Phương pháp thiết kế bộ điều khiển bám tối ưu mô-men động cơ xăng giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ

Phưong pháp nghiên cứu

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 là động cơ xăng.

Những đóng góp mới của luận án cho lĩnh vực khoa học chuyên ngành Luận án đã xây dựng được phưong pháp luận để thiết kế bộ điều khiển bám

Quan sát trạng thái của đối tượng phi tuyến động cơ xăng bằng bộ lọc Kalman tuyến tính dọc trục thời gian với đầu vào/ra đo lường lấy từ mô hình nhận dạng ARX. Phưong pháp quan sát này khắc phục nhược điểm của bộ lọc Kalman mở rộng là phải biết rừ cỏc ma trận Jaccobi của mụ hỡnh toỏn phi tuyến của động cơ xăng.

Nội dung của luận án

SUMMARY OF DOCTORAL THESIS ON CONTROL ENGINEERING AND AUTOMATION BY THE PH.D CANDIDATE NAMED DAO QUANG KHANH TITLE: Research on the torque optimal tracking control for gasoline engines to reduce fuel consumption.

New contributions of the thesis to specialized scientific field

This research result has surmounted shortcomings of ordinary optimal control ___________methods and raised the better control quality (the ability to stabilize the speed of. torque placement and tracking of gasoline engines) than the methods of PID and LQIT; fuel consumption is reduced 4.16% in comparison with PID method. Observing the state of non-linear object of gasoline engines by Kalman linear filter with the measurement input/output taken from ARX identification model.

Scientific and practical significance of the thesis

This observation method has made good Kalman filter, i.e obviously identifying Jaccobi matrix of nonlinear mathematical model of gasoline engines.

Content of the thesis

Tổng quan các công trình nghiên cứu về điều khiển tiết kiệm nhiên liệu cho động cơ xăng trên thế giới. 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.

Điều khiển mô-men động cơ xăng bằng thuật toán điều khiển bám tôi ưu LQIT tự chỉnh 66

Các công trình nghiên cứu trong nước về điều khiển tiết kiệm nhiên liệu cho động cơ đốt trong.

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

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. Mô hình hóa và nhận dạng động cơ xăng: Trong nội dung này tác giả.

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,

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.

Mễ HèNH HểA VÀ NHẬN DẠNG ĐỘNG CƠ XĂNG Đặt vấn đề: Động cơ xăng là động cơ nhiệt, nhiệt lượng, áp suất do xăng

Chu trình công tác và mô hình hóa động cơ xăng

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,..). 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]. + Chế độ nghèo nhiên liệu (X>1): không khí được hút vào nhiều hơn lượng cần thiết cho quá trình cháy, làm hiệu suất động cơ tăng nhưng quá trình cháy bị kéo dài, gián đoạn, ảnh hưởng đến các chu kỳ tiếp theo chu kỳ cháy.

Quá trình cháy ở động cơ xăng được thể hiện trong hình 2.10 trên đồ thị công mở rộng cf- Thời điểm đánh lửa, ci- Thời điểm nhiên liệu bắt đầu cháy, z - Thời điểm áp suất cháy đạt giá trị cực đại , e c - Thời điểm kết thúc quá trình cháy , ội - Góc chậm cháy, o - Góc đánh lửa sớm. Diên biến quá trình cháy giãn nở động cơ xăng trên đồ thị công Trong động cơ xăng 4 kỳ, chỉ trong chu kỳ cháy tạo ra mô-men quay trên trục động cơ gọi là mô-men chỉ thị, quá trình nạp, xả và nén là không sinh công. (a) -Mô hình mô phỏng thực hiện hệ phương trình (2.22), (b)-Mô hình mô phỏng động cơ xăng thực hiện băng khôi Subsystem trong Simulink Trên cơ sở các mô hình con như đã khảo sát trên ta có mô hình hoàn chỉnh của động cơ xăng đánh lửa trực tiếp (a < 79,460) có các kết nối đầy đủ tổng hợp của ba mô hình con bên trong một hệ thống như hình 2.14.

Lựa chọn tín hiệu vào-ra để điều khiến động cơ xăng

Nhận xét: Từ (2.29), trong chế độ điều khiển hành trình có vận tốc cao (nếu bỏ qua độ biến dạng, độ trơn trượt của bánh xe) để xe chuyển động đều với vận tốc của không đổi thì phải giữ ổn định tốc độ quay của động cơ và tỷ số truyền itlà hằng số. Bài toán đặt ra là phải điều khiển ổn định tốc độ quay động cơ xăng, mô-men của động cơ xăng bám theo mô-men cản tác động vào động cơ. Mô-men có ích của động cơ xăng phụ thuộc vào mô-men chỉ thị Ti(2.16), trong khi, đó Ti bằng tích của lực đẩy Fị vào piston - thanh truyền - trục khủy với bán kính trục khuỷu r, nhiên liệu cháy và giãn nở tạo ra áp suất trong buồng đốt sinh ra lực đẩy Fi (hình 2.16a) làm trục khuỷu quay.

Trong nghiên cứu này tác giả chấp nhận các vòng điều khiển như: điều khiển góc đánh lửa, điều khiển phun nhiên liệu, cơ cấu chấp hành cho góc mở bướm ga trong động cơ xăng đã là những vòng điều khiển độc lập, hoàn chỉnh. (a)-Lực tác động lên trục khuỷu hình thành mô-men quay của động cơ xăng, (b)-Cấu trúc hệ thống điều khiến động cơ xăng. Trên cơ sở đó, tác giả lựa chọn tín hiệu đầu vào tác động tới động cơ xăng (hình 2.17): tín hiệu góc mở bướm ga a và các mô-men cản Tc, tín hiệu đầu ra của động cơ xăng là tốc độ quay (ũe, mô-men Tị và lượng nhiên liệu tiêu thụfĩ.

Mô phỏng động cơ xăng

---Mo-men cu dong co Ti Tong cac mo-men can Tf+Ti Luong nhien lieu. Nhận xét: Từ mô phỏng ta thấy, góc mở bướm ga a , mô-men cản từ bên ngoài Tc làm thay đổi tốc độ (ữe và mô-men Tị của động cơ xăng. Khi mô-men cản từ bên ngoài thay đổi, cần phải thay đổi góc mở bướm ga a để điều khiển mô-men của động cơ xăng Tị bám theo sự thay đổi của tổng mô-men cản Tf + Tc của động cơ xăng và duy trì tốc độ của động cơ &.

Kết quả của mô phỏng hình 2.18 là phương pháp điều khiển thủ công góc mở bướm ga a để giữ ổn định tốc độ của động cơ xăng khi mô-men cản thay đổi, thực tế chúng ta không thể thực hiện được bằng phương pháp này. Vì vậy, cần xây dựng một bộ tự động điều khiển (hình 2.16b-12) giữ ổn định tốc độ để mô-men của động cơ xăng bám theo các mô-men cản tác động vào động cơ và giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ. Phần tiếp theo của luận án là nghiên cứu nhận dạng mô hình toán động cơ xăng theo.

Nhận dạng mô hình động cơ xăng

* Chọn chu kỳ lấy mẫu: Lấy mẫu quá nhanh (chu kỳ lấy mẫu nhỏ) có thể dẫn đến các khó khăn khi ước lượng thông số bằng phương pháp số, mô hình không khớp ở miền tần số cao. - Mô hình hộp xám (Gray Box Model): Xây dựng mô hình tham số vật lý của hệ thống bằng cách dựa vào hiểu biết về quy luật vật lý bên trong của hệ thống, sau đó ước lượng tham số của mô hình dựa vào dữ liệu thực nghiệm. Tiêu chuẩn chọn bậc của mô hình tuyến tính theo thông số: Tiêu chuẩn sai số dự báo cuối cùng FPE, Tiêu chuẩn thông tin AIC, Tiêu chuẩn độ dài mô tả cực đại MDL.

Kỹ thuật đánh giá chéo có khuyết điểm là mất nhiều thời gian nhưng hiện nay vẫn là một trong những phương pháp được sử dụng phổ biến để chọn bậc của mô hình phi tuyến [87]. Để điều khiển động cơ xăng cần xác định mô hình của đối tượng, việc nhận dạng mô hình của đối tượng được tiến hành bằng việc thực nghiệm thu thập tín hiệu đầu vào-ra khi tác động vào mô hình qua tín hiệu input = a và đo tín hiệu ra output = ey. Việc ước lượng các tham số do Matlab thực hiện bằng phương pháp hồi quy, mô hình cần nhận dạng là động cơ xăng dạng phi tuyến như phương trình (2.22) nên ta chọn bậc của mô hình là bậc 3.