THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHBỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT GVHD: SVTH: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TREO CHỦ ĐỘNG
Lí do chọn đề tài
Ngành công nghiệp ô tô đang trở thành một phần quan trọng không thể thiếu trong quá trình công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước Sự phát triển hạ tầng giao thông với việc xây dựng các tuyến đường cao tốc hiện đại là bàn đạp thuận lợi cho sự phát triển của ngành ô tô tại Việt Nam Ngoài ra, các tuyến đường ở các khu vực nông thôn ngày càng được mở rộng và nâng cấp, đời sống của người dân ngày càng nâng cao nên mật độ phủ sóng của ô tô trên cả nước ngày càng trở nên phổ biến hơn Với sự quan tâm phát triển của nhà nước đối với ngành công nghiệp ô tô, thị trường ô tô Việt Nam ngày càng thu hút được nhiều hơn các hãng xe nổi tiếng trên thế giới như: Toyota, Hyundai, Mazda, Audi, BMW, Mercedes, Ford, Suzuki,… bên cạnh thương hiệu ô tô Việt như Vinfast đang rất phát triển trong những năm gần đây
Mỗi hãng xe đều có một thế mạnh riêng nhưng mức độ an toàn và độ ổn định của ô tô luôn được kiểm chứng nghiêm ngặt trước khi bán ra thị trường Bên cạnh đó nhu cầu tiêu dùng của khách hàng ngày một nâng cao, ngoài yêu cầu về tính thẩm mĩ và độ bền của ô tô thì yếu tố trải nghiệm và cảm giác thoải mái của hành khách trong xe cũng là đề tài được đề cập đến khá nhiều khi đánh giá một chiếc ô tô theo góc nhìn của người tiêu dùng Vì vậy, việc nghiên cứu về độ êm dịu khi ô tô vận hành là rất cần thiết, điều này giúp cho nhà sản xuất chọn ra tiêu chí cho từng phân khúc và cũng giúp cho khách hàng có được kiến thức và thông tin để lựa chọn ô tô phù hợp với nhu cầu của mình
Khi nói đến độ êm dịu của ô tô thì hệ thống treo là một bộ phận không thể không nhắc đến Hệ thống treo trên ô tô góp phần dập tắt các dao động có được khi xe di chuyển trên các dạng mặt đường có độ bằng phẳng khác nhau hoặc những lúc vào cua, từ đó mang lại sự êm ái thoải mái đến người ngồi trong xe Mỗi loại hệ thống treo sẽ mang lại một độ êm dịu nhất định cho xe và tùy thuộc vào từng phân khúc của các hãng xe, mỗi phân khúc sẽ được trang bị hệ thống treo không giống nhau Với công nghệ ngày càng phát triển thì hệ thống treo cũng ngày càng hoàn thiện và tối ưu hơn, điển hình là hệ thống treo chủ động đây là một công nghệ
2 hiện đại đang được áp dụng trên các dòng xe cao cấp hiện nay Hệ thống treo chủ động được thiết kế phức tạp nhưng luôn mang lại một trải nghiệm thoải mái và êm dịu vượt trội hơn so với các hệ thống treo bị động thông thường Vì vậy, việc nghiên cứu về đề tài hệ thống treo chủ động là cần thiết để bắt kịp với xu hướng công nghệ liên tục đổi mới như hiện nay Đề tài này được nhóm nghiên cứu biên soạn nhằm tìm hiểu sâu hơn về giá trị của một hệ thống treo chủ động thụng qua mụ hỡnh ẵ xe.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Trong nước, hệ thống treo luôn là một đề tài sôi nổi thường xuyên được nhắc đến trên các diễn đàn công nghệ ô tô và được quan tâm nghiên cứu nhiều ở các trường Cao đẳng cũng như Đại học Có rất nhiều tài liệu và bài báo về hệ thống treo, đó là nguồn kiến thức để chúng em tham khảo cho đề tài đồ án tốt nghiệp “Nghiêncứu, mô phỏng hệ thống treo chủ động sử dụng bộ điều khiển SMC trờn mụ hỡnh ẵ xe bằng Matlab/Simulink” Một vài nguồn tài liệu trong nước mà nhóm sử dụng để tham khảo như sau:
- Giáo trình “Tính toán thiết kế ô tô” do thầy Đặng Quý biên soạn Trong giáo trình này chúng em đã tìm hiểu được về phương pháp bố trí, cấu tạo và phân loại hệ thống treo để làm nền tảng cho việc nghiên cứu đồ án tốt nghiệp
- Bài báo “So sánh chất lượng các bộ điều khiển SMC, Backstepping và PID sử dụng cho hệ thống treo nửa xe chủ động phi tuyến” được viết bởi các tác giả Vũ Gia Hưng, Lê Văn Dương, Hoảng Ngọc Dũng, Ngô Ánh Dương, Lê Đức Thịnh, Nguyễn Danh Huy, Nguyễn Tùng Lâm Đây là nguồn tài liệu quý giá giúp chúng em tìm hiểu về cấu tạo của hệ thống treo chủ động mô hình nửa xe cùng với các phương trình động học của xe, cũng như các phương trình thiết kế bộ điều khiển SMC
- Bài báo “Ứng dụng thuật toán điều khiển trượt cho hệ thống treo chủ động trên ô tô” được viết bởi các tác giả: Nguyễn Tuấn Anh, Đặng Ngọc Duyên, Trần Thị Thu Hương và Hoảng Thăng Bình Đây là nguồn tài liệu quý giá giúp chúng em tìm hiểu về thuật toán điều khiển trượt cho hệ thống treo và nguyên nhân của hiện tượng nhiễu tín hiệu trong quá điều khiển để tìm cách khắc phục
Ngoài các nguồn tài liệu trong nước, trong quá trình nghiên cứu nhóm chúng em còn tham khảo thêm nhiều bài báo quốc tế viết về đề tài hệ thống treo chủ động Các bài báo nước ngoài về chủ đề hệ thống treo là rất đa dạng và phong phú, được nghiên cứu trên nhiều mô hỡnh như ẳ xe, ẵ xe và toàn xe chủ động hoặc bỏn chủ động, cũng như được điều khiển theo nhiều phương pháp khác nhau Qua đó cho thấy hệ thống treo là một đề tài thu hút được nhiều sự quan tâm trong lĩnh vực ô tô, nhờ vào đó mà chúng em có nguồn tài liệu tham khảo đa dạng hơn Một trong số những bài báo quốc tế phù hợp với đề tài “Nghiêncứu, mô phỏng hệ thống treo chủ động sử dụng bộ điều khiển SMC trờn mụ hỡnh ẵ xe bằng Matlab/Simulink” được nhóm chọn lọc để tham khảo là:
- Bài báo “Simulation of disturbance rejection control of half-car active suspension system using active disturbance rejection control with decoupling transformation” của hai tác giả Faried Hasbullah và Waleed F Faris Trong bài báo này, chúng em đã tham khảo các thông số của hệ thống treo mô hình nửa xe
- Bài báo “Road simulation for four-wheel vehicle whole input power spectral density” của hai tác giả Jiangbo Wang và Baomin Qiang Bài báo này là tài liệu quan trọng cho chúng em thực hiện mô phỏng biên dạng mặt đường trên miền thời gian để làm tín hiệu đầu vào cho hệ thống treo
Bên cạnh những bài báo quốc tế có nội dung liên quan đến đề tài, còn có những bài báo nghiên cứu về hệ thống treo rất hay như:
- Bài báo “Semi-active suspension systems from research to mass-market A-review” của hai tác giả Soliman và Kaldas Bài báo này tập trung nói về hiệu quả mà hệ thống treo bán chủ động mang lại trên thị trường hiện tại nhằm giải quyết vấn đề chi phí trên hệ thống treo chủ động
- Bài báo “Intelligent Control of Active Suspension Systems” của hai tác giả Jeen Lin và Ruey-Jing Lian Bài báo này so sánh sự hiệu quả giữa hai phương pháp điều khiển Self- Organizing Fuzzy Controller (SOFC) và Radial Basis-Function Neural-Network (RBFN) trên hệ thống treo chủ động
- Bài báo “Adaptive backstepping control for active suspension systems with hard constraints” của ba tác giả Weichao Sun, Huijun Gao và Okyay Kaynak Bài báo này nghiên cứu về mức độ hiệu quả của bộ điều khiển Backstepping sử dụng trên hệ thống treo chủ động.
Mục đích nghiên cứu
• Hiểu được cấu tạo và nguyên lí hoạt động của một hệ thống treo chủ động
• Hiểu được phương thức hoạt động của bộ điều khiển được sử dụng trên hệ thống treo chủ động
• Phân tích đánh giá các ưu điểm có ở hệ thống treo chủ động mà trên hệ thống treo bị động truyền thống không có
• Xõy dựng được phương trỡnh vi phõn của mụ hỡnh ẵ xe cho hệ thống treo chủ động
• Mô phỏng được các phương trình thông qua phần mềm Matlab/Simulink
• Phân tích đánh giá về độ êm dịu thông qua các kết quả (đồ thị) mô phỏng mà hệ thống treo chủ động mang lại.
Đối tượng nghiên cứu
• Hệ thống treo chủ động trên ô tô
• Bộ điều khiển Sliding Mode Control (SMC)
Phạm vi nghiên cứu
Đề tài sẽ tập trung nghiên cứu lý thuyết và thực hiện các mô phỏng trên miền thời gian của hệ thống treo chủ động mụ hỡnh ẵ xe (mụ hỡnh này bao gồm 2 bỏnh xe, một bỏnh cầu trước và một bánh cầu sau)
Phương pháp nghiên cứu
• Phương pháp dịch thuật tài liệu
• Phương pháp nghiên cứu tài liệu
• Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng
• Phương pháp nghiên cứu theo giai đoạn
Hình 1.1: Các giai đoạn nghiên cứu
Kế hoạch thực hiện đồ án
Bảng 1.1: Kế hoạch thực hiện đồ án
20/02 Nhận đề tài từ giảng viên hướng dẫn
21/02-28/02 Tỡm hiểu về mụ hỡnh hệ thống treo ẳ xe
29/02-14/03 Tỡm hiểu về mụ hỡnh hệ thống treo ẵ xe chủ động
15/03-29/03 Mụ phỏng hệ thống treo chủ động trờn mụ hỡnh ẵ xe bằng Simulink 30/03-13/04 Tìm hiểu về bộ điều khiển SMC
14/04-28/04 Mô phỏng toàn bộ hệ thống và tạo chương trình hiển thị độ thị
29/04-13/05 Tổng hợp nghiên cứu và viết báo cáo
14/05-19/05 Chỉnh sửa và hoàn thành đồ án
20/05 Nộp đề tài hoàn chỉnh
Khái niệm hệ thống treo
Hệ thống treo là một bộ phận quan trọng trên ô tô được dùng để kết nối khung xe (khối lượng được treo) với các cầu xe (khối lượng không được treo), được thiết kế để giữ cho xe ổn định và thoải mái khi di chuyển trên đường.
Chức năng, cấu tạo và phân loại hệ thống treo
Hệ thống treo đóng vai trò quan trọng trong việc chịu sức nặng của xe và là bộ phận giúp xe chuyển động theo phương thẳng đứng Bộ phận này có chức năng giúp xe vận hành êm ái,
8 ổn định, đảm bảo an toàn và thoải mái cho người ngồi trong xe Ngoài ra, hệ thống treo còn giúp đảm bảo độ bám và ma sát của bánh xe với mặt đường, nhờ đó xe có thể linh hoạt trong các tình huống như phanh, vào cua, tăng tốc và chuyển hướng [1]
Hệ thống treo bao gồm các thành phần như bộ phận đàn hồi, bộ phận giảm chấn, bộ phận dẫn hướng nhằm hấp thụ và giảm thiểu các va đập cùng với rung động từ mặt đường
Hình 2.2: Cấu tạo của hệ thống treo [1]
• Bộ phận đàn hồi (lá nhíp, lò xo, thanh xoắn, khí nén) có tác dụng tạo điều kiện cho bánh xe dao động theo phương thẳng đứng, giảm các tải trọng từ bánh xe lên thân xe
• Bộ phận giảm chấn (giảm chấn thủy lực, giảm chấn ma sát) có tác dụng dập tắt các dao động giữa bánh xe và thân xe
• Bộ phận dẫn hướng (dạng lá nhíp trên xe tải, dạng cánh tay đòn trên ô tô con) có tác dụng dẫn hướng và điều khiển góc nghiêng của bánh xe khi vào cua, đồng thời truyền lực và mô-men từ bánh xe đến khung xe
2.2.3 Phân loại hệ thống treo
Có rất nhiều phương pháp để phân loại hệ thống treo, trong đề tài nghiên cứu này hệ thống treo được phân loại dựa theo phương pháp điều khiển gồm ba loại, như sau:
Hình 2.3: Mô hình HTT bị động
Hình 2.4: Mô hình HTT bán chủ động
+ HTT chủ động (HTT tích cực) là loại được chọn để nghiên cứu trong đề tài này
Hình 2.5: Mô hình HTT chủ động
Ngoài ra còn những cách phân loại phổ biến, như sau [2] :
- Theo bộ phận đàn hồi gồm có:
+ Loại kim loại (nhíp lá, lò xo xoắn ốc, thanh xoắn)
+ Loại cao su (chịu nén và chịu xoắn)
- Theo bộ phận dẫn hướng gồm có:
+ Loại phụ thuộc (các bánh xe sẽ được nối trên 1 dằm cầu liền, có các kiểu điển hình như: liên kết Satchell, liên kết Watt, nhíp lá,…)
+ Loại độc lập (các bánh xe được gắn với thân xe và tách biệt nhau, có các kiểu điển hình như: MacPherson, Double Wishbone, Muti-link,…)
Hệ thống treo chủ động
2.3.1 Tổng quan về hệ thống treo chủ động
Active Suspension - Hệ thống treo chủ động hay còn gọi là hệ thống treo tích cực trên ô tô là một loại hệ thống treo sử dụng bộ điều khiển tích hợp để điều chỉnh độ cứng của bộ phận đàn hồi thông qua một bộ chấp hành để giúp xe luôn trong trạng thái êm dịu nhất có thể Hệ thống này điều khiển chuyển động thẳng đứng của bánh xe và trục so với khung xe, có thể
11 nâng hạ khung gầm một cách độc lập ở mỗi bánh xe để phù hợp với điều kiện mặt đường hoặc động lực thay đổi
So với hệ thống treo bị động thông thường có độ cứng lò xo và hệ số giảm chấn luôn trong một trạng thái nhất định, khi gặp các mặt đường xấu ví dụ như hố, trũng thì khung xe có khả năng cao va chạm với mặt đường do không được tính toán xử lí trước Ở hệ thống treo chủ động, qua các cảm biến nhận biết tình trạng mặt đường phía trước gửi tín hiệu cho máy tính xử lí để hệ thống điều chỉnh độ cứng của bộ phận đàn hồi trước khi vào hố, trũng đảm bảo thân xe luôn trong trạng thái ổn định, từ đó giúp mang lại cảm giác êm dịu, thoải mái cho hành khách trong xe
Hiện nay, công nghệ công nghệ MBC (Magic Body Control) của hãng xe Mercedes hoạt động trên nền tảng hệ thống treo khí nén – điện tử Airmatic được biết đến là một hệ thống treo chủ động hiện đại, MBC sử dụng hoàn toàn bằng bầu hơi khí nén mà không phụ thuộc vào lò xo và giảm chấn thủy lực [3] Do tính chất của khí nén có thể hấp thụ những dao động cực kì nhỏ, nên hệ thống MBC luôn mang lại một trải nghiệm khác biệt và êm ái trên từng cung đường khác nhau
2.3.2 Các phương pháp điều khiển hệ thống treo chủ động
Có nhiều phương pháp điều khiển để hệ thống treo chủ động bằng cách sử dụng các bộ điều khiển như:
- Bộ điều khiển Sliding Mode Control (SMC)
- Bộ điều khiển Proportional Integral Derivative (PID)
Trong báo cáo này bộ điều khiển Sliding Mode Control (SMC) được dùng để nghiên cứu, tớnh toỏn, mụ phỏng trờn mụ hỡnh hệ thống treo chủ động ẵ xe
Các mô hình nghiên cứu hệ thống treo chủ động của đề tài
2.4.1 Các kiến thức cơ bản trước khi nghiên cứu mô hình
• Một vật nặng có khối lượng m, chuyển động với vận tốc v và gia tốc a theo định luật II Newton, ta có:
• Công thức tính lực đàn hồi lò xo có hệ số độ cứng k là: F = k(z 1 − z 2 )
• Công thức tính lực cản giảm chấn có hệ số cản c là: F = c(z 1 ̇ − z 2 ̇)
Các phần tử cơ bản của một hệ dao động bao gồm: vật nặng có khối lượng m, lò xo có độ cứng k và giảm chấn có hệ số cản c Đây là ba thành phần cơ bản để cấu thành hệ thống treo, vì thế trước khi tiến hành nghiên cứu các mô hình của hệ thống treo, cần phải cũng cố các kiến thức trên để có một nghiên cứu thuận lợi
2.4.2 Mụ hỡnh chủ động ẳ xe
Hỡnh 2.6: Mụ hỡnh hệ thống treo chủ động ẳ xe
Các kí hiệu trên mô hình:
F – lực tác động vào bộ truyền động [N] c – hệ số giảm chấn [N.s/m] ms – khối lượng được treo (sprung mass) [kg] mu – khối lượng không được treo (unsprung mass) [kg] ks – độ cứng lò xo bộ giảm chấn [N/m] kt – độ cứng giả thiết của lốp xe [N/m] zs – độ dịch chuyển theo phương thẳng đứng của ms [m] zu – độ dịch chuyển theo phương thẳng đứng của mu [m] zr – độ dịch chuyển theo phương thẳng đứng của bánh xe so với mặt đường [m]
Hỡnh 2.7: Phõn tớch lực trờn mụ hỡnh ẳ xe chủ động
• Xỏc định cỏc lực thành phần của mụ hỡnh ẳ xe:
Fc – Lực cản của giảm chấn [N]
Fk – Lực đàn hồi của bộ phận đàn hồi [N]
Ft – Lực đàn hồi của lốp xe [N]
• Áp dụng định luật II Newton xây dựng phương trình vi phân cho hệ:
- Xét ms – khối lượng được treo:
- Xét mu - khối lượng không được treo:
- Từ phương trình (2.4) và (2.5) ta được một hệ phương trình vi phân cho mô hình hệ thống treo chủ động ẳ như sau:
2.4.3 Mụ hỡnh chủ động ẵ xe
Mụ hỡnh hệ thống treo chủ động ẵ xe được phỏt triển từ mụ hỡnh hệ thống treo chủ động ẳ như sau:
Hỡnh 2.8: Mụ hỡnh hệ thống treo chủ động ẵ xe
Các kí hiệu trên mô hình:
F1 – lực tác động vào bộ truyền động ở cầu trước [N]
F2 – lực tác động vào bộ truyền động ở cầu sau [N]
17 c1 – hệ số giảm chấn ở cầu trước [N.s/m] c2 – hệ số giảm chấn ở cầu sau [N.s/m] ms – khối lượng được treo [kg]
Is – mô-men quán tính theo trục ngang thân xe [kg.m 2 ] mu1 – khối lượng không được treo cầu trước [kg] mu2 – khối lượng không được treo cầu sau [kg] ks1 – độ cứng lò xo bộ giảm chấn ở cầu trước [N/m] ks2 – độ cứng lò xo bộ giảm chấn ở cầu sau [N/m] kt1 – độ cứng giả thiết của lốp xe ở cầu trước [N/m] kt2 – độ cứng giả thiết của lốp xe ở cầu sau [N/m] zs – độ dịch chuyển theo phương thẳng đứng của ms (sprung mass) [m] za – độ dịch chuyển theo phương thẳng đứng của ms ở cầu trước [m] zb – độ dịch chuyển theo phương thẳng đứng của ms ở cầu sau [m] zu1 – độ dịch chuyển theo phương thẳng đứng của mu (unsprung mass) ở cầu trước [m] zu2 – độ dịch chuyển theo phương thẳng đứng của mu (unsprung mass) ở cầu sau [m] zr1 – độ dịch chuyển theo phương thẳng đứng của lốp xe so với mặt đường ở cầu trước [m] zr2 – độ dịch chuyển theo phương thẳng đứng của lốp xe so với mặt đường ở cầu sau [m] a – khoảng cách từ cầu trước đến trọng tâm thân xe [m] b – khoảng cách từ cầu sau đến trọng tâm thân xe [m]
𝜑 – góc nghiêng khối lượng được treo [rad]
Hỡnh 2.9: Phõn tớch lực trờn mụ hỡnh ẵ xe chủ động
• Xỏc định cỏc lực thành phần của mụ hỡnh ẵ xe:
Fc1 – Lực cản của giảm chấn ở cầu trước [N]
Fc2 – Lực cản của giảm chấn ở cầu sau [N]
Fk1 – Lực đàn hồi của bộ phận đàn hồi ở cầu trước [N]
Fk2 – Lực đàn hồi của bộ phận đàn hồi ở cầu sau [N]
Ft1 – Lực đàn hồi của lốp xe ờ cầu trước [N]
Ft2 – Lực đàn hồi của lốp xe ở cầu sau [N]
• Áp dụng định luật II Newton xây dựng phương trình vi phân cho hệ:
- Xét ms (khối lượng được treo):
- Xét mu1 (khối lượng không được treo):
- Xét mu2 (khối lượng không được treo):
→𝑚 𝑢2 𝑧̈ 𝑢2 = (𝑧 𝑏 ̇ − 𝑧̇ 𝑢2 )𝑐 2 +(𝑧 𝑏 − 𝑧 𝑢2 )𝑘 𝑠2 −(𝑧 𝑢2 − 𝑧 𝑟2 )𝑘 𝑡2 − 𝐹 2 (2.16) Các phương trình (2.13), (2.14), (2.15), (2.16) có được từ việc thay thế các phương trình con (2.7), (2.8), (2.9), (2.10), (2.11), (2.12) vào các phương trình cân bằng lực ở các khối lượng được treo và không được treo Ta được một hệ phương trình vi phân cho mô hình hệ thống treo chủ động ẵ như sau:
• Chuyển vị tại hai điểm A và B được xác định như sau:
Hỡnh 2.10: Mụ tả gúc nghiờng thõn xe trờn mụ hỡnh ẵ xe chủ động
Khi ô tô vận hành, chuyển vị tại trọng tâm thân xe thay đổi từ điểm O đến điểm O’, trong khi đó tại cầu trước điểm A dịch chuyển đến điểm A’’ và tại cầu sau điểm B dịch chuyển đến điểm B’’ Ngoài việc tạo ra chuyển vị theo phương thẳng đứng 𝒛 𝒔 thì mô hình nửa xe còn có chuyển động góc xoay 𝝋 tại trọng tâm thân xe Với góc nghiêng 𝝋 là rất bé nên chuyển vị tại hai điểm A và B được xác định như sau:
Tiêu chuẩn của một hệ thống treo
Trước khi thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống treo, những yêu cầu về hiệu suất của hệ thống treo cần được quan tâm Để một hệ thống treo hoạt động êm dịu nhất có thể thì hệ thống này phải được đánh giá theo một tiêu chuẩn nhất định Thông thường các hệ thống treo sẽ được đánh giá theo tiêu chuẩn ISO 2631-1:1997, mức độ êm dịu của xe sẽ được thể hiện qua các giá trị gia tốc theo phương thẳng đứng, như bảng sau:
Bảng 2.1: Tiêu chuẩn ISO 2631 về độ êm dịu của giá trị gia tốc theo phương thẳng đứng [4]
Giá trị gia tốc (m/s 2 ) Mức độ êm dịu
2 Có cảm giác cực kì khó chịu
Ngoài giá trị gia tốc theo phương thăng đứng thì yếu tố không gian làm việc của hệ thống cũng cần được quan tâm, kết quả sau mô phỏng phải thỏa các yêu cầu sau:
- Biên độ dao động của hệ thống treo không vượt quá ±8 cm
- Biên độ dao động của lốp xe không vượt quá ±1.5 cm
- Lực tác động vào hệ thống treo phải phù hợp với cơ cấu chấp hành chủ động.
Thiết kế bộ điều khiển SMC
2.6.1 Giới thiệu bộ điều khiển SMC Điều khiển trượt (Sliding mode control) là một phương pháp điều khiển phi tuyến, nó thay đổi động học của một hệ phi tuyến bằng việc áp dụng một tín hiệu điều khiển không liên tục để điều khiển hệ thống trượt dọc theo mặt cắt [5]
Kĩ thuật này được biết đến như một phương pháp hiệu quả để thiết kế bộ điều khiển cho những hệ phi tuyến
Hình 2.11: Các chế độ của bộ điều khiển SMC [5]
Sliding mode control có thể chia thành ba chế độ như sau:
• Reaching mode, chế độ này quỹ đạo sẽ hội tụ về mặt trượt tại một thời gian xác định
• Sliding mode, chế độ này quỹ đạo sẽ trượt trên mặt trượt về một ví trí ổn định hay còn gọi là vị trí cân bằng
• Equilibrium point xe=0, chế độ này cho phép hệ thống duy trì ở trạng thái ổn định tại điểm cân bằng
Trên hình 2.3 cho thấy vị trí ban đầu x0 của hệ thống nằm bên ngoài mặt trượt, sau đó trải qua quá trình Reaching mode để hội tụ về mặt trượt Sliding surface, tiếp đến trải qua quá trình Sliding mode để trượt về vị trí điểm cân bằng và duy trì trạng thái ổn định tại điểm Desired final value
2.6.2 Lý do phải điều khiển
Hệ thống treo được điều khiển với một số lý do sau đây:
• Kiểm soát chất lượng lái xe: Điều chỉnh hệ thống treo có thể cải thiện trải nghiệm lái xe, một hệ thống treo được điều khiển sẽ cung cấp được sự ổn định và thoải mái hơn một hệ thống treo thông thường
• Tăng cường độ an toàn: Điều chỉnh hệ thống treo có thể cải thiện khả năng lái và kiểm soát xe, từ đó tăng cường an toàn khi lái xe
• Phù hợp với điều kiện đường: Một hệ thống treo được điều khiển sẽ thích nghi với các điều kiện mặt đường khác nhau một cách tốt hơn, như đường trơn trượt hoặc đường gồ ghề
• Tối ưu hóa hiệu suất: Điều khiển hệ thống treo có thể tối ưu hóa được hiệu suất tổng thể của xe, từ việc tăng tốc đến sự ổn định trong các tình huống lái xe khác nhau
Hình 2.12: Sơ đồ điều khiển hệ thống treo
Mục tiêu của bài toán điều khiển là cần giải quyết được hai vấn đề chính:
• Nâng cao độ êm dịu để tạo cảm giác thoải mái cho người ngồi trên xe
• Nâng cao độ bám đường để tăng tính ổn định trong chuyển động của xe
Hệ thống treo truyền thống, bao gồm lò xo và bộ giảm chấn, có cơ chế đơn giản và dễ vận hành nhưng lại không đủ để cải thiện tối đa sự thoải mái cho hành khách và độ bám đường Điều này xuất phát từ việc lò xo và bộ giảm chấn có tính chất cố định, không thể điều chỉnh linh hoạt theo các điều kiện đường xá khác nhau Để giải quyết vấn đề này, hệ thống treo chủ động được giới thiệu, bổ sung thêm một cơ cấu chấp hành có khả năng thêm vào hoặc tiêu hao năng lượng từ hệ thống, giúp tăng cường độ êm dịu Lực điều chỉnh được tạo ra bởi một bộ điều khiển phi tuyến SMC (Sliding Mode Control) Tín hiệu từ hệ thống treo được cảm biến
24 gửi về bộ SMC, nơi mà tín hiệu này được kết hợp với các tín hiệu đầu vào để tính toán lực cần thiết và truyền đến cơ cấu chấp hành, nhằm tối ưu hóa hoạt động của hệ thống treo
2.6.4 Lý thuyết ổn định Lyapunov
Lý thuyết ổn định Lyapunov là một phần của lý thuyết hệ động lực trong toán học và lý thuyết điều khiển tự động Trong lý thuyết ổn định Lyapunov, hàm Lyapunov thường được kí hiệu là V(x) được sử dụng để chứng minh tính ổn định của hệ thống
Tính ổn định Lyapunov như trên hình 2.5 phát biểu như sau: Vị trí ban đầu x(0) nằm trong vùng bao có bán kính là δ, sau khoảng thời gian t nếu trạng thái của hệ thống x(t) vẫn nằm trong vùng bị bao có bán kính là ε thì lúc này hệ thống được gọi là một hệ thống ổn định Lyapunov
Hình 2.14: Ổn định tiệm cận Lyapunov [5]
Tính ổn định tiệm cận Lyapunov như trên hình 2.6 phát biểu như sau: Vị trí ban đầu x(0) nằm trong vùng bao có bán kính là δ, sau khoảng thời gian t trạng thái của hệ thống sẽ hội tụ về giá trị 0 (nghĩa là giá trị ε sẽ tiền về 0), lúc này hệ thống được gọi là hệ thống ổn định tiệm cận Lyapunov Áp dụng lý thuyết Lyapunov vào hệ thống có phương trình trạng thái như sau:
Giả sử điểm cân bằng x e =0 Nếu tồn tại hàm V(x) trong vùng D ⊂ R n và thỏa mãn các điều kiện như sau:
Khi đó, hệ thống sẽ ổn định Lyapunov tại điểm x=0
2.6.5 Thiết kế bộ điều khiển SMC cho hệ phi tuyến bậc 2
Hệ phi tuyến bậc 2 có phương trình trạng thái như sau [5] :
Trong đó: x = [x1,x2] T – vector trạng thái của hệ thống u – tín hiệu điều khiển của hệ thống y = x1 – tín hiệu ngõ ra f(x) – hàm phi tuyến trơn g(x) – hàm phi tuyến trơn (g(x)≠0) d(t) – giá trị tổng hợp các yếu tố không chắc chắn
Mục tiêu khi thiết kế bộ điều khiển trượt sao cho sai số giữa tín hiệu ngõ ra và tín hiệu đặt tiến về giá trị 0
Hình 2.15: Bộ điều khiển SMC
Bộ điều khiển SMC được thiết kế theo các bước sau:
Với 𝜆 là một hằng số dương và x d là tín hiệu đặt của hệ thống Đạo hàm biến trượt theo thời gian:
Bước 2: Chọn luật điều khiển cho hệ thống
Bộ điều khiển trượt bao gồm hai thành phần là thành phần câng bằng và thành phần bền vững
Thành phần cân bằng 𝑢 𝑒𝑞 được chọn khi đặt 𝑠̇ = −𝑘𝑠 và d(t) = 0
Bước 3: Chứng minh tính ổn định của hệ thống Để chứng minh tính ổn định của hệ thống chọn hàm Lyapunov như sau:
2𝑠 2 (2.29) Đạo hàm theo thời gian của hàm Lyapunov:
𝑉̇ = 𝑠𝑠̇ = 𝑠(𝜆𝑒̇ + 𝑓(𝑥) + 𝑔(𝑥)𝑢 + 𝑑(𝑡) − 𝑥 𝑑 ̈ ) (2.30) Thay phương trình luật điều khiển (2.28) vào phương trình đạo hàm theo thời gian của hàm Lyapunov (2.30), kết quả như sau:
Theo lý thuyết Lyapunov, khi 𝑉̇ ≤ 0 thì hệ thống ổn định, biến trượt sẽ tiếp cận đến mặt trượt với thời gian xác định Đồng thời sai số vị trí e và sai số vận tốc 𝑒̇ sẽ hội tụ về giá trị 0
Sử dụng phương trình động học của mô hình nửa xe như sau:
Khi đó phương trình (2.32) được viết lại như sau:
𝑚 𝑠 𝑧̈ 𝑠 = −𝐹 𝑧 + 𝑈 𝑧 (2.33) Đặt các biến trạng thái:
Thay các biến trạng thái vào phương trình vi phân (2.33) một hệ phi tuyến bậc 2 được biểu diễn như sau:
𝑚 𝑠 Sau khi đã đưa phương trình vi phân (2.33) về một hệ phi tuyến bậc 2 tiến hành thực hiện các bước để tìm luật điều khiển cho 𝑈 𝑧 như sau:
Với 𝜆 là một hằng số dương và x 1d là tín hiệu đặt của hệ thống Đạo hàm biến trượt theo thời gian:
Bước 2: Chọn luật điều khiển cho hệ thống
Bộ điều khiển trượt bao gồm hai thành phần là thành phần cân bằng và thành phần bền vững
Thành phần cân bằng 𝑢 𝑒𝑞 được chọn khi đặt 𝑠̇ = −𝑘 1 𝑠 1 và d(t) = 0
Các hệ số k và 𝜂 luôn được chọn là hệ số dương
Luật điều khiển 𝑈 𝑧 được biểu diễn như sau:
Bước 3: Chứng minh tính ổn định của hệ thống Để chứng minh tính ổn định của hệ thống chọn hàm Lyapunov như sau:
2𝑠 1 2 (2.42) Đạo hàm theo thời gian của hàm Lyapunov:
𝑉 1 ̇ = 𝑠 1 𝑠 1 ̇ = 𝑠 1 (𝜆 1 𝑒 1 ̇ + 𝑓(𝑥) + 𝑔(𝑥)𝑈 𝑧 − 𝑥 1𝑑 ̈ ) (2.43) Thay phương trình luật điều khiển (2.40) vào phương trình đạo hàm theo thời gian của hàm Lyapunov (2.43), kết quả như sau:
Theo lý thuyết Lyapunov, khi 𝑉 1 ̇ ≤ 0 thì hệ thống ổn định, biến trượt sẽ tiếp cận đến mặt trượt với thời gian xác định Luật điều khiển 𝑈 𝑧 đảm bảo cho sai số vị trí e 1 và sai số vận tốc
𝑒 1 ̇ sẽ hội tụ về giá trị 0
Sử dụng phương trình động học của mô hình nửa xe như sau:
Khi đó phương trình (2.45) được viết lại như sau:
𝐼 𝑠 𝜑̈ = −𝐹 𝜑 + 𝑈 𝜑 (2.46) Đặt các biến trạng thái:
Thay các biến trạng thái vào phương trình vi phân (2.46) một hệ phi tuyến bậc 2 được biểu diễn như sau:
𝐼 𝑠 Sau khi đã đưa phương trình vi phân (2.46) về một hệ phi tuyến bậc 2 tiến hành thực hiện các bước để tìm luật điều khiển cho 𝑈 𝜑 như sau:
Với 𝜆 là một hằng số dương và x 3d là tín hiệu đặt của hệ thống Đạo hàm biến trượt theo thời gian:
Bước 2: Chọn luật điều khiển cho hệ thống
Bộ điều khiển trượt bao gồm hai thành phần là thành phần cân bằng và thành phần bền vững
Thành phần cân bằng 𝑢 𝑒𝑞 được chọn khi đặt 𝑠̇ = −𝑘 3 𝑠 3 và d(t) = 0
Các hệ số k và 𝜂 luôn được chọn là hệ số dương
Luật điều khiển 𝑈 𝜑 được biểu diễn như sau:
Bước 3: Chứng minh tính ổn định của hệ thống Để chứng minh tính ổn định của hệ thống chọn hàm Lyapunov như sau:
2𝑠 3 2 (2.55) Đạo hàm theo thời gian của hàm Lyapunov:
𝑉 3 ̇ = 𝑠 3 𝑠 3 ̇ = 𝑠 3 (𝜆 3 𝑒 3 ̇ + 𝑓(𝑥) + 𝑔(𝑥)𝑈 𝜑 − 𝑥 3𝑑 ̈ ) (2.56) Thay phương trình luật điều khiển (2.53) vào phương trình đạo hàm theo thời gian của hàm Lyapunov (2.56), kết quả như sau:
Theo lý thuyết Lyapunov, khi 𝑉 3 ̇ ≤ 0 thì hệ thống ổn định, biến trượt sẽ tiếp cận đến mặt trượt với thời gian xác định Luật điều khiển 𝑈 𝜑 đảm bảo cho sai số vị trí e 3 và sai số vận tốc
𝑒 3 ̇ sẽ hội tụ về giá trị 0
2.6.8 Xác định tín hiệu lực cho cơ cấu chấp hành
Giới thiệu phần mềm Matlab/Simulink
Matlab (Matrix Laboratory) là một phần mềm của công ty MathWorks, cung cấp môi trường cho tính toán số và lập trình Với Matlab, người dùng có thể thực hiện các phép tính với ma trận, tạo đồ thị hàm số và biểu đồ thông tin, áp dụng các thuật toán, thiết kế giao diện người dùng, và kết nối với các chương trình viết bằng nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau Thư viện Toolbox của Matlab hỗ trợ việc mô phỏng tính toán và thử nghiệm nhiều mô hình thực tế và kỹ thuật Một trong những tính năng nổi bật của Matlab là khả năng vẽ đồ thị với nhiều loại khác nhau như biểu đồ đường, biểu đồ chấm điểm, các lớp màu hai chiều, đường đồng mức và mặt cong ba chiều Matlab cũng cung cấp giao diện để người dùng có thể chỉnh sửa trực tiếp các hình vẽ và thêm ghi chú một cách dễ dàng [10]
Simulink, được xây dựng trên nền tảng Matlab, là một môi trường lập trình đồ họa dùng để mô hình hóa, mô phỏng và phân tích các hệ thống động lực học đa miền Giao diện chính của Simulink bao gồm công cụ sơ đồ khối đồ họa và thư viện khối tùy chỉnh Simulink tích hợp chặt chẽ với Matlab, cho phép kiểm soát Matlab hoặc lập lệnh từ Matlab Nó được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển tự động và xử lý tín hiệu kỹ thuật số để mô phỏng và thiết kế dựa trên mô hình Người dùng chỉ cần sử dụng các khối có sẵn trong Simulink để giải quyết các bài toán [9]
Mụ phỏng hệ thống treo chủ động ẵ trờn Simulink
Từ các phương trình động học xây dựng được ở Chương 2, tiến hành mô phỏng thành một mụ hỡnh hệ thống treo chủ động ẵ hoàn chỉnh
Hỡnh 3.2: Mụ phỏng hệ thống treo chủ động ẵ xe trờn Simulink Để thuận tiện cho việc mô phỏng toàn bộ hệ thống, tiến hành thu gọn lại mô phỏng trên hình 3.2 thành một khối đặt tên là “He thong treo chu dong 1/2 xe” trên giao diện Simulink Sau khi thu gọn lại mô phỏng cho ta thấy các tín hiệu đầu vào như tín hiệu mặt đường (Zr1,
Zr2) và tín hiệu lực từ bộ điều khiển (F1, F2) vẫn chưa được đưa vào một cách xác định như hình 3.3 bên dưới Vì thế, cần thêm mô phỏng của mặt đường và bộ điều khiển SMC
Hỡnh 3.3: Mụ phỏng hệ thống treo chủ động ẵ xe thu gọn
Ngoài ra để có được hệ thống treo bị động nhằm phục vụ cho việc so sánh kết quả, từ mô phỏng hình 3.3 tiến hành đặt giá trị 0 vào hai đầu tín hiệu lực F1 và F2 ta thu được một khối đặt tên là “He thong treo bi dong 1/2 xe” như hình 3.4 bên dưới
Hỡnh 3.4: Mụ phỏng hệ thống treo bị động ẵ xe thu gọn
Mô phỏng mặt đường
Khi ô tô chuyển động có rất nhiều yếu tố tác động gây ảnh hưởng đến mức độ êm dịu và an toàn của xe, một trong những yếu tố quan trọng cần phải kể đến đó chính là sự ảnh hưởng của mặt đường không bằng phẳng tác động lên xe Biên dạng của mặt đường là độ sai lệch theo phương thẳng đứng của bề mặt đường so với mặt chuẩn Mấp mô mặt đường RSR (Road Surface Roughness) theo phương thẳng đứng được xem là quá trình ngẫu nhiên ổn định, ngoài ra nó còn được xem như một số liệu quan trọng trong mô phỏng dao động và động lực học ô tô Vì vậy, yếu tố mấp mô mặt đường rất quan trọng và không thể thiếu trong việc mô phỏng hệ thống treo chủ động Để thực hiện quỏ trỡnh mụ phỏng về hệ thống treo chủ động ẵ xe, nhúm đó sử dụng phương pháp mô phỏng mấp mô mặt đường theo thời gian, được mô tả qua công thức sau [11] : q(t) = √𝑘 ∫ 𝑤(𝑡)𝑑𝑡 0 𝑡 (3.1) Trong đó:
𝑘 = 4𝜋 2 𝑛 0 2 𝐺 𝑑 (𝑛 0 )v no=0.1 (m -1 ) v - vận tốc khi xe chuyển động
Gd(no) - Mật độ phổ công suất của sự dịch chuyển biên dạng mặt đường theo chiều dọc hay Displacement PSD (Power Spectral Density) được chọn theo tiêu chuẩn PSD-ISO 8608:1995 w(t) - Tín hiệu nhiễu trắng (white noise) nó được tạo thành bởi tập hợp các biến ngấu nhiên độc lập và phân phối giống nhau, tín hiệu nhiễu trắng tạo thành một loạt các mẫu độc lập và được tạo ra từ cùng một phân bố xác suất
Bảng 3.1: Mật độ phổ công suất theo các loại mặt đường khác nhau [12]
Cận dưới Trung bình Cận trên
Công thức (3.1) được mô phỏng qua phần mềm Simulink như sau:
Hình 3.5: Mô phỏng mặt đường trên Simulink
Hình 3.6: Mô phỏng mặt đường thu gọn Để thuận tiện cho việc mô phỏng toàn bộ hệ thống thì mô phỏng mặt đường được thu gọn thành một khối có tên là “Tin hieu mat duong” như hình 3.6 Ngõ ra của khối là biên dạng mặt đường ở bánh trước và bánh sau
Khối Transport Delay trong mô phỏng trên hình 3.5 được sử dụng cho hợp lí với thực tế, vì khi xe chuyển động bánh xe sau sẽ tiếp xúc với phần mặt đường mà bánh trước đã đi qua sau một khoảng thời gian t (s) được tính như sau:
L = a+b – Khoảng cách giữa cầu trước và cầu sau [m] v – Vận tốc của xe [m/s]
Như vậy khi di chuyển khoảng cách L không thay đổi và vận tốc xe càng lớn thì khoảng thời gian t (s) càng nhỏ, tức là bánh sau sẽ được tiếp xúc với phần mặt đường mà bánh trước đã đi qua càng sớm khi xe chạy càng nhanh
Hình 3.7: Đồ thị biên dạng mặt đường bánh trước và bánh sau
Hình 3.7 hiển thị kết quả mấp mô mặt đường ở bánh trước và bánh sau khi ô tô di chuyển trên mặt đường loại A với vận tốc 20 km/h
Mấp mô mặt đường hay biên dạng mặt đường là sự thay đổi độ cao của mặt đường trong quá trình chuyển động của xe phụ thuộc vào hai yếu tố là mật độ phổ công suất và vận tốc khi xe di chuyển, biên dạng mặt đường được đánh giá qua các đồ thị sau đây:
Hình 3.8: Đồ thị biên dạng mặt đường loại A ở vận tốc 40 km/h
Hình 3.9: Đồ thị biên dạng mặt đường loại C ở vận tốc 40 km/h
Hình 3.10: Đồ thị biên dạng mặt đường loại E ở vận tốc 40 km/h
Qua các đồ thị biên dạng mặt đường ở cùng mức vận tốc là 40 km/h nhận thấy các đường đồ thị giống nhau ở cả ba loại mặt đường A, C, E Tuy nhiên mức độ mấp mô của mặt đường tăng dần theo từng cấp mặt đường khác nhau, có thể thấy mặt đường loại A có mức mấp mô rất thấp thuộc dạng mặt đường cao tốc phù hợp cho ô tô di chuyển với tốc độ cao, mặt đường loại C có mức độ mấp mô tương đối thấp vẫn đáp ứng được cho ô tô chạy ở tốc độ cao, cuối cùng là mặt đường loại E có mức độ mấp mô khá cao và gồ ghề vì vậy không nên di chuyển ở tốc độ cao trên loại mặt đường này.
Mô phỏng bộ điều khiển SMC
3.4.1 Mô phỏng bộ điều khiển SMC
Bộ điều khiển SMC được mô phỏng dựa trên hai phương trình luật điều khiển 𝑈 𝑧 (2.58) và 𝑈 𝜑 (2.59) Tuy nhiên, ở mô phỏng này các phương trình có dạng phức tạp không thể mô phỏng bằng các khối phép tính thông thường mà thay vào đó là khối Matlab Function như hình 3.11 Trong Simulink, khối Mattlab Function được sử dụng để viết mã Matlab tùy chỉnh để xử lý dữ liệu trong mô hình
Trong mô phỏng SMC, khối Mattlab Function được sử dụng để viết các phép tính cho bộ điều khiển từ các phương trình đã xây dựng được ở Chương 2 Dưới đây là một mô phỏng bộ điều khiển trượt được thiết kết hoàn chỉnh cho mụ hỡnh hệ thống treo chủ động ẵ xe
Hỡnh 3.12: Mụ phỏng bộ điều khiển SMC cho hệ thống treo chủ động ẵ xe trờn Simulink
Trong mô phỏng hình 3.12 hai khối SMC được tạo ra từ hai khối Matlab Function với mã code như sau:
Hình 3.13: Mã code bộ SMC tìm 𝐔 𝐳
Hình 3.14: Mã code bộ SMC tìm 𝐔 𝛗
Khối “Bo tinh toan luc” trên mô phỏng hình 3.12 có được qua mô phỏng thực hiện giải hệ phương trình (2.60) như sau:
Hình 3.15: Mô phỏng bộ tính toán lực trên Simulink
Bộ tính toán lực có tác dụng tìm tín hiệu lực F 1 và F 2 cho cơ cấu chấp hành của hệ thống treo chủ động khi nhận được tín hiệu 𝑈 𝑧 và 𝑈 𝜑 từ bộ điều khiển SMC
3.4.2 Thiết lập tín hiệu đặt cho bộ điều khiển SMC
Tín hiệu ngõ vào của bộ điều khiển SMC hay còn được gọi là tín hiệu đặt Mục tiêu khi thiết kế bộ điều khiển trượt sao cho sai số giữa tín hiệu ngõ ra và tín hiệu đặt tiến về giá trị 0, tức bộ điều khiển SMC cho tín hiệu ngõ ra bám sát với tín hiệu đặt Vì vậy, tín hiệu đặt cần phải được xác định một cách hợp lí với hệ thống được điều khiển
Hình 3.16: Mô phỏng tín hiệu ngõ vào cho bộ điều khiển SMC Để xác định được tín hiệu đặt cho bộ SMC điều khiển hệ thống treo, sử dụng một bộ lọc tần số thấp để đưa biên dạng mặt đường ở bánh trước và bánh sau về giá trị tương đương với
45 biên độ dao động ở cầu trước và cầu sau Sau đó, giải hệ phương trình (3.2) để tìm tín hiệu đặt ứng với 𝑧 𝑠 gọi là 𝑧 𝑠𝑑 và tín hiệu đặt tương ứng với 𝜑 gọi là 𝜑 𝑑
𝑧 𝑏𝑑 = 𝑧 𝑠𝑑 + 𝜑 𝑑 𝑏 (3.2) Khối “Transfer Fcn” trong mô phỏng hình 3.16 chính là bộ lọc được nói đến ở đây Bộ lọc tần số thấp này được chọn sao cho tín hiệu đặt phải là khả vi và bị chặn ở bậc 2 tương ứng với bậc của hệ thống, có dạng hàm truyền như sau:
Trên Simulink, khối “Transfer Fcn” trong mô phỏng hình 3.16 được thiết lập như sau:
Hình 3.17: Thiết lập khối Transfer Fcn
Thiết lập khối Transfer Fcn trong hình 3.17 được dựa theo công thức (3.3) với tử số của hàm truyền là 1 và mẫu số của hàm truyền là (𝑤𝑠 + 1) 2 Trong đó w là một hệ số được chọn thông qua quá trình thực nghiệm Nếu hệ số w càng lớn thì tín hiệu ngõ vào của bộ điều khiển
46 càng phẳng, nghĩa là với từng loại mặt đường và vận tốc khác nhau sẽ có những tín hiệu đặt khác nhau, mặt đường bằng phẳng sẽ cho tín hiệu ngõ vào phẳng hơn mặt đường gồ ghề
Hình 3.18: Quy trình xác định hệ số w theo phương pháp thực nghiệm Để xác định hệ số w tương ứng với từng loại mặt đường và vận tốc khác nhau, đầu tiên chọn một giá trị w lớn nhất bất kì cho bộ lọc, sau đó chạy lấy kết quả từ bộ lọc là tín hiệu đặt so sánh với biên độ mặt đường Nếu độ chênh lệch giữa tín hiệu đặt và biên độ mặt đường vượt quá giới hạn dịch chuyển của hệ thống treo thì giảm hệ số w và kiểm nghiệm lại cho đến khi tìm được tín hiệu đặt phù hợp
Bằng cách sử dụng bộ lọc tần số thấp trên Simulink, tiến hành thử nghiệm từng loại mặt đường A, C, E cho đi qua bộ lọc để tìm giá trị chuẩn làm tín hiệu ngõ vào cho bộ điều khiển SMC Kết quả các loại mặt đường A, C, E với vận tốc 40 km/h sau khi qua bộ lọc tần số thấp có dạng như sau:
Hình 3.19: Đồ thị tín hiệu mặt đường loại A với vận tốc 40 km/h sau khi đi qua bộ lọc tần số thấp
Hình 3.20: Đồ thị tín hiệu mặt đường loại C với vận tốc 40 km/h sau khi đi qua bộ lọc tần số thấp
Hình 3.21: Đồ thị tín hiệu mặt đường loại E với vận tốc 40 km/h sau khi đi qua bộ lọc tần số thấp Đồ thị hình 3.19 thể hiện biên dạng mặt đường loại A ở vận tốc 40 km/h (đường màu đen) có mức độ mấp mô là rất nhỏ, nên sau khi đi qua bộ lọc sẽ cho ra giá trị đặt (đường màu đỏ) gần như là một đường thẳng đi qua góc tọa độ 0 và song song với trục hoành, hay nói cách khác khi xe di chuyển ở loại mặt đường này thân xe không có chuyển động theo phương thẳng đứng Tương tự với mặt đường loại C ở vận tốc 40 km/h như hình 3.20, lúc này mấp mô mặt đường có giá trị lớn nhưng không đáng kể, vì vậy chuyển động thẳng đứng gây ra cho thân xe là những dao động nhỏ không đáng kể Cuối cùng ở mặt đường loại E với vận tốc 40 km/h có mức mấp mô mặt đường tương đối cao, qua đó giá trị chuyển động theo phương thẳng đứng của thân xe thể hiện rất rõ qua đồ thị hình 3.21, tuy nhiên ở loại mặt đường và vận tốc này dao động thân xe vẫn còn nằm trong giới hạn cho phép của hệ thống treo
Qua các đồ thị trên nhận thấy được bộ lọc tần số thấp giúp làm giảm biên độ dao động của mặt đường gồ ghề trở nên mềm mại hơn, đặc biệt là loại bỏ các đỉnh nhọn trên biên dạng mặt đường để có một biên dạng dao động phù hợp và tương đương với chuyển động thẳng đứng của thân xe
Mô phỏng toàn bộ hệ thống
Hình 3.22: Mô phỏng toàn bộ hệ thống
Sau khi đã mô phỏng được các thành phần con như: hệ thống treo chủ động, tín hiệu mặt đường và bộ điều khiển SMC tiến hành kết hợp lại để tạo ra một hệ thống treo chủ động hoàn chỉnh Ngoài ra một mô phỏng hệ thống treo bị động (không có lực tác động từ bộ điều khiển) được thêm vào để lấy kết quả so sánh giữa hai hệ thống treo chủ động và bị động Từ đó có thể đưa ra những đánh giá chính xác nhất về mực độ êm dịu cũng như khả năng bám đường mà hệ thống treo chủ động mang lại là vượt trội hơn so với hệ thống treo bị động thông thường.
Kết quả mô phỏng
3.6.1 Thực hiện lấy kết quả mô phỏng từ Matlab
Sau khi đã hoàn thành mô phỏng hệ thống treo trên Simulink, để lấy kết quả mô phỏng tại cửa sổ Command Window của Matlab thực hiện các thao tác như sau:
Bước 1: Nhập lệnh “thongso” rồi nhấn Enter Lệnh này có ý nghĩa tự động nhập các thụng số đầu vào của mụ hỡnh ẵ xe cho hệ thống treo, cỏc thụng số này được khai bỏo trong Matlab theo bảng sau:
Bảng 3.2: Thông số của hệ thống treo [13]
Kí hiệu Thông số Giá trị Đơn vị ms Khối lượng được treo 730 kg
Is Moment quán tính trọng tâm thân xe 2460 kg.m 2 a Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước 1.011 m b Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu sau 1.803 m mu1 Khối lượng không được treo cầu trước 40 kg mu2 Khối lượng không được treo cầu sau 35.5 kg c1 Hệ số giảm chấn cầu trước 1290 N.s/m c2 Hệ số giảm chấn cầu sau 1620 N.s/m ks1 Độ cứng lò xo cầu trước 19960 N/m ks2 Độ cứng lò xo cầu sau 1620 N/m kt1 Độ cứng lốp bánh xe trước 175500 N/m kt2 Độ cứng lốp bánh xe sau 175500 N/m
Bước 2: Nhập lệnh tên “loại mặt đường + vận tốc” Lệnh này có ý nghĩa chọn loại mặt đường và vận tốc cho hệ thống treo
Bảng 3.3: Lệnh chọn loại mặt đường và vận tốc
Loại mặt đường Vận tốc (km/h) Tên lệnh
Bước 3: Nhập lệnh “run” để khởi chạy mô phỏng
Bước 4: Nhập lệnh “dothi + số thứ tự đồ thị” để hiển thị đồ thị cùng với các giá trị trung bình và giá trị lớn nhất của đồ thị
Bảng 3.4: Lệnh yêu cầu hiển thị đồ thị
Số thứ tự đồ thị Tên đồ thị Tên lệnh
1 Chuyển vị thẳng đứng cầu trước dothi1
2 Chuyển vị thẳng đứng cầu sau dothi2
3 Chuyển vị thẳng đứng trọng tâm thân xe dothi3
4 Gia tốc thẳng đứng cầu trước dothi4
5 Gia tốc thẳng đứng cầu sau dothi5
6 Gia tốc thẳng đứng trọng tâm thân xe dothi6
7 Góc nghiêng thân xe dothi7
8 Không gian làm việc cầu trước dothi8
9 Không gian làm việc cầu sau dothi9
10 Biến dạng lốp xe cầu trước dothi10
11 Biến dạng lốp xe cầu sau dothi11
12 Lực của cơ cấu chấp hành cầu trước dothi12
13 Lực của cơ cấu chấp hành cầu sau dothi13
14 Biên dạng mặt đường dothi14
15 Biên dạng mặt đường của bánh trước và sau dothi15
Tiến hành thử nghiệm với mặt đường loại C và tốc độ 40 km/h Đầu tiên bước 1 nhập lệnh “thongso” , tiếp đến bước 2 nhập lệnh chọn loại mặt đường và vận tốc “C40”, sau đó nhập lệnh “run” để khởi chạy mô phỏng, cuối cùng nhập lệnh hiển thị đồ thị “dothi3” thu được kết quả trên cửa sổ Command Window như sau:
Hình 3.23: Kết quả sau khi thao tác 4 bước
Ngoài việc hiển thị đồ thị chuyển vị thẳng đứng thân xe, chương trình còn hiển thị giá trị lớn nhất của chuyển vị thẳng đứng thân xe ở hệ thống treo chủ động là 1,38 cm còn ở hệ thống treo bị động là 3,41 cm
Hình 3.24: Đồ thị chuyển vị thẳng đứng cầu trước
Hình 3.25: Đồ thị chuyển vị thẳng đứng cầu sau
Hình 3.26: Đồ thị chuyển vị thẳng đứng trọng tâm thân xe
Các đồ thị trên hiển thị kết quả so sánh chuyển vị thẳng đứng giữa xe có sử dụng hệ thống treo chủ động SMC (đường nét liền màu đỏ) với xe sử dụng hệ thống treo bị động thông thường (đường nét gạch chấm màu xanh) và biên dạng mặt đường (đường nét đứt màu đen)
54 tại cầu trước, cầu sau và trọng tâm thân xe trong điều kiện di chuyển trên mặt đường loại C với vận tốc chuyển động là 40 km/h Sau khi quan sát các đồ thị chuyển vị thẳng đứng theo thời gian có thể đưa ra một số nhận xét như sau:
- Giá trị lớn nhất của chuyển vị theo phương đứng tại trọng tâm thân xe giữa xe có sử dụng hệ thống treo chủ động so với xe sử dụng hệ thống treo bị động trong khoảng thời gian
10 giây mô phỏng có sự chênh lệch đáng kể, cụ thể là ở xe có sử dụng hệ thống treo chủ động thì giá trị chuyển vị theo phương thẳng đứng xấp xỉ 1,38 cm trong khi đó ở xe sử dụng hệ thống treo bị động có giá trị xấp xỉ là 3,41 cm Tại cầu trước giá trị chuyển vị lớn nhất là 1,42 cm ở hệ thống treo chủ động và 3,74 cm ở hệ thống treo bị động Tại cầu sau giá trị chuyển vị lớn nhất là 1,32 cm ở hệ thống treo chủ động và 2,86 cm ở hệ thống treo bị động Tuy nhiên ở một vài thời điểm, giá trị chuyển vị thân xe của hệ thống treo chủ động có thể lớn hơn so với hệ thống treo bị động Qua đó có thể thấy việc sử dụng hệ thống treo chủ động giúp làm giảm đáng kể giá trị chuyển vị của thân xe tại cầu trước, cầu sau và trọng tâm thân xe so với việc sử dụng hệ thống treo bị động
- Khi xe sử dụng hệ thống treo chủ động thì nhận thấy đường đồ thị của chuyển vị thẳng đứng thân xe là ổn định, mượt mà và ít dốc Còn khi xe sử dụng hệ thống treo bị động thì biên độ của chuyển vị thẳng đứng thân xe có xu hướng bám theo biên độ dao động của mặt đường, từ đó cho ra đường đồ thị dốc hơn và có sự lên xuống đột ngột
- Đường đồ thị chuyển vị theo phương thẳng đứng tại trọng tâm thân xe có giá trị bám sát với giá trị đặt, điều đó cho thấy bộ điều khiển SMC được thiết kế đúng và hoạt động chính xác trong quá trình mô phỏng
Hiệu quả của việc sử dụng hệ thống treo chủ động là giúp giảm đáng kể sự thay đổi chuyển vị thẳng đứng tại cầu trước, cầu sau và trọng tâm thân xe, tránh sự thay đổi vị trí đột ngột từ tác động mặt đường giúp đem lại cảm giác thoải mái cho người lái và nâng cao khả năng êm dịu của xe
Hình 3.27: Đồ thị gia tốc thẳng đứng cầu trước
Hình 3.28: Đồ thị gia tốc thẳng đứng cầu sau
Hình 3.29: Đồ thị gia tốc thẳng đứng trọng tâm thân xe
Các đồ thị trên hiển thị kết quả so sánh gia tốc theo phương thẳng đứng giữa xe có sử dụng hệ thống treo chủ động SMC (đường nét liền màu đỏ) với xe sử dụng hệ thống treo bị động thông thường (đường nét gạch chấm màu xanh) tại cầu trước, cầu sau và trọng tâm thân xe trong điều kiện di chuyển trên mặt đường loại C với vận tốc chuyển động là 40 km/h Sau khi quan sát các đồ thị trên, có thể thấy giá trị gia tốc theo phương thẳng đứng ở hệ thống treo chủ động là nhỏ hơn rất nhiều so với ở hệ thống treo bị động cụ thể như sau:
- Tại cầu trước giá trị gia tốc lớn nhất là 0,064 m/s 2 ở hệ thống treo chủ động và 0,49 m/s 2 ở hệ thống treo bị động Giá trị gia tốc trung bình là 0,016 m/s 2 ở hệ thống treo chủ động và 0,16 m/s 2 ở hệ thống treo bị động Độ giảm gia tốc theo phương thẳng đứng tại cầu trước là 89,97 % khi sử dụng hệ thống treo chủ động
- Tại cầu sau giá trị gia tốc lớn nhất là 0,064 m/s 2 ở hệ thống treo chủ động và 0.5 m/s 2 ở hệ thống treo bị động Giá trị gia tốc trung bình là 0,016 m/s 2 ở hệ thống treo chủ động và 0,16 m/s 2 ở hệ thống treo bị động Độ giảm gia tốc theo phương thẳng đứng tại cầu sau là 89,97 % khi sử dụng hệ thống treo chủ động
Kết luận
Sau 3 tháng thực hiện đề tài đã được hoàn thành đúng với tiến độ được giao Về cơ bản, đề tài nghiên cứu này đã đáp ứng được những yêu cầu cũng như nhiệm vụ được đề ra ban đầu, cụ thể như sau:
- Tổng quan về đề tài
- Tỡm hiểu mụ hỡnh hệ thống treo ẳ xe, từ đú phỏt triển lờn mụ hỡnh hệ thống treo ẵ xe
- Thiết kế bộ điều khiển SMC cho hệ thống treo chủ động
- Mô phỏng hệ thống treo chủ động bằng phần mềm Matlab/Simulink
- Phân tích, đánh giá kết quả mô phỏng
Các kết quả mà nghiên cứu đưa ra là hợp lí và có thể dùng để đánh giá mức độ êm dịu của một hệ thống treo chủ động trên mô phỏng tương đương với trên thực tế Nhìn chung, đề tài giải quyết được vấn đề nêu lên hiệu quả của hệ thống treo chủ động so với hệ thống treo bị động, từ đó cho thấy sự cải tiến hiện đại về mặt công nghệ trong lĩnh vực ô tô
Việc thực hiện đồ án tốt nghiệp giúp chúng em có cơ hội cũng cố kiến thức, cũng như được học hỏi và tiếp thu thêm nhiều công nghệ mới làm hành trang trong công việc sau này Ngoài kiến thức chúng em còn cải thiện được cách làm việc nhóm, nâng cao kỹ năng sử dụng phần mềm và phương pháp phân bổ thời gian một cách hợp lí.
Đề nghị
Mặc đù đề tài đã hoàn thành đúng với nhiệm vụ và kịp tiến độ, nhưng vẫn còn một số vấn đề liên quan đến hệ thống treo vẫn chưa được giải quyết triệt để Do thời gian thực hiển chỉ đủ để hoàn thành các nhiệm vụ chính nên còn một vài vấn đề vẫn chưa được đào sâu nghiên cứu như:
- Nghiên cứu về bộ phận chấp hành của hệ thống treo chủ động
- Nghiên cứu về các cảm biến của hệ thống treo chủ động
Bên cạnh đó đề tài cũng có hướng phát triển nghiên cứu từ mô hình hệ thống treo chủ động nửa xe lên mô hình toàn xe
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] “Tìm hiểu về hệ thống treo trên ô tô”, https://xevinfastvn.com/tim-hieu-ve-he-thong- treo-tren-o-to/#Chuc_nang_cua_he_thong_treo (Truy cập ngày 17/03/2024)
[2] GVC MSc Đặng Quý, Tính toán thiết kế ôtô, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP
[3] “Tìm hiểu hệ thống treo chủ động Magic Body Control của Mercedes”, https://www.danhgiaxe.com/tim-hieu-he-thong-treo-chu-dong-magic-body-control- cua-mercedes-27763 (Truy cập ngày 20/03/2024)
[4] International Standard, “Mechanical vibration and shock-Evaluation of human exposure to whole-body vibration -ISO 2631-1-1997”
[5] “Design a Sliding mode control for a nonlinear system (Matlab Simulink)”, https://www.youtube.com/watch?v=UZx4yzF1qm8 (Truy cập ngày 08/04/2024)
[6] Lê Văn Dương, Hoàng Ngọc Dũng, Vũ Gia Hưng, Ngô Ánh Dương, Lê Đức Thịnh, Nguyễn Danh Huy, Nguyễn Tùng Lâm, “So sánh các bộ điều khiển cho hệ thống treo chủ động phi tuyến”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ , tập 59 – số 2A, 3/2023
[7] Nguyễn Tuấn Anh, Đặng Ngọc Duyên, Trần Thị Thu Hương, Hoàng thăng Bình, “Ứng dụng thuật toán điều khiển trượt cho hệ thống treo chủ động trên ô tô”, Khoa học kỹ thuật thủy lợi và môi trường, số 83, 3/2023
[8] “Matlab: Các hướng dẫn cài đặt và tích hợp nhanh chóng”, https://jywsoft.com/matlab- cac-huong-dan-cai-dat-va-tich-hop-nhanh-chong.htm (Truy cập ngày 20/04/2024)
[9] “Phần mềm lập trình đồ họa Simulink”, https://advancecad.edu.vn/phan-mem-lap-trinh- do-hoa-simulink/ (Truy cập ngày 20/04/2024)
[10] “MATLAB”, https://vi.wikipedia.org/wiki/MATLAB (Truy cập ngày 20/04/2024)
[11] Jiangbo Wang and Baomin Qiang, “Road simulation for four-wheel vehicle whole input power spectral density”, AIP Conference Proceedings 1839
[12] “Mechanical Vibration-Road surface profiles- Reporting of measured data-ISO 8608:1995”
[13] Faried Hasbullah and Waleed F Faris 2017 J Phys, “Simulation of disturbance rejection control of half-car active suspension system using active disturbance rejection control with decoupling transformation”, 2017
[14] Vũ Gia Hưng, Lê Văn Dương, Hoảng Ngọc Dũng, Ngô Ánh Dương, Lê Đức Thịnh, Nguyễn Danh Huy, Nguyễn Tùng Lâm “So sánh chất lượng các bộ điều khiển SMC,
Backstepping và PID sử dụng cho hệ thống treo nửa xe chủ động phi tuyến”, Tạp chí nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 12/2022