Nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo bán tích cực trên ô tô con.Nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo bán tích cực trên ô tô con.Nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo bán tích cực trên ô tô con.Nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo bán tích cực trên ô tô con.Nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo bán tích cực trên ô tô con.Nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo bán tích cực trên ô tô con.Nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo bán tích cực trên ô tô con.Nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo bán tích cực trên ô tô con.Nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo bán tích cực trên ô tô con.Nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo bán tích cực trên ô tô con.
TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Một trong những nghiên cứu sớm nhất về hệ thống treo có điều khiển điện tử là bài báo của Crosby và Karnopp, “The Active Damper”[1], đƣợc viết vào năm 1973, tuy nhiên, vào cuối năm 1995, Karnopp lưu ý rằng “Có lẽ không có gì ngạc nhiên khi nhìn lại sự tiến bộ của các hệ thống điều khiển hệ thống treo tích cực hoặc bán tích cực trong thực tế là tương đối chậm Việc thiết kế các hệ thống như vậy đòi hỏi một khái niệm rõ ràng, không chỉ liên quan đến cơ học của hệ thống mà còn liên quan đến điều khiển tự động và động lực học của hệ thống Các cảm biến và cơ cấu chấp hành phải có sẵn, các hạn chế của chúng cần đƣợc xem xét, cuối cùng là các thiết bị xử lý tín hiệu và điều khiển phải hiệu quả về chi phí và có sẵn Chỉ gần đây, sự tiến bộ trong tất cả các khía cạnh này mới đạt đến mức có thể thực hiện đƣợc các thiết kế thực tế” [2]
Kể từ giữa những năm 1990, công nghệ chế tạo cảm biến, cơ cấu chấp hành trong hệ thống treo có điều khiển đã thay đổi đáng kể khiến chúng trở nên rẻ, độ nhạy cao và hoạt động đáng tin cậy hơn Mặc dù hệ thống treo điều khiển điện tử chủ yếu đƣợc trang bị trên các loại xe cao cấp, nhƣng việc áp dụng chúng trên các dòng xe phổ thông đang ngày càng đƣợc mở rộng Trong quá trình nghiên cứu, đã có sự bùng nổ về số lượng các loại phương tiện có hệ thống treo bán tích cực sử dụng bộ giảm chấn lưu biến từ tính (MR) Trọng tâm chính của luận án này là nghiên cứu thiết kế điều khiển giảm chấn MR của hệ thống treo bán tích cực theo thời gian thực Mục đích là để tìm ra các thuật toán điều khiển nhằm nâng cao khả năng dập tắt dao động của hệ thống treo và giảm số lƣợng cảm biến, từ đó giảm giá thành của hệ thống điều khiển Để giải quyết vấn đề này cần giải quyết đƣợc mâu thuẫn: hệ thống điều khiển theo dõi càng nhiều thông số trạng thái thì chất lƣợng điều khiển càng tốt, nhƣng việc đòi hỏi nhiều cảm biến sẽ làm cho hệ thống trở lên phức tạp và giá thành sẽ tăng cao Trong nghiên cứu của A Agharkakl và cộng sự đã cho thấy rằng điều khiển hệ thống treo bằng thuật toán LQR tối ƣu đồng thời cả
5 trạng thái: dịch chuyển thân xe và bánh xe, vận tốc dao động thân xe và bánh xe, biên dạng mặt đường cho thấy hiệu quả rất tốt về việc giảm độ dịch chuyển của thân xe và thời gian dập tắt dao động trên các loại đường khác nhau [3] Tuy nhiên hệ
4 thống này sẽ đòi hỏi phải sử dụng 05 cảm biến tương ứng cho từng hệ thống treo Điều đó đồng nghĩa với độ phức tạp và giá thành của hệ thống sẽ tăng cao, đặc biệt là cảm biến biên dạng mặt đường hiện nay vẫn còn có giá thành rất cao.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.2.1 Động lực học hệ thống treo
Mụ hỡnh ẳ hệ thống treo thường sử dụng trong nghiờn cứu được thể hiện trong hình 1.1 [4] Trong hình 1.1.(b), lốp xe đƣợc biểu diễn bằng một lò xo và khối lƣợng nhỏ hơn, đại diện cho bánh xe và các thành phần trục chuyển động cùng bánh xe, là khối lƣợng không đƣợc treo, ở đây đƣợc ký hiệu là m w Khối lƣợng đƣợc treo: m b , là khối lƣợng của phần xe không chuyển động cùng bánh xe, bao gồm: khung, hành lý và hành khách Trong hầu hết các mô hình, vận tốc tịnh tiến đƣợc coi không đổi để thuận tiện về mặt toán học khi biểu diễn chiều cao đường đơn giản dưới dạng một hàm của thời gian: z r (t) a) b)
Hỡnh 1.1 Mụ hỡnh hệ thống treo ẳ a) Mô hình một khối lượng; b) Mô hình 2 khối lượng
Cỏc lực tỏc dụng lờn ẳ khung xe là lực trọng trường, lực lũ xo và lực giảm chấn Giả sử rằng độ cứng lò xo (k) và hệ số cản giảm chấn (c) là không đổi (lực lò xo và lực giảm chấn là tuyến tính), lúc này phương trình chuyển động của hệ thống treo 2 bậc tự do (2 DOF) sẽ nhƣ sau:
Trong phương trình này, sự thay đổi dịch chuyển của thân xe bị ảnh hưởng của
5 dao động từ bánh xe, nói cách khác, sự thay đổi của dịch chuyển thân xe đƣợc đánh giá thông qua giới hạn của không gian treo (hiệu z b -z w ) Để đơn giản xác định đƣợc dịch chuyển của thân xe, người ta thay đổi mô hình hệ thống treo từ 2 khối lượng thành 1 khối lượng (hình 1.1a) Từ đó có thể lập các phương trình chuyển động của hệ thống treo 1 bậc tự do nhƣ sau:
Từ đây, việc xác định các thông số chuyển động của thân xe dễ dàng hơn Để chuyển từ mô hình hệ thống treo 2 khối lƣợng (Theo hình 1.1b) về mô hình
1 khối lƣợng thì coi bánh xe có lốp là một phần từ đàn hồi có độ cứng k t ,còn phần tử giảm chấn thì không đổi Lúc này, mô hình 2 khối lƣợng trở thành mô hình 1 khối lượng có độ cứng của phần tử đàn hồi tương đương được tính như sau: t e t k k k k k
Công thức trên có thể đƣợc sử dụng để tính toán độ cứng lò xo hệ thống treo khi biết trước độ cứng lò xo tương đương và độ cứng của lốp [4] Lốp thường được mô tả đơn giản như một lò xo, như trong hình 1.1 (b), và người ta khẳng định rằng “lốp có độ giảm chấn không đáng kể” [5] Để mô hình có độ chính xác cao hơn, người ta thường sử dụng mô hình lốp dạng “magic formula” có “khả năng áp dụng rộng rãi cho nhiều loại đường” [6] Các mô hình này được sử dụng để mô hình hóa chính xác hơn về động lực học của lốp Mô hình này thường sử dụng các đường cong phù hợp nhất với dữ liệu thực nghiệm, hoặc thậm chí các mô hình đƣợc phát triển bởi mạng nơ-ron [7] Động lực học lốp xe cực kỳ quan trọng đối với sự ổn định của xe và nghiên cứu về động lực học của lốp xe đã góp nhiều công sức trong việc nâng cao chất lƣợng chuyển động của ô tô từ giữa đến cuối thế kỷ 20 [8] Lực sinh ra trong vết tiếp xúc bánh xe và mặt đường phụ thuộc vào các góc đặt bánh xe [7] Do vậy vị trí hình học giữa bánh xe và hệ thống treo phải luôn phù hợp để chống lại những bất ổn không mong muốn Một trong những ƣu điểm nổi trội của hệ thống treo bán tích cực là sự cân bằng hình học của hệ thống treo mà không cần phải thay đổi kết cấu, xáo trộn các vị trí của các cụm chi tiết trong hệ thống về mặt không gian bố trí, vì thay đổi duy nhất là thay thế bộ phận giảm chấn ống lồng thụ động bằng giảm chấn có điều khiển
1.2.2 Thiết kế hệ thống treo thụ động
Việc lựa chọn các thông số hệ thống treo là một nghệ thuật, quá trình thiết kế và chọn lựa thường bắt đầu với việc xác định các tần số cơ bản [9] “Đối với hầu hết các loại ô tô, tần số dao động riêng của khối lượng được treo thường là 1,0Hz đến 2,0Hz và tần số riêng khối lượng không được treo thường là 8,0 Hz đến 12,0Hz.” Giorgetti, Bemporad và cộng sự đặt mục tiêu 1,5Hz đối với tần số dao động của khối lƣợng đƣợc treo và 10 Hz đối với tần số dao động của bánh xe [10] Ngoài ra, đối với xe đua, chú trọng nhiều hơn vào khả năng bám đường, vì vậy hệ thống treo đƣợc thiết kế cứng hơn và tần số dao động riêng cao hơn từ 2 đến 7 Hz [11] Tần số dao động riêng của thân xe, tính bằng hertz, đƣợc tính bằng công thức:
Tần số dao động riêng của bánh xe bị ảnh hưởng bởi độ cứng của lò xo và độ cứng của lốp đƣợc tính nhƣ sau [4] : w w
Hệ số giảm chấn ở tần số cơ bản thường là khoảng =0,25 và đây được coi là một thỏa hiệp có thể chấp nhận đƣợc đối với hệ thống treo của ô tô [4] Chứng nhận của Chính phủ Úc về “hệ thống treo thân thiện với đường” quy định rằng “hệ số giảm chấn trung bình DM” phải lớn hơn 20% so với giảm chấn tới hạn” [12]
Hầu hết các bộ giảm chấn hiện đại đƣợc thiết kế để có hệ số giảm chấn khi trả khác với khi nén [11]; [13]; [14] Hệ số cản giảm chấn ở hành trình trả lớn gấp từ 2 đến 3 lần so với hành trình nén [15] Nhiều lý do khác nhau đƣợc đƣa ra cho sự bất đối xứng này Theo thực nghiệm, Milliken đã chỉ ra rằng vận tốc dao động của bánh xe theo hướng đi lên (gập ghềnh) thường cao hơn đáng kể so với hướng đi xuống (hành trình trả) khoảng hai lần Do đó giảm chấn có độ bất đối xứng tương ứng để giữ cho các lực tác động lên xe đối xứng [4] Bastow và cộng sự xem đây là “sự thỏa hiệp” giữa hệ treo mềm trong “điều khiển chuyển động của các khối lƣợng đƣợc treo và không đƣợc treo chịu các nhiễu loạn có chu kỳ” [7] Có lẽ lời giải thích rõ ràng nhất đƣợc đƣa ra bởi Guglielmino, E.,T Sireteanu: “Khi xảy ra va chạm, gia tốc hướng lên theo phương thẳng đứng có thể đạt cực đại trong vài giây khi gặp ổ
7 gà, và gia tốc hướng xuống theo phương thẳng đứng không được lớn hơn 1g (g=9,81m/s 2 ) Đây cũng là lý do tại sao giảm chấn thủy lực đƣợc thiết kế với phi đối xứng” [16]
1.2.3 Hệ thống treo điều khiển điện tử
Hệ thống treo điều khiển điện tử thay đổi các đặc tính của hệ thống treo tại từng thời điểm và phụ thuộc vào công tắc lựa chọn Chúng có thể đƣợc chia thành tích cực và bán tích cực ([17]; [18]; [19]; [20]; [21] Trong những năm 1970, các nhà khoa học đã bắt đầu nghiên cứu điều khiển hệ thống treo Crosby và Karnopp đã đƣa ra định nghĩa về hệ thống treo tích cực [1]
Hệ thống treo tích cực sẽ có một cơ cấu chấp hành đƣợc cấp nguồn năng lƣợng để tạo ra lực theo yêu cầu của bộ điều khiển, nhƣ đƣợc trình bày ở trong hình 1.2(a)
Hệ thống treo tích cực có khả năng tạo ra bất kỳ lực nào mong muốn và do đó linh hoạt hơn nhiều so với hệ thống treo thụ động truyền thống a) b)
Hình 1.2 Hệ thống treo điều khiển điện tử a) Tích cực; b): Bán bán tích cực
Mặc dù ban đầu có một số sai lệch trong thuật ngữ, các định nghĩa cho hệ thống treo tích cực, bán tích cực và thụ động hiện đã trở nên khá chuẩn hóa ([1]; [22]; [23]) Hệ thống điều khiển kiểm soát dao động của hệ thống treo đƣợc cho là tích cực, thụ động hoặc bán tích cực tùy thuộc vào lƣợng công suất bên ngoài cần thiết để hệ thống thực hiện chức năng của nó [24] Hệ thống treo khí nén sử dụng nguồn năng lƣợng từ nguồn khí nén bên ngoài nên sẽ tiêu tốn năng lƣợng hơn [25] Còn van tiết lưu trong hệ thống bán tích cực sẽ được cung cấp một lượng nhỏ năng lƣợng để điều chỉnh hệ số giảm chấn và hấp thụ năng lƣợng dao động truyền đến khối lƣợng đƣợc treo nhƣ đƣợc biểu diễn trong hình 1.2b [23] Năng lƣợng đƣợc sử
8 dụng trong một hệ thống bán tích cực chỉ để vận hành van tiết lưu hoặc cung cấp năng lượng cho một nam châm điện nhỏ để thay đổi các đặc tính lưu biến (hệ số cản giảm chấn) của chất lỏng [26]
Chỉ tiêu đánh giá hệ thống treo
Năm 1988, Redfield và Karnopp đã thực hiện một phân tích đa mục tiêu toàn diện về hệ thống treo hai bậc tự do (2DOF) chỉ sử dụng các mô hình tuyến tính và các phép đo RMS [92] Họ đã xem xét cả hai hệ thống thụ động và tích cực bằng cách sử dụng "đường cong giới hạn" Redfield và Karnopp đã đưa ra một phân tích tương đương với tối ưu hóa Pareto ngày nay Ba chỉ tiêu hiệu suất được họ sử dụng là giá trị RMS của:
1 - Gia tốc khối lƣợng đƣợc treo,
3 - Sự thay đổi lực tiếp xúc của bánh xe
Các chỉ tiêu này tương ứng như sau: 1) dùng để đánh giá độ êm dịu và sự thoải mái cho người ngồi trên xe, 2) dùng để theo dõi hệ thống treo và 3) dùng để đánh giá khả năng truyền lực của bánh xe Phân tích của họ cho thấy rằng các mục tiêu này có thể mâu thuẫn với nhau; Ví dụ, sự thoải mái có thể đƣợc tăng lên thì việc bám đường có thể giảm xuống Họ cũng chỉ ra rằng, về mặt lý thuyết hệ thống treo tích cực sẽ cho hiệu quả hơn hệ thống treo bị động
Redfield và Karnopp đã sử dụng RMS gia tốc thẳng đứng thân xe làm chỉ tiêu chính để đánh giá độ êm dịu Smith và cộng sự đã phân tích một nghiên cứu tâm lý học liên quan đến sự thoải mái khi đi xe với nhiều tiêu chí và tiêu chuẩn của các cơ quan tiêu chuẩn khác nhau [93], bao gồm tiêu chuẩn của Tổ chức Tiêu chuẩn Quốc tế (ISO), các chỉ số Tàu đệm khí đô thị (Urban Tracked Air Cushion Vehicle- UTACV) và các chỉ số Công suất hấp thụ để đo lường sự thoải mái khi đi xe [93] Nghiên cứu này “đƣợc hỗ trợ một phần bởi Bộ Giao thông Vận tải Hoa Kỳ” kết hợp một nghiên cứu tâm lý sâu rộng sử dụng hai phương tiện, 78 hành khách khác nhau và 18 đoạn đường khác nhau [93] Các biện pháp tâm lý và các biện pháp vật lý đã đƣợc tính toán và so sánh Nghiên cứu đã xem xét cả gia tốc thân xe và gia tốc ghế ngồi, và kết luận rằng RMS gia tốc thẳng đứng là một yếu tố dự báo tốt về sự thoải mái khi đi xe cũng nhƣ bất kỳ biện pháp nào khác đƣợc sử dụng vào thời điểm đó RMS hành trình dịch chuyển thân xe đã đƣợc sử dụng làm chỉ tiêu cho hành trình thẳng đứng [92] Giá trị này càng nhỏ thì hệ thống treo ở gần điểm cân bằng của hệ thống treo càng tốt và hệ thống treo bám sát mặt đường càng tốt Tuy nhiên, mục tiêu của hành trình thẳng đứng không phải là giảm thiểu việc di chuyển, mà là
23 hạn chế việc di chuyển trong giới hạn không gian treo Mục đích chính là ngăn hệ thống treo không va chạm mạnh vào giới hạn hành trình của hệ thống treo hoặc va chạm mạnh vào bánh xe và thân xe Việc giảm lực tiếp xúc của bánh xe với mặt đường sẽ dẫn đến giảm khả năng bám của bánh xe Hệ thống treo có sự thay đổi lực tiếp xúc lốp thấp hơn sẽ cho khả năng bám đường tốt hơn [94] Một số nghiên cứu sử dụng lực thẳng đứng giữa bánh xe và mặt đường như một chỉ tiêu về độ bám đường [63]; [40]; [95] Mô hình lốp và đường mở rộng cho phép mô hình hóa chính xác lực trong vết tiếp xúc [96]; [97]; [98]
Theo tiêu chuẩn ISO 2631-1 [99], đƣa ra chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động ô tô thông qua gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng dựa vào các công trình nghiên cứu của thế giới Gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng được xác định theo công thức (1.19):
Trong đó: a wz - Gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng a w - Gia tốc theo phương thẳng đứng theo thời gian
Chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu ô tô gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng theo tiêu chuẩn ISO 2631-1 dựa vào bảng 1.1 [99]:
Bảng 1.1 Bảng đánh giá độ êm dịu ô tô theo ISO 2631-1 [99] a WZ (m/s 2 ) Cấp êm dịu
Thông qua các mô hình dao động vật lý và toán học của toàn bộ xe hoặc các phần mềm chuyên dùng hoàn toàn xác định gia tốc dao động theo miền thời gian hoặc miền tần số Hiện nay phương pháp này đã được các nhà khoa học trên khắp
24 thế giới áp dụng ISO 2631-1 để phân tích độ êm dịu của dao động các phương tiện giao thông
Qua phân tích các chỉ tiêu đánh giá mức độ ảnh hưởng của dao động cũng như chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô, hướng luận án có hướng về chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động thông qua chỉ tiêu gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng công thức (1.19) bởi: thông qua mô phỏng có thể xác định được gia tốc theo phương thẳng đứng theo thời gian và giá trị gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng, ngoài ra luận án cũng tập trung vào tiêu chí độ giảm gia tốc, dịch chuyển thân xe cực đại và thời gian dập tắt dao động.
Mục tiêu luận án
Nghiên cứu thuật toán điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo bán tích cực nâng cao khả năng dập tắt dao động của hệ thống treo và giảm số lƣợng cảm biến cho phép giảm giá thành của hệ thống điều khiển.
Đóng góp mới của luận án
- Xây dựng đƣợc mô hình tham số mô phỏng đặc tính giảm chấn MR và khảo sát được ảnh hưởng của các dạng tín hiệu điều khiển đến đặc tích của giảm chấn
- Phân tích các kết quả mô phỏng đã tìm ra đƣợc thuật toán điều khiển giảm chấn nâng cao khả năng dập tắt dao động của hệ thống treo và chỉ sử dụng 2 cảm biến cho phép giảm giá thành của hệ thống điều khiển;
- Luận án đã xây dựng được hệ thống thực nghiệm và phương pháp thực nghiệm xác định thông số mô hình giảm chấn MR.
Nội dung của luận án
- Nghiên cứu, đánh giá các hướng nghiên cứu trước để lựa chọn phương án nghiên cứu phù hợp;
- Xây dựng mô hình mô phỏng, đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống treo có giảm chấn MR
- Đề xuất thuật toán điều khiển tối ƣu (LQR) kết hợp với bộ quan sát trạng thỏi (Kalman) trờn cơ sở mụ hỡnh hệ thống treo ẳ;
- So sánh và đánh giá hiệu quả dập tắt dao động, lực giảm chấn cần thiết sử dụng trong điều khiển, từ đó lựa chọn phương án sử dụng 02 cảm biến hợp lý cho điều khiển;
- Thiết kế chế tạo hệ thống thực nghiệm xác định đặc tính điều khiển của giảm chấn MR;
- Thực nghiệm xác định đặc tính tham số mô hình của giảm chấn MR sử dụng trên hệ thống treo trước ô tô Acurra 2011.
Bố cục luận án
Bố cục luận án gồm 4 chương:
- Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
- Chương 2: Xây dựng mô hình
- Chương 3: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển
- Chương 4: Thực nghiệm xác định đặc tính giảm chấn MR
Kết luận
Hệ thống treo là một hệ thống tiện nghi giúp cho người lái và hành khách trên xe đƣợc thoải mái khi ô tô di chuyển, điều này giúp cho việc giao thông đƣợc an toàn hơn Việc nghiên cứu phát triển hệ thống treo đã đƣợc nghiên cứu từ rất sớm, từ những năm đầu của thế kỷ 20 cho đến nay Tuy nhiên hiện tại hệ thống treo điều khiển điện tử vẫn chủ yếu đƣợc trang bị trên các ô tô đời cao, chƣa thật sự phổ rộng trên các xe phân khúc thấp Nguyên nhân cho việc hệ thống treo có điều khiển chậm phát triển hơn so với các hệ thống điều khiển tự động khác trên ô tô đƣợc cô đọng trong 3 yếu tố, đó là: Năng lƣợng cần thiết sử dụng trong điều khiển hệ thống, đối tƣợng điều khiển là lò xo hay giảm chấn và cuối cùng là công nghệ cảm biến phục vụ cho hệ thống điều khiển Vì vậy, luận án sẽ tập trung vào thuật toán điều khiển để làm giảm số lƣợng cảm biến cần thiết dùng trong hệ thống, ngoài ra thuật toán hướng đến sử dụng loại cảm biến đơn giản, dễ chế tạo và giá thành rẻ, từ đó nâng cao đƣợc tính kinh tế, lựa chọn vị trí lắp ráp đơn giản, giúp việc bảo dƣỡng sửa chữa đƣợc dễ dàng Nội dung nghiên cứu thuật toán điều khiển và lựa chọn cảm biến sẽ được trình bày ở các chương tiếp theo
XÂY DỰNG MÔ HÌNH
Đặt vấn đề
Mô hình hóa nhằm thay thế đối tƣợng gốc bằng một mô hình thu nhận các thông tin quan trọng về đối tƣợng mô phỏng trên mô hình Trong thực tế mô hình hoá là lý thuyết xây dựng mô hình và nghiên cứu mô hình để hiểu biết về đối tƣợng gốc Trong nghiên cứu về các hệ thống tiện nghi, đặc biệt là các hệ thống liên quan đến dao động, cụ thể là hệ thống treo, nghiên cứu thường tập trung vào các dạng mô hình sau:
2.1.1 Mô hình hệ thống treo toàn xe
Mô hình toàn xe ô tô là một mô hình vật lý, các vị trí tương quan của hệ thống treo ô tô được thể hiện tương đối giống với ô tô trong thực tế Sơ đồ mô hình nhƣ hình 2.1 [100]
Hình 2.1 Mô hình không gian xe con
Trên mô hình này gồm hệ thống treo độc lập trên cả 2 cầu, các thông số của hệ thống treo trên 1 cầu thường được chọn giống nhau Ngoài ra, người nghiên cứu có thể cho thêm mô hình ghế của người lái ở phần khối lượng được treo Mô hình loại này thường được dùng để mô hình hoá trong việc đánh giá dao động của ô tô, tính êm dịu của thân xe, khả năng tách bánh xe, xác định các góc lắc dọc, lắc ngang, góc xoay thân xe… Mô hình này là mô hình tổng thể hệ thống treo toàn xe nên phạm vi ứng dụng của mô hình này rất rộng, có thể đánh giá nhiều thông số cũng nhƣ trong tính toán, nâng cấp và phát triển hệ thống treo Tuy nhiên, do mô hình quá nhiều thông số, việc thiết lập mô hình tương đối phức tạp và do đó việc mô phỏng để hệ thống chạy ổn định là tương đối khó khăn
2.1.2 Mụ hỡnh hệ thống treo ẵ Để giảm thiểu sự phức tạp trong mô hình hệ thống treo toàn xe mà vẫn nghiên cứu được một số chỉ tiêu an toàn trong hệ thống treo theo 1 phương nào đó, nghiờn cứu thường sử dụng mụ hỡnh hệ thống treo ẵ Tựy vào ứng dụng cụ thể của từng nghiờn cứu người ta cú thể chọn mụ hỡnh hệ thống treo ẵ trong mặt phẳng ngang (nghiên cứu góc lắc ngang thân xe trong trường hợp quay vòng) hay mô hình hệ thống treo ẵ trong mặt phẳng dọc (nghiờn cứu gúc lắc dọc-gúc chỳi trong trường hợp kéo hoặc phanh) [101] Một mô hình thường được sử dụng trong nghiên cứu sự mất ổn định khi phanh hoặc khi tăng tốc đƣợc thể hiện trên hình 2.2
Hình 2.2 Mô hình phắng dao động ô tô 2 cầu
Trên mô hình này biểu thị dao động liên kết ô tô 2 cầu ở dạng mô hình phẳng, tức là ô tô đƣợc giả thiết đối xứng qua trục dọc của xe và xem độ mấp mô của biên dạng đường ở dưới bánh xe trái và phải là như nhau Khối lượng treo được qui dẫn về trọng tâm phần treo biểu thị qua giá trị khối lƣợng m b (đại diện cho khối lƣợng đƣợc treo là thân xe) và m w1 , m w2 (đại diện cho khối lƣợng không đƣợc treo là cầu xe) với 4 bậc tự do Mô hình này hiệu quả với bài toán bố trí chung, là mô hình đơn giản khi nghiên cứu về đường và phân bố tải khi phanh hoặc tăng tốc
2.1.3 Mụ hỡnh hệ thống treo ẳ
Với 2 mụ hỡnh toàn xe và mụ hỡnh ẵ, việc thiết lập hệ thống treo vẫn cũn khỏ phức tạp, trong nghiên cứu về dao động của hệ thống treo còn có một mô hình thường được sử dụng khỏ nhiều, đú là mụ hỡnh hệ thống treo ẳ [4], [81]
Mụ hỡnh hệ thống treo ẳ bao gồm khối lƣợng đƣợc treo (thay thế cho khối lƣợng thân xe) và khối lƣợng không đƣợc treo (thay thế cho khối lƣợng bánh xe và các thành phần liên kết) Phần treo và không đƣợc treo liên kết với nhau thông qua
28 các phần tử đàn hồi của treo và giảm chấn, có độ cứng là k, hệ số cản giảm chấn c nhƣ thể hiện trong hình 2.3
Quỏ trỡnh nghiờn cứu trong mụ hỡnh hệ thống treo ẳ chỉ xột dao động của một trong bốn bánh xe, dao động của hệ là nhỏ, tuyến tính, xung quanh vị trí cân bằng tĩnh, bánh xe lăn không trượt và luôn tiếp xúc với đường Lúc này mô hình hệ thống treo ẳ chỉ xột đến dịch chuyển của phần đƣợc treo và phần khụng đƣợc treo theo phương thẳng đứng, bỏ qua các chuyển động theo các phương khác như góc lắc ngang, lắc dọc của xe
Mụ hỡnh ẳ thường được dựng để chọn tối ưu cỏc thụng số như độ cứng lốp, khối lƣợng không đƣợc treo m w , độ cứng k và hệ số cản giảm chấn c theo các hàm mục tiêu Việc này có ý nghĩa trong bài toán điều khiển, tối ƣu hệ treo
Với ƣu điểm là mô hình đơn giản mà phạm vi ứng dụng tốt trong nhiều nghiờn cứu, nờn mụ hỡnh hệ thống treo ẳ vẫn đƣợc coi là mụ hỡnh nghiờn cứu kinh điển trong phạm vi nghiên cứu và phát triển thuật toán điều khiển trên hệ thống treo
2.1.4 Mụ hỡnh hệ thống treo ẳ bỏn tớch cực
Mụ hỡnh hệ thống treo ẳ bỏn tớch cực đƣợc thể hiện trờn Hỡnh 2.4
Với tiêu chí hệ thống treo có điều khiển phải đảm bảo khả năng dao động của không gian treo thể hiện thông qua biên độ dao động cực đại, độ êm dịu thông qua gia tốc dao động cực đại và gia tốc bình phương trung bình, tính năng an toàn bằng áp lực bánh xe với mặt đường nên nghiên cứu sử dụng mô hình 2 khối lượng
Trong sơ đồ này, hệ thống treo có trang bị một giảm chấn điều khiển đƣợc (tạo ra lực f trên hình 2.4) và bộ điều khiển giảm chấn Bộ điều khiển làm nhiệm vụ tính toán lực giảm chấn cần thiết (f) trên cơ sở các tín hiệu trạng thái trong khi hệ thống
29 treo hoạt động do cảm biến gửi về Do mô hình này chỉ xét theo phương thẳng đứng nên các thông số trạng thái của mô hình sẽ được biểu diễn thông qua phương trình động lực học thẳng đứng Các phương trình chuyển động của hệ thống được thể hiện theo công thức (2.1)
Hỡnh 2.4 Mụ hỡnh hệ thống treo ẳ bỏn tớch cực w w w w w w w
Trong đó: z z z b , b , b : dịch chuyển, vận tốc và gia tốc của khối lƣợng đƣợc treo; z r : biên dạng mặt đường; w, w, w z z z : dịch chuyển, vận tốc và gia tốc của khối lƣợng không đƣợc treo;
Các thông số kết cấu hệ thống treo bao gồm:
, t k k : độ cứng của phần tử lò xo và độ cứng của lốp; c: hệ số cản giảm chấn; f : lực giảm chấn cần thiết do bộ điều khiển tính toán Lực này chính là lực giảm chấn cần thiết đƣợc tính toán từ bộ điều khiển và đƣợc gửi sang cơ cấu chấp hành (giảm chấn có điều khiển) tạo ra lực giảm chấn tác động vào hệ thống Thành phần lực này nói cách khác chính là lực mong muốn đƣợc tính toán từ bộ điều khiển thông qua các thuật toán khác nhau tương ứng với số lượng trạng thái cần thiết sử dụng trong hệ thống Theo phương trình (2.1), vế bên phải thể hiện cho lực giảm chấn cần thiết dùng trong điều khiển, vế trái là thể hiện các thông số trạng thái của
Giảm chấn từ tính
Bộ giảm chấn từ tính (MRD) là một trong những thiết bị bán tích cực đang ngày càng đƣợc sử dụng nhiều trong kỹ thuật ô tô bởi những ƣu điểm vƣợt trội của chúng trong khả năng kiểm soát lực giảm chấn Như đã đề cập trong Chương 1, một số phương tiện từ thô sơ đến phức tạp cũng hiện đang sử dụng chúng Một tính chất đặc biệt của MRD là dầu từ tính có trong giảm chấn, loại dầu có các đặc tính lưu biến, có độ nhớt thay đổi bằng cách tác dụng từ trường khác nhau lên nó, khi kiểm soát được cường độ từ trường (tức là dòng điện hay điện áp thay đổi trên cuộn dây điện từ) thì có thể kiểm soát đƣợc lực sinh ra bởi giảm chấn
Chất lỏng từ tính hoặc chất lỏng từ hoá thuộc họ chất lỏng có các đặc tính phụ thuộc vào cường độ của điện trường hoặc từ trường (gọi chung là trường) Họ này là các chất lỏng chứa sắt từ (Ferrofluids), bao gồm cả chất lỏng điện trường (ER) cũng như chất lỏng từ trường (MR) [27]
Ferrofluid là huyền phù dạng keo của các hạt từ tính nhỏ hơn 10nm (thường làm bằng chất sắt từ) lơ lửng trong chất lỏng như nước, hydrocacbon, este, v.v Khi có từ trường bên ngoài, độ nhớt của các chất lỏng này thay đổi, độ tăng của độ
33 nhớt tỷ lệ với cường độ cục bộ của từ trường
Chất lỏng ER và MR rất nhạy cảm với điện trường hoặc từ trường tác động vào Đặc tính đặc biệt của những chất lỏng này là khả năng của chúng có thể thay đổi thuận nghịch từ chất lỏng nhớt tuyến tính, chảy tự do, thành chất bán rắn với cường độ chảy nhỏ và có thể được kiểm soát nhanh, liên tục (thời gian thay đổi tính bằng ms) khi nó được tiếp xúc với điện trường hoặc từ trường
Trong trường hợp không có trường tác dụng, chất lỏng ER và MR có đặc tính động lực học như các chất lỏng thông thường và tuân theo theo định luật Newton Khi xuất hiệu trường bên ngoài tác động vào, dẫn đến sự phân cực của các hạt lơ lửng bên trong chất lỏng, từ đó gây nên các chuyển động để giảm hoặc tiêu hao năng lƣợng của chính chất lỏng đó Năng lƣợng tiêu hao bởi các chuỗi hạt đƣợc sắp xếp theo hướng của trường bên ngoài Những chuỗi hạt này chuyển động có cấu trúc theo hướng chuyển động của chất lỏng, do đó thay đổi các đặc tính lưu biến của nó thông qua sự gia tăng ứng suất dòng chảy theo hướng vuông góc với trường tác động vào Năng lƣợng cơ học tạo ra các cấu trúc giống nhƣ chuỗi này sẽ tăng lên khi trường tác dụng tăng lên
Vì ứng suất dòng chảy có thể thay đổi thuận nghịch bằng việc kiểm soát cường độ trường, nên cả chất lỏng ER và MR ngày càng được quan tâm trong các hệ thống cơ khí và hệ thống điện Đặc tính lưu biến của các chất lỏng được chia thành hai chế độ: trước và sau với hiệu suất riêng biệt Trong chế độ trước, cả hai chất lỏng hoạt động giống nhƣ chất rắn đàn hồi do chuỗi kéo dài với một số vết đứt không liên tục, trong khi ở chế độ sau hiệu suất có sự cân bằng giữa các vết đứt và sự biến đổi chuỗi, lúc này chất lỏng hoạt động giống như chất lỏng thông thường Đặc tính hoạt động của chất lỏng MR và ER đƣợc mô hình hóa bằng mô hình
Bingham có ứng suất dòng chảy thay đổi [102]:
(2.5) trong đó (field) là độ lớn của trường, là tốc độ cắt chất lỏng, η là độ nhớt dẻo (tại trường bằng 0) và y là ứng suất dòng chảy
Dưới ứng suất dòng chảy (tại các biến dạng có bậc từ 10 -3 ), chất lỏng hoạt động có tính đàn hồi và độ nhớt thay đổi theo công thức:
G (2.6) trong đó G là môđun vật liệu, phụ thuộc vào trường [103]
Chất lỏng MR ban đầu ít đƣợc nghiên cứu hơn chất lỏng ER nhƣng trong những năm gần đây chất lỏng MR đã đƣợc nghiên cứu rộng rãi do có một số đặc tính đặc biệt có liên quan đến độ bền (tuổi thọ), độ ổn định của chúng đối với các ứng dụng kỹ thuật trong đời thực Bảng 2.2 thống kê một số đặc tính của chất lỏng
ER và MR điển hình [104]
Bảng 2.2 Các đặc tính vật lý của chất lỏng ER và MR [27], [104] Đặc tính Chất lỏng ER Chất lỏng MR
Thời gian đáp ứng Mili giây Mili giây Độ nhớt, (ở 25 0 C) 0.2ữ0.3 Paãs 0.2ữ0.3 Paãs
Phạm vi nhiệt độ +10÷+ 90ºC (ion, DC)
-40 0 C÷ +150ºC Ứng suất dòng chảy cực đại
Trường tối đa ~ 4 kV/mm ~ 250 kA/m
Tỉ trọng 1×10 3 ÷2×10 3 kg/m 3 3×10 3 ÷4×10 3 kg/m 3 Mật độ năng lƣợng cực đại 10 3 J/m 3 10 5 J/m 3
Sự ổn định Không thể lẫn các tạp chất Không bị ảnh hưởng bởi hầu hết các tạp chất
Chất lỏng MR (Magneto Rheological) là loại chất lỏng lưu biến có đặc tính được kiểm soát bằng cách thay đổi từ trường kích thích bên ngoài Việc phát hiện ra chất lỏng MR đƣợc công nhận bởi Rabinow tại Cục Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ
[105] Các hạt trong chất lỏng MR có phạm vi từ 3÷5 micron, là các hạt từ tính (chủ yếu là sắt) lơ lửng trong chất lỏng nhƣ dầu khoáng, dầu tổng hợp, hoặc etylen glycol, v.v Chất lỏng đóng vai trò là môi trường phân tán, đảm bảo sự đồng nhất của các hạt trong chất lỏng Các chất phụ gia (bao gồm chất ổn định và chất hoạt động bề mặt) cũng đƣợc sử dụng trong chất lỏng MR để ngăn chặn sự lắng xuống
35 do tác dụng của trọng trường và thúc đẩy sự ổn định của các hạt, các chất ổn định để giữ các hạt lơ lửng trong chất lỏng Hoạt động của chất lỏng MR đƣợc thể hiện trện hình 2.5
Hình 2.5 Minh họa về sự hoạt động của chất lỏng MR
Khi không có từ trường xuyên qua chất lỏng MR, các hạt màu sẽ phân tán ngẫu nhiên trong môi trường (Hình 2.5a) Khi có từ trường, các hạt bắt đầu chuyển động để tự sắp xếp dọc theo đường của từ thông Hình 2.5b cho thấy sự hình thành các chuỗi kim loại, tạo ra độ nhớt lớn hơn [106] Vì sự thay đổi này gần nhƣ xảy ra ngay lập tức, nên chất lỏng MR là giải pháp hiệu quả cho các ứng dụng điều khiển theo thời gian thực, nhƣ: giảm chấn, phanh, ly hợp, giá đỡ động cơ, v.v…
2.2.3 Kết cấu giảm chấn MR
Giảm chấn MR là thiết bị sử dụng điều chỉnh độ nhớt chất lỏng của MR để giảm rung động không mong muốn Với ƣu điểm khả năng kiểm soát cao, tiêu thụ điện năng thấp và độ bền lớn của các thiết bị này đã thu hút rất nhiều sự chú ý gần đây Các ứng dụng bao gồm: khớp chân giả, bộ giảm chấn, gối đỡ động cơ, thanh chống và bộ giảm chấn địa chấn cho công nghiệp dân dụng Trong các hệ thống treo ô tô thường dùng bộ giảm chấn MR tuyến tính
Kết cấu giảm chấn MR đƣợc thể hiện trên hình 2.6
Hình 2.6 Cấu tạo giảm chấn MR 1: Nắp chụp; 2: Trục; 3: Nắp chụp xi lanh; 4: Tấm cân bằng; 5: Cuộn dây điện từ; 6: Ống lót xi lanh; 7: Bệ đỡ xi lanh; 8: Piston; 9: Vành chữ O; 10: Lò xo
Thân Piston 8 có chứa cuộn dây điện từ 5 thông qua sự thay đổi dòng điện hoặc điện áp đi vào các cuộn dây điện từ làm từ trường trong xilanh thay đổi Từ
36 trường này làm thay đổi tính nhớt của chất lỏng MR, là nguyên nhân gây thay đổi áp lực dòng chất lỏng qua lỗ tiết lưu, áp lực thay đổi tỉ lệ trực tiếp với sự dịch chuyển cần Piston
Nguyên lý làm việc thể hiện trên hình 2.7
Mô hình giảm chấn MR
Bộ giảm chấn của MR có đường đặc tính là phi tuyến tính Để mô tả diễn biến hoạt động của bộ giảm chấn MR là rất khó khăn Các mô hình đƣợc đề xuất phải chính xác, nghĩa là đầu ra của mô hình dự đoán và dữ liệu thực nghiệm phải giống nhau Mô hình cũng phải đơn giản để cho phép nhận dạng thông số dễ dàng
37 và các bộ điều khiển ít phức tạp, cuối cùng có thể đảo ngƣợc, có nghĩa là các đầu vào và đầu ra khác nhau có thể đƣợc lựa chọn và thay thế
Các mô hình có thể đƣợc phân loại theo các tính chất mà chúng đại diện, chẳng hạn như vận tốc, ứng suất cắt của chất lỏng MR, hoặc theo các phương pháp mô hình hoá mô tả diễn biến hoạt động của giảm chấn MR Các mô hình thiết lập đặc tính của bộ giảm chấn MR có thể đƣợc chia thành hai loại chính: Các mô hình bán tĩnh và các mô hình động lực học Một nhóm các mô hình khác phù hợp với hoạt động của giảm chấn MR đƣợc mô tả bằng các mô hình vật lý hoặc toán học, có thể đƣợc phân loại là mô hình động tham số và mô hình động không tham số
Phân tích mô hình bán tĩnh của chất lỏng MR chảy qua một ống hẹp dưới vận tốc không đổi và dòng chảy chất lỏng hoàn toàn dựa trên mô hình vật lý Ngoài mô hình trục tương đối chính xác để dự đoán hoạt động giảm chấn của MR còn các mô hình gần đúng nhƣ mô hình tấm song song và mô hình tấm không song song a Mô hình đối xứng trục
Mô hình này phân tích các lực giảm chấn phụ thuộc vào tốc độ, do áp suất giảm qua khoảng cách dòng chảy, khi lực đƣợc đƣa vào trục của bộ giảm chấn Trước đây, Kamath và Gavin đã sử dụng phương pháp phân tích trục ngẫu nhiên trên mô hình bán tĩnh sử dụng trên giảm chấn Gavin giả sử rằng ứng suất đàn hồi thỏa mãn một quy luật nghịch đảo [107] Kamath giả định ứng suất đàn hồi liên tục trong khoảng cách hình khuyên khi nghiên cứu các hiệu ứng làm mỏng hoặc dày lên chất lỏng MR Wang và Gordaninejad đã đề xuất một mô hình đối xứng cho một giảm chấn MR cỡ lớn, sử dụng mô hình chất lỏng MR của Herschel-Bulkley [108]
Trong đó: u là vận tốc, là ứng suất cắt, r là tọa độ xuyên tâm, z là tọa độ theo chiều dọc, và p là áp suất tăng lên do chuyển động của đầu piston, là mật độ chất lỏng Trong khi phân tích mô hình bán tĩnh, điều kiện là quán tính đƣợc bỏ qua và giả định rằng áp lực thay đổi tuyến tính dọc theo chiều dài của dòng chảy Do đó, phương trình có thể được đơn giản hơn:
Trong đó: ΔP là áp suất dọc, L là chiều dài của kênh dòng chảy
Giả định rằng chất lỏng MR chống lại dòng chảy cho đến khi mức ứng suất trƣợt vƣợt qua ứng suất đàn hồi đƣợc kiểm soát nhƣ đƣợc mô tả trong công thức: y ( ) H y
Trong đó: y (H): ứng suất trƣợt, : ứng suất trƣợt tổng cộng trên toàn mặt cắt phụ thuộc vào y (H), : tỷ lệ biến dạng trƣợt và : độ nhớt động học của chất lỏng
Tổng lưu lượng của kênh MR thu được bằng cách thêm lưu lượng của tất cả các vùng dòng chảy Do lưu lượng dòng khí thay thế piston bằng với lưu lượng thể tích thông qua kênh dòng chảy, vận tốc của piston v 0 đƣợc xác định bằng cách sử dụng công thức sau:
Trong đó, Q p là lưu lượng thông qua piston, và A v là diện tích bề mặt của chất lỏng trước khi vào kênh dòng chảy Cuối cùng, C eq giảm độ nhớt tương đương có thể đƣợc thể hiện bằng cách sử dụng lực giảm chấn F và vận tốc của piston v 0 nhƣ sau:
v (2.11) b Mô hình mặt phẳng song song
Khi tỷ số giữa kích thước khoảng cách và đường kính piston là nhỏ, mô hình trục có thể đƣợc xấp xỉ bằng dòng chảy của chất lỏng MR thông qua hai ống song song Nói chung, một kênh dòng chảy hình khuyên có thể đƣợc xấp xỉ bởi một ống chữ nhật với 2πR là chiều rộng (R là bán kính trung tâm của khoảng cách hình khuyên), L là chiều dài, và h là độ dày của ống hình chữ nhật tương đương Một biểu thức đa thức cho gradient áp suất trong dòng chảy của chất lỏng Bingham thông qua một ống hình chữ nhật ban đầu đƣợc phát triển bởi Philips [109] Các đơn giản hoá tiếp theo cho các phương trình ứng suất đàn hồi trong van chế độ dòng chảy của giảm chấn MR cho kết quả:
12 c y dP dP dP Q dx dx dx h R h
Trong đó: c là một hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào vận tốc đƣợc giới hạn Nếu tích hợp phương trình với chiều dài của kênh dòng chảy chúng ta có được:
Trong đó: L p là chiều dài cực; đặt Q = A.v 0 , F = P.A chúng ta có thể có đƣợc:
(2.14) Đối với bộ giảm chấn MR tổng lực giảm chấn có thể đƣợc viết nhƣ một sự kết hợp của lực lò xo gây ra bởi bình tích khí F g , và lực do chất lỏng MR:
Trong đó: - P 0 và V 0 là áp suất ban đầu và khối lƣợng ban đầu của khoang khí,
- A s : là diện tích mặt cắt ngang của trục,
- P a là áp suất tương ứng với bình tích khí
- Tham số đại diện cho hệ số giãn nhiệt thay đổi từ 1,4÷1,7
Hình 2.8 Các thông số của piston và van điều khiển của giảm chấn MR
Trong đó: - t g là kích thước khe hở,
- R b = R c + ẵt g bỏn kớnh của hỡnh trụ tưởng tượng đến giữa khe hở t g ,
- x p là vận tốc piston Lực giảm chấn đƣợc cho bởi:
Việc mô phỏng giảm chấn MR theo các thông số hình học, các định luật dòng chảy được ưu điểm: có khả năng xác định được ảnh hưởng của các thông số hình học đến đặc tính của giảm chấn, từ đó có thể đề xuất các kích thước trong giảm chấn phù hợp với yêu cầu thực tế Từ đó mô hình này có khả năng phân tích tìm
40 hiểu cơ chế hình thành lực giảm chấn thường dùng trong thiết kế mới giảm chấn Tuy nhiên, để xây dựng được mô hình mô phỏng giảm chấn MR theo phương pháp này tương đối khó khăn, bởi các thông số hình học khá nhiều, từ đó khiến cho mô hình phức tạp hơn, việc xác định các mối quan hệ giữa các thông số đến đặc tính giảm chấn đòi hỏi kỹ thuật tính toán tốt hơn Mặt khác với một giảm chấn có sẵn của nhà sản xuất, vấn đề cần quan tâm đến đặc tính điều khiển, do đó ta có thể lựa chọn các mô hình khác để có thể đơn giản hơn về thông số kết cấu Vì vậy, phương pháp mô phỏng giảm chấn MR theo các mô hình tham số ngày càng đƣợc sử dụng với ƣu điểm nổi trội là các thông số trong mô hình ít hơn, sơ đồ mô phỏng đơn giản hơn nhƣng vẫn đảm bảo đúng đặc tính của giảm chấn MR
2.3.2 Mô hình tham số giảm chấn MR
Mô hình hệ thống treo có giảm chấn MR
Để xem xét và đánh giá hiệu quả dập tắt dao động của giảm chấn MR trong hệ thống treo, luận ỏn đó xõy dựng mụ hỡnh hệ thống treo ẳ cú giảm chấn MR Mụ hình này dùng để đánh giá hiệu quả dập tắt dao động của giảm chấn MR dưới tác dụng của các điện áp điều khiển không đổi tác dụng vào giảm chấn MR Mô hình hệ thống đƣợc biểu diễn trên hình 2.26
Sơ đồ hệ thống treo ẳ cú trang bị giảm chấn MR đƣợc thể hiện nhƣ hỡnh 2.26 Trên mô hình phần tử giảm chấn thụ động đƣợc thay thế bằng giảm chấn MR và hệ số cản giảm chấn c s không đƣợc thể hiện nữa Vì vậy, lúc này hệ thống treo chỉ còn 2 thông số là k và f (f: lực giảm chấn MR)
Từ phương trình (2.1) kết hợp với giảm chấn MR ta có phương trình như sau: w w w w w
Trong đó: f: Lực do giảm chấn MR sinh ra; đƣợc tính thông qua mô hình Dahl theo công thức: F d k x d d k wa k v w wb
Hỡnh 2.26 Mụ hỡnh hệ thống treo ẳ với giảm chấn MR
Phần bên phải là giảm chấn MR, bên trái là mô hình hệ thống treo thụ động ẳ Đầu vào của mụ hỡnh hệ thống treo ẳ là dao động của mặt đường (ở đõy NCS sử dụng tác động mặt đường dạng xung vuông kích thước 5cm) và lực từ giảm chấn
MR Đầu ra của mô hình là dịch chuyển của thân xe, dịch chuyển của bánh xe và vận tốc dao động của thân xe, vận tốc dao động này là đầu vào của mô hình giảm chấn MR
2.4.2 Mô phỏng hoạt động a Phương án mô phỏng
Trong phạm vi nghiên cứu này, NCS sử dụng xung đầu vào tác động theo dạng xung vuông để xem xét phản ứng của hệ thống treo đến dao động của thân xe dưới tác dụng của các giá trị điện áp cấp vào giảm chấn MR khác nhau NCS sử dụng mụ hỡnh Dahl ghộp vào mụ hỡnh hệ thống treo ẳ nhằm đỏnh giỏ hiệu quả của loại giảm chấn MR bố trí trong hệ thống treo Tiêu chí đánh giá là biên độ dao động lớn nhất của thân xe Phương án mô phỏng thể hiện trên Bảng 2.7
Bảng 2.7 Phương án mô phỏng hệ thống treo với giảm chấn MR
Phương án Đầu vào Điện áp (V) Tiêu chí đánh giá
1 Nhấp nhô mặt đường xung vuông
0 Biên độ, tần số dao động của thân xe
Kết quả mô phỏng đƣợc trình bày trong hình 2.27÷2.29
Hỡnh 2 27 Đặc tớnh F-v trờn hệ thống treo ẳ cú giảm chấn MR
Hỡnh 2.28 Đặc tớnh F-x trờn hệ thống treo ẳ cú giảm chấn MR
Hình 2.29 So sánh dịch chuyển thân xe
Theo đồ thị, khi tăng điện áp cấp vào giảm chấn thì lực giảm chấn cũng tăng lên Lực giảm chấn tăng phụ thuộc vào vận tốc của cần piston cũng nhƣ điện áp cấp vào giảm chấn Khi điện áp càng cao thì biên độ dao động của thân xe càng nhỏ, đồng thời thời gian dao động cũng nhỏ hơn Kết quả dao động của thân xe đƣợc biểu thị trên hình 2.29.
Theo đồ thị 2.29, hiệu quả dập tắt dao động của thân xe khi có dòng điện điều khiển vào giảm chấn cao hơn hẳn so với khi không điều khiển (thụ động) Biên độ dao động cực đại của thân xe khi cấp điện áp càng lớn thì độ giảm biên độ càng cao, cụ thể, khi cấp điện áp 1V, 2V thì biên độ cực đại giảm cực đại tương ứng là 6,25% và 11,25% Ứng với điện áp điều khiển nhỏ thì biên độ dao động đƣợc giảm nhƣng thời gian dao động vẫn còn lớn, càng tăng dòng điện điều khiển thì khả năng dập tắt dao động càng cao, cả về mặt biên độ và thời gian Điều này cho thấy hiệu quả dập tắt dao động của giảm chấn MR trong hệ thống treo ẳ
Trong thực tế khi không cấp dòng điện cho giảm chấn, lực giảm chấn không bằng 0, lúc này giảm chấn MR hoạt động nhƣ một giảm chấn thụ động Bởi vì, trong thực tế độ nhớt của chất lỏng cũng là nguyên nhân gây ra hiệu ứng giảm chấn khi giảm chấn ở trạng thái tắt.
Kết luận
Nội dung chương đã tập trung phân tích lý thuyết trong xây dựng mô hình hệ thống treo ẳ , xõy dựng cỏc phương trỡnh chớnh tắc, lựa chọn phương phỏp đặt biến trạng thái để chuyển phương trình chính tắc sang phương trình không gian trạng thái, một mặt coi mặt đường là tác động đầu vào ngẫu nhiên không biết trước, từ đó mô hình được biểu diễn đơn giản hơn Ngoài ra nội dung chương đã nghiên cứu lý thuyết trong xây dựng thiết kế giảm chấn MR theo mô hình tham số Bouc-wen và Dahl Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình Dahl mô tả phản ánh quy luật vật lý của giảm chấn MR theo 3 phương diện giá trị lực, vùng làm việc và tính đối xứng phù hợp với các công bố trước đây Từ đó luận án lựa chọn mô hình Dahl trong nghiên cứu bởi mô hình này đơn giản, đặc tính lực giảm chấn sát với thực tế, số lƣợng thông số trong mô hình ít (4 thông số) rất phù hợp với điều kiện kiểm nghiệm các thông số của mô hình này trong thực tế Việt Nam
Nghiên cứu đã khảo sát đặc tính của giảm chấn MR dưới tác dụng của các dạng
56 tín hiệu điều khiển khác nhau, kết quả mô phỏng cho thấy điều khiển giảm chấn MR đạt hiệu quả tối ưu nhất sử dụng tín hiệu điều khiển dạng “sin” sườn dương có tần số điều khiển trùng với đặc tính của dao động đầu vào Tuy vậy, việc thiết kế bộ tạo ra xung điều khiển theo dạng xung sin có tần số trùng với tần số dao động của thân xe là vô cùng khó khăn, vì vậy, trong nghiên cứu của luận án lựa chọn dạng tín hiệu điều khiển là dạng điện áp không đổi bởi vì vừa đảm bảo hiệu quả làm việc của giảm chấn, vừa có tính đơn giản trong thiết kế mạch điều khiển
Ngoài ra, trong phần cuối chương còn tập trung mô phỏng tích hợp mô hình hệ thống treo ẳ cú giảm chấn MR, mụ phỏng khảo sỏt hiệu quả dập tắt dao động đƣợc điều khiển bởi điện ỏp khụng đổi Cụ thể, hoạt động hệ thống treo ẳ cú giảm chấn
MR với các dòng điện điều khiển 1V và 2V Việc đánh giá hiệu quả dập tắt dao động thông so sánh dịch chuyển của thân xe cho thấy hiệu quả của giảm chấn MR trong khả năng dập tắt dao động của hệ thống treo Biên độ dao động cực đại của thân xe khi cấp điện áp càng lớn thì độ giảm biên độ càng cao, cụ thể, khi cấp điện áp 1V, 2V thì biên độ cực đại giảm cực đại tương ứng là 6,25% và 11,25% Kết quả cho thấy ảnh hưởng của giảm chấn MR trong hiệu quả dập tắt biên độ dao động của hệ thống treo, khi có điện áp cấp vào cho giảm chấn MR thì hiệu quả dập tắt dao động nhanh hơn, với điện áp điều khiển càng cao, khả năng dập tắt dao động cả về mặt biên độ cũng nhƣ thời gian dao động càng đƣợc giảm nhiều
Từ các kết quả trên, người dùng có thể kiểm soát lực giảm chấn của bộ giảm chấn MR bằng cách thay đổi điện áp hoặc dòng điện cung cấp đầu vào cho cuộn dây từ Đây là bước cần thiết trong nghiên cứu thuật toán và phát triển điều khiển hệ thống treo bán tích cực có trang bị giảm chấn MR
XÂY DỰNG, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
Đặt vấn đề
Như đã phân tích và lựa chọn trong chương 2, cần xây dựng thuật toán điều khiển nhằm đáp ứng đƣợc hiệu quả điều khiển cũng nhƣ giảm số lƣợng cảm biến sẽ sử dụng trong hệ thống Bộ điều khiển cần đảm bảo đƣợc yêu cầu về khả năng có thể điều khiển, số tín hiệu hoặc số trạng thái sẽ sử dụng trong mô hình Ngoài ra, thuật toán điều khiển cần đơn giản để việc dịch sang mã chương trình cho phát triển phần cứng sau này đƣợc dễ dàng
Hình 3.1 là sơ đồ điều khiển cho hệ thống treo bán tích cực
Hình 3.1 Sơ đồ điều khiển hệ thống treo bán tích cực
Trên mô hình này, hệ thống treo là sự kết hợp của hệ thống treo thụ động thông thường kết hợp với một giảm chấn điều khiển được (thường là giảm chấn điều khiển điện), giảm chấn loại này đƣợc điều khiển bởi một bộ điều khiển có thuật toán hoặc chương trình phụ thuộc vào người thiết kế
Bộ điều khiển làm nhiệm vụ đo các tín hiệu trạng thái từ mô hình hệ thống treo (bao gồm các trạng thái từ thân xe và bánh xe) đƣa về Các trạng thái của hệ thống treo đƣợc xác định thông qua các cảm biến Trong thực tế, có nhiều trạng thái hệ thống sẽ không xác định đƣợc, một mặt do công nghệ phát triển cảm biến, mặt khác trạng thái đó có thể đƣợc xác định hoặc quan sát thông qua các thuật toán ƣớc lƣợng Từ các trạng thái xác định đƣợc, bộ điều khiển làm nhiệm vụ tính toán điện
58 áp hoặc dòng điện tương ứng để đưa vào giảm chấn điều khiển thông qua bộ chuyển đổi lực-điện áp u (hoặc lực-dòng điện) Loại giảm chấn này là các giảm chấn điều khiển được, có thể là giảm chấn từ hoá, giảm chấn điện trường, hoặc giảm chấn sử dụng động cơ tuyến tính , với sự tác động của điện áp điều khiển mà lực giảm chấn được sinh ra tương ứng theo đặc tính vốn có của nó, lực giảm chấn này phù hợp với lực giảm chấn cần thiết để hệ thống treo hoạt động theo đúng mục tiêu đề ra
Theo hình 3.1, tín hiệu đầu vào điều khiển cho hệ thống treo bán tích cực sử dụng giảm chấn MR thực chất là tín hiệu điện áp điều khiển giảm chấn MR Từ giảm chấn MR dưới tác động của dòng điện hoặc điện áp điều khiển sẽ sinh ra lực giảm chấn tương ứng đảm bảo theo yêu cầu của hiệu quả điều khiển Lực giảm chấn này phụ thuộc vào kết cấu và đặc tính của loại giảm chấn MR sử dụng trong hệ thống treo (đặc tính Lực giảm chấn-điện áp sẽ được trình bày trong chương 4) Dòng điện hoặc điện áp điều khiển mong muốn đƣợc tính toán và chuyển đổi từ bộ chuyển đổi lực-dòng điện nằm giữa bộ điều khiển và giảm chấn
Theo sơ đồ và yêu cầu đặt ra là sử dụng 02 cảm biến trong hệ thống, vì vậy bộ điều khiển thực chất bao gồm 3 bộ:
- Bộ điều khiển lực: sẽ tính toán lực giảm chấn cần thiết (f*)cấp cho hệ thống treo
Bộ điều khiển lực hoạt động theo luật toàn phương tuyến tính (LQR) Bộ điều khiển này cần 4 thông số đầu vào (tương đương 4 biến trạng thái) là: dịch chuyển thân xe, bánh xe và vận tốc dịch chuyển thân xe, bánh xe để tính toán ra lực cần thiết
- Bộ ƣớc lƣợng (bộ quan sát Kalman): là bộ phận sẽ tính toán, ƣớc lƣợng tín hiệu đầu vào từ 2 thông số đầu vào (tương đương 2 trạng thái từ 2 cảm biến) để trở thành
4 thông số sử dụng cho bộ điều khiển lực theo phương trình (3.5)
- Bộ chuyển đổi lực - điện áp: Bộ phận này làm nhiệm vụ đƣa ra tín hiệu điện áp điều khiển cho giảm chấn MR Bộ chuyển đổi sử dụng đầu vào là tín hiệu lực giảm chấn cần thiết đƣợc tính toán từ bộ điều khiển LQR Trong thực tế, bộ chuyển đổi lực – điện áp là dạng ma trận đƣợc xác định thông qua thực nghiệm hoặc từ tính toán mô phỏng dựa trên mô hình giảm chấn với các thông số khi mô phỏng đảm bảo đặc tính lực – điện áp phù hợp với thực tế của giảm chấn thực sử dụng trong hệ thống treo
Bộ điều khiển LQR
Phương pháp điều khiển LQR là một phương pháp điều khiển mạnh để điều khiển hệ thống tuyến tính, được mô tả bằng phương trình không gian trạng thái Kỹ thuật LQR tạo ra bộ điều khiển vòng kín ổn định với năng lƣợng cung cấp cho hệ thống là nhỏ nhất Sơ đồ bộ điều khiển LQR trong các hệ thống điều khiển đƣợc thể hiện nhƣ hình 3.2
Hình 3.2 Mô hình không gian trạng thái kết hợp điều khiển LQR
Trong đó f(t): tín hiệu điều khiển y(t): tín hiệu đầu ra x(t): biến trạng thái -K * (t): Giá trị tính toán theo thuật tối ƣu
Xét đối tượng tuyến tính hoá được mô tả bởi phương trình không gian trạng thái:
Thông thường nếu hệ ổn định thì khi không bị kích thích hệ luôn có xu hướng tiến về điểm trạng thái cân bằng, tức là điểm mà khi không có tác động từ bên ngoài
(u=0) hệ sẽ luôn nằm tại đó dx 0 dt
Nhƣ vậy điểm trạng thái cân bằng phải là nghiệm của phương trình trạng thái: x 0 Và nếu giả thiết A là ma trận không suy biến thì hệ tuyến tính dx x f dt luôn chỉ có một điểm cân bằng Phương pháp điều khiển LQR được dùng cho mô hình của hệ đã tuyến tính hoá tại vị trí cân bằng Bộ điều khiển phản hồi trạng thái đƣợc xác định thông qua việc giải phương trình Ricatti để có được ma trận phản hồi trạng thái K, nhằm kéo hệ từ điểm bị nhiễu tác động về lại vị trí cân bằng sao cho quá trình này tiêu tốn năng lƣợng là thấp nhất
Trong điều khiển hệ thống treo bán tích cực thì mục tiêu của bài toán điều khiển
60 ở đây là cần xác định thành phần f sao cho với tác động từ bên ngoài không biết trước vào (z r ) véc tơ biến trạng thái z cần phải được nhanh chóng đưa về gốc tọa độ, hay nói cách khác là nhanh chóng dập tắt các dao động trong hệ gây ra bởi tác động bên ngoài theo thời gian
Trong luận án này coi đầu vào từ biên độ mặt đường là nhiễu không biết trước nên sơ đồ mô phỏng hệ thống treo với điều khiển tối ƣu LQR đƣợc thể hiện trên hình 3.3
Hình 3.3 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển hệ thống treo theo luật LQR
Trong chương 2 đã trình bày phương pháp đặt biến trạng thái, do đó phương trình không gian trạng thái của hệ thống treo có điều khiển theo luật LQR nhƣ sau: x Ax Bf Gz r y Cx
A: Ma trận vật lý của hệ, các giá trị của ma trận này phụ thuộc vào các thông số vật lý của hệ thống treo Các thông số này là: khối lƣợng đƣợc treo m b , khối lƣợng không đƣợc treo m w , các thông số của hệ thống treo: hệ số cản giảm chấn c, độ cứng phần tử đàn hồi k Độ cứng của lốp k t
B: Ma trận điều khiển, giá trị của ma trận này phụ thuộc vào thông số khối lƣợng của phần đƣợc treo và không đƣợc treo;
C: Ma trận đầu ra, ma trận này thể hiện tín hiệu đầu ra từ hệ thống treo, các giá trị trong ma trận này khi lựa chọn sẽ quyết định tín hiệu đầu ra là biến trạng thái tương ứng;
G: Ma trận nhiễu đầu vào, ma trận này là ma trận thay đổi, phụ thuộc vào mặt đường và độ cứng của lốp
Thuật toán LQR xác định tín hiệu điều khiển f sao cho thỏa mãn hàm mục tiêu có dạng toàn phương như sau:
Trong đó Q và R là các ma trận trọng số dựa trên sự cân nhắc giữa thời gian làm cho hệ ổn định chất lƣợng và tiêu hao năng lƣợng điều khiển Ma trận Q là ma trận đường chéo, thể hiện mức độ ảnh hưởng của tín hiệu trạng thái từ mô hình hệ thống treo ẳ đến bộ điều khiển Tức là, vị trớ tương ứng của trạng thỏi đú được nõng lờn so với các trạng thái khác, còn ma trận R thể hiện mức độ tiêu hao năng lƣợng trong hệ thống, nên thông thường, ma trận R thường chọn có giá trị nhỏ
Việc lựa chọn, xác định giá trị tối ƣu của ma trận Q và R sẽ quyết định cho luật điều khiển tối ưu [3] Việc lựa chọn các ma trận này chỉ phụ thuộc vào người thiết kế Nói chung, phương pháp ưu tiên để xác định các giá trị cho các ma trận là phương pháp thử và sai trong mô phỏng Trong công thức (3.3), ma trận Q và R đƣợc thể hiện nhƣ sau:
Tỉ lệ giữa các q i trong ma trận Q thể hiện trọng số mà bộ điều khiển quan tâm đến trạng thái đo Đối với đầu vào điều khiển nhỏ, thì ma trận R cần phải lớn Đối với ma trận Q, khi một trạng thái có độ lớn nhỏ, tương ứng phần tử đường chéo trong ma trận Q phải lớn Khi ma trận Q cố định, việc giảm giá trị của ma trận R sẽ làm giảm thời gian chuyển tiếp nhƣng sẽ giảm trạng thái ổn định Trong điều kiện khác, khi R đƣợc giữ cố định nhƣng Q giảm, thời gian chuyển tiếp sẽ tăng lên, nhƣng sẽ tăng sự ổn định làm việc của hệ thống
Việc lựa chọn các ma trận Q và R sẽ quyết định chiến lƣợc điều khiển LQR Vì vậy, các ma trận Q và R cần phải được lựa chọn phù hợp tương ứng với khả năng của người thiết kế điều khiển Khi không biết các giá trị Q và R, người ta thường dùng quy tắc Bryson, quy tắc này có thể cung cấp phương pháp xác định ma trận Q và R theo phương trình (3.4)
Trong đó: x ii : Thông số trạng thái
Giá trị lớn nhất của trạng thái đƣợc xác định bằng cách mô phỏng không có đầu vào Ma trận R ban đầu có thể đặt thành 1 và sau đó đƣợc điều chỉnh bằng cách tìm đầu vào tối đa khi mô phỏng bộ điều khiển Để kết quả trở nên tốt hơn, trong luận án này NCS điều chỉnh Q và R theo cách thủ công và nhận thấy rằng với các ma trận Q và R lựa chọn khác nhau cho ra kết quả tốt hơn, từ đó lựa chọn đƣợc ma trận
Q à R tối ƣu nhất cho điều khiển
Cụ thể, trong luận án này, NCS lựa chọn ma trận Q và R nhƣ sau:
Tại vị trí q 11 và q 33 lựa chọn lớn hơn so với q 22 và q 44 , và lớn hơn rất nhiều so với ma trận R Điều này cho thấy mức độ quan tâm đến biến trạng thái dịch chuyển thân xe và bánh xe nhiều hơn so với các biến trạng thái khác
Theo sơ đồ thì bộ điều khiển LQR đƣợc thay thế bằng ma trận K Luật điều khiển có dạng:
Trong đó x i (i=1÷4): các biến trạng thái;
K: ma trận phản hồi trạng thái; f * : Lực giảm chấn cần thiết
K được xác định từ phương trình Ricatti:
Theo sơ đồ hình 3.3 và phương pháp đặt biến trạng thái, ma trận K là ma trận
4×4 với đầu vào là 4 biến trạng thái Ma trận K có giá trị thay đổi, khi các ma trận trọng số tính đến hiệu quả điều khiển (ma trận Q) và mức độ tiêu hao năng lƣợng (ma trận R) trong điều khiển thay đổi Nhƣ vậy, ứng với mỗi hệ thống cố định, và lựa chọn ma trận Q và R nhƣ trên thì giá trị K này không thay đổi trong suốt quá trình điều khiển Với các giá trị vật lý theo Bảng 1 và lựa chọn ma trận trọng số Q
63 và R xác định đƣợc ma trận K với các giá trị nhƣ sau:
Thay vào phương trình (3.4), lực giảm chấn sẽ được xác định như sau:
Bộ quan sát Kalman (bộ lọc Kalman)
Trong các phương pháp điều khiển phản hồi trạng thái, giả thiết vector tín hiệu trạng thái x là đo đƣợc (thông qua các cảm biến) đƣa về cho bộ điều khiển Điều này đòi hỏi các cảm biến đó phải thể hiện đúng trạng thái của hệ thống Tuy nhiên, trong thực tế không phải biến trạng thái nào cũng đƣợc thể hiện thông qua các cảm biến bởi có khá nhiều biến trạng thái không thể đo đƣợc trực tiếp mà chỉ có thể xác định đƣợc một cách gián tiếp thông qua những tín hiệu đo đƣợc khác Chẳng hạn trong nghiên cứu này, biến trạng thái mặt đường không thể đo được Vì vậy, có nhiều phương pháp có thể được tiếp cận bằng cách không dùng nó làm biến trạng thái, hoặc quan sát nó thông qua các biến trạng thái khác
Hình 3.4 Sơ đồ khối kết nối bộ lọc Kalman
Trong đó x ˆ: trạng thái ƣớc lƣợng
Lý thuyết lọc Kalman đƣợc đề xuất từ năm 1960 bởi R.E.Kalman mô tả một giải thuật truy hồi để giải quyết bài toán lọc thông tin rời rạc tuyến tính Một cách khái quát, bộ lọc Kalman là tập hợp các phương trình truy hồi cho phép ước lượng trạng thái của một quá trình theo tiêu chuẩn bình phương nhỏ nhất Bộ lọc Kalman
65 rất hiệu quả trong việc ước lượng các trạng thái trong quá khứ, hiện tại và cả tương lai ngay cả khi mô hình của hệ thống không đƣợc biết chính xác Sơ đồ của bộ lọc Kalman đƣợc trình bày nhƣ hình 3.4 Đối với bộ lọc Kalman, thuật ngữ “lọc” không đƣợc hiểu nhƣ các bộ lọc thông thường Bộ lọc Kalman là một giải thuật tính toán dựa vào tất cả các thông tin nhận đƣợc ở đầu vào để đƣa ra thông tin đầu ra đáng tin cậy nhất
Bộ lọc Kalman có khả năng loại bỏ các nhiễu trắng mà nó nhận đƣợc ở đầu vào dựa vào các thống kê trước đó và hiệu chỉnh lại bằng các giá trị đo hiện tại nhờ có cơ chế cập nhật sai lệch tại mỗi thời điểm tính toán nên giá trị ƣớc lƣợng đƣợc ổn định và chính xác Trên hình 3.5 là sơ đồ bộ lọc Kalman liên tục
Hình 3.5 Sơ đồ bộ lọc Kalman liên tục
Bộ lọc Kalman là bộ lọc hồi qui giúp cho việc ƣớc lƣợng hiệu quả các trạng thái quá khứ, hiện tại và thậm chí tương lai của hệ thống động học khi giải quyết nhiễu Gaussian Bộ lọc thực hiện tối thiểu hiệp biến tiệm cận của sai lệch ƣớc lƣợng Lựa chọn hiệp biến nhiễu quá trình Q e và hiệp biến nhiễu cảm biến R e có ảnh hưởng lớn đến hệ số của bộ lọc trạng thái tối ƣu L (ma trận L trong hình 3.5) [88]; [89]
Hình 3.6 Bộ quan sát Kalman trong điều khiển hệ thống treo bán tích cực
Mục đích của công cụ là ƣớc tính các trạng thái làm việc của hệ thống treo dựa trên phương pháp đặt biến trạng thái của mô hình (mục 2.1 chương 2) Các giá trị ƣớc tính dựa trên tín hiệu đầu ra từ hệ thống treo, tín hiệu đầu ra là tín hiệu cảm biến đặt ở bánh xe và thân xe Sơ đồ kết nối bộ quan sát Kalman trong điều khiển
66 hệ thống treo bán tích cực nhƣ hình 3.6
Bộ quan sát Kalman làm nhiệm vụ ƣớc lƣợng, tính toán tín hiệu đầu ra cho bộ điều khiển LQR Vì vậy, bộ Kalman sẽ ƣớc lƣợng từ 2 trạng thái của hệ thống treo thành 4 tín hiệu cho đầu vào điều khiển LQR (do bộ điều khiển LQR cần 04 thông số biến trạng thái)
Bộ quan sát Kalman đƣợc thiết kế dựa trên thuật toán ƣớc lƣợng theo các trạng thái từ cảm biến có sẵn [88] Bộ quan sát xác định quá trình thay đổi trạng thái từ thời điểm (k-1) đến thời điểm (k) theo công thức:
- Cập nhật giá trị đo:
Trong đó: x k là vectơ trạng thái dự đoán chứa các biến trạng thái quan tâm, x k-1 là vectơ trạng thái trước, f k là vectơ đầu vào, Q e là ma trận hiệp phương sai do nhiễu, R e là ma trận hiệp phương sai phép đo nhiễu, K k là hệ số Kalman (là ma trận L trong hình 3.5), P k và I là ma trận nhận dạng Các bước thực hiện trong ước lƣợng Kalman đƣợc thể hiện trên hình 3.7
Hình 3.7 Các bước thực hiện trong Kalman
Nhƣ vậy, khi thực hiện quan sát, ƣớc lƣợng trạng thái theo Kalman sẽ bao gồm hai bước như sau:
- Bước 1: Dự báo, ước lượng từ bước trước được sử dụng để tạo ra một ước lƣợng của trạng thái hiện tại
- Bước 2 Hiệu chỉnh và cập nhật, sử dụng thông tin đo lường từ bước hiện tại để lọc dự báo đến một ƣớc lƣợng mới.
Bộ điều khiển LQG
Bộ điều khiểu tối ƣu LQG là sự kết hợp giữa bộ điều khiển phản hồi trạng thái tối ưu LQR và bộ quan sát Kalman Trong bộ điều khiển LQG, sự ảnh hưởng của các nhiễu không biết trước z r sẽ được giám sát bởi bộ quan sát Kalman và đưa ra tín hiệu trạng thái tốt nhất x z Tín hiệu trạng thái từ bộ quan sát sẽ đƣợc đƣa tới bộ điều khiển phản hồi trạng thái tối ƣu LQR để tạo ra tín hiệu điều khiển f(t) tối ƣu nhất Việc lựa chọn các giá trị trong bộ quan sát (thuật toán Kalman) phụ thuộc vào chủng loại cảm biến sử dụng trong mô hình Sơ đồ khối điều khiển hệ thống treo bán tích cực theo thuật toán LQG đƣợc thể hiện trên hình 3.8
Hình 3.8 Sơ đồ điều khiển hệ thống treo theo thuật toán LQG
Theo hình 3.8, đầu vào đối với bộ điều khiển LQG là tín hiệu đầu ra của hệ thống treo Tín hiệu đầu ra này phụ thuộc vào ma trận C (ma trận tín hiệu đầu ra-nhƣ đã phân tích trong chương 2) Việc lựa chọn các giá trị của ma trận C tương ứng với số lƣợng và chủng loại cảm biến sử dụng trong hệ thống Đầu ra của bộ điều khiển
LQG là giá trị lực mong muốn cấp cho hệ thống treo Lực mong muốn này có thể là từ giảm chấn bán tích cực, hoặc bộ phận đàn hồi điều khiển đƣợc
Mối liên hệ giữa bộ điều khiển LQR và bộ quan sát Kalman là tín hiệu ƣớc lƣợng đƣợc và lực mong muốn Tức là, tín hiệu ra từ bộ quan sát Kalman sẽ là đầu vào cho bộ điều khiển LQR, và tín hiệu ra từ bộ điều khiển LQR là tín hiệu vào cho bộ quan sát Kalman Đây là vòng lặp kín, đảm bảo đúng nguyên tắc trong hệ thống điều khiển tự động Việc tính toán, xây dựng bộ điều khiển LQR và bộ quan sát Kalman hoàn toàn độc lập
Nhƣ vậy, điều kiện để thiết kế bộ điều khiển LQG cần các yêu cầu nhƣ sau:
- Thông số mô hình vật lý của hệ thống treo Ở đây là các các ma trận: A,B,G Trong đó ma trận A là ma trận vật lý, B là ma trận điều khiển, G ma trận tín hiệu nhiễu, 3 ma trận này phụ thuộc vào phương pháp đặt biến trạng thái, đã trình bày ở chương 2
- Thông số của bộ điều khiển LQR: Với bộ điều khiển LQR, thành phần đầu ra chỉ là một ma trận tối ƣu K Việc tính toán ma trận tối ƣu K này đƣợc thiết kế bằng việc lựa chọn các ma trận trọng số Q và R, 2 ma trận này đã đƣợc lựa chọn tại mục 3.2
- Thông số của bộ quan sát Kalman Ở bộ quan sát Kalman, việc ƣớc lƣợng 4 thông số cho bộ điều khiển LQR cần được thực hiện thông qua 2 bước:
+ Bước 1: cần lựa chọn tín hiệu đầu vào cho bộ quan sát Kalman, ở đây chính là việc lựa chọn ma trận đầu ra C, việc lựa chọn ma trận này cũng đã đƣợc phân tích tại chương 2
+ Bước 2: Ứng với mỗi ma trận C đã lựa chọn thì đầu vào cho bộ quan sát Kalman sẽ có 02 tín hiệu tương ứng Việc ước lượng thành 4 tín hiệu đầu ra đảm bảo độ chính xác phụ thuộc vào lựa chọn các giá trị Q e và R e , phần này đã đƣợc trình bày ở mục 3.3
Các ma trận Q,R cho bộ điều khiển LQR, các ma trận Q e , R e cho bộ quan sát Kalman đƣợc lựa chọn một cách thủ công để tìm ra đƣợc ma trận điều khiển K và độ lợi Kalman L sao cho hợp lý nhất Nhƣ vậy, có thể thấy, ma trận Q, R là các ma trận không đổi, còn ma trận Q e , R e thay đổi theo phương pháp chọn tín hiệu đầu vào từ các cảm biến
Các ma trận Q e và R e đƣợc lựa chọn thủ công phù hợp với chủng loại cảm biến
69 trong hệ thống Cũng tương tự như trong bộ điều khiển LQR, ma trận Q e và R e được lựa chọn dựa theo loại cảm biến sử dụng trong hệ thống Cụ thể nhƣ sau:
- Với 02 loại cảm biến dịch chuyển: Q e 1.5; R e =1
- Với 02 cảm biến vận tốc: Q e =1; R e =1.09
- Với 1 cảm biến vận tốc và 1 cảm biến dịch chuyển: Q e =1; R e =1.45
Từ đó ma trận phản hồi L (độ lợi Kalman) trong hình 3.5 cho ƣớc lƣợng tối ưu của các trạng thái quá trình được tính thông qua phương trình đầu tiên của hệ phương trình 3.10
Do đó, xác định đƣợc giá trị ma trận L nhƣ sau:
- Với 02 loại cảm biến dịch chuyển:L 1 4.63 1 2.98 8.67
- Với 02 cảm biến vận tốc: L 2 0.04 1 0.42 17.2
- Với cảm 1 cảm biến vận tốc và 1 cảm biến dịch chuyển:
Mô phỏng và lựa chọn bộ điều khiển
Trong luận án này, NCS lựa chọn 02 cảm biến là cảm biến dịch chuyển hoặc cảm biến vận tốc dao động, còn vị trí lắp là trên thân xe và bánh xe Với mỗi phương án điều khiển sử dụng 2 cảm biến, thì việc lựa chọn các ma trận Q e và R e là vô cùng cần thiết, đảm bảo cho việc tính toán ƣớc lƣợng thành 4 tín hiệu đầu ra chính xác nhất
Kịch bản khi sử dụng 02 cảm biến dịch chuyển hoặc 02 cảm biến vận tốc dao động và 04 cảm biến (thuật toán LQR) so với thụ động đƣợc trình bày ở bảng 3.1 Nhƣ vậy, với bộ điều khiển LQG1, sử dụng 2 tín hiệu đầu vào là 2 cảm biến đo vận tốc dịch chuyển của thân xe và bánh xe (tương đương với ma trận C=[0 1 0 1] Vì vậy, sẽ lựa chọn Q e =1; R e =1.09; còn với bộ điều khiển LQG2 sử dụng 2 tín hiệu đầu vào là 2 tín hiệu dịch chuyển (tương đương ma trận C=[1 0 1 0]) thì Q e 1.5;
R e =1 Phương án điều khiển LQR là phương án sử dụng cả 4 tín hiệu đầu vào từ 4 biến trạng thái nên không có bộ quan sát Kalman, lúc này bộ điều khiển LQR chính là bộ điều khiển ở mục 3.2 Trong cả 3 bộ điều khiển này đều sử dụng ma trận
K= 21191 2593 21638 234 là ma trận phản hồi trạng thái trong tính toán lực
70 cần thiết trong điều khiển hệ thống treo Mô phỏng sẽ so sánh hiệu quả dập tắt dao động và lực giảm chấn cần thiết cần thiết ở các phương án điều khiển khác nhau tương ứng với từng loại cảm biến và vị trí đặt khác nhau
Trong kịch bản này, luận án so sánh hiệu quả điều khiển của phương án sử dụng
02 cảm biến dịch chuyển lắp tại thân xe và bánh xe với phương án 02 cảm biến vận tốc cũng đặt tại bánh xe và thân xe, đồng thời so sánh chúng với phương án điều khiển đầy đủ 04 cảm biến cùng hệ thống treo thụ động Nghiên cứu tập trung vào phương án lựa chọn số lượng 02 cảm biến trong hệ thống, vì vậy luận án sẽ tập trung so sánh hiệu quả điều khiển khi sử dụng 02 cảm biến, đặc biệt là so sánh lực giảm chấn cần thiết tạo ra để đạt đƣợc hiệu quả mong muốn Sau khi so sánh và lựa chọn được phương án tốt nhất khi sử dụng 02 cảm biến cùng loại trong điều khiển, hướng nghiên cứu của luận án tiếp tục xây dựng phương án vẫn sử dụng 02 cảm biến nhƣng khác loại (01 cảm biến dịch chuyển và 01 cảm biến vận tốc) đƣợc lắp ở cùng 01 vị trí (thân xe hoặc bánh xe) Phương án này được biểu thị ở bảng 3.2
Bảng 3.2 Mô phỏng theo chủng loại cảm biến Đầu vào
Tiêu chí đánh giá Ghi chú z b z w z b z w
X X - Hiệu quả dập tắt dao động
- Lực giảm chấn mong muốn
Bảng 3.3 Mô phỏng theo vị trí lắp cảm biến Đầu vào
Tiêu chí đánh giá Ghi chú z b z w z b z w
X X - Hiệu quả dập tắt dao động
- Lực giảm chấn cần thiết mong muốn
Khi lựa chọn 2 loại cảm biến khác nhau (ma trận C đã thay đổi, C=[1 1 0 0] hoặc
C=[0 0 1 1]) thì các giá trị Q e và R e cũng đƣợc chọn thay đổi để phù hợp với khả năng ƣớc lƣợng của bộ quan sát Kalman Trong luận án lựa chọn Q e =1; R e =1.45
Kết quả mô phỏng sẽ đánh giá tổng thể phương án nào tốt nhất, từ đó đề xuất lựa chọn phương án điều khiển phù hợp với các tiêu chí: hiệu quả dập tắt dao động và lực giảm chấn cần thiết phải tạo ra
3.5.2 Kết quả và đánh giá a Sử dụng 02 cảm biến cùng loại
Kết quả mô phỏng đánh giá hiệu quả dập tắt dao động của thân xe theo các phương án điều khiển khác nhau được biểu thị ở các đồ thị hình 3.9
Hình 3.9 Dịch chuyển thân xe với các phương án điều khiển
Khi sử dụng bộ điều khiển LQG thì hiệu quả dập tắt dao động của bộ điều khiển LQG1 đạt cao nhất Hiệu quả dập tắt dao động đƣợc thể hiện qua biên độ dao động cực đại và thời gian dập tắt dao động Hình 3.10 thể hiện biên độ dao động cực đại của thân xe tương ứng với các phương án điều khiển
Hình 3.10 Biên độ dao động thân xe cực đại
Khi sử dụng phương án điều khiển LQG với 02 cảm biến vận tốc thì hiệu quả giảm biên độ cực đại đạt hiệu quả cao nhất, còn khi sử dụng 02 cảm biến dịch chuyển cho hiệu quả thấp hơn 1 chút Để đánh giá độ giảm biên độ dao động thân xe của từng phương án, luận án xây dựng công thức xác định phần trăm giảm biên độ của các phương án điều khiển so với hệ thống treo thụ động Công thức xác định nhƣ sau: max imax max p C p x x
Trong đó: : phần trăm giảm biên độ; p max x : biên độ thân xe cực đại ở trạng thái thụ động; x C imax : biên độ thân xe cực đại ở phương án mô phỏng thứ i
Do dao động thân xe là dao động tắt dần, vì vậy xác định thời gian dao động đƣợc xác định qua công thức: t n.T
Trong đó: n: Số dao động, đƣợc xác định qua công thức: x A n A
(3.3) Với: x A : Biên độ cực đại ban đầu
A: Độ giảm biên độ sau một chu kỳ
T: Chu kỳ dao động (Theo hình 3.11)
Hình 3.11 Đặc trưng dao động tắt dần
Kết quả so sánh hiệu quả dập tắt dao động (độ giảm biên độ cực đại và thời gian dập tắt dao động) giữa các phương án mô phỏng được thể hiện trên hình 3.12 Theo đồ thị ta thấy, khoảng cách về vị trí cân bằng giữa 2 phương án điều khiển LQG1 (hình tròn), LQG2 (hình thoi) có chút khác biệt, khoảng cách từ bộ LQG1 xa hơn so với bộ LQG2 Về mặt giảm biên độ thì bộ điều khiển LQG1 đạt hiệu quả cao hơn (giảm 22,5%), bộ điều khiển LQG2 giảm 17,73% Về tiêu chí thời gian dập tắt
73 dao động thì khả năng dập tắt dao động giữa 2 bộ điều khiển là tương đồng nhau Điều này cho thấy hiệu quả điều khiển khác nhau giữa 2 bộ điều khiển LQG Điều này cho thấy, về mặt hiệu quả dập tắt dao động thì phương án LQG1 (sử dụng 02 cảm biến vận tốc) tốt nhất Ngoài ra, so sánh vị trí trên đồ thị cho thấy hiệu quả rõ rệt giữa có điều khiển và thụ động
Hình 3.12 So sánh hiệu quả dập tắt dao động
Nhƣ vậy, khi thiết kế điều khiển cần cân nhắc về chất lƣợng điều khiển vì với mỗi thuật toán điều khiển khác nhau sẽ cho hiệu quả khác nhau Việc lựa chọn chất lƣợng điều khiển phụ thuộc vào khả năng điều khiển và cảm biến sử dụng trong hệ thống Chất lƣợng điều khiển phụ thuộc khả năng đáp ứng của năng lƣợng điều khiển hoặc lực giảm chấn cần thiết Hình 3.13 biểu thị đặc tính lực giảm chấn cần thiết theo các thuật toán điều khiển khác nhau
Hỡnh 3.13 Đặc tớnh lực giảm chấn cần thiết trong hệ thống treo ẳ
Theo đồ thị Hình 3.13, lực giảm chấn cần thiết cho điều khiển cực đại tương ứng với bộ điều khiển LQG1 lớn hơn (430N), bộ điều khiển LQG2 nhỏ hơn (231N) Theo đồ thị Hình 3.10, độ giảm biên độ tương ứng với 2 trường hợp điều khiển LQG1 và LQG2 chênh lệch khoảng 5%, nhƣng theo đồ thị hình 3.12, lực giảm chấn cần thiết cực đại của bộ điều khiển LQG1 gần gấp đôi so với bộ điều khiển LQG2, ngoài ra được đặc tính trên LQG1 xuất hiện nhiều điểm có bước nhảy Mặt khác, đường đặc tính của bộ điều khiển LQG2 tuyến tính hơn, độ cong trơn tốt hơn nhiều so với bộ điều khiển LQG1 Điều này cho thấy khả năng tạo ra và kiểm soát lực giảm chấn cần thiết của bộ LQG2 dễ dàng hơn so với bộ điều khiển LQG1, với đặc tính cong trơn, ít bước nhảy vọt hơn cũng thể hiện lực tác động vào thân xe nhẹ nhàng, tuyến tính, từ đó cũng giúp cho thân xe dao động êm dịu hơn Vì vậy, khi thiết kế bộ chấp hành tạo ra lực giảm chấn cần thiết cho hệ thống treo thì bộ điều khiển LQG2 đáp ứng tốt và dễ dàng hơn (lực giảm chấn cần thiết nhỏ nhƣng cho hiệu quả tốt) b Sử dụng 2 cảm biến khác loại, lắp cùng vị trí
Theo kịch bản bảng 3.1, luận án đã so sánh, đánh giá và lựa chọn bộ điều khiển LQG2 trong điều khiển hệ thống treo khi sử dụng 02 cảm biến cùng loại bởi hiệu quả về mặt tạo ra lực giảm chấn cần thiết mong muốn nhỏ Vì vậy, trong phần này, NCS so sánh hiệu quả điều khiển của bộ điều khiển LQG2 (sử dụng 2 cảm biến dịch chuyển đặt tại thân xe và bánh xe) với bộ điều khiển sử dụng 02 cảm biến khác loại đặt tại thân xe hoặc bánh xe So sánh dao động thân xe đƣợc biểu thị nhƣ hình 3.14
Hình 3.14 Dao động thân xe giữa LQG2, LQG3 và LQG4
Theo đồ thị hình 3.14, nhận thấy về mặt tần số dao động thì bộ điều khiển
Đánh giá hiệu quả bộ điều khiển LQG2
Để đánh giá chất lƣợng cũng nhƣ hiệu quả của bộ điều khiển LQG2, luận án tập trung đánh giá theo 3 tiêu chí Cụ thể nhƣ sau:
- Tiêu chí 1: Tăng khả năng êm dịu của thân xe, đặc trƣng bởi độ giảm gia tốc thân xe cực đại và chỉ tiêu gia tốc bình phương trung bình của thân xe (RMS)
- Tiêu chí 2: Lực tác động từ lốp xuống mặt đường
- Tiêu chí 3: Độ giảm dịch chuyển thân xe cực đại,
Trong đó với 2 tác động đầu vào là xung tác động tuần hoàn dạng hình sin và xung tác động dạng mặt đường ngẫu nhiên C-D theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 Kết quả đƣợc thể hiện ở mục 3.6.1 và 3.6.2
3.6.1 Đánh giá theo xung tác động dạng sin
Khảo sát đánh giá hiệu quả trong việc dập tắt dao động của thân xe dưới tác động của xung hình sin, biên dộ 0,05 (m), tần số 4Hz Các kết quả mô phỏng thể hiện trên đồ thị hình 3.18÷3.21
Theo đồ thị 3.18, đặc tính dịch chuyển thân xe tương đồng với biên dạng mặt đường
78 dạng sin về mặt tần số và pha, biên độ dao động cực đại thay đổi theo dạng điều khiển và không điều khiển Cụ thể, biên độ dao động cực đại khi không điều khiển là 0,0694 (m), còn khi điều khiển giảm xuống còn 0,0529 (m) (Hình 3.19) Điều này cho thấy hiệu quả của bộ điều khiển LQG2 trong việc giảm biên độ dao động cực đại của thân xe
Hình 3.18 Đặc tính dịch chuyển thân xe
Hình 3.19 Độ giảm dịch chuyển thân xe cực đại
Hình 3.20 thể hiện đặc tính gia tốc của dao động thân xe
Theo đồ thị hình 3.20, đặc tính dao động gia tốc tương đồng với biên dạng mặt đường đầu vào (tương đồng về tần số và pha) Khi có điều khiển, độ giảm gia tốc cực đại so với không điều khiển đạt 26,47% (Từ 1,15 (m/s 2 ) khi không điều khiển xuống 0,846 (m/s 2 ) khi có điều khiển (theo hình 3.21)
Hình 3.20 Đặc tính gia tốc dao động thân xe
Hình 3.21 Độ giảm gia tốc cực đại
Tiêu chí độ êm dịu của thân xe còn đƣợc thể hiện qua chỉ tiêu gia tốc bình phương trung bình của thân xe (RMS) Chỉ tiêu này được thể hiện trên hình 3.22
Theo đồ thị, bộ điều khiển LQG2 đạt chỉ tiêu RMS là 0,488 so với 0,799 khi
80 không điều khiển Điều này cho thấy, bộ điều khiển LQG2 có tác động tốt, đạt đƣợc hiệu quả trong việc dập tắt dao động cực đại, giảm gia tốc cực đại của thân xe lần lƣợt là: 23,82%, và 26,47%, ngoài ra đã đạt đƣợc chỉ tiêu RMS cho dao động thân xe: giảm 38,95% so với khi không điều khiển
Ngoải ra, luận án tiếp tục khảo sát hiệu quả của bộ điều khiển LQG2 dựa theo tiêu chí 2 (Tiêu chí lực tác động xuống mặt đường) được thể hiện trên hình 3.22 Theo đồ thị cho thấy, lực tác động từ bánh xe xuống mặt đường ở trường hợp điều khiển và không điều khiển là nhƣ nhau Tức là, bộ điều khiển LQG2 tập trung làm giảm dịch chuyển cực đại và tăng tính năng êm dịu của thân xe nhƣng không ảnh hưởng đến lực tác động từ bánh xe đến mặt đường so với trường hợp không điều khiển
Hình 3.23 Đặc tính lực tác động xuống mặt đường
Tổng hợp đánh giá hiệu quả bộ điều khiển LQG2 khi hệ thống bị tác động bởi dao động hình sin đƣợc thể hiện trên bảng 3.3
Bảng 3.4 So sánh hiệu quả của bộ điều khiển LQG2
TT Tiêu chí Bộ điều khiển
Không điều khiển Độ giảm
1 Dịch chuyển thân xe lớn nhất (m) 0,0529 0,0694 23,82
2 Gia tốc thân xe lớn nhất (m/s 2 ) 0,8463 1,1510 26,47
Theo bảng 3.3, độ biến thiến dịch chuyển thân xe cực đại giữa không điều khiển và sử dụng bộ điều khiển LQG2 đã được giảm 0,0165 (m) tương ứng với độ giảm 23,82% Với tiêu chí độ giảm gia tốc thân xe lớn nhất, bộ điều khiển LQG2 cũng làm giảm 0,3047 m/s 2 (đạt 26,47%) Và cuối cùng, độ giảm RMS là tiêu chí được giảm nhiều nhất khi sử dụng bộ điều khiển LQG2: 38,95% tương ứng với độ giảm 0,3113
3.6.2 Đánh giá dưới tác động của mặt đường ngẫu nhiên Để đánh giá ảnh hưởng của bộ điều khiển LQG2 đối với các chỉ tiêu liên quan đến dao động của thân xe khi hệ thống hoạt động dưới tác động của đường ngẫu nhiên, luận án xây dựng và khảo sát hoạt động của bộ điều khiển LQG2 khi hệ thống treo bị tác động trên loại mặt đường C-D theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 có đặc tính nhƣ trên hình 3.23 và chuyển động với 3 vận tốc: 40km/h, 50km/h; 80km/h Đánh giá hiệu quả điều khiển theo 3 tiêu chí: độ giảm biên độ cực đại, độ giảm gia tốc cực đại và chỉ tiêu RMS
Hình 3.24 Đặc tính mặt đường C-D theo ISO 8608:1995 ở tốc độ 40km/h Đồ thị hình 3.24 thể hiện đặc tính dịch chuyển thân xe khi xe chuyển động với vận tốc 40km/h, theo đồ thị, biên độ dịch chuyển của thân xe tương đối bám theo kích thích mặt đường, bộ điều khiển LQG2 cho hiệu quả giảm biên độ dao động cực đại giảm 13,71% khi không điều khiển
Hình 3.25 thể hiện đặc tính gia tốc thân xe cũng ở vận tốc 40km/h dưới tác động của mặt đường C-D
Theo đồ thị, gia tốc dao động của thân xe khá lớn ở trường hợp không điều khiển (gia tốc cực đại khoảng 1,4 m/s 2 ) Về cơ bản, gia tốc dao động của thân xe với bộ
82 điều khiển LQG2 tương đối ổn định Tại một số thời điểm, gia tốc dao động của thân xe giữa bộ điều khiển LQG2 và không điều khiển có sự thay đổi khá lớn Trên đồ thị hình 3.25, với vận tốc 40km/h thì độ giảm gia tốc cực đại đạt 30,43% (vị trí 11,5 giây)
Hình 3.25 Dịch chuyển thân xe dưới tác động mặt đường C-D theo ISO 8608:1995 ở tốc độ 40km/h
Hình 3.26 Đặc tính gia tốc dao động thân xe
Kết quả cho thấy, bộ điều khiển LQG2 làm giảm đáng kể gia tốc dao động của thân xe, đặc tính biên dạng gia tốc dao động thân xe trên cả quá trình phù hợp với kích thích mặt đường Với kích thích mặt đường ngẫu nhiên, bộ điều khiển LQG2 có tác động nhiều ở những vị trí gia tốc cực đại và đột biến Do đó, chỉ tiêu RMS chênh lệch giữa điều khiển và không điều khiển giảm không đƣợc giảm nhiều (giảm 4,12%) Để đánh giá sự hoạt động ổn định của bộ điều khiển LQG2, luận án còn đánh giá hiệu quả điều khiển của bộ điều khiển này khi xe chuyển động với các vận tốc khác nhau Kết quả tổng hợp so sánh hiệu quả của bộ điều khiển LQG2 khi xe chạy với 3 tốc độ: 40km/h, 50km/h và 80km/h đƣợc thể hiện qua bảng 3.4
Bảng 3.5 So sánh hiệu quả của bộ điều khiển LQG2 ở các tốc độ khác nhau
TT Tiêu chí @km/h Pkm/h km/h
1 Độ giảm dịch chuyển thân xe lớn nhất (%) 13,71 14,18 22,51
2 Độ giảm gia tốc thân xe lớn nhất (%) 30,43 34,45 35,23
Thông qua Bảng 3.4, nhận thấy, khi xe chuyển động với vận tốc cao thì bộ điều khiển LQG2 đáp ứng tốt ở cả 3 tiêu chí: Độ giảm dịch chuyển thân xe lớn nhất 22,51%, độ giảm gia tốc thân xe lớn nhất 35,23% và RMS cũng lớn nhất 5,32% Điều này cho thấy hiệu quả điều khiển của bộ điều khiển LQG2 trong điều khiển cải thiện tính êm dịu của xe, đặc biệt khi xe chuyển động với vận tốc cao.
Kết luận
Nội dung chương đã tập trung phân tích lý thuyết trong xây dựng mô hình hệ thống treo bán tích cực sử dụng thuật toán điều khiển LQG Thuật toán này là sự kết hợp giữa bộ điều khiển toàn phương tuyến tính LQR và bộ quan sát Kalman Trong nghiên cứu đã tìm ra đƣợc bộ thông số điều khiển dạng tối ƣu (ma trận
K= 21191 2593 21638 234 ) và tính toán toán ƣớc lƣợng các thông số đầu vào thông qua các cảm biến sử dụng trong hệ thống Kết quả tập trung vào phân tích hiệu quả điều khiển hệ thống treo ẳ với số lƣợng 02 cảm biến trong hệ thống (so với yêu cầu điều khiển tối ƣu là 04 cảm biến) Việc đánh giá hiệu quả giữa các phương án điều khiển thông qua độ giảm biên độ dao động của thân xe cũng như tần số dao động của thân xe Ngoài ra, đã so sánh chất lƣợng điều khiển thông qua hiệu quả dập tắt dao động và lực giảm chấn cần thiết mong muốn theo từng phương
84 án mô phỏng, thông qua tác động đầu vào dạng xung vuông Với hiệu quả giảm biên độ dao động thân xe cực đại là 17,73% và lực giảm chấn cần thiết cực đại dùng trong điều khiển là 231N, luận án lựa chọn bộ điều khiển LQG2, trong đó bộ điều khiển LQG2 là bộ điều khiển sử dụng loại cảm biến trong hệ thống là 2 cảm biến dịch chuyển với vị trí lắp tại bánh xe và thân xe Từ đây, luận án cũng tập trung đỏnh giỏ hiệu quả của bộ điều khiển LQG2 trờn hệ thống treo ẳ bỏn tớch cực dưới tác động của đầu vào dạng xung sin và dạng mặt đường ngẫu nhiên C-D theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 Với tác động đầu vào dạng xung sin, 3 tiêu chí: Độ giảm dịch chuyển thân xe lớn nhất, độ giảm gia tốc thân xe lớn nhất và và chỉ tiêu RMS lần lƣợt giảm là: 23,82%; 26,47% và 38,95% so với không điều khiển Ngoài ra, bộ điều khiển LQG2 không làm thay đổi lực tác động từ bánh xe đến mặt đường so với trường hợp không điều khiển Còn khi hệ thống treo bị tác động bởi mặt đường C-D theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 ở các tốc độ khác nhau thì bộ điều khiển LQG2 giúp cho 3 tiêu chí độ giảm dịch chuyển thân xe lớn nhất so với không điều khiển: ở tốc độ 40km/h giảm 13,71%, 50km/h giảm 14,18% và 80km/h giảm 22,51%); độ giảm gia tốc thân xe lớn nhất ở tốc độ 80km/h là 35,23% và độ giảm RMS cũng lớn nhất ở tốc độ 80km/h với lƣợng giảm là 5,32% Hiệu quả điều khiển cho thấy tác động tốt của bộ điều khiển LQG2 ở tốc độ cao Điều này cho thấy bộ điều khiển LQG2 đáp ứng đƣợc các tiêu chí đặt ra ban đầu, đó là: nâng cao hiệu quả dập tắt dao động, nâng cao tính năng êm dịu của thân xe, giảm số lƣợng cảm biến và sử dụng loại cảm biến đơn giản trong điều khiển, phù hợp cho phát triển thuật toán điều khiển giảm chấn sau này
THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ GIẢM CHẤN MR
Mục đích
Xác định các thông số trong mô hình Dahl của giảm chấn MR trên hệ thống treo trước ô tô Acurra 2011, do tập đoàn BWI sản xuất.
Yêu cầu của bệ thử
Đặc tính của giảm chấn nói chung hay đặc tính giảm chấn MR nói riêng đƣợc đặc trƣng bởi các đặc tính lực-thời gian (F-t), lực-vận tốc piston (F-v) và lực– dịch chuyển piston (F-x) Vì vậy để xác định đƣợc 3 dạng đặc tính này, bệ thử cần phải đạt đƣợc các yêu cầu:
- Tạo được dịch chuyển theo phương dọc (trùng với phương chuyển động của piston giảm chấn) ổn định, có hành trình tối thiểu (-5,0÷5,0) cm và tối đa (- 15÷15)cm;
- Tạo chuyển động chậm, vận tốc dịch chuyển theo phương dọc có tốc độ tối đa (-35÷35) cm/s;
- Đo đƣợc lực tác động từ giảm chấn khi piston giảm chấn di chuyển;
- Đo đƣợc dịch chuyển và vận tốc piston giảm chấn;
- Bộ đo có khả năng kết nối máy tính để truyền dữ liệu lên máy tính nhằm hiển thị trạng thái làm việc của giảm chấn một cách trực quan, ngoài ra có thể lưu đƣợc dữ liệu thành file exel;
- Tần số (tốc độ lấy mẫu) đọc và truyền dữ liệu từ bộ đo phải hợp lý, xác định được lực từ giảm chấn ở trạng thái chuyển động có vận tốc cao (có ảnh hưởng bởi lực giảm chấn) và vận tốc rất nhỏ (không bị ảnh hưởng bởi lực giảm chấn, coi lực giảm chấn bằng 0)
- Bộ cấp điện áp dễ sử dụng, có khoảng cấp điện áp rộng.
Trình tự thực hiện
- Thiết kế, tính toán và chế tạo bệ thử
- Thực nghiệm đo các thông số lực theo thời gian (F-t), vận tốc piston (v) và dịch chuyển piston (x) Xây dựng đồ thị lực theo vận tốc (F-v), đồ thị lực theo dịch chuyển (F-x)
- Tính toán các thông số trễ trên mô hình Dahl
Cấu tạo vào nguyên lý hoạt động của bệ thử
4.4.1 Sơ đồ nguyên lý bệ thử
Dựa theo yêu cầu đặt ra ban đầu đối với bệ thử, luận án đưa ra phương án thiết kế theo sơ đồ nguyên lý nhƣ hình 4.1
Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý bệ thử giảm chấn 1: vít me chỉnh độ căng giảm chấn; 2: Cảm biến lực (loadcell); 3: Giảm chấn Acurra;4:
Khung đỡ; 5: Piston; 6: Động cơ điện; 7: Đĩa lệch tâm; 8: Khung thiết bị
Theo sơ đồ, thiết bị kiểm tra đặc tính giảm chấn đƣợc chia làm 3 phần:
- Phần 1: khung thiết bị, là những bộ phận cơ khí đƣợc gắn chặt với nhau bằng các mối hàn đảm bảo độ cứng vững và chịu đƣợc lực lớn mà không bị cong vênh
- Phần 2: Phần tạo ra chuyển động cho cần piston giảm chấn Phần này bao gồm các chi tiết từ động cơ 6, đĩa lệch tâm 7 và piston 5 Tại vị trí đồng trục với đĩa lệch tâm có bố trí cảm biến Encoder để xác định tốc độ vòng quay của đĩa lệch tâm, từ tín hiệu tốc độ vòng quay này xác định đƣợc dịch chuyển và vận tốc dịch chuyển của cần piston giảm chấn
- Phần 3: Bộ đo, bộ đo này thực chất là 1 bộ kít Adruino (hoặc bộ PLC) đƣợc
87 đặt bên trên khung mô hình, cạnh vít-me 1 Bộ đo này sẽ đọc tín hiệu điện áp phát ra từ loadcell qua bộ đọc ADC tích hợp bên trong bộ kít để xác định và quy đổi giá trị lực tương ứng Ngoài ra, nó cũng đồng thời đọc tín hiệu từ Encoder để xách định số xung đƣợc đƣa về từ Encoder, từ đó tính toán ra đƣợc góc quay của đĩa lệch tâm, thông qua góc quay xác định đƣợc dịch chuyển và vận tốc của cần piston giảm chấn
Vị trí lắp ráp đĩa lệch tâm với cụm piston kéo cần giảm chấn đƣợc thể hiện nhƣ trên hình 4.2
Hình 4.2 Đĩa lệch tâm 1: Vỏ xi lanh; 2: Piston; 3: Đĩa lệch tâm; 4: Cần piston giảm chấn Đĩa lệch tâm thực chất có tác dụng nhƣ trục khuỷ của động cơ đốt trong Trên đĩa lệch tâm sẽ bố trí các lỗ tương ứng với vị trí như lắp chốt khuỷu, để có thể thay đổi các bán kính, từ đó làm thay đổi đƣợc hành trình cực đại của piston 2, từ đó làm thay đổi hành trình của cần piston giảm chấn 4 Trong thiết kế này, có khoét 4 lỗ tương ứng với bán kính R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , trong đó bán kính R1\m, R 2 m,
4.4.2 Nguyên lý hoạt động của bệ thử
Khi cấp dòng điện cho động cơ điện 6, động cơ điện sẽ quay thông qua các khớp nối truyền chuyển động quay đến đĩa lệch tâm làm đĩa lệch tâm quay, do cụm
88 kết cấu nối giữa đĩa lệch tâm và cần piston giảm chấn là cụm cơ cấu trục khuỷ thanh truyền, do đó sẽ chuyển chuyển động quay từ đĩa lệch tâm sang chuyển động tịnh tiến của cần piston giảm chấn a Xác định dịch chuyển và vận tốc cần piston
Lúc này, do đĩa lệch tâm quay kéo theo Encorder cũng quay theo cùng tốc độ (lắp ráp bộ truyền động giữa đĩa lệch tâm và Encorder bằng truyền động xích có tỉ số truyền bằng 1) Bộ đo sẽ xác định số xung từ Encorder đƣa về và tính toán ra góc quay của đĩa lệch tâm, góc quay đĩa lệch tâm đƣợc xác định qua công thức:
Trong đó: : Góc quay đĩa lệch tâm;
X i: Số xung đếm đƣợc từ Encorder, phụ thuộc vào số vòng quay;
X e : Số xung tiêu chuẩn trên 1 vòng quay của Encorder Số xung này không đổi, phụ thuộc vào loại Encorder sử dụng Có loại nhiều xung, có loại ít xung, tuỳ vào từng nhà sản xuất
Sau khi xác định đƣợc góc quay của đĩa lệch tâm, dịch chuyển cần piston giảm chấn đƣợc tính toán thông qua công thức gần đúng (4.2)
Với R: bán kính đặt lỗ trên đĩa lệch tâm (các giá trị R1, R 2 , R 3 , R 4 trên hình 4.2);
L: Chiều dài của thanh truyền, nối từ đĩa lệch tâm lên piston Để xác định đƣợc vận tốc piston, cần xác định đƣợc vận tốc góc của đĩa lệch tâm Vận tốc góc này đƣợc xác định qua công thức (4.3): d dt
Trong đó: : Tốc độ góc của đĩa lệch tâm; dt: Thời gian (hoặc tần số) lấy mẫu
Từ đó, vận tốc piston đƣợc xác định nhƣ sau:
Với v p : Vận tốc tịnh tiến của cần piston
89 b Xác định lực tác động trên piston
Khi piston dịch chuyển thì phần bên trong của ống giảm chấn sẽ dịch chuyển, với dịch chuyển này sẽ sinh ra lực tác động vào thành ống bên ngoài Theo định luật 3 của Newton, về phương diện độ lớn, lực tác động ra ngoài thành ống cũng chính là lực sinh ra từ piston Nhƣ vậy, khi lắp cảm biến lực loadcell đặt bên ngoài thành ống, cũng đo đƣợc lực tác động từ bên trong do piston tạo ra
Trong khi lắp ráp và thí nghiệm, khi piston dịch chuyển với vận tốc rất nhỏ nhƣng nhận thấy trên piston vẫn có thành phần lực khác, không phải lực giảm chấn Thành phần này đƣợc coi là lực đàn hồi sinh ra bởi hành trình nén piston Do đó, thành phần lực đo trực tiếp từ loadcell là lực từ piston giảm chấn F p Thành phần lực đo đƣợc khi piston dịch chuyển thực tế sẽ là tổng hợp bởi 2 lực theo công thức (4.5) d p h tl
Trong đó F p : Lực sinh ra từ piston giảm chấn
F đh : Lực sinh ra từ phần tử đàn hồi, luôn xuất hiện khi có nén
F tl : Lực sinh ra bởi thành phần thuỷ lực, chính là lực sinh ra bởi chất lỏng MR, gọi là lực giảm chấn
Khi piston di chuyển, cảm biến lực sẽ đƣa giá trị về bộ điều khiển để xác định lực tương ứng với điện áp hoặc dòng điện mà loadcell đưa về Trong thực tế, tín hiệu này là tương đối nhỏ, vì vậy cần có bộ khuếch đại tín hiệu này lên trước khi đƣa vào bộ điều khiển
Nhƣ vậy, thông qua cảm biến đo lực (loadcell) và cảm biến đo số vòng quay (Encorder), đã xác định đƣợc 3 thông số cần đo là: Lực, dịch chuyển piston và vận tốc piston Các giá trị đo này được đưa về máy tính và lưu dưới dạng file exel để thuận tiện cho việc xử lý dữ liệu sau này Việc lựa chọn thời gian lấy mẫu sẽ quyết định số điểm thực nghiệm, điều này ảnh hưởng đến biên dạng các đặc tính F-t, F-v,
F-x (mịn khi số điểm nhiều và gãy khi số điểm ít), tuy vậy, thời gian lấy mẫu cần đƣợc chọn sao cho hợp lý với đặc tính bộ nhớ của bộ Adruino, khi tăng số điểm lấy mẫu lên (giảm thời gian lấy mẫu) làm cho hệ thống có thể hoạt động bị trễ do sự tràn bộ nhớ, khi đó truyền thông giữa máy tính và bộ điều khiển có thể sẽ bị ảnh hưởng Trong phạm vi luận án này, NCS lựa chọn tần số lấy mẫu từ 100ms
Kết cấu thiết bị thí nghiệm đặc tính giảm chấn
Thiết bị thí nghiệm đƣợc thực hiện chế tạo Nhóm chuyên môn Ô tô và xe chuyên dụng của trường Đại học Bách khoa Hà Nội Thiết bị được đảm bảo các kích thước, độ chính xác, vật liệu chế tạo; lắp ráp căn chỉnh thiết bị hoạt động ổn định và tin cậy
Mô hình tổng thể thiết bị đƣợc thể hiện trên hình 4.3
Hình 4.3 Thiết bị thí nghiệm động lực học của giảm chấn
1 Động cơ; 2 Bộ piston xylanh; 3 Giảm chấn điện từ MR; 4 Hộp giảm tốc; 5.Đĩa lệch tâm; 6 Cảm biến lực; 7 Hộp điều khiển; 8 Encoder xung; 9 Công tắc nguồn
Hình 4.4 Hộp điều khiển của thiết bị
1 Vi xử lý Arduino DUE; 2 Bộ khuếch đại tín hiệu Loadcell KM-02
3 Trục vít điều chỉnh hành trình làm việc của piston; 4 Nguồn xung
4.5.2 Các thông số của thiết bị
- Công suất động cơ 1,7 KW
- Vận tốc quay lớn nhất của động cơ 1440 v/p
- Vận tốc lớn nhất của bệ di dộng 30 cm/s
- Hành trình tối đa của bệ di động 10 cm
- Kích thước cao×dài×rộng 1500 x 600 x 900 mm
4.5.3 Các bộ phận trên thiết bị
Thực nghiệm xác định đặc tính giảm chấn
Giảm chấn MR đƣợc sử dụng cho nghiên cứu mô hình hóa và xác định đặc tính là giảm chấn MR trên hệ thống treo trước xe Acurra 2011 do tập đoàn BWI sản xuất
- Sự thay đổi lực giảm chấn với các biến thể hiện từ 0V đến 1V là khoảng 800 N;
- Điện trở cuộn dây điện từ bên trong của giảm chấn đo đƣợc: 1Ω ở 29 °C
Hình dạng giảm chấn đƣợc thể hiện nhƣ trên hình 4.5
Tên bộ phận-chi tiết Thông số Hình ảnh
1 Bộ phận tạo chuyển động Động cơ điện 1 pha Công suất: 1,7kW Hộp giảm tốc Tỷ số truyền: 60 Trục dẫn động Đường kính:45(mm) Đĩa lệch tâm Đường kính:220(mm)
Cảm biến Encoder - Điện áp: 24V
3 Bộ thu thập dữ liệu Arduino Due
Hình 4.5 Giảm chấn MR trên hệ thống treo trước xe Acurra 2011
Trước khi thử nhiệm, khi hoàn thành và hiệu chỉnh thiết bị, trong quá trình cấp thử điện áp vào giảm chấn, khi cấp điện áp khoảng 5V, nhận thấy lực tác động vào giảm chấn rất cao, lúc này giảm chấn nhƣ 1 thanh cứng với hành trình dao động rất ngắn Vì vậy, để ngăn ngừa các hổng hóc có thể xảy ra và bảo vệ an toàn cho giảm chấn cũng nhƣ các thiết bị đo điện tử nhƣ loadcell, trong luận án này thực hiện đo đặc tính giảm chấn ở các trạng thái cấp điện áp nhỏ, ngoài ra, theo công thức (4.5) có xuất hiện thành phần lực đàn hồi thành phần này không phụ thuộc vào điện áp cấp cho giảm chấn Vì vậy, để xác định thành phần lực đàn hồi này, luận án thực hiện đo ở trạng thái di chuyển piston giảm chấn vô cùng chậm, coi nhƣ lực tác động trên loadcell không có tác động của thành phần lực thuỷ lực (chất lỏng MR) Kịch bản thử nghiệm đƣợc thể hiện theo bảng 4.1
Bảng 4.1 Thử nghiệm xác định đặc tính giảm chấn MR
TT Điện áp (V) Kết quả thu được Điều kiện
- Lực tác dụng lên piston (N)
- Dịch chuyển cần piston (cm) -Vận tốc của cần piston (cm/s)
- Tốc độ động cơ điện chạy ổn định ở tốc độ 1200v/p
- Tần số lấy mẫu 100ms
7 0,1 - Lực tác dụng lên piston (N)
Quay đĩa lệch tâm bằng tay với tốc độ rất chậm
4.6.2 Kết quả thử nghiệm a Kết quả
Thí nghiệm với giảm chấn điện từ MR của xe Acura MDX đƣợc thực hiện nhiều lần với các mức điện áp khác nhau từ (0 ÷ 1) V Ở mỗi giá trị điện áp, thực hiện tối thiểu 3 chu kì dao động Các giá trị xem ở bảng phụ lục 3
Trong khi đo, thực hiện quan sát đặc tính F-t, F-v, F-s hiển thị trên giao diện máy tính Thực hiện lưu dữ liệu thành file exel Kết quả thí nghiệm sau khi thu thập dưới dạng file Excel, từ đó dùng để so sánh kết quả các lần đo với kết quả mô phỏng tương ứng Đồ thị 4.6÷4.9 thể hiện kết quả thí nghiệm đặc tính hoạt động của giảm chấn dưới tác động của các điện áp cấp khác nhau
Hình 4.6 Đặc tính chuyển vị và vận tốc piston
Hình 4.7 Đặc tính lực giảm chấn-thời gian
Hình 4.8 Đặc tính lực giảm chấn– vận tốc piston
Hình 4.9 Đặc tính lực giảm chấn– dịch chuyển piston
Nhận xét: Ở trong mỗi chu kì dao động, đồ thị mối quan hệ giữa lực F với thời gian t, biên độ của lực cản tăng dần theo giá trị điện áp kích thích khác nhau, điều này cho thấy sự ảnh hưởng của điện áp đến đặc tính làm việc của giảm chấn ở các giá trị điện áp là khác nhau Ở chu kì đầu khi giảm chấn ở trạng thái trả, lực cản của giảm chấn tăng dần, ở nửa chu kì sau khi ở trạng thái nén, lực cản giảm nhanh Ở chu kì trả lực cản giảm chấn tăng dần và vận tốc của piston giảm chấn giảm dần Với các giá trị điện áp lớn thì lực cản của giảm chấn cũng tăng dần Ở trạng thái nén lực cản của giảm chấn cũng tăng dần theo điện áp kích thích nhƣng sự thay đổi là không lớn Ở mỗi chu kì dao động, đồ thị mối quan hệ giữa lực với dịch chuyển có dạng đường cong khép kín Như quan sát trên biểu đồ khi tăng điện áp kích thích giảm chấn thì lực cản ở trạng thái trả của giảm chấn tăng mạnh với độ biến thiên lớn, còn ở chu kì nén lực cản thay đổi trong phạm vi rất nhỏ hơn Điều này cho thấy điện áp có ảnh hưởng lớn đến quá trình trả của giảm chấn
Việc ghi nhận các kết quả liên quan đến x(cm), F(N), v(cm/s) và phân tích mối quan hệ giữa chúng phù hợp lý thuyết đã khảo sát cũng nhƣ phù hợp với thực tế tính năng của giảm chấn Điều này cho thấy sự hoạt động thiết bị và quá trình truy xuất dữ liệu là tin cậy, đáp ứng đƣợc cho mục tiêu thí nghiệm đặt ra
Tuy nhiên, thông qua đặc tính thực tế của giảm chấn ta thấy ở các đặc tính F- v và F-x, lực giảm chấn không đối xứng ở các góc dao động Điều này cho thấy rõ có một thành phần lực khác ngoài lực cản giảm chấn sinh ra bởi chất lỏng MR, lực đó có thể do trong thân giảm chấn có thêm thành phần lực khác Và trong thực tế, giảm chấn trên ô tô Acurra 2011 có thêm thành phần lực này
Hình 4.10 Kết quả thu được trên giao diện hiển thị khi thiết bị hoạt động
Trong luận án này không đi sâu vào kết cấu của giảm chấn, vì vậy, cần xác định thành phần lực này (gọi chung là lực đàn hồi) để xác định lực giảm chấn sinh ra bởi giảm chấn MR đƣợc chính xác nhất Việc xác định này NCS thay bộ đo từ Adruino sang PLC để truyền thông online, trực tiếp đo kiểm các giá trị đƣợc thuận tiện hơn, sau đó các kết quả cũng được lưu trên exel để so sánh với bộ đo lúc trước Để thực hiện đo xác định thành phần lực đàn hồi, NCS đo lực trên loadcell ở trạng thái tĩnh, tức là tạo di chuyển piston hoàn toàn thủ công, với tốc độ rất chậm ở từng vị trí, để tránh có ảnh hưởng bởi lực giảm chấn (do lực giảm chấn bằng 0 khi vận tốc dịch chuyển piston bằng không) b Xác định lực đàn hồi
Sau khi thực hiện thủ công đo lực lò xo ở trạng thái tĩnh Xác định lực đo đƣợc trên LoadCell tại các vị trí khác nhau khi quay động cơ với tốc độ rất chậm, dừng ở vị trí cần đo sau 1 thời gian để không có ảnh hưởng lực sinh ra bởi chất lỏng
MR, thu đƣợc kết quả đo theo bộ PLC biểu thị theo hình 4.11
Hình 4.11 Đặc tính lực đo được ở trạng thái tĩnh
Về đặc tính, NCS nhận thấy khá tương đồng với lực giảm chấn ở trạng thái động nhƣng vị trí các điểm dao động đã bị lệch pha so với trạng thái động
Sau khi xác định đƣợc đặc tính giảm chấn ở trạng thái tĩnh, NCS tiếp tục xác định đặc tính giảm chấn ở trạng thái động, kết quả lực giảm chấn so sánh giữa 2 trạng thái đƣợc biểu thị nhƣ hình 4.12
Hình 4.12 So sánh đặc tính lực đo được tại loadcell
Sau khi thực hiện phép trừ giữa 2 trạng thái đo giữa trạng thái động và trạng thái tĩnh, thu đƣợc đặc tính lực giảm chấn do chất lỏng MR sinh ra, đồ thị đặc tính đƣợc biểu thị trên hình 4.13
Hình 4.13 Đặc tính lực giảm chấn do chất lỏng MR sinh ra
Theo đồ thị đặc tính 4.13, có thể thấy lực sinh ra bởi chất lỏng MR là đường cong trơn, lực giảm chấn tương đối đối xứng ở các chu kỳ làm việc Kết quả này dùng để xác định các thông số của mô hình mô phỏng đã đƣợc xây dựng trong chương 2
4.6.3 Xác định thông số mô phỏng trên mô hình Dahl a So sánh đặc tính giảm chấn giữa mô phỏng và thực nghiệm
Việc so sánh đặc tính giảm chấn MR giữa mô phỏng và thực nghiệm thông qua định tính về mặt hình học So sánh đƣợc thể hiện qua đồ thị 4.14÷4.16 Trên đồ thị thể hiện đặc tính của giảm chấn dựa trên mối quan hệ giữa lực-vận tốc piston và lực-dịch chuyển piston dưới tác dụng của điện áp 0.1V
Kết luận
Trong chương 4 đã thực hiện chế tạo thành công thiết bị đo kiểm đặc tính làm việc của giảm chấn, mà cụ thể đối tƣợng là giảm chấn MR sử dụng trên các ô tô đời cao Trong quá trình thiết kế, ngoài phần thiết kế và chế tạo khung thì các bộ phận thuộc về phần điện thì luận án đã tìm tòi và lựa chọn các linh kiện và thiết bị hoàn toàn dễ kiếm trên thị trường đảm bảo đúng đặc tính hoạt động Sau khi kiểm tra thử nghiệm sự hoạt động của thiết bị, NCS thấy thiết bị hoạt động ổn định, các đặc tính lực giảm chấn đưa ra rõ ràng, các thông số đo được lưu lại trên fiel exel để tiện cho công việc xử lý số liệu sau khi thí nghiệm Bệ thử cho phép xác định đặc tính của giảm chấn dưới tác dụng của các điện áp điều khiển khác nhau Từ kết quả thực nghiệm này, luận án đã đi xác định các thông số sử dụng trong mô phỏng bằng phương pháp sai-thử, tức là thay đổi các thông số trong mô hình Dahl để đường đặc tính giữa mô phỏng và thực nghiệm bám sát nhau, việc đánh giá thông qua hàm
“Corel’ Sau khi thay đổi các tham số phù hợp, kết quả thu được các giá trị tương quan giữa mô phỏng và thực nghiệm khá cao (hệ số tương quan giữa mô phỏng và thực nghiệm đạt đƣợc từ 0,92÷0,98), đảm bảo tính chính xác của các tham số này trong mô hình mô phỏng Từ các giá trị tham số xác định được, nôi dung chương tiếp tục xây dựng được phương trình thể hiện mối liên hệ giữa 4 thông số của mô hình Dahl theo điện áp thông qua hàm “trentline”, mối quan hệ này đƣợc thể hiện thông qua hàm bậc 3 (theo bảng 4.4) Việc đánh giá sự tương quan giữa hàm ước lƣợng này và các giá trị thực tế của các tham số trong mô hình cũng đƣợc đánh giá thông qua hàm “Corel” Hệ số tương quan giữa ước lượng và các giá trị thực tế đạt được sự tương quan rất cao (từ 0,98÷0,99), đảm bảo các thông số sử dụng trong mô hình mô phỏng giảm chấn MR theo Dahl là đáng tin cậy Từ đó, bộ thông số này có thể được sử dụng trong nghiên cứu mô phỏng ảnh hưởng của điện áp đến đặc tính giảm chấn MR trên xe Acurra 20011, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí trong nghiên cứu đặc tính giảm chấn MR trên xe Acurra nói riêng cũng nhƣ giảm chấn
MR trên hệ thống treo điều khiển điện tử nói chung
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Công nghệ giảm chấn từ trường (MR) được áp dụng từ khá lâu trong việc dập tắt dao động của các tòa nhà cao tầng Tuy vậy, công nghệ này nghiên cứu và áp dụng để sử dụng cho giảm chấn ô tô tương đối muộn, vào khoảng những thập niên 2000 Đối với hệ thống treo bán tích cực trên ô tô con sử dụng loại giảm chấn
MR hiện tại đang đƣợc sử dụng trên các ô tô phân khúc cao, điển hình là ô tô Accura, phân khúc cao cấp của dòng xe Honda Điều này cho thấy sự khó khăn trong thiết kế, chế tạo và áp dụng công nghệ giảm chấn MR cho các dòng xe thấp hơn vẫn còn có nhiều rào cản, đặc biệt là công nghệ chế tạo các cảm biến cần thiết sử dụng trong hệ thống để đảm bảo hiệu quả điều khiển cho hệ thống treo hoạt động nhằm nâng cao khả năng dập tắt dao động cũng nhƣ tính năng êm dịu của ô tô
Thực tế, để thiết kế một hệ thống treo bán tích cực sử dụng giảm chấn MR là một vấn đề nghiên cứu phức tạp, đòi hỏi nhiều nghiên cứu nối tiếp nhau và đòi hỏi kinh phí, thời gian rất lớn Luận án đã sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết (mô hình khảo sát hệ thống trên máy tính) để xác định các giá trị ma trận để sử dụng trong điều khiển và thuật toán điều khiển) kết hợp với phương pháp thực nghiệm để xác định đặc tính giảm chấn từ trường (MR), từ đó có thể so sánh được đặc tính giảm chấn MR trong mô phỏng và sử dụng bộ thông số mô phỏng này cho các nghiên cứu chuyên sâu về giảm chấn từ trường nói chung cũng như cho giảm chấn từ trường sử dụng trên ô tô nói riêng
Kết quả nghiên cứu của luận án đạt được các kết quả chính như sau:
1 Xõy dựng mụ hỡnh hệ thống treo ẳ cú trang bị giảm chấn MR để đỏnh giỏ ảnh hưởng của giảm chấn MR trong hiệu quả dập tắt dao động của hệ thống treo Các mô hình giảm chấn MR dựa trên 2 mô hình tham số Bouc-Wen và Dahl Các thông số trong mô phỏng mô hình giảm chấn đƣợc xác định thông qua thực nghiệm, độ tương quan giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm đều lớn hơn 0,9 Ngoài ra, còn thực hiện mô phỏng đặc tính giảm chấn MR dưới tác dụng của các dạng điện áp điều khiển khác nhau dựa trên mô hình tham số Dahl và xây dựng sự phụ thuộc của các thống số mô phỏng theo điện áp đầu vào
2 Xây dựng bộ điều khiển LQG bằng sự kết hợp bộ điều khiển LQR với bộ quan sát Kalman Với tiêu chí lựa chọn loại cảm biến đơn giản, dễ chế tạo, dễ sử
106 dụng, dễ lắp ráp và đƣợc lợi về mặt kinh tế, luận án đã tìm đƣợc bộ thông số trong điều khiển lực hợp lý, lựa chọn đƣợc các ma trận và giá trị trong bộ lọc Kalman từ đó đưa ra được phương án lựa chọn 02 cảm biến lắp trên thân xe và bánh xe Từ các mô phỏng cho thấy tính hợp lý trong lựa chọn 02 cảm biến thông qua đánh giá về mặt hiệu quả dập tắt dao động và lực giảm chấn cần thiết phải tạo ra
3 Thiết kế và chế tạo thiết bị kiểm tra đặc tính giảm chấn MR phù hợp với điều kiện tại Việt Nam Thiết bị cho phép xác định đặc tính của giảm chấn MR trên xe Acurra 2011 dưới tác dụng của các điện áp điều khiển khác nhau, từ đó so sánh tính chính xác của mô hình mô phỏng với thực nghiệm Kết quả cho thấy tính tương quan giữa mô phỏng và thực nghiệm tương đối cao (chỉ số tương quan xấp xỉ 1) Các kết quả phục vụ cho việc xác định các thông số của mô hình mô phỏng trong mô hình giảm chấn MR theo Dahl trên cơ sở giảm chấn MR Acurra 2011
Các hạn chế của đề tài:
- Thiết bị kiểm tra đặc tính giảm chấn chƣa thay đổi các vị trí và vận tốc của piston, chưa xác định được ảnh hưởng của các dạng xung cấp đến giảm chấn thực nên chƣa đánh giá đƣợc hiệu quả giảm chấn khi hoạt động ở các chế độ điều khiển khác nhau
- Chƣa thực nghiệm đánh giá hiệu quả điều khiển trên hệ thống treo thật
Hướng nghiên cứu và giải quyết tiếp:
- Thiết kế phần cứng bộ chuyển đổi lực sang điện áp để cấp vào giảm chấn
MR, đảm bảo đúng thực tế
- Thay đổi được dịch chuyển vận tốc của piston để đánh giá ảnh hưởng của lực giảm chấn theo dịch chuyển và vận tốc
- Thực nghiệm xác định hiệu quả dập tắt dao động trên mô hình hệ thống treo ẳ thật, từ đú tạo ra đƣợc ngõn hàng dữ liệu về giảm chấn, đặc biệt là giảm chấn
MR, đồng thời đánh giá đúng hiệu quả của nghiên cứu
