Nghiên cứu điều khiển bám tối ưu mô-men cho động cơ xăng để giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ - Luận án TS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM NCS. ĐÀO QUANG KHANH TÊN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BÁM TỐI ƯU MÔ-MEN CHO ĐỘNG CƠ XĂNG ĐỂ GIẢM LƯỢNG NHIÊN LIỆU TIÊU THỤ Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 Người hướng dẫn khoa học: 1. Trần Anh Dũng Hải Phòng - 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM NCS. ĐÀO QUANG KHANH TÊN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BÁM TỐI ƯU MÔ-MEN CHO ĐỘNG CƠ XĂNG ĐỂ GIẢM LƯỢNG NHIÊN LIỆU TIÊU THỤ.

Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 Người hướng dẫn khoa học: 1. Trần Anh Dũng Hải Phòng - 2020 LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Đào Quang Khanh Sinh ngày 21 tháng 01 năm 1981 Nghiên cứu sinh khóa 2014 – 2018, ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa – Trường Đại học Hàng hải Việt Nam. Hiện đang công tác tại Bộ môn Điện tự động Tàu thủy – Khoa Điện Điện tử - Trường Đại học Hàng hải Việt Nam. Xin cam đoan: Luận án “Nghiên cứu điều khiển bám tối ưu mô-men cho động xăng để giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ” do PGS.

Lưu Kim Thành và PGS. Trần Anh Dũng hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Nếu không đúng, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng khoa học và trước pháp luật.

Hải Phòng, ngày tháng năm 2020 Tác giả Đào Quang Khanh LỜI CẢM ƠN Trong quá trình làm luận án, tôi đã nhận được rất nhiều góp ý về chuyên môn cũng như sự ủng hộ về công tác tổ chức của thầy hướng dẫn, của các nhà khoa học, của các bạn đồng nghiệp. Tôi xin được gửi tới họ lời cảm ơn sâu sắc. Tôi xin bày tỏ sự cảm ơn sâu sắc đến các thầy hướng dẫn đã tâm huyết hướng dẫn tôi trong suốt thời gian qua. Tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, tập thể các nhà khoa học Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Trường Đại học Giao thông Vận tải, Viện Sau Đại Học, bộ môn Điện tự động Tàu thủy Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam, đã có những ý kiến đóng góp quý báu và các Phòng ban của Trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án.

Hải Phòng, ngày tháng năm 2020 Tác giả Đào Quang Khanh MỤC LỤC Mở đầu 1 Chương 1. Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ xăng 8 1. Tổng quan các công trình nghiên cứu về điều khiển tiết kiệm nhiên liệu 9 cho động cơ xăng trên thế giới 1. Các công trình nghiên cứu trong nước về điều khiển tiết kiệm nhiên liệu 20 cho động cơ đốt trong 1.

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 1. Kết luận chương 1 24 Chương 2. Mô hình hóa và nhận dạng động cơ xăng 25 2. Chu trình công tác và mô hình hóa động cơ xăng 25 2.

Lựa chọn tín hiệu vào-ra để điều khiển động cơ xăng 37 2. Mô phỏng động cơ xăng 40 2. Nhận dạng mô hình động cơ xăng 43 2. Kết luận chương 2 64 Chương 3.

Điều khiển mô-men động cơ xăng bằng thuật toán điều 66 khiển bám tối ưu LQIT tự chỉnh 3. Điều khiển LQIT trong miền liên tục 66 3. Điều khiển LQIT trong miền gián đoạn 73 3. Quan sát trạng thái của đối tượng bằng bộ lọc Kalman 74 3.

Tổng hợp bộ điều khiển LQIT với bộ lọc Kalman 81 i 3. Đề xuất phương pháp mới điều khiển bám tối ưu LQIT tự chỉnh RHC 91 3. Kết luận chương 3 99 Chương 4. Thực nghiệm kiểm chứng chất lượng của thuật toán đã đề 101 xuất bằng phương pháp HIL 4.

Phương pháp Hardware-In-The-Loop (HIL) 101 4. Thiết kế, cài đặt bộ điều khiển bám tối ưu LQIT trên Kit Arduino 103 Mega2560 4. Kết quả thực nghiệm 110 KẾT LUẬN 118 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO 121 PHỤ LỤC ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký Ý nghĩa Đơn vị Ký hiệu Ý nghĩa hiệu Vm Thể tích của đường hút m3 a Hệ số dư lượng không khí nhiên liệu thực tế Ve Thể tích buồng đốt m3 f Hệ số dư lượng không khí lý thuyết Je Mô-men quán tính của động cơ kg m^2 mac,th Lưu lượng không khí lý kg/s thuyết CM Hằng số mô-men N m/ mac Lưu lượng không khí thực kg/s kg/s) tế Ms mf Lưu lượng nhiên liệu thực kg/s tit Thời gian trễ đánh lửa tế Ms m f ,th Lưu lượng nhiên liệu lý kg/s tst Thời gian trễ phun thuyết Tm Nhiệt độ buồng đốt degK  A / F s Tỷ lệ hòa khí nhiên liệu trong 1 giây Ma Hệ số của van  Hệ số dư lượng không khí J/mole m fi Lưu lượng nhiên liệu phun kg/s R Hằng số chất khí deg K vào xi lanh thực tế ma Lưu lượng không khí kg/s m fc Lưu lượng nhiên phun vao kg/s xi lanh liệu lý thuyêt mai Lưu lượng khống khí vào kg/s  Tỷ lệ hòa khí nhiên liệu mao Lưu lượng không khí ra kg/s i Mô-men chỉ thị Nm mMAX Lưu lượng không khí lớn nhất, khi kg/s SI Hệ số số đánh lửa góc mở bướm  mở lớn nhất. Pm Áp suất trên đường hút Pa AFI Hệ số phun nhiên liệu Tf Thời gian phun nhiên liệu tối ưu sec f Mô-men cản ma sát Nm  Góc mở bướm ga deg e Mô-men trên trục động cơ Nm vol Hiệu suất khối c Mô-men cản từ tải Nm e Tốc độ động cơ xăng rad/s pa Áp suất cuối kỳ hút Pa C1 Hệ số thể tích rc Tỷ số nén iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa Ký hiệu Ý nghĩa air/fuel ratio (tỷ lệ hỗn hợp không PD Proportional-Derivative AFR khí / nhiên liệu) ARI Arrhenius integration PI Proportional-Integral BDC Bottom Dead Center PID Proportional-Integral-Derivative ECU Engine control unit PMEP Pumping mean effective pressure EFI Electric Fuel Injection PGM-FI Programmed Fuel Injection FB FeedBack VVT-i Variable valve Timing intelligent RCCI Reactivity Controlled Compression FI Fuel Injection Ignition FLC Fuzzy Logic Control SI spark-ignition Homogeneous Charge SIDI Spark Ignition Direct Injection HCCI Compression Ignition HIL Hardware in the loop SMC Sliding Mode Control Indicated Mean Effective ST spark ignition timing IMEP Pressure MAP mean air pressure SMC Sliding Mode Control MVEM mean value engine model STR Self Tuning Regulator MPC Model predictive control TC TurboCharged MEP mean effective pressure TDC Top Dead Center LQ Linear Quadratic RHC Receding horizon control LQR Linear–Quadratic Regulator LQG Linear–Quadratic–Gaussian LQIT Linear Quadratic Integral Tracking iv DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Tên bảng Trang Bảng 2.1 Các thông số khảo sát của động cơ xăng 40 Bảng 3.1 Lượng nhiên liệu tiêu thụ với giá trị mô-men cản là 10 85 (Nm) Bảng 3.2 Lượng nhiên liệu tiêu thụ với giá trị mô-men cản là 20 86 (Nm) Bảng 3.3 Lượng nhiên liệu tiêu thụ với giá trị mô-men cản là 30 86 (Nm) v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Tên hình Trang Hình 1.

Cấu trúc bộ điều khiển theo mô-men trên xe ô tô 15 Hình 1. Điều khiển hành trình trên các xe ô tô hiện đại 16 Hình 2. Đồ thị chu trình công tác của động cơ xăng 25 Hình 2. Mô hình động cơ xăng SI 26 Hình 2.

Diễn biến quá trình nạp của động cơ xăng 27 Hình 2. Động học trên đường hút của động cơ xăng 27 Hình 2. Mô hình động học không khí trên đường ra khỏi học hút vào 29 động cơ Hình 2. Mô hình động học không khí vào trong họng hút đi qua cánh 29 bướm ga Hình 2.

Mô hình động học đường hút 29 Hình 2. Hệ thống phun xăng - 1: Không khí nạp. 2:Cảm biến khí nạp (cảm biến gió) 3: Bướm hỗn hợp .6: Tín 30 hiệu điều khiển phun.7: Bộ điều khiển phun xăng.8: Các tín hiệu cảm biến vào bộ xử lý.9: Xăng từ bơm Hình 2. Mô hình động học hệ thống phun nhiêu liệu 32 Hình 2.

Diễn biến quá trình cháy giãn nở động cơ xăng trên đồ thị 33 công Hình 2. Mô hình mô phỏng mô-men chỉ thị của động cơ xăng 34 Hình 2. Mô hình mô phỏng mô-men, tốc độ trên trục động cơ xăng 35 Hình 2. Mô hình mô phỏng Momen_2 của động cơ xăng 35 Hình 2.

(a) -Mô hình mô phỏng thực hiện hệ phương trình (2.22), (b)-Mô hình mô phỏng động cơ xăng thực hiện bằng khối Subsystem 36 trong Simulink Hình 2. Mô hình động học phương dọc của xe ô tô 37 Hình 2. (a)- Lực tác động lên trục khuỷu hình thành mô-men quay 39 của động cơ xăng, (b)-Cấu trúc hệ thống điều khiển động cơ xăng Hình 2. Tín hiệu vào/ra của động cơ xăng 39 Hình 2.

Sơ đồ mô phỏng động cơ xăng trên Simulink 40 Hình 2. Kết quả mô phỏng hoạt động của động cơ xăng 41 Hình 2. Cấu trúc nhận dạng mô hình hệ thống 44 Hình 2. Các bước nhận dạng hệ thống 45 Hình 2.

Các dạng tín hiệu mẫu vào thông dụng: (a) tín hiệu phân 45 bố Gausse, tín hiệu nhị phân ngẫu nhiên, (c) tín hiệu đa hài Hình 2. Dự báo đáp ứng của hệ thống 48 Hình 2. Giao diện công cụ System Identification 53 Hình 2. Tập dữ liệu vào ra input =  , output = e 54 vi Hình 2.

Mô phỏng, thu thập dữ liệu và nhận dạng động cơ xăng 54 Hình 2. Kết quả đánh giá sự trùng hợp tốc độ và mô-men đầu ra của mô hình trạng thái và mô hình phi tuyến của động cơ khi tín hiệu α 55 là ngẫu nhiên Hình 2. Kết quả đánh giá sự trùng hợp tốc độ và mô-men đầu ra của mô hình trạng thái và mô hình phi tuyến của động cơ khi tín hiệu α 56 là hình sin Hình 2. Kết quả đánh giá sự trùng hợp tốc độ và mô-men đầu ra của mô hình trạng thái và mô hình phi tuyến của động cơ khi tín hiệu α 56 là dạng tam giác Hình 2.

Các điểm cực và zero của hệ thống 56 Hình 2. Kết quả đánh giá sự trùng hợp tốc độ đầu ra của mô hình 58 ARX và mô hình phi tuyến của động cơ khi tín hiệu α là ngẫu nhiên Hình 2. Kết quả đánh giá sự trùng hợp mô-men đầu ra của mô hình 58 ARX và mô hình phi tuyến của động cơ khi tín hiệu α là hình sin Hình 2. Kết quả đánh giá sự trùng hợp mô-men đầu ra của mô hình 58 ARX và mô hình phi tuyến của động cơ khi tín hiệu α là dạng tam giá Hình 2.