ỨNG DỤNG SIMULINKAPP DESIGNER TRONG MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ VÀ THIẾT KẾ GIAO DIỆN

Ngày nay, nhu cầu sử dụng ô tô, xe máy cũng như các chính sách bảo vệ môi trường khiến cho các hãng xe chạy đua với thời gian để đưa ra chiếc xe đáp ứng nhu cầu của người dùng và môi trường. Bên cạnh đó, sự phát triển mạnh mẽ các ứng dụng, phần mềm trong việc thiết kế và mô phỏng, chế tạo cũng như sản xuất một chiếc ô tô hay xe máy. Trước khi sản xuất ra một sản phẩm mấu để thực hiện các kiểm nghiệm trong thực tế, các nhà sản xuất đều phải phác thảo 3D trên máy tính cũng như mô phỏng tính toán để hạn chế những sai sót cách tối ưu nhất trên sản phẩm mẫu, qua đó giúp tiết kiệm tài chính và hạn chế những rủi ro khi thực nghiệm. Và để có được những sản phẩm mẫu với độ chính xác cao, cần có những phần mềm mô phỏng có thể tính toán tối ưu nhất như: ESP, AVL, LabView,… và Matlab một phần mềm chuyên dụng cho kĩ sư, là một trong những phần mềm mô phỏng phổ biến nhất giúp đáp ứng được yêu cầu này. Trong đó, với sự hỗ trợ của công cụ Simulink trong Matlab thì việc mô phỏng quá trình điều khiển động cơ được trở nên dễ dàng hơn. Và “Ứng dụng SimulinkApp Designer trong mô phỏng điều khiển động cơ và thiết kế giao diện” cũng chính là đề tài mà nhóm chúng em chọn để hoàn tất chương trình Đại học tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh.

TÓM TẮT - Vấn đề nghiên cứu Hệ thống điều khiển động xy-lanh Phần mềm Matlab mảng Simulink Ứng dụng thiết kế giao diện Lý thuyết ứng dụng mô điều khiển tốc độ theo công suất cần để sạc cho ắc quy mô hình xe Hybrid Các hướng tiếp cận - Thơng qua phát triển công nghệ điều khiển qua máy tính ứng dụng cơng nghệ học tập nghiên cứu trường Đại học Sư phạm Kĩ thuật TP.HCM - Dựa vào tài liệu tham khảo khóa học trước với hỗ trợ, hướng dẫn cung cấp tài liệu thầy Huỳnh Quốc Việt Cách giải vấn đề - Nắm rõ nguyên lí vận hành động đốt xy-lanh - Xây dựng chương trình mơ dựa thơng số động phương trình tương ứng - Tiến hành mô theo hệ thống động xy-lanh, sau kiểm tra điều chỉnh theo mơ hình thực tế - Kết nối hệ thống động thành hệ thống hồn chỉnh - Kiểm tra, đánh giá kết mơ so với lý thuyết mơ hình thực tế MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Các chữ viết tắt: ĐCT: Điểm chết ĐCD: Điểm chết ECU: Electronic Control Unit SI: Spark-Ignited MVM: Mean Value Model DEM: Discrete Event Model CCM: Cylinder by Cylinder Model MBT: Maximum Brake Torque RPM: Revolutions per minute Các ký hiệu: � ̇ � : Lưu lượng khơng khí qua bướm ga (kg/s) �̇ �: Lưu lượng khơng khí đường ống nạp vào động (kg/s) � � : Áp suất đường ống nạp (Pa) �̇ fi : Lưu lượng nhiên liệu phun kim phun (kg/s) �̇f : Lưu lượng nhiên liệu đưa vào động (kg/s) �̇ : Hỗn hợp lưu lượng khơng khí nhiên liệu đưa vào xy-lanh (kg/s) �̇ �: Lưu lượng khí xả tuần hoàn nạp vào động (kg/s) � � : Mô-men xoắn động � � : Tốc độ góc động (vịng/phút) uφ: Lượng nhiên liệu cung cấp uξ: Thời gian phun nhiên liệu uζ: Thời gian đánh lửa yα: Cảm biến góc mở bướm ga yp: Cảm biến áp suất đường ống nạp yλ: Cảm biến tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu yω: Cảm tốc độ động d đường kính cánh bướm ga (m) � (�): góc mở bướm ga tài xế đạp bàn đạp ga (0) A(α): diện tích mở cánh bướm ga mở góc α (� 2) � �: áp suất khí (Pa) ��: áp suất đường ống nạp (Pa) � : số khí lý tưởng �� : nhiệt độ khơng khí (0K) ��: hệ số nạp bướm ga ��: nhiệt độ đường ống nạp (0K) � �(� � (� ), �� (� )) hiệu suất thể tích �� : áp suất đường ống xả (Pa) ��: thể tích cơng tác động (�3) ��: thể tích buồng cháy động (�3) N: số vòng quay chu kỳ (N = cho động thì, N = động thì) ��: tốc độ đơng (rad/s) �0, �1, �2: thông số điều chỉnh �: tỉ lệ khơng khí / nhiên liệu động �0: tỉ lệ khơng khí / nhiên liệu lý thuyết lấy giá trị xắp xỉ 14,7 �, �: số phụ thuộc vào tốc độ tải động � � : nhiệt trị thấp nhiên liệu �� (� ): mô-men động �� (� ): tải bên động DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Lí chọn đề tài Ngày nay, nhu cầu sử dụng ô tơ, xe máy sách bảo vệ môi trường khiến cho hãng xe chạy đua với thời gian để đưa xe đáp ứng nhu cầu người dùng mơi trường Bên cạnh đó, phát triển mạnh mẽ ứng dụng, phần mềm việc thiết kế mô phỏng, chế tạo sản xuất ô tô hay xe máy Trước sản xuất sản phẩm mấu để thực kiểm nghiệm thực tế, nhà sản xuất phải phác thảo 3D máy tính mơ tính tốn để hạn chế sai sót cách tối ưu sản phẩm mẫu, qua giúp tiết kiệm tài hạn chế rủi ro thực nghiệm Và để có sản phẩm mẫu với độ xác cao, cần có phần mềm mơ tính tốn tối ưu như: ESP, AVL, LabView,… Matlab - phần mềm chuyên dụng cho kĩ sư, phần mềm mô phổ biến giúp đáp ứng yêu cầu Trong đó, với hỗ trợ cơng cụ Simulink Matlab việc mơ q trình điều khiển động trở nên dễ dàng Và “Ứng dụng Simulink-App Designer mô điều khiển động thiết kế giao diện” đề tài mà nhóm chúng em chọn để hồn tất chương trình Đại học Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 1.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Ở đề tài này, đối tượng nghiên cứu động đốt sử dụng xe máy Từ khoanh vùng nội dung cần tìm hiểu trình bày Phạm vi đề tài mô điều khiển động theo chu trình sạc phần mềm Matlab mơ hình xe E-REV (Extended – Range Electric Vehicle) Và đề tài chủ yếu trọng vào điều khiển tốc độ động để đáp ứng sạc cho H-Battery 1.3 Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu Với đề tài nội dung việc tính tốn, mơ điều khiển hoạt động động với bước như: • Giới thiệu lý thuyết mơ động • Tính tốn hệ thống động • Thiết kế mơ hình mơ động Simulink Matlab • Phát triển hệ thống điều khiển động 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 hồn thành đề cương cho đề tài 1.5 Kế hoạch thực - Thu thập tài liệu: thư viện, Internet - Phân tích nghiên cứu tài liệu dựa yêu cầu đề tài - Tham khảo ý kiến thầy cô, bạn bè - Chọn lọc xếp kiến thức - Viết thuyết minh soạn slide trình chiếu - Hướng dẫn, chỉnh sửa Giáo viên hướng dẫn - Hoàn thiện đề tài - Nộp đề tài CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ MƠ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 2.1 Giới thiệu động đốt xy-lanh Trong loại động nhiệt, nhiệt lượng nhiên liệu cháy tạo ra, chuyển hóa thành lượng có ích động đốt sử dụng rộng rãi với số lượng lớn trọng lĩnh vực: giao thông vận tải (đường bộ, đường sắt, đường thủy, đường hàng không ), nông nghiệp, lâm nghiệp, cơng nghiệp, quốc phịng… Trong động đốt trong, trình cháy nhiên liệu, chuyển biến nhiệt thành thực bên động Phân loại động đốt trong: Theo quy trình nhiệt động lực học: • Động Otto • Động Diesel Theo cách thức hoạt động: • Động kỳ • Động kỳ Tạo hỗn hợp bên ngồi: Nhiên liệu khơng khí hịa vào ngồi xy-lanh, sau đưa vào xy-lanh thực trình cháy Đại diện cho loại động Otto có chế hịa khí hay động kỳ Nếu nhiệt độ động cao, thời điểm đánh lửa sớm hay tự bốc cháy hỗn hợp gây nổ khơng kiểm sốt làm giảm cơng suất gây hư hại cho động Trong lúc nén lại, nhiên liệu phải bốc phần để cháy nhanh sau đánh lửa, tạo tốc độ vòng quay cao Tạo hỗn hợp bên trong: Chỉ có khơng khí đưa vào nén lại xylanh, nhiên liệu phun vào sau Do khơng có nhiên liệu nên khơng xảy tượng tự cháy nên tăng hiệu suất cách tăng tỉ số nén Sau phun vào,nhiên liệu cần khoảng thời gian để bốc mà tốc độ vịng quay bị giới hạn • • • • Theo cách chuyển động piston Theo phương pháp làm mát Theo phương pháp cháy Theo hình dánh động số xy-lanh … Ở đề tài này, ta tập trung nghiên cứu động xăng kỳ xy-lanh nên ta bỏ qua loại động khác Nguyên lý làm việc động xăng kỳ: Chu trình động xăng sau: - Kỳ – Nạp: đầu kỳ hút, piston nằm ĐCT Lúc thể tích buồng cháy, chứa đầy khí sót (sản vật cháy) chu trình trước để lại, áp suất khí sót cao so với áp suất khí trời Khi trục khuỷu quay, truyền làm cho piston chuyển từ ĐCT xuống ĐCD, cấu phân phối khí mở thông đường qua xupap nạp, nối không gian bên piston với đường ống nạp Cùng với mức tăng tốc độ piston, áp suất môi chất bên xy-lanh trở nên nhỏ dần so với áp suất hỗn hợp hịa khí đường ống nạp (làm chênh lệch áp suất đường ống nạp xylanh) Chênh lệch áp suất kể tạo nên trình nạp động - Kỳ hai – Nén: piston chuyển từ ĐCD lên ĐCT, hịa khí bên xy-lanh bị nén Cuối kỳ piston vị trí ĐCD áp suất hịa khí xy-lanh cịn nhỏ áp sauast đường ống nạp Đầu kỳ hai, piston từ ĐCD lên đoạn áp suất hịa khí xy-lanh áp suất đường ống nạp Do để hồn thiện q trình ạp người ta để xupap nạp tiếp tục mở (ở góc cho phép) Việc đóng muộn xupap nạp để nạp thêm hịa khí vào xy-lanh nhờ tác dụng chênh lệch áp suất nói Sau đóng xupap nạp, chuyển động lên piston làm cho áp suất nhiệt độ hịa khí xy-lanh tiếp tục tăng lên Giá trị áp suất cuối kỳ nén phụ thuộc vào tỉ số nén, độ kín khít của khơng gian hịa khí…Việc cháy bốc cháy hịa khí động hình thành hịa khí bên ngồi hay bên động cần thời gian định, Muốn tận dụng tốt nhiệt lượng nhiên liệu cháy tạo ra, điểm bắt đầu điểm kết thúc trình cháy cần nằm khu vực sát ĐCT Do hịa khí cháy trước piston tới ĐCT Như kỳ hai, bên xy-lanh chủ yếu thực q trình nén hịa khí Ngồi đầu kỳ nén thực việc nạp thêm cuối kỳ nén bugi bắt đầu đánh lửa cháy hịa khí - Kỳ ba – Cháy giãn nở: thực khí piston từ ĐCT xuống ĐCD Đầu kì ba hịa khí nạp vào xy-lanh bốc cháy bugi đánh lửa Do đo nhiệt lượng lớn sinh ra, khiến áp suất nhiệt độ môi chất tăng mạnh, mặc dỳ thể tích xy-lanh tăng lên chút Dưới tác dụng đẩy lực áp suất môi chất tạo ra, piston tiếp tục đẩy xuống thực q trình giãn mơi chất xylanh Trong q trình giãn nở mơi chất đẩy piston sinh cơng, kì cịn gọi hành trình cơng tác (sinh cơng) 10 6.3 Kết mơ Hình 6.22: Tổng quan chương trình mơ Hình 6.23: Giao diện hiển thị Dashboard Trong giao diện này, chương trình hiển thị cho người dùng thấy giá trị thông số động hình 6.23, 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 pan cảm biến thông qua Switch để xem động hoạt động 6.3.1 Động hoạt động bình thường • Q trình mơ trường hợp động hoạt động bình thường với giá trị đầu vào cảm biến sau: 89 90 Cảm biến Tín hiệu TPS 1.5V MAP 3V IAT 1.95V THW 0.6V CKP 80 rad/s EGO Feedback Bảng 6.1: Giá trị đầu vào cho trước cảm biến trường hợp động hoạt động bình thường • Kết quả: 91 Hình 6.24: Kết mơ động hoạt động bình thường 6.3.2 Lượng nhiên liệu trường hợp cảm biến bị hỏng Trong phần này, đồ thị lượng nhiên liệu phun vào xy-lanh đồ thị tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu vẽ với trục hồnh thời gian mơ (t=100s) 92 6.3.2.1 Cảm biến Oxy Hình 6.25: Trường hợp cảm biến Oxy hỏng Hình 6.26: Đồ thị lượng nhiên liệu phun vào xy-lanh cảm biến Oxy hỏng (g/s) 93 Hình 6.27: Đồ thị tỉ lệ A/F cảm biến Oxy hỏng 6.3.2.2 Cảm biến vị trí bướm ga Hình 6.28: Trường hợp cảm biến vị trí bướm ga hỏng 94 Hình 6.29: Đồ thị lượng nhiên liệu phun vào xy-lanh cảm biến vị trí bướm ga hỏng (g/s) Hình 6.30: Đồ thị tỉ lệ A/F cảm biến vị trí bướm ga hỏng 95 6.3.2.3 Cảm biến áp suất khí nạp Hình 6.31: Trường hợp cảm biến áp suất khí nạp hỏng Hình 6.32: Đồ thị lượng nhiên liệu phun vào xy-lanh cảm biến áp suất khí nạp hỏng (g/s) 96 Hình 6.33: Đồ thị tỉ lệ A/F cảm biến áp suất khí nạp hỏng 6.3.2.4 Cảm biến tốc độ Hình 6.34: Trường hợp cảm biến tốc độ bị hỏng 97 Hình 6.35: Đồ thị lượng nhiên liệu phun vào xy-lanh cảm biến tốc độ hỏng (g/s) Hình 6.36: Đồ thị tỉ lệ A/F cảm biến tốc độ hỏng 98 6.3.2.5 Trường hợp có nhiều cảm biến bị hỏng Hình 6.37: Trường hợp có nhiều cảm biến hỏng Hình 6.38: Đồ thị lượng nhiên liệu vào xy-lanh có nhiều cảm biến hỏng (g/s) 99 Hình 6.39: Đồ thị tỉ lệ A/F có nhiều cảm biến hỏng 6.4 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 40% 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 100 CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 7.1 Kết luận Cùng với hướng dẫn tận tình từ thầy Huỳnh Quốc Việt nỗ lực nhóm, chúng em hồn thành đề tài thời gian quy định hoàn thành nhiệm vụ đặt Nội dung đề tài tập trung vào nghiên cứu mô điều khiển động đốt theo tốc độ mong muốn để kéo máy phát sạc cho ắc quy, hệ thống điều khiển nhiên liệu theo tín hiệu cảm biến, thiết kế giao diện người dùng App Designer giúp nhóm hiểu rõ ngun lí, phương pháp mô phương thức điều khiển động đốt xe máy Ngoài ra, để tài giúp chúng em nắm bắt ứng dụng quan trọng Matlab, qua tiền đề cho phát triển chúng em sau Do thời gian có hạn trình độ nghiên cứu chuyên môn kinh nghiệm thực tiễn chúng em cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi sai sót Vì vậy, chúng em mong nhận góp ý quý thầy bạn đọc giả để đề tài hoàn thiện 7.2 Hướng phát triển Trong đề tài này, ta mô động đốt xy-lanh điều khiển tốc độ đầu động theo tốc độ mong muốn Tốc độ đầu động dùng để kéo máy phát sạc cho ắc quy mơ hình xe E-REV (Extended-Range Electric Vehicle), việc điều khiển tốc độ mong muốn điều phụ thuộc vào trạng thái sạc ắc quy Vì vậy, ta phát triển đề tài cách mô máy phát kết nối với đầu tốc độ phần mô động để tính tốn điện áp cần sạc cho ắc quy Ngoài ra, với ứng dụng App Designer việc thiết kế giao diện giúp phần mô trở thành chương trình thử nghiệm cho người dùng tùy ý thay đổi thơng số trực tiếp ảnh hưởng đến động cơ, điều giúp người dùng cận dễ dàng công cụ hữu ích cho việc giảng dạy học tập 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt PGS TS Lý Vĩnh Đạt Ứng dụng máy tính mơ động đốt TP Hồ Chí Minh, NXB Đại Học Quốc Gia PGS TS Đỗ Văn Dũng Điện động & Điều khiển động TP Hồ Chí Minh, NXB Đại Học Quốc Gia Tiếng Anh Rolf Isermann Engine Modeling and Control John B Heywood Internal Combustion Engine Fundamentals MathWorks Matlab App Building Mathworks Stateflow-Getting Started Guide MathWorks Using Simulink and Stateflow in Automotive Applications John J Moskwa "Automotive Engine Modeling For Real Time Control" Lino Guzzella & Christopher H Onder Introduction to Modeling and Control of Internal Combustion Engine Systems Pushkaraj A Panse "Dynamic Modeling and Control of Port Fuel Injection Engines" Predrag Mrdja & Slobodan J Popovic "A method for quick estimation of engine moment of inertia based on an experimental analysis of transient working process" 10.Seyed Ali Jazayeri, Mohammad Sharifirad, Shahram Azadi "Development Mean Value Engine Model for SI Engine Simulation" 11 Elbert Hendricks & Spencer C Sorenson "Mean Value Modelling of Spark Ignition Engines" 12 Yiran Shi & Dingli Yu "Modified Volterra model-based non-linear model predictive control of IC engines with real-time simulations" 102 13 Yuh-Yih Wu, Bo-Chiuan Chen, Yaojung Shiao, Feng-Chi Hsieh "Engine Modeling With Inlet And Exhaust Wave Action For Real Time Control" 14.How Heoy Goek & Ali Bin Yusoff "Experimental Investigation of Performance and Emissions of a Sequential Port Injection Compresses Natural Gas Converted Engine" 103 ... yêu cầu Trong đó, với hỗ trợ cơng cụ Simulink Matlab việc mơ trình điều khiển động trở nên dễ dàng Và ? ?Ứng dụng Simulink-App Designer mô điều khiển động thiết kế giao diện? ?? đề tài mà nhóm chúng... Vehicle) Và đề tài chủ yếu trọng vào điều khiển tốc độ động để đáp ứng sạc cho H-Battery 1.3 Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu Với đề tài nội dung việc tính tốn, mô điều khiển hoạt động động với bước... lượng nhiên liệu vào động 39 4.4 Mô mô-men xoắn động Hình 4.9: Khối Simulink mơ mơ-men xoắn động Hình 4.9 thể mơ-men xoắn động hàm mô tả công thức (3.13) Để xác định mô- men động cơ, ta cần tính