Nghiên cứu điều khiển bám tối ưu mô men cho động cơ xăng để giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ

Mục đích nghiên cứu Mục tiêu của luận án là nghiên cứu giải quyết bài toán điều khiển ổn định tốc độ động cơ xăng sử dụng trên xe ô tô, bám mô-men cản đặt vào trục động cơ xăng khi ô tô

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

NCS ĐÀO QUANG KHANH

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BÁM TỐI ƯU MÔ-MEN CHO ĐỘNG CƠ XĂNG ĐỂ GIẢM LƯỢNG NHIÊN LIỆU

TIÊU THỤ Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

NCS ĐÀO QUANG KHANH

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BÁM TỐI ƯU MÔ-MEN CHO ĐỘNG CƠ XĂNG ĐỂ GIẢM LƯỢNG NHIÊN LIỆU

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Đào Quang Khanh

Sinh ngày 21 tháng 01 năm 1981

Nghiên cứu sinh khóa 2014 – 2018, ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa – Trường Đại học Hàng hải Việt Nam

Hiện đang công tác tại Bộ môn Điện tự động Tàu thủy – Khoa Điện Điện tử - Trường Đại học Hàng hải Việt Nam

Xin cam đoan: Luận án “Nghiên cứu điều khiển bám tối ưu mô-men cho

động xăng để giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ” do PGS.TS Lưu Kim Thành và

PGS.TS Trần Anh Dũng hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng

Nếu không đúng, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng khoa học và trước pháp luật

Hải Phòng, ngày tháng năm 2020

Tác giả

Đào Quang Khanh

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình làm luận án, tôi đã nhận được rất nhiều góp ý về chuyên môn cũng như sự ủng hộ về công tác tổ chức của thầy hướng dẫn, của các nhà khoa học, của các bạn đồng nghiệp Tôi xin được gửi tới họ lời cảm ơn sâu sắc

Tôi xin bày tỏ sự cảm ơn sâu sắc đến các thầy hướng dẫn đã tâm huyết hướng dẫn tôi trong suốt thời gian qua

Tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, tập thể các nhà khoa học Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Trường Đại học Giao thông Vận tải, Viện Sau Đại Học, bộ môn Điện tự động Tàu thủy Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam, đã có những ý kiến đóng góp quý báu và các Phòng ban của Trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án

Hải Phòng, ngày tháng năm 2020

Tác giả

Đào Quang Khanh

Trang 5

1.2 Các công trình nghiên cứu trong nước về điều khiển tiết kiệm nhiên liệu

1.3 Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu về điều khiển tiết kiệm nhiên liệu

Chương 2 Mô hình hóa và nhận dạng động cơ xăng 25

Chương 3 Điều khiển mô-men động cơ xăng bằng thuật toán điều

Trang 6

ii

3.5 Đề xuất phương pháp mới điều khiển bám tối ưu LQIT tự chỉnh RHC 91

Chương 4 Thực nghiệm kiểm chứng chất lượng của thuật toán đã đề

4.2 Thiết kế, cài đặt bộ điều khiển bám tối ưu LQIT trên Kit Arduino Mega2560

103

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI 120

PHỤ LỤC

Trang 7

m Lưu lượng nhiên phun vao

xi lanh liệu lý thuyêt

Trang 8

iv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AFR air/fuel ratio (tỷ lệ hỗn hợp không

khí / nhiên liệu)

PD Proportional-Derivative

ARI Arrhenius integration PI Proportional-Integral

BDC Bottom Dead Center PID Proportional-Integral-Derivative ECU Engine control unit PMEP Pumping mean effective pressure EFI Electric Fuel Injection PGM-FI Programmed Fuel Injection

FI Fuel Injection RCCI Reactivity Controlled Compression

Ignition

HCCI Homogeneous Charge

Compression Ignition

SIDI Spark Ignition Direct Injection

HIL Hardware in the loop SMC Sliding Mode Control

IMEP Indicated Mean Effective

Pressure

ST spark ignition timing

MVEM mean value engine model STR Self Tuning Regulator

MPC Model predictive control TC TurboCharged

MEP mean effective pressure TDC Top Dead Center

LQR Linear–Quadratic Regulator

LQG Linear–Quadratic–Gaussian

LQIT Linear Quadratic Integral Tracking

Trang 9

v

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Lượng nhiên liệu tiêu thụ với giá trị mô-men cản là 10

Trang 10

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 2.5 Mô hình động học không khí trên đường ra khỏi học hút vào

Hình 2.6 Mô hình động học không khí vào trong họng hút đi qua cánh

Hình 2.8 Hệ thống phun xăng - 1: Không khí nạp 2:Cảm biến khí nạp

(cảm biến gió) 3: Bướm hỗn hợp 4: Xappap nạp.5: Vòi phun.6: Tín

hiệu điều khiển phun.7: Bộ điều khiển phun xăng.8: Các tín hiệu cảm

biến vào bộ xử lý.9: Xăng từ bơm

30

Hình 2.10 Diễn biến quá trình cháy giãn nở động cơ xăng trên đồ thị

Hình 2.14 (a) -Mô hình mô phỏng thực hiện hệ phương trình (2.22),

(b)-Mô hình mô phỏng động cơ xăng thực hiện bằng khối Subsystem

trong Simulink

36

Hình 2.16 (a)- Lực tác động lên trục khuỷu hình thành mô-men quay

Hình 2.22 Các dạng tín hiệu mẫu vào thông dụng: (a) tín hiệu phân

Trang 11

vii

Hình 2.27 Kết quả đánh giá sự trùng hợp tốc độ và mô-men đầu ra

của mô hình trạng thái và mô hình phi tuyến của động cơ khi tín hiệu α

là ngẫu nhiên

55

là hình sin

56

Hình 2.31 Kết quả đánh giá sự trùng hợp tốc độ đầu ra của mô hình

Hình 2.32 Kết quả đánh giá sự trùng hợp mô-men đầu ra của mô hình

Hình 2.33 Kết quả đánh giá sự trùng hợp mô-men đầu ra của mô hình

ARX nhận dạng online và mô hình phi tuyến của động cơ khi tín hiệu α

là ngẫu nhiên

63

là hình sin

64

là hình tam giác

64

Hình 3.5 Động cơ xăng được quan sát trạng thái bằng bộ lọc Kalman

Hình 3.6 Hệ thống quan sát trạng thái bằng bộ lọc Kalman tuyến tính

với tín hiệu đo lường từ mô hình nhận dạng ARX trực tuyến theo thời

gian

79

Trang 12

viii

Hình 3.8 Mô phỏng quan sát trạng thái động cơ xăng bằng bộ lọc

Kalman tuyến tính với tín hiệu đo lường từ mô hình nhận dạng trực

tuyến theo thời gian

80

Hình 3.11 (a) thuật toán xác định bộ điều khiển LQIT, (b) thuật toán

Hình 3.12 Mô hình điều khiển bám theo mô-men cho động cơ xăng với

(a)-bộ điều khiển LQIT kết hợp với quan sát Kalman, (b) với bộ điều

Hình 3.18 Lưu đồ thuật toán tính toán bộ điều khiển LQIT tự chỉnh

Hình 3.19 Lưu đồ thuật toán tính toán bộ quan sát trạng thái Kalman

Hình 3.21 Các đặc tính của động cơ xăng khi áp dụng điều khiển

Hình 4.2 (a)-Cấu trúc lai mô phỏng thời gian thực, (b)-mô phỏng

Hình 4.3 Trình tự thiết kế và mô phỏng thời gian thực bằng máy tính

Hình 4.6 Cấu trúc mô phỏng HIL cho điều khiển bám mô-men động

cơ xăng, (a)-mô hình bộ điều khiển LQIT tự chỉnh, (b)-mô hình mô

phỏng động cơ xăng

108

Hình 4.7 Mô hình vật lý mô phỏng thời gian thực HIL cho bộ điều

khiển bám ổn định tốc độ đặt và mô-men cản bằng thuật toán LQIT tự

Trang 13

ix

Hình 4.10 Thí nghiệm khi tốc độ đặt là hằng số, mô-men cản là sóng

Hình 4.11 Đặc tính tốc độ mô-men cản dạng sóng vuông 20Nm (a)-khi

sử dụng bộ điều khiển LQIT tự chỉnh, (b)-khi sử dụng bộ điều khiển

PID

111

Hình 4.12 Đặc tính góc mở bướm ga α của động cơ xăng mô-men cản

là sóng vuông 20Nm (a)-khi sử dụng bộ điều khiển LQIT tự chỉnh,

(b)-khi sử dụng PID

112

Hình 4.13 Đặc tính mô-men của động cơ xăng mô-men cản là sóng

vuông 20Nm (a)- khi sử dụng bộ điều khiển LQIT tự chỉnh, (b)-khi sử

Hình 4.14 Đặc tính tiêu thụ nhiên liệu của động cơ xăng khi tốc độ đặt

Hình 4.15 Thí nghiệm khi tốc độ đặt và mô-men cản là dạng bậc

Hình 4.16 Đặc tính tốc độ và mô-men cản thay đổi dạng bậc thang

(a)-khi sử dụng bộ điều khiển LQIT tự chỉnh, (b)-khi sử dụng bộ điều

khiển PID

114

Hình 4.17 Đặc tính góc mở bướm ga α của động cơ xăng khi tốc độ và

mô-men thay đổi dạng bậc thang (a)-sử dụng LQIT tự chỉnh, (b)-khi sử

dụng PID

115

Hình 4.18 Đặc tính mô-men của động cơ xăng khi tốc độ và mô-men

cản dạng bậc thang, (a)-khi sử dụng LQIT tự chỉnh, (b)-khi sử dụng

PID

115

Hình 4.19 Đặc tính tiêu thụ nhiên liệu của động cơ xăng khi tốc độ đặt

Trang 14

1

MỞ ĐẦU

1 Giới thiệu

Đã có hơn 90 triệu chiếc xe hơi được sản xuất trên toàn Thế giới trong năm

2019, xe hơi sản xuất tăng 5% mỗi năm [95] Sự phát triển của thị trường ô tô mang lại nhiều khía cạnh tiêu cực cần được xem xét nghiêm túc của ngành công nghiệp ô tô Thứ nhất, động cơ xăng đã trở thành một trong những đối tượng gây ô nhiễm lớn cho môi trường Thứ hai, giá nhiên liệu tăng cao, buộc các nhà sản xuất động cơ ứng dụng công nghệ mới cho phép ít gây ô nhiễm và hiệu quả

a Tình hình nghiên cứu trong nước

Mặc dù số lượng yêu cầu ô tô, xe máy ở Việt Nam và trên thế giới là lớn không ngừng tăng về số lượng, song chỉ có một số các hãng sản xuất ô tô, xe máy lớn trên thế giới có khả năng thiết kế và thi công bộ điều khiển kiểm soát nhiên liệu điện tử EFI Đây là một công việc đòi hỏi một hàm lượng chất xám cao và phải thỏa mãn các tiêu chuẩn quốc tế về hàm lượng khí thải (chuẩn Châu Âu và của Nhật Bản) Hiện nay, đa số các bản quyền thiết kế và thiết kế công nghệ phụ thuộc vào một số hãng lớn trên thế giới, là sở hữu của các hãng này chứ không phổ biến rộng rãi Vì vậy, vấn đề này cũng được một số nhà khoa học trong nước tiếp cận, nghiên cứu trong khoảng hơn một thập niên trở lại đây

b Tình hình nghiên cứu tại nước ngoài

Với mục tiêu giảm thiểu ô nhiễm khí thải cũng như bảo toàn các nguồn tài nguyên thiên nhiên, tiết kiệm năng lượng trở thành một chủ đề mang tính toàn cầu Cùng với đó là sự nảy sinh nhu cầu đối với các loại phương tiện giao thông đặc biệt là các xe ô tô thân thiện với môi trường, áp dụng các loại động cơ tiết kiệm nhiên liệu, ít khí thải độc hại, các hãng xe thế giới như Honda, Toyota, Nissan, GMC, Ford nỗ lực áp dụng các thành tự khoa học trong phát triển các loại động cơ xăng sử dụng công nghệ tiên tiến để thay đổi kết cấu của động cơ: công nghệ phun

Trang 15

2

xăng điện tử EFI , VVT, Turbochanger, Superchanger, Hybrid, HCCI, RCCI,…Đặc biệt hơn là các nhà khoa học về điều khiển trên thế giới áp dụng rất nhiều thuật toán điều khiển khác nhau cho các phần tử bên trong động cơ xăng [12] đến [54] nhằm tối ưu hóa quá trình cung cấp nhiên liệu, quá trình vận hành hiệu quả của động cơ Trong các phương pháp điều khiển tiết kiệm nhiêu liệu cho động

cơ xăng phải kể đến phương pháp điều khiển trực tiếp mô-men của động cơ xăng [55] đến [69] Các thuật toán, phương pháp được áp dụng nhằm mục tiêu giảm mức tiêu hao năng lượng, nâng cao hiệu suất động cơ, giảm thiểu ô nhiễm môi trường

2 Tính cấp thiết

Các phương pháp điều khiển tốc độ và mô-men cho nhiều loại động cơ khác nhau (động cơ điện một chiều, động cơ không đồng bộ, động cơ đồng bộ,… ) đã được phát triển, chấp nhận và ứng dụng cho các ngành công nghiệp và một số lĩnh vực khác Đối với quá trình phi tuyến mạnh đặc biệt là vừa phi tuyến vừa có nhiễu như động cơ xăng và hệ cơ giới sử dụng động cơ xăng (xe hơi, xe ô tô tải,…) thì các phương pháp điều khiển PID, FLC chưa mang đến hiệu quả tối ưu Đối với các phương pháp điều khiển kinh điển PID việc xác định các tham số điều khiển phải dựa trên mô hình hoàn chỉnh của đối tượng phi tuyến sau khi đã tuyến tính hóa tại điểm làm việc, điều này trong thực tế tồn tại nhiều sai khác với các đối tượng phi tuyến Với phương pháp điều khiển FLC tuy không cần biết rõ ràng mô hình toán của đối tượng nhưng việc xác định luật điều khiển là vấn đề khó khăn do mô hình toán của đối tượng là phi tuyến với những tham số bất định biến đổi theo thời gian, đây là vấn đề khó đối với đối tượng phi tuyến mạnh như động cơ xăng Với phương pháp điều khiển hiện đại, có hai vấn đề khó khăn chính đối với điều khiển mô-men dựa trên mô hình phi tuyến động cơ xăng là:

Trang 16

3

- Một là, nhận dạng đối tượng điều khiển sao cho đạt được mức độ chính xác cao nhất để xác định được giá trị đầu ra tương lai và giá trị đó ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu quá trình

- Hai là, giải bài toán điều khiển cho hệ phi tuyến với rất nhiều ràng buộc Bài toán điều khiển với các điều kiện ràng buộc đôi khi không tìm được lời giải, những trường hợp như vậy thuật toán điều khiển trở nên không khả thi Trong trường hợp này cần loại bớt hoặc giới hạn các điều kiện ràng buộc để thuật toán có thể tìm được lời giải phù hợp, tạo ra tính khả thi cho bài toán điều khiển Trong thuật toán điều khiển hiện đại việc làm này thường được gọi là tạo ra tính khả thi cho bài toán

Việc sử dụng mô hình phi tuyến thì với bài toán nhận dạng cho hệ phi tuyến, đặc biệt là cho hệ phi tuyến có tham số bất định sẽ gặp nhiều khó khăn Do đó, cần phải trả lời cho các câu hỏi sau:

+ Bài toán điều khiển hệ phi tuyến có tham số bất định có thực hiện được không? + Hệ thống kín còn đảm bảo tính ổn định? Hệ kín có đảm báo về thời gian tính toán để thỏa mãn tính thời gian thực trong điều khiển?

Từ các phân tích ở trên, ta thấy đối với điều khiển hệ phi tuyến tham số bất định, điều khiển mô-men của động cơ xăng áp dụng thuật toán hiện đại còn rất nhiều vấn

đề cần được tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện, như:

+ Nhận dạng mô hình có phản ánh trung thực đối tượng phi tuyến là động cơ xăng Khi mô hình nhận dạng càng gần với mô hình đối tượng thì kết quả nhận được có

độ sai lệch càng nhỏ so với mô hình mong muốn, chất lượng điều khiển càng cao Điều này rất dễ thực hiện với đối tượng tuyến tính, nhưng đối với đối tượng phi tuyến như động cơ xăng vẫn còn đang là bài toán mở

+ Tìm ra các phương pháp mới giải bài toán điều khiển hệ phi tuyến và cài đặt chúng vào hệ điều khiển

Trang 17

4

3 Mục đích nghiên cứu

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu giải quyết bài toán điều khiển ổn định tốc độ động cơ xăng sử dụng trên xe ô tô, bám mô-men cản đặt vào trục động cơ xăng khi ô tô hoạt động trong chế độ điều khiển hành trình, để giảm lượng nhiên liệu bằng phương pháp LQIT tự chỉnh cho đối tượng là động cơ xăng

Mục tiêu cụ thể của luận án là:

- Nghiên cứu phương pháp luận nhằm xây dựng bộ điều khiển cho hệ phi tuyến nói chung và động cơ xăng nói riêng

- Đề xuất thuật toán mới điều khiển ổn định tốc độ, bám theo các giá trị mô-men cản cho trước tác động vào động cơ xăng sử dụng trên xe ô tô trong chế độ điều khiển hành trình

- Khảo sát và cài đặt thuật toán điều khiển ổn định tốc độ bám mô-men cản cho trước theo phương pháp điều khiển mới cho đối tượng cụ thể là động cơ xăng, nhằm mục tiêu tiết kiệm lượng nhiên liệu tiêu thụ, mô phỏng hệ thống và kiểm chứng bằng thực nghiệm

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: động cơ xăng được sử dụng cho xe ô tô hoạt động trong chế độ điều khiển hành trình với đầu vào điều khiển bằng góc mở bướm ga α (bướm gió), đáp ứng đầu ra là tốc độ và mô-men trên trục động cơ

Trang 18

5

+ Mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng kết quả nghiên cứu lý thuyết bằng phương pháp Hardware-in-the-loop (HIL) sử dụng KIT Arduino Mega2560 ghép nối trực tuyến với phần mềm Matlab – Simulink

5 Phương pháp nghiên cứu

+ Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích, đánh giá các nghiên cứu đã được công bố trên các bài báo, tạp chí, các tài liệu tham khảo về điều khiển động cơ đốt trong đặc biệt

là các phương pháp điều khiển hiện đại cho động cơ xăng Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển LQIT tự chỉnh bám ổn định tín hiệu mẫu cho hệ phi tuyến liên tục + Mô phỏng trên Matlab – Simulink để nhận lại kết quả nghiên cứu trên lý thuyết + Xây dựng mô hình kiểm chứng kết quả lý thuyết bằng Hardware-in-the-loop (HIL) sử dụng KIT Arduino Mega2560 ghép nối trực tuyến với phần mềm Matlab – Simulink

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

6.1 Ý nghĩa khoa học

Luận án đưa ra phương pháp luận và đề xuất áp dụng một mô hình điều khiển mới trong chiến lược điều khiển hệ phi tuyến, góp phần bổ sung và làm phong phú thêm kiến thức về điều khiển động cơ xăng với mục đích tiết kiệm nhiên liệu Cụ thể là, kết hợp thuật toán của bộ điều khiển hiện đại LQIT với nhận dạng hệ thống trực tuyến tạo thành hệ thống điều khiển bám tối ưu tự chỉnh cho động cơ xăng

6.2 Ý nghĩa thực tiễn

- Thuật toán mới đề xuất đã được kiểm nghiệm qua mô phỏng và thực nghiệm điều khiển động cơ xăng bằng phương pháp HIL, qua đó khẳng định tính khả thi của thuật toán mà luận án đề xuất

Trang 19

6

- Kết quả nghiên cứu của luận án đã đáp ứng thời gian thực khi điều khiển hệ phi tuyến, mang lại tính khả thi cao và có khả năng cài đặt thuật toán điều khiển hiện đại bám tối ưu LQIT tự chỉnh cho hệ phi tuyến nói chung và động cơ xăng nói riêng áp dụng phương pháp HIL, nhằm mục tiêu tiết kiệm nhiên liệu

- Ngoài ra, kết quả nghiên cứu của luận án còn là tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa quan tâm nghiên cứu về thiết kế bộ điều khiển áp dụng lý thuyết điều khiển hiện đại cho động cơ xăng

7 Bố cục của luận án

Ngoài phần mở đầu, nội dung chính của luận án được trình bày trong 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về các phương pháp điều khiển cho động cơ xăng: Nội

dung này tổng hợp các nghiên cứu về điều khiển tiết kiệm nhiên liệu cho động cơ xăng Trước tiên, nêu ra các nghiên cứu mà các tác giả đã xây dựng các thuật toán điều khiển tiết kiệm nhiên liệu cho động cơ xăng khác nhau, nhận xét và đánh giá kết quả của các nghiên cứu Phân tích, nhận định và rút ra ý nghĩa về lý luận, thực tiễn của các công trình đó, đưa ra các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu và đề xuất hướng nghiên cứu của luận án

Chương 2 Mô hình hóa và nhận dạng động cơ xăng: Trong nội dung này tác

giả đã đưa ra cấu trúc và nguyên lý làm việc, mô hình toán tổng quát của động cơ xăng Từ đó, chỉ ra các tín hiệu điều khiển, phương pháp điều khiển khác nhau cho động cơ xăng, xây dựng mô phỏng cho hệ phi tuyến là động cơ xăng có đầu ra điều khiển là tốc độ và mô-men của động cơ xăng Trong nội dung này tác giả áp dụng phương pháp nhận dạng hồi quy tuyến tính để nhận dạng trực tuyến mô hình toán tuyến tính từ mô hình phi tuyến của động cơ xăng, đây là nội dung cơ sở để đưa vào áp dụng bộ điều khiển LQIT tự chỉnh cho động cơ xăng

Trang 20

7

Chương 3 Điều khiển mô-men động cơ xăng bằng thuật toán điều khiển bám tối ưu LQIT tự chỉnh: Trong nội dung chương này tác giả đã đưa ra cấu trúc và

nguyên lý làm việc của bộ điều khiển là LQIT áp dụng cho điều khiển ổn định tốc

độ và bám theo mô-men cản của động cơ xăng Xây dựng phương pháp luận về thiết kế bộ điều khiển LQIT kết hợp với phương pháp nhận dạng trực tuyến cho hệ phi tuyến là động cơ xăng, đảm bảo cho hệ ổn định toàn cục và cải thiện đáng kể lượng nhiên liệu tiêu thụ

Chương 4: Thực nghiệm kiểm chứng chất lượng của thuật toán đã đề xuất bằng phương pháp HIL: Trên cơ sở lý luận đã đề xuất ở chương 2 và chương 3,

để kiểm chứng các kết quả nghiên cứu lý thuyết, tác giả đã thiết kế điều khiển LQIT tự chỉnh cho động cơ xăng thông qua mô phỏng kiểm chứng bằng phương pháp HIL qua hai KIT Arduino Mega 2560 Luận án đưa ra ở chương này các kết quả thực nghiệm khẳng định thuật toán đề xuất hoàn toàn đúng đắn khi điều khiển đối tượng động cơ xăng ảo trên mô phỏng HIL

Phần kết luận: Đã nêu bật những đóng góp mới của luận án và những kiến nghị, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Trang 21

8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

ĐỘNG CƠ XĂNG Đặt vấn đề: Điều khiển động cơ xăng đánh lửa trực tiếp (SI) trong thời gian

qua đã thu hút nhiều tác giả trong và ngoài nước nghiên cứu và đề cập trong tài liệu từ [13 - 71] Ngày nay, các nghiên cứu về điều khiển tiết kiệm nhiên liệu cho động cơ xăng tập trung chính vào điều khiển tối ưu từng thành phần của động cơ như: tỷ lệ hòa khí nhiên liệu cung cấp đầu vào của động cơ, tối ưu góc đánh lửa hay thời điểm đánh lửa, tối ưu thời gian phun nhiên liệu,…trong khi các vấn đề điều khiển theo mô-men đầu ra của động cơ xăng chưa được quan tâm đúng mức

Để phân tích bài toán điều khiển cho động cơ xăng, việc phân tích một quá trình phi tuyến của thành phần con (đường ống nạp, ống xả, động học mô-men, đánh lửa, van biến thiên,…) bên trong cấu trúc của động cơ xăng dẫn đến các bài toán tối ưu cục bộ cho đối tượng, được nhiều công trình nghiên cứu, đề cập như:

- Điều khiển tốc độ không tải được đề cập trong [19 - 31]: là điều khiển giữ cho động cơ ổn định tốc độ mà không ảnh hưởng bởi tác động của các nhiễu mô-men cản trên trục động cơ

- Điều khiển tối ưu tỷ lệ hòa khí được nghiên cứu trong [32 - 43]: bằng cách phân tích quá trình động học chất khí trên đường nạp của động cơ từ đó đưa ra luật điều khiển giữ cho tỷ lệ hòa khí ổn định khi động cơ hoạt động

- Điều khiển tối ưu góc đánh lửa được đề cập trong [44 - 49]: là điều khiển thời điểm đánh lửa bằng cách phân tích chu kỳ nén của động cơ, với tín hiệu đo được là áp suất cực đại của quá trình nén từ đó đưa ra tín hiệu điều khiển đánh lửa đúng thời điểm sẽ làm tăng hiệu suất của động cơ

- Điều khiển thời gian phun nhiêu liệu được nghiên cứu trong [50 - 54]: là phương pháp tối ưu nhiêu liệu dựa vào động lực học của chất khí bên trong xi lanh

và tốc độ của động cơ từ đó tính toán thời gian phun nhiên liệu phù hợp

- Điều khiển mô-men được nghiên cứu trong [55 - 70]: là điều khiển động cơ phải cung cấp mô-men xoắn cần thiết, nhiệm vụ quan trọng nhất của động cơ là

Trang 22

Điều khiển tiết kiệm nhiên liệu cho động cơ xăng hình thành từ những năm

70 và đầu thập niên 80 của thế kỷ trước và từ đó có những phát triển đáng kể Đây

là cách tiếp cận điều khiển mà chỉ sử dụng các phương pháp lập bản đồ map các chế độ hoạt động của động cơ thông qua các thí nghiệm, thử nghiệm từ đó đưa ra điểm làm việc, quy luật điều khiển phù hợp với từng chế độ hoạt động của động cơ làm thước đo đánh giá hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu [52] Việc lập các bản đồ ba thành phần góc đánh lửa – mô-men tải – tốc độ động cơ, hoặc bản đồ ba thành phần tỷ lệ hòa khí nhiên liệu – thời điểm phun – tốc độ quay, bản đồ ba thành phần góc đánh lửa – thời điểm phun – tốc độ quay,… đã rất phổ biến trong hai thập niên này

Mặc dù hầu hết các quá trình của động cơ là quá trình phi tuyến, song đa số các kỹ thuật ứng dụng điều khiển tiết kiệm nhiên liệu được ứng dụng đều điều khiển theo chương trình logic có sẵn do phương pháp này dễ dàng triển khai hơn

so với nghiên cứu quá trình phi tuyến, đa biến phức tạp của động cơ xăng Tuy nhiên, phương pháp này rất tốn thời gian và cần rất nhiều thử nghiệm Hơn nữa, phương pháp này không xem xét sự hao mòn, sự lão hóa của động cơ, tính ổn định

và bền vững của động cơ xăng

Để khắc phục các nhược điểm trên, trong khoảng thời gian hơn hai thập niên trước đây, các tác giả nghiên cứu áp dụng thuật toán điều khiển kinh điển và hiện đại như: PID, LQR, FLC, MPC, SMC,…để điều khiển động cơ xăng

a Điều khiển tốc độ không tải ([19 - 31])

Với điểu khiển tốc độ không tải trong xe cơ giới, mục tiêu điều khiển là giữ cho động cơ hoạt động tại một tốc độ của động cơ mà không ảnh hưởng bởi các

Trang 23

10

nhiễu mô-men cản không sinh công chuyển động như: thời điểm chuyển cấp tốc

độ, chế độ dừng xe, tải của máy phát điện thay đổi, tải của máy nén khí thay đổi

Trong tài liệu [25] đã đề xuất một mô hình tuyến tính bậc ba có trễ của động

cơ xăng cho điều khiển tốc độ không tải với thuật toán điều khiển PID Tác giả sử dụng phản hồi đầu ra của hệ thống là tốc độ của mô hình động cơ với giá trị đặt tốc

độ ban đầu, việc chỉnh định các tham số của bộ điều khiển PID sử dụng công cụ trong Matlab – Simulink Trong tài liệu [29], nhóm tác giả đã đề cập đến phương pháp điều khiển mờ lai Các tác giả này đã phân tích các thuật toán PID, FLC và điều khiển mờ lai từ đó thiết kế ba bộ điều khiển khác nhau cho điều khiển tốc độ không tải Kết quả cho thấy phương pháp điều khiển mờ lai có tính ưu việt hơn khi

sử dụng các thuật toán PID hoặc FLC

Một nghiên cứu khác [30], đã đề cập đến mô hình phi tuyến đầy đủ của động

cơ xăng, áp dụng thuật toán điều khiển tối ưu phản hồi đầu ra LQG để điều khiển tốc độ không tải của động cơ Các đặc tính mô phỏng cho thấy tính ưu việt của điều khiển tối ưu LQG khi điều khiển tốc độ không tải của động cơ bám theo tốc

độ đặt trong khi mô-men cản tác động vào động cơ biến đổi Trong [28], đã đề xuất phương pháp điều khiển trượt SMC, tác giả đã đề cập đến mô hình động cơ có các tham số không rõ ràng gây ra do quá trình sản xuất động cơ hoặc sau thời gian động cơ được đưa vào sử dụng, từ đó áp dụng thuật toán điều khiển trượt SMC cho điều khiển tốc độ không tải Kết quả cho thấy, khi mô-men tải tăng xuất hiện các sai số hệ thống động học giữa mô hình tính toán và mô hình thực, sai số đó được

bộ điều khiển đo và ước lượng để điều khiển triệt tiêu sai lệch

Tác giả của [21] đã đề xuất mô hình điều khiển thích nghi dự báo bằng phương pháp nhận dạng mô hình động cơ xăng Tác giả, đã thiết kế bộ điều khiển

dự báo với mô hình có hai tín hiệu đầu vào là góc mở ga và thời gian đánh lửa với điều kiện ràng buộc của chúng Kết quả mô phỏng cho thấy lượng nhiên liệu giảm 6,5% khi xe chạy không tải, 4,5% khi xe di chuyển Theo [22], các tác giả đã đề xuất điều khiển dự báo MPC dựa trên mô hình đầy đủ của đối tượng là động cơ

Trang 24

11

xăng với hai đầu vào điều khiển là lượng nhiên liệu, thời gian đánh lửa Nhóm tác giả đã xây dựng thuật toán điều khiển MPC và PID cho đối tượng, từ đó đánh giá kết quả và tính ổn định của hệ thống Kết quả mô phỏng cho thấy điều khiển dự báo MPC cho đáp ứng tốc độ tốt hơn PID khi mô-men tải thay đổi Trong tài liệu [23], [29], nhóm tác giả đã đề xuất một điều khiển dự báo MPC kết hợp với bù thích nghi cho mô hình đối tượng đầy đủ của động cơ xăng với đầu vào điều khiển

là góc mở ga, phản hồi trạng thái là tốc độ và áp suất trên đường hút Nhóm tác giả

đã nghiên cứu và áp dụng hai thuật toán MPC và bù thích nghi dùng để bù lại các sai lệch gây ra bởi mô hình dự báo không chính xác, từ đó đưa ra cấu trúc điều khiển bám tốc độ đặt Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy hệ thống bám tốc độ đặt nhanh, nâng cao hiệu suất của động cơ Một nghiên cứu khác [24], nhóm tác giả cũng đã đề xuất một điều khiển dự báo MPC, nhóm tác giả đã đề xuất một phương pháp dự báo mô hình bằng cách lấy mẫu liên tục và tuyến tính hóa từng đoạn của mô hình phi tuyến Kết quả mô phỏng cho tốc độ đầu ra của động cơ bị ảnh hưởng ít hơn khi tải thay đổi so với phương pháp xấp xỉ mô hình cho điều khiển dự báo thông thường MPC Trong tài liệu [31] nhóm tác giả đã áp dụng phương pháp dự báo mô hình động cơ xăng bằng thực nghiệm, từ đó xây dựng bộ điều khiển dự báo MPC cho đối tượng với điều kiện ràng buộc về tốc độ và tín hiệu điều khiển là góc mở ga Từ kết quả mô phỏng, điều khiển tốc độ bằng MPC cho thấy hệ thống có khả năng hội tụ nhanh hơn khi sử dụng bộ PID

Nhận xét, trong phương pháp điều khiển tốc độ không tải bằng các thuật toán khác nhau, các nghiên cứu đã có những kết quả khả quan cho nhiệm vụ giữ tốc độ không tải ổn định Tuy nhiên, phương pháp này chỉ hiệu quả trong trạng thái làm việc không tải của động cơ xăng như: khi xe ô tô dừng tạm thời hoặc quá trình chuyển đổi tỷ số truyền trong hộp số khi ly hợp ngắt,…chưa phản ánh tính toàn cục của quá trình động cơ xăng làm việc

b Điều khiển tỷ lệ hòa khí nhiên liệu ([32 - 43])

Trang 25

12

Với điều khiển tỷ lệ hòa khí nhiên liệu với không khí, mục tiêu điều khiển là giữ cho động cơ hoạt động ở mọi tốc độ, mô-men mà tỷ lệ hòa khí nhiên liệu luôn duy trì quanh giá trị AFR = 14.66 hay điều khiển hệ số dư lượng không khí λ = 1, việc duy trì các giá trị AFR hoặc λ trong suốt quá trình hoạt động là một thách thức lớn do sự thay đổi nhanh của lưu lượng nhiên liệu vào trong đường hút của động

cơ Các tác giả trong [33], [35], [37], chỉ đề cập đến mô hình đối tượng là hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ là một hàm truyền bậc nhất có trễ với tín hiệu đầu

ra là λ Tác giả, đã sử dụng thuật toán PI cho động cơ 4 xi lanh và một bộ điều khiển PI ở vòng ngoài, kết quả cho thấy đặc tính ổn định λ khá tốt khi động cơ hoạt động Nhóm tác giả trong [34], đã nghiên cứu mô hình đầy đủ quá trình động lực học chất khí bên trong cửa hút của động cơ xăng Các tác giả đã đề xuất một giải pháp sử dụng mạng Nơron để phát hiện sai lệch AFR trên đường hút so sánh với tính hiệu điều khiển của bộ PI của bộ điều khiển λ để triệt tiêu sai lệch AFR trong giới hạn

Trong nghiên cứu [41], tác giả đã đề cập một mô hình có tính đến sự ảnh hưởng của mô-men tổn hao không sinh công chuyển động cho xe cơ giới như tổn hao cơ khí, tổn hao của hệ thống bơm dầu bôi trơn, bơm nhiên liệu, bơm môi chất làm lạnh, dẫn đến sai lệch AFR trên đường hút của động cơ Trên cơ sở đó tác giả

đã đề xuất áp dụng các điều khiển PID, FLC, mạng Newron để điều khiển AFR Kết quả mô phỏng cho thấy, phương pháp điều khiển bằng mạng Nơron giảm đáng

kể sai lệch AFR cho động cơ Nhóm tác giả trong [42], đã đề cập nghiên cứu mô hình động lực học hệ thống cung cấp nhiên liệu của động cơ xăng Tác giả đã tuyến tính hóa mô hình và áp dụng thuật toán điều khiển bám ổn định tuyến tính LQT cho ra được kết quả điều khiển AFR tốt hơn khi áp dụng điều khiển PI Trong nghiên cứu [38], các tác giả đã đề xuất một phương pháp thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho tỷ lệ hòa khí nhiên liệu AFR theo tiêu chuẩn Lyapunov Kết quả mô phỏng cho thấy ổn định AFR rất tốt khi có các nhiễu của tải, tuy nhiên hệ thống không đáp ứng tốt khi nhiễu loạn của tải thay đổi nhanh Trong tài liệu [43], cũng

Trang 26

13

đưa ra một mô hình điều khiển mờ thích nghi cho tỷ lệ AFR Kết quả mô phỏng cho thấy chất lượng điều khiển ổn định AFR khi tải thay đổi tốt hơn so với điều khiển PID

Việc áp dụng thuật toán điều khiển dự báo MPC để điều khiển theo hệ số dư lượng không khí λ cho động cơ xăng trong tài liệu [39], [40] đã nghiên cứu và xây dựng mô hình dự báo trên cơ sở động học cửa hút của động cơ xăng Các tác giả đã xây dựng mô hình dự báo cho cửa hút của động cơ xăng để tính toán hai tín hiệu điều khiển lưu lượng nhiên liệu và lưu lượng không khí Kết quả mô phỏng cho thấy, khi thay đổi góc mở ga thì hạn chế sự thay đổi hệ số dư lượng không khí λ

Nhận xét, bằng cách áp dụng các thuật toán khác nhau để điều khiển ổn định

tỷ lệ hòa khí nhiên liệu, các nghiên cứu đã có những kết quả khả quan cho nhiệm

vụ giữ ổn định tỷ lệ hòa khí nhiên liệu AFR = 14.66 hoặc hệ số dư lượng không khí λ = 1 Mặc dù vậy, phương pháp này chỉ là một vòng điều khiển bên trong thành phần cấu tạo của động cơ xăng mang tính hoàn thiện cấu tạo của động cơ, chưa phản ánh tính toàn cục của quá trình động cơ xăng làm việc khi mô-men yêu cầu thay đổi nhanh

c Điều khiển góc đánh lửa ([44 - 49])

Mục tiêu của điều khiển là thời điểm sinh tia lửa điện theo đồ thị công suất, hay thời điểm động cơ sinh ra mô-men xoắn tốt nhất với các tốc độ khác nhau Theo [45], các tác giả đề xuất phương pháp điều khiển đánh lửa sử dụng bộ điều khiển PI có bù vượt trước với tín hiệu phản hồi là đặc tính môi trường ion hóa bên trong xi lanh, hiện tượng tự kích nổ, áp suất xi lanh Tác giả đã phân tích đặc tính đánh lửa của động cơ, hiện tượng ion hóa bên trong xi lanh, hiện tượng tự kích nổ,

từ đó đề xuất mô hình điều khiển PI – bù vượt trước (feedforward) cho hệ thống điều khiển Kết quả mô phỏng chó thấy hệ thống đánh lửa đúng thời điểm mô-men xoắn tốt nhất, duy trì sự ổn định trong quá trình cháy Tuy nhiên, hệ thống chỉ làm việc tốt với tốc độ chậm, chưa điều khiển được với tốc độ nhanh Trong [46], tác giả đề xuất một phương pháp điều khiển mới SOC (thuật toán phát hiện thời điểm

Trang 27

14

bắt đầu cháy) bằng cách lấy mẫu nhiều lần các tín hiệu áp suất buồng đốt đồng bộ với tín hiệu góc trục khuỷu về máy tính PC xử lý, từ đó đưa ra chiến lược điều khiển thời điểm đánh lửa theo thời gian thực Kết quả cho thấy thuật toán SOC tính toán thời điểm bắt đầu cháy, tính toán chính xác thời điểm đánh lửa cho động cơ, tăng hiệu suất của động cơ Trong các nghiên cứu [47],[48],[49], nhóm tác giả đã đưa ra chiến lược điều khiển dòng đánh lửa dựa trên dòng ion hóa bên trong bugi Nhóm tác giả đã xây dựng được mô hình giải tích quá trình ion hóa theo hàm Gaussian, từ đó điều khiển dòng điện đánh lửa tại các thời điểm khác nhau

d Điều khiển thời điểm phun nhiên liệu ([50 - 54])

Với điều khiển thời điểm phun nhiên liệu, mục tiêu của điều khiển thời điểm đóng mở xúpap hút nhiên liệu tối ưu trên cơ sở mối quan hệ với mô-men xoắn cực đại của động cơ Theo [53], nhóm tác giả đã phân tích đầy đủ quá trình động học của động cơ xăng, xây dựng hệ thống điều khiển xúpap biến thiên (VVT) và thời điểm phun nhiên liệu cho động cơ Trong tài liệu [54], tác giả đã áp dụng thuật toán mạng Nơron để điều khiển van biến thiên theo thời gian thực Mục tiêu của nghiên cứu là xác định áp suất trong xi lanh cho các góc đóng mở xúpap để xác định được chiến lược tối ưu cho điều khiển thời gian đóng mở xúpap Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng mạng Nơron để đưa ra tín hiệu điều khiển thời gian đóng mở xúpap tốt nhất theo tốc độ quay của trục khuỷu

Nhận xét, bằng cách áp dụng một số thuật toán khác nhau để điều khiển chính xác thời điểm đánh lửa cho được mô-men xoắn tốt nhất hoặc thời điểm phun nhiên liệu tốt nhất Tuy nhiên, hai phương pháp này cũng chỉ là một vòng điều khiển bên trong thành phần cấu tạo của động cơ xăng mang tính hoàn thiện khả năng làm việc của động cơ

e Phương pháp điều khiển mô-men xoắn ([55 – 70])

Mặc dù các nghiên cứu kể trên đã áp dụng rất nhiều phương pháp điều khiển khác nhau PID, PID – FLC, điều khiển mờ FLC, điều khiển tối ưu LQR, LQIT, LQG, mạng Nơron, điều khiển trượt SMC, điều khiển dự báo MPC nhằm mục đích

Trang 28

15

nâng cao chất lượng điều khiển Tuy nhiên, theo [65] các vấn đề nghiên cứu điều khiển các thành phần đơn lẻ của động cơ xăng kể trên như: tốc độ động cơ không tải, điều khiển tỷ lệ hòa khí nhiên liệu, điều khiển thời gian phun nhiên liệu và góc đánh lửa không phải là giải pháp tối ưu khi có mô-men tải lớn và sự thay đổi mô-men tải nhanh Phương pháp điều khiển mô-men xoắn là phương pháp đã chứng minh hiệu quả hơn khi làm tăng hiệu suất động cơ xăng, tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải

Xu hướng nghiên cứu trong tương lai là: để đảm bảo chắc chắn tính toàn cục của điều khiển tối ưu lượng nhiên liệu cho động cơ xăng, từ các lệnh điều khiển từ người lái như: khả năng lái, động học xe, điều khiển hành trình,…, hoặc các nhiễu điều khiển từ các hệ thống điều khiển con như hệ thống điều khiển tốc độ không tải, giới hạn tốc độ, khởi động động cơ,…được quy đổi mô-men yêu cầu (như trong hình 1.1), sau đó được đưa tới bộ phối hợp và điều khiển mô-men [86] Việc điều khiển bám theo mô-men yêu cầu được thực hiện bằng cách phối hợp điều khiển vào góc mở ga, thời điểm đánh lửa, thời gian phun nhiên liệu,… trong hình 1.1 thể hiện sơ đồ cấu trúc điều khiển mô-men trên xe ô tô [86]

Hình 1.1 Cấu trúc bộ điều khiển theo mô-men trên xe ô tô

Hiệu suất cần

Khởi động động cơ Nhiệt độ môi chất Tốc độ không tải

QUÁN LÝ MÔ-MEN ĐẶT

CHUYỂN ĐỔI MÔ-MEN

men đặt

Mô-Góc mở ga

Thời điểm đánh lửa

Thời gian phun nhiên liệu

Ngắt một phần nhiên liệu cung cấp

Điều khiển theo lượng khí thải

Trang 29

16

Trong hình 1.1, mô-men cản được hình thành từ nhiều nguồn tác động từ bên ngoài vào động cơ xăng như: do hành vi của người lái, do động học của xe, điều khiển tốc độ không tải, giới hạn tốc độ,… đặc biệt, phải kể đến nguồn tác động từ chế độ điều khiển hành trình (Cruise Control) Chức năng điều khiển hành trình hay ga tự động ngày nay được áp dụng phổ biến (hình 1.2) đã chứng minh tính hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu khi xe hoạt động Với vận tốc không đổi do người lái cài đặt trước, hệ thống tự động điều khiển bám theo các giá trị mô-men cản tác động vào hệ xe như: gió, ma sát mặt đường, độ dốc mặt đường, quá trình gia tốc…khi xe di chuyển để giữ ổn định vận tốc của xe [10], [92]

Hình 1.2 Điều khiển hành trình trên các xe ô tô hiện đại

Trong tài liệu [55], tác giả đã đề cập đến phương pháp điều khiển mô-men dựa vào điều khiển áp suất trên đường hút Bằng việc phân tích quá trình động học trên đường hút và mối quan hệ với mô-men xoắn của động cơ, tác giả đã áp dụng thuật toán điều khiển trượt SMC để điều khiển mô-men Kết quả mô phỏng cho thấy, hệ thống có đáp ứng đầu ra theo mô-men đặt, tuy nhiên vẫn còn tồn tại thời gian trễ lớn, cần phải phối hợp với điều khiển tốc độ động cơ Một tài liệu khác [56], tác giả đã nghiên cứu xây dựng động học phân phối khí và mối quan hệ với mô-men của động cơ xăng, phối hợp hai điều khiển tỷ lệ hòa khí nhiên liệu và điều khiển van biến thiên Thuật toán điều khiển mờ lai PI-FLC được tác giả đề xuất

Trang 30

17

cho điều khiển tỷ lệ hòa khí nhiên liệu và thuật toán điều khiển thích nghi được tác giả đề xuất cho điều khiển van biến thiên Kết quả mô phỏng cho thấy, thời gian đáp ứng mô-men nhanh, bám chính xác theo mô-men đặt phương pháp đề xuất có hiệu quả Theo [57], tác giả cũng đề xuất một phương pháp điều khiển mô-men động cơ xăng bằng cách phối hợp hai điều khiển: điều khiển tỷ lệ hòa khí nhiên liệu và điều khiển van biến thiên Sau khi xây dựng phương trình động học của hệ thống, tuyến tính hóa, tác giả áp dụng thuật toán điều khiển tối ưu LQR cho cả hai thành phần điều khiển Kết quả mô phỏng cho thấy mô-men của động cơ bám theo mô-men đặt, tuy nhiên vẫn còn tồn tại sự dao động mô-men lớn ở trạng thái xác lập Trong nghiên cứu [61] nhóm tác giả đã đề xuất một phương pháp xây dựng mô hình trạng thái của động cơ bằng thực nghiệm trên động cơ thật với tín hiệu trạng thái là tốc độ và mô-men xoắn, tín hiệu điều khiển là góc mở ga và tín hiệu phanh Nhóm tác giả đã áp dụng thuật toán điều khiển tối ưu LQR điều khiển tốc độ và mô-men xoắn Kết quả mô phỏng cho thấy, mô-men đầu ra của hệ thống bám theo mô-men đặt, tuy nhiên vẫn tồn tại thời gian trễ lớn, dao động mô-men tại thời điểm xác lập Một nghiên cứu khác [70] tác giả đã nghiên cứu, xây dựng một mô hình chi tiết và đầy đủ điều khiển mô-men động cơ xăng có sử dụng hệ thống tăng áp Tác giả xây dựng được mô hình hàm truyền của đối tượng, áp dụng thuật toán điều khiển thích nghi theo mô hình nội IMC kết hợp cùng bộ quan sát mô-men động cơ Tuy vẫn tồn tại sự dao động, sai lệch mô-men, điều này được tác giả giải thích do thiếu các thông tin ước lượng từ bộ quan sát, nhưng kết quả mô phỏng mô-men của động cơ vẫn bám theo mô-men đặt tại một tốc độ nhất định Theo [68], nhóm tác giả đã đề xuất một phương pháp điều khiển mô-men động cơ dựa vào tốc độ động

cơ, áp suất trên đường hút, góc mở ga Nhóm tác giả đã phân tích mối quan hệ men động cơ với ba thành phần trên, áp dụng thuật toán điều khiển bám tối ưu Kết quả mô phỏng cho thấy đặc tính mô-men của động cơ bám rất sát giá trị đặt, tuy nhiên hệ thống vẫn còn tồn tại dao động mô-men tại thời điểm xác lập Trong [58], nhóm tác giả đã xây dựng mối quan hệ mô-men động cơ với các thành phần điều

Trang 31

mô-18

khiển như tỷ lệ hòa khí nhiên liệu AFR, luồng không khí, thời gian đánh lửa, tốc

độ động cơ, tuần hoàn khí thải EGR từ đó đưa ra phương pháp điều khiển Nhóm tác giả đã áp dụng thuật toán điều khiển bền vững trong không gian chuẩn Hardy (H∞) Kết quả mô phỏng cho thấy, sự dao động của mô-men động cơ giảm đi rất nhiều Trong nghiên cứu [63], nhóm tác giả đề xây dựng mô hình đầy đủ của hệ xe

có sử dụng động cơ xăng, với mô-men yêu cầu được tính toán từ động học của xe, tín hiệu điều khiển là góc mở ga, thời điểm đánh lửa Nhóm tác giả đã đề xuất phương pháp điều khiển bám tối ưu LQIT có bù vượt trước cho mô-men của động

cơ xăng Kết qủa mô phỏng cho thấy men của động cơ bám chính xác theo men đặt, thời gian trễ điều khiển là rất nhỏ

mô-Một nghiên cứu khác [67], nhóm tác giả đã xây dựng được cấu trúc điều khiển hệ truyền động cho hệ xe có sử dụng động cơ xăng, bằng cách điều khiển hệ truyền động hay hộp số tự động kết hợp với điểu khiển góc mở ga của động cơ để điều khiển mô-men Nhóm tác giả đã sử dụng thuật toán điều khiển mờ FLC cho điều khiển mô-men với hai tín hiệu và là góc mở ga và tín hiệu chuyển đổi cấp số trong hệ truyển động áp dụng giải thuật mờ Sugeno Kết quả mô phỏng cho thấy

bộ điều khiển mờ áp dụng cho việc kiểm soát mô-men tốt nhưng bị gián đoạn, nhóm tác giả cũng nhận định cần bổ sung thêm đầu vào điều khiển cho hệ thống như tỷ lệ hòa khí nhiên liệu, góc đánh lửa,…hệ thống sẽ kiểm soát mô-men tốt hơn

Những năm gần đây, việc áp dụng điều khiển MPC cho điều khiển mô-men động cơ xăng được áp dụng Thực tế, là chỉ có một số ít các nghiên cứu về điều khiển dự báo MPC cho mô-men động cơ xăng như [60], [66], [69], [65] Trong [65], các tác giả đã đề xuất một mô hình điều khiển đa biến cho điều khiển mô-men động cơ xăng Nhóm tác giả đã xây dựng một mô hình đa biến với mối quan

hệ giữa mô-men của động cơ với các thành phần điều khiển: hệ số dư lượng không khí λ, góc đánh lửa, áp suất trên cửa hút, áp suất trên cửa xả của động cơ xăng

Trang 32

19

Theo [69] việc áp dụng điều khiển dự báo MPC để điều khiển mô-men của động

cơ xăng cho thấy cải thiện đáng kể hiện tượng dao động mô-men tại thời điểm xác lập, thời gian trễ của hệ thống Một nghiên cứu khác [66], nhóm tác giả đã xây dựng một mô hình tổng quát cho một hệ xe có sử dụng động cơ xăng: mô hình động cơ, động học xe, hệ thống truyền động Các tác giả đã phân tích mô hình, xây dựng hàm mục tiêu tối ưu trên cơ sở ba thành phần hiệu quả nhiên liệu, giảm lượng khí thải, khả năng gia tốc của hệ xe, áp dụng thuật toán điều khiển dự báo MPC cho hệ thống Kết quả mô phỏng cho thấy, việc giám sát mô-men thông qua các thành phần góc mở ga, tỷ lệ hòa khí nhiên liệu, góc đánh lửa, van biến thiên nên giảm được lượng tiêu hao nhiên liệu, giảm lượng khí thải, giảm thời gian gia tốc của hệ xe Với nghiên cứu trong [60], nhóm tác giả đã phân tích mô hình động cơ xăng, xây dựng mối quan hệ áp suất trên đường hút với mô-men của động cơ xăng,

áp dụng thuật toán điều khiển MPC cho hệ thống Nhóm tác giả đã đơn giản mô hình, điều kiện ràng buộc, xây dựng hàm mục tiêu tối ưu Kết quả mô phỏng cho thấy mô-men của động bám rất tốt theo giá trị đặt, không xuất hiện dao động của mô-men khi hệ thống xác lập Theo nghiên cứu [60] việc áp dụng thuật toán điều khiển MPC cho điều khiển mô-men động cơ xăng mang lại hiệu quả cao hơn so với các phương pháp điều khiển khác Từ việc phân tích các kết quả nghiên cứu đưa ra trong các tài liệu [60], [66], [69], [65] và xem xét các vấn đề còn chưa được khai thác, tác giả nhận thấy, khi xây dựng bộ điều khiển dự báo MPC để điều khiển đối tượng phi tuyến là động cơ xăng trong các nghiên cứu trên còn giới hạn ở phạm vi nghiên cứu cụ thể: luật điều khiển được tìm ra khi động cơ xăng có mô hình toán rõ ràng, trong điều kiện hiện nay việc xác định các thông số của động cơ xăng là việc rất khó khăn; với những động cơ xăng có mô hình toán phức tạp thời gian tính toán điều khiển là vấn đề tồn tại với điều khiển MPC

Nhận xét: Phương pháp điều khiển mô-men xoắn là phương pháp tối ưu khi

có mô-men tải lớn và sự thay đổi mô-men nhanh là phương pháp đã chứng minh

Trang 33

Trong tài liệu [12], tác giả Nguyễn Tiến Hán, Nguyễn Xuân Khoa (2011), đã

đề xuất ứng dụng thuật toán điều khiển PID vào điều khiển góc đánh lửacủa động cơ xăng Nội dung của luận án này đã có những đóng góp cơ bản:

- Xây dựng và phân tích đồ thị áp suất bằng thực nghiệm của động cơ xăng Tìm được góc đánh lửa tối ưu cho từng vùng làm việc, theo áp suất buồng đốt của động cơ

- Xây dựng thuật toán điều khiển PID bám theo giá trị đặt của góc đánh lửa mong muốn với đầu ra phản hồi là áp suất của động cơ

- Mục đích điều khiển góc đánh lửa nhanh chóng tiệm cận tới góc đánh lửa mong muốn

Trong tài liệu này không tập trung vào nghiên cứu chiến lược điều khiển tối ưu hóa mô-men chỉ thị của động cơ theo góc đánh lửa, mà chủ yếu xây dựng bộ điều khiển góc đánh lửa theo áp suất buồng đốt Ngoài ra, nghiên cứu không xét đến tính ổn định của hệ thống

Trang 34

21

Trong tài liệu [15], các tác giả Lê Hoài Đức, Nguyễn Thìn Quỳnh (2013), đã thực hiện xây dựng mô hình động học nhiên liệu trên cửa hút của động xăng Xây dựng thuật toán điều khiển PID cho điều khiển tỷ lệ hòa khí nhiên liệu Trong nghiên cứu này, các tác giả cũng không nghiên cứu sự ảnh hưởng của mô-men động cơ động cơ xăng đến tỷ lệ hòa khí nhiên liệu mà chỉ đi sâu vào việc xây dựng thuật toán điều khiển cho đối tượng

Trong tài liệu [17], tác giả đã đã thiết kế và chế tạo thành công 01 hệ thống phun nhiên liệu điện tử cung cấp xăng sinh học có tỷ lệ cồn etanol lớn tới 100% cho động cơ xe máy và ô tô Nghiên cứu mang tính cục bộ, làm thay đổi kết cấu hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ xăng để nâng cao hiệu quả quá trình đốt cháy của nhiên liệu cho xăng có tỷ lệ cồn etanol Trong tài liệu [18], tác giả nghiên cứu chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu và điều khiển đông cơ nén cháy kiểm soát hoạt tính nhiên liệu (RCCI) Nghiên cứu cũng mang tính cục bộ, làm thay đổi kết cấu của động cơ xăng, điều khiển nhiên liệu tự phát cháy mà không cần đến bugi đánh lửa, phương pháp này có ưu điểm là không xảy ra hiện tượng trễ do cháy lan mà các điểm phát cháy xuất hiện đồng đều trong buồng đốt, tăng hiệu quả đốt cháy nhiên liệu

1.3 Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu về điều khiển tiết kiệm nhiên liệu cho động cơ xăng và hướng nghiên cứu của luận án

Thông qua việc giới thiệu và đánh giá về các công trình đã nghiên cứu về điều khiển tiết kiệm nhiên liệu cho động cơ xăng, đưa ra các phương pháp giải bài toán giảm nhiên liệu, mỗi phương pháp điều khiển có ưu nhược điểm riêng Mặc

dù đã đạt được những kết quả đáng kể cả trong lý thuyết và ứng dụng thực tiễn, song điều khiển tiết kiệm nhiên liệu bằng việc điều khiển mô-men của động cơ xăng vẫn còn một số vấn đề tồn tại, cần được tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện đó là:

- Giảm thời gian tính toán thử nghiệm, nâng cao độ chính xác trong việc xác định các thông số, tham số điều khiển mô hình động cơ xăng Các mô hình trong các công trình nghiên cứu đã công bố tuy đã tính đến tính phi tuyến nhưng cần rất

Trang 35

22

nhiều thời gian cho việc xác định các thông số của đối tượng như: nhiều phép thử, nhiều thiết bị thử nghiệm,… để tìm ra mối liên hệ giữa các thành phần điều khiển khác trong cùng một hệ thống như: tỷ lệ hòa khí nhiên liệu – góc đánh lửa – góc

mở bướm ga – tốc độ của động cơ – logic chuyển cấp tốc độ với mô-men của động

hệ điều khiển, đáp ứng được những đặc tính động học, bám chính xác giá trị đặt

Do đó, cần tìm ra thuật toán mới để đơn giản hóa việc giải các bài toán điều khiển hiện đại nhằm cải thiện thời gian tính toán và nâng cao độ chính xác, tính ổn định, mở rộng khả năng thích nghi khi động cơ xăng hoạt động trong thời gian dài

Hướng nghiên cứu của luận án

Dựa trên các phân tích và nghiên cứu của các bài báo, các công trình đã công bố trong và ngoài nước, đặc biệt là dựa vào các tài liệu [59], [60], [61], [62], [70], [71] tác giả đánh giá: trong điều khiển động cơ xăng người ta bắt buộc phải xây dựng được mô hình toán chi tiết của các thành phần bên trong động cơ xăng, các tác giả xây dựng mô hình toán và lựa chọn phương pháp điều khiển tùy theo mục tiêu điều khiển cho thành phần đó

Trang 36

23

Với mục tiêu quản lý mô-men trong hình 1.1, trong nghiên cứu này tác giả

áp dụng điều khiển động cơ xăng trên xe ô tô hoạt động trong chế độ điều khiển hành trình (Cruise Control ) chạy trên đường thẳng Trong chế độ điều khiển hành trình, vận tốc của xe được đặt trước là không đổi, do đó tốc độ của động cơ xăng truyền động đến bánh sau chủ động của xe ô tô là không đổi Khi xe hoạt động chế

độ hành trình, các mô-men cản được cân bằng với mô-men kéo sinh ra từ động cơ hay nói cách khác mô-men của động cơ xăng bám theo các mô-men cản tác động vào xe như: mô-men cản cơ giới, cản lên dốc xuống dốc, cản gió, cản ma sát, cản quán tính khi gia tốc,…

Mục tiêu điều khiển ổn định tốc độ và bám mô-men cản tác động lên trục của động cơ xăng là một cách tiếp cận khác chứng minh hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu là giải pháp tối ưu khi có mô-men cản lớn và sự thay đổi mô-men cản nhanh khi xe hoạt động trên đường Có nhiều thuật toán khác nhau điều khiển mô-men cho động cơ xăng, song việc áp dụng điều khiển hiện đại như LQIT, SMC, MPC, IMC là hướng nghiên cứu mới Việc áp dụng lý thuyết điều khiển hiện đại để điều khiển ổn định tốc độ và bám mô-men cản tác động vào trục động cơ xăng, thông thường các tác giả sử dụng mô hình toán phi tuyến của động cơ xăng, tiếp theo áp dụng phương pháp tuyến tính hóa mô hình, từ đó tính toán bộ điều khiển cho đối tượng Trong nội dung của luận án này, tác giả đề xuất phương pháp mới sử dụng thuật toán nhận dạng trực tuyến từ đối tượng phi tuyến là động cơ xăng, sử dụng

mô hình toán đã nhận dạng áp dụng lý thuyết điều khiển hiện đại LQIT, tính toán trực tuyến bộ điều khiển cho đối tượng và hướng nghiên cứu của luận án là:

Nghiên cứu điều khiển tối ưu ổn định tốc độ, bám mô-men cho động cơ xăng

để giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ Trong nghiên cứu áp dụng thuật toán mới để xây dựng điều khiển LQIT tự chỉnh, bộ điều khiển này là sự kết hợp thuật toán nhận dạng liên tục trực tuyến từ đối tượng điều khiển với phương pháp điều khiển hiện đại nhằm điều khiển ổn định tốc độ, mô-men của động cơ xăng bám theo mô-men cản để giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu

Trang 37

24

1.4 Kết luận chương 1

Chương 1 của luận án đã tập trung nghiên cứu vấn đề tổng quan, phân tích các công trình, bài báo của các tác giả trong và ngoài nước về điều khiển tiết kiệm nhiên liệu động cơ xăng Trong chương này, tác giả đã chỉ ra các phương pháp điều khiển động cơ xăng như: điều khiển tốc độ không tải, điều khiển tỷ lệ hòa khí nhiên liệu, điều khiển góc đánh lửa, điều khiển thời điểm phun nhiên liệu đều là những điều khiển mang tính cục bộ, là sự cải thiện kết cấu để nâng cao hiệu quả làm việc của động cơ xăng, không phải là giải pháp tối ưu khi có mô-men tải lớn

và sự thay đổi mô-men nhanh Tuy nhiên, phương pháp điều khiển ổn định tốc độ bám theo mô-men cản cho động cơ xăng là phương pháp điều khiển mang tính toàn cục, là phương pháp đã chứng minh hiệu quả hơn các phương pháp khác, làm tăng hiệu suất động cơ xăng, tiết kiệm nhiên liệu

Tác giả đã đề xuất được hướng nghiên cứu là điều khiển ổn đinh tốc độ và bám mô-men cản để giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ khi xe ô tô hoạt động ở chế đô điều khiển hành trình

Trang 38

mô hình toán càng chính xác thì chất lượng điều khiển càng cao

Một mô hình toán đầy đủ động cơ xăng gồm các phương trình vi phân thể hiện mối tương quan của dòng chảy của hỗn hợp không khí-nhiên liệu trong đó bao gồm: áp suất, nhiệt độ trên các đường ống lưu thông và tốc độ chuyển động, mô-men của trục khủy động cơ [9]

2.1 Chu trình công tác và mô hình hóa động cơ xăng

Với động cơ xăng, sự biến đổi hoá năng của xăng thành cơ năng được tiến hành thông qua hàng loạt quá trình lý - hoá diễn ra theo một trình tự nhất định và lặp lại có tính chu kỳ hay chu trình công tác (hình 2.1)

Hình 2.1 Đồ thị chu trình công tác của động cơ xăng

Trang 39

Nguyên tắc mô hình hóa động cơ xăng là xét đến các thành phần bên trong (như bộ lọc không khí, chu trình công tác, quá trình làm mát, hệ cơ học, xi lanh, tuabin tăng áp TC,…) Ngoài ra, áp suất và nhiệt độ bên trong khối lượng hỗn hợp nhiên liệu cũng được xác định qua lưu lượng vào và ra của khối lượng hỗn hợp nhiên liệu [9] Trong hình 2.2 trình bày một mô hình hóa động cơ xăng SI hoàn chỉnh khi xét đến các thành phần bên trong cho thấy một chuỗi các thành phần kết nối với nhau qua các ống và các khối điều khiển [91]

Hình 2.2 Mô hình động cơ xăng SI

2.1.1 Mô hình hóa quá trình nạp động cơ xăng

Quá trình nạp (hình 2.3) được tiến hành chủ yếu do pít tông chuyển động từ ĐCT đến ĐCD tạo ra sự chênh lệch áp suất, do đó môi chất được hút vào xy lanh Trong thực tế, quá trình nạp bắt đầu tại điểm d1, tương ứng với vị trí góc 1 trước ĐCT, xúpap nạp mở Góc 1 gọi là góc mở sớm của xúpap nạp Từ thời điểm áp suất trong xy lanh bằng áp suất trên đường ống nạp pk trở đi, khí nạp mới thực sự

Trang 40

27

đi vào trong xy lanh, cho đến khi pít tông tới ĐCD tại điểm a Tận dụng quán tính của dòng khí nạp để nạp thêm, xupáp nạp chưa đóng tại ĐCD mà đóng sau đó 1 góc 2 tại điểm d2 Góc 2 gọi là góc đóng muộn của xúpap nạp Áp suất trong xy lanh phụ thuộc vào tốc độ của pít tông, có giá trị nhỏ nhất tại vmax

Hình 2.3 Diễn biến quá trình nạp của động cơ xăng

- Trong tất cả các loại động cơ xăng không thể quét hết sản vật cháy ra khỏi

xy lanh Nói cách khác, trong xy lanh vẫn còn một lượng khí sót hoà trộn với khí nạp mới Khí nạp mới đi vào xy lanh tiếp xúc với các chi tiết trong buồng cháy và hoà trộn với khí sót có nhiệt độ cao nên được sấy nóng [9]

a Mô hình mô phỏng động học khí trên đường hút

Trong động cơ xăng, bộ phận điều khiển ga và đường hút là một hệ thống con được dùng để kiểm soát khối lượng không khí vào bên trong xi lanh Mô hình dòng khí đi qua cánh bướm ga trên đường hút được thể hiện trong hình 2.4 [71,90]

Hình 2.4 Động học trên đường hút của động cơ xăng

Theo định luật bảo toàn năng lượng chất khí trong ống dẫn trên đường hút ta có:

Định dạng
Số trang	149
Dung lượng	6,16 MB