Luận án tiến sĩ: Thiết kế bộ quan sát hệ số trượt và ước lượng tốc độ cho ô tô điện - Võ Duy Thành

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Võ Duy Thành NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ QUAN SÁT HỆ SỐ TRƯỢT VÀ ƯỚC LƯỢNG TỐC ĐỘ TUYỆT ĐỐI CHO ĐIỀU KHIỂN LỰC KÉO CỦA Ô TÔ ĐIỆN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội, 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Võ Duy Thành NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ QUAN SÁT HỆ SỐ TRƯỢT VÀ ƯỚC LƯỢNG TỐC ĐỘ TUYỆT ĐỐI CHO ĐIỀU KHIỂN LỰC KÉO CỦA Ô TÔ ĐIỆN Ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. Tạ Cao Minh Hà Nội, 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ "Nghiên cứu thiết kế bộ quan sát hệ số trượt và ước lượng tốc độ tuyệt đối cho điều khiển lực kéo của ô tô điện" là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của người hướng dẫn khoa học. Các kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa được công bố bởi bất kỳ tác giả nào khác. Toàn bộ các nội dung kế thừa và tham khảo đều được trích dẫn, tham chiếu đầy đủ.

Hà Nội, ngày 3 tháng 7 năm 2019 Giáo viên hướng dẫn Nghiên cứu sinh i LỜI CẢM ƠN Một điều dễ nhận thấy đối với việc nghiên cứu và hoàn thành một quyển báo cáo là phần Kết luận được đặt ở cuối quyển lại là phần mà người nghiên cứu sẽ phải hoàn thành nội dung của nó đầu tiên; trong khi đó, phần Lời cảm ơn đặt ở đầu quyển thì được viết sau cùng. Không phải bởi vì tầm quan trọng của các phần này mà bởi vì chỉ sau khi chúng ta hoàn thành xong toàn bộ và đóng gói được một quyển luận án thì ta mới nhìn lại cả một chặng đường dài làm việc và thầm cảm ơn những người đã đi cùng ta trong suốt thời gian đó. Tôi chính thức bảo vệ đề cương Nghiên cứu sinh vào đầu tháng 5/2013 với tên đề tài ban đầu được gợi ý bởi Tiến sĩ Nguyễn Bình Minh, người đã có nhiều công trình nghiên cứu thành công về ô tô điện tại Nhật Bản. Sau khi trình bày đề cương, có không ít ý kiến cho rằng, đề tài này khó làm, thiếu tính thực tiễn, không có cơ sở nghiên cứu trên thế giới.

Bản thân mình tại thời điểm đó, tôi cũng tự nhận thấy rằng nội dung đã đề xuất khá mơ hồ và thiếu tính hàn lâm. Phải mất khá nhiều thời gian kiên trì tìm hiểu, trao đổi và khám phá, cộng với sự động viên, giúp đỡ của người thầy hướng dẫn khả kính và tận tụy, Phó Giáo sư Tạ Cao Minh, tôi mới thấy thực sự yêu thích đề tài này và biết rằng mình đã có những lựa chọn sáng suốt. Vì vậy, lời cảm ơn đầu tiên tôi xin được gửi tới người thầy của tôi, Phó Giáo sư Tạ Cao Minh, người đã không quản ngại thời gian, công sức đi cùng tôi từ đầu tới cuối công trình, người đã kiên trì giải thích, hỗ trợ, giảng giải những khúc mắc trong quá trình nghiên cứu, kể cả những câu hỏi "ngu ngơ" nhất, người đã bỏ cả những bữa tối với gia đình chỉ để nghe tôi trình bày các ý tưởng và sửa chữa những sai sót trong các công trình nghiên cứu. Với thầy, tôi được là chính mình trong con người của khoa học, được dũng cảm thể hiện tất cả những gì mình đang thiếu sót mà không cảm thấy bất kỳ ngại ngùng gì.

Cảm ơn Tiến sĩ Nguyễn Binh Minh vì gợi ý ban đầu cho đề tài nghiên cứu, mặc dù đã có những sự thay đổi, bổ sung nhất định nhưng xương sống và định hướng của đề tài vẫn được giữ vững từ đầu tới cuối công trình. Mỗi lần báo cáo định kỳ các kết quả nghiên cứu tại đơn vị đào tạo, Bộ môn Tự động hóa Công nghiệp, Viện Điện, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, luôn có một người thầy phản biện rất gay gắt. Mỗi lần báo cáo như vậy là những cuộc tranh luận rất sôi nổi và thẳng thắn. Chỉ tới khi tôi trình bày hoàn chỉnh các nghiên cứu của tôi một cách có hệ thống, kết hợp với quá trình triển khai thực nghiệm, tôi mới nhận được "cái gật đầu" của thầy.

Tôi nhận thấy rằng, những cuộc tranh luận, những ý kiến phản biện gay gắt mà sắc sảo đó đã tạo động lực nghiên cứu cho tôi, kích thích tính "hiếu thắng khoa học", và đôi khi, sự đồng ý của thầy giống như một đích đến mà tôi luôn nỗ lực hết sức để đạt được. Nếu không có những sự kiện ấy, tôi không biết tới bao giờ mới hoàn thành được nghiên cứu này. Người thầy đó là thầy Phó Giáo sư Trần Trọng Minh. Xin cảm ơn thầy vì tất cả sự quan tâm, sát sao, động viên và chỉ bảo trong suốt thời gian qua.

Tôi cũng xin được cảm ơn các thầy cô giáo trong Bộ môn Tự động hóa, nơi tôi công tác, các anh chị em đồng nghiệp đã động viên, cổ vũ tôi để tôi cảm nhận được niềm vui trong ii nghiên cứu khoa học. Tôi xin đặc biệt cảm ơn các thầy Phó Giáo sư Nguyễn Văn Liễn, Phó Giáo sư Bùi Quốc Khánh, Giáo sư Nguyễn Phùng Quang vì sự quan tâm, góp ý, động viên và coi tôi như một người con của Tự động hóa. Đồng thời, tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy Phó Giáo sư Hồ Hữu Hải và Phó Giáo sư Đàm Hoàng Phúc đang công tác tại Viện Cơ khí Động lực, ĐH BKHN vì những trao đổi cũng như góp ý để hoàn thiện những thiếu sót của một "kẻ ngoại đạo" của ngành ô tô như tôi. Tại Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng và Sáng tạo Công nghệ, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tôi có những người đồng nghiệp, người bạn đã cho tôi không khí nghiên cứu khoa học đúng nghĩa bằng những trao đổi chuyên môn, những thảo luận chi tiết, đi vào bản chất của các vấn đề nghiên cứu.

Cám ơn bạn Nguyễn Bảo Huy vì những trao đổi rất hiệu quả. Mỗi lần Huy về nước là mỗi lần "không khí khoa học" của Trung tâm lại được thổi bùng lên một cách hứng khởi. Cám ơn chị Nguyễn Thu Hà, mặc dù chuyên môn về Kinh tế nhưng vẫn kiên trì ngồi nghe tôi giải thích các vấn đề khoa học kỹ thuật tưởng như rất khô khan. Có được những kết quả nghiên cứu hôm nay không thể không nhắc tới sự giúp đỡ của các bạn sinh viên ngành Tự động hóa.

Các bạn đã giúp tôi triển khai thực tế các ý tưởng nghiên cứu. Cảm ơn các bạn vì những lần cả thầy và trò đẫm mồ hôi trong xưởng vào những ngày hè để giải mã thông tin trên xe ô tô điện, vì những lần "cẩu" xe ô tô đi Nam Định để đo đạc đặc tính động học, vì những lần bị đói vì cố chạy thực nghiệm nốt lần cuối nhưng mãi chưa thành lần cuối. Đó luôn là những trải nghiệm mà không làm thực sự thì không bao giờ có được. Đồng thời, tôi cũng xin cảm ơn bạn Nguyễn Trung Kiên, giảng viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định và các đồng nghiệp cùng Bộ môn của Kiên đã giúp đỡ tôi trong quá trình làm thực nghiệm và lấy đặc tính trên xe ô tô tại Nam Định.

Cuối cùng và quan trọng nhất vẫn luôn là gia đình. Tôi có một gia đình rất tuyệt vời. Đó là cha mẹ tôi, những người quan tâm động viên nhưng không hề gây sức ép vì sợ tôi đã phải vất vả làm việc, chăm lo cho tôi một cách vô tư nhất và trong thâm tâm tôi luôn biết rằng, cha mẹ rất lo lắng về tiến độ nghiên cứu của tôi nhưng không bao giờ nói ra. Đó là vợ tôi, người bạn đời luôn đi cùng tôi, hỗ trợ tôi cả về vật chất lẫn tinh thần trong những lúc khó khăn nhất, đã "chịu đựng" tôi đi sớm về muộn, giúp tôi gánh vác cuộc sống gia đình.

Đó là con trai tôi, đứa trẻ mà mỗi lần tôi nhìn nó đều là mỗi lần tôi thấy mình được tiếp thêm động lực làm việc. Tôi xin dành lời cảm ơn sâu sắc và chân thành nhất tới gia đình của mình, một chỗ dựa vững chắc nhất mà tôi không thể tìm thấy được ở bất kỳ ai khác. Hà Nội, tháng 7 năm 2019. iii Mục lục Mở đầu 1 1 Tổng quan 4 1.1 Khái quát đối tượng nghiên cứu .2 Mục tiêu nghiên cứu .1 Điều khiển chuyển động xe ô tô điện .2 Các trạng thái cơ bản của xe ô tô .3 Giới hạn nội dung nghiên cứu và đề xuất yêu cầu của luận án .3 Tổng quan tình hình nghiên cứu .1 Ước lượng trạng thái xe ô tô điện .2 Các nghiên cứu về điều khiển lực kéo - TCS .4 Đề xuất phương hướng thực hiện nghiên cứu.

27 Kết luận chương. 29 2 Mô hình hóa và mô phỏng xe ô tô điện 30 Tóm tắt nội dung .1 Cấu hình mô hình mô phỏng .2 Mô hình hóa động học và động lực học xe ô tô điện .1 Động học xe ô tô .2 Động lực học xe ô tô .3 Mô phỏng kiểm chứng .3 Xây dựng hệ thống mô phỏng Signal Hardware-in-the-loop cho xe ô tô điện .1 Mô phỏng Hardware-in-the-loop - Định nghĩa và phân loại .2 Cấu hình hệ thống mô phỏng Signal Hardware-in-the-loop cho xe ô tô điện .3 Mô hình hệ thống truyền động xe ô tô điện .4 Thiết kế ghép nối phần cứng và tổng thể hệ thống .4 Kết quả kiểm chứng mô hình .1 Các kịch bản thử nghiệm. 49 Kết luận chương. 52 3 Ước lượng trạng thái xe ô tô điện 53 Tóm tắt nội dung .1 Tổng hợp dữ liệu đa cảm biến - mô hình và một số vấn đề cần giải quyết .2 Nâng cao tốc độ trích mẫu của cảm biến bằng bộ lọc Multirate Kalman .1 Giới thiệu chung .2 Bộ lọc Multirate Kalman .3 Đề xuất cải tiến bộ lọc Multirate Kalman.

60 iv MỤC LỤC 3.4 Kết quả mô phỏng .3 Ước lượng trực tiếp hệ số trượt xe ô tô điện .1 Mô hình thu gọn xe ô tô điện .2 Thiết kế bộ ước lượng trực tiếp hệ số trượt .3 Thiết kế bộ quan sát trực tiếp hệ số trượt .4 Kết quả mô phỏng .4 Ước lượng tốc độ dài sử dụng Tổng hợp dữ liệu đa cảm biến .2 Tổng hợp tối ưu thông tin từ nhiều nguồn dữ liệu .3 Ứng dụng cho ước lượng vận tốc tuyệt đối. 74 Kết luận chương. 75 4 Điều khiển hệ số trượt 77 Tóm tắt nội dung .1 Giới thiệu chung .2 Điều khiển giới hạn hệ số trượt .1 Cấu hình hệ thống điều khiển đề xuất .