PHẦN A. ACTIVE SUSPENSION CONTROL SYSTEM CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1. Lý do chọn đề tài Sự ra đời của chiếc ô tô đầu tiên trên Thế giới đã mở ra một kỷ nguyên mới trong đời sống nhân loại. Chiếc ô tô không chỉ giúp chúng ta đi lại từ nơi này đến nơi khác một cách nhanh chóng, hay vận chuyển hàng hóa một cách dễ dàng, thuận tiện song bên cạnh đó ô tô còn mang lại sự an toàn và thoải mái cho con người khi tham gia giao thông vận tải. Ô tô đóng vai trò vô cùng quan trọng trong đời sống con người. Cùng với sự phát triển không ngừng của xã hội, nhu cầu về giao thông vận tải của con người ngày càng tăng cao, do đó ngành công nghệ sản xuất ô tô cũng ngày càng phát triển nhanh chóng. Với nhu cầu sử dụng ô tô ngày càng cao, đòi hỏi các nhà sản xuất ô tô lớn trên thế giới phải nghiên cứu nhiều hệ thống để nâng cao hiệu quả làm việc của ô tô, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, cũng như là nâng cao tính tiện nghi trên ô tô vì là tiêu chí đánh giá, tin dùng của khách hàng cũng như sự cạnh tranh thị trường của các hãng sản xuất ô tô. Độ êm ái và thoải mái là một trong những yếu tố được quan tâm hàng đầu của nhiều khách hàng khi chọn mua ô tô cũng là tiêu chí cho nhà sản xuất ô tô nghiên cứu để tăng tính cạnh tranh sản phẩm của họ. Có nhiều tác nhân và thành phần ảnh hưởng đến độ thoải mái của một chiếc xe, trong đó tác nhân đầu tiên và quan trọng nhất chính là hệ thống treo của xe. 1.2. Mục tiêu của đề tài Khi ô tô chuyển động thì mặt đường là nguồn kích thích dao động chính, gây lên sự rung lắc làm ảnh hưởng tiêu cực đến người lái cũng như hành khách trên xe. Bên cạnh đó ngoài việc nâng cao độ êm dịu cho ô tô thì độ an toàn cũng rất quan trọng. Khi người lái đánh lái hoặc khi quay vòng trên đường với tốc độ cao sẽ rất nguy hiểm bởi vì khi đó lực quán tính ngang của ô tô tăng lên rất nhanh, điều này dẫn đến khả năng ô tô bị lật ngang. Tai nạn do lật ngang thường rất trầm trọng và gây nguy hiểm đến tính mạng con người cũng như phương tiện và cơ sở hạ tầng. Để nâng cao tính ổn định ngang của ô tô, các giải pháp có thể được áp dụng bao gồm: thay đổi kết cấu của thanh ổn định ngang bị động, sử dụng các hệ thống có điều khiển như hệ thống treo, hệ thống lái và hệ thống phanh... Để cải thiện được điều này có nhiều nghiên cứu được thực hiện đối với hệ thống treo, hệ thống phanh, hệ thống lái hoặc kết hợp chúng. Trong đó nghiên cứu về hệ thống treo được chứng minh là giải pháp hiệu quả nhất.
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Lý do chọn đề tài
Sự ra đời của ô tô đã đánh dấu một kỷ nguyên mới trong đời sống nhân loại, mang lại sự nhanh chóng và tiện lợi trong việc di chuyển cũng như vận chuyển hàng hóa Ô tô không chỉ đảm bảo an toàn và thoải mái cho người sử dụng mà còn đóng vai trò quan trọng trong nhu cầu giao thông vận tải ngày càng tăng cao Để đáp ứng nhu cầu này, các nhà sản xuất ô tô trên thế giới đang nghiên cứu và phát triển các hệ thống nhằm nâng cao hiệu quả làm việc, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và cải thiện tính tiện nghi của xe Độ êm ái và thoải mái là tiêu chí hàng đầu mà khách hàng quan tâm khi chọn mua ô tô, đồng thời cũng là yếu tố cạnh tranh quan trọng giữa các hãng sản xuất Hệ thống treo của xe được xem là yếu tố quyết định hàng đầu ảnh hưởng đến độ thoải mái của hành khách.
Mục tiêu của đề tài
Khi ô tô di chuyển, mặt đường tạo ra dao động chính, gây rung lắc ảnh hưởng đến người lái và hành khách Độ êm dịu của ô tô rất quan trọng, nhưng độ an toàn cũng không kém phần quan trọng Việc đánh lái hoặc quay vòng với tốc độ cao có thể dẫn đến nguy hiểm do lực quán tính ngang tăng nhanh, làm tăng nguy cơ lật xe Tai nạn lật xe thường nghiêm trọng, đe dọa tính mạng con người, phương tiện và cơ sở hạ tầng Để cải thiện tính ổn định ngang của ô tô, có thể áp dụng các giải pháp như thay đổi kết cấu của thanh ổn định ngang.
Nghiên cứu về hệ thống treo, hệ thống lái và hệ thống phanh đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất và điều khiển của phương tiện Trong số các giải pháp, hệ thống treo đã được chứng minh là hiệu quả nhất, giúp nâng cao sự ổn định và an toàn khi lái xe Việc tối ưu hóa các hệ thống này là cần thiết để nâng cao trải nghiệm và sự thoải mái cho người sử dụng.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
● Hệ thống treo chủ động (Active Suspension Control System)
● Thiết lập bộ điều khiển qua việc sử dụng phần mềm lập trình Matlab Simulink
● Mô phỏng hệ thống qua việc sử dụng phần mềm mô phỏng Carsim
● Không gian nghiên cứu: Môi trường kỹ thuật
● Thời gian nghiên cứu: 7 tuần
● Lĩnh vực nghiên cứu: Động lực học, Simulink, mô phỏng Carsim
Phương pháp nghiên cứu
1.4.1 Phương pháp nghiên cứu lý luận
● Mục đích: Tìm hiểu cơ sở lý thuyết của đề tài
Nghiên cứu và phân tích tài liệu hệ thống treo từ các nhà sản xuất ô tô hàng đầu như Mercedes-Benz, Audi, và BMW, cùng với một số tài liệu bổ sung khác, giúp hiểu rõ hơn về công nghệ và thiết kế của các hệ thống này.
Hệ thống treo chủ động là công nghệ tiên tiến trong ngành ô tô, mang lại nhiều lợi ích vượt trội Bài viết này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống treo chủ động, cũng như các đặc tính động lực học quan trọng Qua đó, người đọc sẽ hiểu rõ hơn về những lợi ích mà hệ thống này mang lại, từ việc cải thiện khả năng điều khiển cho đến tăng cường sự thoải mái khi lái xe.
1.4.2 Phương pháp nghiên cứu thực tiễn
● Mục đích: Thiết kế bộ điều khiển và mô phỏng hệ thống treo chủ động
● Cách tiến hành: Tiến hành thiết kế bộ điều khiển thông qua phần mềm Matlab Simulink, mô phỏng và phân tích hệ thống treo chủ động trên Carsim
Vấn đề cần tập chung vào đề tài nghiên cứu
● Tổng quan về hệ thống treo chủ động (Active Suspension Control System)
● Xây dựng cơ sở lý thuyết của hệ thống và các phần mềm mô phỏng
● Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống
● Thiết kế một bộ điều khiển hệ thống treo chủ động bằng phần mềm Matlab Simulink
● Xây dựng mô hình mô phỏng của hệ thống bằng phần mềm Carsim và phân tích mô hình đó
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu chung về hệ thống treo
Hệ thống treo là bộ phận quan trọng của xe ô tô, ảnh hưởng trực tiếp đến cảm giác lái, giúp xe êm ái hoặc xóc nảy Nó đóng vai trò quyết định trong việc duy trì sự ổn định của thân xe, đặc biệt khi di chuyển qua những đoạn đường gồ ghề.
Hệ thống treo là bộ phận kết nối đàn hồi giữa khung hoặc vỏ ô tô và các cầu, giúp xe di chuyển êm ái trên các bề mặt đường không bằng phẳng Ngoài chức năng giảm chấn, hệ thống treo còn truyền lực và mômen từ bánh xe lên khung hoặc vỏ xe, đảm bảo động học bánh xe hoạt động chính xác.
Hệ thống treo của ô tô thường sử dụng được phân loại theo kết cấu có hai kiểu chính:
● Hệ thống treo phụ thuộc
● Hệ thống treo độc lập
Phân loại theo nguyên lý hoạt động điều khiển gồm có:
● Hệ thống treo bị động
● Hệ thống treo bán chủ động
● Hệ thống treo chủ động.
Hệ thống treo chủ động (Active Suspension System)
Hệ thống treo chủ động (Active Suspension Control System) là công nghệ ô tô tiên tiến, cho phép kiểm soát chuyển động thẳng đứng của bánh xe thông qua hệ thống vi mạch Công nghệ này giúp loại bỏ các vấn đề nghiêng ngang, chúi đầu hay đuôi xe khi vào cua, phanh hoặc tăng tốc, mang lại trải nghiệm lái xe êm ái và an toàn hơn.
Công nghệ này nâng cao tính êm ái và khả năng điều khiển của xe bằng cách giữ cho bánh xe luôn vuông góc với mặt đường khi vào cua, từ đó cải thiện độ bám đường và sự ổn định khi lái.
Vi mạch điều khiển nhận diện chuyển động của thân xe thông qua các cảm biến lắp trên xe Dựa vào dữ liệu được xử lý bởi thuật toán điều khiển, vi mạch này sẽ điều chỉnh hoạt động của hệ thống treo.
Hệ thống treo chủ động cải thiện tính năng vận hành bằng cách sử dụng các bộ chấp hành riêng biệt để tạo ra lực độc lập cho từng bánh xe Tuy nhiên, thiết kế này có nhược điểm như chi phí cao, tăng độ phức tạp và khối lượng của toàn hệ thống Ngoài ra, việc bảo trì thường xuyên là cần thiết, và chỉ các đại lý ủy quyền mới có đủ dụng cụ và kỹ thuật viên để thực hiện sửa chữa và chẩn đoán hư hỏng một cách chính xác.
Hình A2.1 Hệ thống treo chủ động
Ngoài các bộ phận như bộ phận lò xo, bộ phận giảm chấn, thì hệ thống treo chủ động còn có một số bộ phận khác như:
Hệ thống chịu trách nhiệm nhận tín hiệu từ tất cả các cảm biến nhằm điều chỉnh lực giảm chấn, độ cứng của lò xo và chiều cao của xe, phù hợp với điều kiện hoạt động thông qua bộ chấp hành điều khiển.
Hình A.2.2 Cấu tạo hệ thống treo
Cảm biến độ cao của xe theo dõi liên tục khoảng cách giữa thân xe và các đòn treo để xác định độ cao gầm xe Cảm biến tốc độ ghi nhận và truyền tín hiệu tốc độ đến ECU hệ thống treo ECU này nhận tín hiệu từ tất cả các cảm biến để điều chỉnh lực và độ cứng của lò xo, cũng như độ cao xe, nhằm tối ưu hóa hoạt động của xe thông qua bộ chấp hành điều khiển hệ thống, thay đổi lực giảm chấn và độ cứng của hệ thống treo.
Bộ chấp hành điều khiển điện tử phản ứng chính xác với sự thay đổi liên tục và điều kiện hoạt động của xe
Hệ thống treo chủ động hiện đại kết hợp công nghệ vật liệu và kỹ thuật cơ – điện tử đã phát triển các giải pháp tiên tiến như hệ thống treo thủy lực – khí nén, khí nén – điện tử EAS, và hệ thống treo điện từ Những công nghệ này đang được áp dụng cho các dòng xe cao cấp như Audi, BMW, và Lexus, mang lại hiệu suất và trải nghiệm lái xe vượt trội.
2.2.3 Hệ Thống Treo Khí Nén Điện Tử (EAS – Electronic Air Suspension)
Hệ thống treo ô tô đã tiến hóa từ những bộ phận đơn giản như lò xo và nhíp lá sang việc sử dụng gối cao su chứa khí nén, nhưng vẫn chưa đáp ứng yêu cầu về giảm xóc và êm ái Để khắc phục điều này, các nhà thiết kế xe hơi đã áp dụng công nghệ vật liệu và kỹ thuật cơ - điện tử, dẫn đến sự ra đời của hệ thống treo khí nén điện tử cải tiến hơn.
Hệ thống treo khí nén điện tử (EAS) là một công nghệ tiên tiến, cho phép người lái tùy chỉnh độ đàn hồi của giảm xóc, mang lại trải nghiệm lái xe linh hoạt và thoải mái hơn.
Hệ thống treo khí nén tân tiến nhất hiện nay được áp dụng trên các dòng xe cao cấp, mang đến 7 chế độ vận hành khác nhau.
Cấu tạo hệ thống EAS bao gồm các bộ phận chính:
Hệ thống treo khí nén - điện tử EAS bao gồm 4 giảm xóc khí nén, hoạt động như lò xo thông thường Cấu tạo của lò xo khí nén gồm màng cao su bên ngoài và khí bơm từ máy nén bên trong Lượng khí bơm vào quyết định lực giảm chấn, với 2 hoặc 3 mức độ mềm, trung bình, cứng, phù hợp với từng loại địa hình.
Hệ thống treo khí nén điện tử được trang bị 4 cảm biến độ cao gắn trên thân xe, giúp theo dõi khoảng cách giữa thân xe và hệ thống treo Các cảm biến này đo lường độ cao gầm xe, từ đó máy nén sẽ bơm lượng khí phù hợp vào xi lanh.
Hình A2.3 Cấu tạo hệ thống treo khí nén điện tử
Cảm biến này được gắn trong công tơ mét, có nhiệm vụ ghi nhận và gửi tín hiệu tốc độ xe đến ECU
Hai bộ điều khiển điện tử (ECU) được lắp đặt ở đỉnh của hai xi lanh khí, có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ các cảm biến để điều chỉnh lực giảm chấn và độ cứng của giảm xóc, phù hợp với từng điều kiện vận hành.
Hệ thống treo khí nén điện tử sử dụng tính đàn hồi của không khí khi bị nén để hoạt động hiệu quả Bộ giảm xóc khí nén không chỉ hấp thụ rung động nhỏ mà còn cho phép điều chỉnh độ cao khoảng sáng gầm xe một cách dễ dàng.
Khi di chuyển trên địa hình không bằng phẳng, tải trọng không đồng nhất ở mỗi bánh xe sẽ ảnh hưởng đến độ cao của xe Các cảm biến sẽ gửi tín hiệu đến ECU, bộ điều khiển điện tử, để tự động điều chỉnh lượng khí nạp hoặc xả trong các xi lanh, nhằm duy trì độ cao ổn định cho bánh xe.
Mễ PHỎNG HỆ THỐNG TREO ẳ VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ
Xõy dựng mụ hỡnh hệ thống treo ẳ
Hỡnh A3.1 Mụ hỡnh hệ thống treo ẳ
Phương pháp xây dựng phương trình vi phân mô tả dao động của hệ thống treo trờn cơ sở mụ hỡnh ẳ
Khối lượng được treo ký hiệu là M1 gồm các khối lượng như thân xe, khung xe, động cơ, hàng hóa và hành khách,
Khối lượng không được treo ký hiệu là M2 gồm khối lượng vành bánh xe, cầu xe,
Hệ thống treo liên kết giữa khối lượng M1 và M2 gồm lò xo có độ cứng ký hiệu là K1 và giảm chấn có hệ số cản giảm chấn là b1
Lốp xe được coi là một phần tử đàn hồi, có thể được mô hình hóa như một lò xo với độ cứng K2 và một giảm chấn với hệ số cản b2.
Các dao động của ô tô khi di chuyển bao gồm dao động thẳng đứng, dao động lắc ngang và lắc dọc của thân xe Trong số này, dao động thẳng đứng là lớn nhất và được coi là thông số quan trọng để đánh giá tính êm dịu của chuyển động ô tô.
Một bộ truyền động có khả năng tạo ra lực điều khiển U để điều khiển chuyển động của thân xe
Thống số tớnh toỏn cho mụ hỡnh hệ thống treo ẳ
K1 spring constant of suspension system 50000N/m
K2 spring constant of wheel and tire 400000N/m b1 damping constant of suspension system 320N.s/m b2 damping constant of wheel and tire 10000N.s/m u control force 0
Bảng A3.1 Thụng số tớnh toỏn cho mụ hỡnh hệ thống treo ẳ
3.1.2 Mô hình toán học Đối với khối lượng được treo, các ngoại lực tác dụng là:
Hình A3.2 Các lực tác dụng lên khối lượng được treo
Lực do phần tử đàn hồi của hệ thống treo tác dụng lên:
Lực do phần tử giảm chấn của hệ thống treo tác dụng lên:
F b 1 = b 1 (X 1 ̇ − X 2 ̇ ) Áp dụng định luật II Newton cho vật chuyển động tính tiến:
Hình A3.3 Các lực tác dụng lên khối lượng không được treo
Lực do phần tử đàn hồi của và phần tử giảm chấn hệ thống treo tác dụng lên:
Lực đàn hồi của lốp xe:
Lực giảm chấn của lốp xe:
F b 2 = b 2 (X 2 ̇ − W)̇ Áp dụng định luật II Newton cho vật chuyển động tính tiến:
Phương trình chuyển động của mô hình:
Thiết kế mụ hỡnh mụ phỏng hệ thống treo ẳ
3.2.1 Mụ phỏng hệ thống treo ẳ khụng cú bộ điều khiển (hệ thống treo bị động)
Hệ thống sẽ được mô hình hóa bằng cách tổng hợp các lực tác động lên cả hai khối lượng, bao gồm khối lượng treo và khối lượng không treo Tích phân gia tốc của mỗi khối lượng hai lần sẽ cho ra vận tốc và vị trí Định luật Newton cho mỗi khối lượng có thể được diễn đạt như sau.
Hình A3.4 Mô phỏng simulink định luật Newton
Thêm vào lực từ lò xo 1, giảm chấn 1
Hình A3.5 Mô phỏng simulink thêm vào lực lò xo 1 và lực giảm chấn 1
Thêm vào lực từ lò xo 2, giảm chấn 2 và khối Step (W) mô phỏng mặt đường đường gập ghềnh 10cm bằng cách điều chỉnh thông số Final value = 0,1
Hình A3.6 Mô phỏng simulink thêm vào lực lò xo 2 và lực giảm chấn 2 và mặt đường
Trong mô phỏng hệ thống treo bị động, lực đầu vào “U” được thêm vào như một lực điều chỉnh giảm chấn, với giá trị U = 0 Để phân tích hiệu suất, cần nhập các thông số tính toán và theo dõi đầu ra dao động của thân xe x(t).
Hình A3.7 Mô phỏng simulink thêm lực giảm chấn đầu vào U
Hình A3.8 Đồ thị dao động thân xe khi qua mặt đường gập ghềnh 10cm
Trong bài toán này, sự nhiễu loạn trên đường (W) được mô phỏng bằng sự nhấp nhô của mặt đường cao 10 cm, biểu thị cho xe đang thoát ra khỏi ổ gà Khi xe di chuyển trên mặt đường gập gềnh 10 cm, thân xe sẽ dao động với biên độ +/- 0.08m và trở lại trạng thái êm ái trong vòng 10 giây.
3.2.2 Mụ phỏng hệ thống treo ẳ cú bộ điều khiển (hệ thống treo chủ động)
Một hệ thống giảm xóc ô tô hiệu quả cần đảm bảo khả năng bám đường tốt, đồng thời mang lại sự thoải mái khi di chuyển qua các đoạn đường gồ ghề và hố sâu Khi xe gặp phải những bất ổn như hố chậu, vết nứt hay mặt đường không bằng phẳng, thân xe phải duy trì sự ổn định với dao động tối thiểu và khả năng phục hồi nhanh chóng.
Biểu đồ dao động của thân xe không có bộ điều khiển cho thấy khi di chuyển qua mặt đường gập ghềnh 10cm, dao động ban đầu đạt khoảng 8cm và thời gian dập tắt dao động kéo dài hơn 10 giây Để tối ưu hóa sự êm dịu, chúng tôi dự định thiết kế một bộ điều khiển nhằm giảm dao động thân xe xuống dưới 4cm và rút ngắn thời gian dập tắt dao động còn dưới 3 giây khi vượt qua mặt đường gập ghềnh này.
Hàm truyền của bộ điều khiển PID là:
● KP: là độ lợi của khâu tỷ lệ
● KI: Là độ lợi của khâu tích phân
● KD: Là độ lợi của khâu vi phân
Hình A3.9 Cấu trúc của bộ điều khiển PID r: Tín hiệu mong muốn
18 y: Ngỏ ra mong muốn e: Sai số giữa tín hiệu thực tế và tín hiệu mong muốn u: Tín hiệu điều khiển
3.2.2.2 Xõy dựng bộ điều khiển cho hệ thống treo ẳ Để thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống treo ẳ, đầu tiờn ta sẽ thay đổi lực “U”, mặt đường “W” thành đầu vào hệ thống “input”, dao động thân xe x(t) thành đầu ra hệ thống
Hỡnh A3.10 Mụ hỡnh hệ thống treo ẳ a, Xe qua mặt đường gập ghềnh 10cm
Hệ thống điều khiển được thiết kế với đầu vào là khối Step (r) với các thông số thiết lập bằng 0, nhằm duy trì trạng thái ổn định cho xe Để mô phỏng mặt đường gập ghềnh cao 10cm, khối Step (W) được sử dụng Đồng thời, khối Saturation được áp dụng để giới hạn lực tác động trong khoảng ±20000N.
Hỡnh A3.11 Mụ phỏng hệ thống treo ẳ bằng PID
Với thống số KP, KI, KD để điều khiển hệ thống như sau
Thông số của KP, KI, KD được thiết lập bằng phương pháp Trial and Error
Ban đầu, hệ số KP được thiết lập là 50000, trong khi KI và KD đều bằng 0 nhằm điều khiển thời gian dập tắt dao động Tuy nhiên, thời gian dập tắt dao động hiện tại lên đến 8 giây.
Hình A3.12 Dao động thân xe khi K P = 50000, K I = 0, K D = 0
Sau đó, ta tăng dần KP và thử cho đến giá trị Kp = 100000 thì thời gian dập tắt dao động đã giảm xuống và xấp xỉ 5 giây
Hình A3.13 Dao động thân xe khi K P = 100000, K I = 0, K D = 0
Sau khi tăng dần giá trị Kp, chúng tôi nhận thấy rằng khi Kp đạt 200000, thời gian dập tắt dao động đã giảm xuống còn khoảng 3 giây Do đó, chúng tôi quyết định chọn Kp = 200000.
Hình A3.14 Dao động thân xe khi KP = 200000, KI = 0, KD = 0
Để điều chỉnh độ dao động của thân xe, cần thiết lập hệ số KD Bắt đầu với KP = 200000, KI = 0 và KD = 10000, chúng ta nhận thấy rằng độ dao động của thân xe lúc này vượt quá 2cm.
Sau đó, ta tăng dần giá trị KD = 80000 thì dao động thân xe giảm và có giá trị nhỏ hơn 2cm Suy ra chọn hệ số KD = 80000
Hình A3.15 Dao động thân xe khi KP = 200000, KI = 0, KD = 10000
Hình A3.16 Dao động thân xe khi KP = 200000, KI = 0, KD = 80000
Với các thông số đã được chọn, hệ thống đạt yêu cầu khi xe di chuyển qua mặt đường gập ghềnh 10cm, thân xe sẽ dao động khoảng 4cm và thời gian dập tắt dao động dưới 3 giây.
Vậy bộ chọn thông số cho bộ điều khiển là KP = 200000, KI = 0, KD = 80000
Hình A3.17 Dao động thân xe khi K P = 200000, K I = 0, K D = 80000 b, Xe qua mặt đường nhấp nhô ngẫu nhiên
Mô phỏng mặt đường nhấp nhô ngẫu nhiên có thể được thực hiện bằng cách thay đổi khối Step (W) thành khối Uniform Random Number Thiết lập này cho phép tạo ra mặt đường nhấp nhô ngẫu nhiên trong khoảng ±10cm, với thời gian thay đổi dao động trong 0,5 giây.
Hỡnh A3.18 Mụ phỏng hệ thống treo ẳ bằng PID
Hình A3.19 Độ cao và dao động thân xe đối với mặt đường nhấp nhô
Biểu đồ Hình A3.19 cho thấy khi xe di chuyển qua những đoạn đường nhấp nhô ngẫu nhiên, có những điểm mà thân xe dao động vượt quá 6cm do mặt đường tại các điểm này có sự dao động lên tới hơn 4cm.
A3.20 ta thấy sự vọt lố này không đáng kể so với đường đồ thị của hệ thống treo không
Hệ thống treo có bộ điều khiển đồng thời cho thấy xu hướng dập tắt dao động sau mỗi 0,5 giây, tương ứng với sự thay đổi độ nhấp nhô của mặt đường Ngược lại, đường đồ thị của hệ thống treo không có bộ điều khiển không cho thấy xu hướng dập tắt dao động.
Trong trường hợp xe di chuyển qua mặt đường nhấp nhô ngẫu nhiên, chúng tôi đã sử dụng bộ điều khiển với các thông số KP = 200000, KI = 0, KD = 80000 Kết quả đạt được là độ vọt lố của thân xe nhỏ hơn 1cm.
3.2.3 Đánh giá kết quả của mô hình mô phỏng bằng simulink
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO CARSIM-PHÂN TÍCH KẾT QUẢ
Thiết kế bộ điều khiển cho carsim
4.1.1 Tổng quát bộ điều khiển
Ta có công thức tổng quát tính Lực Active Force (U) của hệ thống treo chủ động (Active Suspension)
● 𝑈 𝑎 : Lực điều khiển chủ động (N)
● 𝑘: Độ cứng của lò xo (N/m), theo thứ tự k1, k2, k3, k4
● 𝑏 𝑠 : Hệ số giảm chấn (Ns/m), theo thứ tự bs1, bs2, bs3, bs4
● 𝑧 1 = 𝑋 1 − 𝑋 2 : độ dịch chuyển của hệ thống treo
● 𝑧 3 = 𝑋 2 − 𝑊: độ biến dạng lốp xe
● 𝑧 4 = 𝑋̇ 2 : vận tốc của bánh xe
● (𝑧 2 − 𝑧 4 ): vận tốc của hệ thống treo
● K*z: là lực phản hồi tối ưu cho hệ thống treo chủ động
K = [K1 K2 K3 K4]: Ma trận phản hồi tối ưu LQR cho hệ thống treo chủ động
4.1.2 Xây dựng bộ điều khiển
Bộ điều khiển cho phép điều chỉnh hệ số giảm chấn của xe trước các nguồn kích thích đầu vào Hệ thống treo chủ động được phát triển dựa trên nền tảng của hệ thống treo bán chủ động, vì vậy nhóm chúng tôi sẽ thiết kế bộ điều khiển dựa trên hệ thống treo bán chủ động.
Các thông số dùng trong bộ điều khiển carsim:
-Độ cứng lò xo phía trước = 65000
-Độ cứng lò xo phía sau = 52000
*Với 𝐾 1 , 𝐾 2 , 𝐾 3 , 𝐾 4 : là kết quả phản hồi theo tiêu chuẩn tích phân tối ưu tuyến tính
Hình A.4.1 : Mô hình điều khiển
Case studies và phân tích
4.2.1 Tùy chỉnh thông số xe Ở phần này chúng em thay đổi các thông số cơ bản của xe như: chiều cao, chiều dài cơ sở, khoảng sáng gầm xe, khối lượng được treo, của toyota Camry 2014
Hình A.4.3 : Điều chỉnh thông số cơ bản
Điều chỉnh các thông số của cầu trước và cầu sau là rất quan trọng, bao gồm khối lượng không được treo, khoảng cách giữa hai bánh xe cầu trước và sau, độ cứng của lò xo, cùng với hệ số giảm chấn.
Hình A.4.4 : Điều chỉnh thông số cầu trước
32 Hình A.4.5 : Điều chỉnh độ cứng lò xo, hệ số giảm chấn cầu trước
Hình A.4.6 : Điều chỉnh thông số cầu sau
Hình A.4.7 : Điều chỉnh độ cứng lò xo, hệ số giảm chấn cầu sau
TH1: Mô phỏng xe chạy trên đường cong lớn
TH2: Mô phỏng xe chạy trên đường đồi núi mấp mô ngẫu nhiên
TH3: Mô phỏng xe chạy trên mặt đường đi qua vật cản nhỏ
Hình A.4.10 Đi qua vật cản nhỏ
TH1: Mô phỏng xe chạy trên đường cong lớn
35 -Xe chạy với tốc độ không đổi qua đường cong lớn với mặt đường có độ nghiêng nhẹ
Hình A.4.11 : Lực thẳng đứng tác dụng lên 4 bánh xe
Hình A.4.12 : Lực thẳng đứng tác dụng lên 4 bánh xe khi chưa vào đường cong
Hình A.4.13 : Lực thẳng đứng khi xe tiến vào đường cong
-Lúc này lực thẳng đứng tác dụng lên 2 bánh xe bên phải sẽ giảm còn 2 bánh bên trái thì sẽ tăng
Hình A.4.14 : Lực thẳng đứng tác dụng lên 4 bánh khi ra khỏi đường cong
-Khi ra khỏi đường cong thì lực thẳng đứng tác dụng lên 2 bánh xe bên phải tăng lên còn
2 bánh trái sẽ giảm xuống
Hình A.4.15 : Độ nén của lò xo khi xe tiến vào đường cong
Lực thẳng đứng tác động lên hai bánh xe bên trái làm tăng độ nén của lò xo, trong khi độ nén của lò xo ở hai bánh bên phải giảm do lực thẳng đứng tác động lên chúng giảm.
Hình A.4.16 : Độ nén của lò xo khi ra khỏi đường cong
Khi xe ra khỏi đường cong, lực tác dụng lên bánh trái giảm, dẫn đến độ nén của lò xo ở bánh trái cũng giảm Ngược lại, độ nén lò xo ở bánh phải tăng lên do lực thẳng đứng tại đó tăng.
Khi xe vào đường cong đột ngột, lực giảm chấn ở cả bốn bánh xe sẽ tăng lên, sau đó giảm xuống khi xe đạt được sự ổn định trong quá trình di chuyển.
Hình A.4.18 : Lực giảm chấn khi xe ra khỏi đường cong
Khi xe vào và ra khỏi đường cong, lực giảm chấn tại cả bốn bánh xe sẽ có sự biến động Khi xe ra khỏi đường cong đột ngột, lực giảm chấn sẽ tăng lên, nhưng sau khi xe lấy lại được sự ổn định khi di chuyển trên đường thẳng, lực giảm chấn ở cả bốn bánh sẽ giảm xuống.
TH2: Xe đi qua đường đồi núi có mặt đường mấp mô ngẫu nhiên
Ta có thông số điều chỉnh trong carsim đối với đường đồi núi có mặt đường mấp mô ngẫu nhiên:
40 Đối với loại đường này ta điều chỉnh cho xe chạy với vận tốc 22km/h
Hình A.4.19 : Xe đi qua đường đồi núi có mặt đường mấp mô ngẫu nhiên
Hình A.4.20 : Đồ thị biểu diễn biên độ của các bánh xe khi đi qua cái mấp mô ngẫu nhiên theo thời gian
Khi xe di chuyển với tốc độ 22 km/h trên đường đồi núi có bề mặt mấp mô, biên độ dao động của các bánh xe liên tục thay đổi Trong khoảng thời gian từ giây đầu tiên đến giây thứ hai, do mặt đường ít mấp mô, biên độ dao động không thay đổi nhiều Tuy nhiên, từ giây thứ 6 đến giây thứ 10, với sự gia tăng độ mấp mô, biên độ dao động trở nên đáng kể ở cả hai cầu Đặc biệt, từ giây thứ 8 đến giây thứ 10, khi xe lên dốc, biên độ dao động thay đổi mạnh mẽ từ dưới -1m lên hơn 1m Điều này cho thấy hệ thống treo của xe hoạt động ở mức tối đa công suất để xử lý những biến động liên tục trên những loại đường này.
Đồ thị biểu diễn gia tốc dịch chuyển thẳng đứng của tâm khối lượng xe cho thấy sự thay đổi liên tục của lực thẳng đứng tại các bánh xe khi xe di chuyển trên đoạn đường núi mấp mô Gia tốc của bánh xe dao động không đều theo thời gian, đặc biệt là tại giây thứ 13, khi xe lên dốc, gia tốc thay đổi đột ngột do xe đi qua đoạn đường có độ lõm và độ mấp mô cao.
Hình A.4.22 : Đồ thị biểu diễn lực của bộ giảm chấn trên các bánh xe
Khi xe di chuyển trên đường đồi núi với độ mấp mô cao, bộ giảm chấn sẽ chịu nhiều lực tác động, dẫn đến sự dao động liên tục và không đều trên đồ thị Khi xe leo dốc, lực tác động lên các bánh xe tăng cao, đặc biệt khi vượt qua đoạn dốc, lực này có thể gia tăng do bề mặt mấp mô lớn Đặc biệt, từ giây thứ 13 đến giây thứ 14, lực tác động có thể đạt ngưỡng cao nhất, vượt quá 4000N.
Hình A.4.23 : Đồ thị biểu diễn lực thẳng đứng tác dụng lên các lốp xe
Khi xe di chuyển trên đường đồi núi với mặt đường mấp mô, lực tác động từ mặt đường lên các bánh xe không đồng đều và liên tục thay đổi.
Vào giây thứ 8, khi xe chuẩn bị lên dốc, bánh xe bên trái phía trước chịu lực lớn do bề mặt đường có độ lõm sâu hơn bánh xe bên phải, với lực tối đa đạt 14000N Đến khoảng giây thứ 8.5, khi xe đang lên dốc cao, trọng tâm của xe dồn về phía đuôi, kết hợp với độ lõm của mặt đường, khiến bánh xe bên trái phía sau cũng chịu lực lớn, có thể đạt tới 14000N.
Ở giây thứ 13, sau khi xe vượt qua đoạn dốc, bánh xe bên trái phía trước chịu lực lớn do mặt đường bị lõm sâu và có độ dốc vừa phải Theo đồ thị, lực tác động lên bánh xe đạt ngưỡng tối đa ngoài 24000N.
TH3: Xe đi qua đường có vật cản nhỏ
Ta có thông số điều chỉnh carsim đối với đường có vật cản nhỏ
47 Ở đây ta chọn thông số của vật cản có chiều cao là 3.5cm và chiều dài là 40cm
Hình A.4.24 : Đồ thị biểu diễn lực thẳng đứng tác dụng lên các bánh xe
Trong 5 giây đầu tiên khi xe di chuyển, lực tác động từ mặt đường lên các bánh xe là rất nhỏ Khi hai bánh xe phía trước vừa chạm vào vật cản, một lực bắt đầu tác động lên xe.
2 bánh xe phía trước Quan sát trên đồ thị ta thấy độ lớn của lực này đạt mức hơn 11000N
Sau khi xe vượt qua vật cản, lực tác động giảm xuống còn khoảng 9000N, trong khi đó, lực tối đa đạt gần 11000N khi hai bánh xe phía sau vừa cán lên vật cản.
Hình A.4.25 : Đồ thị biểu diễn lực của bộ giảm chấn trên các bánh xe
Trước khi xe vượt qua vật cản, lực tác dụng lên bộ giảm chấn gần như bằng 0 Khi xe di chuyển qua vật cản, lực tác động lên bộ giảm chấn ở các bánh xe tăng lên đáng kể Cụ thể, khi hai bánh xe phía trước vừa cán lên vật cản, lực đạt tối đa khoảng 1800N, và giảm còn khoảng 1500N khi chúng vừa qua khỏi vật cản Tương tự, hai bánh xe phía sau có lực tác động khoảng 1500N khi vừa cán lên vật cản, và giảm xuống còn khoảng 1200N sau khi vượt qua.
Đánh giá sự ổn định của bộ điều khiển
4.3.1 Biểu đồ gia tốc thẳng đứng
Hình A.4.26 : Gia tốc thẳng đứng của thân xe qua đường cong giữa xe có bộ điều khiển và không có bộ điều khiển
Hình A.4.27: Gia tốc thẳng đứng của thân xe qua đường đồi núi giữa xe có bộ điều khiển và không có bộ điều khiển
Hình A.4.28 : Gia tốc thẳng đứng của thân xe qua đường có vật cản nhỏ giữa xe có bộ điều khiển và không có bộ điều khiển
-Đồ thị gia tốc thẳng đứng của xe giúp đánh giá được sự ổn định của thân xe theo phương thẳng đứng
Qua ba đồ thị 4.19, 4.20 và 4.21, có thể nhận thấy rằng biên độ dao động của đồ thị gia tốc thẳng đứng của xe có bộ điều khiển thấp hơn đáng kể so với xe không có bộ điều khiển Trên đoạn đường thẳng, khi không gặp chướng ngại vật, đường màu xanh gần như là một đường thẳng, cho thấy xe có bộ điều khiển di chuyển rất êm ái Ngược lại, xe không có bộ điều khiển luôn có sự nhấp nhô, ngay cả khi di chuyển trên mặt đường bằng phẳng.
-Hiện tượng tắt dần trong 3 trường hợp mô phỏng trên của xe có bộ điều khiển cũng nhanh hơn
4.3.2 Biểu đồ góc đánh lái
Hình A.4.29 : Góc đánh lái của xe qua đường cong giữa xe có bộ điều khiển và không có bộ điều khiển
Hình A.4.30 : Góc đánh lái của xe qua đường đồi núi giữa xe có bộ điều khiển và không có bộ điều khiển
Hình A.4.31 : Góc đánh lái của xe qua đường có vật cản nhỏ giữa xe có bộ điều khiển và không có bộ điều khiển
Các đồ thị cho thấy biên độ khoảng cách góc đánh lái giữa điểm cao nhất và thấp nhất của xe có bộ điều khiển luôn gần 0 hơn so với xe không có bộ điều khiển Điều này chứng tỏ rằng bộ điều khiển giúp ổn định 4 bánh xe chống rung lắc, dẫn đến góc đánh lái nhỏ hơn.
Hình A.4.32 : Lực ngang tác dụng lên bánh xe trước bên trái giữa xe có bộ điều khiển và xe không có bộ điều khiển
Hình A.4.33 : Lực ngang tác dụng lên bánh xe trước bên phải giữa xe có bộ điều khiển và xe không có bộ điều khiển
Hình A.4.34 : Lực ngang tác dụng lên bánh xe sau bên trái giữa xe có bộ điều khiển và xe không có bộ điều khiển
Hình A.4.35 : Lực ngang tác dụng lên bánh xe sau bên phải giữa xe có bộ điều khiển và xe không có bộ điều khiển
Dựa vào đồ thị, lực ngang tác động lên bốn bánh xe của xe có bộ điều khiển luôn dao động trong biên độ của bốn bánh không có bộ điều khiển Điều này cho thấy rằng xe không có bộ điều khiển không ổn định, dẫn đến sự thay đổi của lực lớn hơn.
4.3.4 Biểu đồ góc nghiêng của xe
Hình A.4.36 : Góc nghiêng của xe trên đường cong giữa xe có bộ điều khiển và xe không có bộ điều khiển
Hình A.4.37 : Góc nghiêng của xe trên đường có vật cản nhỏ giữa xe có bộ điều khiển và xe không có bộ điều khiển
Tần số dao động của góc nghiêng trên xe không có bộ điều khiển cao hơn so với xe có bộ điều khiển, cho thấy rằng xe không có bộ điều khiển sẽ trải qua hiện tượng rung lắc nhiều hơn.
Việc so sánh các biểu đồ cho thấy rằng xe trang bị hệ thống treo với bộ điều khiển mang lại sự ổn định và mượt mà trong vận hành Điều này giúp người lái cảm nhận được sự êm dịu hơn trên mọi loại địa hình.