Báo cáo Hệ thống điều khiển Engine control

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰ BÁO CÁO CUỐI KỲ Hệ Thống Điều Khiển Tự Động Ô Tô Chuyên Ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô Tên đề tài Engine Control CHƯƠNG I: TỔNG QUANKhái quát về phần mềm MatlabSimulink: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 những phần mềm do nhà lập trình của dự án LINPACK và EISPACK viết ra bằng ngôn ngữ Fortran 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 cơ bản 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 màn hình. Nó có thể làm việc với các hệ thống tuyến tính,phi tuyến,hệ thống liên tục theo thời gian,hệ thống gián đoạn theo thời gian,hệ thống đa biến ...

TỔNG QUAN

Khái quát về phần mềm Matlab/Simulink:

MATLAB là phần mềm tính toán kỹ thuật được phát triển bởi hãng Math Works Inc, sử dụng ngôn ngữ lập trình C Phần mềm này được xây dựng dựa trên các công cụ từ dự án LINPACK và EISPACK, vốn được viết bằng ngôn ngữ Fortran để thực hiện các phép toán và thao tác trên ma trận Tên gọi MATLAB là viết tắt của "Matrix Laboratory", phản ánh chức năng chính của nó trong việc xử lý ma trận.

Phương pháp ma trận là một yếu tố cơ bản trong phần mềm Matlab, nơi mỗi thành phần đều được thể hiện dưới dạng ma trận Matlab không ngừng được cập nhật và cải tiến để nâng cao hiệu suất và tính năng sử dụng.

Các ứng dụng điển hình của Matlab:

-Toán học và tính toán

-Tạo mô hình, mô phỏng và giao thức

-Khảo sát, phân tích số liệu

-Đồ họa khoa học kỹ thuật

-Phát triển ứng dụng, gồm cả giao diện người dùng đồ họa GUI

-Thiết kế các hệ thống điều khiển trong thời gian thực

Simulink là phần mềm tích hợp với Matlab, chuyên dùng để mô phỏng các hệ thống động học phi tuyến Chương trình này sử dụng giao diện đồ họa, cho phép người dùng mô hình hóa hệ thống qua việc vẽ sơ đồ khối Simulink có khả năng làm việc với nhiều loại hệ thống, bao gồm hệ thống tuyến tính, phi tuyến, hệ thống liên tục và gián đoạn theo thời gian, cũng như hệ thống đa biến.

Tổng quan mô hình hoá động cơ dùng vòng lặp kín (ENGINE

TIMING MODEL WITH CLOSE-LOOP CONTROL)

Mô hình hóa động cơ thông qua mô phỏng sử dụng sơ đồ khối và đồ thị đáp ứng giúp giải quyết các vấn đề liên quan đến động cơ Việc áp dụng các khả năng nâng cao của Simulink cho phép nắm bắt các hiện tượng xảy ra theo thời gian với độ chính xác cao.

Trong mô phỏng này, hệ thống con được kích hoạt mô phỏng quá trình chuyển hỗn hợp không khí-nhiên liệu từ đường ống nạp đến các xi lanh, đồng thời diễn ra các quá trình lưu lượng nạp liên tục, tạo ra mô-men xoắn và gia tốc Hệ thống phụ bổ sung cung cấp khả năng kiểm soát tốc độ động cơ vòng kín thông qua bộ truyền động bướm ga, cho phép các mô hình này được sử dụng như một mô phỏng động cơ độc lập.

Mô phỏng động cơ đốt trong đánh lửa bằng tia lửa điện bốn xi-lanh được mô tả chi tiết trong công trình của Crossley và Cook Nghiên cứu này không chỉ cung cấp mô hình mà còn xác thực mô phỏng dựa trên dữ liệu thử nghiệm lực kế Các yếu tố chính của mô hình động cơ, được xác định bởi Crossley và Cook, đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích hiệu suất và tính năng của động cơ.

3 Tỉ lệ lưu lượng khí nạp

5 Tạo mô-men xoắn và tăng tốc

Các khối trong mô hình và hoạt động của mỗi khối

Khối Controller

3.1.1 Theo lý thuyết về bộ điều khiển Controller

- Đây là bộ điều khiển được sử dụng khá phổ biến hiện nay trên các xe vì nó có giá thành rẻ và có kết cấu dễ làm

- Sơ đồ theo dạng thu gọn:

- Với: + r: giá trị mong muốn

+ u: điểu khiển để đạt được mong muốn

Khi y gần bằng r hoặc e gần bằng r-y bằng 0, bộ điều khiển hoạt động hiệu quả nhất do sai số gần như bằng 0 Do đó, giá trị đầu ra gần như bám sát giá trị đầu vào.

- Ta có công thức tính bộ điều khiển PID: u = k p ∗ e + k I ∗ ∑ e(k) ∗ h k 0 + k D ∗ ((e(k)−e(k−1)) h )

 e(k): Giá trị hiện tại của e

 e (k-1): Giá trị của e trong lần lấy mẫu trước đó

 h: là khoảng thời gian lấy mẫu

- Ta có công thức tính bộ điều khiển PI: u = k p ∗ e + k i ∗ ∫ e ∗ dt 0 t

- Bộ điều khiển PI thường được sử dụng hơn vì nó thực hiện nhanh và khả năng chính xác cao.

Khối Cotroller của bộ điều khiển động cơ

3.2.1 Mô hình thu gọn của bộ điều khiển PI

Sai số giữa tốc độ động cơ mong muốn và tốc độ động cơ phản hồi được truyền vào bộ điều khiển PI Bộ điều khiển này sẽ tính toán và xác định góc đóng mở bướm ga để điều chỉnh hiệu suất động cơ.

- Ta có công thức của bộ điều khiển PI ứng với khối điều khiển của động cơ: θ = k p (N set − N) + k I ∫(N set − N) ∗ dt

+ Trong đó: N set : Tốc độ động cơ mong muốn (rpm) k p : Proportioanl gain k I : Intergral gain

- Nhận 3 tín hiệu đầu vào:

+ Tín hiệu tốc độ động cơ mong muốn

+ Tốc độ động cơ thực tế

+ Góc trục khuỷu để nhận biết vị trí piston

- Tín hiệu đầu ra: Góc mở bướm ga

 Thay đổi thông số đầu vào của bộ Controller:

- Ta thay đổi tốc độ của động cơ ứng với tốc độ thực tế của động cơ so với tốc độ mong muốn.

Khối kì nạp

3.3.1 Lưu lượng không khí trên đường ống nạp (Throttle)

- Khi có tín hiệu từ bộ điều khiển vào Throttle Ang.(1) từ controller với góc mở bướm gas từ 0 đến 90° sẻ được đưa vào khối lệnh Throttle

- f(θ) = 2,821 − 0,05231 θ + 0.10299 θ 2 − 0,00063 θ 3 : Phương trình góc mở bướm gas

- Ta có khối lượng không khí nạp (mass flow rate into manifold): m′ ai = f(θ) g(P m )

P m √P m P amb − P amb 2 ; nếu P amb ≤ P m ≤ 2 P amb g(P m ) = −1 ; nếu P m ≥ 2 P amb

Thông số P m (áp suất đường ống nạp) được đưa vào từ ống dẫn khi nạp (intake manifold) và P amb (áp suất khí trời) được xác định là 1 bar Hai thông số này sau đó được so sánh để xác định hướng dòng chảy, từ đó áp dụng công thức g(P m) dựa trên các điều kiện đi kèm.

- Từ điều kiện so sánh: g(P m ) = 2 sqrt(u − u ∗ u) với u = P m

- Tín hiệu m′ ai sẻ được đưa vào khối lệnh Intake Manifold để tính toán lượng khí đi vào

3.3.2 Lưu lượng khí nạp trên mỗi xylanh (Intake Manifold)

+ mdot input: khối lượng khí vào ống nạp

+ mdot to cylinder: khối lượng khí vào xy lanh

+ Pm: áp suất đường ống nạp

- Với mdot là đầu vào, mdot to cylinder là đầu ra => m ai − m ao

- Ta có phương trình trạng thái khí lí tưởng

- Tính được áp suất đường ống nạp

- Với áp suất và số vòng quay động cơ ta tính được khối lượng khí vào cylinder:

Tốc độ lưu lượng không khí mà mô hình bơm vào các xylanh từ ống góp được mô tả bởi phương trình 3, là một phương trình dẫn xuất thực nghiệm Tốc độ khối lượng này phụ thuộc vào áp suất đường nạp và tốc độ động cơ.

Tín hiệu mdot input được đưa vào hàm SUM để tính toán, kết hợp với tín hiệu mdot đến xi lanh, từ đó xác định được áp suất đường ống nạp Pm Sau khi tính toán, áp suất này được gửi về khối bướm ga.

Bằng cách sử dụng hai tín hiệu áp suất từ đường ống nạp và số vòng quay của động cơ, chúng ta có thể tính toán khối lượng khí vào xi lanh thông qua công thức thực nghiệm.

- Đồ thị lưu lượng khí vào đường ống nạp khi không thay đổi tải và lưu lượng khí vào động cơ khi không thay đổi tải:

Khối Kì nén (Compression)

- Lưu lượng không khí vào mỗi xylanh sau khi đi qua khối Intake biến đổi bằng một hàm tích phân thì xác định được khối lượng (k+1)

Khối lượng này được đưa vào kỳ nén của động cơ để tính toán lại, nhằm đảm bảo sự hoà trộn chính xác với tỷ lệ khối lượng của nhiên liệu Điều này là cần thiết để thực hiện hiệu quả quá trình cháy và sinh công của động cơ.

- Initial Condition: Tham số điều kiện ban đầu (0.152)

- Unit Delay: dùng để làm trễ và lấy mẫu tín hiệu và cho đầu ra

Khối Kì cháy và sinh công (Combustion)

- Có 4 thông số đầu vào:

+ 1 phần khí nạp được dẫn tới stoichiometric fuel (đo lường nhiên liệu )

+ Spark Advance (góc đánh lửa sớm )

+ Tốc độ động cơ ở kì trước

- Khi có 4 thông số đầu vào sẽ tính toán bằng công suất thực nghiệm với u1, u2, u3, u4 lần lượt là các thông số đầu vào Tính ra được momen xoắn

+ 𝒎 𝒂 : Khối lượng không khí trong xi lanh ở quá trình cháy (g)

+A/F: Tỉ lệ không khí hoà trộn với nhiên liệu

+ 𝝈: Góc đánh lửa sớm (Góc trước khi đến điểm chết trên)

+𝑻 Độ𝒏𝒈 𝒄ơ : Momen xoắn được sinh ra bởi động cơ (N.m)

Động lực học của động cơ và tải của động cơ: (Engine Dynamics & Drag Torque)

- Từ 2 thông số trên (Engine Torque, Load Torque) ta tính được khối động lực học của động cơ (Engine Dynamics)

- Theo định luật 2 Newton cho chuyển động quay ta tính được tốc độ của động cơ:

- Ta có thể thay đổi momen tải động cơ bằng cách thay đổi momen động cơ trong hàm Step:

Đồ thị mô phỏng và giải thích

Đồ thị tốc độ mong muốn

*Tín hiệu tốc độ động cơ mong muốn

- Tốc độ động cơ mong muốn được điều khiển bằng một hàm step:

5s đầu tốc độ đông cơ là 2000 rpm, sau đó tốc độ động cơ tăng lên là 3000rpm.

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

Đồ thị lưu lượng không khí trên mỗi xylanh

Đồ thị momen xoắn động cơ

- Đồ thị momen tải động cơ :

Momen tải động cơ ban đầu đạt 25 N.m, nhưng từ giây thứ 2, momen giảm xuống còn 20 N.m do tải động cơ giảm Tuy nhiên, từ giây thứ 8, momen lại tăng trở lại 25 N.m khi tải cho động cơ tiếp tục được tăng lên.

Đồ thị kết hợp tốc độ thực tế với tốc độ mong muốn

- Ta có đồ thị biểu diễn tốc độ mong muốn so với tố độ thực tế

- Ở giây thứ 2 và giây thứ 8 có độ lệch so với mong muốn là do tải của động cơ thay đổi

Trong giây thứ hai, khi tải giảm, tốc độ động cơ tăng lên Bộ điều khiển PI phát hiện sự thay đổi này và điều chỉnh để đạt được tốc độ mong muốn là 2000 vòng/phút.

- Từ giây thứ 5 đến giây thứ 6 có độ trễ khoảng 0,6- 0,8 s để động cơ có thể đạt được tốc độ 3000rpm

Vào giây thứ 8, khi tải tăng lên, tốc độ động cơ giảm Bộ điều khiển PI nhanh chóng phát hiện sự thay đổi này và điều chỉnh để đảm bảo rằng tốc độ của động cơ đạt được mức mong muốn là 3000 vòng/phút.

Đồ thị góc mở bướm ga

+ Từ giây 1 đến giây 2 đồ thị góc mở bướm ga không thay đổi so với mong muốn

Trong khoảng thời gian từ giây thứ 2 đến giây thứ 5, do tải động cơ giảm, bộ điều khiển PI sẽ điều chỉnh giảm góc mở bướm ga nhằm đạt được tốc độ động cơ mong muốn.

Trong giây thứ 5, tốc độ động cơ tăng đột ngột lên 3000 rpm, khiến bộ điều khiển PI nhanh chóng điều chỉnh độ mở bướm ga Sau khi đạt được tốc độ cao nhất, bướm ga bắt đầu giảm xuống từ giây thứ 5.

+ Từ giây 8-10 độ mở bướm ga tăng do tải động cơ tăng lên từ 20-

Thay đổi thông số đầu vào và nhận xét

Thay đổi hàm đầu vào

- Đồ thị động cơ trước và sau khi thay đổi hàm đầu vào:

- Giả sử xe đang chạy trong đô thi có vận tốc thay đổi liên tục

- Trong trường hợp tải không đổi

- Sử dụng bộ PI điều khiển với KI=0.07 và KP=0.06

- Nhận xét: + Nhìn vào đồ thị thay đổi tốc độ mong muốn của động cơ ta thấy:

 Ở thời gian ban đầu thì tốc độ mong muốn của động cơ nhỏ hơn

2500 (v/p) còn tốc độ thực tế ban đầu của động cơ lớn hơn 2500 (v/p)

Sau 10 giây đầu tiên, đồ thị tốc độ thực tế của động cơ gần như hoàn toàn khớp với đồ thị tốc độ mong muốn, cho thấy hiệu suất hoạt động của xe rất tốt.

20 đang hoạt động với bộ điều khiển PI đạt hiệu quả tốt trên đường đô thị

Khi tăng tốc, tốc độ thực tế gần như đạt được tốc độ mong muốn của động cơ, trong khi khi giảm tốc, tốc độ thực tế lại có phần giảm quá mức so với tốc độ mong muốn.

So sánh tốc độ động cơ với các hệ số Kp khác nhau trong bộ điều khiển PI

Sự thay đổi của hệ số Kp trong bộ điều khiển PI sẽ ảnh hưởng đến cấu hình của bộ điều khiển, dẫn đến sự khác biệt trong hiệu suất điều khiển và tốc độ hoạt động của động cơ.

Khi tốc độ động cơ thay đổi, hệ số Kp sẽ ảnh hưởng đến sự biến động tốc độ, được thể hiện qua công thức: u = k p ∗ e + k I ∗ ∑ e(k) ∗ h k 0 + k D ∗ ((e(k)−e(k−1)) h) Sự tăng hoặc giảm tốc độ sẽ dẫn đến những thay đổi đáng kể trong quá trình điều khiển.

Khi hệ số Kp tăng hoặc giảm, mong muốn đầu ra của khối Controller cũng thay đổi theo, dẫn đến hiện tượng vọt lố, đặc biệt khi Kp ở mức nhỏ.

So sánh sử dụng bộ điều khiển P với PI và PID

- Ta có công thức về bộ điều khiển Controller: u = k p ∗ e + k I ∗ ∑ e(k) ∗ h k 0 + k D ∗ ((e(k)−e(k−1)) h )

Theo đồ thị, bộ điều khiển PI và PID có hiệu suất tương đương, bởi vì sự chênh lệch do bộ điều khiển D mang lại là rất nhỏ và gần như không đáng kể.

Bộ PI và PID cho thấy sự vọt lố tại giây thứ 2 và từ giây thứ 5 đến giây thứ 8, nhưng ở các giây còn lại, hiệu suất gần như đạt tốc độ mong muốn của động cơ Điều này cho thấy bộ điều khiển hoạt động tương đối hiệu quả.

Bộ P điều khiển tốc độ động cơ thường cho kết quả thấp hơn so với tốc độ mong muốn do thiếu bộ điều khiển I Tốc độ đầu ra chỉ phụ thuộc vào hệ số k p và e Khi k p không thay đổi và sai số giữa tốc độ mong muốn và thực tế nhỏ, động cơ sẽ hoạt động kém hiệu quả vì tốc độ đầu ra thấp hơn nhiều so với yêu cầu.

Kết luận: Trong trường hợp này, việc sử dụng bộ điều khiển P không phải là lựa chọn tối ưu Thay vào đó, nên áp dụng bộ điều khiển PI hoặc PID để điều chỉnh tốc độ đầu ra của động cơ một cách hiệu quả, giúp đạt được tốc độ mong muốn gần như chính xác.

Thay đổi góc đánh lửa sớm

- Đồ thị tốc độ động cơ khi góc đánh lửa sớm thay đổi:

Trong khoảng thời gian từ 0s đến 2s, tốc độ của góc đánh lửa sớm 15 độ gần như đạt được tốc độ mong muốn ban đầu của động cơ Tuy nhiên, sau thời gian này, tốc độ động cơ không còn duy trì được mức mong muốn ban đầu.

Từ giây thứ 5 đến giây thứ 6, tốc độ động cơ duy trì ổn định khi đạt gần 3000 rpm, giá trị đã được thiết lập ban đầu.

+ Từ giây thứ 6 trở đi tốc độ động cơ có sự thay đổi so với tốc độ ban đầu nhưng không quá lớn.

So sánh khi thay đổi góc đánh lửa sớm

- Thay đổi góc đánh lửa sớm để phù hợp với tốc độ mong muốn

- So sánh với khi góc đánh lửa sớm là hằng số

Khi thay đổi góc đánh lửa, momen động cơ biến động rõ rệt: trong 4 giây đầu, momen đạt 27 N.m, sau đó giảm xuống còn 17 N.m từ giây thứ 4 đến giây thứ 8 Tiếp theo, từ giây thứ 8 đến giây thứ 16, momen tăng lên 21 N.m, nhưng sau đó lại giảm xuống còn 18 N.m.

Khi điều chỉnh góc đánh lửa, tốc độ động cơ có thể tăng nhanh trong 2 giây đầu tiên, nhưng sau đó sẽ ổn định và gần bằng với tốc độ mong muốn.

Thay đổi góc đánh lửa khi xe đang chạy mang lại hiệu quả tối ưu hơn so với việc giữ góc đánh lửa ở mức hằng số, do tải trọng của xe liên tục biến đổi trong quá trình di chuyển.

Góc đánh lửa cần được điều chỉnh để tối ưu hóa momen quay của động cơ, từ đó cải thiện tốc độ hoạt động và đáp ứng hiệu quả với các điều kiện tải thay đổi.

Đồ thị thay đổi tỉ lệ hoà khí

- Đồ thị thay đổi hoà khí A/F:

Khi nhiên liệu được phun với tỉ lệ hòa khí A/F là 13.5/1, tốc độ động cơ tăng nhanh trong giây đầu tiên, nhưng sau đó không có sự thay đổi đáng kể so với tỉ lệ hòa khí A/F tối ưu 14.6/1.

Khi tỉ lệ hòa khí nhiên liệu với không khí là 17.5/1, trong 2 giây đầu, tốc độ động cơ thấp hơn đáng kể so với tốc độ mong muốn Tuy nhiên, từ giây thứ 5 đến giây thứ 8, tốc độ động cơ bắt đầu tăng trở lại và vượt qua tốc độ mong muốn ban đầu Từ giây thứ 8 trở đi, sự thay đổi về tốc độ so với ban đầu không còn nhiều.

Khi nhiên liệu được phun đặc hơn, động cơ hoạt động ổn định với tốc độ không thay đổi nhiều so với giá trị ban đầu Ngược lại, khi tỷ lệ nhiên liệu so với không khí giảm, động cơ trở nên không ổn định và hiệu suất làm việc giảm sút.

Thay đổi tải trọng xe

Khi tải trọng thay đổi, tốc độ thực tế của động cơ gần như đạt được tốc độ mong muốn, cho thấy bộ điều khiển hoạt động hiệu quả Điều này giúp động cơ duy trì hiệu suất ổn định và không bị ảnh hưởng nhiều bởi sự thay đổi tải trọng.

CHƯƠNG VI: Kết luận và nhận xét

Các khối trong động cơ có vai trò và nhiệm vụ khác nhau, ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ của xe Mô hình mô phỏng động cơ được xây dựng dựa trên thực nghiệm, do đó sai số giữa tốc độ mong muốn và tốc độ thực tế là tương đối nhỏ.

Để đảm bảo động cơ hoạt động hiệu quả và đạt được tốc độ thực tế tốt nhất, việc xây dựng bộ điều khiển Controller bằng bộ PI hoặc PID là rất cần thiết.

Tốc độ hoạt động của xe bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như bộ điều khiển, góc đánh lửa sớm, tỉ lệ hòa khí, tải trọng, lưu lượng không khí và góc mở bướm ga Sự thay đổi của những yếu tố này có thể dẫn đến sự chênh lệch giữa tốc độ thực tế và tốc độ mong muốn của động cơ.

CHƯƠNG VII: Tài liệu tham khảo https://www.mathworks.com/help/simulink/slref/engine-timing-model-with- closed-loop-control.html https://ww2.mathworks.cn/help/simulink/slref/modeling-engine-timing-using- triggered-subsystems.html?fbclid=IwAR2BLfD0WnJ_TBB1gQQybxSkFLh4- WSYxMr0ECmTBOMx2GnyHFeYB6uR_bc

Giáo trình: https://drive.google.com/drive/u/0/folders/1x4MeA1q7q5au14x8UWPLmWOFYA Tr5uOy https://drive.google.com/drive/u/0/folders/1y9Z8jcp42aVpn9g0vlSUKv7KdTqH2t xl

1 Sự khác biệt giữa vòng lặp mở và vòng lặp đóng:

Hệ thống điều khiển vòng lặp mở là hệ thống không có phản hồi kết nối, nghĩa là đầu ra của nó không ảnh hưởng đến đầu vào Trong loại hệ thống này, bộ chấp hành điều khiển trực tiếp quá trình mà không cần sử dụng phản hồi để điều chỉnh Điều này có nghĩa là hệ thống hoạt động độc lập với kết quả đầu ra.

Hình 1 : Hệ thống vòng lặp mở

Hệ thống điều khiển vòng kín, hay còn gọi là hệ thống điều khiển với vòng phản hồi, sử dụng tín hiệu phản hồi để tạo ra đầu ra chính xác Trong loại hệ thống này, đầu vào được điều chỉnh dựa trên tín hiệu phản hồi, giúp khắc phục các lỗi phát sinh Đây là một hệ thống có dòng tín hiệu hai chiều, cho phép cải thiện hiệu suất và độ chính xác của quá trình điều khiển.

Hình 2: Hệ thống vòng kín 1.1 Sự khác biệt:

Hệ thống điều khiển vòng kín nhận tín hiệu phản hồi từ cảm biến và gửi tín hiệu này đến bộ điều khiển, trong khi hệ thống điều khiển vòng hở không có khả năng phản hồi.

- Hệ thống điều khiển vòng kín có khả năng tự điều chỉnh trong khi hệ thống vòng hở thì không

- Trong hệ thống điều khiển vòng lặp mở, hành động được kiểm soát không có từ đầu ra

- Trong hệ thống vòng kín, đầu ra chủ yếu phụ thuộc vào hoạt động được điều khiển của hệ thống

- Việc xây dựng hệ thống vòng hở đơn giản hơn hệ thống vòng kín

- Việc tối ưu hóa vòng lặp mở là không thể trong khi vòng lặp kín có thể thực hiện được

- Hệ thống vòng kín có ưu điểm rõ ràng là độ chính xác cao hơn hệ thống vòng hở

- Dễ dàng hiệu chỉnh hệ thống vòng kín hơn hệ thống vòng hở

1.2 Ưu điểm và nhược điểm của vòng lặp hở so với vòng lặp kín:

1.2.1 Hệ thống vòng lặp mở:

_ Hệ thống điều khiển vòng lặp mở rất đơn giản và dễ thiết kế

_ Chúng rẻ hơn đáng kể so với các loại hệ thống điều khiển khác

_ Việc bảo trì hệ thống điều khiển vòng hở rất đơn giản

Hệ thống vòng lặp mở thường ổn định ở một mức độ nhất định, đồng thời dễ dàng trong việc xây dựng và sử dụng, mang lại sự thuận tiện cho người dùng.

_ Băng thông của hệ thống điều khiển vòng hở ít hơn

Hệ thống không phản hồi cản trở quá trình tự động hóa và thường không chính xác cũng như không đáng tin cậy Khi đầu ra của chúng bị ảnh hưởng bởi nhiễu bên ngoài, việc sửa chữa tự động trở nên không khả thi do tính chất không phản hồi của các hệ thống này.

_ Khi hệ thống điều khiển vòng kín có tín hiệu phản hồi để điều khiển đầu ra, chúng rất chính xác và ít bị lỗi

_ Chúng có thể tự động sửa lỗi bằng tín hiệu phản hồi

_ Hệ thống vòng kín rất chính xác

_ Độ rộng băng tần của hệ thống vòng hở rất lớn hơn hệ thống vòng kín

_ Chúng có thể hỗ trợ tự động hóa

_ Vì chúng có biên độ ồn rất cao nên chúng ít bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn

_ Chúng rất phức tạp và phức tạp để thiết kế

_ Về mặt kinh tế, chúng rất đắt tiền

_ Yêu cầu bảo trì cao

_ Đôi khi tín hiệu phản hồi làm cho hệ thống dao động, điều này sẽ cho phản ứng dao động

_ Cần thêm thời gian và nỗ lực để thiết kế một hệ thống vòng kín ổn định

2.1 Hệ thống vòng lặp mở:

 Hệ thống vòng lặp mở :

- Hệ thống đèn chiếu sáng trong xe:

Input: Tầm nhìn sáng/tối

Output: Đèn xe sáng tắt

Controller: Người ngồi trên xe

- Hệ thống đánh lửa trên ô tô

Output: Thời gian đánh lửa

Input: Thời gian đánh lửa mong muốn

Controller: ECU (Electronic Control Unit)

Sensor: Engine Speed Sensor ( Cảm biến tốc độ động cơ)

F: Lực kéo (N) b: Hệ số cản m: Khối lượng của xe (Kg)

Theo định luật II newton ta có:

F − b v = m a Biến đổi laplace ta được:

F(s) – b v(s) = m s v(s) Suy ra được hàm truyền:

F(s)– b s x(s) = m s 2 x(s) Suy ra được hàm truyền:

Mô phỏng và phân tích hệ thống xe

TH1: Thay đổi tham số của xe ta có:

Kết quả mô phỏng với m1, b1:

TH2: Thay đổi thông số của xe ta có:

F3 = 2000 (N) Kết quả thu được khi mô phỏng trong simulink:

Kết quả mô phỏng thu được với F2, F3:

Quảng đường 1,Vận tốc1: Đồ thị quãng đường và vận tốc của F2

Tính hàm truyền quãng đường

39 f(t) − b v(t) − k x(t) = m a(t) Biến đổi Laplace ta được:

Tính hàm truyền vận tốc f(t) − b v(t) − k x(t) = m a(t)

 f(t) – b v(t) – k ∫ v(t)dt = m v ′ (t) Biến đổi Laplace ta được:

Tính hàm truyền gia tốc f(t) − b v(t) − k x(t) = m a(t) f(t)– b ∫ a(t)dt – k ∫ dt ∫ a(t)dt = m a(t) Biến đổi Laplace ta được:

Kết quả mô phỏng thu được:

42 TH3: Thay đổi tham số m,b,k m = 3 kg; k = 1 N/m; b = 2 Ns/m và F= 20 N

43 Kết quả mô phỏng thu được:

Quãng đường: với f(t) = sint khi laplace ngược sẽ được F(s) = s 2 1 +1

Phương trình cân bằng: f(t) − b v(t) − k x(t) = m a(t) Biến đổi Laplace ta được:

TH1: m s 2 + b s + k có hai nghiệm a và b x(s) = 1 a−b ( 1 s−a− 1 s−b) 1 s 2 +1

TH1: m s 2 + b s + k có hai nghiệm a và b v(s) = 1 b [ 1 s 2 +1− 1 m.s 2 +b.s+k]

L −1 = {v(s)} = v(t) = 1 b [sin (t) − 1 a−b (e a.t − e b.t )] (3) TH2: : m s 2 + b s + k vô nghiệm v(s) = 1 b [ 1 s 2 +1− 1 m.s 2 +b.s+k] Laplace ngược v(s) ta có:

Phường trình cân bằng: f(t) − b v(t) − k x(t) = m a(t) f(t)– b ∫ a(t)dt – k ∫ dt ∫ a(t)dt = m a(t) Biến đổi Laplace ta được:

Mà x(s) = 1 s 2 + 1 1 m s 2 + b s + k Suy ra: a(s) = 1 m.s 2 +b.s+k− x(s) Laplace ngược ta có:

TH1: m s 2 + b s + k có hai nghiệm a và b a(t) = 1 a−b (e a.t − e b.t ) − x(t) (5)

Từ (1) suy ra quãng đường là

Từ (3) suy ra vận tốc là v(t) = 1

Từ (5) suy ra gia tốc là: a(t) = 1

Từ (2) suy ra quãng đường là x(t) = I3 + I4

Từ (3) suy ra vận tốc là

%quang duong y(x) figure(1); y = A*(-B*sin(x)-cos(x))-C*(-D*sin(x)-cos(x)); plot(x,y,'r'); grid on; title('DO THI QUANG DUONG X(t)'); xlabel('t(s)'); ylabel('x(m)');

53 y1 = (1/3)*(sin(x)-(1/sqrt(5))*(exp(B*x)-exp(D*x))); plot(x,y1,'b'); grid on; title('DO THI VAN TOC V(t)'); xlabel('t(s)'); ylabel('v(m/s)');

%gia toc a(x) figure(3) y2 = (1/sqrt(5))*(exp(B*x)-exp(D*x))-y; plot(x,y2,'k'); grid on; title('DO THI GIA TOC A(t)'); xlabel('t(s)'); ylabel('a(m/s^2)');

%van toc v(x) figure(2) y1 = (1/-3)*(sin(x)-(1/sqrt(5))*(exp(B*x)-exp(D*x))); plot(x,y1,'b'); grid on;

55 title('DO THI VAN TOC V(t)'); xlabel('t(s)'); ylabel('v(m/s)');

C1 = -0.1.*cos((A-1).*x)+(A-1).*sin((A-1).*x); y1 = sin(x).*exp(-0.1.*x).*(1/(2.*A)).*((B/D) + (C/E)); y2 = cos(x).*exp(-0.1.*x).*(1/(2.*A)).*((B1/D) - (C1/E)); y = y1+y2; plot(x,y,'r'); grid on; title('DO THI QUANG DUONG X(t)'); xlabel('t(s)'); ylabel('x(m)');

%van toc v(t) figure(2) y3 = (1/0.2).*(sin(x)-(1/A).*exp(-0.1.*x).*sin(A.*x)); plot(x,y3,'r'); grid on; title('DO THI VAN TOC V(t)'); xlabel('t(s)'); ylabel('V(m/s)');

%gia toc a(t) figure(3) y4 = (1/A).*exp(-0.1.*x).*sin(A.*x)-y; plot(x,y4,'k'); grid on; title('DO THI GIA TOC A(t)'); xlabel('t(s)'); ylabel('A(m/s^2)');

C1 = 0.1.*cos((A-1).*x)+(A-1).*sin((A-1).*x); y1 = sin(x).*exp(0.1.*x).*(1/(2.*A)).*((B/D) + (C/E)); y2 = cos(x).*exp(0.1.*x).*(1/(2.*A)).*((B1/D) - (C1/E)); y = y1+y2; plot(x,y,'r'); grid on; title('DO THI QUANG DUONG X(t)'); xlabel('t(s)'); ylabel('x(m)');

59 figure(2) y3 = (-1/0.2).*(sin(x)-(1/A).*exp(0.1.*x).*sin(A.*x)); plot(x,y3,'r'); grid on; title('DO THI VAN TOC V(t)'); xlabel('t(s)'); ylabel('V(m/s)');

%gia toc a(t) figure(3) y4 = (1/A).*exp(0.1.*x).*sin(A.*x)-y; plot(x,y4,'k'); grid on; title('DO THI GIA TOC A(t)'); xlabel('t(s)'); ylabel('A(m/s^2)');

60 ĐỒ THỊ MÔ PHỎNG CÁC TRƯỜNG HỢP

ASSIGNMENT

Assignment 1

1 Sự khác biệt giữa vòng lặp mở và vòng lặp đóng:

Hệ thống điều khiển vòng lặp mở là loại hệ thống không có phản hồi kết nối, nghĩa là đầu ra của nó không ảnh hưởng đến đầu vào Trong hệ thống này, bộ chấp hành điều khiển trực tiếp quá trình mà không cần sử dụng thông tin phản hồi Điều này cho thấy rằng hệ thống vòng hở hoạt động độc lập với kết quả đầu ra của nó.

Hình 1 : Hệ thống vòng lặp mở

Hệ thống điều khiển vòng kín, hay còn gọi là hệ thống điều khiển với vòng phản hồi, sử dụng tín hiệu phản hồi để tạo ra đầu ra chính xác Trong loại hệ thống này, đầu vào được điều chỉnh dựa trên tín hiệu phản hồi từ đầu ra, giúp khắc phục các lỗi xảy ra Điều này tạo ra một hệ thống dòng tín hiệu hai chiều, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.

Hình 2: Hệ thống vòng kín 1.1 Sự khác biệt:

Hệ thống điều khiển vòng kín nhận tín hiệu phản hồi từ cảm biến và gửi tín hiệu này đến bộ điều khiển, trong khi hệ thống điều khiển vòng hở không có khả năng phản hồi.

- Hệ thống điều khiển vòng kín có khả năng tự điều chỉnh trong khi hệ thống vòng hở thì không

- Trong hệ thống điều khiển vòng lặp mở, hành động được kiểm soát không có từ đầu ra

- Trong hệ thống vòng kín, đầu ra chủ yếu phụ thuộc vào hoạt động được điều khiển của hệ thống

- Việc xây dựng hệ thống vòng hở đơn giản hơn hệ thống vòng kín

- Việc tối ưu hóa vòng lặp mở là không thể trong khi vòng lặp kín có thể thực hiện được

- Hệ thống vòng kín có ưu điểm rõ ràng là độ chính xác cao hơn hệ thống vòng hở

- Dễ dàng hiệu chỉnh hệ thống vòng kín hơn hệ thống vòng hở

1.2 Ưu điểm và nhược điểm của vòng lặp hở so với vòng lặp kín:

1.2.1 Hệ thống vòng lặp mở:

_ Hệ thống điều khiển vòng lặp mở rất đơn giản và dễ thiết kế

_ Chúng rẻ hơn đáng kể so với các loại hệ thống điều khiển khác

_ Việc bảo trì hệ thống điều khiển vòng hở rất đơn giản

Các hệ thống vòng lặp mở thường có độ ổn định nhất định, đồng thời dễ dàng trong việc xây dựng và sử dụng.

_ Băng thông của hệ thống điều khiển vòng hở ít hơn

Hệ thống không phản hồi cản trở quá trình tự động hóa và thiếu tính chính xác cũng như độ tin cậy Khi đầu ra của các hệ thống vòng lặp mở bị ảnh hưởng bởi nhiễu bên ngoài, việc sửa chữa tự động trở nên không khả thi do tính chất không phản hồi của chúng.

_ Khi hệ thống điều khiển vòng kín có tín hiệu phản hồi để điều khiển đầu ra, chúng rất chính xác và ít bị lỗi

_ Chúng có thể tự động sửa lỗi bằng tín hiệu phản hồi

_ Hệ thống vòng kín rất chính xác

_ Độ rộng băng tần của hệ thống vòng hở rất lớn hơn hệ thống vòng kín

_ Chúng có thể hỗ trợ tự động hóa

_ Vì chúng có biên độ ồn rất cao nên chúng ít bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn

_ Chúng rất phức tạp và phức tạp để thiết kế

_ Về mặt kinh tế, chúng rất đắt tiền

_ Yêu cầu bảo trì cao

_ Đôi khi tín hiệu phản hồi làm cho hệ thống dao động, điều này sẽ cho phản ứng dao động

_ Cần thêm thời gian và nỗ lực để thiết kế một hệ thống vòng kín ổn định

2.1 Hệ thống vòng lặp mở:

 Hệ thống vòng lặp mở :

- Hệ thống đèn chiếu sáng trong xe:

Input: Tầm nhìn sáng/tối

Output: Đèn xe sáng tắt

Controller: Người ngồi trên xe

- Hệ thống đánh lửa trên ô tô

Output: Thời gian đánh lửa

Input: Thời gian đánh lửa mong muốn

Controller: ECU (Electronic Control Unit)

Sensor: Engine Speed Sensor ( Cảm biến tốc độ động cơ)

F: Lực kéo (N) b: Hệ số cản m: Khối lượng của xe (Kg)

F(s) – b v(s) = m s v(s) Suy ra được hàm truyền:

F(s)– b s x(s) = m s 2 x(s) Suy ra được hàm truyền:

Mô phỏng và phân tích hệ thống xe

TH1: Thay đổi tham số của xe ta có:

Kết quả mô phỏng với m1, b1:

TH2: Thay đổi thông số của xe ta có:

F3 = 2000 (N) Kết quả thu được khi mô phỏng trong simulink:

Kết quả mô phỏng thu được với F2, F3:

Quảng đường 2,Vận tốc2: Đồ thị quãng đường và vận tốc của F3.

Assignment 2

Tính hàm truyền quãng đường

39 f(t) − b v(t) − k x(t) = m a(t) Biến đổi Laplace ta được:

Tính hàm truyền vận tốc f(t) − b v(t) − k x(t) = m a(t)

Tính hàm truyền gia tốc f(t) − b v(t) − k x(t) = m a(t) f(t)– b ∫ a(t)dt – k ∫ dt ∫ a(t)dt = m a(t) Biến đổi Laplace ta được:

Kết quả mô phỏng thu được:

42 TH3: Thay đổi tham số m,b,k m = 3 kg; k = 1 N/m; b = 2 Ns/m và F= 20 N

43 Kết quả mô phỏng thu được:

Assignment 3