(Tiểu luận) tiểu luận môn học active suspension modelling and control

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO TIỂU LUẬN MÔN HỌC ACTIVE SUSPENSION MODELLING AND CONTROL SVTH: MSSV NGUYỄN KHẮC TÂM 20145602 NGUYỄN BÌNH QUỐC VINH 20145068 HUỲNH LÂM NHẬT TÂN 20145605 PHAN THÀNH LỢI 20145549 VÕ MINH LINH 20145545 Khóa: K20 Ngành: Cơng Nghệ kỹ thuật ô tô GVHD: Th.S NGUYỄN TRUNG HIẾU Tp Hồ Chí Minh, ngày h tháng năm 2023 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** -Tp Hồ Chí Minh, ngày - tháng - năm 2023 NHIỆM VỤ TIỂU LUẬN MÔN HỌC Họ tên sinh viên MSSV : Nguyễn Khắc Tâm 20145 602 Nguyễn Bình Quốc Vinh 20145 068 Huỳnh Lâm Nhật Tân 20145 605 Phan Thành Lợi 20145 549 Võ Minh Linh 20145 545 Ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô Lớp: T5_789-He thong dieu khien tu dong o to_ Nhom 04CLC Giảng viên hướng dẫn: Th.S Nguyễn Trung Hiếu Ngày nộp đề tà Ngày nhận đề tài: Tên đề tài: Active suspension modelling and control Các số liệu, tài liệu ban đầu: Nội dung thực đề tài: Sản phẩm: h TRƯỞNG NGÀNH DẪN GIẢNG VIÊN HƯỚNG h CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên: MSSV: MSSV: MSSV: MSSV: MSSV: Ngành: Tên đề tài: Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: h Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằng chữ: .) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM h năm 20… CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆ NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên Sinh viên: MSSV: .MSSV: .MSSV: .MSSV: MSSV: Ngành: Tên đề tài: Họ và tên Giáo viên phản biện: NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực i h hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên) ii h năm 20… TÓM TẮT iii h MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH vi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Đối tượng nghiên cứu 1.3 Mục đích đề tài 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5 Phạm vi đề tài 1.6 Kế hoạch thực 1.7 Kết dự kiến 1.8 Bố cục đề tài .3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan giới thiệu hệ thống treo .4 2.1.1 Công dụng hệ thống treo .4 2.1.2 Phân loại hệ thống treo 2.1.2.1 Phân loại theo phận đàn hồi 2.1.2.2 Phân loại theo sơ đồ phận dẫn hướng 2.1.2.3 Phân loại theo phương pháp dập tắt chấn động 2.1.3 Cấu tạo chung hệ thống treo 2.1.3.1 Phần tử đàn hồi 2.1.3.2 Phần tử giảm chấn .7 iv h 2.1.3.3 Phần tử dẫn hướng 2.2 Tổng quan hệ thống treo chủ động 2.2.1 Cấu tạo hệ thống treo chủ động 2.2.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống treo chủ động 2.2.3 Ưu điểm hệ thống treo chủ động 2.3 Các yếu tố gây dao động oto ảnh hưởng dao động .9 2.3.1 Các yếu tố gây dao động .9 2.3.2 Ảnh hưởng dao động người hàng hóa 10 2.3.3 Ảnh hưởng dao động độ bền xe, mặt đường an toàn chuyển động 10 2.4 Các tiêu đánh giá độ êm dịu an toàn chuyển động 11 2.4.1 Chỉ tiêu tần số dao động 11 2.4.2 Tiêu chuẩn gia tốc dao động thẳng đứng, rung động .11 2.5 Giới thiệu hệ thống điều khiển tự động 12 2.5.1 Hệ thống điều khiển Open Loop Control System .12 2.5.2 Hệ thống điều khiển Closed Loop Control System 13 2.6 Giới thiệu điều khiển PID 13 2.6.1 Mục đích thiết kế điều khiển PID 13 2.6.2 Các điều khiển 13 2.6.2.1 Bộ điều khiển tỷ lệ P 13 2.6.2.2 Bộ điều khiển tích phân I .14 2.6.2.3 Bộ điều khiển vi phân D 15 2.6.2.4 Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân PI 16 2.6.2.5 Bộ điều khiển tỷ lệ vi tích phân PID .18 2.6.3 Các phương pháp xác định tham số điều khiển PID 20 2.7 Giới thiệu phần mềm mô 20 v h Hình Đồ thị gia tốc thân xe hệ thống treo bị động Kết luận: Từ biểu đồ trên, thấy xe lên bậc nhỏ 10cm thân xe dao động khoảng 16cm với thời gian dập tắt dao động khoảng giây, gia tốc thân xe lên đến 24 m/s2 làm người ngồi xe không thoải mái với dao động 3.6.1 Thiết kế điều khiển PID cho hệ thống treo chủ động 3.6.1 Các điều khiển 3.6.1.1 Bộ điều khiển tỷ lệ P Tín hiệu điều khiển u(t) tỷ lệ với tín hiệu vào e(t) phương trình vi phân mơ tả động học (3.1) Trong đó: u(t): Tín hiệu điều khiển e(t): Tín hiệu vào điều khiển K: Hệ số khuếch đại điều khiển Từ mơ hình vào – trên, ta có hàm truyền đạt điều khiển P 19 h (Hệ số khuếch đại) (3.2) Ưu điểm: Bộ điều khiển có tính tác động nhanh đầu vào có tín hiệu sai lệch tác động tín hiệu đầu Nhược điểm: Hệ thống tồn sai lệch dư, tín hiệu sai lệch đầu vào điều khiển bé khơng gây tín hiệu tác động điều khiển, muốn khắc phục nhược điểm phải tăng hệ số khuếch đại Như hệ thống ổn định Hình 3.10 Quá trình điều chỉnh hệ số K khác 3.6.1.2 Bộ điều khiển tích phân I Tín hiệu điều khiển u(t) tỷ lệ với tích phân tín hiệu đầu vào e(t) Phương trình vi phân mơ tả động học (3.3) Trong đó: u(t): Tín hiệu điều khiển e(t): Tín hiệu vào điều khiển K: Hệ số khuếch đại điều khiển Ti = 1/K: Hằng số thời gian tích phân Từ cơng thức ta thấy giá trị điều khiển u(t) đạt giá trị xác lập (quá trình điều khiển kết thúc) e(t) = 20 h Từ mơ hình vào – trên, ta có hàm truyền điều khiển I: (3.4) Ưu điểm: Bộ điều khiển tích phân loại bỏ sai lệch dư hệ thống, chịu ảnh hưởng tác động nhiễu cao tần Nhược điểm: Bộ điều khiển tác động chậm nên tính ổn định hệ thống Xét đặc tính tích phân, tín hiệu ln ln chậm pha so với tín hiệu góc pi/2 Điều muốn nói tới tác động chậm quy luật tích phân Do tác động chậm mà công nghiệp hệ thống điều chỉnh tự động sử dụng quy luật tích phân ổn định nên sử dụng cơng nghiệp 3.6.1.3 Bộ điều khiển vi phân D Tín hiệu điều khiển tỷ lệ với vi phân tín hiệu vào Phương trình vi phân mơ tả động học (3.5) Trong đó: u(t): Tín hiệu điều khiển e(t): Tín hiệu vào điều khiển K = K1: Hệ số khuếch đại điều khiển Td: Hằng số thời gian tích phân Từ mơ hình vào – trên, ta có hàm truyền điều khiển D (3.6) Ưu điểm: Bộ điều khiển vi phân D đáp ứng tính tác động nhanh, đặc tính mà điều khiển tự động mong muốn 21 h Nhược điểm: Khi hệ thống dùng điều khiển có quy luật vi phân hệ thống dễ bị tác động nhiễu cao tần Đây loại nhiễu thường tồn công nghiệp 3.6.1.4 Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân PI Phương trình vi phân mơ tả quan hệ tín hiệu vào điều khiển: (3.7) (3.8) Trong đó: u(t): Tín hiệu điều khiển e(t): Tín hiệu vào điều khiển K = K1: Hệ số khuếch đại điều khiển Ti = K1/K2: Hằng số thời gian tích phân Từ mơ hình vào – trên, ta có hàm truyền điều khiển PI (3.9) Hình 3.11 Biểu diễn độ điều chỉnh quy luật PI 22 h Đường 1: Nhận K nhỏ Ti lớn, tác động điều chỉnh nhỏ nên q trình khơng dao động Đường 2: Nhận K nhỏ Ti nhỏ, tác động điều chỉnh tương đối lớn thiên quy luật tích phân tác động chậm, hệ số dao động với tần số nhỏ Không tồn sai lệch dư Đường 3: Mơ tả q trình K lớn, Ti lớn, tác động điều chỉnh tương đối lớn thiên quy luật tỷ lệ nên hệ thống dao động với tần số lớn, tồn sai lệch dư Đường 4: Tương ứng với trình điều chỉnh K lớn, Ti nhỏ, trình điều chỉnh dao động mạnh, thời gian điều chỉnh kéo dài khơng có sai lệch dư Đường 5: Được xem trình tối ưu K Ti thích hợp với đối tượng điều chỉnh Ưu điểm: Bộ điều khiển triệt tiêu sai lệch dư hệ thống đáp ứng tính tác động nhanh Nhược điểm: Gây chậm pha vùng tần số thấp, đồng thời có thành phần tích phân nên tốc độ tác động quy luật PI chậm đi, đối tượng có nhiễu tác động liên tục mà địi hỏi độ xác điều chỉnh cao quy luật PI khơng đáp ứng 3.6.1.5 Bộ điều khiển tỷ lệ vi tích phân PID Để tăng tác động quy luật PI, thành phần người ta ghép thêm thành phần vi phân nhận quy luật tỷ lệ vi tích phân PID Có đặc tính mềm dẻo phù hợp cho hầu hết đối tượng công nghiệp Cấu trúc điều khiển PID (hình 3.3) gồm có ba thành phần khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I) khâu vi phân (D) Khi sử dụng thuật toán PID thiết phải lựa chọn chế độ làm việc P, I hay D sau đặt tham số cho chế độ chọn Một cách tổng qt, có ba thuật tốn sử dụng P, PI, PID 23 h Hình 3.12 Cấu trúc điều khiển PID Bộ điều khiển PID có cấu trúc đơn giản, dễ sử dụng nên sử dụng rộng rãi điều khiển đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp (hình 3.4) Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) hệ thống cho trình độ thỏa mãn yêu cầu chất lượng: - Nếu sai lệch tĩnh e(t) lớn thơng qua thành phần up(t), tín hiệu điều chỉnh u(t) lớn - Nếu sai lệch e(t) chưa thơng qua thành phần u(t), PID cịn tạo tín hiệu điều chỉnh - Nếu thay đổi sai lệch e(t) lớn thơng qua thành phần uD (t), phản ứng thích hợp u(t) nhanh Hình 3.13 Điều khiển hồi tiếp PID Phương trình vi phân mơ tả quan hệ tín hiệu vào điều khiển 24 h Trong đó: u(t): Tín hiệu điều khiển e(t): Tín hiệu vào điều khiển K = K1: Hệ số khuếch đại điều khiển Ti = K1/K2: Hằng số thời gian tích phân Td = K3/K1: Thời gian tích phân Từ mơ hình vào – trên, ta có hàm truyền điều khiển PID Ưu điểm: Bộ điều khiển PID có tốc độ tác động nhanh điều khiển tỷ lệ Nếu ta chọn tham số phù hợp cho điều khiển PID hệ thống cho ta đặc tính mong muốn, đáp ứng hệ thống công nghiệp Trong điều khiển có thành phần tích phân nên hệ thống triệt tiêu sai lệch dư Nhược điểm: Bộ điều khiển PID đáp ứng yêu cầu chất lượng hầu hết quy trình cơng nghệ Nhưng việc hiệu chỉnh tham số phức tạp địi hỏi người sử dụng phải có trình độ định Vì cơng nghiệp điều khiển PID sử dụng nơi cần thiết quy luật PI không đáp ứng yêu cầu chất lượng điều chỉnh 3.6.2 Các phương pháp xác định tham số điều khiển PID - Phương pháp Ziegler – Nichols - Phương pháp Chien – Hrones – Rewisk - Phương pháp chỉnh tay: Đặt Ki = Kd = Tăng Kp đến hệ thống dao động tuần hồn Đặt thời gian tích phân chu kỳ dao động Điều chỉnh lại giá trị Kp cho phù hợp Nếu có đao động điều chỉnh giá trị Kd - Phương pháp dùng phần mềm: Dùng phần mềm để tự động chỉnh định thông số PID (thực mơ hình tốn,kiểm nghiệm mơ hình thực) Ví dụ dùng giải thuật di truyền (GA) để tìm thơng số cho sai số đo nhỏ giá trị yêu cầu 25 h 3.6.3 Xác định thông số cho điều khiển PID Qua quan sát phần 3.5, nhóm nghiên cứu muốn cải thiện hệ thống treo thơng qua việc kiểm sốt lực điều khiển hệ thống treo (F) Hình 14 Sơ đồ điều khiển hệ thống treo Chọn thông số điều khiển PID: Kp = 5870, Ki = 100, Kd = 1300 3.6 Mô hệ thống treo chủ động động phần mềm Matlab Simulink 26 h 3.6.1 Mô hệ thống treo chủ động phần mềm Matlab Simulink Hình 15 Mơ hệ thống treo chủ động Simulink Kết mơ phỏng: 27 h Hình Đồ thị dịch chuyển thân xe Hình Đồ thị gia tốc dịch chuyển thân xe 28 h CHƯƠNG 4: MƠ PHỎNG HỆ THỐNG TREO CHỦ ĐỘNG TỒN BỘ XE 4.1 Giới thiệu phần mềm Carsim CarSim là sản phẩm phần mềm Tập đoàn Mechanical Simulation (USA) – công ty phần mềm chuyên động lực học xe thành lập năm 1996 Tiền thân tập đoàn Trường Đại học  Viện nghiên cứu giao thông vận tải Michigan (UMTRI) Cho đến Mechanical Simulation (USA) có 30 năm kinh nghiệm xây dựng phát triển phần mềm để mô động lực học xe CarSim: Mô động lực học loại xe ô tô  bánh, xe tải nhẹ, xe tải nhỏ, xe tơ đua; xe có khơng có rơ mc với phiên mơ thời gian thực Hình 4.1 Phần mềm Carsim 4.2 Mơ hệ thống treo bị động phần mềm Carsim Bước 1: Nhập thơng số cho xe phần Vehicle configuaration Hình 4.2 Nhập thông số xe Toyota Camry 29 h Bước 2: Nhập thông số cho hệ thống treo phần Sprung mass Hình Nhập thơng số hệ thống treo Bước 3: Ở giao diện điều kiện mô phỏng, ta cài đặt: - Tốc độ xe không đổi 70 km/h - Mơ vịng 10s với quảng đường 150m - Không đánh lái phanh xe chạy Bước 4: Chọn địa hình mơ Dạng 1: Dạng vấp mấp mơ có chiều cao 3,5 cm dài 40 cm chắn trước đường Dạng 2: Dạng đường sóng sin Bước 5: Chọn đồ thị hiển thị Bước 6: Xuất kết đồ thị video 4.2 Mô hệ thống treo chủ động phần mềm Carsim Bước 1: Nhập thông số cho xe phần Vehicle configuaration Bước 2: Nhập thông số cho hệ thống treo phần Sprung mass Bước 3: Thiết kế hệ thống treo chủ động full xe với điều khiển PID simulink 30 h Bước 4: Thêm hệ thống treo chủ động vào carsim Bước 5: Ở giao diện điều kiện mô phỏng, ta cài đặt: - Tốc độ xe khơng đổi 70 km/h - Mơ vịng 10s với quảng đường 150m - Không đánh lái phanh xe chạy Bước 6: Chọn địa hình mơ Dạng 1: Dạng vấp mấp mơ có chiều cao 3,5 cm dài 40 cm chắn trước đường Dạng 2: Dạng đường sóng sin Bước 7: Chọn đồ thị hiển thị Bước 8: Xuất kết đồ thị video 31 h CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận - Từ video mô đồ thị carsim matlab simulink rút kết luận hệ thống treo chủ động tốt hệ thống treo bị động 5.2 Kiến nghị - Những khó khăn q trình thực đề tài - Hướng phát triển đề tài 32 h TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dương Nguyễn Hắc Lân, nghiên cứu mô hình hóa mơ hệ thống treo chủ động Matlab/simulink, Đại học sư phạm Tp.HCM năm 2019 [2] TS Lâm Mai Long, Dao Động Tiếng Ồn Ô Tô, NXB.ĐHQG TP.HCM – 2017 [3] PGS TS Nông Văn Vìn, Động Lực Học Thẳng Đứng Và Hệ Thống Treo ô tô, Trường Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên, năm 2014 [4] Nguyễn Phùng Quang, Matlab – Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội 2004 [5] Team 21 Toyota, tài liệu đào tạo kỹ thuật viên [6] Mohammadjavad Zeinali, Intan Zaurah Mat Darus,Fuzzy PID Controller Simulationfor a Quarter-car Semi-active Suspension System Using Magnetorheological Damper, 2012 IEEE Conference on Control, Systems and Industrial Informatics (ICCSII) Bandung, Indonesia, September 23-26, 2012 [7] Dirman Hanafi, PID Controller Design for Semi-Active Car Suspension Based on Model from Intelligent System Identification.Department of Mechatronic and Robotic Engineering Universiti Tun Hussein On Malaysia (UTHM),2010 [8] XueMei Sun, Yaxu Chu, Jiuchen Fan, Qiuxiao Yang, Research of Simulation on the Effect of Suspension Damping on Vehicle Ride, International Conference on Future Electrical Power and Energy Systems,2012 [9] Musa Mohammed Bello, Amir Akramin Shafie ,Raisuddin Md Khan, ElectroHydraulic PID Force Control for Nonlinear Vehicle Suspension System, International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT),ISSN : 2278-0181,Vol Issue 01,January-2015 [10] Abdullahi b kunya, atef a ata, half car suspension system integrated with pid controller, Mevlana University, Konya, , Konya –Turkey, april, 2003 33 h