Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Nghiên cứu điều khiển bám tối ưu mô-men cho động cơ xăng để giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:145

Thêm vào BST

Báo xấu

50
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung của luận án bao gồm 4 chương với các nội dung: Tổng quan về các phương pháp điều khiển cho động cơ xăng; Mô hình hóa và nhận dạng động cơ xăng; Điều khiển mô-men động cơ xăng bằng thuật toán điều khiển bám tối ưu LQIT tự chỉnh; Thực nghiệm kiểm chứng chất lượng của thuật toán đã đề xuất bằng phương pháp HIL.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Nghiên cứu điều khiển bám tối ưu mô-men cho động cơ xăng để giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ

MỤC LỤC Mở đầu 1 Chương 1. Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ xăng 8 1.1. Tổng quan các công trình nghiên cứu về điều khiển tiết kiệm nhiên liệu 9 cho động cơ xăng trên thế giới 1.2. Các công trình nghiên cứu trong nước về điều khiển tiết kiệm nhiên liệu 20 cho động cơ đốt trong 1.3. Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu về điều khiển tiết kiệm nhiên liệu 21 cho động cơ xăng và hướng nghiên cứu của luận án 1.4. Kết luận chương 1 24 Chương 2. Mô hình hóa và nhận dạng động cơ xăng 25 2.1. Chu trình công tác và mô hình hóa động cơ xăng 25 2.2. Lựa chọn tín hiệu vào-ra để điều khiển động cơ xăng 37 2.3. Mô phỏng động cơ xăng 40 2.4. Nhận dạng mô hình động cơ xăng 43 2.5. Kết luận chương 2 64 Chương 3. Điều khiển mô-men động cơ xăng bằng thuật toán điều 66 khiển bám tối ưu LQIT tự chỉnh 3.1. Điều khiển LQIT trong miền liên tục 66 3.2. Điều khiển LQIT trong miền gián đoạn 73 3.3. Quan sát trạng thái của đối tượng bằng bộ lọc Kalman 74 3.4. Tổng hợp bộ điều khiển LQIT với bộ lọc Kalman 81 i
3.5. Đề xuất phương pháp mới điều khiển bám tối ưu LQIT tự chỉnh RHC 91 3.6. Kết luận chương 3 99 Chương 4. Thực nghiệm kiểm chứng chất lượng của thuật toán đã đề 101 xuất bằng phương pháp HIL 4.1. Phương pháp Hardware-In-The-Loop (HIL) 101 4.2. Thiết kế, cài đặt bộ điều khiển bám tối ưu LQIT trên Kit Arduino 103 Mega2560 4.3. Kết quả thực nghiệm 110 KẾT LUẬN 118 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO 121 PHỤ LỤC ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký Ý nghĩa Đơn vị Ký hiệu Ý nghĩa hiệu Vm Thể tích của đường hút m3 a Hệ số dư lượng không khí nhiên liệu thực tế Ve Thể tích buồng đốt m3 f Hệ số dư lượng không khí lý thuyết Je Mô-men quán tính của động cơ kg m^2 mac,th Lưu lượng không khí lý kg/s thuyết CM Hằng số mô-men N m/ mac Lưu lượng không khí thực kg/s kg/s) tế Ms mf Lưu lượng nhiên liệu thực kg/s tit Thời gian trễ đánh lửa tế Ms m f ,th Lưu lượng nhiên liệu lý kg/s tst Thời gian trễ phun thuyết Tm Nhiệt độ buồng đốt degK  A / F s Tỷ lệ hòa khí nhiên liệu trong 1 giây Ma Hệ số của van  Hệ số dư lượng không khí J/mole m fi Lưu lượng nhiên liệu phun kg/s R Hằng số chất khí deg K vào xi lanh thực tế ma Lưu lượng không khí kg/s m fc Lưu lượng nhiên phun vao kg/s xi lanh liệu lý thuyêt mai Lưu lượng khống khí vào kg/s  Tỷ lệ hòa khí nhiên liệu mao Lưu lượng không khí ra kg/s i Mô-men chỉ thị Nm mMAX Lưu lượng không khí lớn nhất, khi kg/s SI Hệ số số đánh lửa góc mở bướm  mở lớn nhất. Pm Áp suất trên đường hút Pa AFI Hệ số phun nhiên liệu Tf Thời gian phun nhiên liệu tối ưu sec f Mô-men cản ma sát Nm  Góc mở bướm ga deg e Mô-men trên trục động cơ Nm vol Hiệu suất khối c Mô-men cản từ tải Nm e Tốc độ động cơ xăng rad/s pa Áp suất cuối kỳ hút Pa C1 Hệ số thể tích rc Tỷ số nén iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa Ký hiệu Ý nghĩa air/fuel ratio (tỷ lệ hỗn hợp không PD Proportional-Derivative AFR khí / nhiên liệu) 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 FB FeedBack VVT-i Variable valve Timing intelligent RCCI Reactivity Controlled Compression FI Fuel Injection Ignition FLC Fuzzy Logic Control SI spark-ignition Homogeneous Charge SIDI Spark Ignition Direct Injection HCCI Compression Ignition HIL Hardware in the loop SMC Sliding Mode Control Indicated Mean Effective ST spark ignition timing IMEP Pressure MAP mean air pressure SMC Sliding Mode Control MVEM mean value engine model STR Self Tuning Regulator MPC Model predictive control TC TurboCharged MEP mean effective pressure TDC Top Dead Center LQ Linear Quadratic RHC Receding horizon control LQR Linear–Quadratic Regulator LQG Linear–Quadratic–Gaussian LQIT Linear Quadratic Integral Tracking iv
DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Tên bảng Trang Bảng 2.1 Các thông số khảo sát của động cơ xăng 40 Bảng 3.1 Lượng nhiên liệu tiêu thụ với giá trị mô-men cản là 10 85 (Nm) Bảng 3.2 Lượng nhiên liệu tiêu thụ với giá trị mô-men cản là 20 86 (Nm) Bảng 3.3 Lượng nhiên liệu tiêu thụ với giá trị mô-men cản là 30 86 (Nm) v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Tên hình Trang Hình 1.1. Cấu trúc bộ điều khiển theo mô-men trên xe ô tô 15 Hình 1.2. Điều khiển hành trình trên các xe ô tô hiện đại 16 Hình 2.1. Đồ thị chu trình công tác của động cơ xăng 25 Hình 2.2. Mô hình động cơ xăng SI 26 Hình 2.3. Diễn biến quá trình nạp của động cơ xăng 27 Hình 2.4. Động học trên đường hút của động cơ xăng 27 Hình 2.5. Mô hình động học không khí trên đường ra khỏi học hút vào 29 động cơ Hình 2.6. Mô hình động học không khí vào trong họng hút đi qua cánh 29 bướm ga Hình 2.7. Mô hình động học đường hút 29 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 30 hiệu điều khiển phun.7: Bộ điều khiển phun xăng.8: Các tín hiệu cảm biến vào bộ xử lý.9: Xăng từ bơm Hình 2.9. Mô hình động học hệ thống phun nhiêu liệu 32 Hình 2.10. Diễn biến quá trình cháy giãn nở động cơ xăng trên đồ thị 33 công Hình 2.11. Mô hình mô phỏng mô-men chỉ thị của động cơ xăng 34 Hình 2.12. Mô hình mô phỏng mô-men, tốc độ trên trục động cơ xăng 35 Hình 2.13. Mô hình mô phỏng Momen_2 của động cơ xăng 35 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 36 trong Simulink Hình 2.15. Mô hình động học phương dọc của xe ô tô 37 Hình 2.16. (a)- Lực tác động lên trục khuỷu hình thành mô-men quay 39 của động cơ xăng, (b)-Cấu trúc hệ thống điều khiển động cơ xăng Hình 2.17. Tín hiệu vào/ra của động cơ xăng 39 Hình 2.18. Sơ đồ mô phỏng động cơ xăng trên Simulink 40 Hình 2.19. Kết quả mô phỏng hoạt động của động cơ xăng 41 Hình 2.20. Cấu trúc nhận dạng mô hình hệ thống 44 Hình 2.21. Các bước nhận dạng hệ thống 45 Hình 2.22. Các dạng tín hiệu mẫu vào thông dụng: (a) tín hiệu phân 45 bố Gausse, tín hiệu nhị phân ngẫu nhiên, (c) tín hiệu đa hài Hình 2.23. Dự báo đáp ứng của hệ thống 48 Hình 2.24. Giao diện công cụ System Identification 53 Hình 2.25. Tập dữ liệu vào ra input =  , output = e 54 vi
Hình 2.26. Mô phỏng, thu thập dữ liệu và nhận dạng động cơ xăng 54 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 55 là ngẫu nhiên Hình 2.28. 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 56 là hình sin Hình 2.29. 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 56 là dạng tam giác Hình 2.30. Các điểm cực và zero của hệ thống 56 Hình 2.31. Kết quả đánh giá sự trùng hợp tốc độ đầu ra của mô hình 58 ARX và mô hình phi tuyến của động cơ khi tín hiệu α là ngẫu nhiên Hình 2.32. Kết quả đánh giá sự trùng hợp mô-men đầu ra của mô hình 58 ARX và mô hình phi tuyến của động cơ khi tín hiệu α là hình sin Hình 2.33. Kết quả đánh giá sự trùng hợp mô-men đầu ra của mô hình 58 ARX và mô hình phi tuyến của động cơ khi tín hiệu α là dạng tam giá Hình 2.34. Các điểm cực và zero của hệ thống 59 Hình 2.35. Cấu trúc bộ ước lượng tham số ˆ  k  cho động cơ xăng 62 Hình 2.36. Vectơ tham số ˆ  k    aˆ1 aˆ2 aˆ3 bˆ1 bˆ2 bˆ3  của T 63 động cơ xăng Hình 2.37. Kết quả đánh giá sự trùng hợp tốc độ đầu ra của mô hình ARX nhận dạng online và mô hình phi tuyến của động cơ khi tín hiệu α 63 là ngẫu nhiên Hình 2.38. Kết quả đánh giá sự trùng hợp tốc độ đầu ra của mô hình ARX nhận dạng online và mô hình phi tuyến của động cơ khi tín hiệu α 64 là hình sin Hình 2.39. Kết quả đánh giá sự trùng hợp tốc độ đầu ra của mô hình ARX nhận dạng online và mô hình phi tuyến của động cơ khi tín hiệu α 64 là hình tam giác Hình 3.1. Mô hình tổng quát hệ thống tuyến tính 66 Hình 3.2. Cấu trúc bộ điều khiển tối ưu LQR 70 Hình 3.3. Cấu trúc bộ điều khiển bám tối ưu LQIT 72 Hình 3.4. Bộ lọc Kalman cho hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái 75 Hình 3.5. Động cơ xăng được quan sát trạng thái bằng bộ lọc Kalman 78 mở rộng 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 79 gian Hình 3.7. Quan sát trạng thái theo mô hình nhận dạng trực truyến 79 vii
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 80 tuyến theo thời gian Hình 3.9. Dạng tín hiệu trạng thái quan sát được của đối tượng 81 Hình 3.10. Cấu trúc bộ điều khiển LQIT kết hợp với bộ lọc Kalman 81 Hình 3.11. (a) thuật toán xác định bộ điều khiển LQIT, (b) thuật toán 82 xác định bộ lọc Kalman tuyến tính 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 84 khiển PID Hình 3.13. Các đặc tính khi sử dụng LQIT và PID với mô-men cản là 87 ±10Nm Hình 3.14. Các đặc tính khi sử dụng LQIT và PID với mô-men cản là 88 ±20Nm Hình 3.15. Các đặc tính của động cơ xăng khi mô-men cản và tốc độ 89 đặt thay đổi Hình 3.16. Cấu trúc bộ điều khiển tự chỉnh dọc trục thời gian RHC 92 Hình 3.17. Cấu trúc bộ điều khiển bám tối ưu tích phân LQIT tự chỉnh 92 Hình 3.18. Lưu đồ thuật toán tính toán bộ điều khiển LQIT tự chỉnh 93 cho hệ rời rạc Hình 3.19. Lưu đồ thuật toán tính toán bộ quan sát trạng thái Kalman 94 hệ rời rạc Hình 3.20. Mô hình hệ thống điều khiển bám tốc độ đặt LQIT tự chỉnh 95 Hình 3.21. Các đặc tính của động cơ xăng khi áp dụng điều khiển 96 LQIT tự chỉnh Hình 4.1. Các phương pháp mô phỏng thời gian thực 102 Hình 4.2. (a)-Cấu trúc lai mô phỏng thời gian thực, (b)-mô phỏng 102 Hardware-in-the-loop tạo mẫu điều khiển Hình 4.3. Trình tự thiết kế và mô phỏng thời gian thực bằng máy tính 104 sử dụng kit Arduino Hình 4.4. Kit Arduino Mega-2560 105 Hình 4.5. Thư viện Arduino IO Library trong Simulink 106 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 108 phỏng động cơ xăng 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 109 chỉnh Hình 4.8. Sơ đồ Simulink-HIL cho động cơ xăng (Máy tính 1) 109 Hình 4.9. Sơ đồ Simulink-HIL cho bộ điều khiển LQIT (Máy tính 2) 110 viii
Hình 4.10. Thí nghiệm khi tốc độ đặt là hằng số, mô-men cản là sóng 110 vuông 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 111 PID 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)- 112 khi sử dụng PID 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 112 dụng PID Hình 4.14. Đặc tính tiêu thụ nhiên liệu của động cơ xăng khi tốc độ đặt 113 là hằng số và mô-men thay đổi dạng sóng vuông Hình 4.15. Thí nghiệm khi tốc độ đặt và mô-men cản là dạng bậc 113 thang 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 114 khiển PID 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 115 dụng PID 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 115 PID Hình 4.19. Đặc tính tiêu thụ nhiên liệu của động cơ xăng khi tốc độ đặt 116 và mô-men thay đổi dạng bậc thang ix
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 1
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: 2
- 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. 3
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. Phạm vi nghiên cứu: + Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển hiện đại LQIT tự chỉnh cho hệ phi tuyến tham số bất định bám theo tín hiệu đầu vào mẫu để điều khiển ổn định tốc độ và bám mô-men cản tác động vào động cơ xăng hoạt động trên xe ô tô trong chế độ điều khiển hành trình. 4
+ 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. 5
- 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. 6
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. 7
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 8
đáp ứng được mô-men xoắn yêu cầu thường được xác định bởi người lái xe, động học xe. 1.1. Tổng quan các công trình nghiên cứu về điều khiển tiết kiệm nhiên liệu cho động cơ xăng trên thế giới 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 9
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 10
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]) 11