Xây dựng mô hình chẩn đoán trạng thái kỹ thuật hệ thống vsc trên ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỢI

TRẦN QUANG HÀ

XÂY DỰNG MƠ HÌNH CHẨN ĐỐN
TRẠNG THÁI KỸ THUẬT HỆ THỐNG VSC TRÊN Ô TÔ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

HÀ NỢI - 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỢI

TRẦN QUANG HÀ

XÂY DỰNG MƠ HÌNH CHẨN ĐỐN
TRẠNG THÁI KỸ THUẬT HỆ THỐNG VSC TRÊN Ô TÔ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
MÃ SỐ : 62520116

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS PHẠM HỮU NAM
2. TS. CHU MẠNH HÙNG

HÀ NỘI - 2017

MỤC LỤC
MỤC LỤC .......................................................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................................................... iv
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.................................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ.................................................................................. vii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................................... 1
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................................................ 5
Đặc điểm chẩn đốn TTKT các hệ thống có ĐKĐT trên ơ tơ .......................................................... 5

Vai trị của chẩn đốn TTKT trên ơ tơ ...................................................................................... 5
Đặc điểm các hệ thống điều khiển điện tử trên ơ tơ hiện đại .................................................. 5
Phân tích các phương pháp phát hiện lỗi trong hệ thống có ĐKĐT .............................................. 11

Các khái niệm cơ bản trong chẩn đoán TTKT....................................................................... 11
Phân tích các phương pháp phát hiện lỗi ................................................................................ 14
Hệ thống VSC trên ô tô ...................................................................................................................... 25

Nhiệm vụ của hệ thống VSC và các tên gọi của hệ thống.................................................... 25
Đặc điểm chẩn đoán phát hiện lỗi trong hệ thống VSC........................................................ 27
Một số cơng trình nghiên cứu trong lĩnh vực chẩn đốn ................................................................ 27

Một số cơng trình ở nước ngồi nghiên cứu chẩn đốn bằng logic mờ .............................. 27
Các cơng trình nghiên cứu ứng dụng lý thuyết mờ ở Việt Nam .......................................... 29
Lựa chọn đề tài và mục tiêu nghiên cứu của luận án ...................................................................... 31
Kết luận chương 1 .............................................................................................................................. 33

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ XÂY DỰNG MƠ HÌNH CHẨN ĐỐN PHÁT HIỆN
LỐI BẰNG HỆ SUY DIỄN MỜ TAKAGI-SUGENO ................................................................ 35
Hệ suy diễn mờ ................................................................................................................................... 35

Khối mờ hóa đầu vào................................................................................................................ 36
Khối cơ sở tri thức..................................................................................................................... 38
Khối suy diễn logic ................................................................................................................... 38
Giải mờ đầu ra ........................................................................................................................... 39
Hệ suy diễn mờ Takagi – Sugeno ...................................................................................................... 40
Xây dựng hệ suy diễn mờ T-S để mô tả hệ thống kỹ thuật ............................................................. 42

Phương pháp tiếp cận................................................................................................................ 42
Xây dựng hệ mờ T-S để mô tả hệ thống được chẩn đoán .................................................... 44
Ảnh hưởng các nhiễu và biến vào không đo được ................................................................ 46
Xây dựng bộ quan sát ........................................................................................................................ 47

Cơ sở tốn học tính thiết kế bộ quan sát UIO......................................................................... 48
Xây dựng bộ quan sát mờ T-S ................................................................................................. 50
-i-


Tính tốn giá trị ngưỡng .................................................................................................................... 51
Sử dụng bộ quan sát mờ T-S để phát hiện trạng thái làm việc có lỗi của hệ thống ...................... 52
Kết luận chương 2 .............................................................................................................................. 55

XÂY DỰNG MƠ HÌNH CHẨN ĐỐN PHÁT HIỆN TRẠNG THÁI LÀM
VIỆC CÓ LỖI CỦA HỆ THỐNG VSC TRÊN XE TOYOTA CAMRY .................................. 56
Hệ thống VSC trên xe Toyota Camry .............................................................................................. 56

Mô tả hệ thống........................................................................................................................... 56
Chế độ điều khiển theo tốc độ góc quay thân xe mong muốn ............................................. 58
Các trạng thái làm việc có lỗi của hệ thống VSC trên xe Toyota Camry ........................... 59
Hệ phương trình trạng thái mô tả động lực học bên của xe ........................................................... 63

Xây dựng hệ suy diễn mờ mô tả động lực học bên .......................................................................... 68
Thiết kế bộ quan sát mờ .................................................................................................................... 71
Tính giá trị ngưỡng ............................................................................................................................ 72
Các trường hợp mô phỏng và phân tích các kết quả ...................................................................... 73

Các trường hợp mơ phỏng ....................................................................................................... 73
Phân tích các kết quả mơ phỏng .............................................................................................. 73
Kết luận chương 3 .............................................................................................................................. 84

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ..................................................................... 85
Mục đích nghiên cứu, đối tượng và thơng số thực nghiệm ............................................................. 85

Mục đích nghiên cứu ................................................................................................................ 85
Đối tượng thực nghiệm............................................................................................................. 85
Thông số đo trong thực nghiệm............................................................................................... 85
Chế tạo bộ thu thập dữ liệu ............................................................................................................... 85

Cơ sở thiết kế, chế tạo bộ thu thập dữ liệu .............................................................................. 86
Thiết kế các mạch của thiết bị .................................................................................................. 86
Kiểm tra sự làm việc của bộ thu thập dữ liệu ......................................................................... 89
Thí nghiệm phát hiện lỗi trong hệ thống VSC xe Camry ............................................................... 97

Mục đích thí nghiệm ................................................................................................................. 97
Điều kiện tiến hành thí nghiệm ................................................................................................ 97
Các thông số đo và trang thiết bị đo, quan sát trong thí nghiệm........................................... 98
Phân tích kết quả các thí nghiệm chẩn đốn phát hiện lỗi hệ thống VSC......................... 102
Các nhận xét và kết luận chương 4 ................................................................................................. 110

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................... 111
Kết luận chung ......................................................................................................................................... 111

Kiến nghị ................................................................................................................................................... 111

- ii -


TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................... 112
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ...................................... 116
PHỤ LỤC ...................................................................................................................................... 117

- iii -


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu Nguồn gốc

Chú giải

TTKT

Trạng thái kỹ thuật

ĐKĐT

Điều khiển điện tử

ABS

Anti-Lock Brake System

Hệ thống chống bó cứng bánh xe

khi phanh

BAS

Brake Assist System

Hệ thống trợ giúp tăng lực đạp
phanh

EFI

Electronic Fuel Injection

Hệ thống phun xăng điện tử

TCS

Traction control system

Hệ thống chống trượt quay bánh
xe

ECU

Electronic Control Unit

Bộ điều khiển điện tử

VSC

Vehicle Stability Control

Hệ thống kiểm soát ổn định thân
xe

OBD

On Board Diagnostic System

Hệ thống chẩn đoán trên xe

Fuzzy logic

Lơ gíc mờ

UIO

Unknown Input Observer

Bộ quan sát đầu vào không rõ

ANN

Artificial Neural Network

Mạng Nơ-ron nhân tạo

FNN

Fuzzy Neural Network

Mạng Nơ-ron mờ

NN

Neural Network

Mạng Nơ-ron

T-S

Takagi-Sugeno

FL

LMI
OBD-2
PIDs
DC

Linear Matrix Inequalities

Bất đẳng thức ma trận tuyến tính

(On Board Diagnostics Parameter IDs)

Code lệnh của chẩn đốn OBD2

Direct Current

Dòng điện một chiều

DMP

Digital Motion Processor

Bộ xử lý chuyển động tín hiệu số

Micro-Electro-Mechanical-Systems

Hệ thống vi cơ điện tử

DOF

Degree of freedom

Bậc tự do

FIS

Fuzzy Inference System

Hệ suy diễn mờ

Society of Automotive Engineers

Hiệp hội kỹ sư ô tô Nhật Bản

ISO

International Organization for
Standardization

Tiêu chuẩn quốc tế

FC

Fuzzy Controller

Bộ điều khiển logic mờ

EPS

Electric Power Steering

Hệ thống lái trợ lực điện

MF

Menbership Function

Hàm liên thuộc

Single-Input and Single-Output

Hệ thống có một biến đầu vào và
một biến đầu ra

MEMS

SAE-J

SISO

- iv -

Đơn vị


Chú giải

Đơn vị

Hệ thống có nhiều biến đầu vào
và nhiều biến đầu ra
Khối lượng

kg

Ký hiệu Nguồn gốc
MIMO

multiple-input and multiple-output

M(m)
Iz

Mô men quán tính

Jth

Giá trị ngưỡng

l

Chiều dài

g

Gia tốc trọng trường

Fy

Lực tác dụng bên

v

Vận tốc ô tô
Khoảng cách từ trọng tâm của
thân xe đến tâm của bánh xe
trước và sau

a, b

kgm2
m
m/s2
N
m/s
m

ψ

Tốc độ góc quay thân xe

β

Góc lệch thân xe

rad

m

Khối lượng thân xe

kg

δ

Góc quay của bánh xe dẫn hướng

Độ(rad)

Cf

Độ cứng bên của bánh xe trước

N/rad

Cr

Độ cứng bên của bánh xe sau

N/rad

y*

Giá trị đầu ra của mơ hình lý
thuyết mơ tả hệ thống thực

xˆ

Véc tơ biến trạng thái của bộ
quan sát

yˆ

Véc tơ biến đầu ra của bộ quan
sát

e

Sai số ước lượng

r, r(t)

Lượng sai lệch

x

Biến quan sát

y

Biến ra của hệ thống

u

Biến vào của hệ thống

d(t),
du(t)

Hàm nhiễu đầu vào

Fu(t)

Hàm phân phối ảnh hưởng của
nhiễu tới biến ra

Eu(t)

Hàm phân phối ảnh hưởng của
nhiễu tới biến trạng thái

-v-

rad/s

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3-1: Các cảm biến trong hệ thống VSC của Toyota Camry ................................................................ 58
Bảng 3-2: Nguyên nhân gây ra lỗi không hiệu chỉnh được điểm 0 của các cảm biến .................................. 59
Bảng 3-3: Các sai lệch giới hạn giữa giá trị đo và giá trị tham chiếu........................................................... 60
Bảng 3-4: Dải làm việc của các cảm biến .................................................................................................... 61
Bảng 3-5: Sai lệch chuẩn của cảm biến trong hệ thống VSC của xe Toyota Camry ................................... 67
Bảng 3-6: Bảng các thông số tham khảo của xe Toyota Camry................................................................... 67
Bảng 4-1: Bảng thông số đo thực nghiệm .................................................................................................... 85
Bảng 4-2: Các giao thức truyền tin trong OBD-2 ........................................................................................ 86
Bảng 4-3: Các thông số kỹ thuật của cảm biến MPU 6050.......................................................................... 90
Bảng 4-4: Bảng kết quả đo và đánh giá ....................................................................................................... 96
Bảng 4-5: Các thiết bị đo, quan sát trong thí nghiệm ................................................................................... 98
Bảng 4-6: Các thơng số kỹ thuật chính của thiết bị Carman Scan VG ....................................................... 100
Bảng 4-7: Độ lệch hướng chuyển động theo phương ngang ...................................................................... 108

- vi -


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Cấu trúc một hệ thống có ĐKĐT ................................................................................................... 6
Hình 1.2: Dạng tín hiệu của các cảm biến...................................................................................................... 6
Hình 1.3: Dải làm việc của cảm biến nhiệt độ nước làm mát động cơ ........................................................... 7
Hình 1.4: Các lỗi phát sinh trong hệ thống .................................................................................................. 11
Hình 1.5: Phân loại các lỗi theo thời gian .................................................................................................... 12
Hình 1.6: Minh họa lỗi cộng thêm và lỗi nhân bội....................................................................................... 13
Hình 1.7: Sơ đồ phát hiện trạng thái lỗi bằng mơ hình tín hiệu ................................................................... 15
Hình 1.8: Sơ đồ hệ thống phát hiện lỗi trên cơ sở mơ hình .......................................................................... 16
Hình 1.9: Các bước thực hiện phát hiện lỗi.................................................................................................. 17
Hình 1.10: Phân tích các nhiễu loạn làm thay đổi đặc tính của cảm biến .................................................... 18
Hình 1.11: Phần tử xử lý (Nơ-ron) ............................................................................................................... 20

Hình 1.12: Cấu trúc mạng Nơ-ron nhiều lớp ............................................................................................... 20
Hình 1.13: Cấu trúc hệ suy diễn mờ ............................................................................................................. 21
Hình 1.14: So sánh hai phương pháp tuyến tính hóa.................................................................................... 22
Hình 1.15: Ngun lý phát hiện lỗi trên cơ sở mơ hình ............................................................................... 23
Hình 1.16: Bộ quan sát ghép song song với hệ thống thực .......................................................................... 24
Hình 1.17: Sơ đồ hệ thống VSC ................................................................................................................... 26
Hình 1.18: Nguyên lý hoạt động của hệ thống VSC .................................................................................... 27
Hình 2.1: Cấu trúc hệ suy diễn mờ............................................................................................................... 36
Hình 2.2: Hàm liên thuộc biểu diễn biến ngôn ngữ "tốc độ" ....................................................................... 37
Hình 2.3: Khai báo biến ngơn ngữ “Toc do” trong MatLab......................................................................... 38
Hình 2.4: Giá trị mệnh đề hợp thành theo luật MIN .................................................................................... 39
Hình 2.5: Giá trị mệnh đề hợp thành theo luật PROD ................................................................................. 39
Hình 2.6: Hệ thống FIS T-S hai đầu vào, một đầu ra ................................................................................... 41
Hình 2.7: Mơ hình mờ với hai hàm liên thuộc biểu diễn hàm y ................................................................... 42
Hình 2.8: Mơ hình mờ với 6 hàm liên thuộc dạng Gausian biểu diễn hàm y ............................................... 42
Hình 2.9: Hai phương pháp xây dựng hệ suy diễn mờ T-S để mơ tả hệ thống thực .................................... 43
Hình 2.10: Xây dựng các luật mờ từ tập dữ liệu quan sát ............................................................................ 43
Hình 2.11: Cấu trúc bộ quan sát UIO ........................................................................................................... 48
Hình 2.12: Thuật tốn tính các hệ số của bộ quan sát UIO .......................................................................... 49
Hình 2.13: Sơ đồ sử dụng bộ quan sát để chẩn đoán phát hiện lỗi ............................................................... 52
Hình 2.14: Lược đồ xây dựng mơ hình mờ để chẩn đoán lỗi bằng hệ suy diễn mờ ..................................... 54

- vii -


Hình 3.1: Sơ đồ tín hiệu vào/ra của hệ thống VSC ...................................................................................... 56
Hình 3.2: Bố trí trên xe các cảm biến của hệ thống VSC ............................................................................. 57
Hình 3.3: Nguyên lý hoạt động của hệ thống VSC ...................................................................................... 59
Hình 3.4: Lược đồ thuật tốn xây dựng mơ hình chẩn đốn lỗi của hệ thống VSC ..................................... 62
Hình 3.5: Mơ hình 3-DOF của xe ................................................................................................................ 63

Hình 3.6. Hàm liên thuộc và khoảng xác định ............................................................................................. 68
Hình 3.7: Chương trình Matlab Simulink mơ tả luật mờ 2 ....................................................................... 69
Hình 3.8: Hàm nhiễu và sai số đầu vào d(t) ................................................................................................. 70
Hình 3.9: Cấu trúc bộ quan sát mờ địa phương UIO1.................................................................................. 72
Hình 3.10: Quy luật đánh lái 1 ..................................................................................................................... 74
Hình 3.11: Gia tốc ngang thu được từ hệ thống lấy mẫu ............................................................................. 74
Hình 3.12: Tốc độ góc quay thân xe thu được từ hệ thống lấy mẫu............................................................. 74
Hình 3.13: Gia tốc ngang tính tốn từ hệ suy diễn mờ ................................................................................. 74
Hình 3.14: Tốc độ góc quay tính tốn từ hệ suy diễn mờ ............................................................................ 74
Hình 3.15: Lượng sai lệch gia tốc ngang giữa hệ suy diễn mờ và hệ thống lấy mẫu ................................... 75
Hình 3.16: Lượng sai lệch tốc độ góc quay thân xe giữa hệ suy diễn mờ và hệ thống lấy mẫu ............................ 75
Hình 3.17: Gia tốc ngang của hệ thống lấy mẫu .......................................................................................... 75
Hình 3.18: Tốc độ góc quay thân xe của hệ thống lấy mẫu ......................................................................... 75
Hình 3.19: Gia tốc ngang tính tốn từ hệ suy diễn mờ ................................................................................. 75
Hình 3.20: Tốc độ góc quay tính tốn từ hệ suy diễn mờ ............................................................................ 75
Hình 3.21: Lượng sai lệch gia tốc ngang giữa hệ suy diễn mờ và hệ thống lấy mẫu ................................... 76
Hình 3.22: Lượng sai lệch tốc độ góc quay thân xe giữa hệ suy diễn mờ và hệ thống lấy mẫu ............................ 76
Hình 3.23: Gia tốc ngang tính tốn .............................................................................................................. 76
Hình 3.24: Tốc độ góc quay thân xe tính tốn từ bộ quan sát ...................................................................... 76
Hình 3.25: Lượng sai lệch gia tốc ngang giữa bộ quan sát và hệ thống lấy mẫu ......................................... 77
Hình 3.26: Lượng sai lệch tốc độ góc quay thân xe giữa bộ quan sát và hệ thống lấy mẫu ......................... 77
Hình 3.27: Gia tốc ngang tính tốn từ bộ quan sát ....................................................................................... 77
Hình 3.28: Tốc độ góc quay thân xe tính tốn từ bộ quan sát ...................................................................... 77
Hình 3.29: Lượng sai lệch gia tốc ngang giữa bộ quan sát và hệ thống lấy mẫu ......................................... 77
Hình 3.30: Lượng sai lệch tốc độ góc quay thân xe giữa bộ quan sát và hệ thống lấy mẫu ......................... 77
Hình 3.31: Gia tốc ngang tính tốn từ bộ

quan sát .................................................................................... 78

Hình 3.32: Tốc độ góc quay thân xe tính tốn từ bộ quan sát ...................................................................... 78

Hình 3.33: Lượng sai lệch gia tốc ngang giữa bộ quan sát và hệ thống lấy mẫu ......................................... 78

- viii -


Hình 3.34: Lượng sai lệch tốc độ góc quay thân xe giữa bộ quan sát và hệ thống lấy mẫu ......................... 78
Hình 3.35: Tín hiệu của cảm biến góc quay vành lái ................................................................................... 79
Hình 3.36: Tín hiệu đo từ cảm biến ay trong thí nghiệm .............................................................................. 79
Hình 3.37: Tín hiệu từ cảm biến ψ đo được qua thí nghiệm ........................................................................ 80
Hình 3.38: So sánh giá trị gia tốc ngang giữa giá trị bộ quan sát và thí nghiệm .......................................... 80
Hình 3.39: Lượng sai lệch ray ....................................................................................................................... 81
Hình 3.40: So sánh giá trị tốc độ góc quay thân xe giữa giá trị bộ quan sát và thí nghiệm.......................... 81
Hình 3.41: Lượng sai lệch rψ ........................................................................................................................ 81
Hình 3.42: So sánh giá trị gia tốc ngang giữa giá trị bộ quan sát và thí nghiệm .......................................... 82
Hình 3.43: Lượng sai lệch ray ....................................................................................................................... 82
Hình 3.44: So sánh giá trị tốc độ góc quay thân xe giữa giá trị bộ quan sát và thí nghiệm.......................... 83
Hình 3.45: Lượng sai lệch rψ ........................................................................................................................ 83
Hình 4.1: Sơ đồ khối của bộ xử lý ELM 327 ............................................................................................... 87
Hình 4.2: Bản mạch của bộ kết nối .............................................................................................................. 87
Hình 4.3: Nối thiết bị qua cổng DLC3 ......................................................................................................... 87
Hình 4.4: Sơ đồ mạch của bộ thu thập dữ liệu ............................................................................................. 88
Hình 4.5: Cảm biến MPU 6050.................................................................................................................... 89
Hình 4.6: Bố trí cảm biến MPU 6050 đo góc quay vành lái ........................................................................ 91
Hình 4.7: Vị trí bố trí cảm biến MPU 6050 trên xe để đo các thông số ay và ψ ........................................... 91
Hình 4.8: Sơ đồ cấu trúc cảm biến MPU 6050............................................................................................. 92
Hình 4.9: Sơ đồ khối hệ thống đo dùng 2 cảm biến MPU 6050................................................................... 92
Hình 4.10: Sơ đồ kết nối thiết bị đo với máy tính ........................................................................................ 93
Hình 4.11: Giao diện màn hình đối chứng tín hiệu đo ................................................................................. 94
Hình 4.12: So sánh kết quả đo góc quay vành lái ........................................................................................ 95
Hình 4.13: So sánh kết quả đo gia tốc ngang ............................................................................................... 95

Hình 4.14: So sánh kết quả đo vận tốc góc quay thân xe ............................................................................. 95
Hình 4.15: So sánh kết quả đo tốc độ của ô tô ............................................................................................. 96
Hình 4.16: Vịng trịn sử dụng trong thí nghiệm 1 và 2 ............................................................................... 97
Hình 4.17: Đoạn đường thẳng sử dụng trong thí nghiệm 3 .......................................................................... 98
Hình 4.18: Hình ảnh thiết bị Carman Scan VG ............................................................................................ 99
Hình 4.19: Màn hình hiển thị dữ liệu tạm thời ............................................................................................. 99
Hình 4.20: Màn hình hiển thị danh sách lỗi và mã lỗi hiện thời .................................................................. 99
Hình 4.21: Đầu nối DLC3 .......................................................................................................................... 100

- ix -


Hình 4.22: Vị trí bố trí đầu nối DLC3 trên xe Toyota Camry .................................................................... 100
Hình 4.23: Sơ đồ kết nối bộ thu thập dữ liệu với máy tính ........................................................................ 101
Hình 4.24: Giao diện màn hình hiện kết quả đo ......................................................................................... 101
Hình 4.25: Góc quay vành lái .................................................................................................................... 102
Hình 4.26: Gia tốc ngang ay ....................................................................................................................... 103
Hình 4.27: Tốc độ góc quay thân xe ψ ....................................................................................................... 103
Hình 4.28: Lượng sai lệch ray ..................................................................................................................... 104
Hình 4.29: Lượng sai lệch rψ ...................................................................................................................... 104
Hình 4.30: Trị số gia tốc ngang ay trong thí nghiệm xuất hiện lỗi trong hệ thống VSC............................. 105
Hình 4.31: Lượng sai lệch ray ..................................................................................................................... 106
Hình 4.32: Tốc độ góc quay thân xe  trong thí nghiệm với hệ VSC có lỗi.............................................. 106
Hình 4.33: Lượng sai lệch r ...................................................................................................................... 107
Hình 4.34: Màn hình hiển thị lỗi của thiết bị Carman VG ......................................................................... 107
Hình 4.35: Biến động của gia tốc ngang .................................................................................................... 108
Hình 4.36: Biến động của tốc độ góc quay thân xe .................................................................................... 109
Hình 4.37: Tín hiệu từ cảm biến góc quay vành lái ................................................................................... 109

-x-

MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội đất nước ta trong những năm gần đây, loại hình
vận tải bằng phương tiện giao thơng cơ giới đường bộ, đặc biệt là ô tô con (loại từ 9 chỗ ngồi
trở xuống) phát triển với tốc độ nhanh chóng cả về số lượng và công nghệ chế tạo mới. Cụ
thể là năm 2009, cả nước có 1.137.000 xe thì đến năm 2015 số lượng xe tăng lên là 2.105.000
xe (số liệu từ Bộ Giao thông vận tải) với mục đích là vận chuyển hành khách (taxi hoặc xe
hợp đồng) và nhu cầu đi lại của cá nhân. Song song với sự phát triển của số lượng xe, để đáp
ứng nhu cầu sửa chữa, bảo dưỡng thì số lượng các cơ sở bảo dưỡng, sửa chữa ơ tơ có quy
mơ vừa và nhỏ cũng tăng lên, do đó nhu cầu được trang bị thiết bị chẩn đoán phục vụ kiểm
tra, sửa chữa ô tô của các cơ sở bảo dưỡng, sửa chữa ô tô cũng như các cơ sở đào tạo nghề
sửa chữa ô tô ngày càng trở nên cấp thiết.
Đặc điểm khác biệt của ô tô hiện đại với các ô tô thế hệ cũ (trước 1990) ở chỗ: trên
các ô tô hiện đại sử dụng rộng rãi các hệ thống ĐKĐT để điều khiển các hệ thống của động
cơ, hệ thống truyền lực và hệ thống an toàn của xe trong khi trên các xe thế hệ cũ, các hệ
thống này chỉ thuần tuý là hệ thống cơ khí. Bên cạnh các ưu điểm do áp dụng ĐKĐT, công
việc sửa chữa, phát hiện hư hỏng trong các hệ thống của ô tô hiện đại trở nên phức tạp. Các
phương pháp chẩn đốn sửa chữa theo thói quen, kinh nghiệm đối với hệ thống cơ khí như
trước đây khơng cịn có hiệu quả đối với sửa chữa ơ tơ hiện đại, trong nhiều trường hợp còn
gây hư hỏng thêm hoặc tốn kém thời gian và chi phí.
Trên các ơ tô hiện đại, hệ thống ổn định quỹ đạo chuyển động của xe trên đường vòng
là một trong các hệ thống được điều khiển điện tử. Từ năm 2012, trên các xe sản xuất ở châu
Âu, châu Mỹ, trang bị hệ thống này là tiêu chuẩn bắt buộc. Tùy theo mỗi hãng xe có thể đặt
tên khác nhau (ví dụ hãng Toyota gọi tên hệ thống này là Vehicle Stability Control - VSC),
nhưng chúng đều có chức năng chung là tự động phanh riêng rẽ bánh xe phía trước/sau, bên
trong/ngồi đường vịng để tạo ra mơ men quay vịng ổn định đảm bảo cho quỹ đạo chuyển
động đúng của xe. Đây là một hệ thống có ĐKĐT điển hình trên ô tô mà chúng ta không thể
chẩn đoán trạng thái kỹ thuật, phát hiện lỗi của nó bằng các phương pháp chẩn đốn với hệ
thống cơ khí thơng thường.

Hiện tại, trong nước chưa có cơng trình nghiên cứu chun sâu về phương pháp chẩn
đoán trạng thái kỹ thuật các hệ thống có ĐKĐT trên ơ tơ nói chung và chẩn đoán hệ thống
ổn định quỹ đạo chuyển động trên đường vịng nói riêng. Trong điều kiện ngành Cơng nghiệp
sản xuất ô tô trong nước đang có tiềm năng phát triển mạnh nhờ chính sách hỗ trợ của Nhà
nước, việc chủ động về phương pháp luận trong thiết kế, chế tạo thiết bị chẩn đoán phục vụ
khai thác, sửa chữa các xe ô tô trong nước sản xuất là nhu cầu rất cấp thiết.
Các hãng xe, các nhà sản xuất thiết bị chẩn đốn ơ tơ ở nước ngồi bán sản phẩm ra
thị trường rộng rãi nhưng đều giữ bí quyết cơng nghệ, khơng cơng bố, cung cấp ra ngồi các

-1-


thông tin liên quan đến thiết kế, chế tạo thiết bị, họ chỉ cung cấp cho người sử dụng các tài
liệu hướng dẫn khai thác sử dụng thiết bị, do đó việc tìm hiểu, nghiên cứu cơ sở thiết kế,
phương pháp luận để xây dựng mơ hình chẩn đốn, làm cơ sở cho thiết kế, chế tạo các thiết
bị chẩn đốn ơ tơ (với điều kiện sản xuất trong nước) có ý nghĩa khoa học cao.
Xuất phát từ các nhu cầu thực tế nêu trên, NCS đã đề xuất đề tài nghiên cứu: "Xây
dựng mơ hình chẩn đốn trạng thái kỹ thuật hệ thống VSC trên ơ tơ”.
Mục đích của luận án:

Nghiên cứu phương pháp luận chẩn đoán lỗi của hệ thống có điều khiển điện tử
để xây dựng mơ hình chẩn đốn phát hiện lỗi của hệ thống VSC trên ô tô.
Đối tượng nghiên cứu của luận án:
Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ thống ĐKĐT VSC trên xe ô tô Toyota Camry
2.4, sản xuất lắp ráp năm 2009 tại Việt Nam.
Phạm vi nghiên cứu:
Phạm vi nghiên cứu của luận án là phương pháp chẩn đoán TTKT trên cơ sở mơ hình
cấu trúc của hệ thống được chẩn đoán và sử dụng hệ suy diễn mờ để xây dựng mơ hình chẩn
đốn phát hiện trạng thái làm việc có lỗi của các hệ thống có ĐKĐT trên ơ tơ nói chung và
riêng cho hệ thống VSC.

Mơ hình chẩn đốn bao gồm hệ mờ T-S mơ tả hệ thống được chẩn đoán và bộ quan
sát để phát hiện trạng thái làm việc có lỗi của hệ thống VSC.
Điều kiện chẩn đốn là xe khơng có tải, chạy ở tốc độ ổn định.
Phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án là kết hợp nghiên cứu lý thuyết với
các mơ phỏng trên máy tính và thí nghiệm kiểm chứng trên thực tế. Từ lý thuyết các phương
pháp chẩn đốn hiện đại kết hợp phân tích các đặc điểm cấu trúc cũng như nguyên lý hoạt
động của các hệ thống có ĐKĐT trên ơ tơ để lựa chọn phương pháp chẩn đốn, xây dựng
mơ hình chẩn đốn phát hiện lỗi cho hệ thống VSC trên ô tô. Thực hiện mơ phỏng trên máy
tính và thí nghiệm trên xe thực tế để đánh giá hiệu quả của mô hình chẩn đốn.
Các điểm mới của luận án:
Phương pháp chẩn đốn phát hiện lỗi trên cơ sở mơ hình cấu trúc có nguyên lý và cách
thiết kế khác so với các phương pháp chẩn đoán phát hiện lỗi trên cơ sở dữ liệu thống kê
thường sử dụng trong chẩn đoán và sửa chữa ô tô hiện nay. Phương pháp này cho phép sử
dụng các quan hệ vật lý, các kiến thức đã biết về hệ thống để xây dựng mô hình chẩn đốn,
giảm được khối lượng và thời gian tiến hành thu thập các số liệu thống kê, kinh nghiệm về
các lỗi, các TTKT khác nhau của hệ thống trong quá trình sử dụng.

-2-


Sử dụng hệ suy diễn mờ, bộ quan sát mờ cho phép mô tả hệ thống hiệu quả hơn trong
trường hợp phi tuyến, các dữ liệu không được đầy đủ hoặc phải quan sát từ thực nghiệm.
Đặc biệt trong luận án sử dụng công cụ hệ mờ T-S. Công cụ này cho phép kết hợp sử dụng
các quan hệ vật lý đã biết về hệ thống VSC (biểu diễn quan hệ tốn học giữa các thơng số)
và các số liệu đo đạc thống kê nhờ đó giảm bớt được khối lượng thống kê, đo đạc thu thập
dữ liệu khi xây dựng mơ hình hệ thống.
Ý nghĩa khoa học, thực tiễn của đề tài:
- Ý nghĩa khoa học của đề tài:
Việc lựa chọn phương pháp chẩn đoán TTKT cũng như xây dựng mơ hình chẩn đốn

phát hiện trạng thái làm việc có lỗi của các hệ thống có ĐKĐT trên ơ tô sẽ là cơ sở khoa học
cho phương pháp luận chung cũng như cho thiết kế, chế tạo các hệ thống, thiết bị chẩn đốn
TTKT ơ tơ.
Luận án đã sử dụng một công cụ tiến bộ là hệ suy diễn mờ Takagi-Sugeno để xây dựng
mơ hình chẩn đốn TTKT các hệ thống có ĐKĐT trên xe ơ tơ hiện đại.
Việc xây dựng được mơ hình cũng như tự thiết kế chế tạo bộ thu thập dữ liệu từ ECU,
xây dựng phần mềm chẩn đoán phát hiện lỗi của hệ thống VSC sẽ góp phần nâng cao năng
lực chủ động trong thiết kế, chế tạo các trang thiết bị chẩn đoán của ngành công nghiệp ô tô
trong nước.
- Ý nghĩa thực tiễn, cấp thiết của đề tài:
Mơ hình bao gồm bộ thu thập dữ liệu từ ECU, phần mềm chẩn đoán có thể sử dụng để
chẩn đốn phát hiện trạng thái làm việc có lỗi của hệ thống VSC trên xe Toyota Camry phục
vụ thiết thực cho công việc sửa chữa ô tô tại các xưởng sửa chữa xe.
Trên cơ sở mơ hình chẩn đốn đã đề xuất có thể thiết kế, chế tạo các thiết bị chẩn đoán
phục vụ cho nhu cầu chẩn đốn sửa chữa ơ tơ trong nước một cách chủ động; giảm mức độ
phụ thuộc vào các trang thiết bị nhập ngoại. Trong điều kiện ngành Công nghiệp sản xuất ơ
tơ trong nước đang có tiềm năng phát triển, nhờ chính sách hỗ trợ của Nhà nước, việc chủ
động về phương pháp luận, thiết kế, chế tạo thiết bị chẩn đoán phục vụ khai thác, sửa chữa
các xe ô tô trong nước sản xuất là nhu cầu thiết thực và cấp thiết.
Nội dung của luận án
Luận án gồm các nội dung chính như sau:
1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu.
2. Cơ sở lý thuyết của việc chẩn đoán phát hiện trạng thái lỗi của các hệ thống có
ĐKĐT trên ơ tơ bằng cơng cụ suy diễn mờ T-S.
3. Xây dựng mơ hình chẩn đốn phát hiện lỗi của hệ thống VSC trên xe Toyota Camry

-3-


bằng hệ suy diễn mờ T-S.

4: Các thí nghiệm đánh giá hiệu quả của hệ thống chẩn đoán phát hiện lỗi cho hệ thống
VSC xe Toyota Camry.
5. Kết luận và kiến nghị.

-4-


TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Đặc điểm chẩn đoán TTKT các hệ thống có ĐKĐT trên ơ tơ
Vai trị của chẩn đốn TTKT trên ơ tơ
Trong q trình làm việc, có thể xảy ra các lỗi làm sự hoạt động của hệ thống trở nên
khơng bình thường. Các lỗi này thường là bất ngờ, ngẫu nhiên, không mong muốn. Nếu
không được phát hiện, khắc phục hoặc loại bỏ sớm, các lỗi sẽ tích lũy dần, phát triển ngày
càng mạnh hơn, dẫn đến hư hỏng các cụm chi tiết thành phần của hệ thống. Do đó, việc giám
sát, phát hiện sớm các lỗi, trục trặc sẽ giúp cho người sử dụng, các kỹ thuật viên tác động
kịp thời, phòng ngừa các hư hỏng nghiêm trọng có thể xảy ra; góp phần giảm thiểu được các
tổn thất về kinh tế do phải ngừng sản xuất trong thời gian dài để sửa chữa, thay thế các bộ
phận; tăng tính an tồn, tin cậy trong quá trình vận hành.
Nhiệm vụ đầu tiên của đánh giá TTKT là xác định xem hệ thống làm việc bình thường
hay đã có xuất hiện lỗi. Trong trường hợp phát hiện tình trạng làm việc có lỗi của hệ thống,
bước tiếp theo là xác định vị trí, nguyên nhân gây ra lỗi. Để đánh giá tình trạng kỹ thuật của
ơ tơ có thể tiến hành theo một trong các phương pháp như sau:
1) Phương pháp tháo rời, kiểm tra, đo đạc, đánh giá. Phương pháp này địi hỏi phải
có chi phí nhân lực để tháo rời, và có thể gây nên phá hủy trạng thái tiếp xúc của các bề mặt
lắp ghép.
2) Phương pháp không tháo rời các cụm chi tiết, mà sử dụng các biện pháp thăm dò,
dựa vào các biểu hiện đặc trưng, các dấu hiệu bên ngoài khi hệ thống làm việc để đánh giá
trạng thái kỹ thuật, phát hiện các lỗi xảy ra trong hệ thống. Đây gọi là phương pháp chẩn
đoán trên cơ sở các dấu hiệu bên ngoài, phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của kỹ thuật viên.
3) Phương pháp sử dụng các cảm biến, trang thiết bị đo các thông số làm việc của hệ

thống để đánh giá trạng thái kỹ thuật, phát hiện các lỗi xuất hiện trong các cụm chi tiết, bộ
phận mà không làm gián đoạn sự làm việc của hệ thống. Tính ưu việt của phương pháp này
là ở chỗ có thể đánh giá TTKT, phát hiện hư hỏng mà không cần tháo rời hoặc làm gián đoạn
sự làm việc. Phương pháp chẩn đốn này cịn gọi là chẩn đốn khách quan, khơng phụ thuộc
vào kinh nghiệm chủ quan của kỹ thuật viên.
Trong vận hành, sửa chữa ô tơ hiện đại thường sử dụng phương pháp chẩn đốn
khách quan vì trên xe đã có sẵn các cảm biến, các tín hiệu đo là tín hiệu điện nên dễ dàng
tích hợp các thiết bị đo, phân tích xử lý dữ liệu trong q trình chẩn đốn đánh giá TTKT
các hệ thống trên xe.
Đặc điểm các hệ thống điều khiển điện tử trên ô tô hiện đại
Trên ô tô hiện đại, ngoài các trang bị điện truyền thống, các hệ thống trên ô tô ngày
nay được phát triển trở thành các hệ thống cơ điện tử, trong đó các kỹ thuật điện, điện tử,
-5-


thông tin và điều khiển được kết hợp để điều khiển tối ưu sự hoạt động của các hệ cơ khí
truyền thống của xe như hệ thống cấp nhiên liệu, hệ thống điều khiển chuyển số, hệ thống
phanh, lái, treo...Giá trị các phần trang bị điện, mạch điều khiển điện tử, các phần mềm điều
khiển chiếm phần đáng kể trong giá trị tổng thành của một ô tô hiện đại.
Cảm biến

Cơ cấu chấp
hành

ECU

Hệ thống cơ
khí

Hình 1.1: Cấu trúc một hệ thống có ĐKĐT

Đặc điểm cấu trúc của hệ thống có ĐKĐT trên ơ tơ
Sơ đồ khối của hệ thống có ĐKĐT được trình bày trong Hình 1.1. So với hệ thống
thuần cơ khí, hệ thống có ĐKĐT có cấu trúc phức tạp hơn. Để đưa hệ cơ khí vào hoạt động,
một hệ thống ĐKĐT (bao gồm các thành phần chính là các cảm biến, cơ cấu chấp hành và
bộ xử lý trung tâm ECU) làm nhiệm vụ thu thập các thông tin về trạng thái của hệ thống,
môi trường; tiến hành xử lý, tính tốn theo một chương trình đã được cài đặt sẵn trong bộ vi
xử lý của ECU rồi cấp tín hiệu đến điều khiển sự hoạt động của cơ cấu chấp hành. Cơ cấu
chấp hành đến lượt nó làm nhiệm vụ dẫn động hệ cơ khí hoạt động. Như vậy, trong hệ thống
có ĐKĐT, sự hoạt động của phần cơ khí bị phụ thuộc rất nhiều vào hệ thống ĐKĐT. Nếu
hệ thống ĐKĐT bị trục trặc, có lỗi sẽ làm cho hệ cơ khí khơng thể hoạt ng ỳng c.
6000

Điện trở (Ôm)

5000

2000

500
0

14

22

38

50

58

70

77

87

100

Nhiệt độ (C)

Cm bin nhit nước làm mát

Cảm biến tốc độ
5 (vol)

0 (vol)

Sè vßng quay động cơ (vòng/phút)

Cm bin tc ng c kiu Hall

Cm biến lưu lượng khí nạp kiểu “Hot wire”

Hình 1.2: Dạng tín hiệu của các cảm biến

-6-

Trong hệ thống ĐKĐT, các cảm biến, tín hiệu đầu vào làm nhiệm vụ cung cấp các
thông tin về trạng thái hiện thời, thông tin về môi trường ảnh hưởng đến sự làm việc của hệ
thống được điều khiển. Ví dụ: để định lượng nhiên liệu cấp cho các xi lanh động cơ, trong
hệ thống EFI có các cảm biến và tín hiệu cần thiết như: cảm biến lưu lượng khơng khí nạp
(hoặc áp suất chân khơng trên đường nạp khí), cảm biến tốc độ động cơ, cảm biến nhiệt độ
nước làm mát, cảm biến mức độ tải động cơ, các thông tin về môi trường liên quan như nhiệt
độ khí nạp, độ ẩm khơng khí.
Tín hiệu từ các cảm biến thường có dạng analog (ví dụ như cảm biến nhiệt độ nước
làm mát động cơ, cảm biến về lưu lượng khơng khí nạp..vv), các tín hiệu dạng xung chữ nhật
(như các tín hiệu của cảm biến tốc độ động cơ, tốc độ quay của bánh xe…) hoặc dưới dạng
các tín hiệu chuyển mạch (tín hiệu On/Off), ví dụ như tín hiệu về bật tắt các phụ tải điện, hệ
thống bơm trợ lực lái, hệ thống điều hồ khơng khí. Hình 1.2. trình bày một số dạng tín hiệu
gửi về ECU của các cảm biến trên ô tô.
Mỗi cảm biến trong hệ thống ĐKĐT làm nhiệm vụ cung cấp thông tin về một đại
lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái làm việc hiện thời của đối tượng. Tín hiệu ra của các
cảm biến kiểu analog là các trị số điện áp. Ở trạng thái làm việc bình thường, điện áp đầu ra
của cảm biến trong giới hạn từ V1 đến V2. Trường hợp nếu tín hiệu ra của cảm biến đưa về
ECU có trị số ngồi dải [V1, V2] đó sẽ là dấu hiệu về một sự cố (lỗi) đã xảy ra. Lỗi này có
thể do các nguyên nhân như hỏng cảm biến, sự cố trên mạch truyền tín hiệu từ cảm biến về
ECU hoặc hư hỏng phần kết cấu cơ khí thực hiện chức năng mà cảm biến theo dõi. Hình 1.3
trình bày một ví dụ về dải làm việc của cảm biến nhiệt độ nước làm mát.
V


Ph¹m vi không bình th-ờng
Phạm vi bình th-ờng cho
hệ thống chẩn đoán

Điện áp THW

Phạm vi bình th-ờng cho
động cơ


Phạm vi bình

th-ờng cho hệ thống


THW

chẩn đoán
Phạm vi không bình th-ờng









(°C

NhiƯt ®é

Hình 1.3: Dải làm việc của cảm biến nhiệt độ nước làm mát động cơ

Khi động cơ làm việc bình thường, điện áp đầu ra của cảm biến nhiệt độ nước làm
mát nằm trong dải 4,8V đến 0,1V, tương ứng với dải nhiệt độ từ -50oC tới 150oC. Khi điện
áp ở đầu ra của cảm biến nhỏ hơn 0,1V hay lớn hơn 4,8V thì có nghĩa đã xuất hiện sự cố liên
quan đến hệ thống làm mát (hỏng cảm biến, sự cố trên đường truyền dẫn, hoặc hư hỏng các
chi tiết bên trong của hệ thống làm mát làm cho nhiệt độ động cơ quá cao). Tương tự, với
các cảm biến có tín hiệu ra kiểu xung, dải làm việc là vùng tần số từ fmin đến fmax (các xung

-7-


đầu ra của cảm biến đã được mơ đun hóa để có cùng giá trị biên độ).
Như vậy, tín hiệu điện gửi từ các cảm biến về ECU nằm trong dải làm việc sẽ xác
định trạng thái làm việc bình thường của hệ thống. Mỗi khi điện áp của cảm biến gửi về ECU
có trị số nằm ngồi dải làm việc của nó thì có nghĩa là đã xuất hiện một trạng thái lỗi tại
“vùng được giám sát” của cảm biến. Lỗi này có thể do bản thân cảm biến hoặc đường truyền
dẫn tín hiệu bị lỗi, hoặc liên quan đến cơng năng của phần hệ thống mà ở đó lắp cảm biến bị
lỗi. Tín hiệu đầu ra của cảm biến thay đổi theo quy luật tương ứng với sự thay đổi các thông
số vật lý phản ánh trạng thái làm việc của hệ thống được điều khiển. Vì vậy, nếu tín hiệu từ
các cảm biến gửi về thay đổi không tương ứng với quy luật hoạt động của hệ thống thì có
nghĩa là đã xuất hiện một trạng thái lỗi liên quan đến phần kết cấu có lắp cảm biến đó.
Từ phân tích trên cho thấy, trong các hệ thống ĐKĐT, các cảm biến cịn có vai trị
giám sát, đánh giá trạng thái kỹ thuật của hệ thống. Với các thông tin đầu ra của cảm biến
không những xác định được trạng thái kỹ thuật hiện thời của hệ thống mà cịn có thể phân
tích diễn biến, dự báo trạng thái kỹ thuật của hệ thống trong thời gian vận hành tiếp theo.
Các tín hiệu ra của cảm biến là các thơng số chẩn đốn trực tiếp về TTKT của hệ thống.
Các cơ cấu chấp hành trong hệ thống ĐKĐT có phần điều khiển và cung cấp năng
lượng là các mạch điện tử, các trang bị điện. Do đó, thơng qua các trị số của các tín hiệu điều
khiển hoặc mạch cơng suất có thể giám sát và xác định được trạng thái kỹ thuật các cơ cấu
chấp hành của hệ thống.
Đặc điểm vận hành, sửa chữa các hệ thống trên ơ tơ có ĐKĐT

Đối với các xe ơ tô thế hệ cũ, việc điều khiển hoạt động của các hệ thống chủ yếu
bằng cơ khí hoặc thủy lực. Trong quá trình hoạt động, tiếng ồn bất thường trong các bộ
truyền cơ khí (cặp bánh răng, ổ trục…), sự giảm hiệu năng làm việc của hệ thống như: áp
suất dòng nhiên liệu, quãng đường phanh tăng đột ngột… thường có thể quan sát và xử lý
trực tiếp. Tuy nhiên, trong các hệ thống có điều khiển điện tử, ngồi các cụm chi tiết cơ khí
cịn có các cảm biến, các mạch điện tử và bộ vi xử lý. Các dẫn động cơ khí, thủy lực thơng
thường trên xe ơ tô thế hệ cũ trước đây đến nay được thay bằng các mạch điều khiển điện tử
và các cơ cấu chấp hành (các cơ cấu kiểu điện cơ, van điện từ, nam châm điện từ, hoặc điệnthủy lực-cơ khí). Do đó, người điều khiển khơng tác động điều khiển trực tiếp trong các dẫn
động cơ khí thơng thường mà thơng qua các tín hiệu điều khiển tới các mạch điều khiển điện
tử, cơ cấu chấp hành. Hệ thống ĐKĐT cần sử dụng nhiều cảm biến cũng như cơ cấu chấp
hành, các cảm biến cùng các thông tin gửi về ECU để ECU tính tốn lựa chọn chế độ làm
việc tối ưu cho hệ cơ khí, các mạch điện tử…làm cho kết cấu, số lượng các cụm chi tiết của
hệ thống có ĐKĐT tăng lên.
Khác với cấu trúc cơ khí đơn giản trên ô tô thế hệ cũ, trên ô tô hiện đại với các hệ
thống được điều khiển kiểu điện tử, việc phát hiện hư hỏng trở nên khó khăn hơn nhiều. Các
thống kê hư hỏng trong sửa chữa ô tô cho thấy các lỗi liên quan đến phần mạch ĐKĐT như
-8-


các cảm biến, cơ cấu chấp hành chiểm tỷ lệ lớn (tới 65%) trong các sự cố kỹ thuật khi làm
việc của các hệ thống có ĐKĐT [11]. Trên các ô tô hiện đại thường phải sử dụng các thiết
bị đo đạc, phân tích đánh giá các thơng số làm việc kết hợp với kinh nghiệm thay vì chỉ dùng
các phương pháp tìm lỗi theo kinh nghiệm hoặc quan sát qua các biểu hiện bên ngồi.
Đặc điểm chẩn đốn TTKT các hệ thống có ĐKĐT trên ơ tơ
Trên các xe ô tô thế hệ cũ, các hệ thống cơ khí khơng có lắp hệ thống cảm biến do
đó việc đo đạc, theo dõi giám sát quá trình xảy ra bên trong khi hệ thống làm việc là không
thể thực hiện được. Việc đánh giá TTKT, phát hiện các lỗi chủ yếu dựa vào dấu hiệu bên
ngồi, các q trình kèm theo hoặc dựa vào kinh nghiệm của kỹ thuật viên. Ví dụ kiểm tra
đánh giá khe hở ổ trục thơng qua đo rung động, tiếng ồn hoặc nhiệt độ vỏ ngoài của ổ trục,
đánh giá chất lượng làm việc của cụm pít tơng xy lanh thơng qua kiểm tra độ lọt khí trong

xy lanh, qua tiếng gõ, mầu khói của khí xả. Khi sử dụng các thiết bị chẩn đốn thường phải
bổ sung thêm các gá lắp chuyên dùng để gá lắp các cảm biến, do đó q trình chẩn đoán bị
kéo dài, phải dừng hoạt động của hệ thống để gá lắp hệ thống chẩn đoán.
Trong chẩn đoán truyền thống đối với các hệ thống cơ khí các thơng số chẩn đốn
thường là các thơng số chẩn đốn gián tiếp, được chọn thường sử dụng dựa vào các dấu hiệu
bên ngồi, các dấu hiệu của q trình kèm theo (ví dụ chẩn đốn sự làm việc của ổ trục
thường dựa vào nhiệt, ồn phát sinh trong quá trình làm việc…) vì vậy, các “kiến thức chuyên
gia” là rất cần thiết trong các khâu của q trình chẩn đốn như lựa chọn thơng số chẩn đốn,
ước lượng các dấu hiệu, mức độ, giá trị của thơng số chẩn đốn và kinh nghiệm chun mơn
trong phân tích xác định vị trí, nguyên nhân xảy ra lỗi.
Trong chẩn đoán hiện đại, các hệ thống cần chẩn đốn là các hệ thống có ĐKKĐT
phức tạp nên không thể dựa trên các dấu hiệu bề ngồi hoặc q trình kèm theo để chẩn đốn
gián tiếp như trong trường hợp hệ thống cơ khí thơng thường. Ở đây, sử dụng các cảm biến
của hệ thống ĐKĐT với ý nghĩa là các thơng số chẩn đốn trực tiếp khách quan về trạng thái
làm việc của hệ thống mà không bị phụ thuộc vào kinh nghiệm như trong chẩn đốn hệ cơ
khí thơng thường.
Tuy nhiên, các “Kiến thức chuyên gia” là phần không thể thiếu được trong bước phân
tích, suy diễn các kết quả nhận được từ các thơng số chẩn đốn để xác định vị trí và nguyên
nhân xảy ra lỗi.
Phạm vi nghiên cứu của Luận án giới hạn trong thủ tục phát hiện trạng thái làm việc
có lỗi của hệ thống. Vai trị của “kiến thức chuyên gia” mà NCS đã sử dụng là thông qua
phân tích nguyên lý hoạt động, các trạng thái làm việc có lỗi của hệ thống VSC để chọn mơ
hình động lực học bên mô tả hệ thống VSC, chọn các thơng số chẩn đốn trên cơ sở các cảm
biến của hệ thống VSC.
Trên các hệ thống có ĐKĐT của ô tô, như đã phân tích ở trên về vai trị thơng tin

-9-


nhận được từ các cảm biến và cơ cấu chấp hành, ta có thể sử dụng các tín hiệu từ các cảm

biến, mạch điều khiển các cơ cấu chấp hành để phân tích đánh giá TTKT của hệ thống.
Phương pháp chẩn đốn kỹ thuật này có những ưu điểm cơ bản như:
- Thông qua việc đo trực tiếp các thông số làm việc của hệ thống sẽ giúp cho chẩn
đoán chính xác, khách quan.
- Nhờ sử dụng các trang thiết bị đo, các quy trình phân tích được lập trình sẽ tạo điều
kiện cho kỹ thuật viên tham gia hiệu quả trong q trình chẩn đốn mà khơng bị phụ thuộc
nhiều vào kinh nghiệm chuyên môn, tuổi nghề như trong các phương pháp chẩn đốn TTKT
ơ tơ truyền thống trước đây.
- Không cần thêm các gá lắp, cảm biến bổ sung phục vụ cho chẩn đoán như trong
trường hợp hệ cơ khí.
- Hệ thống chẩn đốn về bản chất là một hệ thống đo lường điện thực hiện việc đo
đồng thời nhiều thông số đặc trưng cho trạng thái làm việc của hệ thống, rồi phân tích xử lý
số liệu đo theo một chương trình suy luận logic (phần mềm) được cài đặt trước. Vì vậy, sự
hoạt động chẩn đốn có thể diễn ra “real time” (trong thời gian thực), song song với quá
trình làm việc của hệ thống trên ơ tơ. Ngồi ra, trên cơ sở phân tích các số liệu đo về trạng
thái hiện thời, hệ thống có thể dự báo về các lỗi có thể xảy ra trong tương lai. Kết quả dự
báo làm tăng tính chủ động trong tổ chức, quản lý cũng như đảm bảo an tồn vận hành xe.
Qua các phân tích trên cho thấy việc chẩn đốn TTKT các hệ thống có điều khiển
kiểu điện tử trên ơ tơ hiện đại có những điểm khác so với chẩn đoán TTKT trên các hệ thống
điều khiển cơ khí hoặc thủy lực của ơ tơ thế hệ cũ, cụ thể là:
- Đối với các hệ thống có ĐKĐT, việc chẩn đốn TTKT phần điều khiển điện tử phải
sử dụng các trang bị đo kiểm chuyên dùng. Do đó, việc phát hiện lỗi trên cơ sở chỉ theo dõi
các dấu hiệu bề ngồi là khơng khả thi.
- Do các phần cơ khí được đưa vào hoạt động nhờ các tín hiệu điều khiển và cơ cấu
chấp hành nên việc chẩn đoán phần ĐKĐT phải thực hiện trước, sau đó mới thực hiện các
cơng việc chẩn đốn phần cơ khí (như đối với các hệ thống khơng có ĐKĐT).
- Các tín hiệu nhận được từ các cảm biến, cơ cấu chấp hành là các thơng số chẩn
đốn trực tiếp về sự hoạt động “bên trong lòng“ hệ thống cho phép đánh giá TTKT, phát
hiện lỗi của hệ thống được chẩn đốn một cách chính xác, tin cậy.
- Đối với các hệ thống có ĐKĐT, việc chẩn đốn TTKT hệ ĐKĐT không chỉ đơn

thuần là phát hiện các lỗi trong hệ ĐKĐT mà cịn có thể phát hiện các lỗi thuộc phần cơ khí
liên quan trực tiếp đến thông số vật lý mà cảm biến chịu trách nhiệm giám sát. Ví dụ, trong
hệ thống động cơ, khi chẩn đoán phát hiện lỗi của cảm biến đo lưu lượng khí nạp, thì ngun
nhân có thể do hỏng cảm biến, sự cố trên đường truyền dẫn tín hiệu về ECU, nhưng cũng có
thể có nguyên nhân do hở, nứt đường ống làm rị rỉ khí hoặc tắc lọc khí làm ảnh hưởng đến
- 10 -


thơng số lưu lượng khí nạp vào các xi lanh động cơ.

Phân tích các phương pháp phát hiện lỗi trong hệ thống có ĐKĐT
Các khái niệm cơ bản trong chẩn đoán TTKT
Một số khái niệm cơ bản dùng trong chẩn đoán TTKT bao gồm khái niệm về lỗi và
các đặc tính của lỗi. Hai thủ tục của q trình chẩn đoán là phát hiện trạng thái lỗi và xác
định vị trí xảy ra lỗi [12, 16,17].
Lỗi và đặc tính của lỗi
Lỗi được định nghĩa là độ sai lệch quá mức cho phép của ít nhất một thơng số cấu
trúc (thơng số làm việc) của hệ thống so với các giá trị chuẩn (hoặc giá trị cho phép) của nó.
Lỗi là một trạng thái mà nếu vẫn để hệ thống tiếp tục làm việc (với trạng thái đó) có thể dẫn
đến sự cố hoặc làm hư hỏng của hệ thống. Mục tiêu đầu tiên của chẩn đoán TTKT một hệ
thống là xác định xem sự làm việc của hệ thống là bình thường hay có lỗi.
Hình 1.4 trình bày sơ đồ về các lỗi có thể phát sinh trong mỗi thành phần của hệ
thống. Các thành phần của hệ thống bao gồm các cơ cấu chấp hành, các cảm biến và cấu trúc
cơ khí, các biến đầu vào u, các biến đầu ra y. Các lỗi có thể xuất hiện ở mỗi thành phần của
hệ thống: lỗi xảy ra ở các cơ cấu chấp hành (fa); lỗi ở các cảm biến (fs); lỗi xảy ra ở phần hệ
động lực làm thay đổi các thông số cấu trúc của hệ thống (fp). Trong qúa trình vận hành, cịn
có tác động của các nhiễu loạn u* từ mơi trường.
Ví dụ về lỗi ở thành phần cấu trúc của hệ thống như các vết nứt, gãy vỡ, rò rỉ trên
các đường ống dẫn thủy lực hoặc ống dẫn khí sẽ làm thay đổi các tham số cấu trúc của hệ
thống; lỗi ở các cơ cấu chấp hành như kẹt các ổ bi, không đủ lực hoặc mô men, khuyết tật

các bánh răng; lỗi ở cảm biến như độ trễ, trôi điểm làm việc, vùng chết, lỗi khắc độ... Mỗi
lỗi xuất hiện ở các bộ phận chức năng của hệ thống sẽ làm cho hiệu suất làm việc chung bị
giảm, dần dần gây ra hư hỏng dẫn đến hệ thống có thể ngừng hoạt động.
¶nh h-ởng của
các lỗi



u(t)

Các lỗi của cơ
cấu chấp hành

Các lỗi của thành Các lỗi của
cảm biến
phần hệ thống

fa

fp

Cơ cấu
chấp hành

Cấu trúc
hệ thống

fs
Cảm biến

y(t)
u*
Các nhiễu loạn
đầu vào
(Không đo đ-ợc)

Các nhiễu

u*
Sự thay đổi các
thông số cấu trúc

u*

Nhiễu, ồn

Hỡnh 1.4: Cỏc li phỏt sinh trong hệ thống

Ngồi tín hiệu đầu vào u đo được, trong q trình làm việc hệ thống cịn chịu tác

- 11 -


động của các nhiễu, ồn trắng (white noise), sự biến đổi bất thường của các tham số cấu trúc....
Các tín hiệu này là ngẫu nhiên, không đo được và được gọi chung là các nhiễu loạn đầu vào
(ký hiệu chung các nhiễu này là u*). Các nhiễu cũng làm ảnh hưởng xấu đến sự làm việc của
hệ thống, ví dụ mặt đường không bằng phẳng ảnh hưởng đến êm dịu chuyển động của xe,
gió thổi ngang làm ảnh hưởng đến tính điều khiển hướng của xe... Do ảnh hưởng của các
nhiễu loạn đầu vào, nhiều trường hợp sự hoạt động của hệ thống bị sai lệch, khơng bình
thường. Tuy nhiên, nếu khi đó hệ thống chẩn đốn lại phát ra tín hiệu báo lỗi có nghĩa kết

quả chẩn đốn đã bị sai. Tác động ngẫu nhiên của các nhiễu loạn đã làm cho các thông tin
thu thập về hệ thống trở nên khơng chắc chắn gây khó khăn cho việc phát hiện và phân tích
các lỗi gây nên các báo động sai, lỗi giả. Về bản chất, nhiễu không phải là lỗi mà ta cần xác
định, vì vậy, một trong các yêu cầu quan trọng đối với hệ thống chẩn đốn là có khả năng
nhạy cảm với các lỗi nhưng lại không nhạy cảm với ảnh hưởng của các nhiễu (tính chất này
của hệ thống chẩn đốn được gọi là Robust Diagnosis).
Theo thời gian diễn biến, lỗi được phân ra các loại trên (Hình 1.5): lỗi đột ngột (dạng
bước nhảy, đường a), lỗi tiệm tiến (trôi điểm làm việc, đường b), lỗi khơng liên tục (đường c).

f

f

b

c

a

t

t

Hình 1.5: Phân loại các lỗi theo thời gian

- Theo mức độ ảnh hưởng của lỗi đến kết quả đầu ra của quá trình còn phân thành
các loại lỗi cộng thêm (additive faul) và lỗi nhân bội (multiplicative faul).
+ Các lỗi f được gọi là lỗi cộng thêm khi nó làm thay đổi giá trị của tín hiệu ra y
(Hình 1.6a):

y  t   y.u  t   f t  ; y t   f t 

(1.1)

+ Các lỗi f gọi là lỗi nhân bội khi mà do ảnh hưởng của lỗi sẽ làm sản sinh thêm một
biến mới u, (Hình 1.6b).

y  t    a  a  t   .u t   a.u t   a t  .u t   y.u t   f t  .u t 

(1.2)

Với các lỗi cộng thêm, sự thay đổi Δy(t) của biến là độc lập so với các tín hiệu khác
Δy(t) = f(t). Đối với các lỗi nhân bội, sự thay đổi của tín hiệu đầu ra phụ thuộc vào tín hiệu
vào u(t): Δy(t) = f(t).u(t).
- 12 -


f(t)=a(t)

f(t)=y(t)

yu(t)

y(t)=yu(t)+f(t)

u(t)

(a)

HƯ ®éng lùc

y(t)=(a+f(t))u(t)
(b)

Hình 1.6: Minh họa lỗi cộng thêm và lỗi nhân bội

Các lỗi của cảm biến, cơ cấu chấp hành thuộc loại lỗi cộng thêm; lỗi nhân bội thường
là các lỗi làm thay đổi các tham số kết cấu của hệ động lực (trên Hình 1.6b, lỗi f(t) là lỗi của
tham số a của hệ động lực). Các lỗi nhân bội còn được gọi là các lỗi tham số. Việc phân tích
phát hiện các lỗi cộng thêm dễ dàng hơn so với phát hiện các lỗi loại nhân bội.
Hai thủ tục của q trình chẩn đốn lỗi
Nhiệm vụ của hệ thống chẩn đốn khơng chỉ là phát hiện trạng thái làm việc khơng
bình thường (trạng thái lỗi) của hệ thống mà cịn phải xác định được vị trí và thời điểm xảy
ra lỗi trên cơ sở các dữ liệu thu thập được từ trạng thái làm việc của hệ thống, kết hợp với
các kiến thức về các đặc tính, các đáp ứng của hệ thống được chẩn đoán. Quá trình chẩn
đốn có thể phân chia ra hai bước (hai thủ tục), bao gồm: phát hiện trạng thái lỗi và xác định
vị trí xảy ra lỗi.
- Phát hiện trạng thái lỗi là thủ tục nhằm phát hiện sự sai lệch q mức cho phép của
ít nhất một thơng số làm việc của hệ thống làm cho sự hoạt động của hệ thống trở nên khơng
bình thường. Trong luận án, cụm từ "phát hiện trạng thái làm việc khơng bình thường, có
lỗi" được gọi tắt là "phát hiện trạng thái lỗi" hay "phát hiện lỗi".
- Xác định vị trí xảy ra lỗi là thủ tục nhằm khoanh vùng vị trí xảy ra lỗi, đánh giá tính
chất, mức độ của lỗi. Sự sai lệch một thơng số làm việc (lỗi) có thể do nhiều nguyên nhân,
đồng thời mỗi nguyên nhân có thể tham gia vào nhiều lỗi, vì vậy để xác định chính xác vị trí
(ngun nhân) gây ra lỗi cần có sự hiểu biết về mối quan hệ giữa các lỗi và các ngun nhân
(các vị trí) có thể gây ra. Để khoanh vùng chính xác vị trí xảy ra lỗi, các mối quan hệ này
phải ổn định và bền vững, không bị ảnh hưởng của các nhiễu và rung động trong q trình
hệ thống làm việc. Để phân loại, cơ lập các lỗi cũng như xác định vị trí, kích thước của mỗi
lỗi cụ thể thường sử dụng phương pháp phân loại hoặc suy diễn.
Việc phát hiện sớm trạng thái làm việc khơng bình thường (có lỗi) của hệ thống và

loại bỏ được ảnh hưởng của các nhiễu (làm cho cảnh báo lỗi sai) sẽ giúp cho thủ tục chẩn
đoán xác định vị trí lỗi tiếp sau càng chính xác, hiệu quả.

- 13 -