; cột thứ hai là hai hàng ngay sát trên và nằm bên

phải hàng có số hạng đang tính Hàng cuối cùng của bàng Routh chỉ có

một số hạng

Trang 14

Ứng dụng tiêu chuẩn Routh:

Xét tính ổn định của hệ thống có phương trình đặc trưng:

Trang 15

Hệ thống điều khiển phản hồi âm

có đối tượng điều khiển:

Bộ điều khiển : WC(p)=KP + K D p (Bộ PD)

Tìm khoảng hiệu chỉnh các tham số của bộ điều khiển

Tìm khoảng giá trị của k để hệ thống có sơ đồ sau đây ổn định.

Trang 16

Chất lượng của hệ thống ĐKTĐ được đánh giá qua tính ổn định

và các chỉ tiêu chất lượng ở trạng thái xác lập và quá trình quá độ

Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng của quá trình quá độ:

Trang 17

- Độ quá điều chỉnh:

- Thời gian có quá điều chỉnh tσ

là thời gian được từ thời điêm

tin hiệu vào thay đổi đên thời

điểm hàm quá độ đạt cực đại

- Thời gian quá độ tqd: là thời gian tính từ thời điểm tín hiệu vào

thay đổi đến thời điểm mà hàm quá độ y (t ) không vượt ra khỏi

biên giới của miền giới hạn Δ quanh trị số xác lập

Chất lượng hệ thống

- Thời gian đáp ứng t m là thời gian

từ khi tín hiệu vào thay đổi đên thời

điểm mà tind hiệu ra lần đầu tiên

đạt được trị số

xác lập y∞ khi có quá điều chỉnh.

- Số lần dao động: N (trong quá

trình quá độ 0 <= t <= t qd

Chất lượng hệ thống

Trang 18

Đánh giá chất lượng hệ thống bằng tiêu chuẩn tích phân: tiêu chuẩn

này chủ yếu dùng để đánh giá chất lượng hệ thống thông qua quá

- Xây dựng bộ điều khiển tầng

Cải thiện chất lượng hệ thống

Trang 19

Bộ điều chỉnh là cơ cấu có cấu trúc nhất định và thông số của nó có

thể thay đổi trong phạm vi nhất định

Phân loại theluật điều khiển:

-bộ điều khiển tỉ lệ (P - Proportional),

- bộ điều khiển tích phân (I – Integration),

- bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân (PI),

- bộ điều khiển tỉ lệ - vi phân (PD - Proportional Derivative)

- bộ điều khiển tỉ lệ vi tích phân (PID)

Trang 20

Bộ điều khiển tích phân I:

Trang 21

Bộ điều khiển PID:

Các bộ điều khiển

Ảnh hưởng của các hệ số Kp, Ti va Td tới quá trình điều khiển ntn?

ĐỊnh nghĩa 1 hệ thống tuyến tính bằng hàm truyền:

sys = tf(num,den,T)

num – véc tơ các hệ số của đa thức ở tử số của hàm truyền đạt

den – véc tơ chứa các hệ số của đa thức ở mẫu số của hàm truyền

T – chu kỳ lấy mẫu (chỉ dùng cho hệ gián đoạn)

Ví dụ:

num=3*[1 2];den=[1 2 4];sys1=tf(num,den);

Ứng dụng Matlab – Control System Toolbox

Trang 22

ĐỊnh nghĩa 1 hệ thống tuyến tính bằng phương trình trạng thái:

sys = ss(A, B, C, D,T)

A,B,C,D – các ma trận trạng thái định nghĩa hệ thống

T – chu kỳ lấy mẫu (chỉ dùng cho hệ gián đoạn)

Ví dụ:

Chuyển đổi mô tả hệ thống tuyến tính :

Từ PTTT sang hàm truyền: [num, den] = ss2tf(A,B,C,D)

Từ hàm truyền sang PTTT: [A, B, C, D] = tf2ss(num,den)

Ví dụ: chuyển hệ thống sau đây sang dạng mô tả bằng hàm truyền

Trang 23

Biến đổi sơ đồ khối:

Mắc nối tiếp: sys = series(sys1, sys2)

Mắc song song: sys = parallel (sys1,sys2)

Mắc phản hồi: sys = feedback(sys1,sys2,sign)

(sign = +1 nếu phản hồi dương, sign = -1 (không cần khai báo) nếu

Hàm trọng lượng: impulse (sys)

Trang 24

Simulink là công cụ mô phỏng các hệ thống một cách trực quan của

Matlab

Hệ thống trong simulink được mô tả bằng sơ đồ khối dạng đối tượng đồ

họa

Kết quả mô phỏng được đưa ra theo thời gian, giúp có thể quan sát các

đáp ứng thời gian của hệ thống

Chỉnh định các bộ điều khiển có thể quan sát trực tiếp nhờ simulink

Ứng dụng Matlab – simulink

Hệ thống rời rạc (hệ xung số)

Trang 25

T – khóa tạo xung lý tưởng (xung diract)

WLG– hàm truyền bộ lưu giữ tín hiệu

WLT– hàm truyền đối tượng điều khiển (liên tục)

WFH– hàm truyền bộ điều khiển phản hồi

Trang 26

Bộ lưu giữ bậc 0 (Zero oder hold): giữ nguyên giá trị của hàm rời rạc

trong khoảng thời gian lấy mẫu u(t) = u(iT) iT ≤ t ≤ (i+1)T

Bằng phương trình sai phân, hàm truyền

f(t) là hàm liên tục, được lượng tử hóa theo chu kỳ T:

Trong đó là xung đơn vị

Mô tả hệ thống rời rạc

Trang 27

Bằng phương trình sai phân, hàm truyền

Giả sử hệ rời rạc được mô tả bằng phương trình sai phân dạng:

Với điều kiện đầu triệt tiêu, sau biến đổi Z có:

=> Hàm truyền:

Mô tả hệ thống rời rạc

Mô tả bằng phương trình trạng thái

Dạng phương trình trạng thái của hệ thống liên tục tuyến tính:

Trang 28

Bộ PID liên tục:

Bộ PID rời rạc:

Bộ điều khiển PID

Trình tự chung để thiết kế một hệ thống cơ điện tử gồm các bước sau:

bước 1: nghiên cứu thiết kế tính toán thiết bị công nghệ

bước 2: xây dựng mô hình để xác định các ứng xử tĩnh và động lực học

của hệ thống,

bước 3: đề xuất sách lược điều khiển, lập trình điều khiển

4.4 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG

Trang 29

4.4 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG

Trang 30

Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống được thực hiện nhiều lần trong quá

trình thiết kế hệ thống cơ điện tử nhằm rút ngắn thời gian thiết kế và đạt

được những bản thiết kế tốt

Mô phỏng hệ thống được chia làm ba loại: mô phỏng không hạn chế thời

gian, mô phỏng theo thời gian thực và mô phỏng nhanh hơn thời gian

thực

Có rất nhiều phần mềm mô phỏng như Ansys, ProMechanica, Catia,

Matlab, Electronics Workbench, Multisim, OrCAD, Proteus…

Định dạng
Số trang	30
Dung lượng	1,46 MB