Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 72, Số 08 (10/2021), 945 956 945 Transport and Communications Science Journal SELECTION STUDY OF STATE VARIABLES IN ACTIVE CONTROL OF SUSPENSION SYSTEMS USING[.]
Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 72, Số 08 (10/2021), 945-956 Transport and Communications Science Journal SELECTION STUDY OF STATE VARIABLES IN ACTIVE CONTROL OF SUSPENSION SYSTEMS USING HEDGE ALGEBRAS THEORY Hai Le Bui1*, Dang Khoa Do1, Anh Tuan Le2 Hanoi University of Science and Technology, No Dai Co Viet Street, Hanoi, Vietnam Song Hong Technology & Science Joint Stock Company, No 28/39/7 Dai Dong Street, Hanoi, Vietnam ARTICLE INFO TYPE: Research Article Received: 25/07/2021 Revised: 30/08/2021 Accepted: 14/09/2021 Published online: 15/10/2021 https://doi.org/10.47869/tcsj.72.8.8 * Corresponding author Email: le.buihai@hust.edu.vn; Tel: +84 913574956 Abstract Research on vibration control of vehicle active and semi-active suspension systems is increasingly interested In the present work, the investigation of the state variables selection to find the control variable in the hedge-algebras-based controller is carried out for a quarter car active suspension model State variables that can be used include vertical displacement, velocity, and acceleration of the vehicle body and wheel By investigating the influence of state variables on the efficiency of the hedge-algebras-based controller consisting of two input state variables and one output control variable, it is possible to determine the appropriate state variables for the control targets The numerical simulation results show that the controller is most effective when using the vehicle's body speed and acceleration as state variables The present approach can be extended to different controlled objects to find suitable state variables, especially for controllers using qualitative rule systems such as controllers based on the fuzzy-set or hedge-algebras theories Keywords: vehicle suspension systems, vibration control, state variables selection, hedgealgebras theory © 2021 University of Transport and Communications 945 Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue8 (10/2021), 945-956 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải KHẢO SÁT SỰ LỰA CHỌN BIẾN TRẠNG THÁI TRONG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TREO CHỦ ĐỘNG SỬ DỤNG LÝ THUYẾT ĐẠI SỐ GIA TỬ Bùi Hải Lê1*, Đỗ Đăng Khoa1, Lê Anh Tuấn2 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Số Đại Cồ Việt, Hà Nội, Việt Nam Công ty Cổ phần Khoa học Công nghệ Sông Hồng, Số 28/39/7 Đại Đồng, Hà Nội, Việt Nam THÔNG TIN BÀI BÁO CHUN MỤC: Cơng trình khoa học Ngày nhận bài: 25/07/2021 Ngày nhận sửa: 30/08/2021 Ngày chấp nhận đăng: 14/09/2021 Ngày xuất Online: 15/10/2021 https://doi.org/10.47869/tcsj.72.8.8 * Tác giả liên hệ Email: le.buihai@hust.edu.vn; Tel: +84 913574956 Tóm tắt Nghiên cứu điều khiển dao động hệ thống treo chủ động bán chủ động xe ô tô ngày quan tâm Trong báo này, việc khảo sát lựa chọn biến trạng thái để tìm biến điều khiển điều khiển dựa lý thuyết đại số gia tử thực cho hệ thống treo chủ động mơ hình phần tư xe tơ Các biến trạng thái sử dụng bao gồm chuyển vị, vận tốc gia tốc theo phương thẳng đứng thân xe bánh xe Bằng việc khảo sát ảnh hưởng biến trạng thái đến hiệu điều khiển dựa đại số gia tử gồm biến trạng thái đầu vào biến điều khiển đầu cho phép xác định biến trạng thái phù hợp với mục tiêu điều khiển Kết mô số cho thấy điều khiển đạt hiệu cao sử dụng vận tốc gia tốc thân xe làm biến trạng thái Cách tiếp cận báo mở rộng cho đối tượng điều khiển khác để tìm biến trạng thái phù hợp, điều khiển sử dụng hệ luật định tính điều khiển dựa lý thuyết tập mờ hay đại số gia tử Từ khóa: hệ thống treo xe tơ, điều khiển dao động, lựa chọn biến trạng thái, đại số gia tử © 2021 Trường Đại học Giao thơng vận tải 946 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 72, Số 08 (10/2021), 945-956 ĐẶT VẤN ĐỀ Với yêu cầu ngày cao vận hành tơ, hệ thống treo xe có vai trò quan trọng điều khiển xe, tạo thoải mái cho hành khách cách ly xe khỏi tiếng ồn, va chạm, rung lắc đường, Trên quan điểm chế độ điều khiển, hệ thống treo xe phân thành ba loại: bị động, bán chủ động chủ động Trong loại trên, hệ thống treo chủ động có tiềm lớn để cải thiện thoải mái lái xe khả vận hành phương tiện, lĩnh vực nghiên cứu nhận quan tâm nhiều năm qua Trong hệ thống treo chủ động, cấu sinh lực đặt thân xe trục bánh xe song song với phận phần tử treo, vừa bổ sung tiêu hao lượng từ hệ thống, giúp hệ thống treo kiểm soát ứng xử xe, tăng thoải mái lái xe khả bám đường xe Mặc dù điều khiển chủ động có nhiều ưu điểm, có số hạn chế gồm: (1) thuật toán điều khiển phức tạp; (2) rủi ro tiềm ẩn độ tin cậy; (3) tiêu thụ thêm lượng [1] Nhiều thuật toán điều khiển đại thông minh áp dụng cho tốn [2-9] Trong phương pháp điều khiển thơng minh, điều khiển mờ chiếm số lượng đáng kể với ưu điểm đơn giản, hiệu sử dụng biến trạng thái [10-12] Với cách tiếp cận khác với cách tiếp cận lý thuyết tập mờ, lý thuyết đại số gia tử (Hedge-algebras, HA) cho phép biểu diễn biến ngôn ngữ độ đo mờ định lượng chúng (các số thực khoảng từ đến 1) dựa thứ tự ngữ nghĩa tự nhiên giá trị ngôn ngữ mà không cần sử dụng hàm liên thuộc mờ [13, 14] Do đó, lý thuyết HA phát triển đạt kết khả quan số lĩnh vực, liên quan đến vấn đề sở liệu, lập trình logic, phân lớp hồi quy, dự báo với chuỗi thời gian mờ tóm tắt ngơn ngữ Trong lĩnh vực điều khiển dao động kết cấu hay điều khiển cân hệ hụt dẫn động, điều khiển dựa đại số gia tử cho thấy nhiều lợi so với điều khiển dựa tập mờ, chẳng hạn đơn giản thiết kế tối ưu hóa, hiệu điều khiển cao thời gian tính tốn nhanh nhiều [15-23] Tuy nhiên, nghiên cứu kể trên, khảo sát lựa chọn biến trạng thái phù hợp cho điều khiển dựa HA chưa thực Vì vậy, nghiên cứu này, hiệu điều khiển dựa HA, gồm biến trạng thái đầu vào biến điều khiển đầu ra, đánh giá thông qua cặp biến trạng thái khác để tìm cặp biến trạng thái phù hợp với đối tượng điều khiển – hệ thống treo chủ động mơ hình phần tư xe ô tô HỆ THỐNG TREO CHỦ ĐỘNG Xét hệ thống treo chủ động mơ hình phần tư xe tơ Hình Trong đó, m1 m2 khối lượng thân xe bánh xe; k1, k2, c1, c2 độ cứng hệ số cản hệ thống treo lốp xe; z1, z2, zr chuyển vị thân xe, lốp biên dạng mặt đường Lực điều khiển u sinh từ máy kích động đặt vào khối lượng m1 m2 Hệ phương trình trạng thái hệ viết dạng ma trận sau [1]: −c1 z1 k1 −k1 z1 m1 z1 c1 u m z + −c c + c z + −k k + k z = c z + k z + −u 2 2 1 2 2 1 2 2 r r 947 (1) Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue8 (10/2021), 945-956 z1 m1 k1 u c1 z2 m2 c2 k2 zr Hình Hệ thống treo chủ động mơ hình phần tư xe tơ Các vấn đề cần giải hệ thống treo kể bao gồm [24]: (1) Giá trị tuyệt đối cực đại gia tốc thân xe max z1 , đại lượng cần giảm thiểu để đảm bảo thoải mái cho hành khách; (2) Biến dạng phận treo max z1 − z2 biến dạng lốp xe max z2 − zr , đại lượng cần giảm thiểu để đảm bảo an toàn hệ thống; (3) Giới hạn vật lý máy kích động max u umax , umax lực điều khiển cho phép máy kích động; (4) Thời gian dao động hệ thống cần giảm thiểu THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN Xét cấu trúc đại số gia tử biến ngôn ngữ X sau: AX = ( X , G, C , H , ) (2) G, C, H nhãn ngôn ngữ gốc, số gia tử Dấu “” thể quan hệ thứ tự X Thông thường, lý thuyết HA cho phép xác định tất giá trị ngôn ngữ biến ngôn ngữ X cách kết hợp nhãn ngôn ngữ gốc Âm Dương (ký hiệu A D); số (tuyệt đối Âm), W (trung hòa) (tuyệt đối Dương); gia tử Hơi Rất (ký hiệu H R) sau: G = c − , c + = A, D C = 0, W, 1 (3) H = h − , h + = H, R Trong lý thuyết HA, giá trị ngôn ngữ biểu diễn giá trị độ đo tính mờ chúng khoảng 0,1 , vậy, thao tác giá trị ngôn ngữ thực số thực thay sử dụng tập mờ lý thuyết tập mờ Các công thức để xác định giá trị độ đo tính mờ, cịn gọi giá trị ánh xạ ngữ nghĩa định lượng (semantically quantifying mapping, SQM), tóm tắt [18] Một số giá trị SQM giá trị ngơn ngữ điển hình thể Hình với trường hợp fm(c-) = (h-) = 0,5 (mơ hình hóa đối xứng) Trong đó, fm(c-) (h-) độ đo tính mờ c- h- Từ Hình 2, thấy mối quan hệ giá trị ngôn ngữ giá trị SQM chúng đồng biến, nghĩa lý thuyết HA đảm bảo thứ tự ngữ nghĩa tự nhiên giá trị ngôn ngữ biến ngơn ngữ 948 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 72, Số 08 (10/2021), 945-956 Hình Giá trị SQM số giá trị ngôn ngữ điển hình Bộ điều khiển dựa HA gồm biến trạng thái đầu vào, x1 x2, biến điều khiển đầu u Trong đó, x1 x2 tổ hợp từ chuyển vị, vận tốc gia tốc thân xe bánh xe Sơ đồ nguyên lý điều khiển thể Hình 3, x1S, x2S, uS giá trị SQM z1, z2, u Các giá trị ngôn ngữ với giá trị SQM khoảng xác định biến trạng thái biến điều khiển lựa chọn thể Bảng x1 us x2s z1 m1 Cơ sở luật HA Suy luận HA Giải chuẩn Chuẩn hóa x1s u k1 u c1 z2 m2 c2 k2 zr Hình Sơ đồ nguyên lý điều khiển x2 Bảng Tham số biến Biến Khoảng xác định Các giá trị ngôn ngữ với giá trị SQM x1 − a, a A: 0,25 ; HA: 0,375 ; W: 0,5 ; HD: 0,625 ; D: 0,75 x2 −b , b HA: 0,375 ; W: 0,5 ; HD: 0,625 u − c, c RA: 0,125; A: 0,25; HA: 0,375; W: 0,5; HD: 0,625; D: 0,75; RD: 0,875 Các bước Chuẩn hóa Giải chuẩn để chuyển đổi giá trị thực giá trị SQM biến, bước tương đương với bước Mờ hóa Giải mờ điều khiển dựa lý thuyết tập mờ Các bước Chuẩn hóa Giải chuẩn thể Hình sử dụng phép nội suy tuyến tính 949 Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue8 (10/2021), 945-956 Hình Các bước Chuẩn hóa (a, b) Giải chuẩn (c) Bảng thể sở luật điều khiển dựa HA, gồm 15 luật, với giá trị SQM giá trị ngôn ngữ Các số liệu Bảng cho phép vẽ mặt sở luật uS(x1S, x2S), thể Hình Như vậy, việc xác định uS từ cặp giá trị (x1S, x2S), coi bước suy luận điều khiển dựa HA, thực dựa phép nội suy tuyến tính mặt sở luật uS(x1S, x2S) Bảng Cơ sở luật điều khiển x2S HA: 0,375 W: 0,5 HD: 0,625 A: 0,25 RA: 0,125 A: 0,25 HA: 0,375 HA: 0,375 A: 0,25 HA: 0,375 W: 0,5 W: 0,5 HA: 0,375 W: 0,5 HD: 0,625 HD: 0,625 W: 0,5 HD: 0,625 D: 0,75 D: 0,75 HD: 0,625 D: 0,75 RD: 0,875 x1S Hình Mặt sở luật điều khiển Như vậy, thấy điều khiển dựa lý thuyết HA có đặc điểm sau: - Sơ đồ nguyên lý điều khiển giống với điều khiển dựa lý thuyết tập mờ Tuy nhiên, lập luận phép tốn thao tác giá trị ngơn ngữ điều khiển dựa HA chặt chẽ mặt thứ tự ngữ nghĩa; bước Chuẩn hóa, Suy luận, Giải chuẩn điều khiển dựa HA đơn giản trực quan so với bước Mờ 950 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 72, Số 08 (10/2021), 945-956 hóa, Suy luận, Giải mờ điều khiển dựa lý thuyết tập mờ Điều cho phép giảm thời gian tính tốn điều khiển dựa HA so với điều khiển dựa lý thuyết tập mờ - Số lượng biến thiết kế liên quan đến điều khiển muốn tối ưu điều khiển dựa HA (gồm biến fm(c-) (h-)) nhiều so với tối ưu điều khiển dựa lý thuyết tập mờ (thường dùng tọa độ hàm thuộc làm biến thiết kế) - Mỗi điều khiển dựa HA sử dụng biến trạng thái đầu vào, x1 x2 Đây lợi điều khiển dựa HA so với điều khiển phải sử dụng nhiều biến trạng thái đầu vào, bao gồm biên dạng mặt đường tổ hợp biến trạng thái khác [5, 11, 25-29] - Có thể dễ dàng thiết lập hệ luật điều khiển Bảng biến trạng thái chuyển vị vận tốc thân xe chuyển vị vận tốc tương đối thân xe so với bánh xe Bởi hệ luật điều khiển dạng trở thành phổ biến toán điều khiển dao động kết cấu [15-23] Tuy nhiên, biến trạng thái liên quan đến gia tốc thân xe bánh xe khó thiết lập hệ luật điều khiển đại lượng gia tốc khó quan sát rút kinh nghiệm để thiết lập hệ luật điều khiển Vì vậy, việc khảo sát cặp biến trạng thái khác cần thiết để tìm kiếm cặp biến trạng thái phù hợp với đối tượng điều khiển MÔ PHỎNG SỐ Các tham số hệ cho sau [1]: m1 = 320 kg; m2 = 40 kg; k1 = 18000 N/m; k2 = 200000 N/m; c1 = 1000 Ns/m; c2 = 10 Ns/m; umax = 2500 N; biến dạng cho phép phận treo z12max = 0,1 m; biến dạng cho phép lốp xe z2rmax = 0,01764 m; thời gian mô = s Kích động từ biên dạng mặt đường dạng xung đơn điều hòa, với chiều dài L = 5m, chiều cao A = 0,08m vận tốc xe V = 12,5m/s (45km/h), sau: xr = V L L A 1 − cos 2 t t ; = t L V V (4) Bộ điều khiển dựa HA khảo sát với trường hợp khác biến trạng thái thể Bảng Bảng Các điều khiển dựa HA Biến trạng thái Ký hiệu Biến trạng thái Ký hiệu x1 = z1 − z2 ; x2 = z1 − z2 H_DV12 x1 = z1; x2 = z1 H_DA1 x1 = z1; x2 = z1 H_DV1 x1 = z1 − z2 ; x2 = z1 − z2 H_VA12 x1 = z1 − z2 ; x2 = z1 − z2 H_DA12 x1 = z1; x2 = z1 H_VA1 Ngoài ra, trường hợp không điều khiển (open loop, ký hiệu OL) điều khiển bền vững [1] (ký hiệu Hinf) bao gồm để so sánh Trong đó, lực điều khiển Hinf xác định sau [1]: (5) 951 ... cứu điều khiển dao động hệ thống treo chủ động bán chủ động xe ô tô ngày quan tâm Trong báo này, việc khảo sát lựa chọn biến trạng thái để tìm biến điều khiển điều khiển dựa lý thuyết đại số gia. .. Khoa học Giao thơng vận tải KHẢO SÁT SỰ LỰA CHỌN BIẾN TRẠNG THÁI TRONG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TREO CHỦ ĐỘNG SỬ DỤNG LÝ THUYẾT ĐẠI SỐ GIA TỬ Bùi Hải Lê1*, Đỗ Đăng Khoa1, Lê Anh Tuấn2 Trường Đại học... dựa lý thuyết tập mờ hay đại số gia tử Từ khóa: hệ thống treo xe tơ, điều khiển dao động, lựa chọn biến trạng thái, đại số gia tử © 2021 Trường Đại học Giao thơng vận tải 946 Tạp chí Khoa học Giao