Thiết kế hệ thống điều khiển tự động cung cấp nhiên liệu cho động cơ ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRẦN HƯNG THƯ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ Ơ TƠ Chuyên ngành : Tự động hĩa Mã số: 60.52.60 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Đà Nẵng – năm 2012 Cơng trình được hồn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Thành Bắc Phản biện 1: Phản biện 2: Luận văn sẽ được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Tự động hĩa họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày ... tháng 06 năm 2012. Cĩ thể tìm hiều luận văn tại: - Trung tâm Thơng tin-Học liệu, Đại học Đà Nẵng. - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng. 1 MỞ ĐẦU 1. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Thiết kế hệ thống điều khiển tự động cung cấp nhiên liệu cho động cơ ơ tơ nhằm mục đích: - Loại bỏ hiện tượng kẹt hoặc bĩ hay xảy ra với cơ cấu bướm ga điều khiển bằng cơ khí do lị xo bướm ga khơng thể hồi về. Điều này ngăn cản bướm ga đĩng lại (gây hiệu ứng chạy quá ở động cơ). - Bướm ga điều khiển điện tử cũng giúp giảm khí thải và cải thiện mức độ tiêu hao nhiên liệu ở động cơ. - Ưu điểm chính của bướm ga điều khiển điện tử chính là nĩ cho phép động cơ cĩ thể kết hợp điều khiển momen với điều khiển hành trình chạy xe, điều khiển lực kéo và điều khiển ổn định. 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu của đề tài là điều khiển mơ tơ điện một chiều quay bướm ga trong động cơ xe Toyota đời 5A-FE. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về hệ thống điều khiển cấp nhiên liệu, sự ảnh hưởng của các thơng số, gĩc mở của bướm ga đến hệ thống. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về các phương pháp điều khiển động cơ một chiều và thiết kế hệ thống điều khiển tự động cung cấp nhiên liệu cho động cơ ơ tơ. Thiết kế hệ thống điều khiển vị trí bướm ga và mơ phỏng kết quả trên phần mềm Matlab Sinmulink. 2 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu tổng quan về hệ thống điều khiển bướm ga điện tử, hệ thống cấp nhiên liệu cho động cơ ơ tơ, các cảm biến sử dụng trong ơ tơ và khối cấp giĩ của động cơ. Nguyên cứu các kỹ thuật điều khiển vị trí cho động cơ DC: điều khiển mờ, thích nghi, neural, PID... và lựa chọn phương án thiết kế hệ thống. Mơ hình hĩa và mơ phỏng hệ thống điều khiển vị trí bướm ga dùng động cơ DC bằng phần mềm Matlab. 4. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ĐỀ TÀI Tối ưu hĩa quá trình cung cấp nhiên liệu, giảm thiểu ơ nhiễm mơi trường và các vấn đề khác liên quan đến kỹ thuật điều khiển hệ thống tự động. Cĩ thể kết hợp với một số bộ điều khiển khác và tích hợp thêm một số cảm biến trên ơ tơ nhằm tăng độ an tồn cho người điều khiển xe, mở ra phương pháp điều khiển mới tối ưu. 5. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN Chương 1: Tổng quan về hệ thống cung cấp nhiên liệu điện tử trên ơ tơ. Chương 2: Động cơ điện một chiều và các phương pháp điều khiển vị trí động cơ điện 1 chiều. Chương 3: Thiết kế hệ thống tự động cung cấp nhiên liệu dùng động cơ điện một chiều. Chương 4: Điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu trên động cơ ơ tơ ứng dụng điều khiển mờ. 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU ĐIỆN TỬ TRÊN Ơ TƠ 1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ SỬ DỤNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU 1.1.1. Hệ thống cung cấp nhiên liệu đã và đang sử dụng 1.1.2. Hệ thống cung cấp nhiên liệu trên động cơ xăng 1.2. HỆ THỐNG ETCS-I 1.2.1. Mơ tả Gĩc mở của bướm ga thơng thường được điều khiển trực tiếp bằng dây cáp nối từ bàn đạp ga đến bướm ga để mở và đĩng nĩ. Trong hệ thống này, dây cáp được loại bỏ, và ECU động cơ dùng mơtơ điều khiển bướm ga để điều khiển gĩc mở của bướm ga đến một giá trị tối ưu tương ứng với mức độ đạp bàn đạp ga. Ngồi ra, gĩc mở của bàn đạp ga được nhận biết bằng cảm biến vị trí bàn đạp ga, và gĩc mở của bướm ga được nhận biết bởi cảm biến vị trí bướm ga. Hệ thống ECTS-i bao gồm cảm biến vị trí bướm ga, ECU động cơ và cổ họng giĩ. Cổ họng giĩ bao gồm bướm ga, mơtơ điều khiển bướm ga, cảm biến vị trí bướm ga và các bộ phận khác. Trong đĩ ECM(Engine Control Unit) là một modul của ECU. 1.2.2. Cấu tạo và hoạt động Gĩc mở của bướm ga thơng thường được điều khiển trực tiếp bằng dây cáp nối từ bàn đạp ga đến bướm ga để mở và đĩng nĩ. Trong hệ thống này, dây cáp được loại bỏ, và ECU động cơ dùng mơtơ điều khiển bướm ga để điều khiển gĩc mở của bướm ga đến 4 một giá trị tối ưu tương ứng với mức độ đạp bàn đạp ga. Ngồi ra, gĩc mở của bàn đạp ga được nhận biết bằng cảm biến vị trí bàn đạp ga, và gĩc mở của bướm ga được nhận biết bởi cảm biến vị trí bướm ga. Hệ thống ECTS-i bao gồm cảm biến vị trí bướm ga, ECU động cơ và cổ họng giĩ. Cổ họng giĩ bao gồm bướm ga, mơtơ điều khiển bướm ga, cảm biến vị trí bướm ga và các bộ phận khác. Hình 1.4. Hệ thống điều khiển bướm ga điện tử thơng minh 1.2.2.1. Cấu tạo và hoạt động của cổ họng giĩ 1.2.2.2. Các chế độ điều khiển ETCS-i điều khiển gĩc mở của bướm ga đến giá trị tối ưu nhất tùy theo mức độ nhấn của bàn đạp ga. Về cơ bản, động cơ sử dụng chế độ bình thường, nhưng cĩ thể dùng cơng tắc điều khiển để chuyển sang chế độ cơng suất cao hay đi đường tuyết. + Điều khiển chế độ thường Đây là chế độ điều khiển cơ bản để duy trì sự cân bằng giữa tính dễ vận hành và chuyển động êm. 5 + Điều khiển chế độ đường trơn trượt Chế độ điều khiển này giữ cho gĩc mở bướm ga nhỏ hơn so với chế độ bình thường để tránh trượt khi lái xe trên đường trơn trượt trong trường hợp này ma sát bánh xe với mặt đường nhỏ do vậy ở chế độ này động cơ xe chạy ở tốc độ thấp để đảm bảo khơng bị trơn trượt ví dụ như đường cĩ tuyết rơi. + Điều khiển chế độ cơng suất cao Ở chế độ này, bướm ga mở lớn hơn so với chế độ bình thường. Do đĩ, 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 thường. Chế độ này chỉ cĩ ở một số kiểu xe. 1.3. CÁC CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH 1.3.1. Các cảm biến 1.3.1.1. Cảm biến vị trí bướm ga (TPS) 1.3.1.2. Cảm biến vị trí bàn đạp ga APPS 1.3.2. Cơ cấu chấp hành 1.3.3. Mơ tơ điều khiển bướm ga 1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Trong chương tác giả đã giới thiệu tổng quan về hệ thống cung cấp nhiên liệu trên ơ tơ, hệ thống điều khiển bướm ga điện tử thơng minh và các cảm biến được sử dụng trong hệ thống điều khiển ơ tơ. Các khái quá trên sẽ làm cơ sở lý thuyết để thiết kế hệ thống điều khiển bướm ga điện tử sử dụng động cơ điện 1 chiều 24V được trong chương 3. 6 CHƯƠNG 2 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 2.1. KHÁI QUÁT CHUNG Hiện nay động cơ điện một chiều vẫn được dùng rất phổ biến trong các hệ thống truyền động điện chất lượng cao, dải cơng suất động cơ một chiều từ vài W đến hàng MW. Đây là loại động cơ đa dụng và linh hoạt, cĩ thể đáp ứng yêu cầu mơmen, tăng tốc, và hãm với tải trọng nặng. Động cơ điện một chiều cũng dễ dàng đáp ứng với các truyền động trong khoảng điều khiển tốc độ rộng và đảo chiều nhanh với nhiều đặc tuyến quan hệ mơmen - tốc độ, tốc độ - vị trí. Trong động cơ điện một chiều, bộ biến đổi điện chính là các mạch chỉnh lưu điều khiển. Chỉnh lưu được dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ. 2.1.1. Mơ tả tốn học 2.1.1.1. Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều 2.1.1.2. Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều 2.2.2.3. Trường hợp khi từ thơng kích từ khơng đổi 2.1.2. Mơ tả tốn học chỉnh lưu điều khiển 2.2. ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ VÀ NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ 2.2.1. Nguyên tắc xây dựng hệ điều chỉnh vị trí 2.2.2. Hệ điều chỉnh vị trí tuyến tính 7 2.3. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ PID CHO ĐỘNG CƠ DC 2.3.1. Các thơng số ban đầu 2.3.1.1. Biến dịng đo lường Tính chất của bộ biến dịng tương tự với bộ chỉnh lưu, ta cĩ hàm truyền bộ biến dịng là: . 2.3.1.2. Máy phát tốc Hàm truyền của máy phát tốc cĩ dạng: 2.3.1.3. Cảm biến vị trí Hàm truyền của cảm biến phản hồi vị trí cĩ dạng: 2.3.2. Tổng hợp các mạch vịng điều khiển 2.3.2.1. Tổng hợp mạch vịng dịng điện Trên hình 2.12 là sơ đồ mạch vịng điều chỉnh dịng điện. Hình 2.12. Sơ đồ mạch vịng điều chỉnh dịng điện Trong đĩ: 8 u u u L R T = : Hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng Ki=Rs: Điện trở của mạch Sensor Ti=R.C : Hằng số thời gian của sensor dịng điện. J : Momen quán tính Viết ngắn gọn lại ta cĩ sơ đồ như trên hình 2.13. Hình 2.13. Mạch vịng dịng điện Từ sơ đồ trên hình 2.12 và hình 2.13 ta cĩ hàm truyền của đối tượng điều khiển của mạch vịng điều chỉnh dịng điện:       += + = PTTKK TR R TKKp PTpR usiicl uu u si icl u i 11 ...2 . ...2 1)( (2.23) Ri(p) là khâu tỷ lệ - tích phân (PI). Hình 2.14. Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh tốc độ và vị trí 2.3.2.2. Tổng hợp mạch vịng tốc độ Viết gọn sơ đồ hình 2.14 ta cĩ sơ đồ mạch vịng điều chỉnh tốc độ như trên hình 2.15. 9 Hình 2.15. Sơ đồ mạch vịng điều chỉnh tốc độ sww Ci w TKR TCuKpR 2.. ..)( = (2.25) Vậy Rω(p) là khâu tỷ lệ (P). Tiêu chuẩn này được sử dụng khi hệ thống khởi động đã mang tải, lúc đĩ ta khơng coi IC là nhiễu nữa. 2.3.2.3. Tổng hợp mạch vịng vị trí Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh vị trí cịn lại như hình 2.16. Hình 2.16. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh vị trí Trong đĩ: i K r 1 = : Hệ số khuếch đại của bộ truyền lực. (2.28) Tsω =Tω + 2Tsi = Tω+ 2(Tdk + Tv + Ti ) (2.29) Khi dùng chuẩn tối ưu module. ωωω ω KpTp p sd 1 . 41 1 )( )( + = (2.31) 10 Nếu khi tổng hợp mạch vịng vị trí Rϕ(p) dùng chuẩn tối ưu modul, ta cĩ hàm truyền của bộ điều khiển vị trí như sau: )41( 2.. )( pT TKK KpR s r ω ϕϕ ω ϕ += (2.36) Sau khi tổng hợp ra các bộ điều khiển, ta cĩ sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển vị trí động cơ điện một chiều như trên hình 2.16. Rϕ(p) cũng là khâu tỷ lệ – đạo hàm (PD). 2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 Chương 2 cho ta một cách nhìn tổng quát về hệ điều khiển vị trí, sự ứng dụng phổ biến và rộng rãi của hệ điều khiển vị trí trong cơng nghiệp. Các khâu trong hệ điều khiển vị trí đều được phân tích và mơ hình hố, tuyến tính hố khi cần thiết phục vụ cho quá trình mơ phỏng hệ thống. Hệ điều khiển vị trí tuyến tính được thiết kế theo phương pháp kinh điển nĩ đã được tổng hợp dựa vào các tiêu chuẩn tối ưu modul và tiêu chuẩn tối ưu đối xứng nhằm đạt được chất lượng điều khiển tốt nhất. Tuy vậy đã chứng minh được đặc tính điều khiển của bộ điều khiển vị trí là phi tuyến nên để nâng cao chất lượng điều khiển của hệ thống thì việc thực hiện bộ điều khiển vị trí phi tuyến là cần thiết và vơ cùng cấp bách đặc biệt khi cần thiết kế các hệ điều khiển vị trí đáp ứng được các chỉ tiêu chất lượng cao và rất cao về thời gian quá độ ngắn, độ chính xác cao... 11 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU DÙNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 3.1 TÍNH TỐN CÁC THAM SỐ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ BƯỚM GA Cảm biến vị trí của bàn đạp ga biến đổi mức đạp xuống của bàn đạp ga (gĩc) thành một tín hiệu điện được chuyển đến ECU động cơ. Ngồi ra, để đảm bảo độ tin cậy, cảm biến này truyền các tín hiệu từ hai hệ thống cĩ các đặc điểm đầu ra khác nhau. Cảm biến này cũng cĩ hai loại cảm biến : loại tuyến tính và loại phần tử Hall. Trong thiết kế này sử dụng loại phần tử Hall. Điện áp điều khiển được lấy từ cảm biến vị trí bàn đạp ga. Khi điện áp ra của cảm biến là 0V, tức là chưa cĩ tín hiệu điều khiển nhưng lúc khởi động máy thì điện áp đặt vào hệ thống là 0,5V ứng với gĩc mở của bướm ga là 100 để duy trì máy hoạt động ở chế độ garanty. Gĩc mở của bướm ga tăng tỉ lệ thuận với điện áp điều khiển đầu vào. Điện áp ra của cảm biến là 4,5V ứng với gĩc mở hồn tồn của bướm ga là 900. 3.1.1. Các thơng số cơ bản 3.1.2. Tính tốn các thơng số và xây dựng hàm truyền động cơ điện một chiều 12 Hình 3.2. Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Từ sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập dùng để tính tốn các tham số trình bày trên hình 3.2. Hàm truyền động cơ cĩ dạng: ( ) )1161,0( 35,17 1 )( + = + = sssTs k sK dc dc dc 3.1.3. Tính tốn các thơng số và xây dựng hàm truyền cho hệ thống Hình 2.14. Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí - Vịng điều khiển dịng điện       +=+= − ppTTKK TR pR usiibd uu i 026,0 11 10.6,4.85,1.24.2 026,0.56,7)11( ..2 .)( 3 Vậy ta cĩ hàm truyền của bộ điều khiển dịng điện như sau: 13       += p pRi 026,0 1148,0)( (3.18) - Vịng điều khiển tốc độ Ta cĩ hàm truyền bộ điều khiển tốc độ như sau: 324,1 10.2,10.2.10.23,7.56,7 0114,0.07,0.85,1 2.. ..)( 33 === −− ωω ω s Ci TKR TCuKpR (3.21) Vậy )( pRω là khâu tỉ lệ (P). 9474 0114,0.07,0 56,7 . === C kd TCu RK (3.22) - Vịng điều khiển vị trí Bộ điều chỉnh vị trí Rϕ(p) )10.2,10.21( 3,0.2.10.10.4 .10.23,7)21( 2.. )( 33 3 ppT TKK KpR s r − − − +=+= pi ω ϕϕ ω ϕ )02,01(24,0)( ppR +=ϕ (3.23) 3.2. MƠ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ KHI CHƯA CĨ BÙ MỜ Thay các thơng số đã tính được và dùng phần mềm Simulink ta cĩ sơ đồ mơ phỏng hệ điều chỉnh vị trí như trên hình 3.3 Cho chạy chương trình mơ phỏng với nhiều giá trị của vị trí đặt khác nhau ta cĩ kết quả như các đồ thị vẽ được ở các hình 3.12 đến hinh 3.15. Ba chỉ tiêu chất lượng của hệ thống là độ quá điều chỉnh σmax, thời gian quá độ Tmax, và số lần dao động n sẽ do các yêu cầu thiết kế đặt ra. 14 3.2.1. Sơ đồ mơ phỏng hệ thống điều khiển vị trí bướm ga Hình 3.3. Sơ đồ mơ phỏng hệ điều khiển vị trí dùng động cơ DC 15 3.2.2. Kết quả tốc độ và vị trí bướm ga ứng với từng mức điện áp điều khiển 3.2.3. Kết quả đáp ứng tốc độ và vị trí của động cơ theo thời gian tăng ga + Tốc độ: 0 2 4 6 8 10 -50 0 50 100 150 200 250 300 0.5V 1V 2V 3V 5V Hình 3.12. Đáp ứng tốc độ của động cơ với tín hiệu điều khiển tối đa 5V theo thời gian tăng ga Với tín hiệu điều khiển là hàm ramp và giới hạn điện áp điều khiển là 5V ta cĩ biểu đồ thể hiện tốc độ động cơ theo thời gian tăng tốc thực tế sau 4s khởi động như hình 3.12. Qua hình 3.12 ta thấy khi thời gian tăng tốc càng nhanh thì tốc độ động cơ dao động lớn, khi thời gian tăng tốc càng nhỏ thì độ dao động nhỏ, điều này ảnh hưởng tới đáp ứng vị trí của hệ thống như sau: 16 + Vị trí: 0 2 4 6 8 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 5V 3V 2V 1V 0.5V Hình 3.13. Đáp ứng vị trí của động cơ với tín hiệu điều khiển tối đa 5V theo thời gian tăng ga Nhận xét: Theo biểu đồ mối quan hệ đáp ứng vị trí theo thời gian tăng tốc như hình trên ta thấy: - Thời gian tăng tốc càng nhanh thì tốc độ động cơ tăng càng nhanh nhưng độ quá điều chỉnh về vị trí lớn vì do quán tính của động. Khi thời gian tăng tốc càng nhỏ thì độ quá điều chỉnh vị trí càng giảm. - Vị trí bướm ga cũng tăng tỉ lệ thuận với tốc độ, tốc độ càng nhanh thì đáp ứng vị trí đến gĩc mở 900 cũng càng nhanh và ngược lại. 17 3.2.4. Kết quả đáp ứng tốc độ và vị trí tối thiểu của động cơ theo thời gian giảm ga + Tốc độ: 0 2 4 6 8 10 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 0.5V 5V 1V 2V 3V Hình 3.14. Đáp ứng tốc độ của động cơ với tín hiệu điều khiển tối thiểu -5V theo thời gian giảm ga Khi giảm ga thì động cơ quay với chiều ngược lại để đưa vị trí bướm ga quay theo chiều ngược lại để giảm lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ ơ tơ, giảm tốc độ động cơ ơ tơ. + Vị trí: 0 2 4 6 8 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 0.5V 1V 2V 3V 5V Hình 3.14. Đáp ứng vị trí của động cơ với tín hiệu điều khiển tối thiểu -5V theo thời gian giảm ga 18 Khi giảm ga, tức đặt giá trị điều khiển theo chiều âm cho động cơ quay ngược thì đáp ứng chỉ tiêu chất lượng vị trí tương tự như chiều tăng ga. Động cơ điều khiển vị trí bướm ga được lắp thêm hộp giảm tốc, ngồi tác dụng giảm tốc của động cơ để truyền đến trục bướm ga thì cịn cĩ tác dụng giữ bướm ga quay với giới hạn vị trí từ 00 đến 900 qua các cơ cấu cơ khí. 3.3. SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHIỀU QUAY BƯỚM GA 3.3.1. Mở bướm ga 3.3.2. Đĩng bướm ga Hình 3.16. Bướm ga đĩng quay theo chiều kim đồng hồ 3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 Qua chương 3 ta thấy hệ thống được thiết kế với bộ điều khiển như trên ổn định, tuy đáp ứng về tốc độ chưa cao, hệ cĩ dao động nhưng vẫn đáp ứng được yêu cầu đáp ứng vị trí của hệ. Theo kết quả như trên ta thấy thời gian đáp ứng vị trí của hệ đạt yêu cầu so với cơng nghệ. Thực tế ta thấy thời gian ổn định vị trí của 19 hệ thống lâu xấp xỉ 4s do đĩ trong chương 4 tác giả sử dụng bộ điều khiển mờ bù vị trí của hệ bằng cách bù tín hiệu điện áp điều khiển đầu vào nhằm đạt thời gian ổn định nhanh,giảm độ vọt lố của hệ. CHƯƠNG 4 ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU TRÊN ĐỘNG CƠ Ơ TƠ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ 4.1. BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ 4.1.1. Phân tích tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí 4.1.2. Sự cần thiết của bộ điều khiển mờ 4.2. XÂY DỰNG KHÂU BÙ MỜ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU CỦA HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU 4.2.1 Mờ hĩa 4.2.2 Luật điều khiển và luật hợp thành Bảng các luật điều khiển mờ STT Gĩc quay Bù tốc độ Số mệnh đề 1 AV Z 1 2 AN Z 1 3 Z Z 1 4 DN DN 1 5 DV DL 1 4.2.3 Bộ giải mờ 4.3. MƠ PHỎNG HỆ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ BƯỚM GA CĨ BÙ MỜ 20 4.3.1. Sơ đồ mơ phỏng hệ thống điều khiển vị trí bướm ga Hình 4.6. Sơ đồ mơ phỏng hệ điều chỉnh vị trí khi sử dụng khâu bù mờ VI TR I P H TO CD O 0. 5 TH DA T 0 TA I PI D Rw PI D Rv PI D Ri 1 s Ra m p1 1 0. 02 s+ 1 Ra m p 10 /pi 0. 3s + 1 PH VT 2. 89 e- 3 0. 00 1s + 1 PH TD 1. 85 0. 00 2s + 1 PH DD HC TD - K- Ga in 1 GO C QU AY BU OM GA FU ZZ Y 0. 50 4 0. 15 83 1 0. 01 s+ 1 17 . 35 0. 16 1s + 1 DT DK DO NG 1 25 2. 6s DO I T OC 21 4.3.2. Chương trình mơ phỏng viết trên M – File 4.3.3. Kết quả mơ phỏng 4.3.2.1. Với Uϕ đặt = 0,5 V 4.3.2.2. Với Uϕ đặt = 5 V 4.3.2.3 Với Udk là hàm ramp Với tín hiệu điều khiển là hàm ramp tức là điện áp điều khiển tăng và giảm theo từng thời gian tùy theo mức độ đạp ga của người điều khiển, ta cĩ đáp ứng vị trí như sau: 0 2 4 6 8 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 5V 3V 2V 1V 0.5V 0 2 4 6 8 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 5V data2 data3 1V 0.5V Hình a. Chưa cĩ bộ điều khiển mờ Hình b. Cĩ bộ điều khiển mờ Hình 4.11. Đồ thị mơ phỏng vị trí tăng ga khi Udk đặt sau 3s 0 2 4 6 8 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 0.5V 1V 2V 3V 5V 0 2 4 6 8 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 0.5V 1V 2V 3V 5V Hình a. Chưa cĩ bộ điều khiển mờ Hình b. Cĩ bộ điều khiển mờ Hình 4.12. Đồ thị mơ phỏng vị trí giảm ga khi Udk đặt sau 4s Tùy theo mức độ đạp ga nhanh hay chậm của người điều khiển mà động cơ quay nhanh hay chậm để bướm ga đạt đến vị trí mong 22 muốn. Với tín hiệu điều khiển đặt vào hệ thống cĩ thời gian nhất định thì chỉ tiêu chất lượng của hệ thống cĩ bộ điều khiển mờ cao hơn, độ quá điều chỉnh thấp hơn, và thời gian quá độ giảm, hệ thống nhanh đạt tới vị trí mong muốn của người điều khiển. Bên cạnh đĩ ta cĩ thể kết hợp thêm các cảm biến khác như cảm biến áp suất đường ống nạp, cảm biến nhiệt độ khí nạp, cảm biến lượng ơ xy trong khơng khí... để kết hợp vào bộ điều khiển mờ để bù vị trí cho hệ khi ơ tơ hoạt động ở các chế độ khác nhau như chế độ đường trường, đường dốc, đường tuyết, chế độ tiết kiệm nhiên liệu ... 4.4. CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG Trên cơ sở thiết kế mạch và kết quả như trong mục 4.3. tác giả mở rộng chế độ làm việc của hệ thống khi ơ tơ vận hành trên đường tuyết, đường trơn trượt hoặc đường dốc, đường trường bằng cách thay đổi tín hiệu điều khiển đặt vào hàm Ramp. 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 Power Mode Normal Mode Snow Mode Hình 4.13. Đồ thị quan hệ giữa vị trí bướm ga với điện áp điều khiển từ chân ga điện tử 23 4.4.1. Chế độ bình thường (Normal Mode) Chế độ bình thường là chế độ làm việc thường xuyên bảo đảm động cơ vận hành tốt và chuyển động êm dịu. 4.4.2. Chế độ đường tuyết (Snow Mode) Khi gĩc bàn đạp ga là khơng đổi so với chế độ bình thường, nhưng cĩ sự can thiệp của hệ thống chống trượt (Skid Control ECU), ECU sẽ điều khiển bướm ga mở nhỏ hơn bình thường bằng cách thay đổi tín hiệu điều khiển đầu vào để đảm bảo ơtơ làm việc ổn định. 4.4.3. Chế độ cơng suất (Power Mode) Trên ơtơ cĩ trang bị contact Power. Khi contact on, ECU sẽ điều khiển tăng tỉ số từ bàn đạp ga đến gĩc mở bướm ga làm tăng cơng suất động cơ bằng cách tăng tín hiệu điều khiển đầu vào của mạch. 4.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 Trong chương 4 tác giả đã giải quyết được các vấn đề liên quan tới chế độ vận hành của ơ tơ. Với kết quả mơ phỏng ở trên ta nhận thấy rằng với bộ điều khiển bù mờ như đã thiết kế thì chất lượng của hệ thống luơn luơn được đảm bảo khi ta thay đổi vị trí đặt ở tín hiệu đầu vào, giảm được thời gian quá độ của hệ thống. Kết quả mơ phỏng thu được hồn tồn phù hợp với các kết quả nghiên cứu lý thuyết, điều này chứng tỏ rằng thuật tốn và cách thức xây dựng bộ điều khiển bù mờ là đúng đắn và chính xác. Độ quá điều chỉnh, thời gian quá độ, số lần dao động của hệ truyền động đều tốt, nhất là độ quá điều chỉnh và thời gian quá độ rất nhỏ. 24 Kết quả mơ phỏng một lần nữa đã minh chứng và khẳng định rằng lý thuyết điều khiển mờ hồn tồn cĩ thể đảm ứng được yêu cầu chất lượng điều khiển của hệ điều khiển tự động cung cấp nhiên liệu trên ơ tơ. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Luận văn đã thành cơng trong việc ứng dụng điều khiển mờ để điều khiển vị trí bướm ga ơ tơ sử dụng động cơ DC. Động cơ DC được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điều khiển làm cơ sở để thiết kế nên những hệ thống tối ưu hơn bằng cách kết hợp các cảm biến nhằm điều khiển ơ tơ hoạt động hiệu quả. Việc ứng dụng mơ hình bù mờ cĩ khả năng kết hợp nhiều cảm biến như cảm biến ơxy, cảm biến áp suất đường ống nạp và các cảm biến khác nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu cho động cơ, giảm lượng khí thải. Đồng thời hệ thống đã thiết kế trên được lắp đặt trong ECU động cơ kết hợp với các hệ thống khác như hệ thống phanh ABS, hệ thống lái tự động.. nhằm tối ưu hĩa quá trình cung cấp nhiên liệu. Luận văn này, tác giả đã giải quyết được vấn đề đã đặt ra tuy nhiên đề tài chỉ dừng lại ở việc điều khiển vị trí bướm ga cho động cơ, chưa kết hợp với các hệ thống điều khiển trên ơ tơ để vận hành ở nhiều chế độ khác nhau như chế độ đường trường, đường tuyết, đường trơn trượt, đường dốc... Đây cũng là hướng phát triển của đề tài tiếp theo.