Điều khiển bướm ga điện tử xe ôtô (electronic throttle control )

Gần đây, các hãng xe đang nghiên cứu đưa vào ứng dụng bướm gađiện tử được kết hợp với hệ thống phun xăng điện tử, nhằm tối ưu việc sử dụngnhiên liệu và nâng công suất động cơ, nâng cao t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

-ĐINH TRƯỜNG SƠN

ĐIỀU KHIỂN BƯỚM GA ĐIỆN TỬ XE ÔTÔ (ELECTRIC THROTTLE CONTROL)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN

TỬ Mã số ngành: 60520114

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 03 năm 2016

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

-ĐINH TRƯỜNG SƠN

ĐIỀU KHIỂN BƯỚM GA ĐIỆN TỬ XE ÔTÔ (ELECTRIC THROTTLE CONTROL)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS NGUYỄN VIỄN QUỐC

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ

ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCMngày 05 tháng 03 năm 2016

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc

sĩ)

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TP HCM, ngày 26 tháng 05 năm 2015

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên : ĐINH TRƯỜNG SƠN Giới tính : Nam

Ngày sinh : 18-03-1980 Nơi sinh : Tam Bình-Vĩnh Long

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Điện Tử MSHV : 1341840026

I- Tên đề tài:

ĐIỀU KHIỂN BƯỚM GA ĐIỆN TỬ XE ÔTÔ (ELECTRIC THROTTLE CONTROL)

II- Nhiệm vụ và nội dung:

Nhận dạng bộ bướm ga xe ô tô, xác định các khâu phi tuyến trong hệ thống, xây

dựng mô hình toán học, mô phỏng trên Matlab/Simulink

Đề xuất giải pháp điều khiển, mô phỏng hệ thống trên máy tính

III- Ngày giao nhiệm vụ : 26-05-2015

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ : 26-11-2015

V- Cán bộ hướng dẫn : TS NGUYỄN VIỄN QUỐC

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Họ tên và chữ ký)

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kếtquả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳcông trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này

đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồngốc

Học viên thực hiện Luận văn

(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI CÁM ƠN

Trước tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành về sự giúp đỡ nhiệt tìnhcủa thầy Nguyễn Viễn Quốc, thầy đã giúp em tìm ra phương pháp cũng như cách tiếpcận phương pháp nghiên cứu mới, cách làm việc có kế hoạch, và quý thầy côtrong bộ môn cơ điện tử trường đại học Công Nghiệp thành phố Hồ Chí Minh, và quýthầy cô trường đại học Công Nghệ thành phố Hồ Chí Minh Trong suốt thời gian họctập cũng

như làm đồ án tốt nghiệp này

Học viên thực hiện Luận văn

(Ký và ghi rõ họ tên)

Đinh Trường Sơn

TÓM TẮT

Hiện nay, bướm ga điều khiển bằng dây cáp cơ khí được sử dụng trong phầnlớn các xe ôtô Gần đây, các hãng xe đang nghiên cứu đưa vào ứng dụng bướm gađiện tử được kết hợp với hệ thống phun xăng điện tử, nhằm tối ưu việc sử dụngnhiên liệu và nâng công suất động cơ, nâng cao tính an toàn, … Các loại bướm gađiện tử được truyền động bởi động cơ DC servo dựa vào tín hiệu điều khiển từ chân

ga Các loại bướm ga điện tử có đặc điểm chung là có tính phi tuyến cao ở độ cứng

lò xo hồi và có ma sát khô giữa bướm ga và thành trong họng xăng trong quá trìnhvận hành Do đó, trong bài toán điều khiển vị trí bướm ga, việc tìm ra quy luật điềukhiển phù hợp để có đáp ứng nhanh, với độ chính xác cao là điều cần thiết Trongluận văn này, một luật điều khiển trượt thích nghi được đề xuất để điều khiển hệthống bướm ga điện tử, dựa trên mô hình phi tuyến hệ thống với thông số hệ thốngkhông biết chính xác Hiệu quả của luật điều khiển được minh chứng qua các kếtquả mô phỏng

Until now, throttles are controlled by cables in most cars Many carmanufacturers have recently carried out research on electronic throttles for usingthem in combinations with electronic fuel injections to optimize the fuelconsumption and improve safety The electronic throttle is driven by a DC servomotor controlled according to the angle of the acceleration pedal The electronicthrottle has high non-linearity due to the nonlinear spring and dry friction For suchsystems, it is essential to have suitable control laws that are able to overcome thenonlinearities and uncertainties in the system parameters In this thesis, an adaptivesliding mode control law is proposed for the throttle system which contains highnonlinearities and inexactly-known parameters The effectiveness of the proposedcontrol law is proved via simulation results

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CÁM ƠN

ii TÓM TẮT

iii ABSTRACT

iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

vi DANH MỤC CÁC HÌNH

vii Chương1 TỔNG QUAN .1

1 ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI: 1

1.1 Đặt vấn đề: 1

1.2 Tính cấp thiết của đề tài: 1

2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1

2.1 Mục tiêu của đề tài: 1

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 2

2.3 Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu 2

3 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 3

3.1.Cấu trúc Bướm ga điện tử: 3

3.2.Giới thiệu tổng quan về tình hình nghiên cứu bướm ga điện tử trên xe ôtô :6 3.3 Đề xuất của tác giả về phương pháp điều khiển bướm ga điện tử: 9

Chương 2 MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG 11

Chương 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIÊM .17

3.1 Mô phong trên matlab Simulink: 17

3.2 Thực nghiệm trên mô hình làm kiểm chứng: 23

Chương 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 32

Tài liệu tham khảo 34

PHỤ LỤC 35

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 : Vị trí bướm ga được gắn trên xe ô tô 2

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống bướm ga 3

Hình 1.3: Cơ cấu truyền động và cảm biến đo góc quay của bướm ga 4

Hình 1.4: Đường đặc tuyến tính vào-ra của bướm ga 5

Hình 1.5 : Trích hình 18 của tài liệu số [1] 6

Hình 1.6 : Trích hình 2, 4 của tài liệu số [2] 7

Hình 1.7 : Trích hình 2, 3 của tài liệu số [3] 8

Hình 3.1 : Mô hình điều khiển đề xuất 17

Hình 3.2: Khối bướm ga (Throttle): 19

Hình 3.3: Kết quả mô phỏng với tín hiệu dạng step .20

Hình 3.4: Trích hình số 16 [1] kết quả mô phỏng với tín hiệu dạng step .280

Hình 3.5: Kết quả mô phỏng với tín hiệu vào dạng sin .281

Hình 3.6: Kết quả mô phỏng với tín hiệu vào dạng tự tạo 292

Hình 3.7: Mô hình thực nghiệm điều khiển bướm ga điện tử xe ô tô 293

Hình3.8: cảm biến đo moment xoắn của hãng Lorenz Messtechnik GmbH D-2553 .297

Hình 3.9: Cảm biến và dụng cụ đo moment tải của bướm ga điện tử 298

Hình 3.10 : Mô đun đo mement trên phần mềm Labview 29

Hình 3.11: Đo moment tải bằng phần mềm Labview .29

Chương 1: TỔNG QUAN VÀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI:

1.1 Đặt vấn đề:

Hiện nay, tốc độ phát triển các phương tiện giao thông ngày càng nhanh, đặcbiệt là xe ô tô Song song với phát triển số lượng người ta còn chú trọng đến cải tiếnchất lượng nhằm nâng cao tính an toàn, tính tiện nghi, khả năng điều khiển tốc độ

xe, giảm tiêu thụ nhiên liệu, giảm tính độc hại trong lượng khí thải, nhằm bảo vệmôi trường,…

Các xe ôtô hiện nay phần lớn vẫn sử dụng bướm ga điều khiển bằng dây cáp(cơ khí), gần đây người ta đã chế tạo bướm ga điện tử để kết hợp với hệ thống phunxăng nhằm tối ưu việc sử dụng nhiên liệu và nâng cao công suất động cơ, nâng caotính an toàn,…

1.2 Tính cấp thiết của đề tài:

Bướm ga điện tử có nhiều ưu điểm so với bướm ga cơ khí (bướm ga cơ khí dễ

bị kẹt, độ rơ của các khớp nối, ) Bướm ga điện tử kết hợp với các cảm biến kháctrong xe, bộ điều khiển trung tâm ECU (Electric Control Unit) có thể kiểm soát thờiđiểm đóng mở, góc mở cánh bướm theo quá trình phù hợp với trạng thái làm việccủa động cơ và tình hình vận hành thực tế của xe và yếu tố an toàn Chẳng hạn khi

hệ số bám đường của xe không tốt hoặc xe đi vào khúc cua có góc cua nhỏ, hoặctình trạng ngủ gật, hoặc nồng độ cồn của tài xế cao, ECU thu thập các thông tinnày qua cảm biến, từ đó có thể khống chế tốc độ tối đa của xe nhờ vào bướm gađiện tử

Hệ thống điều khiển bướm ga điện tử có tính phi tuyến cao do lò xo hồi và masát Vì vậy việc thiết kế bộ điều khiển phù hợp bảo đảm điều khiển vị trí bướm ganhanh và chính xác là điều rất cần thiết và quyết định chất lượng vận hành xe

2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Mục tiêu của đề tài:

Phân tích cấu trúc bướm ga điện tử trên xe ôtô, tìm ra phương pháp điều khiểntốt hơn cho bộ bướm ga điện tử trên xe ôtô Như dùng kỹ thuật điều khiển PID vàcác bộ bù phù hợp, hay phương pháp cuốn chiếu (Backstepping), bám trượt (Sliding

Mode), thích nghi hoặc kết hợp các phương pháp đó lại và thêm các thông số mới, nhằm điều khiển hệ thống đáp ứng thời gian thực, bám sát vị trí mong muốn đặt bởichân ga.

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu: bộ bướm ga điện tử xe Toyota Camry 2.4 đời 2003

Hình 1.1 : Vị trí bướm ga được gắn trên xe ô tôPhạm vi thực hiện: Nhận dạng bộ bướm ga xe ôtô, xác định các khâu phi tuyến trong hệ thống, xây dựng mô hình toán học, mô phỏng trên Matlab/Simulink

Đề xuất giải pháp điều khiển, mô phỏng hệ thống trên máy tính

Làm thí nghiệm kiểm chứng

2.3 Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu

Thông qua thực nghiệm trên mô hình để lấy các thông số đáp ứng của hệthống, từ các thông số này xây dựng mô hình toán thể hiện các quan hệ vào ra Sau

đó mô phỏng trên máy tính bằng phần mềm Matlab/Simulink

Làm thí nghiệm kiểm chứng

3 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU

3.1 Cấu trúc bướm ga điện tử:

Gồm các thành phần chính: họng ga, cửa gió (bướm ga), cung cấp gió chochế hoà khí trong hệ thống phun xăng, motor dc12v, hộp số giảm tốc, lò xo hồi,biến trở (cung cấp giá trị để xác định vị trí bướm ga)

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống bướm ga

Trong phần thân

Hình 1.3: Cơ cấu truyền động và cảm biến đo góc quay của bướm ga

Hình 1.4: Đường đặc tuyến tính vào-ra của bướm gaNgõ vào: điện áp u (V), ngõ ra: góc mở ߠ (độ)Hình 1.4 là đường đặt tính vào-ra của bướm ga khi ngõ vào u tăng đều từ -12V đến+12V, sau đó giảm đều từ 12V về -12V Từ hình, ta thấy đường tăng tốc và giảm tốc không trùng nhau:

- Đường màu xanh là đường tăng tốc của bướm ga xét tại các đoạn từ A1 đến A2 và đoạn từ A3 đến A4 gần như tuyến tính Đoạn từ vị trí xuất phát đến A1 và đoạn từ A2 đến A3 dạng dốc đứng

- Đường màu đỏ đứt nét là đường giảm tốc của bướm ga xét tại các đoạn từ B4đến B3 và đoạn từ B2 đến B1 gần như tuyến tính Đoạn từ vị trí A4 đến B4

nâng cao chất lượng điều khiển, trong luận văn này, ta sẽ sử dụng thuật toán điềukhiển trượt thích nghi để điều khiển hệ thống.

3.2 Giới thiệu tổng quan về tình hình nghiên cứu bướm ga điện tử trên xe ôtô :

Các xe ôtô hiện nay vẫn sử dụng bướm ga điểu khiển bằng dây cáp (cơ khí),gần đây người ta đã chế bướm ga điện tử để kết hợp trong hệ thống phun xăngnhằm tối ưu việc sử dụng nguyên liệu và nâng công suất động cơ, nâng cao tính antoàn,… trong hệ thống bướm ga điện tử chứa nhiều thành phần phi tuyến nên việcđưa ra luật điều khiển phù hợp được nhiều tác giả bàn đến

Trong bài báo [1] tác giả dùng kỹ thuật PID (proportional-integral-derivative),sau khi phân tích, đo lường và mô hình hóa đối tượng, vẽ đặc tuyến, tác giả phânvùng nào tuyến tính thì áp dụng kỹ thuật điều khiền PID, tại các đoạn có độ phituyến cao tác giả dùng phương pháp bù: dùng PD hoặc PI Việc xác định chính xácvùng chuyển tiếp này không hề đơn giãn, gây ra nhiều sai số Trong phạm vi thínghiệm dựa vào mô phỏng trên Matlab nên chưa có ảnh hưởng của hao mòn, lãohóa dây quấn,…tác giả dễ dàng tính chính xác các hệ số bù, làm cho việc mô phỏng

có kết quả tốt Tuy vậy kết quả mô phỏng trên Matlab Simulink tín hiệu góc đo vẫnkhông bám tốt vào góc đặt trong hình 18 [1],

Hình 1.5 : Trích hình 18 của tài liệu số [1],Theo hình kết quả mô phỏng ở hình số 18[1] trên ta thấy thời gian để đốitượng điều khiển bám được đối tượng đặt là trên 0.23s

Trong bài báo [2] tác giả dùng phương pháp Backstepping từng bước thiết kết

bộ điều khiển sao cho đảm bảo tính ổn định theo điều kiện của Lyapunov Theo

phương pháp này đối tượng điều khiển bám tốt vào đối tượng đặt nhưng thời gianđáp ứng khá lâu (phân tích dựa vào hình số 2, 4 của tài liệu [2]) và ở đây tác giảchưa đề xuất được phương pháp tăng tốc độ đáp ứng Xét kết quả mô phỏng của tácgiả dựa vào hình bên dưới.

Hình 1.6 : Trích hình 2, 4 của tài liệu số [2],

Theo hình kết quả mô phỏng ở trên cho thấy tại các đoạn có độ dốc lớn vàsường xung vuông gốc thì đối tượng điều khiển không bám tốt vào đối tượng đặt, cóvọt lố, thời gian để bám được trên 30s (ở các tọa độ 200s và 400s ).

Đối với bài báo [3] tác giả dùng phương pháp bám trượt mờ ( Fuzzy slidingmode control) tại công thức (23) của [3] tác giả dùng giải thuật mờ (Fuzzy) để chọn

hệ số bù nhiễu theo luật mà tác giả đặt ra, từ đây cho ta thấy việc đặt ra luật mờ vàgiải mờ hoàn toàn dựa vào kinh nghiệm nên không thể tối ưu và rõ ràng được Xétcác hình 2 và hình 3 ta thấy việc bám của đối tượng điều khiển vào đối tượng đặtkhông tốt

Hình 1.7 : Trích hình 2, 3 của tài liệu số [3],Theo hình kết quả mô phỏng ở trên cho thấy tại các đoạn có độ dốc lớn vàsường xung vuông gốc thì đối tượng điều khiển không bám tốt vào đối tượng đặt, cóvọt lố, thời gian để bám được trên 30s (ở các tọa độ 200s và 400s )

Trong bài báo số [4] tác giả kết hợp các phương pháp điều khiển AdaptiveBackstepping Sliding-Mode, tính ưu việt của bài báo này là đã chọn ra ưu điểm củamỗi phương pháp kết hợp lại áp dụng điều khiển cho một đối tượng, tuy nhiên tácgiả của bài báo này cũng chưa đưa ra được cách để điều khiển đối tượng điều khiểnbám nhanh vào đối tượng đặt.

3.3 Đề xuất của tác giả về phương pháp điều khiển bướm ga điện tử:

Trong luận văn này, bộ điều khiển trượt thích nghi được đề xuất để điều khiển hệ thống nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của sai lệch mô hình và những tác động nhiễu bên ngoài Điều khiển trượt có đặc điểm là trong pha trượt hệ thống trở nên bền vững đối với nhiễu Để có thể điều chỉnh thời gian chuyển sang pha trượt ta thêm

thành phần φs vào trong luật điều khiển, (trong đó φ là một hệ số dương, được xácđịnh từ thực nghiệm, s là mặt trượt) Các thông số khi làm thí nghiệm và đo đượcban đầu là cơ sở để thiết lập luật điều khiển ban đầu Khi vận hành, các thông số hệthống sẽ được cập nhật online.

Chương 2: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG

Theo tài liệu số [4] ta có các thông số của bướm ga như sau:

r : Góc đặt

 (t ) : Góc mở của bướm ga theo t

0 : Góc mở ban đầu của bướm ga (t = 0)

U bat : Điện áp đầu vào (điện áp bình acquy),

D (t ) : Chu kỳ công tác của xung điều rộng PWM,

T e (t) : Moment điện từ,

T L (t) : Moment tải của động cơ ,

T s (t) : Moment trả của lò xo hồi,

T f (t ) : Moment do ma sát nhớt gây ra,

K t : Torque constant,

K b : Hằng số lực điện từ ,

K s : Hệ số đàn hồi (elastic coefficient),

K m : Hệ số bù moment (torque compensation coefficient),

Đảm bảo tính ổn định của Lyapunov

Theo phương trình (20) ta thấy thời gian để tiến tới mặt trượt s không thể kiểmsoát đươc nên ta thêm thành phần -φs vào luật điều khiển u để chúng ta có thểđiều khiển thời gian tiến tới mặt trượt của đối tượng nhanh hơn khi đối tượng còn ở