Trong thời kỳ cạnh tranh công nghệ, các nhà sản suất ô tô không ngừng nghiên cứu và cho ra các sản phẩm mới, kéo theo đó là sự phát triển mạnh mẽ của các ứng dụng, phần mềm trong thiết kế và mô phỏng. Trước khi đưa một sản phẩm ra thị trường, các sản phẩm mẫu sẽ phải trải qua các bài kiểm định trong thực tế cũng như trong phòng thí nghiệm dựa trên sự tính toán cùng sự hỗ trợ của các phần mềm, qua đó giúp tiết kiệm thời gian, chi phí và hạn chế những rủ ro khi thực hiện. Và để có được những sản phẩm mẫu với độ chính xác cao cần có những công cụ hỗ trợ như ESP, AVL, Labview,…. Và Matlab một phần mềm chuyên dụng cho các kỹ sư, là một trong những phần mềm mô phỏng phổ biến giúp đáp ứng được yêu cầu này. Bên cạnh đó sự ra đời của hộp điều khiển (ECU Electronic Control Unit) trên ô tô nói chung và xe máy nói riêng là bộ phận trung tâm điều khiển góc đánh lửa sớm cũng như thời gian phun và thời điểm phun nhiên liệu, vì vậy nhóm chúng em chọn đề tài “Ứng dụng Matlab trong mô phỏng hệ thống điều khiển nhiên liệu” với mục đích hỗ trợ tính toán và tinh chỉnh các thông sô trên nhằm đạt được công suất tối ưu của động cơ.
(có file Simulink (.mdl) kèm) TĨM TẮT ĐỀ TÀI Đề tài “Ứng dụng Matlab mô điều khiển hệ thống nhiên liệu” nhằm tạo chương trình điều khiển phun nhiên liệu động Wave 110cc Fi Matlab để phục vụ cho trình học tập nghiên cứu hộp điều khiển sau Trong đề tài tìm hiểu được: - Nguyên lý hoạt động cảm biến - Ứng dụng Stateflow Simulink - Phương trình dịng khí nạp - Các chế độ phun ( lean or rich mixtures) - Tính tốn bù nhiên liệu độ trễ MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Lý chọn đề tài Trong thời kỳ cạnh tranh công nghệ, nhà sản suất ô tô không ngừng nghiên cứu cho sản phẩm mới, kéo theo phát triển mạnh mẽ ứng dụng, phần mềm thiết kế mô Trước đưa sản phẩm thị trường, sản phẩm mẫu phải trải qua kiểm định thực tế phịng thí nghiệm dựa tính tốn hỗ trợ phần mềm, qua giúp tiết kiệm thời gian, chi phí hạn chế rủ ro thực Và để có sản phẩm mẫu với độ xác cao cần có cơng cụ hỗ trợ ESP, AVL, Labview,… Và Matlab - phần mềm chuyên dụng cho kỹ sư, phần mềm mô phổ biến giúp đáp ứng yêu cầu Bên cạnh đời hộp điều khiển (ECU - Electronic Control Unit) tơ nói chung xe máy nói riêng phận trung tâm điều khiển góc đánh lửa sớm thời gian phun thời điểm phun nhiên liệu, nhóm chúng em chọn đề tài “Ứng dụng Matlab mô hệ thống điều khiển nhiên liệu” với mục đích hỗ trợ tính tốn tinh chỉnh thơng sô nhằm đạt công suất tối ưu động 1.2 Mục tiêu nhiệm vụ đề tài 1.2.1 Mục tiêu Mục tiêu đề tài tạo chương mơ Matlab để điều khiển hệ thống nhiên liệu động xăng xy-lanh 1.2.2 Nhiệm vụ Tìm hiểu nguyên lý hoạt động cảm biến, thuật toán điều khiển, phương trình khí nạp, ứng dụng Stateslow Sau viết chương trình mơ đánh giá mơ so với thực tế 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đề tài động Wave RSX 110 Fi (động xăng xylanh) Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế chương trình mơ điều khiển phun nhiên liệu dựa yêu cầu sau: - Mô cảm biến xe Wave RSX 110 Fi - Ứng dụng Control logic Stateflow - Hiển thị Dashboard - Các thơng số đầu vào thay đổi 1.4 Phương pháp nghiên cứu Để đề tài hoàn thành chúng em kết hợp nhiều phương pháp nghiên cứu, đặc biệt phương pháp tham khảo tài liệu Thu nhập tài liệu từ Internet, thư viện Học hỏi kinh nghiệm từ giảng viên hướng dẫn, từ có sở tìm ý tưởng để hoàn thành đề cương cho đề tài CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MATLAB VÀ SIMULINK 2.1 Tổng quan Matlab MATLAB mơi trường tính tốn số lập trình, thiết kế cơng ty MathWorks MATLAB cho phép tính tốn số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thông tin, thực thuật toán, tạo giao diện người dùng liên kết với chương trình máy tính viết nhiều ngơn ngữ lập trình khác MATLAB giúp đơn giản hóa việc giải tốn tính tốn kĩ thuật so với ngơn ngữ lập trình truyền thống C, C++ MATLAB sử dụng nhiều lĩnh vực, bao gồm xử lý tín hiệu ảnh, truyền thơng, thiết kế điều khiển tự động, đo lường kiểm tra, phân tích mơ hình tài chính, hay tính tốn sinh học Với hàng triệu kĩ sư nhà khoa học làm việc môi trường công nghiệp mơi trường hàn lâm, MATLAB ngơn ngữ tính tốn khoa học Toolbox cơng cụ quan trong MATLAB cơng cụ để phân tích, thiết kế, mơ Ta tìm số toolbox mơi trường làm việc như: Logic mờ, Simulink, mạng nơ-ron Hệ thống MATLAB chia hệ thống giao diện chính, bao gồm: - Mơi trường phát triển Đây nơi chứa công cụ, phương tiện giúp ta sử dụng lệnh file, ta liệt kê sau: • Desktop • Command Window • Command History • Browser for viewing help - Thư viện hàm toán học Bao gồm hàm tính tốn từ đơn giản đến phức tạp, phép tính ma trận, tuyến tính, ma trận nghịc đảo, trị riêng, chuyển đổi Furier, Laplace - Ngơn ngữ MATLAB Đó ngơn ngữ bậc cao ma trận mảng, dòng lệnh hàm cấu trúc liệu đầu vào lập trình hướng đối tượng - Đồ hoạ MATLAB Bao gồm đồ hoạ 2D 3D, cung cấp giao diện tương tác giữ người máy tính - Giao tiếp với ngơn ngữ khác MATLAB cho phép tương tác với ngôn ngữ khác C, Fortran Chương trình MATLAB chương trình viết cho máy tính PC nhằm hỗ trợ cho tính tốn khoa học kỹ thuật với phần tử ma trận máy tính cá nhân cơng ty “ The MATHWORKS” viết Thuật ngữ MATLAB có hai từ MATRIX LABORATORY ghép lại Chương trình sử dụng nhiều nghiên cứu vấn đề tính tốn toán kỹ thuật như: Lý thuyết điều khiển tự động, kỹ thuật thống kê xác suất, xử lý số tín hiệu, phân tích liệu, dự báo chuỗi quan sát, v.v… MATLAB điều khiển tập lệnh, tác động qua bàn phím Nó cho phép khả lập trình với cú pháp thơng dịch lệnh – gọi Script file Các lệnh hay lệnh MATLAB lên đến số hàng trăm ngày mở rộng phần TOOLS BOX (thư viện trợ giúp) hay thông qua hàm ứng dụng sử dụng từ người sử dụng MATLAB có 25 TOOLS BOX để trợ giúp cho việc khảo sát vấn đề có liên quan TOOLS BOX SIMULINK phần mở rộng MATLAB, sử dụng để mô hệ thống động học cách nhanh chóng tiện lợi Việc khởi động MATLAB hệ thống khác Trong môi trường WINDOWS hay MACINTOSH, chương trình thường khởi động thơng qua việc nhắp chuột icon hay gọi biểu tượng Còn với môi trường UNIX, MS-DOS, việc khởi động thông qua dòng lệnh: \MATLAB↲ Giao diện MATLAB sử dụng hai cử sổ: cửa sổ lệnh (Command window) cửa sổ đồ thị (Figure window) Hình 2.1: Giao diện cửa sổ lệnh Matlab khởi động Cửa sổ lệnh dùng để đưa lệnh liệu vào đồng thời in kết Cửa sổ đồ thị trợ giúp cho việc truy xuất đồ họa để thể lệnh hay kết đầu dạng đồ họa Hình 2.2: Giao diện cửa sổ đồ thị Matlab MATLAB điều khiển câu lệnh kết hợp theo trật tự định gọi chương trình Chương trình chứa nhiều câu lệnh hàm chức để giải toán lớn Các câu lệnh MATLAB mạnh có vấn đề cần câu lệnh đủ giải tốn Mơ MATLAB cho ta hình ảnh tọa độ khơng gian hai chiều (2D) ba chiều (3D) 2.2 Tổng quan Matlab Simulink 2.2.1 Giới thiệu Simulink Simulink coi phần mở rộng Matlab Simulink dùng để mô hệ động học, hệ tuyến tính, phi tuyến, mơ hình thời gian liên tục gián đoạn Đặc điểm bật Simulink lập trình dạng sơ đồ cấu trúc, sử dụng đối tượng đồ họa Loại lập trình hướng đối tượng có ưu điểm tính trực quan, dễ viết hình dung người lập trình khơng chuyên nghiệp Simulink cung cấp giao diện đồ họa để xây dựng mơ hình dạng sơ đồ khối Bằng thao tác “nhấn kéo chuột” người sử dụng kéo khối chuẩn thư viện Simulink vùng làm việc để xây dựng mơ hình mơ Hình 2.3: Giao diện làm việc Simulink Người sử dụng thay đổi tạo khối riêng bổ sung vào thư viện khối ứng dụng Simulink bao gồm thư viện sau: thư viện khối nguồn tín hiệu (Sources), thư viện khối xuất hiển thị liệu (Sink), thư viện khối tính toán (Math Operations), thư viện Continuous nhiều thư viện khác, tùy theo yêu cầu sử dụng mà chọn khối khác 10 Hình 4.5: Mơ hình cảm biến vị trí bướm ga Khi tín hiệu State_thro đầu vào Switch block 0, tức cảm biến hoạt động bình thường, subsystem cho đầu từ tín hiệu Sens qua hàm chuyển đổi điện áp góc mở bướm ga Ngược lại, State_thro đầu tín hiệu dự đốn qua Lookup table dựa tín hiệu tốc độ N tín hiệu áp suất MAP Đối với cảm biến nhiệt độ nước làm mát nhiệt độ khí nạp, tín hiệu xác định bị lỗi hở mạch (tín hiệu=5V) ngắn (tín hiệu =0V) mạch đầu cảm biến mặc định 80 oC đồi với nước làm mát 20 oC nhiệt độ khí nạp Ngược lại, cảm biến hoạt động bình thường đầu cảm biến tín hiệu điện áp, sau qua hàm chuyển đổi điện áp thành nhiệt độ đưa vào subsystem để tính tốn Hình 4.6: Mơ hình cảm biến nhiệt độ khí nạp 45 Hình 4.7: Mơ hình cảm biến nhiệt độ nước làm mát 4.3 Tính tốn lưu lượng khí nạp vào xylanh Subsystem tính lượng khí vào xylanh (m_beta) để xác định xác tỉ số khơng khí- nhiên liệu cách xác Subsystem air into cylinder tính tốn lưu lượng khơng khí nạp vào xylanh theo cơng thức (3.4) cộng với phần bù khí nạp tính tốn khối Throttle transient correction Hình 4.8: Tính tốn lượng khí vào xylanh 46 Hình 4.9: Tính tốn lượng khí vào xylanh lý thuyết 4.4 Tính tốn lượng nhiên liệu vào xylanh Hì nh 4.10: Tính toán lượng nhiên liệu theo chế độ phun 47 Subsytem định lượng nhiên liệu phun vào xylanh dựa tín hiệu đầu vào fuel_mode khối Multiport Switch Tín hiệu xác định động cần phun chế độ (Normal, Rich, Shutdown) Sau đó, tương ứng với chế độ mà có lượng bù nhiên liệu (từ feedback corection) có độ trễ khác lọc nhiệu liệu Hình 4.11: Tính tốn bù nhiên liệu dựa cảm biến Oxy chế độ phun Hình 4.12: Tính tốn độ trễ lọc nhiên liệu 48 4.5 Kết mô Hình 4.13: Tổng quan chương trình mơ Hình 4.14: Giao diện hiển thị Dashboard Trong giao diện này, chương trình hiển thị cho người dùng thấy giá trị thông số động hình 4.14, người dùng tùy ý điều chỉnh giá trị điện áp cảm biến nhiệt độ nước làm mát nhiệt độ khí nạp Slider (THW_V, IAT_V), đánh pan cảm biến khác Slider Switch Ngồi ra, giao diện cịn cho phép người dùng đánh ban cảm biến thông qua Switch để xem động hoạt động 49 4.5.1 Động hoạt động bình thường • Q trình mơ thưc điều kiện: Cảm biến Tín hiệu TPS 1.5V MAP 3V IAT 1.95V THW 0.6V CKP 80 rad/s EGO Feedback • Kết quả: Hình 4.15: Kết mơ động hoạt động bình thường 50 4.5.2 Lượng nhiên liệu trường hợp cảm biến bị hỏng 4.5.2.1 Cảm biến Oxy: Hình 4.16: Trường hợp cảm biến Oxy hỏng Hình 4.17: Đồ thị lượng nhiên liệu phun vào xylanh cảm biến Oxy hỏng (g/s) 51 Hình 4.18: Đồ thị tỉ lệ A/F cảm biến Oxy hỏng 4.5.2.2 Cảm biến vị trí bướm ga: 52 Hình 4.20: Đồ thị lượng nhiên liệu phun vào xylanh cảm biến vị trí bướm ga hỏng (g/s) Hình 4.21: Đồ thị tỉ lệ A/F cảm biến vị trí bướm ga hỏng 53 4.5.2.3 Cảm biến áp suất khí nạp: Hình 4.22: Trường hợp cảm biến áp suất khí nạp hỏng Hình 4.23: Đồ thị lượng nhiên liệu phun vào xylanh cảm biến áp suất khí nạp hỏng (g/s) 54 Hình 4.24: Đồ thị tỉ lệ A/F cảm biến áp suất khí nạp hỏng 4.5.2.4 Cảm biến tốc độ: Hình 4.25: Trường hợp cảm biến tốc độ bị hỏng 55 Hình 4.26: Đồ thị lượng nhiên liệu phun vào xylanh cảm biến tốc độ hỏng (g/s) Hình 4.27: Đồ thị tỉ lệ A/F cảm biến tốc độ hỏng 56 4.5.2.5 Trường hợp có nhiều cảm biến bị hỏng: Hình 4.28: Trường hợp có nhiều cảm biến hỏng Hình 4.29: Đồ thị lượng nhiên liệu vào xylanh có nhiều cảm biến hỏng (g/s) 57 Hình 4.30: Đồ thị tỉ lệ A/F có nhiều cảm biến hỏng - 4.5.3 Nhận xét Tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu trường hợp đáp ứng tốt, 11.736 cho trường hợp phun giàu 14.67 cho trường hợp hoạt động bình thường Lượng nhiên liệu trường hợp cảm biến vị trí bướm ga bị hỏng trường hợp cảm biến oxy bị hỏng đáp ứng tốt phun nhiều so với chế độ bình thường 140% Tuy nhiên, trường hợp cảm biến MAP cảm biến tốc độ bị hỏng, lượng nhiên liệu chưa đáp ứng tốt, thấp so với chế độ bình thường 10% phần dự đốn cảm biến chưa tốt Vì cần thí nghiệm động băng thử để có liệu dự đốn xác 58 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 5.1 Kết luận Được hướng dẫn tận tình thầy Huỳnh Quốc Việt với nổ lực nhóm, chúng em hoàn thành nghiên cứu khoa học thời gian quy định đạt yêu cầu nhiệm vụ đề tài Nội dung đề tài tập trung nghiên cứu mô điều khiển động đốt ứng dụng phần mềm Matlab mà cụ thể Simulink với nội dụng chúng em hiểu rõ động đốt phương pháp để mô động Qua đề tài chúng em tìm hiểu nắm bắt ứng dụng quan trọng Matlab, đề tài phát triển sau chúng em Do thời gian thực đồ án có hạn trình độ nghiên cứu chun mơn, kinh nghiệm thực tế nhóm em cịn hạn chế nên khơng tránh khỏi sai sót Vì vây, nhóm mong đóng góp, góp ý q thầy tất bạn đọc giả để đề tài hồn thiện 5.2 Kiến nghị Vì thời gian cho phép nên nghiên cứu thực đề tài cịn nhiều thiếu sót Ở đề tài này, mô thực dựa điều kiện cố định cho trước nên chưa hoàn toàn với thực tế Với đề tài phát triển thêm nhiều hệ thống động ô tô nay, phát triển thành phần mềm thử nghiệm động phịng thí nghiệm động TÀI LIỆU THAM KHẢO Heywood, J B (n.d.) Internal Combustion Engine Fundamentals Mathworks, T (n.d.) Stateflow-Getting Started Guide Retrieved from The Mathworks: https://www.mathworks.com/products/matlab.html Matworks, T (n.d.) Using Simulink and Stateflow in Automotive Applications Onder, L G (n.d.) Introduction to Modeling and Control of Internal Combustion Engine System 59 ... kỹ sư, phần mềm mô phổ biến giúp đáp ứng yêu cầu Bên cạnh đời hộp điều khiển (ECU - Electronic Control Unit) tơ nói chung xe máy nói riêng phận trung tâm điều khiển góc đánh lửa sớm thời gian... trình mơ điều khiển phun nhiên liệu dựa yêu cầu sau: - Mô cảm biến xe Wave RSX 110 Fi - Ứng dụng Control logic Stateflow - Hiển thị Dashboard - Các thơng số đầu vào thay đổi 1.4 Phương pháp nghiên... độ phun giàu Ngoài ra, cịn thêm vào đặc tính vượt tốc việc thêm vào trạng thái ngắt nhiên liệu ? ?Fuel _disabled” Bằng việc sử dụng khối liên kết History, ta đảm bảo mơ hình quay trạng thái hoạt