III. CÁC KHỐI TRONG MÔ HÌNH VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA MỖI KHỐI
3.5. Tải động cơ
Hình 3.16. Khối tải động cơ
Trong khối tải động cơ nhờ 2 hàm Step để đặt giá trị thay đổi của tải
Hình 3.18. Hình thiết lập tải động cơ
Khối động lực học động cơ
Hình 3.19. Khối động lực học
Khối động học của động cơ nhận 2 tín hiệu đầu vào đó là
Tải động cơ
Mômen xoắn của động cơ
Tính toán nhờ định luật II Newton ta cho ra qua chuyền động qua sẽ cho ra vận tốc góc của trục khuỷa cũng như tốc độ động cơ.
Hình 3.20. Khối mô phỏng tính toán động lực học
Hình 3.21. Khối đầu ra
Hình 2.22. Khối mô phỏng đầu ra của động cơ
Từ khối đầu ra chúng ta sẽ nhận được tốc độ thực tế của động cơ và đồ thị mô phỏng giữa tải động cơ và độ mở bướm ga nhờ tín hiệu đầu vào là số vòng quay trục khuỷu ta biến đổi từ rad/s sang vòng/phút.
IV.Đồ thị trong mô phỏng và giải thích
4.1. Đồ thị tải động cơ
Ở đây chúng ta mô phỏng tải động cơ trong 10 giây. Hai giây đầu tải động cơ là 25 (N.m). Ở giây thứ 2 sẽ giảm từ 25 (N.m) xuống 20 (N.m). Sau đó ổn định đến giây thứ 8 thì tăng lên từ 20 (N.m) lên 25 (N.m) và ổn định đến giây thứ 10.
4.2. Đồ thị tốc độ mong muốn
Tương tự như tải động cơ, ta mô phỏng tốc độ động cơ trong 10 giây. Tốc độ ban đầu của động cơ là 2000 (rpm). Sau đó, đến giây thứ 5 thì tăng lên 3000 (rpm) và ổn định đến
4.3. Đồ thị lưu lượng không khí trên đường ống nạp ( khối kỳ nạp)
Ở giây thứ 2 lưu lượng không khí trên đường ống nạp giảm xuống rồi ổn định do tải động cơ giảm từ 25 (N.m) xuống 20 (N.m).
Ở giây thứ 5 lưu lượng không khí trên đường ống nạp tăng vọt lên rồi ổn định do tốc độ mong muốn của động cơ tăng từ 2000 (rpm) lên 3000 (rpm).
Ở giây thứ 8 lưu lượng không khí trên đường ống nạp tăng lên rồi ổn định do tải động cơ tăng từ 20 (N.m) lên 25 (N.m).
Từ đồ thị ta nhận thấy, sự tăng lên và giảm xuống của lưu lượng không khí trên đường ống nạp đều có sự vượt lố do quán tính. Tuy nhiên sau đó đều được PI Controller điều chỉnh trở lại một cách ổn định.
Tương tự như đồ thị lưu lượng không khí trên đường ống nạp.
Ở giây thứ 2 lưu lượng khí nạp trên mỗi xy lanh giảm xuống rồi ổn định do tải động cơ giảm từ 25 (N.m) xuống 20 (N.m).
Ở giây thứ 5 lưu lượng khí nạp trên mỗi xy lanh tăng vọt lên rồi ổn định do tốc độ mong muốn của động cơ tăng từ 2000 (rpm) lên 3000 (rpm).
Ở giây thứ 8 lưu lượng khí nạp trên mỗi xy lanh tăng lên rồi ổn định do tải động cơ tăng từ 20 (N.m) lên 25 (N.m).
Từ đồ thị ta nhận thấy, sự tăng lên và giảm xuống của lưu lượng không khí trên mỗi xy lanh đều có sự vượt lố do quán tính. Tuy nhiên sau đó đều được PI Controller điều chỉnh trở lại một cách ổn định.
4.5. Đồ thị khối lượng khí nạp trong mỗi xy lanh
Tương tự như hai đồ thị lưu lượng không khí trên đường ống nạp và lưu lượng khí nạp trên mỗi xy lanh.
Ở giây thứ 2 khối lượng khí nạp trên mỗi xy lanh giảm xuống rồi ổn định do tải động cơ giảm từ 25 (N.m) xuống 20 (N.m).
Ở giây thứ 5 khối lượng khí nạp trên mỗi xy lanh tăng vọt lên rồi ổn định do tốc độ mong muốn của động cơ tăng từ 2000 (rpm) lên 3000 (rpm).
Ở giây thứ 8 khối lượng khí nạp trên mỗi xy lanh tăng lên rồi ổn định do tải động cơ tăng từ 20 (N.m) lên 25 (N.m).
Từ đồ thị ta nhận thấy, sự tăng lên và giảm xuống của khối lượng khí nạp trên mỗi xy lanh đều có sự vượt lố do quán tính. Tuy nhiên sau đó đều được PI Controller điều chỉnh trở lại một cách ổn định.
4.6. Đồ thị moment xoắn của động cơ
Hai giây đầu moment xoắn của động cơ là 25 (N.m) ứng với tải động cơ lúc này là 25 (N.m).
Sau đó đến giây thứ 2 thì giảm xuống do tải động cơ giảm từ 25 (N.m) xuống 20 (N.m). Đồng thời PI Controller sẽ điều chỉnh moment ổn định đến giây thứ 5.
Đến giây thứ 5 thì moment tăng vọt lên do lúc này tốc độ động cơ mong muốn tăng từ 2000 (rpm) lên 3000 (rpm). Tương tự, PI Controller cũng sẽ điều chỉnh ổn định về giá trị 20 (N.m) đến giây thứ 8.
Ở giây thứ 8 thì moment tiếp tục tăng lên do tải động cơ tăng từ 20 (N.m) lên 25 (N.m) và ổn định đến giây thứ 10 đạt giá trị 25 (N.m).
Từ đồ thị ta nhận thấy, sự tăng lên và giảm xuống của moment xoắn động cơ đều có sự vượt lố do quán tính. Tuy nhiên sau đó đều được PI Controller điều chỉnh trở lại một cách ổn định.
4.7. Đồ thị kết hợp tốc độ mong muốn và tốc độ thực tế
Theo như đồ thị tốc độ mong muốn mà chúng ta có ban đầu thì ở 5 giây đầu tốc độ động cơ là 2000 (rpm), 5 giây sau tốc độ động cơ là 3000 (rpm).
Tuy nhiên khi nhìn vào đồ thị tốc độ thực tế của động cơ thì ta nhận thấy được:
Ở giây thứ 2 thì tốc độ động cơ tăng lên do tải động cơ giảm từ 25 (N.m) xuống 20 (N.m), nhưng nhờ bộ PI Controller nhận ra và điều khiển giúp giảm tốc độ xuống tiệm cận với giá trị 2000 (rpm) nhất có thể vì đây là tốc độ mong muốn.
Đến giây thứ 5 thì tốc độ động cơ tăng vọt lên vì lúc này chúng ta muốn tăng tốc lên 3000 (rpm).
Ở giây số 8, có sự sụt giảm tốc độ động cơ do từ giây 8 tải động cơ tăng từ 20 (N.m) lên 25 (N.m), qua đó bộ PI Controller nhận biết và điều khiển giúp tốc độ động cơ tiệm cận với giá trị 3000 (rpm) nhất có thể vì đây là tốc độ mong muốn.
Sự tăng lên và giảm xuống của tốc độ động cơ đều có sự vượt lố do quán tính. Tuy nhiên sau đó đều được PI Controller điều chỉnh trở lại một cách ổn định và đồng thời cũng sinh ra sự trễ thời gian khi tăng hoặc giảm tốc.
4.8. Đồ thị độ mở bướm ga
Ở 2 giây đầu độ mở bướm ga không thay đổi do tải động cơ và tốc độ động cơ mong muốn không đổi.
Đến giây thứ 2 độ mở bướm ga giảm do tải động cơ giảm từ 25 (N.m) xuống 20 (N.m), nhờ bộ PI controller nhận ra và điều khiển giúp độ mở ổn định.
Đến giây thứ 5 độ mở tăng vọt lên do tốc độ mong muốn tăng từ 2000 (rpm) lên 3000 (rpm) và sau đó ổn định trở lại nhờ vào PI Controller.
Đến giây thứ 8 độ mở bướm ga tăng do tải động cơ tăng từ 20 (N.m) lên 25 (N.m) sau đó ổn định trở lại nhờ vào PI Controller.
Sự tăng lên và giảm xuống của độ mở bướm ga đều có sự vượt lố do quán tính. Tuy nhiên đều được PI Controller điều chỉnh trở lại một cách ổn định, đồng thời cũng sinh ra sự trễ thời gian nhất định.
V.Thay đổi thông số đầu vào và nhận xét.
5.1. Thay đổi hàm đầu vào
Ở phần mô phỏng này thì chúng ta sẽ thay đổi một số hàm đầu vào cũng như là một số giá trị cụ thể ở hàm đầu vào.
Hàm đầu vào ban đầu sử dụng hàm Step 5 giây đầu và 5 giây sau: 5 giây đầu (chạy 2000 vòng/phút), 5 giây sau (3000 vòng/phút). Bây giờ thay đổi tốc độ ban đầu thành chạy ở 3000 v/p thì kết quả là một số điểm vọt lố xuất hiện ở giây thứ 2 và giây thứ 8. Sự đáp ứng trễ của bộ PI Controller mất khoảng 0.8 - 0.9 giây để đạt được tốc độ 3000 vòng/phút.
5.2. Thay đổi góc đánh lửa sớm
Từ đồ thị ta thấy tốc độ động cơ có sự vọt lố và trễ khi thay đổi góc đánh lửa sớm lần lượt từ 0, 5, 10, 15, 20 độ.
Nhìn chung, việc thay đổi góc đánh lửa sớm từ 0 - 20 độ không ảnh quá nhiều tốc độ động cơ mà nó chỉ ảnh hưởng tại thời điểm ban đầu của việc điều khiển.
Ta nhận thấy góc đánh lửa càng nhỏ thì thời điểm ban đầu không đủ moment khởi động động cơ đạt được giá trị mong muốn. Tuy nhiên, PI-Controller sẽ khắc phục được điều này.
5.3. Thay đổi tỉ lệ hòa khí
Trên đồ thị đường màu xanh biểu thị cho tốc độ của động cơ có tỉ lệ hòa khí là 1/14.6 và đường màu đỏ biểu thị cho tốc độ của động cơ có tỉ lệ hòa khí là 1/18.
Ở những giây đầu tiên với tỷ lệ hòa trộn sau khi thay đổi sẽ không đảm bảo cho động cơ chạy 2000 vòng/phút mà chỉ ở khoảng 1600 - 1800 vòng/phút. Từ giây thứ 2 đến giây thứ 3, tốc độ động cơ xảy ra sự tăng vọt. Nhưng nhờ có PI-Controller, tốc độ động cơ sẽ được điều chỉnh gần về 2000 vòng/phút.
Từ giây thứ 5 trở đi, tài xế đạp ga để tăng tốc độ động cơ lên 3000 vòng/phút, nhìn vào đồ thị ta thấy sau khi thay đổi tỷ lệ hòa khí A/F thành 1/18, tốc độ động cơ tăng từ 2000 vòng/phút lên 3000 vòng/phút mất nhiều thời gian hơn so với ban đầu. Đồng thời từ giây thứ 6 đến giây thứ 8, tốc độ động cơ có sự vọt lố.
5.4. Thay đổi tải trọng xe
Từ đồ thị ta thấy, ở 2 giây đầu: tải trọng 20 N.m, từ giây thứ 2 đến giây thứ 8: tải trọng tăng lên 25 N.m, từ giây thứ 8 đến giây thứ 10: tải trọng giảm xuống trở lại 20 Nm.
Sự trễ thay đổi không đáng kể, những giây đầu do tải động cơ nhẹ nên tốc độ động cơ cao và lớn hơn 2000 vòng/phút. Bắt đầu từ giây thứ 2 tải động cơ tăng lên đột ngột nên tốc độ động cơ bị giảm và nhỏ hơn 2000 vòng/phút. Hiện tượng này cũng lặp lại tương tự từ giây thứ 8 trở đi. Như vậy, tải thay đổi đột ngột sẽ làm cho tốc độ động cơ thay đổi, bộ điều khiển PI-Controller sẽ phát hiện và điều chỉnh tốc độ ổn định trở lại.
VI. Kết luận và nhận xét
Kết luận:
Mô hình hóa động cơ thông qua các khối tính toán mô phỏng trong mathlab/Simulink bao gồm:
Tạo khối mô phỏng
Xây dựng và thiết lập thông số mô phỏng động cơ
Tính toán và mô phỏng hoạt động của các khối
Tạo các khối mô phỏng các quy trình hoạt động của động cơ từ kì nạp, nén nổ và xả. Trong đó có các công thức tính toán và cổng tiếp nhận thông tin từ các cảm biến ( tốc độ động cơ xe, góc mở bướm ga…)
Các thông số được xây dựng và thiết lập dựa trên động cơ thực tế, sau đó tính toán đưa ra các đồ thị thể hiện cách hoạt động và sự thay đổi của lưu lượng khí nạp, tải động cơ, khối lượng nhiên liệu và khối lượng không khí nạp vào mỗi xi lanh thay đổi theo tốc độ, thời gian hoạt động.
Và cách mà hệ thống PI control hoạt động điều chỉnh sự vọt lố của động cơ do quán tính, thông qua độ lợi tỷ lệ, và độ lợi vi phân điều chỉnh độ vọt lố, vì khi ta dừng động cơ thì bánh xe dừng ( tốc độ bánh xe bằng không), nhưng thực tế do quán tính sẽ khiến xe chuyển động theo quán tính và di chuyển một đoạn nữa, mặc dù tốc độ bánh xe bằng không nhưng xe vẫn chuyển động và mất ổn định, cũng giống như vậy các tín hiệu dạng xung khi ngắt đột ngột cũng bị như vậy, nên cần một hệ thống điều chỉnh sự overshot này để động cơ hoạt động êm dịu và không bị lệch hoặc lỗi. Và hệ thống PI control đã điều chỉnh nó thông qua tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ và tích phân sai lệch theo thời gian lấy mẫu để đưa tín hiệu về vùng sai lệch nhỏ nhất. Tất cả được thể hiện rõ qua các biểu đồ mà nhóm đã trình bày ở trên.
Nhận xét:
Khi các giá trị đầu vào ( thông số đầu vào như góc mở bướm ga, tốc độ động cơ,..) thay đổi làm cho tín hiệu động cơ bị thay đổi đột ngột dẫn đến sự vọt lố (overshot), lập tức khối PI control sẽ điều chỉnh và đưa động cơ về trạng thái hoạt động bình thường. ( tuy nhiên vẫn có độ trễ hoặc vùng dao động vẫn có nhưng nhỏ).
Mô hình đã đạt tốt yêu cầu thử nghiệm mô phỏng động cơ thông qua các khối tính toán, từ đó thể hiện các điều chỉnh và thay đổi của động cơ và giải thích được các hiện
tương xảy ra tern động cơ khi mà ta thay đổi đột ngột một giá trị nào đó ( ví dụ như leo dốc, tải nặng hay tang tốc, phanh đột ngột).
VII. Tài liệu tham khảo
[1]https://www.electronicshub.org/pid-controller-working-and-tuning- methods/ [2]https://www.mathworks.com/help/simulink/slref/engine-timing- model-with-closed-loop- control.html;jsessionid=1fea06bb2ad2f866e5757d80fed1 [3]https://www.youtube.com/watch? v=RgV4x5dVbKc&fbclid=IwAR2gfzgZnKj4ng3UksXtQa_NABhY5cEMcFh_WLlCc cY7w0ArVvtwtN8-EGo