TIỂU LUẬN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRÊN Ô TÔ

Trong bài tiểu luận : “Hệ Thống Điều Khiển Tự Động Ô Tô ” này sẽ giúp em hiểu thêm về hệ thống điều khiển tự động nói chung của ô tô hiện nay như: hộp số tự động điều khiển điện tử ELEC

TIỂU LUẬN MÔN HỌC

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ÔTÔ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

-

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN

Tên tiểu luận: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ÔTÔ

Họ và tên Sinh viên:

MSSV:

Lớp:

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô

I NHẬN XÉT

1 Về hình thức trình bày & tính hợp lý của cấu trúc tiểu luận:

2 Về nội dung (đánh giá chất lượng tiểu luận, ưu/khuyết điểm và giá trị thực tiễn)

II NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH, BỔ SUNG

III ĐỀ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ Điểm đánh giá (theo thang điểm 10): ………

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 05 năm 2021

Giảng viên hướng dẫn

(Ký & ghi rõ họ tên)

L I CÁM N ỜI CÁM ƠN ƠN

Chúng em xin chân thành c m n Khoa,ảm ơn Khoa, ơn Khoa, c khí đ ng l cơn Khoa, ộng lực ực trường đại học ng đ i h c ại học ọc S Ư

PH M KĨ THU T TPHCM ẠM KĨ THUẬT TPHCM ẬT TPHCM đã t o đi u ki n thu n l i cho chúng em h c t p và ại học ều kiện thuận lợi cho chúng em học tập và ện thuận lợi cho chúng em học tập và ận lợi cho chúng em học tập và ợi cho chúng em học tập và ọc ận lợi cho chúng em học tập và

th c hi n ực ện thuận lợi cho chúng em học tập và ti u lu n ểu luận ận lợi cho chúng em học tập và này

Chúng em xin bày t lòng bi t n sâu s c t i th yỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy ết ơn sâu sắc tới thầy ơn Khoa, ắc tới thầy ới thầy ầy đã t n tình hận lợi cho chúng em học tập và ưới thầyng d n ch b o ẫn chỉ bảo ỉ bảo ảm ơn Khoa,

chúng em trong quá trình th c hi nực ện thuận lợi cho chúng em học tập và ti u lu nểu luận ận lợi cho chúng em học tập và

Chúng em xin chân thành c m n quý th y cô trong khoa ảm ơn Khoa, ơn Khoa, ầy C Khí Đ ng L c ơn Khoa, ộng lực ực đã t nận lợi cho chúng em học tập và

tình gi ng d y, trang b cho em nh ng ki n th c quý báu trong năm v a qua.ảm ơn Khoa, ại học ị cho em những kiến thức quý báu trong năm vừa qua ững kiến thức quý báu trong năm vừa qua ết ơn sâu sắc tới thầy ức quý báu trong năm vừa qua ừa qua

Chúng em xin c m n s quan tâm giúp đ và ng h c a các anh ch b n bè ảm ơn Khoa, ơn Khoa, ực ỡ và ủng hộ của các anh chị bạn bè ủng hộ của các anh chị bạn bè ộng lực ủng hộ của các anh chị bạn bè ị cho em những kiến thức quý báu trong năm vừa qua ại học

trong quá trình th c hi n ực ện thuận lợi cho chúng em học tập và ti u lu n nàyểu luận ận lợi cho chúng em học tập và M c dù đã c g ng hoàn thành khóa ặc dù đã cố gắng hoàn thành khóa ố gắng hoàn thành khóa ắc tới thầy

lu n trong ph m vi và kh năng cho phép nh ng ch c ch n sẽ không tránh kh i ận lợi cho chúng em học tập và ại học ảm ơn Khoa, ư ắc tới thầy ắc tới thầy ỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy

nh ng thi u sót.ững kiến thức quý báu trong năm vừa qua ết ơn sâu sắc tới thầy

Chúng em r t mong nh n đận lợi cho chúng em học tập và ượi cho chúng em học tập và ựcc s thông c m, góp ý và t n tình ch b o c a quý ảm ơn Khoa, ận lợi cho chúng em học tập và ỉ bảo ảm ơn Khoa, ủng hộ của các anh chị bạn bè

th y cô và các b n.ầy ại học

LỜI NÓI ĐẦU

Kể từ ngày ra đời đến nay ngành cơ khí động lực phát triển và đạt những thành tựu tolớn Đất nước đang trên nền tảng lớn mạnh về kinh tế và ngành công nghiệp ô tô của nước

ta ngày càng được chú trọng và phát triển thể hiện bởi các liên doanh lắp ráp, bảo dưỡng

và sữa chữa của nước ta với các hãng xe danh tiếng như Honda, Ford, Toyota, Suzuki,Mercedes, Mazda… Một vấn đề lớn đặt ra là việc nắm vững lý thuyết kết cấu của từng loại

xe từ đó khai thác sử dụng một cách hiệu quả

Trong bài tiểu luận : “Hệ Thống Điều Khiển Tự Động Ô Tô ” này sẽ giúp em hiểu thêm

về hệ thống điều khiển tự động nói chung của ô tô hiện nay như: hộp số tự động điều khiển điện tử (ELECTRONIC CONTROL TRANSMISSION - ECT), hệ thống phanh chống hãm cứng (ANTILOCK BRAKING SYSTEM - ABS), hệ thống điều khiển chạy tự động (CCS – CRUISE CONTROL SYSTEM), cơ bản về lý thuyết điều khiển, kỹ thuật điều khiển ứng dụng cho hệ thống điều khiển chạy tự động, ứng dụng fuzzy logic điều khiển hộp số tự động…

PHỤ LỤC

CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ HỘP SỐ TỰ ĐỘNG

1.Đặt vấn đề

2 Nội dung .

1. Cơ bản về Fuzzy Logic

2 Cơ bản về Fuzzy Logic .

3. Điều khiển hộp số tự động bằng fuzzy logic

CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG PHANH CHỐNG HÃM CỨNG (ANTILOCK BRAKING SYSTEM - ABS

1 Cơ sở lý thuyết về ABS

3. Nguyên lý hoạt động của ABS

CHƯƠNG 4 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GA TỰ ĐỘNG

1 Nhiệm vụ và phân loại

2. Điều khiển ga tự động bằng chân không

3. Điều khiển ga tự động bằng motor điện

CHƯƠNG 5 CƠ BẢN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN

1 Biến đổi Laplace 2.Hàm truyền 3.Tính ổn định của hệ thống

CHƯƠNG 1 NGUYÊN LÝ CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ HỘP SỐ TỰ ĐỘNG

b) Các cảm biến, công tắc

Hình 2 Các cảm biến công tắc của bộ điều khiển điện tử hộp số tự động

1- Cảm biến vị trí bướm ga/ cảm biến vị trí bàn đạp ga: Cảm biến này phát hiện góc

mở của bướm ga

2- Công tắc bàn đạp ga: Phát hiện xem bàn đạp ga có bị nhấn xuống hết mức hay không 3- Cảm biến vị trí trục khuỷu: Phát hiện tốc độ động cơ.

4- Cảm biến tốc độ của hộp số:

- Cảm biến tốc độ đầu vào tua-bin : Nó phát hiện tốc độ trục sơ cấp của hộp số tự động.

- Cảm biến tốc độ bánh răng trung gian: Nó phát hiện tốc độ trục thứ cấp của hộp số tự

động

5- Cảm biến nhiệt độ nước làm mát: Nó phát hiện nhiệt độ nước làm mát.

6- Cảm biến tốc độ của xe: Phát hiện tốc độ của xe

7- Cảm biến nhiệt độ dầu số tự động: Phát hiện nhiệt độ dầu số tự động trong hộp số tự

động

8- Công tắc chính O/D: Công tắc chính O/D là công tắc huỷ O/D.

Khi công tắc được tắt “OFF”, thì không lên số O/D được, ngày cả khi đã đạt được tốc độ

để sang số O/D Nếu công tắc được tắt “OFF” trong khi đang lái ở số

truyền tăng thì hộp số chuyển xuống số 3

Ngoài ra, đèn báo O/D OFF được bật sáng trong khi công tắc chính O/D ở “OFF”

Hình 3 Công tắc chính O/D bật

9- Công tắc khởi động số trung gian: Công tắc khởi động số trung gian truyền vị trí cần

chuyển số đến ECU động cơ & ECT ECU nhận thông tin về vị trí mà hộp số đang hoạt động từ cảm biến vị trí chuyển số đặt trong công tắc khởi động số trung gian, sau đó quyết định phương thức chuyển số thích hợp

* Chú ý:

-Các tiếp điểm của công tắc này còn được sử dụng để bật đèn báo vị trí cần số để báo cho lái xe biết vị trí đang nằm của cần số.

- Ngoài ra, ECU còn điều khiển sao cho máy khởi động chỉ có thể vận hành khi cần số ở các vị trí “P” và “N” và sao cho khi cần số ở vị trí “R” thì tín hiệu chuông báo số

lùi xe được phát ra và đèn lùi bật sáng.

- Các tín hiệu chuyển tới ECU từ công tắc khởi động số trung gian thay đổi tuỳ theo kiểu xe.

Hình 4: Sơ đồ mạch khởi động theo vị trí tay số trung gian

trạng thái khoá biến mô Điều này tránh cho động cơ khỏi bị chết do khoá biến mô

Hình 5: Mạch đèn phanh

Công tắc chọn phương thức lái cho phép người lái xe chọn chế độ lái Các công tắc chế độ được lắp đặt tuỳ thuộc vào kiểu xe và thị trường

Chế độ tải nặng: Chế độ này đặt thời điểm chuyển số vào dãy tốc độ cao của động

Chế độ tuyết : Chế độ này đặt tốc độ số 2 là tốc độ chuyển bánh (xe bắt đầu chạy)

Chế độ tiết kiệm: Chế độ này làm sớm thời điểm chuyển số để giảm tiêu hao nhiên liệu khi lái xe

Chế độ điều khiển tay: Chế độ này tạo khả năng giữ tốc độ bằng việc sử dụng vị trí cần chuyển số

Hình 6 Mạch điện chọn chế độ lái

2.2 Các điều khiển cơ bản:

ECU động cơ & ECT thực hiện các điều khiển sau đây

Điều khiển thời điểm chuyển số

Điều khiển khoá biến mô

Điều khiển khoá biến mô linh

hoạt

Các điều khiển khác

Hình 7 Các điều khiển chính của ECU động cơ & ECT

2.2.1 Điều khiển thời điểm chuyển số:

Hình 8 Sơ đồ khối mô tả quá trình điều khiển thời điểm chuyển số

ECU động cơ & ECT đã lập trình vào trong bộ nhớ của nó về phương thức chuyển số tối

ưu cho một vị trí cần số và mỗi chế độ lái

Trên cơ sở phương thức chuyển số, ECU sẽ Bật hoặc Tắt các van điện từ theo tín hiệu tốc

độ xe từ cảm biến tốc độ xe, tín hiệu góc mở bướm ga từ cảm biến vị trí bướm ga và các tín hiệu khác của các cảm biến/ công tắc

Với cách như vậy, ECU vận hành từng van điện từ , mở hoặc đóng các đường dẫn dầu vào các li hợp và phanh, cho phép hộp số chuyển số lên hoặc xuống

* Chú ý: Khi xe đang chạy, bạn có thể đánh giá được là hộp số tự động có hỏng hóc hay không bằng việc theo dõi sự phù hợp của các điểm chuyển số với sơ đồ chuyển số tự động Hình 9 Mô tả về quá trình chuyển số trong hộp số tự động

Quan hệ giữa tốc độ xe và số của hộp số thay đổi theo góc mở của bàn đạp ga thậm chí trong cùng một số tốc độ của xe Khi lái, trong khi vẫn giữ độ mở của bàn đạp ga không đổi, tốc độ xe tăng lên và hộp số được chuyển lên số trên.

Khi bàn đạp ga được nhả ra ở điểm A trong hình bên trái và độ mở của bàn đạp ga đạt điểm B, thì hộp số sẽ chuyển từ số 3 lên số O/D

Ngược lại, nếu tiếp tục đạp ga ở điểm A và độ mở của bàn đạp ga đạt điểm C, thì hộp số sẽchuyển từ số 3 về số 2

*Chú ý :

- Khi nhiệt độ nước làm mát thấp thì hộp số không chuyển lên số O/D

- Tốc độ mà ở đó hộp số chuyển lên số cao và tốc độ mà ở đó hộp số chuyển xuống số thấp xảy ra trong một khoảng nhất định bất kể ở số nào Khoảng này được gọi là độ trễ

Độ trễ là một đặc tính được thiết kế cho mọi hộp số tự động để ngăn không cho hộp số

chuyển số lên và xuống quá thường xuyên

Chú ý:

Hình 10 Thời điểm chuyển số ở các chế độ tải khác nhau

Sự điều khiển thời điểm chuyển số khác nhau tuỳ theo chế độ của công tắc chọn phuơng thức lái

ECU xác định phương thúc áp dụng và điều khiển thời điểm chuyển số

Đối với chế độ tăng tốc, điểm chuyển số và điểm khoá biến mô được đặt ở một tốc độ động cơ cao hơn so với chế độ bình thường, nó cho phép lái xe thể thao với tốc độ động cơcao hơn.

2.2.2 Điều khiển thời điểm khóa biến mô

a) Điều khiển khóa biến mô

ECU động cơ & ECT đã lặp trình trong bộ nhớ của nó một phương thức vận hành li hợp khoá biến mô cho từng chế độ lái Trên cơ sở phương thức khoá biến mô này ECU sẽ Bật hoặc Tắt van điện từ tuỳ thuộc vào các tín hiệu tốc độ xe và các tín hiệu mở bướm ga.ECU sẽ bật van điện từ để vận hành hệ thống khoá biến mô nếu 3 điều kiện sau đây đồng thời tồn tại

1 Xe đang chạy ở số 2 hoặc số 3 hoặc ở số O/D (dãy ”D”)

2 Tốc độ xe bằng hoặc cao hơn tốc độ quy định và góc mở bướm ga bằng hoặc lớn hơntrị số quy định

3 ECU không nhận được tín hiệu huỷ hệ thống khoá biến mô

Hình 11: Sơ đồ khối quá trình khóa biến mô

ECU điều khiển thời điểm khoá biến mô nhằm giảm chấn trong khi chuyển số Nếu hộp sốchuyển số lên hoặc xuống trong khi hệ thống khoá biến mô đang hoạt động thì ECU sẽ huỷ tác động của hệ thống khoá biến mô

Điều này giúp cho việc giảm chấn khi chuyển số Sau khi việc chuyển số lên hoặc xuống được hoàn tất thì ECU sẽ tái kích hoạt hệ thống khoá Tuy nhiên, ECU sẽ buộc phải huỷ sựkhoá biến mô trong các điều kiện sau.

1 Công tắc đèn phanh chuyển sang “ON” (trong khi phanh)

2 Các tiếp điểm IDL của cảm biến vị trí bướm ga đóng

3 Nhiệt độ nước làm mát thấp hơn một nhiệt độ nhất định

4 Tốc độ xe tụt xuống khoảng 10 km/giờ hoặc thấp hơn so với tốc độ đã định trong khi

hệ thống điều khiển chạy xe tự động vẫn đang hoạt động

b) Điều khiển khóa biến mô linh hoạt

Hình 12: Sơ đồ khối quá trình khóa biến mô linh hoạt

Hệ thống li hợp khoá biến mô linh hoạt mở rộng phạm vi hoạt động của khoá biến mô bằng cách ổn định và giữ một độ trượt nhẹ của li hợp khoá biến mô để nâng cao mức tiết kiệm nhiên liệu

ECU động cơ & ECT quyết định phạm vi hoạt động của khoá biến mô linh hoạt từ góc mởbướm ga và tốc độ xe, và sau đó ECU phát một tín hiệu tới van điện từ tuyến tính (SLU).Ngoài ra, ECU còn sử dụng tín hiệu cảm biến tốc độ động cơ và tốc độ đầu vào hộp số để phát hiện sự chênh lệch giữa tốc độ bánh bơm bộ biến mô (động cơ) và tốc độ bánh tua-bin (hộp số)

Điều này tạo ra sự điều khiển phản hồi để tối ưu hoá việc phân bổ truyền công suất của bộ biến mô (truyền công suất qua dầu) và li hợp khoá biến mô (truyền công suất cơ học)

2.2.3 Các điều khiển khác

a) Điều khiển tối ưu áp suất cơ bản

ECT dùng cảm biến vị trí bướm ga để phát hiện góc mở bàn đạp ga (tải) và điều khiển áp suất cơ bản

Áp suất cơ bản được điều khiển nhờ một van điện từ tuyến tính (SLT) Thông qua việc sử dụng van điện từ tuyến tính (SLT), áp suất cơ bản được điều khiển một cách

tối ưu phù hợp với thông tin về mômen của động cơ, cũng như với các điều kiện vận hành bên trong của bộ biến mô và hộp số.

Theo đó, áp suất cơ bản có thể được điều khiển chính xác theo công suất của động cơ, điềukiện di chuyển và nhiệt độ của ATF, do đó thực hiện các đặc tính chuyển số êm và tối ưu hoá tải trọng làm việc của bơm dầu

- Chú ý:

+ Để điều khiển áp suất cơ bản một số kiểu xe sử dụng cáp bướm ga theo cách giống như hộp số tự động điều khiển thuỷ lực hoàn toàn

+ Nếu van điện từ (SLT) hỏng thì van bên trong sẽ được cố định ở phía trên (phía Hi), do

đó sẽ có chấn động lớn hơn trong khi chuyển số

Hình 13: Sơ đồ khối quá trình điều khiển tối ưu áp suất cơ bản

b) Điều khiển tối ưu áp suất li hợp

Hình 14 Điều khiển tối ưu áp suất ly hợp

Van điện từ tuyết tính (SLT) được sử dụng để điều khiển tối ưu áp suất li hợp

ECU giám sát các tín hiệu từ các loại cảm biến khác nhau như cảm biến tốc độ đầu vào tua-bin, cho phép van điện từ tuyến tính (SLT) điều khiển một cách sát sao áp suất li

hợp theo công suất động cơ và các điều kiện lái Kết quả là các đặc tính chuyển số êm được thực hiện.

c) Điều khiển áp suất từ li hợp tới li hợp

Khi hộp số tự động chuyển số thì áp suất thuỷ lực được xả ra từ một phần tử và được sử dụng cho phần tử khác

Sự điều khiển áp suất từ li hợp tới li hợp được thiết kế để làm cho quá trình này diễn ra được êm Việc điều khiển này là: ECU phát một tín hiệu tới van điện từ tuyến tính (SLT)

và áp suất thuỷ lực tác động lên phía đối áp của bộ tích năng được tối ưu hoá

d) Điều khiển mômen động cơ

Hình 15 Sơ đồ khối quá trình điều khiển tốc độ động cơ

Việc ăn khớp của các li hợp và phanh của bộ truyền bánh răng hành tinh trong hộp số đượcđiều khiển một cách trơn chu bằng cách làm chậm thời điểm đánh lửa của động cơ khi hộp

số đang được lên số hoặc xuống số

Khi ECU quyết định thời điểm chuyển số theo các tín hiệu từ các cảm biến khác nhau, nó

sẽ kích hoạt các van điện từ điều khiển chuyển số để thực hiện chuyển số Khi việc chuyển

số bắt đầu thì ECU làm muộn thời điểm đánh lửa động cơ để giảm mômen

động cơ Kết quả là lực làm ăn khớp các li hợp và phanh của bộ truyền bánh răng hành tinh bị yếu đi, và việc chuyển số sẽ được êm.

e) Ổn định xe khi chuyển từ "N" sang "D"

Hình 16 Sơ đồ ổn định xe khi chuyển từ N sang D

Khi hộp số được chuyển từ vị trí “N” sang vị trí “D” thì hệ thống chống chúi xe ngăn không cho nó chuyển trực tiếp chuyển về số 1 bằng cách chuyển sang số 2 hoặc 3, sau đó mới lùi số về số 1 Việc này nhằm giảm chấn động chuyển số và hiện tượng chúi xe

Chức năng điều khiển chống chúi xe chỉ hoạt động khi tất cả các điều kiện sau đây đồng thời tồn tại

Xe được dừng lại

Công tắc đèn phanh ở “ON”

Hộp số được chuyển từ vị trí “N” sang “D”

Nước làm mát được làm ấm lên

f) Điều khiển chuyển số khi lên dốc/xuống dốc

Trong một hộp số tự động thông thường khi tăng tốc/ giảm tốc trên dốc thì việc chuyển số diễn ra thường xuyên tuỳ thuộc vào các điều kiện ảnh hưởng tới sự lái xe

êm dịu Để thực hiện điều khiển chuyển số khi lái lên dốc/ xuống dốc, thì ECU động cơ & ECT sử dụng cảm biến vị trí bướm ga và các tín hiệu cảm biến tốc độ để chọn vị trí số tối ưu

Khi ECU xác định leo dốc thì việc chuyển lên số O/D bị hạn chế để việc lái được êm

Ngoài ra, khi ECU xác định xuống dốc và có hoạt động của phanh, hộp số được

chuyển xuống số 3 và phanh bằng động cơ hoạt động

* Chú ý: Việc leo dốc và xuống dốc được quyết định bằng việc so sánh gia tốc thực tế được tính toán từ tín hiệu cảm biến tốc độ với gia tốc tiêu chuẩn được lưu trong bộ

nhớ của ECU ABS.

Hình 17 Sơ đồ khối điều khiển chuyển số khi lên dốc/xuống dốc

1

CHƯƠNG 2 ỨNG DỤNG FUZZY LOGIC ĐIỀU KHIỂN HỘP SỐ TỰ ĐỘNG

1 Cơ bản về Fuzzy Logic

1.1 Các khái niệm

Cách thức con người suy nghĩ và ra quyết định không phải luôn luôn có ranh giới rạch ròi giữa đúng và sai [1] Thế giới và sự vật luôn thay đổi, con người nhận thức về thế giới cũng thay đổi nên việc định nghĩa đúng - sai, có - không gặp nhiều khó khăn Bạn

hãy cầm một quả cóc, nó thuộc tập hợp những quả cóc, được định nghĩa bằng tính

chất, kích thước, hình dạng của nó Bây giờ bạn hãy cắn một miếng, nó còn là quả cóc chứ? Nếu đúng vậy, nó vẫn thuộc tập hợp những quả cóc Sau khi cắn một vài miếng, bạn chỉ còn lại hạt cóc, nó thuộc tập hợp những hạt cóc Tại thời điểm nào trái cóc chuyển sang hạt cóc?

Hình 1: Quả cóc và hạt cóc

Định nghĩa tập hợp quả cóc và hạt cóc quá nghiêm ngặt khi chúng ta nhìn quá trình cắn quả cóc Những quả cóc bị cắn 2 hoặc 3 miếng thuộc tập hợp nào? Nếu chúng ta muốn đặt chúng vào các tập hợp quả cóc hoặc/và hạt cóc, chúng ta phải định nghĩa lại

tập hợp quả cóc và hạt cóc như là những tập hợp fuzzy (mờ)

Tập hợp fuzzy cho phép các thành viên của nó nhận các mức độ tính thành viên

(membership) khác nhau Đối tượng nhận giá trị 1 nếu nó nằm hoàn toàn bên trong tập

hợp, giá trị 0 nếu nằm hoàn toàn bên ngoài Đối tượng nằm một phần trong tập hợp nhận giá trị từ 0 đến 1 Con số gắn với đối tượng gọi là mức độ tính thành viên Quả cóc bị cắn 1 miếng có thể nhận mức độ tính thành viên 0.9 trong tập hợp quả cóc Điều

2

đó không nhất thiết nhận giá trị 0.1 trong tập hợp hạt cóc Tuy nhiên khi quả cóc bị cắn

nó mất bớt tính thành viên trong tập hợp fuzzy quả cóc và nhận thêm tính thành viên trong tập hợp fuzzy hạt cóc

1.2 Định nghĩa tập fuzzy

Trong toán học, tập hợp được định nghĩa là bao gồm tất cả những đối tượng thỏa mãn tính chất nào đó Bất kỳ đối tượng nào đều phải thuộc hoặc không thuộc tập đó Để làm rõ hơn, chúng ta xét một ví dụ khác, tập hợp những người cao Chúng ta có thể phát biểu rằng tập những người cao là những người có chiều cao bằng hoặc hơn 1,75

m Tập hợp này có thể biểu diễn hình tượng như hình dưới

Hình 2 Định nghĩa tập truyền thống

Đồ thị trên mô tả hàm thành viên (membership function) của tập người cao Bạn chỉ

có thể thuộc hoặc không thuộc tập người cao Dạng đồ thị trên thích hợp trong toán học và phép toán nhị phân nhưng nó không mô tả hoàn hảo trong thế giới thực Hàm thành viên trên không tách biệt được người có chiều cao 1,76 m và 2 m, trong thực tế hai người này có chiều cao rất chênh lệch nhưng được liệt kê chung là cao Về phía ngược lại, người có chiều cao 1,75 m được xếp là cao trong khi người có chiều cao 1,74 m lại được xếp vào loại không cao Trên thực tế, người 1,74 m thấp hơn người 1,75 m chỉ 1 cm

Tập fuzzy mô tả tốt hơn về tính cao của một người Hàm tính thành viên xác định tập fuzzy được mô tả như hình bên dưới Trục nằm ngang là chiều cao Trục thẳng đứng làmức độ thành viên của chiều cao trong tập fuzzy, có giá trị từ 0 đến 1

3

Dạng của hàm tính thành viên

cao ( = 1.0)1.0

Dạng của hàm tính thành viên

1.0Mức độ tínhthành viên, 

Hình 3 Định nghĩa tập fuzzy

Cho 2 người có chiều cao như trong hình vẽ Người thứ nhất có tính thành viên là 0.3

vì vậy không cao lắm Người thứ 2 có tính thành viên là 0.95 vì vậy rõ ràng là cao Tuy nhiên anh ta không thuộc tập người cao theo định nghĩa tập hợp truyền thống.Hàm thành viên của tập fuzzy được thiết lập bằng nhiều cách khác nhau miễn là nó tuân thủ theo một định nghĩa được cho trước Việc chọn dạng hàm thành viên phụ thuộc vào mục đích và phải thể hiện hợp lý tính chất của sự vật Một số hàm thành viên thông dụng được mô tả trong hình sau

Chiều cao

Nếu x, y thuộc tập hợp fuzzy, chúng nhận số lượng các giá trị không giới hạn trong [0,

1] Vì vậy việc lập bảng như logic nhị phân là không khả thi Các phép toán cần phải định nghĩa lại như là các hàm số cho tất cả các giá trị trong [0, 1] Thực ra logic nhị phân là tập con của fuzzy logic vì fuzzy logic bao gồm giá trị 0, 1 và tất cả giá trị thực trong (0, 1) Các phép toán fuzzy logic có dạng tổng quát như trong Bảng 2

Bảng 2: Phép toán fuzzy logic

x AND y min(x, y)

x OR y max(x, y)

Áp dụng định nghĩa trên, ta có thể lập bảng giá trị như sau

Bảng 3: Ví dụ về phép toán fuzzy logic

Nếu P thì Q (If P then Q).

Điều kiện logic này khá khắt khe Q chỉ xảy ra nếu P xảy ra Fuzzy logic nới lỏng sự khắt khe này bằng phát biểu:

Nếu phần lớn P thì phần lớn Q (If mostly P then mostly Q).

Trong đó P, Q là các số fuzzy Các luật này là những phát biểu bằng lời dùng để liên

hệ các tập fuzzy khác nhau Dạng tổng quát của phát biểu là:

“Nếu x là A thì y là B” (If x is A then y is B).

Trong đó x, y là các số fuzzy thuộc các tập fuzzy A và B tương ứng Các tập fuzzy này

được định nghĩa bằng các hàm thành viên

5

Chúng ta hãy khảo sát một hệ thống có hai hàm thành viên đầu vào (A1, A2) và hai hàm thành viên đầu ra (B1, B2) Các hàm thành viên cho như hình bên dưới xác định 2tập fuzzy A và B Nếu giá trị đầu vào có tính thành viên trong một hàm, thì bất cứ luật nào sử dụng hàm thành viên này được gọi là kích hoạt và sản sinh ra một kết quả.

Hình 5 Hàm thành viên tập fuzzy A, B

Kết quả tổng cộng đầu ra là:

[A1(x)  B1(y)]  [A2 (x)  B2(y)]

Lấy một giá trị đầu vào x = 1.25, có hàm thành viên trong A1 và A2 Điều này làm cho

2 luật đều kích hoạt Giá trị 1.25 có tính thành viên 0.75 trong A1 và 0.25 trong A2 Sửdụng công thức tính trên ta được đầu ra tổng cộng như hình sau

Hình 6 Đầu ra của fuzzy logic

Hàm thành viên tổng là kết quả của quá trình ra quyết định dựa vào phát biểu luật Để

có một con số cụ thể ở đầu ra, ta phải thực hiện phương pháp lượng hóa

(defuzzification) Lượng hóa cho ta một con số thể hiện tốt nhất tập fuzzy đầu ra Có

nhiều cách để tính giá trị này Một cách phổ biến là lấy trọng tâm của tập fuzzy Ví dụ lượng hóa tập fuzzy trong Hình 6 bằng phương pháp trọng tâm cho giá trị 7.319

6

2 Cơ bản về Fuzzy Logic

Trong phần này chúng ta tìm hiểu công cụ fuzzy logic trong Matlab Sử dụng fuzzy logic để điều khiển mực nước trong thùng như Hình 7 Có 1 đường nước vào thùng và

1 đường nước tháo ra khỏi thùng Đường nước ra có tiết diện không đổi, tuy nhiên lưu lượng qua đường này phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng, có lúc nhiều nhưng cũng có lúc

ít Valve điều khiển đường nước vào có thể điều chỉnh được để thay đổi lưu lượng Chúng ta đi thiết lập bộ điều khiển fuzzy logic để duy trì mực nước trong bình là 1 m

Hình 7 Điều khiển mực nước trong thùng

Khởi động fuzzy logic trong Matlab bằng lệnh:

>> fuzzy

Hình 8 Giao diện fuzzy logic

Trong cửa sổ fuzzy logic có 3 khối chính: đầu vào (input), đầu ra (output) và luật

(rule) Double click vào từng khối cho phép ta thay đổi các thông số trong khối đó

Gọi khối input là Level để chỉ mực nước trong thùng, khối output là Valve để chỉ độ

7

mở của valve điều khiển lưu lượng nước vào Mở khối Level ta có giao diện như Hình

9, trong đó mặc định có 3 hàm tính thành viên dạng trimf Click vào từng đường để đổitên thành Low, Middle và High để chỉ mực nước thấp, trung bình và cao Đây là 3 tập fuzzy thể hiện độ cao của mực nước Hàm tính thành viên Low có giá trị cao nhất ở 0

m và thấp nhất ở 0.4 m có nghĩa là khi mực nước tăng từ 0 đến 4 m, tính thành viên của mực nước trong tập fuzzy Low sẽ giảm xuống từ 1 đến 0

Hình 9 Giao diện khối Level

Mở khối Valve ta có giao diện như Hình 10 Click vào từng hàm tính thành viên để đổitên thành Closed, Average và Opened để chỉ valve đóng hoàn toàn, mở trung bình và

mở hoàn toàn

8

Hình 10 Giao diện khối Valve

Mở khối luật ở giữa để định nghĩa luật cho hệ thống như Hình 11 Ta thiết lập 3 luật:

If (Level is Low) then (Valve is Opened)

Nếu mực nước thấp, valve mở hoàn toàn.

If (Level is Middle) then (Valve is Average)

Nếu mực nước trung bình, valve mở trung bình.

If (Level is High) then (Valve is Closed)

Nếu mực nước cao, valve đóng.

9

Hình 11 Giao diện khối luật

Vào View > Rule để xem kết quả tập fuzzy tổng đầu ra Dịch chuyển thanh trượt để quan sát kết quả thu được bên phải Như trong Hình 12, với mực nước là 0.284 m, độ

mở của valve là 56%

Hình 13 Kết quả tập fuzzy đầu ra.

3 Điều khiển hộp số tự động bằng fuzzy logic

Trong Chương 5 về hộp số tự động, ECU ECT sang số dựa vào bản đồ sang số như Hình 14 Thời điểm sang số phụ thuộc vào 2 thông số là tốc độ xe và độ mở cánh bướm ga Các giá trị này được lưu trong bộ nhớ ECU, đóng vai trò như các bảng tra

(look-up table) ECU có thể điều khiển sang số dựa vào các câu lệnh điều kiện Dựa

vào bản đồ sang số ta có thể phát biểu 1 câu điều kiện như sau

Nếu độ mở cánh bướm ga là 50% và tốc độ nhỏ hơn 1500 vòng/phút

elseif alpha = 0.5 and n < 2500

Hình 14: Bản đồ sang số

Đối với các hệ thống phức hợp và phi tuyến như việc điều khiển sang số, fuzzy logic

sẽ phát huy tác dụng Chúng ta hãy thiết lập bộ điều khiển fuzzy logic để có thể tính toán được thời điểm sang số một cách đơn giản và hiệu quả

Trước hết, bộ điều khiển sử dụng 2 tín hiệu đầu vào là độ mở cánh bướm ga và tốc độ

xe chứ không phải chỉ một tín hiệu đầu vào như trong ví dụ trước

Bằng cách Edit > Add variable > Input ta sẽ thêm được tín hiệu đầu vào thứ 2 như Hình 15

11

Hình 15 Bộ điều khiển sang số bằng fuzzy logic

Mở khối độ mở cánh bướm ga Alpha, điều chỉnh các thông số như Hình 16 Trong đó, khoảng giá trị [0, 1] ứng với % độ mở cánh bướm ga 3 hàm tính thành viên xác định 3

tập fuzzy thể hiện 3 vị trí: đóng hoàn toàn (Closed), mở trung bình (Middle), mở hoàn toàn (Opened) 3 hàm tính thành viên này dạng trimf

Hình 16 Khối hàm tính thành viên Alpha

Mở khối tốc độ Speed và điều chỉnh các thông số như Hình 16 Trong đó khoảng giá trị [0, 300] thể hiện dải tốc độ xe có thể đạt được 3 hàm tính thành viên cũng dạng trimf Click vào từng đường để thay đổi tên, kéo và thả để di chuyển các đỉnh

12