Tiểu luận cuối kì engine modelling, mô hình hóa động cơ bằng Matlab Simulink ĐH SPKT TP.HCM

Tiểu luận cuối kì engine modelling, mô hình hóa động cơ bằng Matlab Simulink ĐH SPKT TP.HCM Bài report này được đánh giá rất cao (9 điểm) nên yên tâm Nếu không có tài khoản trên đây thì zalo cho mình: 0394390950

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Bộ môn Điện tử ô tô

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

PHIẾU NHẬN XÉT TIỂU LUẬN MÔN HỌC

(Dành cho giảng viên hướng dẫn)

Họ và tên sinh viên: MSSV:

Họ và tên sinh viên: MSSV:

Họ và tên sinh viên: MSSV:

Họ và tên sinh viên: MSSV:

Họ và tên sinh viên: MSSV:

Họ và tên sinh viên: MSSV:

Tên đề tài: Engine ModellingNgành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật ô tô

Họ và tên GV hướng dẫn: THS NGUYỄN TRUNG HIẾU

Ý KIẾN NHẬN XÉT

1 Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên (không đánh máy)

…

2 Nhận xét về kết quả thực hiện của TLMH (không đánh máy)

2.1.Kết cấu, cách thức trình bày TLMH:

….

2.2.Nội dung tiểu luận: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của tiểu luận, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)

2.3.Kết quả đạt được:

2.4.Những tồn tại (nếu có):

Đánh giá:

đa

Điểm đạt được

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục 10

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài 10

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa

học xã hội…

5

Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10

Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy trình

đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế.

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành… 5

3 Kết luận:

 Được phép bảo vệ

 Không được phép bảo vệ

TP.HCM, ngày tháng năm Giảng viên

hướng dẫn

(Ký, ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Bộ môn Điện tử ô tô

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

PHIẾU NHẬN XÉT TIỂU LUẬN MÔN HỌC

(Dành cho giảng viên phản biện)

Họ và tên sinh viên: MSSV:

Họ và tên sinh viên: MSSV:

Họ và tên sinh viên: MSSV:

Họ và tên sinh viên: MSSV:

Họ và tên sinh viên: MSSV:

Họ và tên sinh viên: MSSV:

Tên đề tài: Engine Modelling Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật ô tô

Họ và tên GV phản biện: (Mã GV)

Ý KIẾN NHẬN XÉT 1 Kết cấu, cách thức trình bày TLMH:

2 Nội dung tiểu luận: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của tiểu luận, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)

3 Kết quả đạt được:

4 Những thiếu sót và tồn tại của TLMH:

5 Câu hỏi:

…

6 Đánh giá:

đa

Điểm đạt được

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục 10

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài 10

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa

học xã hội…

5

Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10

Khả năng thiết kế, chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy trình

đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế.

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành… 5

Thông qua bài tiểu luận này, chúng em xin trình bày lại những gì mà mình đã tìm hiểu về

đề tài Mô phỏng động cơ (Engine Modelling) Có lẽ kiến thức là vô hạn mà sự tiếp nhận kiến

thức của bản thân mỗi người luôn tồn tại những hạn chế nhất định Do đó, trong quá trình hoànthành bài tiểu luận, chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Chúng em rất mong nhậnđược những góp ý đến từ thầy và các bạn đọc để bài tiểu luận của chúng em được hoàn thiệnhơn

Kính chúc thầy sức khỏe, hạnh phúc và thành công trên con đường sự nghiệp giảng dạy

MỤC LỤC

Tran

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

I KHÁI QUÁT VỀ PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK 3

II TỔNG QUAN MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG VÒNG LẶP KÍN (ENGINE TIMING MODEL WITH CLOSE-LOOP CONTROL) 3

III CÁC KHỐI TRONG MÔ HÌNH VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA MỖI KHỐI 5

3.1 Khối Controller 5

3.2 Khối kỳ nạp 9

3.2.1 Lưu lượng không khí trên đường ống nạp (Throttle) 10

3.2.2 Lưu lượng khí nạp trên mỗi xy lanh 11

3.3 Khối kỳ nén 12

3.4 Khối kỳ cháy 14

3.5 Tải động cơ 16

3.6 Khối Engine Dynamics 18

3.7 Khối đầu ra 19

IV ĐỒ THỊ TRONG MÔ PHỎNG VÀ GIẢI THÍCH 21

4.1 Đồ thị tải động cơ 21

4.2 Đồ thị tốc độ mong muốn 21

4.3 Đồ thị lưu lượng không khí trên đường ống nạp (khối kỳ nạp) 22

4.4 Đồ thị lưu lượng khí nạp trên mỗi xy lanh 23

4.5 Đồ thị khối lượng khí nạp trong mỗi xy lanh 24

4.6 Đồ thị moment xoắn của động cơ 25

4.7 Đồ thị kết hợp tốc độ mong muốn và tốc độ thực tế 26

4.8 Đồ thị độ mở bướm ga 27

V THAY ĐỔI THÔNG SỐ ĐẦU VÀO VÀ NHẬN XÉT 28

5.1 Thay đổi hàm đầu vào 28

5.2 Thay đổi góc đánh lửa sớm 29

5.3 Thay đổi tỉ lệ hòa khí 30

5.4 Thay đổi tải trọng xe 31

VI KẾT LUẬN VÀ NHẬN XÉT 32

VII TÀI LIỆU THAM KHẢO 33

I Khái quát về phần mềm Matlab/Simulink

Matlab là một bộ phận phần mềm dùng để tính toán các các bài toán kỹ thuật, đượcviết bằng ngôn ngữ C do hãng Math Works Inc sản xuất Nó được tạo trên cơ sở nhữngphần mềm do nhà lập trình của dự án LINPACK và EISPACK viết ra bằng ngôn ngữFortran dùng cho việc thực hiện các phép tính 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’ Đến khi thực hành sử dụng phần mềm ta sẽ thấy mỗi phần tử cơbản của Matlab là một ma trận Phần mềm Matlab liên tục được bổ sung và hoàn thiện.Các ứng dụng điển hình của Matlab:

- Toán học và tính toán

- Phát triển thuật 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 một chương trình đi kèm với Matlab, là một hệ thống tương tác với việc

mô phỏng các hệ thống động học phi tuyến Nó là một chương trình đồ họa sử dụng chuột

để thao tác cho phép mô hình hóa một hệ thống bằng cách vẽ một sơ đồ khối trên mànhình Nó có thể làm việc với các hệ thống tuyến tính, phi tuyến, hệ thống liên tục theothời gian, hệ thống gián đoạn theo thời gian, hệ thống đa biến

II 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 các sơ đồ khối và đồ thị Bằng việc

mô phỏng chúng ta có thể tiến hành các thực nghiệm động cơ dưới dạng mô hình hóa, làmgiảm bớt các sai xót không đáng có thay vì thực nghiệm trực tiếp Tuy nhiên, đây lànhững mô phỏng mang tính giả thuyết, đơn giản, có thể không sát với thực tế nhưng vẫnđáp ứng được những vấn đề cơ bản trên động cơ

Ngày nay có nhiều phần mềm giúp việc mô phỏng các hệ thống trên ô tô được dễdàng hơn, một trong số đó là phần mềm Mathlab/Simulink Mô hình hóa động cơ bằngcách sử dụng Triggeres 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:

Đầu vào bướm ga thông qua các khối kỳ nạp, kì sinh công (kì cháy) và PI Controller

để cho đầu ra là tốc độ động cơ, đây là vòng lặp mở (Open-loop) Với vòng lặp kín

(Close-loop) có thêm tín hiệu phản hồi (Feedback) để xác định sai số của tốc độ động cơthực tế so với tốc độ mong muốn

Từ hàm đầu vào với tốc độ động cơ mà ta mong muốn, tín hiệu này truyền tới khốiController Trước khối Controller còn có tín hiệu của valve Timing và còn có tín hiệufeedback hồi về tốc độ động cơ thực tế Sau đó từ khối controller sẽ cho ra tin hiệu góc

Từ đây tín hiệu được tiếp tục gửi đến khối kì cháy cho ra tín hiệu mômen xoắn củađộng cơ Kết hợp với tải của động cơ tới khối động lực học của động cơ ta sẽ tính đượctốc độ thực tế của động cơ

III Các khối trong mô hình và hoạt động của mỗi khối

3.1 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 mởxupap)

- Speed Setpoint (tốc độ động cơ mong muốn)

Ta dùng hàm Step trong Simulink để mô phỏng tốc độ mong muốn (Speed Setpoint)của động cơ với các thông số được cài đặt như sau Sau đó dùng hàm Scope để truy xuất

đồ thị tốc độ mong muốn

Hình 3.2 Thiết lập thông số Speed setpoint

3.1.1 Khối Controller Subsystem

Hình 3.3 Khối điều khiển

Hình 3.4 Khối Controller Subsystem

Đây là khối Controller Subsystem, từ hàm đầu vào với tốc độ động cơ mong muốn(Speed setpoint) trừ cho tốc độ thực tế của động cơ từ tín hiệu phản hồi (feedback) hồi về

ta sẽ tính được sai số của tốc độ động cơ và sai số của tốc độ động cơ sẽ truyền tới bộ điềukhiển PI Controller sẻ tính toán và đưa ra tín hiệu góc mở bướm ga

3.1.2 Khối PI Controller

Là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển( bộ điều khiển) tổng quát được sử dụngtrong các hệ thống điều khiển PI được sử dụng rộng rãi nhất

Bằng cách điều chỉnh các hằng số bộ điều khiển có thể mô tả dưới dạng đô nhạy sai

số của bộ điều khiển Giá trị mà bộ điều khiển overshooting điểm đặt và các giá trị daođộng của hệ thống

•P (Proposional): là phương pháp điều chỉnh tỉ lệ, giúp tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỉ lệvới sai lệch đầu vào theo thời gian lấy mẫu

•I (Integral): là tích phân của sai lệch theo thời gian lấy mẫu Điều khiển tích phân làphương pháp điều chỉnh để tạo ra các tín hiệu điều chỉnh sao cho độ sai lệch giảm về 0

Từ đó cho ta biết tổng sai số tức thời theo thời gian hay sai số tích lũy trong quá khứ Khithời gian càng nhỏ thể hiện tác động điều chỉnh tích phân càng mạnh, tương ứng với độlệch càng nhỏ.

Hình 3.5 Khối PI Controller

Hình 3.6 Đồ thị của khối PI Controller

Từ hàm đầu vào Set point với tốc độ động cơ mong muốn trừ đi tín hiệu phản hồi(feedback) từ tốc độ thực tế của động cơ ta có sai số và truyền vào lưu lượng tỷ lệ và lấytính phân Sau khi cộng tích phân và lưu lượng tỷ lệ ta sẽ cho ra hàm điều khiểncontroller

Bộ PI Controller với mong muốn là cho sai số nhỏ nhất khi hoạt động

 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 :

3.2.2 Lưu lượng khí nạp trên mỗi xy lanh

Hình 3.11 Khối lưu lượng khí nạp trên mỗi xy lanh

Nhận tín hiệu từ tốc độ động cơ và lưu lượng khí nạp trên đường ống nạp sẽ được đưavào khối mô phỏng tính toán Sẽ tính toán và điều chỉnh lượng khí nạp đưa vào mỗi xylanh theo điều kiện tín hiệu gửi vào

Hình 3.12 Khối mô phỏng tính toán lưu lượng khí nạp mỗi xy lanh

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 gửi đến (tín hiệu này dùng để đóngxupap nạp), và tín hiệu khối lượng khí nạp từ khối kỳ nạp gửi đến, tại thời điểm này thì

không khí hòa trộn với nhiên liệu và được nén lại Thể hiện sự thay đổi khối lượng khínạp của động cơ theo thời gian.

3.4 Khối kỳ cháy

Từ công thức thực nghiệm

Torque= -181.3 + 379.36ma + 21.91(A/F) - 0.85(A/F)2+ 0.26σ- 0.0028σ2 + 0.027N – 0.000107N2 + 0.00048σ + 2.55σma – 0.05σ2ma

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

 Tín hiệu phản hồi về của động cơ

Hình 3.16 Khối mô phỏng tính toán mômen xoắn động cơ

Giá trị mômen xoắn động cơ đươc tính từ công thức thực nghiệm Thể hiện sự thayđổi mômen xoắn động cơ dựa theo tín hiệu đầu vào theo thời gian.

3.5 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

3.6 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

 Tải động cơ

 Mômen xoắn của động cơ

Tính toán nhờ định luật II Newton ta cho ra qua chuyền động qua sẽ cho ra vận tốcgóc của trục khuỷa cũng như tốc độ động cơ

Hình 3.20 Khối mô phỏng tính toán động lực học

3.7 Khối đầu ra

Hình 3.21 Khối đầu ra

Hình 2.22 Khối mô phỏng đầu ra của động cơ

Từ khối đầu ra chúng ta sẽ nhận được tốc độ thực tế của động cơ và đồ thị mô phỏnggiữa tải động cơ và độ mở bướm ga nhờ tín hiệu đầu vào là số vòng quay trục khuỷu tabiến đổi từ rad/s sang vòng/phút

IV Đồ thị trong mô phỏng và giải thích

4.1 Đồ thị tải động cơ

Ở đây chúng ta mô phỏng tải động cơ trong 10 giây Hai giây đầu tải động cơ là 25(N.m) Ở giây thứ 2 sẽ giảm từ 25 (N.m) xuống 20 (N.m) Sau đó ổn định đến giây thứ 8thì tăng lên từ 20 (N.m) lên 25 (N.m) và ổn định đến giây thứ 10

4.2 Đồ thị tốc độ mong muốn

Tương tự như tải động cơ, ta mô phỏng tốc độ động cơ trong 10 giây Tốc độ ban đầucủa động cơ là 2000 (rpm) Sau đó, đến giây thứ 5 thì tăng lên 3000 (rpm) và ổn định đếngiây thứ 10

4.3 Đồ thị lưu lượng không khí trên đường ống nạp ( khối kỳ nạp)

Ở giây thứ 2 lưu lượng không khí trên đường ống nạp giảm xuống rồi ổn định do tảiđộng cơ giảm từ 25 (N.m) xuống 20 (N.m)

Ở giây thứ 5 lưu lượng không khí trên đường ống nạp tăng vọt lên rồi ổn định do tốc

độ mong muốn của động cơ tăng từ 2000 (rpm) lên 3000 (rpm)

Ở giây thứ 8 lưu lượng không khí trên đường ống nạp tăng lên rồi ổn định do tải động

cơ tăng từ 20 (N.m) lên 25 (N.m)

Từ đồ thị ta nhận thấy, sự tăng lên và giảm xuống của lưu lượng không khí trên đườngống nạp đều có sự vượt lố do quán tính Tuy nhiên sau đó đều được PI Controller điềuchỉnh trở lại một cách ổn định

4.4 Đồ thị lưu lượng khí nạp trên mỗi xy lanh

Tương tự như đồ thị lưu lượng không khí trên đường ống nạp

Ở giây thứ 2 lưu lượng khí nạp trên mỗi xy lanh giảm xuống rồi ổn định do tải động

cơ giảm từ 25 (N.m) xuống 20 (N.m)

Ở giây thứ 5 lưu lượng khí nạp trên mỗi xy lanh tăng vọt lên rồi ổn định do tốc độmong muốn của động cơ tăng từ 2000 (rpm) lên 3000 (rpm)

Ở giây thứ 8 lưu lượng khí nạp trên mỗi xy lanh tăng lên rồi ổn định do tải động cơtăng từ 20 (N.m) lên 25 (N.m)

Từ đồ thị ta nhận thấy, sự tăng lên và giảm xuống của lưu lượng không khí trên mỗi

xy lanh đều có sự vượt lố do quán tính Tuy nhiên sau đó đều được PI Controller điềuchỉnh trở lại một cách ổn định

4.5 Đồ thị khối lượng khí nạp trong mỗi xy lanh

Tương tự như hai đồ thị lưu lượng không khí trên đường ống nạp và lưu lượng khínạp trên mỗi xy lanh

Ở giây thứ 2 khối lượng khí nạp trên mỗi xy lanh giảm xuống rồi ổn định do tải động

cơ giảm từ 25 (N.m) xuống 20 (N.m)

Ở giây thứ 5 khối lượng khí nạp trên mỗi xy lanh tăng vọt lên rồi ổn định do tốc độmong muốn của động cơ tăng từ 2000 (rpm) lên 3000 (rpm)

Ở giây thứ 8 khối lượng khí nạp trên mỗi xy lanh tăng lên rồi ổn định do tải động cơtăng từ 20 (N.m) lên 25 (N.m)

Từ đồ thị ta nhận thấy, sự tăng lên và giảm xuống của khối lượng khí nạp trên mỗi xylanh đều có sự vượt lố do quán tính Tuy nhiên sau đó đều được PI Controller điều chỉnhtrở lại một cách ổn định