hệ thống điều khiển tự động oto đề tài active suspension modelling and control

Các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu và an toàn của hệ thống treo Hệ thống treo trên oto phải đạt chỉ tiêu về độ êm dịu và an toàn chuyển động Hai chỉ tiêu độ êm dịu Ride Comfort và độ an t

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG OTO

NHÓM 3

GVHD: Nguyễn Trung Hiếu

T R Ư Ờ N G Đ Ạ I H Ọ C S Ư P H Ạ M K Ỹ T H U ẬT T P H C MK H O A Đ À O TẠ O C H ẤT L Ư Ợ N G C A O

ĐỀ TÀI

ACTIVE SUSPENSION MODELLING AND CONTROL

05/19/20245

PHẦN 1: TỔNG QUAN

05/19/202491.2 Đối tượng nghiên cứu

• Hệ thống treo chủ động và hệ thống treo bị động• Bộ điều khiển PID

• Phần mềm Matlab/Simulink• Phần mềm Carsim

1.3 Mục đích đề tài

• 1 Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hệ thống treo chủ động

• 2 Tìm hiểu và mô phỏng trên các phần mềm Matlab Simulink, Carsim• 3 So sánh hệ thống treo chủ động và hệ thống treo bị động

• 4 Phân tích và đánh giá các đồ thị mô phỏng

• 5 Đánh giá, kiến nghị và tìm hướng phát triển cho đề tài

PHẦN 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Công dụng của hệ thống treo

• Kết nối đàn hồi giữa thân xe và trục

• Đảm bảo mối quan hệ hình học chính xác giữa thân xe và bánh xe

• Chống rung, dao động và chấn động tác động lên xe do mặt đường không bằng phẳng, để bảo vệ hành khách và hành lý và cải thiện khả năng di chuyển

• Giúp truyền lực kéo và lực phanh được tạo ra bởi ma sát giữa mặt đường và bánh xe, đến khung gầm và thân xe.

2.2 Cấu tạo chung của hệ thống treo

Phần tử đàn hồi

Hấp thụ các dao động từ mặt đường lên thân xe

Giảm được tải trọng động từ thân xe xuống mặt đường

2.2 Cấu tạo chung của hệ thống treo

Phần tử giảm chấn

Dập tắt dao động do phần tử đàn hồi gây ra

Giảm tải trọng động cho bộ phận đàn hồi

Giúp lốp xe bám đường tốt hơn

Phần tử dẫn hướng

2.2 Cấu tạo chung của hệ thống treo

Truyền lực dọc, ngang và momen từ đường lên khung xe

Đối với hệ thống treo phụ thuộc: Nhíp là bộ phận dẫn hướng

Đối với hệ thống treo độc lập: Các thanh đòn là bộ phận dẫn hướng

2.3 Khái niệm về khối lượng được treo và không được treo

 Khối lượng của thân xe, hành khách được đỡ bởi các lò xo gọi là khối lượng được treo

 Khối lượng các bánh xe, các cầu không được đỡ bởi các lò xo gọi là khối lượng không được treo

 Thông thường, khối lượng được treo lớn hơn thì tính êm dịu chuyển động tốt hơn

2.4 Giới thiệu hệ thống treo chủ động

1: Giảm xóc khí nén

2: Cảm biến gia tốc kế của ô tô

3: ECU (hộp điều khiển điện tử của hệ thống treo) 4: Cảm biến độ cao xe

5: Cụm van phân phối và cảm biến áp suất của khí nén

6: Máy nén khí7: Bình khí nén; 8: Đường dẫn khí

2.4 Giới thiệu hệ thống treo chủ động

Nguyên lý hoạt động

Cảm biến ghi nhận độ cao và tốc độ xe, rồi

gửi tín hiệu về ECU

ECU điều khiển dòng điện đến hệ thống

servo-valve điều khiển đóng mở các

Sự đóng mở các khoang gây ra sự chênh lệch áp suất tác động lên cả phần

KLĐT và KLKĐT để giảm thiểu dao động

xe

2.5 Các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu và an toàn của hệ thống treo

 Hệ thống treo trên oto phải đạt chỉ tiêu về độ êm dịu và an toàn chuyển động

 Hai chỉ tiêu độ êm dịu (Ride Comfort) và độ an toàn (Vehicle Handling) lại mâu thuẫn với nhau

 Khi thiết kế hệ thống treo để nâng cao độ an toàn thì độ êm dịu lại bị hạn chế.

 Khi thiết kế hệ thống treo để nâng cao độ êm dịu thì độ an toàn lại bị hạn chế

 Việc thiết kế một bộ điều khiển nhằm nâng cao đồng thời độ êm dịu và độ an toàn cho xe là vấn đề trọng tâm cần phải nghiên cứu.

2.5 Các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu và an toàn của hệ thống treo

Tiêu chuẩn về gia tốc dao động thẳng đứng

 Theo tiêu chuẩn Quốc tế ISO: 2631-1-1997 và tiêu chuẩn Việt Nam: TCVN 6964-1- 2001 đưa ra những tiêu chí đánh giá tính êm dịu chuyển động của oto theo gia tốc thẳng đứng. Phương pháp đánh giá cơ bản dựa vào giá trị trung bình bình phương (R.M.S) của gia tốc.

Bảng đánh giá dựa vào R.M.S của gia tốc

 Nhóm nghiên cứu lấy giá trị gia tốc 0,315 m/s2 làm tiêu chí đánh giá hệ thống treo chủ động

3.1 Xây dựng mô hình hệ thống treo bị động ¼ xe

ms: khối lượng được treo

mu: khối lượng không được treoks: độ cứng lò xo

kt: độ cứng giả thuyết của lốp xecs: hệ số bộ giảm chấn

Zs: độ dịch chuyển theo phương thẳng đứng của msZu: độ dịch chuyển theo phương thẳng đứng của mu

q: độ dịch chuyển theo phương thẳng đứng của bánh xe so với mặt đường

Các lực tác dụng lên khối lượng được treo

 Lực đàn hồi của hệ thống treo:

 Lực giảm chấn của hệ thống treo:

 Áp dụng định luật II Newton:

(Chọn chiều dương là chiều hướng lên)

Các lực tác dụng lên khối lượng không được treo

 Lực đàn hồi của hệ thống treo:

 Lực giảm chấn của hệ thống treo:

 Lực đàn hồi của lốp xe:

 Áp dụng định luật II Newton:

(Chọn chiều dương là chiều hướng lên)

3.2 Xây dựng mô hình hệ thống treo chủ động ¼ xe

ms: khối lượng được treo

mu: khối lượng không được treoks: độ cứng lò xo

kt: độ cứng giả thuyết của lốp xecs: hệ số bộ giảm chấn

Zs: độ dịch chuyển theo phương thẳng đứng của msZu: độ dịch chuyển theo phương thẳng đứng của mu

q: độ dịch chuyển theo phương thẳng đứng của bánh xe so với mặt đường

F: lực điều khiển tác dụng lên cơ cấu chấp hành

Các lực tác dụng lên khối lượng được treo

 Lực đàn hồi của hệ thống treo:

 Lực giảm chấn của hệ thống treo:

 Áp dụng định luật II Newton:

(Chọn chiều dương là chiều hướng lên)

Các lực tác dụng lên khối lượng không được treo

 Lực đàn hồi của hệ thống treo:

 Lực giảm chấn của hệ thống treo:

 Lực đàn hồi của lốp xe:

 Áp dụng định luật II Newton:

(Chọn chiều dương là chiều hướng lên)

Khối lượng được treoms 250 (kg)Khối lượng không được treomu 50 (kg)

Độ cứng lò xo trên bộ giảm chấnks 18600 (N/m) 

Độ cứng giả thuyết của lốp xekt 196000 (N/m)

Hệ số bộ giảm chấnbs 1000 (Ns/m)  

3.3 Các thông số của xe mô phỏng

Giả sử khi xe chạy lên 1 bậc cao 2 cm.

 Biên dạng đường loại 1

3.4 Xây dựng biên dạng mặt đường mô phỏng

 Biên dạng đường loại 2

3.4 Xây dựng biên dạng mặt đường mô phỏng

3.5 Mô phỏng hệ thống treo bị động

3.5 Mô phỏng hệ thống treo bị động

Khối Subsystem Passive Suspension 1/4

Kết quả mô phỏng hệ thống treo bị động

Kết quả mô phỏng hệ thống treo bị động

Kết quả mô phỏng hệ thống treo bị động

Kết quả mô phỏng hệ thống treo bị động

Kết luận

Bảng tính giá trị trung bình bình phương R.M.S của hệ thống treo bị động

Kết luận

 Từ các biểu đồ trên, chúng ta thấy rằng khi xe đi lên một bước nhỏ 2cm, thân xe dao động khoảng 3,2cm với thời gian dập tắt dao động khoảng 5 giây, gia tốc thân xe lên tới 4,687 m/s2 Giá trị R.M.S của gia tốc dịch chuyển thân xe bằng 0,5580 m/s2 vượt quá giá trị cho phép là 0,315 m/s2 khiến người ngồi trong xe có chút ít về sự khó chịu

 Các vấn đề trên được giải quyết bằng cách thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống treo nhằm thỏa mãn các điều kiện:

 Giá trị tuyệt đối tối đa của gia tốc thân xe phải được giảm thiểu

 Biến dạng của bộ phận treo và biến dạng của lốp xe phải được giảm thiểu

 Thời gian dao động hệ thống nên được giảm thiểu.

Phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID

• Phương pháp Ziegler – Nichols

• Phương pháp Chien – Hrones – Rewisk

• Phương pháp chỉnh bằng tay: Đặt Ki = Kd = 0 Tăng Kp đến khi hệ thống dao động tuần hoàn Đặt thời gian tích phân bằng chu kỳ dao động Điều chỉnh lại giá trị Kp cho phù hợp Nếu có đao động thì điều chỉnh giá trị Kd.

• Phương pháp dùng phần mềm: Dùng phần mềm để tự động chỉnh định thông số PID (thực hiện trên mô hình toán,kiểm nghiệm trên mô hình

thực) Ví dụ dùng giải thuật di truyền (GA) để tìm thông số sao cho sai số đo được nhỏ hơn giá trị yêu cầu

3.6 Thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống treo chủ động

 Qua những quan sát trên phần 3.5, nhóm nghiên cứu muốn cải thiện hệ thống treo thông qua việc nâng cao độ an toàn (Vehicle Handling) của hệ thống treo, do vậy bộ điều khiển PID sẽ điều khiển khoảng cách giữa khối lượng treo và khối lượng không được treo, tức là hành trình của hệ thống treo Tuy nhiên, thông số tốt nhất để điều khiển là độ biến dạng lốp xe, nhưng các phép đo là rất khó.

 Nhóm nghiên cứu muốn thiết kế bộ điều khiển sao cho đầu ra hành trình hệ thống treo (Zs – Zu) có thời gian ổn định nhỏ hơn 3 giây, độ vọt lố nhỏ, sai số nhỏ và lực điều khiển cơ cấu chấp hành nhỏ hơn 1000 N.

3.6 Thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống treo chủ động

Xác định tham số bộ điều khiển PID

Chọn tham số Kp

Kp = 5000, Ki = 0, Kd =0 Kp = 5500, Ki = 0, Kd = 0 Kp = 5800, Ki = 0, Kd = 0

Kết luận: Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng khi Kp = 5800, thời gian phản hồi đủ nhanh, vượt mức nhỏ Vì vậy, chọn Kp = 5800

05/19/202443Chọn tham số Kd

Kp = 5800, Ki = 0, Kd = 500 Kp = 5800, Ki = 0, Kd = 1000 Kp = 5800, Ki = 0, Kd = 1300

Chọn tham số Ki

Kp = 5000, Ki = 100, Kd = 1300

05/19/202445Xem xét tính ổn định của bộ điều khiển PID

 Hệ thống ổn định, nếu tất cả các nghiệm của phương trình đặc trưng có phần thực âm Nếu được biểu diễn trên mặt phẳng phức, các nghiệm này nằm ở bên trái của trục ảo.

 Từ hình , ta thấy rằng tất cả các nghiệm của phương trình đặc trưng đều có phần thực âm Vì vậy, người ta kết luận rằng bộ điều khiển PID ổn định.

3.7 Cơ cấu chấp hành của hệ thống treo chủ động

 Hệ thống treo chủ động được trang bị thêm một cơ cấu chấp hành thủy lực ở mỗi bánh xe Cơ cấu này có dạng xylanh thủy lực, bên trong là hệ thống các servo-valve Khi dòng điện được cung cấp, các valve bên trong sẽ thực hiện quá trình đóng – mở, điều này gây ra sự chênh lệch áp suất giữa các khoang Sự chênh lệch áp suất này sẽ gây ra lực tác động lên cả phần khối

lượng được treo và không được treo để giảm thiểu dao động của xe.

 Cơ cấu chấp hành thủy lực đơn giản có thể được đại diện bằng hàm truyền bậc nhất:

 Độ dịch chuyển tối đa của cơ cấu chấp hành thủy lực là 0,05 (m)

3.7 Cơ cấu chấp hành của hệ thống treo chủ động

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cơ cấu chấp hành thủy lực

3.7 Cơ cấu chấp hành của hệ thống treo chủ động

3.8 Mô phỏng hệ thống treo chủ động

3.8 Mô phỏng hệ thống treo chủ động

Khối Subsystem mô phỏng biên dạng mặt đường

3.8 Mô phỏng hệ thống treo chủ động

Khối Subsystem Active Suspension 1/4

Kết quả mô phỏng biên dạng đường loại 1

Kết quả mô phỏng biên dạng đường loại 1

Treo chủ động:

 Đạt cực đại tại 0,0286 (m) Tại thời gian 1,25 (s)

 Thời gian ổn định: 2,19 (s)Treo bị động:

 Đạt cực đại tại 0,03169 (m) Tại thời gian 1,33 (s)

 Thời gian ổn định: 4,26 (s)

Vậy độ dịch chuyển thân xe củahệ thống treo chủ động giảm9,75% so với hệ thống treo bịđộng

Kết quả mô phỏng biên dạng đường loại 1

Hệ thống treo chủ động:

 Đạt giá trị cực đại tại 6,742 (m/s2) Tại thời gian 1,02 (s)

 Thời gian ổn định là 2,05 (s)Hệ thống treo bị động:

 Đạt giá trị cực đại tại 4,442 (m/s2) Tại thời gian 1,03 (s)

 Thời gian ổn định là 3,44 (s)

Vậy hệ thống treo chủ động tuy có giatốc cực đại lớn hơn, nhưng thời gianổn định lại nhanh hơn

 Đạt giá trị cực đại tại 0,01073 (m) Tại thời gian 1,3 (s)

 Thời gian ổn định là 4,04 (s)Vậy hành trình hệ thống treo chủ động giảm 30,30% so với hành trình hệ thống treo bị động.

Kết quả mô phỏng biên dạng đường loại 1

Hệ thống treo chủ động:

 Đạt giá trị cực đại tại 0,004998 (m) Tại thời gian 1,05 (s)

 Thời gian ổn định là 1,78 (s)Hệ thống treo bị động:

 Đạt giá trị cực đại tại 0,0098 (m) Tại thời gian 1,05 (s)

 Thời gian ổn định là 3,2 (s)

Vậy độ biến dạng lốp xe của hệ thốngtreo chủ động giảm 49% so với hệ thống treo bị động

Kết quả mô phỏng biên dạng đường loại 1

Kết quả mô phỏng biên dạng đường loại 2

Kết quả mô phỏng biên dạng đường loại 2

Kết quả mô phỏng biên dạng đường loại 2

Kết quả mô phỏng biên dạng đường loại 2

Kết quả mô phỏng biên dạng đường loại 2

Kết quả mô phỏng biên dạng đường loại 2

Bảng so sánh R.M.S trên mặt đường loại 1

Bảng so sánh R.M.S trên mặt đường loại 2

PHẦN 4: MÔ PHỎNG

HỆ THỐNG TREO CHỦ ĐỘNG BẰNG PHẦN MỀM CARSIM

4.1 Sơ đồ hệ thống treo chủ động toàn bộ xe

4.1 Sơ đồ hệ thống treo chủ động toàn bộ xe

4.2 Mô hình Simulink hệ thống treo bị động toàn bộ xe

4.3 Mô hình Simulink hệ thống treo chủ động toàn bộ xe

4.3 Mô hình Simulink hệ thống treo chủ dộng toàn bộ xe

Khối Carsim Output

4 Mô hình Simulink hệ thống treo chủ dộng toàn bộ xe

Các thông số của Khối Controller

* Tùy chỉnh thông số xe

Điều chỉnh thông số cơ bản của xe

Điều chỉnh thông số cầu trước

Điều chỉnh độ cứng lò xo, hệ số giảm chấn cầu trước

Điều chỉnh thông số cầu sau

Điều chỉnh độ cứng lò xo, hệ số giảm chấn cầu sau

Mô phỏng xe chạy trên đường có vật cản nhỏ cao 3,5cm

Mô phỏng xe chạy trên đường có vật cản nhỏ cao 3,5cm

Dao động thân xe của cầu trước

05/19/202481Dao động thân xe của cầu sau

Lực thẳng đứng

Mô phỏng xe chạy trên đường có mấp mô liên tục

Mô phỏng xe chạy trên đường có mấp mô liên tục

05/19/202485Lực thẳng đứng

Lực giảm chấn

05/19/202487Gia tốc thẳng đứng

Góc pitch thân xe

05/19/2024

Thanks for watching!