Ứng dụng thuật toán điều khiển trượt cho hệ thống treo chủ động trên ô tô

Trong bài báo này, thuật toán điều khiển trượt (SMC) được thiết kế để điều khiển cho hệ thống treo chủ động (treo tích cực). Đây là một thuật toán phức tạp, phù hợp với các hệ dao động có kích thích đầu vào là dạng tiền định, điển hình như hệ thống treo ô tô. Quá trình mô phỏng được thực hiện bởi phần mềm MATLAB -Simulink với hai trường hợp cụ thể...

BÀI BÁO KHOA HỌC ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO HỆ THỐNG TREO CHỦ ĐỘNG TRÊN Ô TÔ Nguyễn Tuấn Anh1*, Đặng Ngọc Duyên1, Trần Thị Thu Hương2, Hồng Thăng Bình3 Tóm tắt: Hệ thống treo sử dụng để kiểm soát dao động xe di chuyển đường Trong báo này, thuật toán điều khiển trượt (SMC) thiết kế để điều khiển cho hệ thống treo chủ động (treo tích cực) Đây thuật toán phức tạp, phù hợp với hệ dao động có kích thích đầu vào dạng tiền định, điển hệ thống treo tơ Q trình mơ thiện phần mềm MATLAB-Simulink với hai trường hợp cụ thể Theo kết tính tốn, chuyển vị gia tốc thân xe giảm mạnh sử dụng thuật toán điều khiển trượt cho hệ thống treo Thêm vào đó, ổn định ô tô đảm bảo tốt trang bị hệ thống treo chủ động (được minh chứng thông qua thay đổi lực động bánh xe) Hiện tượng nhiễu xảy dao động chuyển pha, chất thuật toán điều khiển trượt Tuy nhiên, ảnh hưởng khơng lớn Trong nghiên cứu sau, thuật toán điều khiển trượt kết hợp với thuật tốn thông minh khác để giải vấn đề Từ khố: Hệ thống treo tơ, điều khiển trượt, dao động, mô GIỚI THIỆU * Động lực học ô tô lĩnh vực quan trọng, thu hút quan tâm nhiều nhà nghiên cứu nước Với phát triển mạnh mẽ ngành công nghiệp ô tô, lĩnh vực động lực học điều khiển cho ô tô ngày tập trung đầu tư nghiên cứu nhiều Lĩnh vực động lực học điều khiển cho ô tô đa dạng, bao gồm nhiều chủ đề như: dao động lật xe, rung động ô tô, ổn định quay vịng, … Trong đó, chủ đề liên quan đến điều khiển kiểm soát rung ồn xe đặc biệt quan tâm học giả Dao động ô tô điều hòa hệ thống treo (Lưu Văn Tuấn, 2019) Hệ thống xem thành phần liên kết mềm cụm bánh xe (khối lượng không treo) thân xe (khối lượng treo) Hệ thống treo ô tô thực nhiệm vụ: Khoa Cơ khí, Trường Đại học Thủy lợi Trường Đại học Phenikaa Đại học Bách Khoa Hà Nội điều hòa biến đổi dao động, hấp thụ triệt tiêu dao động, dẫn hướng chuyển động (truyền lực) Tương ứng với chức phận cụ thể hệ thống treo, phận đàn hồi (lị xo, nhíp lá, xoắn), phận giảm chấn phận dẫn hướng (đòn ngang, đòn dọc, liên kết đa điểm) (Nguyễn Khắc Trai, 2020) Hệ thống treo trang bị hầu hết dịng xe phổ thơng ngày gọi hệ thống treo bị động (hệ thống treo khí) Đối với loại hệ thống treo này, độ cứng phần tử đàn hồi phần tử giảm chấn cố định (C = const, K = const) Kết cấu loại hệ thống đơn giản hiệu độ êm dịu mang lại khơng cao Trong nhiều tình dao động, êm dịu xảy Để khắc phục nhược điểm này, ý tưởng sử dụng hệ thống treo có độ cứng thay đổi áp dụng Trong (Chen et al., 2014), Chen et al đề xuất việc sử dụng hệ thống treo bán chủ động cho ô tô Hệ thống treo bán chủ động sử dụng giảm KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 83 (3/2023) 35 chấn điện từ thay cho giảm chấn bị động thơng thường Khi có tín hiệu dòng điện cung cấp tới cực bên giảm chấn, từ trường xuất xung quanh cực làm thay đổi trật tự xếp hạt mạt sắt bên (Yao et al., 2022) Kết dẫn đến việc thay đổi độ nhớt chất lỏng giảm chấn (thay đổi độ cứng giảm chấn) Giải pháp thứ hai thay đổi độ cứng phận đàn hồi, tức sử dụng lị xo khí nén thay cho lị xo kim loại truyền thống Độ cứng lị xo khí nén thay đổi cách linh hoạt dựa cung cấp khí nén vào khoang lị xo (Lee, 2010) Q trình cấp khí thực hồn tồn tự động dựa việc đóng – mở van solenoid Vì vậy, cịn gọi hệ thống treo khí nén thường trang bị dịng xe tơ cao cấp xe khách cỡ lớn Mặc dù hiệu độ êm dịu mà hệ thống treo khí nén mang lại lớn so với hệ thống treo bán chủ động giá thành cịn cao khơng gian lắp đặt thường bị hạn chế dòng xe cỡ nhỏ Một ý tưởng khác áp dụng để cải thiện dao động tơ việc sử dụng hệ thống treo chủ động với cấu chấp hành thủy lực (Huang et al., 2018) Hệ thống treo chủ động có đầy đủ thành phần hệ thống treo bị động thơng thường tích hợp thêm cấu chấp hành thủy lực riêng biệt vị trí hệ thống treo Lực tác động sinh từ cấu chấp hành giúp đảm bảo ổn định xe suốt trình dao động Trong vài năm trở lại đây, có nhiều nghiên cứu điều khiển cho hệ thống treo ô tô thực In (Shefiei, 2022), Shafiei tiến hành đánh giá việc sử dụng thuật tốn PID cho mơ hình hệ thống treo 1/4 Đây thuật toán đơn giản phù hợp hệ dao động tuyến tính với đầu vào đầu (SISO) Nếu hệ dao động có nhiều đầu vào nhiều đầu ra, thuật toán LQR giải pháp phù hợp cho 36 việc điều khiển hệ thống treo, theo Nagarkar and Vikhe (Nagarkar and Vikhe, 2016) Bản chất thuật toán LQR tìm giải pháp giúp tối thiểu hóa hàm chi phí, từ giúp giảm dao động tốt (Yuvapriya et al., 2022) Một áp dụng thuật toán này, phương trình mơ tả dao động xe nên đưa dạng ma trận trạng thái Mặc dù hai phương pháp phổ biến, chúng phù hợp cho hệ tuyến tính Nếu coi dao động xe phi tuyến, cần phải sử dụng thuật toán điều khiển phức tạp hơn, chẳng hạn thuật toán điều khiển trượt (Bayar and Khaneghah, 2020) Thuật toán điều khiển trượt (SMC) thuật toán phức tạp áp dụng cho đại đa phần hệ thống phi tuyến Trong báo này, tác giả đề xuất việc thiết kế điều khiển trượt để kiểm soát hoạt động hệ thống treo chủ động nhằm nâng cao độ êm dịu tính ổn định xe MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN 2.1 Lý thuyết điều khiển trượt Áp dụng lý thuyết điều khiển đại (Nguyễn Doãn Phước, 2020), xét đối tượng phi tuyến có mơ hình thể công thức (1): (1) y  n   f y, y ,  y, , y  n1  u  t    Trong đó: y(t) tín hiệu đầu u(t) tín hiệu đầu vào (tín hiệu điều khiển) Giả thiết hàm hợp f(y(t)) hàm phi tuyến chưa xác định có giới hạn, tức là: f    (2) Hình Bộ điều khiển trượt Nếu điều kiện ban đầu w = 0, theo sơ đồ KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 83 (3/2023) Hình 1, tín hiệu sai số tín hiệu điều khiển hệ thống thể dạng sau: (3) e t    y t    y t  u  sgn  s   sgn  ke  t   e  t   (4) Trong phương trình (4), hàm sgn sử dụng với mục đích trì quỹ đạo chuyển động đối tượng vùng lân cận mặt trượt Tuy nhiên, việc sử dụng hàm sgn gây tượng “chattering” số trường hợp Đặt x1  y , x2  y ,, xn  y  n1 , phương trình (1) viết lại dạng hệ (5)  xi  xi 1 (5)   n  x  f  x   u  t  Nhiệm vụ cần thiết đặt thiết kế điều khiển phản hồi tín hiệu để hệ ổn định để x(t)  Mặt trượt hệ thống cho dạng: n 1 s  e    e   t  i Áp dụng nguyên lý D’alembert cho hệ hai vật, dao động ô tô minh họa theo phương trình sau: m1 z1  K  z2  z1   C  z2  z1   FCCCH m2z2  KT  h z2   K z2  z1 C z2  z1  FCCCH (9) Lực tác động sinh cấu chấp hành thủy lực (FCCCH) mô tả hàm phi tuyến (Konieczny et al., 2020) Tuy nhiên, trình tính tốn sử dụng hàm tương đối phức tạp, đặc biệt thuật toán cần sử dụng tín hiệu đạo hàm bậc cao hệ thống Do đó, hàm phi tuyến mơ tả mối liên hệ lực tác động tín hiệu điều khiển tuyến tính hóa dạng phương (6) trình vi phân bậc đơn giản (Bai and i0 Trong đó, hệ số mặt trượt (6) hệ số đa thức (7) cho thỏa mãn điều kiện p() đa thức Hurwitz Guo, 2018): FCCCH  1u  t   2 FCCCH  3  z2  z1  n p      ak  k (8) (10) Đặt biến trạng thái: (7) x1  z1 ; x2  z2 ; x3  FCCCH ; x4  z1 ; x5  z2 (11) k 0 2.2 Mơ hình điều khiển hệ thống treo Xét mơ hình dao động phần tư cho Hình 2, bao gồm: khối lượng treo (thân xe) m1, khối lượng khơng treo m2, lị xo (độ cứng K), giảm chấn (độ cứng C), lốp xe (độ cứng KT) Một cấu chấp hành thủy lực đặt hai khối lượng với mục đích đảm bảo ổn định dao động ô tô Lấy đạo hàm biến trạng thái: x1  x3 (12) x2  x4 (13) x3  1u  t   2 x3  3  x5  x4  (14) x4  x5    Kx1  Kx2  x3  Cx4  Cx5  m1 (15)  Kx1   KT  K  x2  x3  Cx4  Cx5  (16) m2  Trong nghiên cứu này, đầu tốn mơ giả thiết giá trị chuyển vị thân xe, tức là: y  t   z1  x1 Hình Mơ hình treo chủ động KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 83 (3/2023) (17) Lấy đạo hàm bậc tín hiệu ra: 37     K K  KT    KC     x1  C     x2 m2   m1 m2   m1    2  C C   KT   C C y      2  x3     K  3  x4   m1m2   m1 m2   m1 m2     2    C C      m  m   K  KT   3  x5  1u  t       Gọi e(t) sai số tín hiệu tín hiệu đặt: e t   y  t   r t  (18) (19) Mặt trượt hệ thống (6) xác định dựa tín hiệu đạo hàm bậc cao e(t): s  e   a0e  a1e  a2  e  a3 e  a4e 4 Tín hiệu điều khiển cuối tổng hợp lại theo (21)    u  t   c  ys 5   bi xi   e i   t   Rsgn   e i   t     i 0  i 1 i 1  KẾT QUẢ Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô số để đánh giá hiệu hệ thống treo chủ động Đầu vào tốn mơ kích thích từ mặt đường (nguyên nhân gây nên rung động), đầu giá trị liên quan đến độ êm dịu (chuyển vị gia tốc thân xe) tính ổn định (tải trọng động) Có hai trường hợp xem xét q trình tính tốn, tương ứng với hai tín hiệu kích thích dạng hình sin Hình Trong trường hợp thứ nhất, tín hiệu kích thích có biên độ tần số nhỏ Ở trường hợp thứ hai, biên độ tần số tín hiệu đầu vào lớn Hình Kích thích đầu vào 38 (20) (21) Các thơng số phục vụ cho q trình mơ tham khảo Bảng Bảng Các thông số kỹ thuật ô tô Thông số Khối lượng treo Khối lượng khơng treo Độ cứng lị xo Độ cứng lốp Hệ số cản giảm chấn Ký hiệu Đơn vị Giá trị m1 Kg 400 m2 kg 37 K KT N/m N/m 40500 175000 C Ns/m 3160 3.1 Trường hợp Chuyển vị thân xe chịu kích thích từ mặt đường (TH1) mơ tả Hình Theo kết thu được, giá trị chuyển vị xe sử dụng hệ thống treo bị động lớn nhiều so với treo chủ động Giá trị lớn đạt trường hợp 60,70 (mm) ứng với tình bị động 10,07 (mm) cho tình chủ động Bên cạnh việc sử dụng giá trị cực so sánh, tiêu RMS thường đề cập xét đến dao động liên KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 83 (3/2023) tục hệ thống treo Giá trị RMS thu cho hai tình 39,61 (mm) 7,04 (mm) theo thứ tự Nhờ vào việc sử dụng hệ thống treo chủ động với thuật toán SMC, chuyển vị thân xe cải thiện đáng kể bị nhiễu vài thời điểm toàn thời gian khảo sát Nhờ vào việc lựa chọn tham số cách hợp lý, tượng giảm bớt (Hình 5) ảnh hưởng tới độ êm dịu xe khơng lớn Trong toán điều khiển hệ thống treo, độ êm dịu xe đối tượng quan tâm hàng đầu Tuy nhiên, hệ thống treo chủ động mà hoạt động mức, tương tác bánh xe mặt đường bị ảnh hưởng chí dẫn tới tượng tách bánh Một sử dụng thuật toán điều khiển trượt cho hệ dao động với kích thích đầu vào có dạng tiền định, hoạt động cấu chấp hành thủy lực kiểm sốt tốt Điều giúp trì mức thay đổi ổn định tải trọng động bánh xe (Hình 6) Hình Chuyển vị thân xe Gia tốc thân xe thông số quan trọng giúp đánh giá độ êm dịu ô tô rung động Tương tự chuyển vị, gia tốc so sánh hai tình điều kiện xem xét giá trị lớn giá trị RMS Theo Hình 4, giá trị đỉnh gia tốc khối lượng treo đạt tới 1,34 (m/s2) ô tô sử dụng hệ thống treo khí truyền thống Trong đó, giá trị khoảng 48,51% giá trị đỉnh nêu xe có điều khiển cho hệ thống treo Gia tốc thân xe đạt cực đại pha dao động, sau giảm dần giai đoạn Giá trị trung bình gia tốc tính theo tiêu RMS xác định 0,40 (m/s2) cho tình bị động 0,07 (m/s2) cho tình chủ động Nhờ vào việc sử dụng thuật tốn điều khiển trượt, dao động tơ đảm bảo tốt hơn, mang lại tính tiện nghi cao cho người sử dụng Tuy nhiên, thuật toán điều khiển trượt tồn hạn chế chưa thể giải hồn tồn, tượng “chattering”, hay gọi “nhiễu” Hiện tượng khiến cho dao động KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 83 (3/2023) Hình Gia tốc thân xe Hình Tải trọng động 39 3.2 Trường hợp Trong trường hợp thứ hai, kích thích mặt đường lớn Do đó, dao động xe dự đốn thay đổi nhiều so với trường hợp thứ Sự thay đổi chuyển vị thân xe theo thời gian mô tả đồ thị Hình Nếu tơ sử dụng hệ thống treo thông thường, giá trị cực đại chuyển vị lên tới 105,94 (mm) giá trị RMS thu 69,45 (mm) Trong đó, điều khiển trượt áp dụng cho hệ thống treo, giá trị giảm mạnh, 15,99 (mm) 11,33 (mm) theo thứ tự nêu Rõ ràng, chênh lệch kết lớn Sự thay đổi gia tốc khối lượng treo trường hợp thứ hai lớn so với trường hợp Đối với hệ thống treo bị động, giá trị gia tốc ổn định kể từ pha thứ ba trở với độ lớn khoảng 1,55 (m/s2), ổn định tình tơ sử dụng treo chủ động bắt đầu pha thứ hai với biên độ ổn định không vượt 0,24 (m/s2) Giá trị trung bình gia tốc cho hai tình 1,18 (m/s2) 0,20 (m/s2), gấp tới gần lần (Hình 8) Có thể kết luận độ êm dịu ô tô cải thiện tốt sử dụng thuật toán điều khiển trượt cho hệ thống treo chủ động Trong trường hợp này, tượng “nhiễu” xảy ảnh hưởng khơng đáng kể Hình Gia tốc thân xe Sự thay đổi tải trọng động bánh xe sử dụng hệ thống treo chủ động kiểm soát tốt so với hệ thống treo bị động (Hình 9) Nếu thay đổi mà lớn, chí giảm khơng, bánh xe bị tách khỏi mặt đường gây ổn định chuyển động Thuật toán điều khiển trượt giúp đảm bảo điều kiện tốt tình dao động với kích thích đầu vào hàm dao động điều hịa (kích thích tiền định) Hình Tải trọng động Hình Chuyển vị thân xe 40 Kết q trình mơ tóm tắt Bảng Bảng KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 83 (3/2023) Bảng Kết mô (TH1) Lớn (nhỏ nhất) RMS Chủ động Bị động Chuyển vị 10,07 60,70 7,04 39,61 Chủ động Bị động Gia tốc 0,65 1,34 0,07 0,40 Chủ động Bị động Tải trọng động 3873,13 3738,98 4287,08 4289,44 Bảng Kết mô (TH2) Lớn (nhỏ nhất) RMS Chủ động Bị động Chuyển vị 15,99 105,94 11,33 69,45 KẾT LUẬN Mấp mô mặt đường nguyên nhân gây rung động cho ô tô, hệ thống treo sử dụng để điều hòa dập tắt dao động Trong nhiều trường hợp đặc biệt, hệ thống treo bị động đáp ứng yêu cầu đặt độ êm dịu cho xe Do đó, hệ thống treo chủ động với cấu chấp hành thủy lực sử dụng để thay cho hệ thống treo bị động thông thường Trong nghiên cứu này, dao động ô tô mô tả mô hình động lực học với Chủ động Bị động Gia tốc 1,39 2,83 0,20 1,18 Chủ động Bị động Tải trọng động 3400,45 3122,17 4290,74 4327,57 hai khối lượng Thuật toán điều khiển trượt thiết kế để áp dụng cho hệ thống treo chủ động xe Theo kết mô phỏng, giá trị cực đại giá trị trung bình chuyển vị gia tốc thân xe giảm đáng kể sử dụng hệ thống treo chủ động Bên cạnh đó, tương tác bánh xe mặt đường đảm bảo tốt áp dụng thuật tốn Vì vậy, ổn định tính tiện nghi tơ cải thiện tốt Hiện tượng “nhiễu” xảy không ảnh hưởng lớn tới hoạt động hệ thống TÀI LIỆU THAM KHẢO Lưu Văn Tuấn, Lý thuyết ô tô, Nhà xuất Giáo dục Việt Nam, 2019 Nguyễn Dỗn Phước, Phân tích điều khiển hệ phi tuyến, NXB Bách Khoa Hà Nội, 2020 Nguyễn Khắc Trai, Kết cấu ô tô, Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội, 2020 B Shafiei, “A Review on PID Control System Simulation of the Active Suspension System of a Quarter Car Model While Hitting Road Bumps”, vol 103, pp 1001-1011, 2022 G Z Yao, et al., “MR Damper and Its Application for Semi-Active Control of Vehicle Suspension System”, Mechatronics, vol 12, no 7, pp 963-973, 2022 J Konieczny, M Sibielak, and W Raczka, “Active Vehicle Suspension with Anti-Roll System Based on Advanced Sliding Mode Controller” Energies, vol 13, no 21, 2020 K Bayar and F S Khaneghah, “Optimal Sliding Mode Control Method for Active Suspension Control”, IFAC-PapersOnLine, vol 53, no 2, pp 14285-14291, 2020 M P Nagarkar and C J Vikhe, “Optimization of the linear quadratic regulator (LQR) control quarter car suspension system using genetic algorithm”, Ingeniería e Investigación, vol 36, no 1, pp 23-30, 2016 M Z Q Chen, et al., “Semi-active suspension with semi-active inerter and semi-active damper”, IFAC Proceedings Volumes, vol 47, no 3, pp 11225-11230, 2014 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 83 (3/2023) 41 R Bai and D Guo, “Sliding-Mode control of the active suspension system with the dynamics of a hydraulic actuator” Complexity, 2018 S J Lee, “Development and analysis of an air spring model”, International Journal of Automotive Technology, vol 11, pp 471-479, 2010 T Yuvapriya, P Lakshmi, and V K Elumalai, “Experimental Validation of LQR Weight Optimization Using Bat Algorithm Applied to Vibration Control of Vehicle Suspension System”, IETE Journal of Research, 2022 Y Huang, et al., “Approximation-Free Control for Vehicle Active Suspensions With Hydraulic Actuator”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 65, no 9, pp 7258-7267, 2018 Abstract: RESEARCH ON THE SLIDING MODE CONTROL ALGORITHM FOR AN AUTOMOTIVE ACTIVE SUSPENSION SYSTEM The suspension system is used to control the vibrations of the vehicle while traveling on the road In this paper, the sliding mode control (SMC) algorithm is designed to control the active suspension (active suspension) This is a complex algorithm, and it is suitable for nonlinear oscillation systems with the input excitation being of predetermined form, such as automobile suspension systems The simulation process is done by MATLAB-Simulink software with two specific cases According to the calculation results, the displacement and acceleration of the vehicle body are reduced sharply when using the sliding control algorithm for the suspension system In addition, the car's stability is also better guaranteed when equipped with an active suspension system (as evidenced by the change in wheel dynamics load) The chattering phenomenon still occurs when the oscillation changes phase; this is the nature of the sliding mode control algorithm However, its influence is not great In the following studies, the sliding mode control algorithm can be combined with other intelligent algorithms to solve this problem Keywords: Automotive suspension system, sliding mode control, oscillation, simulation Ngày nhận bài: 22/02/2023 Ngày chấp nhận đăng: 23/3/2023 42 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 83 (3/2023)