Mô phỏng dao động của hệ thống treo chủ động có xét đến sự ảnh hưởng của cơ cấu chấp hành thủy lực

Bài viết Mô phỏng dao động của hệ thống treo chủ động có xét đến sự ảnh hưởng của cơ cấu chấp hành thủy lực tập trung vào việc mô phỏng và đánh giá hiệu quả dao động của xe khi sử dụng hệ thống treo chủ động với cơ cấu chấp hành thủy lực. Trong bài viết này, mô hình một phần tư với xylanh thủy lực phi tuyến được xét đến.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 5, 2022 23 MÔ PHỎNG DAO ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TREO CHỦ ĐỘNG CÓ XÉT ĐẾN SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA CƠ CẤU CHẤP HÀNH THỦY LỰC SIMULATION OSCILLATION OF ACTIVE SUSPENSION SYSTEM CONSIDERING THE EFFECT OF THE HYDRAULIC ACTUATOR Trần Thị Thu Hương1, Nguyễn Tuấn Anh2*, Nguyễn Mạnh Long1 Trường Đại học Phenikaa Trường Đại học Thủy lợi *Tác giả liên hệ: anhngtu@tlu.edu.vn (Nhận bài: 27/2/2022; Chấp nhận đăng: 10/5/2022) Tóm tắt - Các kích thích từ mặt đường ngun nhân gây dao động cho tơ Để nâng cao ổn định tính êm dịu, hệ thống treo chủ động sử dụng để thay hệ thống treo bị động thông thường Bài báo tập trung vào việc mô đánh giá hiệu dao động xe sử dụng hệ thống treo chủ động với cấu chấp hành thủy lực Trong báo này, mơ hình phần tư với xylanh thủy lực phi tuyến xét đến Thuật toán điều khiển PID (Proportional – Integral – Derivative) cho hệ SISO (Single Input – Single Output) sử dụng để điều khiển cho hệ thống treo, q trình mơ thực phần mềm MATLAB-Simulink Kết nghiên cứu cho thấy, giá trị lớn giá trị trung bình chuyển vị gia tốc thân xe giảm nhiều hệ thống treo chủ động sử dụng Do đó, độ êm dịu tính tiện nghi xe nâng cao Abstract - Excitations from the road surface are the main cause of vehicle vibrations To improve the stability and ride comfort of the vehicle, the active suspension system is used to replace the conventional passive suspension system This paper focuses on simulating and evaluating the vibration efficiency of the vehicle when using the active suspension system with a hydraulic actuator In this paper, a quarter model with nonlinear hydraulic cylinders is considered The PID control algorithm (Proportional – Integral – Derivative) for the SISO system (Single Input – Single Output) is used to control the suspension system, and the simulation process is performed by MATLAB-Simulink software According to the results of the paper, the maximum and average values of vehicle body displacement and acceleration were greatly reduced when the active suspension system was used Therefore, the smoothness and comfort of the vehicle have been enhanced Từ khóa - Hệ thống treo chủ động; cấu chấp hành thủy lực; thuật toán điều khiển Key words - Active suspension system; hydraulic actuator; control algorithm Giới thiệu Thời gian gần đây, có nhiều nghiên cứu hệ thống treo chủ động công bố Trong [5], tác giả sử dụng mơ hình phần tư với thuật tốn điều khiển PID LQR cho mơ hình Tuy nhiên, mơ hình khơng xét đến ảnh hưởng cấu chấp hành thủy lực Tương tự, mơ hình phần tư với thuật tốn điều khiển bền vững nghiên cứu Fu Dong [6] Nghiên cứu họ chưa đề cập tới ảnh hưởng xylanh thủy lực Do đó, độ ổn định mơ hình chưa thực xác Trong [7, 8], tác giả kể đến ảnh hưởng cấu chấp hành đặt bánh xe Cơ cấu hoạt động dựa tín hiệu điện áp cung cấp từ điều khiển Các tham số điều khiển lựa chọn dựa kinh nghiệm người thiết kế việc sử dụng số thuật tốn thơng minh để tìm giá trị tối ưu chúng [9-11] Dao động xe ô tô vấn đề ngày nghiên cứu nhiều, đặc biệt năm gần Dao động xe gây ảnh hưởng lớn tới sức khỏe người lái, hành khách, chất lượng hàng hóa tuổi thọ xe Có nhiều nguyên nhân khiến cho xe bị dao động, đó, kích thích từ mặt đường ngun nhân chủ yếu tượng Vì vậy, hệ thống treo sử dụng để điều hòa dao động cho xe Theo [1], hệ thống treo chia xe thành hai phần, bao gồm: Khối lượng treo (toàn phần hệ thống treo) khối lượng không treo (những thành phần nằm bên hệ thống treo) Hệ thống treo có ba thành phần: Lò xo, giảm chấn, tay đòn tương ứng với ba chức hệ thống Trong nhiều trường hợp đặc biệt, hệ thống treo bị động thông thường đáp ứng yêu cầu ổn định xe Do đó, hệ thống treo chủ động đề xuất để thay hệ thống treo khí thông thường [2] Hệ thống treo chủ động trang bị thêm cấu chấp hành thủy lực bánh xe Cơ cấu có dạng xylanh thủy lực, bên hệ thống servo-valve [3] Khi dòng điện cung cấp, valve bên thực q trình đóng – mở, điều gây chênh lệch áp suất khoang Sự chênh lệch áp suất gây lực tác động lên phần khối lượng treo không treo để giảm thiểu dao động xe [4] Phenikaa University (Tran Thi Thu Huong, Nguyen Manh Long) Thuyloi University (Nguyen Tuan Anh) Mơ hình Có nhiều phương pháp sử dụng để xây dựng hệ phương trình vi phân mơ tả dao động hệ thống treo Sử dụng phương pháp tách hệ nhiều vật, mơ hình động lực học phần tư (Hình 1) chia thành hai khối lượng, bao gồm: Khối lượng treo m1 khối lượng không treo m2 Xét khối lượng treo m1, có ba lực tác dụng lên: Lực đàn hồi lò xo FK, lực cản giảm chấn FC lực tác động cấu chấp hành thủy lực FA Dựa nguyên lý D’Alembert, phương trình mơ tả dao động theo Trần Thị Thu Hương, Nguyễn Tuấn Anh, Nguyễn Mạnh Long 24 phương thẳng đứng z1 khối lượng treo đưa sau: m1 z1 = FK + FC + FA (1) Đối với phần khối lượng không treo m 2, lực đàn hồi lốp xe FKT kể tới Thành phần giảm chấn lốp vơ nhỏ, bỏ qua Phương trình (2) mơ tả dao động theo phương thẳng đứng khối lượng không treo z2 m2 z = FKT − FK − FC − FA (2) hệ tín hiệu điện áp u(t) độ dịch chuyển cửa van xsv đưa phương trình (7): (7)  ( ksv u ( t ) − xsv ) dt  Lưu lượng chất lỏng Q thông qua cửa van hàm phụ thuộc vào chênh lệch áp suất P xsv = Q= 3 1 xsv Ps − sgn ( xsv ) P (8) Sự thay đổi áp suất bên trong: P =   2  Q −   P − S p z s  dt (9)  Kết hợp phương trình (6) (7) (8) (9), thu được: (  FA = S p  xsv Ps − sgn ( xsv ) Pdt −  Pdt −  S p z s dt   ) (10) Trong đó: Sp : Diện tích mặt cắt ngang piston ksv : Hệ số servo-valve  : Hằng số thời gian Hình Mơ hình hệ thống treo Các lực liên kết xác định sau: Lực đàn hồi lò xo: FK = K ( z − z1 ) (3) Lực cản giảm chấn: FC = C ( z − z1 ) (4) Lực đàn hồi lốp: FKT = K T ( h − z ) (5) Lực tác động sinh từ cấu chấp hành thủy lực Fa phụ thuộc vào chênh lệch áp suất chất lỏng hai khoang diện tích mặt cắt ngang piston (Hình 2) [1214] Giả thiết diện tích mặt cắt ngang piston hai khoang giống (Sp1 = Sp2), bỏ qua thành phần lực cản ma sát Ff xylanh piston, lực tác động Fa xác định phương trình (6) Fa = S p P2 −S p1 P1 − Ff  S P p (6) i : Hệ số cấu chấp hành Q trình đóng mở cửa van phụ thuộc vào tín hiệu điện áp cung cấp từ điều khiển Hiệu hệ thống phụ thuộc vào việc thiết kế thuật toán điều khiển cho phù hợp Trong nghiên cứu này, thuật toán PID đề xuất Đây thuật tốn điều khiển tuyến tính cho hệ SISO, thuật toán sử dụng rộng rãi cho nhiều hệ thống công nghiệp ngày Gọi e(t) sai số tín hiệu đặt tín hiệu đầu mơ hình Theo [15], tín hiệu điều khiển u(t) xác định thơng qua phương trình (11):   TI u ( t ) = k p e ( t ) + t  e ( ) d + T D Khi điều khiển cấp điện áp, van bên cấu chấp hành dịch chuyển Chính dịch chuyển tạo chênh lệch áp suất khoang Mối liên dt   (11) Với mô hình vào – trên, hàm truyền điều khiển viết lại dạng:   TI s R ( s ) = k p 1 +  + TD s   (12) Sau xác định hàm truyền điều khiển, q trình tính tốn mơ tiến hành Kết thảo luận 3.1 Điều kiện mô Q trình mơ dao động tơ thực môi trường MATLAB-Simulink với hai trường hợp cụ thể Hình Hai dạng kích thích dạng tuần hồn kiểu sóng sin với biên độ tần số khác Các kích thích tham khảo theo số nghiên cứu trước [15, 16] Sự biến đổi tuần hồn, đó, dễ dàng đánh giá hiệu điều khiển h = Asin ( 2 ft +  )( mm ) Hình Cơ cấu chấp hành thủy lực de ( t )  (13) Các thông số tham khảo xe sử dụng cho mô đưa Bảng Các tham số lấy từ mẫu xe SUV phần mềm Carsim Các thơng số tín hiệu kích thích đưa Bảng ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 5, 2022 25 Để đánh giá độ êm dịu xe, giá trị gia tốc dao động thường xét đến Theo kết thể Hình 5, gia tốc cực đại xe sử dụng hệ thống treo khí thơng thường lên tới 0,46 (m/s2) Trong đó, giá trị 0,08 (m/s2), chiếm 17,39% giá trị ban đầu hệ thống treo chủ động với cấu chấp hành thủy lực sử dụng Các giá trị trung bình chúng tính tốn theo tiêu RMS 0,06 (m/s2) 0,01 (m/s2) Rõ ràng, độ êm dịu xe cải thiện hệ thống treo chủ động sử dụng để thay hệ thống treo bị động thơng thường Hình Mấp mô mặt đường Bảng Các thông số tham khảo Ký hiệu Mô tả Giá trị Đơn vị m1 Khối lượng treo 400 kg m2 Khối lượng không treo 45 kg N/m K Độ cứng lò xo 38000 KT Độ cứng lốp 180000 N/m C Độ cứng giảm chấn 3100 Ns/m Bảng Các thơng số tín hiệu kích thích Biên độ A (mm) Tần số f (1/s) Pha ban đầu  (rad) TH1 50 0.159 TH2 100 0.318 3.2 Kết mô Kết mô đưa hai trường hợp Kết toán bao gồm giá trị lớn giá trị trung bình chuyển vị gia tốc thân xe Hình Gia tốc khối lượng treo (TH1) • Trường hợp 2: Trong trường hợp thứ hai, kích thích từ mặt đường có biên độ tần số lớn so với trường hợp Do đó, dao động xe lớn • Trường hợp 1: Trong trường hợp này, kích thích mặt đường có dạng hàm tuần hồn sử dụng với độ lớn kích thích 50 (mm) Đồ thị Hình thay đổi chuyển vị thân xe theo thời gian Theo đó, thân xe dao động liên tục bám theo tín hiệu kích thích từ mặt đường Nếu xe sử dụng hệ thống treo bị động, giá trị lớn dao động đạt 50,65 (mm), mức tương đương với kích thích ban đầu Ngược lại, giá trị giảm xuống cịn 8,07 (mm) hệ thống treo chủ động sử dụng Giá trị trung bình chuyển vị tính theo tiêu RMS đạt 36,40 (mm) 5,74 (mm) tương ứng với hai tình khảo sát Hình Chuyển vị khối lượng treo (TH2) Hình Chuyển vị khối lượng treo (TH1) Theo Hình 6, chuyển vị lớn mà thân xe đạt tương ứng với hai trường hợp khảo sát 15,58 (mm) 105,39 (mm) Giá trị trung bình dao động xe sử dụng hệ thống treo chủ động với thuật toán điều khiển PID nhỏ so với tình cịn lại, 10,31% Tương tự trường hợp đầu tiên, gia tốc thân xe trường hợp thay đổi liên tục theo thời gian với biên độ tuần hồn (Hình 7) Độ lớn gia tốc đạt cực đại pha dao động, sau giảm dần ổn định Giá trị cực đại gia tốc ứng với tình xe sử dụng hệ thống treo khí đạt 1,82 (m/s 2), đó, giá trị 0,31 (m/s2) hệ thống treo chủ Trần Thị Thu Hương, Nguyễn Tuấn Anh, Nguyễn Mạnh Long 26 động trang bị Điều làm gia tăng độ ổn định tính tiện nghi xe di chuyển đường Hình Gia tốc khối lượng treo (TH2) Kết luận Kích thích từ mặt đường nguyên nhân chủ yếu gây dao động cho tơ Những dao động ảnh hưởng tới sức khỏe hành khách chất lượng hàng hóa xe di chuyển đường Do đó, hệ thống treo sử dụng để điều hịa dập tắt dao động không mong muốn Để nâng cao độ ổn định cho xe di chuyển đường, phương pháp sử dụng hệ thống treo chủ động với cấu chấp hành thủy lực đề xuất Theo kết nghiên cứu, giá trị chuyển vị gia tốc thân xe giảm đáng kể xe sử dụng hệ thống treo chủ động để thay hệ thống treo khí thơng thường Ở hai trường hợp khảo sát, hệ thống treo chủ động cho thấy ổn định khả đáp ứng Do đó, độ êm dịu xe cải thiện tốt Thuật toán PID sử dụng nghiên cứu phù hợp với hệ tuyến tính Trong tương lai, nghiên cứu thuật toán điều khiển phi tuyến cho hệ thống treo chủ động thực TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tang, G., et al., “Sprung Mass Identification of Suspension in a Simplified Model”, SAE Technical Paper, 2014 [2] Marcu, S., et al., “Model for the Study of Active Suspensions”, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2017 [3] Tamburrano, P., et al., “A Review of Electro-hydraulic Servo-valve Research and Development”, International Journal of Fluid Power, vol 20, no 1, 2019, pp 53-98 [4] Riduan, A F M., et al., “Review on Active Suspension System”, SHS Web of Conference, vol 49, 2018 [5] Anh, N T., “Control an Active Suspension System by using PID and LQR Controller”, International Journal of Mechanical and Production Engineering Research and Development, vol 10, no 3, 2020, pp 7003-7012 [6] Fu, Z J., Dong, X Y., “H Optimal Control of Vehicle Active Suspension Systems in Two Time Scales”, Automatika, vol 62, no 2, 2021, pp 284-292 [7] Nguyen, T A., “Improving the Comfort of the Vehicle Based on using the Active Suspension System Controlled by the Doubleintegrated Controller”, Shock and Vibration, vol 2021, 2021 [8] Guevara, D R., et al., “Active Suspension Control using an MPCLQR-LPV Controller with Attraction and Quadratic Stability Conditions”, Mathematics, vol 9, 2021 [9] Chen, S., et al., “A Novel LQG Controller of Active Suspension System for Vehicle Roll Safety”, International Journal of Control, Automation and Systems, vol 16, no 5, 2018, pp 2203-2213 [10] Bai, R., Guo, D., “Sliding-mode Control of the Active Suspension System with the Dynamics of a Hydraulic Actuator”, Complexity, vol 2018, 2018 [11] Chao, C T., et al., “A GSA-based Adaptive Fuzzy PID-controller for an Active Suspension System”, Engineering Computations, vol 33, no 6, 2016 [12] Tamburrano, P., et al., “A Review of Electro-Hydraulic Servovalve Research and Development”, International Journal of Fluid Power, vol 21, no 1, 2019, pp 53-98 [13] Huang, Y., et al., “Approximation-Free Control for Vehicle Active Suspensions With Hydraulic Actuator”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 65, no 9, 2018, pp 7258-7267 [14] Tan, H S., Bradshaw, T., “Model Identification of an Automotive Hydraulic Active Suspension System”, Proceedings of the American Control Conference, 1997, pp 2920-2924 [15] N D Phước, Cơ sở lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nhà xuất Bách khoa Hà Nội, 2020  ... sử dụng hệ thống treo chủ động với cấu chấp hành thủy lực đề xuất Theo kết nghiên cứu, giá trị chuyển vị gia tốc thân xe giảm đáng kể xe sử dụng hệ thống treo chủ động để thay hệ thống treo khí... đầu hệ thống treo chủ động với cấu chấp hành thủy lực sử dụng Các giá trị trung bình chúng tính tốn theo tiêu RMS 0,06 (m/s2) 0,01 (m/s2) Rõ ràng, độ êm dịu xe cải thiện hệ thống treo chủ động. .. yếu gây dao động cho tơ Những dao động ảnh hưởng tới sức khỏe hành khách chất lượng hàng hóa xe di chuyển đường Do đó, hệ thống treo sử dụng để điều hịa dập tắt dao động khơng mong muốn Để nâng