KHÁI QUÁT VỀ PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK
Matlab là phần mềm tính toán kỹ thuật do Math Works Inc phát triển, được viết bằng ngôn ngữ C Phần mềm này được xây dựng dựa trên các chương trình do dự án LINPACK và EISPACK phát triển, sử dụng ngôn ngữ Fortran để thực hiện các phép toán và thao tác trên ma trận.
Tên của phần mềm MATLAB là chữ viết tắt của ‘Matrix Laboratory’ có nghĩa là
Phương pháp ma trận là cốt lõi trong việc sử dụng phần mềm Matlab, nơi mỗi phần tử cơ bản đều được biểu diễn dưới dạng ma trận Matlab không ngừng được cập nhật và cải tiến để phục vụ người dùng tốt hơn Các ứng dụng điển hình của Matlab rất đa dạng và phong phú.
- Toán học và tính toán.
- Tạo mô hình, mô phỏng và giao thức.
- Khảo sát, phân tích số liệu.
- Đồ họa khoa học kỹ thuật.
- Phát triển ứng dụng, gồm cả giao diện người dùng đồ họa GUI.
- Thiết kế các hệ thống điều khiển trong thời gian thực.
Simulink là phần mềm đi kèm với Matlab, chuyên dùng để mô phỏng các hệ thống động học phi tuyến một cách tương tác Với giao diện đồ họa thân thiện, người dùng có thể dễ dàng mô hình hóa hệ thống bằng cách vẽ sơ đồ khối trên màn hình Simulink hỗ trợ làm việc với nhiều loại hệ thống, bao gồm hệ thống tuyến tính, phi tuyến, hệ thống liên tục và gián đoạn theo thời gian, cũng như hệ thống đa biến.
TỔNG QUAN MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG VÒNG LẶP KÍN (ENGINE TIMING MODEL WITH CLOSE-LOOP CONTROL)
Mô hình hóa động cơ thông qua mô phỏng bằng sơ đồ khối và đồ thị cho phép thực hiện các thí nghiệm động cơ dưới dạng mô hình hóa, giúp giảm thiểu sai sót không mong muốn so với thực nghiệm trực tiếp Mặc dù các mô phỏng này mang tính giả thuyết và đơn giản, có thể không hoàn toàn phản ánh thực tế, nhưng chúng vẫn đáp ứng các vấn đề cơ bản liên quan đến động cơ.
Ngày nay, nhiều phần mềm hỗ trợ mô phỏng hệ thống ô tô đã ra đời, trong đó nổi bật là phần mềm Mathlab/Simulink Việc mô hình hóa động cơ có thể được thực hiện hiệu quả thông qua việc sử dụng Triggered Subsystems.
- Mô hình hóa động cơ đốt trong đánh lửa cưỡng bức 4 xi lanh từ bướm ga (đầu vào) đến trục khuỷu (đầu ra).
- Sử dụng các nguyên tắc vật lý đã được xác định rõ ràng.
- Sử dụng các khả năng nâng cao của Simulink để mô phỏng chúng với thời gian và độ chính xác cao.
- Dựa trên mô hình kết quả được công bố bởi Crossley và Cook (1991).
Các thành phần giam gia vào việc mô phỏng:
- Ống phân phối/cổ góp - khí nạp
- Tỉ lệ lưu lượng khí nạp
Kì sinh công (kì cháy) điều khiển đầu ra của bướm ga thông qua các khối kỳ nạp và PI Controller, nhằm mục tiêu đạt được tốc độ động cơ trong vòng lặp mở Trong khi đó, vòng lặp kín bổ sung tín hiệu phản hồi để xác định sai số giữa tốc độ động cơ thực tế và tốc độ mong muốn.
Tín hiệu đầu vào từ tốc độ động cơ mong muốn được truyền đến khối Controller, nơi nhận tín hiệu từ valve Timing và tín hiệu phản hồi về tốc độ động cơ thực tế Từ khối Controller, tín hiệu góc mở xu-páp được gửi đến khối kỳ nạp.
Khối kì nạp với tín hiệu lưu lượng không khí nạp vào trong mỗi xy lanh và truyền tới khối kì nén.
Tín hiệu được gửi đến khối kì cháy để tạo ra mômen xoắn của động cơ Bằng cách kết hợp tín hiệu này với tải của động cơ, chúng ta có thể tính toán được tốc độ thực tế của động cơ.
CÁC KHỐI TRONG MÔ HÌNH VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA MỖI KHỐI
Khối Controller
Hình 3.1 Khối điều khiển (Controller)
Gồm 3 tín hiệu đầu vào
- Từ tốc độ động cơ thực tế hồi về.
- Valve timing (nhận tín hiệu vòng quay trục khuỷu, xác định thời điểm đóng mở xupap).
- Speed Setpoint (tốc độ động cơ mong muốn).
Trong Simulink, hàm Step được sử dụng để mô phỏng tốc độ mong muốn (Speed Setpoint) của động cơ với các thông số đã được cài đặt Sau đó, hàm Scope được áp dụng để truy xuất đồ thị thể hiện tốc độ mong muốn.
Hình 3.2 Thiết lập thông số Speed setpoint
Khối Controller Subsystem là phần quan trọng trong hệ thống điều khiển, nơi mà tốc độ động cơ mong muốn (Speed setpoint) được so sánh với tốc độ thực tế thông qua tín hiệu phản hồi (feedback) Từ sự chênh lệch này, chúng ta có thể xác định sai số tốc độ động cơ Sai số này sau đó sẽ được truyền đến bộ điều khiển PI Controller, nơi nó sẽ được xử lý để tính toán và đưa ra tín hiệu điều chỉnh góc mở bướm ga.
PI là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát, được áp dụng phổ biến trong các hệ thống điều khiển.
Bằng cách điều chỉnh các hằng số của bộ điều khiển, chúng ta có thể mô tả độ nhạy sai số của bộ điều khiển Điều này ảnh hưởng đến giá trị mà bộ điều khiển đạt được khi vượt quá điểm đặt và các giá trị dao động của hệ thống.
•P (Proposional): là phương pháp điều chỉnh tỉ lệ, giúp tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ với sai lệch đầu vào theo thời gian lấy mẫu.
Điều khiển tích phân (I) là phương pháp điều chỉnh dựa trên tích phân của sai lệch theo thời gian lấy mẫu, nhằm tạo ra các tín hiệu điều chỉnh giúp giảm thiểu độ sai lệch về 0.
Tổng sai số tức thời theo thời gian cho thấy sai số tích lũy trong quá khứ Khi thời gian giảm, tác động điều chỉnh tích phân trở nên mạnh mẽ hơn, dẫn đến độ lệch giảm thiểu.
Hình 3.6 Đồ thị của khối PI Controller
Bằng cách lấy giá trị từ hàm đầu vào Set point với tốc độ động cơ mong muốn và trừ đi tín hiệu phản hồi từ tốc độ thực tế của động cơ, chúng ta có thể xác định sai số Sai số này sẽ được truyền vào lưu lượng tỷ lệ và thực hiện phép tính phân Cuối cùng, sau khi cộng tích phân và lưu lượng tỷ lệ, chúng ta sẽ thu được hàm điều khiển (controller) cần thiết cho hệ thống.
Bộ PI Controller với mong muốn là cho sai số nhỏ nhất khi hoạt động.
Khối kỳ nạp
Đây là khối kỳ nạp của động cơ.
Bên trong khối kỳ nạp:
Hình 3.8 Lưu lượng khí nạp
Khối kỳ nạp gồm 2 khối chính:
Khối lưu lượng không khí trên đường ống nạp (Throttle)
Khối lưu lượng khí nạp trên mỗi xy lanh (Intake Manifold)
3.2.1 Lưu lượng không khí trên đường ống nạp (Throttle)
Hình 3.9 Khối lưu lượng không khí trên đường ống nạp
Khối lưu lượng khí nạp trên đường ống nạp nhận tín hiệu từ :
Áp suất khí nạp trên đường ống nạp
Hình 3.10 Khối mô phỏng tính toán lưu lượng khí nạp
Dựa trên các công thức thực nghiệm và tính toán trong khối mô phỏng đã được thiết lập trước đó, lưu lượng khí nạp sẽ được tính toán và hiển thị Đồ thị minh họa sự biến đổi lưu lượng khí nạp trong đường ống nạp theo thời gian mô phỏng động cơ.
3.2.2 Lưu lượng khí nạp trên mỗi xy lanh
Hình 3.11 Khối lưu lượng khí nạp trên mỗi xy lanh
Tín hiệu từ tốc độ động cơ và lưu lượng khí nạp trên đường ống sẽ được đưa vào khối mô phỏng tính toán Dựa trên các tín hiệu nhận được, hệ thống sẽ tính toán và điều chỉnh lượng khí nạp vào từng xy lanh một cách chính xác.
Hình 3.12 Khối mô phỏng tính toán lưu lượng khí nạp mỗi xy lanh
Các công thức thực nghiệm và tính toán trong các khối mô phỏng đã được thiết lập trước đó sẽ được sử dụng để xác định lưu lượng và khối lượng khí nạp cho mỗi xy lanh.
Khối kỳ nén
Đây là khối kỳ nén của động cơ:
Bên trong khối kỳ nén:
Hình 3.14 Khối mô phỏng tính toán khối lượng khí nạp mỗi xy lanh
Khối kỳ nén nhận tín hiệu trigger từ valve timing để đóng xupap nạp, đồng thời nhận tín hiệu khối lượng khí nạp từ khối kỳ nạp Tại thời điểm này, quá trình nén khí được thực hiện hiệu quả.
15 không khí hòa trộn với nhiên liệu và được nén lại Thể hiện sự thay đổi khối lượng khí nạp của động cơ theo thời gian.
Khối kỳ cháy
Từ công thức thực nghiệm
Trong đó: ma : Khối lượng không khí nạp (g)
A/F (Air Fuel Ratio) : Tỷ lệ hòa khí σ : Góc đánh lửa sớm
Torque : Momen xoắn của động cơ
Khối kỳ cháy sẽ nhận 4 tín hiệu đầu vào là
Tín hiệu phản hồi về của động cơ
Hình 3.16 Khối mô phỏng tính toán mômen xoắn động cơ
Giá trị mômen xoắn của động cơ được xác định thông qua một công thức thực nghiệm, cho thấy sự biến đổi của mômen xoắn theo tín hiệu đầu vào theo thời gian.
Tải động cơ
Hình 3.16 Khối tải động cơ
Hình 3.17 Khối mô phỏng tính toán tải động cơ
Trong khối tải động cơ nhờ 2 hàm Step để đặt giá trị thay đổi của tải
Hình 3.18 Hình thiết lập tải động cơ
Từ các thông số đã thiết lập ta được đồ thị tải động cơ
Khối Engine Dynamics
Khối động lực học động cơ
Hình 3.19 Khối động lực học
Khối động học của động cơ nhận 2 tín hiệu đầu vào đó là
Mômen xoắn của động cơ
Tính toán nhờ định luật II Newton ta cho ra qua chuyền động qua sẽ cho ra vận tốc góc của trục khuỷa cũng như tốc độ động cơ.
Hình 3.20 Khối mô phỏng tính toán động lực học
Khối đầu ra
Hình 2.22 Khối mô phỏng đầu ra của động cơ
Từ khối đầu ra, chúng ta có thể xác định tốc độ thực tế của động cơ và tạo ra đồ thị mô phỏng mối quan hệ giữa tải động cơ và độ mở bướm ga Điều này được thực hiện thông qua tín hiệu đầu vào là số vòng quay của trục khuỷu, được chuyển đổi từ rad/s sang vòng/phút.
ĐỒ THỊ TRONG MÔ PHỎNG VÀ GIẢI THÍCH
Đồ thị tải động cơ
Trong bài viết này, chúng ta sẽ mô phỏng tải động cơ trong vòng 10 giây Trong 2 giây đầu, tải động cơ đạt 25 N.m, sau đó giảm xuống 20 N.m ở giây thứ 2 Từ giây thứ 3 đến giây thứ 8, tải động cơ ổn định ở mức 20 N.m, trước khi tăng trở lại 25 N.m và duy trì mức này cho đến giây thứ 10.
Đồ thị tốc độ mong muốn
Chúng tôi mô phỏng tốc độ động cơ trong 10 giây, bắt đầu với tốc độ 2000 rpm Đến giây thứ 5, tốc độ tăng lên 3000 rpm và giữ ổn định cho đến giây thứ 10.
Đồ thị lưu lượng không khí trên đường ống nạp (khối kỳ nạp)
Trong quá trình hoạt động của động cơ, lưu lượng không khí trên đường ống nạp trải qua những biến đổi đáng chú ý Ở giây thứ 2, lưu lượng không khí giảm và ổn định khi tải động cơ giảm từ 25 (N.m) xuống 20 (N.m) Tiếp theo, ở giây thứ 5, lưu lượng không khí tăng vọt rồi ổn định do tốc độ mong muốn của động cơ tăng từ 2000 (rpm) lên 3000 (rpm) Cuối cùng, ở giây thứ 8, lưu lượng không khí lại tăng lên và ổn định khi tải động cơ tăng từ 20 (N.m) lên 25 (N.m).
Dựa vào đồ thị, có thể thấy rằng lưu lượng không khí trong ống nạp có sự biến động tăng giảm vượt quá mức do quán tính Tuy nhiên, sau đó, hệ thống điều khiển PI đã điều chỉnh lại lưu lượng một cách ổn định.
Đồ thị lưu lượng khí nạp trên mỗi xy lanh
Tương tự như đồ thị lưu lượng không khí trong đường ống nạp, lưu lượng khí nạp trên mỗi xy lanh có sự biến động rõ rệt Ở giây thứ 2, lưu lượng khí nạp giảm và ổn định khi tải động cơ giảm từ 25 (N.m) xuống 20 (N.m) Đến giây thứ 5, lưu lượng khí nạp tăng vọt và ổn định do tốc độ mong muốn của động cơ tăng từ 2000 (rpm) lên 3000 (rpm) Cuối cùng, ở giây thứ 8, lưu lượng khí nạp lại tăng lên và ổn định khi tải động cơ tăng từ 20 (N.m) lên 25 (N.m).
Dựa vào đồ thị, có thể thấy rằng lưu lượng không khí trên mỗi xy lanh tăng và giảm đều có hiện tượng vượt lố do quán tính Tuy nhiên, sự điều chỉnh của bộ điều khiển PI đã giúp khôi phục lại sự ổn định cho lưu lượng này.
Đồ thị khối lượng khí nạp trong mỗi xy lanh
Trong quá trình hoạt động của động cơ, lưu lượng khí nạp trên mỗi xy lanh có sự biến đổi rõ rệt Cụ thể, ở giây thứ 2, khối lượng khí nạp giảm và ổn định khi tải động cơ giảm từ 25 (N.m) xuống 20 (N.m) Đến giây thứ 5, khối lượng khí nạp tăng mạnh và ổn định do tốc độ mong muốn của động cơ tăng từ 2000 (rpm) lên 3000 (rpm) Cuối cùng, ở giây thứ 8, khối lượng khí nạp lại tiếp tục tăng và ổn định khi tải động cơ tăng từ 20 (N.m) lên 25 (N.m).
Dựa trên đồ thị, có thể thấy rằng khối lượng khí nạp trên mỗi xy lanh có sự biến động tăng và giảm do quán tính Tuy nhiên, sự điều chỉnh của bộ điều khiển PI đã giúp ổn định lại khối lượng khí nạp.
Đồ thị moment xoắn của động cơ
Hai giây đầu moment xoắn của động cơ là 25 (N.m) ứng với tải động cơ lúc này là 25 (N.m).
Trong giây thứ hai, tải động cơ giảm từ 25 N.m xuống 20 N.m, và PI Controller sẽ điều chỉnh moment ổn định cho đến giây thứ năm Đến giây thứ năm, moment tăng vọt khi tốc độ động cơ mong muốn tăng lên.
2000 (rpm) lên 3000 (rpm) Tương tự, PI Controller cũng sẽ điều chỉnh ổn định về giá trị
20 (N.m) đến giây thứ 8. Ở giây thứ 8 thì moment tiếp tục tăng lên do tải động cơ tăng từ 20 (N.m) lên 25 (N.m) và ổn định đến giây thứ 10 đạt giá trị 25 (N.m).
Dựa trên đồ thị, có thể thấy rằng sự tăng và giảm của moment xoắn động cơ đều có hiện tượng vượt lố do quán tính, nhưng PI Controller đã điều chỉnh lại một cách ổn định.
Đồ thị kết hợp tốc độ mong muốn và tốc độ thực tế
Theo đồ thị tốc độ mong muốn, trong 5 giây đầu, tốc độ động cơ đạt 2000 rpm, sau đó tăng lên 3000 rpm trong 5 giây tiếp theo.
Khi phân tích đồ thị tốc độ thực tế của động cơ, ta thấy rằng vào giây thứ 2, tốc độ động cơ tăng lên do tải giảm từ 25 (N.m) xuống 20 (N.m) Bộ điều khiển PI nhận diện và điều chỉnh để giảm tốc độ gần với giá trị mong muốn 2000 (rpm) Đến giây thứ 5, tốc độ động cơ tăng vọt khi chúng ta muốn tăng tốc.
Tại giây thứ 8, tốc độ động cơ giảm do tải động cơ tăng từ 20 N.m lên 25 N.m Bộ điều khiển PI nhận diện sự thay đổi này và điều chỉnh để duy trì tốc độ động cơ gần nhất với giá trị 3000 rpm, đây là tốc độ mong muốn.
Sự thay đổi tốc độ động cơ thường gặp hiện tượng vượt lố do quán tính, nhưng PI Controller sẽ điều chỉnh lại để đạt sự ổn định Tuy nhiên, quá trình này cũng tạo ra độ trễ thời gian khi tăng hoặc giảm tốc độ.
Đồ thị độ mở bướm ga
Trong 2 giây đầu, độ mở bướm ga giữ nguyên do tải động cơ và tốc độ mong muốn không thay đổi Đến giây thứ 2, độ mở giảm khi tải động cơ giảm từ 25 (N.m) xuống 20 (N.m), nhờ vào bộ PI controller điều chỉnh Tại giây thứ 5, độ mở bướm ga tăng mạnh khi tốc độ mong muốn tăng từ 2000 (rpm) lên 3000 (rpm), sau đó ổn định trở lại nhờ vào PI controller Đến giây thứ 8, độ mở bướm ga lại tăng do tải động cơ tăng từ 20 (N.m) lên 25 (N.m) và sau đó ổn định nhờ vào PI controller.
Độ mở bướm ga tăng và giảm có sự vượt lố do quán tính, nhưng được điều chỉnh ổn định bởi PI Controller, mặc dù điều này cũng gây ra một độ trễ thời gian nhất định.
THAY ĐỔI THÔNG SỐ ĐẦU VÀO VÀ NHẬN XÉT
Thay đổi hàm đầu vào
Ở phần mô phỏng này thì chúng ta sẽ thay đổi một số hàm đầu vào cũng như là một số giá trị cụ thể ở hàm đầu vào.
Hàm đầu vào ban đầu sử dụng hàm Step 5 giây đầu và 5 giây sau: 5 giây đầu (chạy
Khi thay đổi tốc độ ban đầu thành 3000 vòng/phút, kết quả cho thấy một số điểm vọt lố xuất hiện ở giây thứ 2 và giây thứ 8 Bộ điều khiển PI có sự đáp ứng trễ, mất khoảng 0.8 - 0.9 giây để đạt được tốc độ 3000 vòng/phút.
Thay đổi góc đánh lửa sớm
Từ đồ thị ta thấy tốc độ động cơ có sự vọt lố và trễ khi thay đổi góc đánh lửa sớm lần lượt từ 0, 5, 10, 15, 20 độ.
Việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm từ 0 đến 20 độ không có tác động lớn đến tốc độ động cơ, mà chủ yếu ảnh hưởng đến giai đoạn khởi động và điều khiển ban đầu.
Góc đánh lửa nhỏ sẽ dẫn đến việc thời điểm khởi động động cơ không đạt được moment mong muốn Tuy nhiên, việc sử dụng PI-Controller sẽ giúp khắc phục vấn đề này hiệu quả.
Thay đổi tỉ lệ hòa khí
Trên đồ thị, đường màu xanh biểu thị tốc độ động cơ với tỷ lệ hòa khí 1/14.6, trong khi đường màu đỏ thể hiện tốc độ động cơ với tỷ lệ hòa khí 1/18 Trong những giây đầu tiên sau khi thay đổi tỷ lệ hòa trộn, động cơ không đạt được 2000 vòng/phút mà chỉ ở mức 1600 - 1800 vòng/phút Tuy nhiên, từ giây thứ 2 đến giây thứ 3, tốc độ động cơ tăng vọt, và nhờ vào PI-Controller, tốc độ sẽ được điều chỉnh gần với 2000 vòng/phút.
Từ giây thứ 5, tài xế tăng tốc độ động cơ lên 3000 vòng/phút bằng cách đạp ga, và khi điều chỉnh tỷ lệ hòa khí A/F thành 1/18, tốc độ động cơ đã tăng lên rõ rệt.
Việc tăng tốc độ từ 2000 vòng/phút lên 3000 vòng/phút mất nhiều thời gian hơn so với giai đoạn đầu Đặc biệt, từ giây thứ 6 đến giây thứ 8, động cơ có sự gia tăng tốc độ đột ngột.
Thay đổi tải trọng xe
Theo đồ thị, trong 2 giây đầu, tải trọng là 20 N.m Từ giây thứ 2 đến giây thứ 8, tải trọng tăng lên 25 N.m Sau đó, từ giây thứ 8 đến giây thứ 10, tải trọng giảm trở lại còn 20 N.m.
Sự thay đổi tải động cơ dẫn đến sự biến động trong tốc độ, với tốc độ ban đầu vượt quá 2000 vòng/phút do tải nhẹ Tuy nhiên, từ giây thứ hai, tải động cơ tăng đột ngột, khiến tốc độ giảm xuống dưới 2000 vòng/phút Hiện tượng này lặp lại từ giây thứ tám trở đi Do đó, sự thay đổi đột ngột của tải sẽ ảnh hưởng đến tốc độ động cơ, và bộ điều khiển PI-Controller sẽ phát hiện và điều chỉnh để ổn định lại tốc độ.
