Nghiên cứu xây dựng mô hình điều khiển cho hệ thống treo chủ động trên xe con 5 chỗ

i MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC BẢNG BIỂU vii DANH MỤC HÌNH ẢNH viii MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học Cấu trúc luận văn CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan dao động nguyên nhân gây dao động ô tô 1.1.1 Dao động 1.1.2 Các nguyên nhân gây dao động 1.1.3 Ảnh hưởng dao động 1.2 Hệ thống treo ô tô 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 Chức 1.2.3 Phân loại chung hệ thống treo ii 1.2.4 Các phận hệ thống treo 12 1.3 Hệ thống treo chủ động 16 1.4 Các phương pháp điều khiển cho hệ thống treo 17 1.5 Kết luận chương 18 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 19 2.1 Các hệ thống treo mơ hình tính tốn 19 2.1.1 Mơ hình hệ thống treo bị động 19 2.1.2 Mơ hình hệ thống treo bán chủ động 20 2.1.3 Mơ hình hệ thống treo chủ động 21 2.2 Cơ sở lí thuyết điều khiển 22 2.2.1 Hai phương pháp xác định tham số PID Ziegler-Nichols 24 2.2.2 Phương pháp Chien-Hrones-Reswick 24 2.2.3 Phương pháp tổng T Kuhn 26 2.2.4 Phương pháp tối ưu độ lớn 27 2.2.5 Phương pháp tối ưu đối xứng 27 2.2.6 Chọn tham số PID tối ưu theo sai lệch bám 28 2.2.7 Xác định tham số PID thực nghiệm 29 2.3 Phần mềm Matlab Simulink 30 2.3.1 Khả Matlab 30 2.3.2 Cấu trúc liệu Matlab, ứng dụng 30 2.3.3 Hệ thống Matlab 31 iii 2.4 Kết luận chương 31 CHƯƠNG III: MƠ HÌNH HĨA BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HTT CHỦ ĐỘNG 32 3.1 Xây dựng mơ hình HTT chủ động 32 3.2 Mơ hình hóa dao động xe mơi trường Matlab Simulink 37 3.3 Điều kiện mô 41 3.4 Kết thảo luận 42 3.4.1 Kích thích mặt đường dạng tuần hoàn (hàm sine) 42 3.4.2 Kích thích mặt đường dạng bậc (hàm step) 45 3.4.3 Kích thích mặt đường dạng ngẫu nhiên (hàm rand) 47 3.5 Kết luận 50 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 iv LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn tới Thầy, Cô Khoa Kỹ thuật Ơ tơ Năng lượng, Trường Đại học Phenikaa tạo hội cho em học tập, rèn luyện trau dồi kiến thức, kỹ suốt trình học tập Trường Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn đến giảng viên hướng dẫn PGS.TS Trần Thị Thu Hương, ln tận tình dẫn, theo dõi sát trình học tập, động viên đưa lời khuyên bổ ích giúp em giải vấn đề vướng mắc q trình nghiên cứu hồn thành luận văn Do kiến thức thân hạn chế thiếu kinh nghiệm thực tiễn nên nội dung luận văn khó tránh thiếu sót Em mong nhận góp ý, dạy thêm từ Thầy, Cơ Cuối cùng, em xin kính chúc Thầy, Cơ thật nhiều sức khỏe đạt nhiều thành công công việc Trân trọng v LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu tơi thực hướng dẫn PGS.TS Trần Thị Thu Hương Các số liệu kết nghiên cứu trung thực khách quan, đồng ý sở nơi nghiên cứu Nghiên cứu không trùng lặp với nghiên cứu khác công bố Hà Nội, ngày … tháng … năm 2023 Nguyễn Mạnh Long vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết Từ đầy đủ Diễn giải tắt GA Genetic Algorithm Thuật toán di truyền HTT Hệ thống treo HTTBD Hệ thống treo bị động LQR Linear Quadratic Regulator MIMO Multiple Input – Multiple Output Nhiều đầu vào – Nhiều đầu PID Proportinonal-Integral- Điều khiển toàn phương tuyến tính Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ Derivative PSO Particle Swarm Optimization Phương pháp tối ưu bầy đàn RMS Root Mean Square Giá trị hiệu dụng (trung bình bình phương) SISO Single Input –Single Output Một đầu vào – đầu vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Các thơng số tính tốn 42 Bảng 3.2: Tóm tắt kết mơ HTT trường hợp kích thích mặt đường dạng tuần hoàn 44 Bảng 3.3: Tóm tắt kết mơ HTT trường hợp kích thích mặt đường dạng bậc 47 Bảng 3.4: Tóm tắt kết mơ HTT trường hợp kích thích mặt đường dạng ngẫu nhiên 49 viii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Hệ thống treo ô tô Hình 1.2: Sơ đồ tổng quan hệ thống treo Hình 1.3: Hệ thống treo phụ thuộc Hình 1.4: Hệ thống treo độc lập 11 Hình 1.5: Sơ đồ cấu trúc phận đàn hồi 13 Hình 1.6: Bộ phận giảm chấn 15 Hình 1.7: Hệ thống treo chủ động 17 Hình 2.1: Mơ hình hệ thống treo bị động 19 Hình 2.2: Mơ hình hệ thống treo bán chủ động 20 Hình 2.3: Mơ hình hệ thống treo chủ động 21 Hình 2.4: Hàm độ đối tượng thích hợp cho phương pháp Chien-HronesReswick 25 Hình 2.5: Quan hệ điện tích tổng số thời gian 26 Hình 2.6: Xác định tham số PID theo phương pháp thực nghiệm 30 Hình 3.1: Mơ hình hệ thống treo chủ động cấu chấp hành thủy lực 32 Hình 3.2: Thành phần treo 33 Hình 3.3: Thành phần không treo 33 Hình 3.4: Cơ cấu chấp hành thủy lực 34 Hình 3.5: Sơ đồ khối điểu khiển hệ thống treo chủ động 36 Hình 3.6: Mơ hình biểu diễn lực FK 37 ix Hình 3.7: Mơ hình biểu diễn lực FC 38 Hình 3.8: Mơ hình biểu diễn lực FKt 38 Hình 3.9: Mơ hình biểu diễn lực Fa 38 Hình 3.10: Khối HTT bị động 39 Hình 3.11: Khối HTT chủ động 39 Hình 3.12: Mơ hình hóa dao động xe 40 Hình 3.13: Kích thích mặt đường 41 Hình 3.14: Chuyển vị khối lượng treo 43 Hình 3.15: Gia tốc khối lượng treo 44 Hình 3.16: Chuyển vị khối lượng treo 45 Hình 3.17: Gia tốc khối lượng treo 46 Hình 3.18: Chuyển vị khối lượng treo 48 Hình 3.19: Gia tốc khối lượng treo 49 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong năm gần đây, ngành công nghiệp ô tơ có phát triển mạnh mẽ số lượng chất lượng Đi với phát triển yêu cầu tiêu kỹ thuật ngày nâng cao Đặc biệt với xe du lịch, vấn đề dao động độ êm dịu xe quan tâm hàng đầu Có nhiều biện pháp sử dụng để nâng cao tính ổn định độ êm dịu xe di chuyển đường Đặc biệt, giải pháp cải tiến điều khiển hệ thống treo đánh giá cao nhà sản xuất giới khoa học nước Hệ thống treo xe hoạt động liên tục trước thay đổi từ kích thích mặt đường Để đáp ứng tốt trước thay đổi này, độ cứng phần tử đàn hồi phần tử dẫn hướng cần phải biến đổi cách linh hoạt Tuy nhiên, hệ thống treo bị động thơng thường, độ cứng lị xo (nhíp) độ nhớt giảm chấn cố định Do đó, độ êm dịu tính tiện nghi xe bị ảnh hưởng nhiều điều kiện di chuyển phức tạp Để khắc phục tình trạng này, số hệ thống treo điều khiển điện tử đề xuất hệ thống treo khí nén, hệ thống treo chủ động hệ thống treo bán chủ động Trong đó, hệ thống treo chủ động đánh giá cao hiệu hoạt động Khác với hệ thống treo khí thơng thường, hệ thống treo chủ động tích hợp thêm cấu chấp hành thủy lực bánh xe Khi kích thích từ mặt đường xuất hiện, thân xe dao động Cảm biến quanh thân xe thu nhận tín hiệu dao động chuyển tới điều khiển Tại đây, điều khiển phân tích, đánh giá cung cấp tín hiệu điện áp phù hợp tới cấu chấp hành thủy lực Khi nhận tín hiệu điện áp điều khiển, cấp chấp hành thực trình đóng mở cửa van để cung cấp áp suất thủy lực cho hệ thống, giúp tạo lực F để tác động lên thân xe, từ làm 40 Các khối thành phần HTT chủ động (Active), HTT bị động (Passive) liên kết với Hình 3.12 Biên dạng mặt đường, thơng số xe, thông số điều khiển PID Matlab Simulink sử dụng để tính tốn trả kết đồ thị dao động xe Hình 3.12: Mơ hình hóa dao động xe 41 3.3 Điều kiện mơ Q trình mơ dao động ô tô thực môi trường MATLAB-Simulink với ba trường hợp cụ thể kích thích mặt đường mơ tả Hình 3.13 Các dạng kích thích mặt đường bao gồm: - Kích thích mặt đường dạng tuần hồn (màu xanh), - Kích thích mặt đường dạng bậc (màu đỏ), - Kích thích mặt đường dạng ngẫu nhiên (màu vàng) Các kích thích tham khảo theo số nghiên cứu công bố trước nhóm nghiên cứu với người hướng dẫn luận văn [6], [8] Hình 3.13: Kích thích mặt đường 42 Bảng 3.1: Các thơng số tính tốn Ký hiệu Mô tả Giá trị Thứ nguyên m1 Khối lượng treo 400 kg m2 Khối lượng không treo 37 kg K Độ cứng lò xo 40500 N/m Kt Độ cứng lốp 175000 N/m C Độ cứng giảm chấn 3160 Ns/m Các thông số tham khảo xe sử dụng cho mô đưa Bảng 3.1 Các tham số lấy từ mẫu xe phần mềm Carsim 3.4 Kết thảo luận 3.4.1 Kích thích mặt đường dạng tuần hồn (hàm sine) Đồ thị Hình 3.14 thay đổi chuyển vị thân xe theo thời gian Theo đó, thân xe dao động liên tục bám theo tín hiệu kích thích từ mặt đường Nếu xe sử dụng hệ thống treo bị động, giá trị lớn dao động đạt 43,64 (mm) xe sử dụng hệ thống treo chủ động 18,60 (mm) Cả hai giá trị chuyển vị lớn thân xe thu thời điểm, khơng tồn độ lệch pha Dựa tiêu RMS, giá trị trung bình chuyển vị thân xe 30,49 (mm) 13,25 (mm) hệ thống treo bị động hệ thống treo chủ động Việc sử dụng điều khiển PID giảm dao động đáng kể, dao động xe giảm 42,62% so với xe sử dụng hệ thống treo bị động 43 Hình 3.14: Chuyển vị khối lượng treo Để đánh giá độ êm dịu xe, giá trị gia tốc dao động thường xét đến Theo kết thể Hình 3.15, gia tốc cực đại xe sử dụng hệ thống treo bị động 0,82 (m/s2) 0,68 (m/s2) xe sử dụng hệ thống treo chủ động Các giá trị trung bình gia tốc xe với hệ thống treo bị động hệ thống treo chủ động toán theo tiêu RMS 0,20 (m/s2) 0,09 (m/s2) Độ êm dịu xe cải thiện hệ thống treo chủ động sử dụng để thay hệ thống treo bị động thông thường Nhờ điều khiển PID sử dụng cho hệ thống treo chủ động, xe di chuyển mặt đường có biên dạng tuần hồn dao động ô tô cải thiện hệ thống treo bị động 44 Hình 3.15: Gia tốc khối lượng treo Bảng 3.2: Kết mô HTT trường hợp kích thích mặt đường dạng tuần hoàn Giá trị Hệ thống treo bị động Hệ thống treo chủ động Chuyển vị trung bình (mm) 30,49 13,25 Chuyển vị lớn (mm) 43,64 18,60 Gia tốc trung bình (m/s2) 0,20 0,09 Gia tốc lớn (m/s2) 0,82 0,68 45 3.4.2 Kích thích mặt đường dạng bậc (hàm step) Trong trường hợp này, kích thích mặt đường có dạng bậc sử dụng với độ lớn kích thích 50 (mm) Hình 3.16: Chuyển vị khối lượng treo Đồ thị Hình 3.16 thay đổi chuyển vị thân xe theo thời gian Theo đó, thân xe dao động liên tục bám theo tín hiệu kích thích từ mặt đường Nếu xe sử dụng hệ thống treo bị động, giá trị lớn dao động đạt 75,43 (mm) xe sử dụng hệ thống treo chủ động 25,66 (mm) Cả hai giá trị chuyển vị lớn thân xe thu thời điểm, khơng tồn độ lệch pha Dựa tiêu RMS, giá trị trung bình chuyển vị thân xe 49,45 (mm) 22,97 (mm) hệ thống treo bị động hệ thống treo chủ động Việc sử dụng 46 điều khiển PID giảm dao động đáng kể, dao động xe giảm 34,02% so với xe sử dụng hệ thống treo bị động Hình 3.17: Gia tốc khối lượng treo Theo kết thể Hình 3.17, gia tốc cực đại xe sử dụng hệ thống treo bị động 13,67 (m/s 2) 13,16 (m/s2) xe sử dụng hệ thống treo chủ động Các giá trị trung bình gia tốc xe với hệ thống treo bị động hệ thống treo chủ động toán theo tiêu RMS 0,92 (m/s 2) 0,89 (m/s2) Độ êm dịu xe cải thiện hệ thống treo chủ động sử dụng để thay hệ thống treo bị động thông thường Nhờ điều khiển PID sử dụng cho hệ thống treo chủ động, xe 47 di chuyển mặt đường có biên dạng bậc dao động ô tô cải thiện hệ thống treo bị động bậc Bảng 3.3: Kết mô HTT trường hợp kích thích mặt đường dạng Đại lượng Giá trị Hệ thống treo bị động Hệ thống treo chủ động Chuyển vị trung bình (mm) 49,45 22,98 Chuyển vị lớn (mm) 75,47 25,66 Gia tốc trung bình (m/s2) 0,92 0,89 Gia tốc lớn (m/s2) 13,67 13,16 3.4.3 Kích thích mặt đường dạng ngẫu nhiên (hàm rand) Trong trường hợp này, kích thích mặt đường dao động với biên dạng ngẫu nhiên Đồ thị Hình 3.18 thay đổi chuyển vị thân xe theo thời gian Theo đó, thân xe dao động liên tục bám theo tín hiệu kích thích từ mặt đường Nếu xe sử dụng hệ thống treo bị động, giá trị lớn dao động đạt 75,10 (mm) xe sử dụng hệ thống treo chủ động 32,13 (mm) Cả hai giá trị chuyển vị lớn thân xe thu thời điểm, khơng tồn độ lệch pha Dựa tiêu RMS, giá trị trung bình chuyển vị thân xe 35,52 (mm) 15,69 (mm) hệ thống treo bị động hệ thống treo chủ động Việc sử dụng điều khiển PID giảm dao động đáng kể, dao động xe giảm 42,78% so với xe sử dụng hệ thống treo bị động 48 Hình 3.18: Chuyển vị khối lượng treo Sự thay đổi gia tốc trường hợp lớn nhiều (Hình 3.19) Giá trị gia tốc thay đổi hồn tồn ngẫu nhiên Chúng đạt tới 4,37 (m/s2) hệ thống treo bị động 3,85 (m/s2) hệ thống treo chủ động Nếu xét tiêu chí RMS cho gia tốc thẳng đứng, giá trị trung bình chúng đạt 1,48 (m/s2) 1,42 (m/s2) Khi giá trị gia tốc q lớn, độ êm dịu tơ bị ảnh hưởng Nhờ điều khiển PID sử dụng cho hệ thống treo chủ động, dao động ô tô cải thiện hệ thống treo bị động 49 Hình 3.19: Gia tốc khối lượng treo Bảng 3.4: Kết mô HTT trường hợp kích thích mặt đường dạng ngẫu nhiên Đại lượng Giá trị Hệ thống treo bị động Hệ thống treo chủ động Chuyển vị trung bình (mm) 35,52 15,69 Chuyển vị lớn (mm) 75,10 32,13 Gia tốc trung bình (m/s2) 1,48 1,42 Gia tốc lớn (m/s2) 4,37 3,85 50 3.5 Kết luận Theo kết nghiên cứu, giá trị chuyển vị gia tốc thân xe giảm đáng kể xe sử dụng hệ thống treo chủ động để thay hệ thống treo khí thơng thường Ở ba trường hợp khảo sát, hệ thống treo chủ động cho thấy ổn định khả đáp ứng Việc sử dụng điều khiển PID giảm dao động đáng kể, ba trường hợp khảo sát, dao động xe giảm 42,62%, 34,02%, 42,78% so với xe sử dụng hệ thống treo bị động Các kết thu không tồn độ lệch pha Do đó, độ êm dịu xe cải thiện tốt Thuật toán PID sử dụng luận văn phù hợp với hệ tuyến tính 51 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN KẾT LUẬN CHUNG Đề tài thiết lập mơ hình mơ hệ thống treo với mơ hình ¼ xe, không xét đến ma sát cấu chấp hành thủy lực Các kết nhận thể quy luật định tính q trình dao động hệ thống treo Mơ hình cho phép khảo sát ảnh hưởng số yếu tố độ cứng lò xo, hệ số cản giảm chấn, độ cứng lốp, khối lượng phần treo không treo Kết cho thấy: Bộ điều khiển PID sử dụng để điều khiển hệ thống treo chủ động đem lại ổn định êm so với hệ thống treo bị động Mô hình nghiên cứu với thuật tốn điều khiển mơ phần mềm Matlab-Simulink cho phép khảo sát ảnh hưởng đơn yếu tố tham số đặc trưng cho phần tử hệ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI - Mơ hình hóa khơng gian chiều để đánh giá xác dao động phần tử hệ thống treo theo nhiều bậc tự - Thực nghiên cứu thử nghiệm nhằm đánh giá độ tin cậy mơ hình kết (đo thơng số tạo kích thích) - Đánh giá đầy đủ yếu tố ảnh hưởng đến dao động xe tải trọng, gia tốc phanh, vào cua, gió bên, vận tốc chuyển động xe - Kết hợp thuật tốn điều khiển thơng minh để tối ưu hệ thống treo, phát triển thuật toán điều khiển phi tuyến cho hệ thống treo chủ động 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Khắc Trai (chủ biên), Kết cấu ô tô, Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội, 2020 Võ Văn Hường (chủ biên), Động lực học ô tô, Nhà xuất giáo dục Việt Nam, 2014 Trương Mạnh Hùng, Bài giảng cấu tạo ô tô, Nhà xuất ĐHGTVT, 2006 Nguyễn Dỗn Phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, 2009 Đặng Việt Hà (2010), Nghiên cứu ảnh hưởng số thông số đến độ êm dịu chuyển động ô tơ khách đóng Việt Nam, Luận án Tiến sĩ, Trường Đại học Giao thông Vận tải Vivek Kumar Maurya and Narinder Singh Bhangal, “Optimal Control of Vehicle Active Suspension System”, BR Ambedkar National Institute of Technology, India, Vol 6, No 1, pp 22-26 June, 2018, doi: 10.18178/joace.6.1.22-26 Trần Thị Thu Hương, Nguyễn Mạnh Long, Nguyễn Tuấn Anh “Mô Dao động hệ thống treo chủ động có xét đến ảnh hưởng cấu chấp hành thủy lực” Tạp Chí Khoa học Và Công nghệ - Đại học Đà Nẵng, vol 20, số p.h 5, tháng năm 2022, tr 23-26, https://jst-ud.vn/jst-ud/article/view/7742 Tuan Anh Nguyen, “Control an Active Suspension System by Using PID and LQR Controller”, International Journal of Mechanical and Production Engineering Research and Development, Aug., 2020, DOI: 10.24247/ijmperdjun2020662 Manh Long Nguyen, et al., “Application of MIMO Control Algorithm for Active Suspension System: A New Model with State Variables”, Latin American Journal of Solids and Structures, March, 2022, https://doi.org/10.1590/1679-78256992 53 10 Duc Ngoc Nguyen, et al., “Review Article: The Dynamic Model and Control Algorithm for the Active Suspension System”, Mathematical Problems in Engineering, February, 2023, DOI: 10.1155/2023/2889435 11 Tuan Anh Nguyen, “Improving the Comfort of the Vehicle Based on Using the Active Suspension System Controlled by the Double-Integrated Controller”, September, 2021, DOI: 10.1155/2021/1426003 12 Mat Hussin Ab Talib and Intan Z Mat Darus, “Self-Tuning PID Controller for Active Suspension System with Hydraulic Actuator”, Faculty of Mechanical Engineering, Universiti Teknologi Malaysia, April, 2013, DOI: 10.1109/ISCI.2013 6612381 13 A A Shafie, M M Bellob and R M Khanc; “Active Vehicle Suspension Control using Electro Hydraulic Actuator on Rough Road Terrain”, Journal of Advanced Research in Applied Mechanics, Vol 9, No Pages 15-30, 2015 14 Sharifah Munawwarah and Fitri Yakub, “Control analysis of vehicle ride comfort through integrated control devices on the quarter and half car active suspension systems”,Automobile Engineering,November, 2020, DOI: 10.1177/0954407020968 300 15 M Heidari and H Homaei, “Design a PID Controller for Suspension System by Back Propagation Neural Network”, Islamic Azad University, Iran, January 2013, DOI: 10.1155/2013/421543 16 M.P Nagarkar, G.J Vikhe, K.R Borole and V.M Nandedkar, “Active Control of Quarter-car Suspension System Using Linear Quadratic Regulator”, Kashibai Navale College of Engineering, June, 2011, DOI: 10.15282/ijame.3.2011.11.0030 54 17 Sikandar Khan, et al, “Optimization of Vehicle Suspension System Using Genetic Algorithm”, 10th International Conference on Mechanical and Aerospace Engineering, December, 2019 18 Emam, A S., “Fuzzy Self Tuning of PID Controller for Active Suspension System”, Advances in Powertrains and Automotives, January, 2015, DOI: 10.12691/apa-1-1-4 19 Jiregna, I., Sirata, G., “A Review of the Vehicle Suspension System”, Journal of Mechanical and Energy, June, 2020, DOI: 10.30464/jmee.2020.4.2.109 20 Rizvi S M H., et al, “H∞ Control of Degrees of Freedom Vehicle ActiveSuspension System” Journal of King Saud University-Engineering Science, February, 2018, https://doi.org/10.1016/j.jksues.2016.02.004 21 Kaiwei Wu, Chuanbo Ren, “Control and Stability Analysis of Double TimeDelay Active Suspension Based on Particle Swarm Optimization”, Shock and Vibration, September, 2020, DOI: 10.1155/2020/8873701