Đặt vấn đề: Điều khiển động cơ xăng đánh lửa trực tiếp (SI) trong thời gian qua đã thu hút nhiều tác giả trong và ngoài nước nghiên cứu và đề cập trong tài liệu từ [13 - 71]. Ngày nay, các nghiên cứu về điều khiển tiết kiệm nhiên liệu cho động cơ xăng tập trung chính vào điều khiển tối ưu từng thành phần của động cơ như: tỷ lệ hòa khí nhiên liệu cung cấp đầu vào của động cơ, tối ưu góc đánh lửa hay thời điểm đánh lửa, tối ưu thời gian phun nhiên liệu,…trong khi các vấn đề điều khiển theo mô-men đầu ra của động cơ xăng chưa được quan tâm đúng mức. Để phân tích bài toán điều khiển cho động cơ xăng, việc phân tích một quá trình phi tuyến của thành phần con (đường ống nạp, ống xả, động học mô-men, đánh lửa, van biến thiên,…) bên trong cấu trúc của động cơ xăng dẫn đến các bài toán tối ưu cục bộ cho đối tượng, được nhiều công trình nghiên cứu, đề cập như: - Điều khiển tốc độ không tải được đề cập trong [19 - 31]: là điều khiển giữ cho động cơ ổn định tốc độ mà không ảnh hưởng bởi tác động của các nhiễu mô- men cản trên trục động cơ. - Điều khiển tối ưu tỷ lệ hòa khí được nghiên cứu trong [32 - 43]: bằng cách phân tích quá trình động học chất khí trên đường nạp của động cơ từ đó đưa ra luật điều khiển giữ cho tỷ lệ hòa khí ổn định khi động cơ hoạt động.
- Điều khiển tối ưu góc đánh lửa được đề cập trong [44 - 49]: là điều khiển thời điểm đánh lửa bằng cách phân tích chu kỳ nén của động cơ, với tín hiệu đo được là áp suất cực đại của quá trình nén từ đó đưa ra tín hiệu điều khiển đánh lửa đúng thời điểm sẽ làm tăng hiệu suất của động cơ. - Điều khiển thời gian phun nhiêu liệu được nghiên cứu trong [50 - 54]: là phương pháp tối ưu nhiêu liệu dựa vào động lực học của chất khí bên trong xi lanh và tốc độ của động cơ từ đó tính toán thời gian phun nhiên liệu phù hợp. - Điều khiển mô-men được nghiên cứu trong [55 - 70]: là điều khiển động cơ phải cung cấp mô-men xoắn cần thiết, nhiệm vụ quan trọng nhất của động cơ là 8 đáp ứng được mô-men xoắn yêu cầu thường được xác định bởi người lái xe, động học xe. Tổng quan các công trình nghiên cứu về điều khiển tiết kiệm nhiên liệu cho động cơ xăng trên thế giới Điều khiển tiết kiệm nhiên liệu cho động cơ xăng hình thành từ những năm 70 và đầu thập niên 80 của thế kỷ trước và từ đó có những phát triển đáng kể.
Đây là cách tiếp cận điều khiển mà chỉ sử dụng các phương pháp lập bản đồ map các chế độ hoạt động của động cơ thông qua các thí nghiệm, thử nghiệm từ đó đưa ra điểm làm việc, quy luật điều khiển phù hợp với từng chế độ hoạt động của động cơ làm thước đo đánh giá hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu [52]. Việc lập các bản đồ ba thành phần góc đánh lửa – mô-men tải – tốc độ động cơ, hoặc bản đồ ba thành phần tỷ lệ hòa khí nhiên liệu – thời điểm phun – tốc độ quay, bản đồ ba thành phần góc đánh lửa – thời điểm phun – tốc độ quay,… đã rất phổ biến trong hai thập niên này. Mặc dù hầu hết các quá trình của động cơ là quá trình phi tuyến, song đa số các kỹ thuật ứng dụng điều khiển tiết kiệm nhiên liệu được ứng dụng đều điều khiển theo chương trình logic có sẵn do phương pháp này dễ dàng triển khai hơn so với nghiên cứu quá trình phi tuyến, đa biến phức tạp của động cơ xăng. Tuy nhiên, phương pháp này rất tốn thời gian và cần rất nhiều thử nghiệm.
Hơn nữa, phương pháp này không xem xét sự hao mòn, sự lão hóa của động cơ, tính ổn định và bền vững của động cơ xăng. Để khắc phục các nhược điểm trên, trong khoảng thời gian hơn hai thập niên trước đây, các tác giả nghiên cứu áp dụng thuật toán điều khiển kinh điển và hiện đại như: PID, LQR, FLC, MPC, SMC,…để điều khiển động cơ xăng. Điều khiển tốc độ không tải ([19 - 31]) Với điểu khiển tốc độ không tải trong xe cơ giới, mục tiêu điều khiển là giữ cho động cơ hoạt động tại một tốc độ của động cơ mà không ảnh hưởng bởi các 9 nhiễu mô-men cản không sinh công chuyển động như: thời điểm chuyển cấp tốc độ, chế độ dừng xe, tải của máy phát điện thay đổi, tải của máy nén khí thay đổi. Trong tài liệu [25] đã đề xuất một mô hình tuyến tính bậc ba có trễ của động cơ xăng cho điều khiển tốc độ không tải với thuật toán điều khiển PID.
Tác giả sử dụng phản hồi đầu ra của hệ thống là tốc độ của mô hình động cơ với giá trị đặt tốc độ ban đầu, việc chỉnh định các tham số của bộ điều khiển PID sử dụng công cụ trong Matlab – Simulink. Trong tài liệu [29], nhóm tác giả đã đề cập đến phương pháp điều khiển mờ lai. Các tác giả này đã phân tích các thuật toán PID, FLC và điều khiển mờ lai từ đó thiết kế ba bộ điều khiển khác nhau cho điều khiển tốc độ không tải. Kết quả cho thấy phương pháp điều khiển mờ lai có tính ưu việt hơn khi sử dụng các thuật toán PID hoặc FLC.
Một nghiên cứu khác [30], đã đề cập đến mô hình phi tuyến đầy đủ của động cơ xăng, áp dụng thuật toán điều khiển tối ưu phản hồi đầu ra LQG để điều khiển tốc độ không tải của động cơ. Các đặc tính mô phỏng cho thấy tính ưu việt của điều khiển tối ưu LQG khi điều khiển tốc độ không tải của động cơ bám theo tốc độ đặt trong khi mô-men cản tác động vào động cơ biến đổi. Trong [28], đã đề xuất phương pháp điều khiển trượt SMC, tác giả đã đề cập đến mô hình động cơ có các tham số không rõ ràng gây ra do quá trình sản xuất động cơ hoặc sau thời gian động cơ được đưa vào sử dụng, từ đó áp dụng thuật toán điều khiển trượt SMC cho điều khiển tốc độ không tải. Kết quả cho thấy, khi mô-men tải tăng xuất hiện các sai số hệ thống động học giữa mô hình tính toán và mô hình thực, sai số đó được bộ điều khiển đo và ước lượng để điều khiển triệt tiêu sai lệch.
Tác giả của [21] đã đề xuất mô hình điều khiển thích nghi dự báo bằng phương pháp nhận dạng mô hình động cơ xăng. Tác giả, đã thiết kế bộ điều khiển dự báo với mô hình có hai tín hiệu đầu vào là góc mở ga và thời gian đánh lửa với điều kiện ràng buộc của chúng. Kết quả mô phỏng cho thấy lượng nhiên liệu giảm 6,5% khi xe chạy không tải, 4,5% khi xe di chuyển. Theo [22], các tác giả đã đề xuất điều khiển dự báo MPC dựa trên mô hình đầy đủ của đối tượng là động cơ 10 xăng với hai đầu vào điều khiển là lượng nhiên liệu, thời gian đánh lửa.
Nhóm tác giả đã xây dựng thuật toán điều khiển MPC và PID cho đối tượng, từ đó đánh giá kết quả và tính ổn định của hệ thống. Kết quả mô phỏng cho thấy điều khiển dự báo MPC cho đáp ứng tốc độ tốt hơn PID khi mô-men tải thay đổi. Trong tài liệu [23], [29], nhóm tác giả đã đề xuất một điều khiển dự báo MPC kết hợp với bù thích nghi cho mô hình đối tượng đầy đủ của động cơ xăng với đầu vào điều khiển là góc mở ga, phản hồi trạng thái là tốc độ và áp suất trên đường hút. Nhóm tác giả đã nghiên cứu và áp dụng hai thuật toán MPC và bù thích nghi dùng để bù lại các sai lệch gây ra bởi mô hình dự báo không chính xác, từ đó đưa ra cấu trúc điều khiển bám tốc độ đặt.
Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy hệ thống bám tốc độ đặt nhanh, nâng cao hiệu suất của động cơ. Một nghiên cứu khác [24], nhóm tác giả cũng đã đề xuất một điều khiển dự báo MPC, nhóm tác giả đã đề xuất một phương pháp dự báo mô hình bằng cách lấy mẫu liên tục và tuyến tính hóa từng đoạn của mô hình phi tuyến. Kết quả mô phỏng cho tốc độ đầu ra của động cơ bị ảnh hưởng ít hơn khi tải thay đổi so với phương pháp xấp xỉ mô hình cho điều khiển dự báo thông thường MPC. Trong tài liệu [31] nhóm tác giả đã áp dụng phương pháp dự báo mô hình động cơ xăng bằng thực nghiệm, từ đó xây dựng bộ điều khiển dự báo MPC cho đối tượng với điều kiện ràng buộc về tốc độ và tín hiệu điều khiển là góc mở ga.
Từ kết quả mô phỏng, điều khiển tốc độ bằng MPC cho thấy hệ thống có khả năng hội tụ nhanh hơn khi sử dụng bộ PID. Nhận xét, trong phương pháp điều khiển tốc độ không tải bằng các thuật toán khác nhau, các nghiên cứu đã có những kết quả khả quan cho nhiệm vụ giữ tốc độ không tải ổn định. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ hiệu quả trong trạng thái làm việc không tải của động cơ xăng như: khi xe ô tô dừng tạm thời hoặc quá trình chuyển đổi tỷ số truyền trong hộp số khi ly hợp ngắt,…chưa phản ánh tính toàn cục của quá trình động cơ xăng làm việc. Điều khiển tỷ lệ hòa khí nhiên liệu ([32 - 43]) 11 Với điều khiển tỷ lệ hòa khí nhiên liệu với không khí, mục tiêu điều khiển là giữ cho động cơ hoạt động ở mọi tốc độ, mô-men mà tỷ lệ hòa khí nhiên liệu luôn duy trì quanh giá trị AFR = 14.66 hay điều khiển hệ số dư lượng không khí λ = 1, việc duy trì các giá trị AFR hoặc λ trong suốt quá trình hoạt động là một thách thức lớn do sự thay đổi nhanh của lưu lượng nhiên liệu vào trong đường hút của động cơ.
Các tác giả trong [33], [35], [37], chỉ đề cập đến mô hình đối tượng là hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ là một hàm truyền bậc nhất có trễ với tín hiệu đầu ra là λ. Tác giả, đã sử dụng thuật toán PI cho động cơ 4 xi lanh và một bộ điều khiển PI ở vòng ngoài, kết quả cho thấy đặc tính ổn định λ khá tốt khi động cơ hoạt động. Nhóm tác giả trong [34], đã nghiên cứu mô hình đầy đủ quá trình động lực học chất khí bên trong cửa hút của động cơ xăng.