(Luận Án Tiến Sĩ) Nghiên Cứu Điều Khiển Bám Tối Ưu Mô-Men Cho Động Cơ Xăng Để Giảm Lượng Nhiên Liệu

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. PGS.TS. Lưu Kim Thành

2. PGS.TS. 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. PGS.TS. Lưu Kim Thành

2. PGS.TS. 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.TS. Lưu Kim Thành và

PGS.TS. 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

i

MỤC LỤC

Mở đầu 1

Chương 1. Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ xăng 8

1.1. Tổng quan các công trình nghiên cứu về điều khiển tiết kiệm nhiên liệu

cho động cơ xăng trên thế giới

9

1.2. Các công trình nghiên cứu trong nước về điều khiển tiết kiệm nhiên liệu

cho động cơ đốt trong

20

1.3. Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu về điều khiển tiết kiệm nhiên liệu

cho động cơ xăng và hướng nghiên cứu của luận án

21

1.4. Kết luận chương 1 24

Chương 2. Mô hình hóa và nhận dạng động cơ xăng 25

2.1. Chu trình công tác và mô hình hóa động cơ xăng 25

2.2. Lựa chọn tín hiệu vào-ra để điều khiển động cơ xăng 37

2.3. Mô phỏng động cơ xăng 40

2.4. Nhận dạng mô hình động cơ xăng 43

2.5. Kết luận chương 2 64

Chương 3. Điều khiển mô-men động cơ xăng bằng thuật toán điều

khiển bám tối ưu LQIT tự chỉnh

66

3.1. Điều khiển LQIT trong miền liên tục 66

3.2. Điều khiển LQIT trong miền gián đoạn 73

3.3. Quan sát trạng thái của đối tượng bằng bộ lọc Kalman 74

3.4. Tổng hợp bộ điều khiển LQIT với bộ lọc Kalman 81

ii

3.5. Đề xuất phương pháp mới điều khiển bám tối ưu LQIT tự chỉnh RHC 91

3.6. Kết luận chương 3 99

Chương 4. Thực nghiệm kiểm chứng chất lượng của thuật toán đã đề

xuất bằng phương pháp HIL 101

4.1. Phương pháp Hardware-In-The-Loop (HIL) 101

4.2. Thiết kế, cài đặt bộ điều khiển bám tối ưu LQIT trên Kit Arduino

Mega2560

103

4.3. 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

iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Ký

hiệu

Ý nghĩa Đơn vị Ký hiệu Ý nghĩa

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

e

J Mô-men quán tính của động cơ kg m^2 mac th,

Lưu lượng không khí lý

thuyết

kg/s

CM Hằng số mô-men

N m/

kg/s)

mac

Lưu lượng không khí thực

tế

kg/s

it t Thời gian trễ đánh lửa Ms mf

Lưu lượng nhiên liệu thực

tế

kg/s

st t Thời gian trễ phun Ms mf th,

Lưu lượng nhiên liệu lý

thuyết

kg/s

Tm Nhiệt độ buồng đốt

degK   /

s

A F Tỷ lệ hòa khí nhiên liệu

trong 1 giây

Ma Hệ số của van  Hệ số dư lượng không khí

R Hằng số chất khí J/mole

deg K

mfi

Lưu lượng nhiên liệu phun

vào xi lanh thực tế

kg/s

ma

Lưu lượng không khí kg/s mfc

Lưu lượng nhiên phun vao

xi lanh liệu lý thuyêt

kg/s

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

góc mở bướm  mở lớn nhất.

kg/s SI Hệ số số đánh lửa

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

c

r Tỷ số nén

iv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu Ý nghĩa Ký hiệu Ý nghĩa

AFR

air/fuel ratio (tỷ lệ hỗn hợp không

khí / nhiên liệu)

PD Proportional-Derivative

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

FI Fuel Injection

RCCI Reactivity Controlled Compression

Ignition

FLC Fuzzy Logic Control SI spark-ignition

HCCI

Homogeneous Charge

Compression Ignition

SIDI Spark Ignition Direct Injection

HIL Hardware in the loop SMC Sliding Mode Control

IMEP

Indicated Mean Effective

Pressure

ST spark ignition timing

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

v

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

(Nm)

85

Bảng 3.2 Lượng nhiên liệu tiêu thụ với giá trị mô-men cản là 20

(Nm)

86

Bảng 3.3 Lượng nhiên liệu tiêu thụ với giá trị mô-men cản là 30

(Nm)

86

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Tên hình Trang

Hình 1.1. Cấu trúc bộ điều khiển theo mô-men trên xe ô tô 15

Hình 1.2. Điều khiển hành trình trên các xe ô tô hiện đại 16

Hình 2.1. Đồ thị chu trình công tác của động cơ xăng 25

Hình 2.2. Mô hình động cơ xăng SI 26

Hình 2.3. Diễn biến quá trình nạp của động cơ xăng 27

Hình 2.4. Động học trên đường hút của động cơ xăng 27

Hình 2.5. Mô hình động học không khí trên đường ra khỏi học hút vào

động cơ 29

Hình 2.6. Mô hình động học không khí vào trong họng hút đi qua cánh

bướm ga 29

Hình 2.7. Mô hình động học đường hút 29

Hình 2.8. Hệ thống phun xăng - 1: Không khí nạp. 2:Cảm biến khí nạp

(cảm biến gió) 3: Bướm hỗn hợp . 4: Xappap nạp.5: Vòi phun.6: Tín

hiệu điều khiển phun.7: Bộ điều khiển phun xăng.8: Các tín hiệu cảm

biến vào bộ xử lý.9: Xăng từ bơm

30

Hình 2.9. Mô hình động học hệ thống phun nhiêu liệu 32

Hình 2.10. Diễn biến quá trình cháy giãn nở động cơ xăng trên đồ thị

công 33

Hình 2.11. Mô hình mô phỏng mô-men chỉ thị của động cơ xăng 34

Hình 2.12. Mô hình mô phỏng mô-men, tốc độ trên trục động cơ xăng 35

Hình 2.13. Mô hình mô phỏng Momen_2 của động cơ xăng 35

Hình 2.14. (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

trong Simulink

36

Hình 2.15. Mô hình động học phương dọc của xe ô tô 37

Hình 2.16. (a)- Lực tác động lên trục khuỷu hình thành mô-men quay

của động cơ xăng, (b)-Cấu trúc hệ thống điều khiển động cơ xăng 39

Hình 2.17. Tín hiệu vào/ra của động cơ xăng 39

Hình 2.18. Sơ đồ mô phỏng động cơ xăng trên Simulink 40

Hình 2.19. Kết quả mô phỏng hoạt động của động cơ xăng 41

Hình 2.20. Cấu trúc nhận dạng mô hình hệ thống 44

Hình 2.21. Các bước nhận dạng hệ thống 45

Hình 2.22. Các dạng tín hiệu mẫu vào thông dụng: (a) tín hiệu phân

bố Gausse, tín hiệu nhị phân ngẫu nhiên, (c) tín hiệu đa hài 45

Hình 2.23. Dự báo đáp ứng của hệ thống 48

Hình 2.24. Giao diện công cụ System Identification 53

Hình 2.25. Tập dữ liệu vào ra input =  , output = e 54

vii

Hình 2.26. Mô phỏng, thu thập dữ liệu và nhận dạng động cơ xăng 54

Hình 2.27. 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

là ngẫu nhiên

55

Hình 2.28. 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

là hình sin

56

Hình 2.29. 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

là dạng tam giác

56

Hình 2.30. Các điểm cực và zero của hệ thống 56

Hình 2.31. Kết quả đánh giá sự trùng hợp tốc độ đầu ra của mô hình

ARX và mô hình phi tuyến của động cơ khi tín hiệu α là ngẫu nhiên 58

Hình 2.32. Kết quả đánh giá sự trùng hợp mô-men đầu ra của mô hình

ARX và mô hình phi tuyến của động cơ khi tín hiệu α là hình sin 58

Hình 2.33. Kết quả đánh giá sự trùng hợp mô-men đầu ra của mô hình

ARX và mô hình phi tuyến của động cơ khi tín hiệu α là dạng tam giá 58

Hình 2.34. Các điểm cực và zero của hệ thống 59

Hình 2.35. Cấu trúc bộ ước lượng tham số   ˆ k cho động cơ xăng 62

Hình 2.36. Vectơ tham số   1 2 3 1 2 3

ˆ ˆ ˆ ˆ

ˆ ˆ ˆ

T

 k a a a b b b      của

động cơ xăng

63

Hình 2.37. Kết quả đánh giá sự trùng hợp tốc độ đầu ra của mô hình

ARX nhận dạng online và mô hình phi tuyến của động cơ khi tín hiệu α

là ngẫu nhiên

63

Hình 2.38. Kết quả đánh giá sự trùng hợp tốc độ đầu ra của mô hình

ARX nhận dạng online và mô hình phi tuyến của động cơ khi tín hiệu α

là hình sin

64

Hình 2.39. Kết quả đánh giá sự trùng hợp tốc độ đầu ra của mô hình

ARX nhận dạng online và mô hình phi tuyến của động cơ khi tín hiệu α

là hình tam giác

64

Hình 3.1. Mô hình tổng quát hệ thống tuyến tính 66

Hình 3.2. Cấu trúc bộ điều khiển tối ưu LQR 70

Hình 3.3. Cấu trúc bộ điều khiển bám tối ưu LQIT 72

Hình 3.4. Bộ lọc Kalman cho hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái 75

Hình 3.5. Động cơ xăng được quan sát trạng thái bằng bộ lọc Kalman

mở rộng 78

Hình 3.6. Hệ thống quan sát trạng thái bằng bộ lọc Kalman tuyến tính

với tín hiệu đo lường từ mô hình nhận dạng ARX trực tuyến theo thời

gian

79

Hình 3.7. Quan sát trạng thái theo mô hình nhận dạng trực truyến 79

viii

Hình 3.8. Mô phỏng quan sát trạng thái động cơ xăng bằng bộ lọc

Kalman tuyến tính với tín hiệu đo lường từ mô hình nhận dạng trực

tuyến theo thời gian

80

Hình 3.9. Dạng tín hiệu trạng thái quan sát được của đối tượng 81

Hình 3.10. Cấu trúc bộ điều khiển LQIT kết hợp với bộ lọc Kalman 81

Hình 3.11. (a) thuật toán xác định bộ điều khiển LQIT, (b) thuật toán

xác định bộ lọc Kalman tuyến tính 82

Hình 3.12. Mô hình điều khiển bám theo mô-men cho động cơ xăng với

(a)-bộ điều khiển LQIT kết hợp với quan sát Kalman, (b) với bộ điều

khiển PID

84

Hình 3.13. Các đặc tính khi sử dụng LQIT và PID với mô-men cản là

±10Nm 87

Hình 3.14. Các đặc tính khi sử dụng LQIT và PID với mô-men cản là

±20Nm 88

Hình 3.15. Các đặc tính của động cơ xăng khi mô-men cản và tốc độ

đặt thay đổi 89

Hình 3.16. Cấu trúc bộ điều khiển tự chỉnh dọc trục thời gian RHC 92

Hình 3.17. Cấu trúc bộ điều khiển bám tối ưu tích phân LQIT tự chỉnh 92

Hình 3.18. Lưu đồ thuật toán tính toán bộ điều khiển LQIT tự chỉnh

cho hệ rời rạc 93

Hình 3.19. Lưu đồ thuật toán tính toán bộ quan sát trạng thái Kalman

hệ rời rạc 94

Hình 3.20. Mô hình hệ thống điều khiển bám tốc độ đặt LQIT tự chỉnh 95

Hình 3.21. Các đặc tính của động cơ xăng khi áp dụng điều khiển

LQIT tự chỉnh 96

Hình 4.1. Các phương pháp mô phỏng thời gian thực 102

Hình 4.2. (a)-Cấu trúc lai mô phỏng thời gian thực, (b)-mô phỏng

Hardware-in-the-loop tạo mẫu điều khiển 102

Hình 4.3. Trình tự thiết kế và mô phỏng thời gian thực bằng máy tính

sử dụng kit Arduino 104

Hình 4.4. Kit Arduino Mega-2560 105

Hình 4.5. Thư viện Arduino IO Library trong Simulink 106

Hình 4.6. Cấu trúc mô phỏng HIL cho điều khiển bám mô-men động

cơ xăng, (a)-mô hình bộ điều khiển LQIT tự chỉnh, (b)-mô hình mô

phỏng động cơ xăng

108

Hình 4.7. Mô hình vật lý mô phỏng thời gian thực HIL cho bộ điều

khiển bám ổn định tốc độ đặt và mô-men cản bằng thuật toán LQIT tự

chỉnh

109

Hình 4.8. Sơ đồ Simulink-HIL cho động cơ xăng (Máy tính 1) 109

Hình 4.9. Sơ đồ Simulink-HIL cho bộ điều khiển LQIT (Máy tính 2) 110

ix

Hình 4.10. Thí nghiệm khi tốc độ đặt là hằng số, mô-men cản là sóng

vuông 110

Hình 4.11. Đặc tính tốc độ mô-men cản dạng sóng vuông 20Nm (a)-khi

sử dụng bộ điều khiển LQIT tự chỉnh, (b)-khi sử dụng bộ điều khiển

PID

111

Hình 4.12. Đặc tính góc mở bướm ga α của động cơ xăng mô-men cản

là sóng vuông 20Nm (a)-khi sử dụng bộ điều khiển LQIT tự chỉnh, (b)-

khi sử dụng PID

112

Hình 4.13. Đặc tính mô-men của động cơ xăng mô-men cản là sóng

vuông 20Nm (a)- khi sử dụng bộ điều khiển LQIT tự chỉnh, (b)-khi sử

dụng PID

112

Hình 4.14. Đặc tính tiêu thụ nhiên liệu của động cơ xăng khi tốc độ đặt

là hằng số và mô-men thay đổi dạng sóng vuông 113

Hình 4.15. Thí nghiệm khi tốc độ đặt và mô-men cản là dạng bậc

thang 113

Hình 4.16. Đặc tính tốc độ và mô-men cản thay đổi dạng bậc thang

(a)-khi sử dụng bộ điều khiển LQIT tự chỉnh, (b)-khi sử dụng bộ điều

khiển PID

114

Hình 4.17. Đặc tính góc mở bướm ga α của động cơ xăng khi tốc độ và

mô-men thay đổi dạng bậc thang (a)-sử dụng LQIT tự chỉnh, (b)-khi sử

dụng PID

115

Hình 4.18. Đặc tính mô-men của động cơ xăng khi tốc độ và mô-men

cản dạng bậc thang, (a)-khi sử dụng LQIT tự chỉnh, (b)-khi sử dụng

PID

115

Hình 4.19. Đặc tính tiêu thụ nhiên liệu của động cơ xăng khi tốc độ đặt

và mô-men thay đổi dạng bậc thang 116

1

MỞ ĐẦU

1. Giới thiệu

Đã có hơn 90 triệu chiếc xe hơi được sản xuất trên toàn Thế giới trong năm

2019, xe hơi sản xuất tăng 5% mỗi năm [95]. Sự phát triển của thị trường ô tô

mang lại nhiều khía cạnh tiêu cực cần được xem xét nghiêm túc của ngành công

nghiệp ô tô. Thứ nhất, động cơ xăng đã trở thành một trong những đối tượng gây ô

nhiễm lớn cho môi trường. Thứ hai, giá nhiên liệu tăng cao, buộc các nhà sản xuất

động cơ ứng dụng công nghệ mới cho phép ít gây ô nhiễm và hiệu quả.

a. Tình hình nghiên cứu trong nước

Mặc dù số lượng yêu cầu ô tô, xe máy ở Việt Nam và trên thế giới là lớn

không ngừng tăng về số lượng, song chỉ có một số các hãng sản xuất ô tô, xe máy

lớn trên thế giới có khả năng thiết kế và thi công bộ điều khiển kiểm soát nhiên

liệu điện tử EFI. Đây là một công việc đòi hỏi một hàm lượng chất xám cao và

phải thỏa mãn các tiêu chuẩn quốc tế về hàm lượng khí thải (chuẩn Châu Âu và

của Nhật Bản). Hiện nay, đa số các bản quyền thiết kế và thiết kế công nghệ phụ

thuộc vào một số hãng lớn trên thế giới, là sở hữu của các hãng này chứ không phổ

biến rộng rãi. Vì vậy, vấn đề này cũng được một số nhà khoa học trong nước tiếp

cận, nghiên cứu trong khoảng hơn một thập niên trở lại đây.

b. Tình hình nghiên cứu tại nước ngoài

Với mục tiêu giảm thiểu ô nhiễm khí thải cũng như bảo toàn các nguồn tài

nguyên thiên nhiên, tiết kiệm năng lượng trở thành một chủ đề mang tính toàn cầu.

Cùng với đó là sự nảy sinh nhu cầu đối với các loại phương tiện giao thông đặc

biệt là các xe ô tô thân thiện với môi trường, áp dụng các loại động cơ tiết kiệm

nhiên liệu, ít khí thải độc hại, các hãng xe thế giới như Honda, Toyota, Nissan,

GMC, Ford nỗ lực áp dụng các thành tự khoa học trong phát triển các loại động cơ

xăng sử dụng công nghệ tiên tiến để thay đổi kết cấu của động cơ: công nghệ phun