NGHIÊN CỨU, MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN CẢM BẰNG MATLAB SIMULINK

Bộ Giáo Dục và Đào Tạo
ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM
Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao

Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU, MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG
HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN CẢM BẰNG
MATLAB SIMULINK
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:
SINH VIÊN THỰC HIỆN:
I. Nội dung:
• Lý thuyết Matlab Simulink, xử lý hình ảnh – biểu đồ trên Matlab
• Lý thuyết hệ thống điện cảm
• Lý thuyết mô phỏng mô hình toán học và mô hình hóa
• Lý thuyết về điều khiển tự động
• Phương pháp chuyển đổi từ các phương trình vi phân của hệ thống thành
các hàm truyền để mô phỏng trong phần mềm Matlab Simulink.
• Biên soạn thuyết minh
II. Trình bày:
01 cuốn thuyết minh đề tài
01 poster Nghiên cứu khoa học
III. Thời gian thực hiện:
1. Ngày bắt đầu:
2. Ngày hoàn thành:

Tp Hồ Chí Minh, ngày……, tháng……, năm 2020

TRƯỞNG BỘ MÔN

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
Tp Hồ Chí Minh, ngày……, tháng……, năm 2020

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

2


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
Tp Hồ Chí Minh, ngày……, tháng……, năm 2020
GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

3


LỜI CẢM ƠN
Trải qua 4 năm học tập và rèn luyện tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật
Thành phố Hồ Chí Minh, được sự chỉ bảo và giảng dạy nhiệt tình của quý thầy cô,
đặc biệt là quý thầy cô khoa Cơ Khí Động Lực và khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao,
đã chỉ dạy cho chúng em cả về đạo đức, cách sống lẫn các kiến thức lý thuyết
chuyên môn và kiến thức thực tế để chúng em có thể áp dụng vào công việc và cuộc
sống sau khi tốt nghiệp.
Trong quá trình học tập tại trường , chúng em đã có cơ hội tiếp thu những kiến
thức chuyên môn về lập trình và mô phỏng, đó là nền tảng giúp chúng em hoàn
thành đề tài này.Trong quá trình thực hiện đồ án, ngoài sự nổ lực làm việc của bản
thân, chúng em đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình từ phía gia đình, thầy cô và tập
thể bạn bè. Từ những kết quả đã đạt được, chúng em xin chân thành cám ơn:
- Quý thầy cô khoa Cơ Khí Động Lực và khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao đã
truyền đạt những kiến thức chuyên môn bổ ích qua các môn học trong suốt thời
gian qua. Và đặc biệt chúng em xin gửi lời cảm ơn tới Thầy Phan Nguyễn Quí Tâm
đã tận tình giúp đỡ, luôn theo sát nhóm, trực tiếp chỉ bảo và quan tâm hướng dẫn
chúng em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp, giúp chúng em hoàn thành báo
cáo đúng thời hạn.
- Ban Giám Hiệu nhà trường đã tạo mọi điều kiện tốt nhất từ cơ sở vật chất đến
chất lượng giảng dạy để chúng em có được môi trường học tập tốt nhất.
- Thầy trưởng ngành đã luôn quan tâm, theo sát và giúp đỡ sinh viên ngành
CNKT Ô Tô và trực tiếp ủng hộ chúng em thực hiện đề tài này.
- Tập thể lớp luôn đoàn kết và dành cho chúng em những tình cảm yêu thương,
động viên và khích lệ chúng em trong những thời điểm khó khăn của 4 năm Đại
học.
Đề tài nghiên cứu đã đạt được một số kết quả nhất định, tuy nhiên do kiến thức

còn hạn hẹp, thời gian còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất
mong nhận được sự đóng góp của quý thầy cô, các anh chị đi trước và các bạn để
báo cáo được hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cám ơn.
Nhóm sinh viên thực hiện đề tài:

4


TÓM TẮT
Nội dung chính của luận văn này là thực hiện nghiên cứu hệ thống năng luợng
điện cảm, mô hình hóa và mô phỏng năng luợng điện cảm trên bobine, kim phun,
relay và solenoid. Sau đó đánh giá kết quả đạt được dựa trên kết quả thực nghiệm
trên xe Toyota Innova 2007. Luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu và mô hình hóa
năng luợng điện cảm trên bobine của hệ thống đánh lửa.
Nội dung của luận văn sẽ đi theo trình tự: từ mô hình của hệ thống đánh lửa thực
tế trên xe mô hình hóa thành mô hình đơn giản để thuận tiện cho việc tính toán và
nghiên cứu, mô hình toán học thành các phương trình vi phân bằng định luật
Kirchoff và các phép biến đổi Laplace, lập giao diện liên kết giữa mô phỏng và
giao điện để người dùng có thể sử dụng để mô phỏng một cách dễ dàng.
Kết quả mô phỏng cho ta một giao diện có thể xuất ra các đồ thị miêu tả hệ
thống năng lượng điện cảm và các thông số đầu ra. Phần mềm dùng để mô phỏng
trong luận văn này là Matlab/Simulink và phần mềm thiết kế giao diện là
Matlab/Gui (Graphical User Interface).

5


ABSTRACT
The main content of this thesis is research about self-induced energy , modeling

and simulation of self-induced energy on bobine and injector. Then, assess of the
achieved results based on experiment results on Toyota Innova 2007. This thesis
will focus on researching and modeling the self-induced energy on ignition system.
The content of the thesis will follow the sequence: from the actual igintion
system model car modeled into a simple model to calculate and research,
mathematical model into differential equations by Kirchhoff’s circuit laws and
Laplace transforms, create the interface link between the simulation and the
interface to help user who can simulate easily.
The simulation results show that a simulation interface can output graphs
describing the self-induced energy system and outpt parameters. The software for
conducting simulation in this thesis is Matlab/Simulink and Matlab/Gui (Graphical
User Interface) to design the interface.

6


MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH ẢNH

7


Chương 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1. Đặt vấn đề
Hiện nay, khi nền công nghiệp ô tô ngày càng phát triển, một
chiếc xe ô tô đòi hỏi phải đáp ứng nhiều yêu cầu của người sử
dụng như là kiểu dáng thiết kế, công suất, tính năng an toàn và
tiện nghi ngoài ra tính tiết kiệm nhiên liệu và thân thiện với môi

trường cũng được coi là một mối quan tâm hàng đầu. Để giải quyết
vấn đề này, bên cạnh việc cải tiến các hệ thống cũ trên xe ô tô,
tận dụng những nguồn năng lượng hao phí để tái sử dụng cho
nhiều mục đích khác nhau cũng là một xu hướng mới, một trong
những thành công nổi bật trong xu hướng này là phanh tái sinh
trên xe Hybrid, hệ thống i-Loop của Mazda,…
Trong quá trình tìm hiểu về hệ thống điện ô tô, nhóm làm đề tài
nhận thấy trên hệ thống đánh lửa điện cảm, khi transistor công
suất ngắt, cuộn sơ cấp bobine sẽ sinh ra một sức điện động
khoảng 100-500V. Sức điện động tự cảm này gây hư hỏng các thiết
bị đóng ngắt, ảnh hưởng đến quá trình tăng trưởng dòng sơ cấp và
gây nhiễu đến các thiết bị khác trên xe.
Gần đây cũng có những công trình nghiên cứu về phương pháp
thu hồi năng lượng điện cảm nhằm tái sử dụng nguồn năng lượng
này cho những chu kỳ đánh lửa tiếp theo hoặc sử dụng cho những
mục đích khác trên xe. Đánh giá kết quả bước đầu khả năng tiết
kiệm được năng lượng đánh lửa cũng như cải thiện chất lượng tia
lửa điện ở mỗi chu kỳ.
Qua thời gian tìm hiểu nhóm quyết định chọn và hoàn thiện ý
tưởng thu hồi năng lượng điện cảm để tái sử dụng. Vì vậy chúng
tôi đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu, mô hình hóa và mô
phỏng hệ thống năng lượng điện cảm bằng Matlab
Simulink”
1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
1.2.1. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu:

8

-

Nghiên cứu quá trình hình thành và tồn tại các sức điện động
tự cảm.
Đánh giá độ ổn định trong các quá trình.
Đánh giá khả năng thu hồi điện cảm

1.2.2. Nhiệm vụ nghiên cứu
Nhiệm vụ nghiên cứu trong đề tài này là:
-

Tìm hiểu lý thuyết hệ thống điện ô tô
Tìm hiểu lý thuyết Matlab Simulink, xử lý hình ảnh – biểu đồ
trên Matlab
Tìm hiểu lý thuyết hệ thống điện cảm
Tìm hiểu lý thuyết mô hình hóa và mô phỏng số
Tìm hiểu lý thuyết về điều khiển tự động
Tìm hiểu phương pháp chuyển đổi từ các phương trình vi phân
của hệ thống thành các hàm truyền để mô phỏng trong phần
mềm Matlab Simulink.

1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điện trên ô tô.
Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu về năng lượng điện cảm trên
bobine, kim phun, relay, solenoid,…
1.4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết
- Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng
- Phương pháp lập giao diện
- Phương pháp phân tích và tổng kết

1.5. Các nghiên cứu về năng lượng điện cảm trong và ngoài nước
1.5.1. Các nghiên cứu trong nước
Bài báo “ Nghiên cứu, thi công hệ thống tích lũy năng lượng điện
dạng cảm kháng trên hệ thống điện ô tô” của nhóm tác giả Phan
Nguyễn Quí Tâm, Đỗ Văn Dũng, Đỗ Quốc Ấm, Nguyễn Bá Hải đăng
trên tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật số 32. Nhóm tác giả đã
thiết kế, thi công thiết bị thu hồi năng lượng tự cảm, thiết bị điều
khiển và lưu trữ năng lượng tái sinh vào siêu tụ điện.
Bài báo “Tính toán sức điện động tự cảm trên hệ thống đánh lửa
lai” của nhóm tác giả Đỗ Quốc Ấm, Đỗ Văn Dũng, Phan Nguyễn

9


Quí Tâm, Lê Khánh Tân đăng ở tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật
số 32. Từ các thông số của hệ thống đánh lửa tác giả đã mô phỏng
được sự tăng trưởng của dòng điện sơ cấp và sức điện động tự cảm
tạo ra từ cuộn sơ cấp của bô bin.
Bài báo “Ảnh hưởng của các thông số R, L, C đến khả năng tích
lũy năng lượng tự cảm trên hệ thống đánh lửa hybrid” của nhóm
tác giả Đỗ Văn Dũng, Đỗ Quốc Ấm, Nguyễn Tấn Ngọc. Bài báo xem
xét sự ảnh hưởng của các thông số điện trở, điện dung và độ tự
cảm đến năng lượng tích lũy trên hệ thống đánh lửa Hybrid. Các
kết quả mô phỏng và thực nghiệm xác định sự ảnh hưởng của các
thông số trên đến năng lượng tích lũy, đồng thời là căn cứ để hiệu
chỉnh phương trình sức điện động tự cảm và cường độ dòng sơ
cấp.
1.5.2. Các nghiên cứu ngoài nước
Nghiên cứu về “Electromagnetic Induction, AC Circuits, and Electrical
Technologies ” trong sách College Physics của nhóm tác giả OSCRice University

để tính độ tự cảm của một cuộn cảm, tính năng lượng được lưu trữ trong cuộn cảm,
tính toán sức điện động được tạo ra trong một cuộn cảm.
Nghiên cứu về “Energy Stored in a Magnetic Field” từ trang web “Lumen
Learning” để mô tả ảnh hưởng của một cuộn cảm khi dòng điện thay đổi và biểu thị
năng lượng được lưu trữ trong từ trường dưới dạng phương trình.

10


Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Khái quát về hệ thống năng lượng điện cảm
Cuộn cảm (cuộn dây) là một loại linh kiện điện tử thụ động tạo
từ một dây dẫn điện với các vòng quấn, sinh ra từ trường khi có
dòng điện chạy qua. Nếu dòng điện qua cuộn cảm thay đổi, sự
thay đổi của từ thông tỷ lệ thuận với tốc độ thay đổi dòng điện
theo một yếu tố gọi là độ tự cảm L đo bằng đơn vị Henry (H). Cuộn
cảm có nhiều công dụng khác nhau nên đây là một trong những
thành phần chính trong hệ thống điện và điện tử trên ôtô.
Các đại lượng đặc trưng của cuộn cảm:
• Hệ số tự cảm: là đại lượng đặc trưng cho sức điện động cảm ứng của cuộn
dây khi có dòng điện biến thiên chạy qua.
• Cảm kháng: là một trong những đại lượng đặc trưng cho sự cản trở dòng
điện của cuộn dây đối với dòng điện xoay chiều.
• Điện trở thuần của cuộn dây: là điện trở hao tổn do sinh ra nhiệt trong quá
trình hoạt động làm cho cuộn dây nóng lên.
Khi dòng điện thay đổi nhanh chóng, một điện áp (sức điện động) được tạo ra
trong dây dẫn chống lại sự thay đổi của dòng điện, cũng tỷ lệ thuận với sự thay đổi
của từ thông.
Trên ô tô các thiết bị điện có sử dụng cuộn cảm tạo ra nguồn năng lượng điện
cảm là bobine, kim phun, relay và solenoid….

2.1.1. Tổng quan bobine
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động bobine đánh lửa:

11


Bobine là chi tiết hoạt động như một biến thế. Điện thế cao được
sinh ra do cảm ứng giữa hai cuộn dây. Một cuộn có ít vòng được
gọi là cuộn sơ cấp, cuốn xung quanh cuộn sơ cấp nhưng nhiều
vòng hơn là cuộn thứ cấp. Cuộn thứ cấp có số vòng lớn gấp hàng
trăm lần cuộn sơ cấp.
Dòng điện từ nguồn điện chạy qua cuộn sơ cấp của bobine, đột
ngột dòng điện bị ngắt đi tại thời điểm đánh lửa. Khi dòng điện ở
cuộn sơ cấp bị ngắt đi, từ trường do cuộn sơ cấp sinh ra giảm đột
ngột. Theo nguyên tắc cảm ứng điện từ, cuộn thứ cấp sinh ra một
dòng điện để chống lại sự thay đổi từ trường đó. Do số vòng của
cuộn thứ cấp lớn gấp rất nhiều lần số vòng dây cuộn sơ cấp nên
dòng điện ở cuộn thứ cấp có điện áp rất lớn (có thể đến 100.000
V).

Hình 2.1: Cấu tạo Bobine đánh lửa

12


Hình 2.2: Bobine trong sơ đồ nguyên lý mạch đánh lửa
Nguyên lý hình thành sức điện động tự cảm:
Khi Transistor T dẫn, trong mạch sơ cấp sẽ có dòng điện i1 từ
accu đến điện trở phụ Rf, rồi qua L1, đến T rồi về mass. Dòng điện
i1 tăng từ từ do sức điện động tự cảm sinh ra trên cuộn sơ cấp L1

chống lại sự tăng trưởng của dòng điện. Mạch thứ cấp của hệ
thống đánh lửa ở giai đoạn T dẫn này hầu như không bị ảnh hưởng
đến quá trình tăng dòng ở mạch sơ cấp.
Khi Transistor T ngắt, dòng điện i1 của cuộn sơ cấp và từ thông
đi qua đó bị giảm một cách đột ngột, điều này dẫn đến cuộn thứ
cấp sẽ sinh ra một hiệu điện thế khoảng 15kV- 40kV.
Khi động cơ xăng của ô tô hoạt động thì bobine cũng hoạt động,
có nghĩa là dòng điện từ accu tới cuộn sơ cấp của bobine được
đóng ngắt một cách liên tục, điều đó dẫn đến sức điện động tự
cảm khoảng 300-500V xuất hiện trên cuộn sơ cấp cũng được sinh
ra một cách liên tục. Sức điện động này có giá trị khá lớn, đây là
một nguồn năng lượng lãng phí đáng kể xuất hiện trên ôtô, cần
được thu hồi lại để tránh gây lãng phí.
2.1.2. Tổng quan kim phun

13


Cấu tạo và nguyên lý hoạt động kim phun
Cấu tạo của kim phun gồm:
• Bộ lọc nhiên liệu: bảo đảm nhiên liệu đi vào kim phun thật
sạch.
• Giắc cắm: nối với mạch điện điều khiển.
• Cuộn dây: tạo ra từ trường khi có dòng điện.
• Pit tông: tác động đến sự đóng mở của van kim.
• Lò xo: hồi vị pit tông khi không có từ trường tác động.
• Vòi phun: định góc phun và xé tơi nhiên liệu.

Hình 2.3: Cấu tạo kim phun

Trong quá trình hoạt động của động cơ, ECU liên tục nhận được
những tín hiệu đầu vào từ cảm biến. Qua đó, ECU sẽ tính ra thời
gian mở kim phun, quá trình mở và đóng của kim phun diễn ra
ngắt quãng. ECU gửi tín hiệu đến kim phun trong bao lâu phụ
thuộc vào độ rộng xung. Độ rộng xung thay đổi tùy theo chế độ
làm việc của động cơ. Khi bướm ga mở lớn lúc tăng tốc, động cơ
cần nhiều nhiên liệu hơn do đó ECU sẽ tăng độ rộng xung tức là
tăng thời gian mở kim phun. Điều này có nghĩa là ty kim sẽ giữ lâu
hơn trong mỗi lần phun để cung cấp thêm một lượng nhiên liệu.
Khi dòng điện đi qua cuộn dây của kim phun sẽ tạo một lực từ
đủ mạnh để thắng sức căng của lò xo, thắng lực trọng trường của
ty kim và thắng áp lực của nhiên liệu đè lên kim, kim sẽ được
nhích khỏi bệ khoảng 0.1mm nên nhiên liệu được phun ra khỏi
kim. Khi ngắt dòng điện từ trường cũng sẽ biến mất, lúc này lực lò

14


xo sẽ tác động làm cho ty kim đi xuống đồng thời sinh ra 1 xung
sức điện động khoảng 100-120V và kết thúc quá trình phun.
2.1.3. Tổng quan relay
Relay là một thiết bị điện được sử dụng phổ biến trên ô tô. Relay có nhiều kích
cở, hình dạng và những ứng dụng khác nhau. Relay là một công tắc điện hoạt động
dựa trên hiện tượng điện từ, qua đó công tắc relay được tác động bằng một cuộn dây
nam châm điện. Trên xe ô tô có khoảng 20 relay hoặc nhiều hơn.

Hình 2.4: Cấu tạo relay
Cấu tạo relay bao gồm: một cuộn dây quấn quanh lõi sắt, một
phần ứng di động có lò xo kéo về và các tiếp điểm.
Các loại relay: tùy theo loại và cách sắp xếp công tắc relay được

phân loại thành relay thường mở, relay thường đóng và relay
chuyển mạch.
Nguyên lý hoạt động:

15


Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý relay thường mở
Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây điều khiển được quấn
quanh lõi sắt tạo ra từ trường hút phần ứng di động và kéo phần
ứng xuống, đóng tiếp điểm và cho phép dòng điện đến các tải
điện. Khi ngắt dòng điện chạy qua cuộn dây điều khiển, từ thông
trong cuộn dây giảm đột ngột đồng thời sinh ra một sức điện động.
2.1.3. Tổng quan solenoid
Solenoid valve còn gọi là van điện tử, một loại van dùng dòng điện để tạo ra từ
trường nhằm điều khiển van đóng mở, thường được dùng trong công nghiệp để điều
khiển đóng mở dòng lưu chất như: nước lạnh, nước nóng, khí Gas,… Trên ô tô
Solenoid valve được sử dụng nhiều trong hộp số tự động để điều khiển đóng hoặc
mở các đường dầu thủy lực đến để thay đổi sự ăn khớp giữa các bánh răng.

16


Hình 2.6: Cấu tạo Solenoid valve
Cấu tạo Solenoid valve bao gồm: một cuộn dây quấn quanh 1 lõi
sắt và 1 lò so được nén vào lõi sắt. Trong khi đó, lõi sắt lại tì lên
đầu 1 gioăng bằng cao su.
Nguyên lý hoạt động:
Van điện từ gồm có hai loại đó là loại van điện từ thường đóng và
loại van điện từ thường mở. Van điện từ hoạt động theo 1 nguyên

lý chung như sau:
Bình thường khi không có điện thì lò so ép vào lõi sắt và van sẽ ở
trạng thái đóng. Nếu như tiếp điện cho van, tức là sẽ có dòng điện
chạy qua, cuộn dây sinh từ trường sẽ tác động làm hút lõi sắt ra và
lực từ trường này có lực đủ mạnh để thắng được lò so, lúc này van
mở ra. Khi ngắt dòng điện chạy qua cuộn dây điều khiển, từ thông
trong cuộn dây giảm đột ngột đồng thời sinh ra một điện áp (sức
điện động) chống lại sự thay đổi của dòng điện.
2.2. Khái quát về mô hình hóa và mô phỏng
2.2.1. Mô hình hóa
Mô hình hóa (Modeling) là thay thế đối tượng gốc bằng một mô hình nhằm các
thu nhận thông tin quan trọng về đối tượng bằng cách tiến hành các thực nghiệm
trên mô hình. Lý thuyết xây dựng mô hình và nghiên cứu mô hình để hiểu biết về
đối tượng gốc gọi lý thuyết mô hình hóa.
• Đối tượng (object) là tất cả những sự vật, sự kiện mà hoạt động của con
người có liên quan tới.
• Hệ thống (System) là tập hợp các đối tượng (con người, máy móc), sự
kiện mà giữa chúng có những mối quan hệ nhất định.
• Trạng thái của hệ thống (State of system) là tập hợp các tham số, biến số
dùng để mô tả hệ thống tại một thời điểm và trong điều kiện nhất định.
2.2.2. Mô phỏng số
Mô phỏng (Simulation, Imitation) là phương pháp mô hình hóa dựa trên việc xây
dựng mô hình số (Numerical model) và dùng phương pháp số (Numerical method)
để tìm các lời giải. Chính vì vậy máy tính số là công cụ hữu hiệu và duy nhất để
thực hiện việc mô phỏng hệ thống.

17


2.2.2.1. Sơ đồ khối của phương pháp mô phỏng

Các mô hình sơ đồ khối gồm hai đối tượng, các đường dây tín hiệu và các khối.
Chức năng của đường dây tín hiệu là truyền dẫn tín hiệu, hoặc giá trị, từ điểm gốc
ban đầu (thường là một khối) tới điểm kết thúc (thường là một khối khác). Hướng
của dòng tín hiệu được xác định bởi mũi tên trên đường tín hiệu. Một hướng chỉ
được xác định cho một đường tín hiệu, toàn bộ các tín hiệu truyền trên các nhánh
khác phải theo hướng riêng. Mỗi khối là một thành phần xử lý để tác động tới tín
hiệu và tham số đầu vào để tạo ra tín hiệu đầu ra. Bởi vì các khối chức năng có thể
là phi tuyến cũng như tuyến tính nên tập hợp các khối chức năng riêng về thực tế là
không giới hạn và hầu như không bao giờ có sự giống nhau giữa các nhà cung cấp
về ngôn ngữ của khối chức năng. Tuy nhiên, một sơ đồ ba khối cơ bản phải được
thiết lập để các ngôn ngữ sơ đồ khối có điểm chung. Các khối này là nút cộng, khối
khuếch đại và bộ tích phân. Một hệ thống kết hợp chặt chẽ ba khối đó được mô tả
như hình 2.7.

Hình 2.7: Ví dụ về một hệ thống 3 khối

18


2.2.2.2. Các bước nghiên cứu mô phỏng

Hình 2.8: Sơ đồ khối của phương pháp mô phỏng
Bước 1: Xây dựng mục tiêu mô phỏng và kế hoạch nghiên cứu.
Điều quan trọng trước tiên là phải xác định rõ mục tiêu nghiên
cứu mô phỏng. Mục tiêu đó được thể hiện bằng các chỉ tiêu đánh
giá, bằng hệ thống các câu hỏi cần được trả lời.
Bước 2: thu thập dữ liệu và xác định mô hình nguyên lý.
Tùy theo mục tiêu mô phỏng thực hiện thu thập các thông tin,
các dữ liệu tương ứng của hệ thống S (là hệ thống được mô phỏng)
và môi trường E (là môi trường nơi hệ thống S làm việc). Trên cơ sở

đó xây dựng mô hình nguyên lý Mnl (là mô hình nguyên lý phản
ánh bản chất của hệ thống S).
Bước 3: Hợp thức hóa mô hình nguyên lý Mnl
Hợp thức hóa mô hình nguyên lý là kiểm tra tính đúng đắn, hợp
lý của mô hình. Mô hình nguyên lý phải phản ánh đúng bản chất
của hệ thống S và môi trường E nhưng đồng thời cũng phải tiện
dụng, không quá phức tạp cồng kềnh. Nếu mô hình nguyên lý Mnl
không đạt phải thu thập thêm thông tin, dữ liệu để tiến hành xây
dựng lại mô hình.

19


Bước 4: Xây dựng mô hình mô phỏng Mmp trên máy tính.
Mô hình mô phỏng Mmp là những chương trình chạy trên máy
tính. Các chương trình này được viết bằng các ngôn ngữ thông
dụng như FORTRAN, PASCAL, C++, hoặc các ngôn ngữ chuyên
dụng để mô phỏng như GPSS, SIMSCRIPT,...
Bước 5: Chạy thử
Sau khi cài đặt chương trình, tiến hành chạy thử xem mô hình
mô phỏng có phản ánh đúng các đặc tính của hệ thống S và môi
trường E hay không. Ở giai đoạn này cũng tiến hành sửa chữa các
lỗi về lập trình.
Bước 6: Kiểm chứng mô hình
Sau khi chạy thử có thể kiểm chứng và đánh giá mô hình mô
phỏng có đạt yêu cầu hay không, nếu không phải quay lại từ bước
2.
Bước 7: Lập kế hoạch thử nghiệm
Ở bước này phải xác định số lần thử nghiệm, thời gian mô phỏng
của từng bộ phận hoặc toàn bộ mô hình. Căn cứ vào kết quả mô

phỏng (ở bước 9), tiến hành hiệu chỉnh kế hoạch thử nghiệm để
đạt được kết quả với độ chính xác theo yêu cầu.
Bước 8: Thử nghiệm mô phỏng
Cho chương trình chạy thử nghiệm theo kế hoạch đã được lập ở
bước 7. Đây là bước thực hiện việc mô phỏng, các kết quả lấy ra từ
bước này.
Bước 9: Xử lý kết quả
Thử nghiệm mô phỏng thường cho nhiều dữ liệu có tính thống kê
xác suất. vì vậy, để có kết quả cuối cùng với độ chính xác theo yêu
cầu, cần phải thực hiện việc xử lý các kết quả trung gian. Bước xử
lý kết quả đóng vai trò quan trọng trong quá trình mô phỏng.
Bước 10: Sử dụng và lưu trữ kết quả.

20


Sử dụng kết quả mô phỏng vào mục đích đã định và lưu giữ dưới
dạng các tài liệu để có thể sử dụng nhiều lần.
2.2.3. Ưu và nhược điểm của phương pháp mô hình hóa và
mô phỏng hệ thống
Ưu điểm:
• Có khả năng nghiên cứu các hệ thống phức tạp, các yếu tố ngẫu nhiên, phi tuyến.
• Có thể đánh giá các đặc tính của hệ thống làm việc trong các điều kiện dự kiến
trước, hoặc ngay cả khi hệ thống còn đang trong giai đoạn thiết kế khảo sát, hệ
thống chưa tồn tại.
• Giúp hiểu được quá trình vận hành của hệ thống.
• Xác định được các nút thắt của hệ thống.
• Có thể so sánh, đánh giá các phương án khác nhau của hệ thống.
• Có thể nghiên cứu các giải pháp điều khiển hệ thống.
Nhược điểm:

• Phương pháp mô phỏng đòi hỏi công cụ mô phỏng đắt tiền như máy tính, các phần
mềm chuyên dụng.
• Để thiết lập mô hình mô phỏng đòi hỏi người thiết kế cần có nền tảng khoa học kỹ
thuật chuyên sâu.
• Phương pháp mô phỏng thường sản sinh ra khối lượng lớn các dữ liệu có tính thống
kê xác suất, do đó đòi hỏi các công cụ thống kê để xử lý kết quả mô phỏng.
• Có thể tiêu tốn nhiều thời gian và chi phí.
• Mô phỏng tuy không phải là công cụ tối ưu hiệu quả, nhưng lại hiệu quả trong việc
so sánh các phương án từ mô hình để chọn giải pháp tối ưu nhất.
2.3. Thiết lập các mô hình toán học cho hệ thống
2.3.1. Quá trình hình thành sức điện động tự cảm trên
bobine
a. Quá trình tích lũy năng lượng (transistor dẫn)
Mạch điện khi Transistor dẫn như sau:

21


Hình 2.9: Quá trình tích lũy năng lượng (transistor dẫn)
Trong đó:
R: Tổng trở của mạch sơ cấp.
: Hệ số từ cảm của cuộn sơ cấp.
: Cường độ dòng điện sơ cấp.
Áp dụng định luật Kirchhoff 2 cho mạch điện hình 2.9 có phương
trình sau:

Áp dụng phương pháp toán tử Laplace cho phương trình (2.1)
được:

Đưa về dạng cơ bản:

Quy đồng mẫu số:

Tìm hệ số A, B:
Cho



Cho



Thay A và B vào biểu thức (2.2) ta được:

22


Biến đổi laplace ngược biểu thức (2.3) ta có được dòng điện:

b. Quá trình transistor ngắt
Mạch điện khi Transistor ngắt như sau:

Hình 2.10: Mạch đánh lửa đề xuất tại thời điểm transistor công suất ngắt.
Trong đó
R: Tổng trở của mạch sơ cấp.
: Tụ điện
r: Điện trở rò của tụ .
: Hệ số tự cảm của cuộn sơ cấp.
: Dòng điện của điện trở R.
: Dòng điện qua tụ .

: Dòng điện rò qua tụ .
Áp dụng định luật Kirchhoff cho mạch trên ta có:

Biến đổi Laplace cho hệ phương trình (2.5), ta có:

23


Điều kiện biên
Trong đó, là cường độ dòng điện của mạch sơ cấp ở cuối thời
gian tích trữ năng lượng trong mạch thứ cấp. Hệ phương trình (2.6)
được viết lại như sau:

Giải hệ phương trình (2.7) ta được:

Đặt:

Thay tất cả vào phương trình (2.8) ta được:

Biến đổi ngược Laplace cho hệ phương trình (2.9):

Phương trình này chính là phương trình cường độ dòng điện trên
cuộn sơ cấp khi transistor ngắt. Tiến hành rút gọn các thông số
cho dễ nhìn và tính toán cho phương trình, ta đặt:

Phương trình (2.10) được viết lại:

24

c. Tính toán sức điện động tự cảm trên cuộn sơ cấp khi transistor ngắt
Để tính toán sức điện động tự cảm trên cuộn sơ cấp khi
transistor ngắt, ta dùng phương trình tính toán sau:

Tiến hành đạo hàm phương trình (2.11) ta được:

Thay kết quả vừa tính được ở trên vào phương trình (2.12) ta
được phương trình sức điện động tự cảm trên cuộn sơ cấp khi
transistor ngắt:

2.3.2. Quá trình hình thành sức điện động tự cảm trên kim
phun
a. Quá trình tích lũy năng lượng (transistor dẫn)
Mạch điện khi transistor dẫn:

Hình 2.11: Quá trình tích lũy năng lượng (transistor dẫn)
Gọi i(t) là dòng điện trong mạch hình 2.11.
Áp dụng định luật Kirchhoff 2 dạng toán tử cho mạch điện hình 2.11 ta được:

25