Báo cáo khoa học: "ứng dụng logic mờ điều khiển hệ thống treo bán tích cực" ppsx

Hệ số cản giảm chấn của hệ thống treo bị động trên ô tô hiện vẫn còn sự mâu thuẫn giữa độ an toàn chuyển động và độ êm dịu chuyển động của ô tô.. Hệ số cản của giảm chấn trước và giảm ch

ứng dụng logic mờ điều khiển hệ thống treo bán tích cực

KS Trần Văn Như

Khoa Cơ khí Trường Đại học Giao thông Vận tải

PGS TS Nguyễn Thanh THủy

Khoa Công nghệ Thông tin Trường Đại học Bách khoa Hμ Nội

Tóm tắt: Mục đích của hệ thống treo lμ nâng cao chất lượng dao động vμ độ bám đường

Bμi báo trình bμy việc ứng dụng lý thuyết lô-gíc mờ điều khiển hệ thống treo bán tích cực với mô hình dao động phẳng dọc Độ êm dịu chuyển động vμ độ bám đường lμ hai thuộc tính được cân nhắc để đưa ra tín hiệu điều khiển Phần cuối tác giả sử dụng phần mềm MATLAB để mô phỏng, so sánh đánh giá hệ thống treo bán tích điều khiển mờ với hệ thống treo thụ động

Summary: The purpose of any suspension system is to improve the ride quality and road

handling This paper describes the practical application of fuzzy logic to control a semi-active suspension system of a one-half-car model Ride comfort and road handling properties are considered to be the controller outputs In the conclusion, a comparison of semi-active suspension fuzzy control and spring/damper passive suspension is shown, using MATLAB

simulations

CT 2

i Tổng quan

Hệ thống treo là một hệ thống quan trọng của ô tô, nó có ảnh hưởng trực tiếp đến độ êm dịu chuyển động và độ an toàn chuyển động của ô tô Cấu tạo hệ thống treo gồm: phần tử giảm chấn; phần tử đàn hồi và phần tử dẫn hướng, mỗi phần tử có các nhiệm vụ riêng Với hệ thống treo thụ động hệ số cản giảm chấn và độ cứng của phần tử đàn hồi là hằng số, do đó hệ thống treo bị động chỉ đáp ứng tốt khi chuyển động trên một loại đường nhất định Hệ số cản giảm chấn của hệ thống treo bị động trên ô tô hiện vẫn còn sự mâu thuẫn giữa độ an toàn chuyển

động và độ êm dịu chuyển động của ô tô Khi hệ số cản giảm chấn thấp thì độ êm dịu chuyển

động tăng nhưng độ an toàn chuyển động giảm, ngược lại khi hệ số cảm giảm chấn cao độ an toàn chuyển động tăng nhưng độ êm dịu chuyển động giảm Để thoả mãn các chỉ tiêu độ êm dịu chuyển động và độ an toàn chuyển động trên tất cả các loại đường khác nhau thì các đặc

tính của hệ thống treo cần phải thay đổi trong quá trình ô tô chuyển động phù hợp với các đặc

tính của đường Hệ thống treo điều khiển được phân thành hai loại: tích cực hoàn toàn và bán tích cực

Hệ thống treo bán tích cực đang được các tác giả trong và ngoài nước quan tâm nhiều Các hướng nghiên chủ yếu: nghiên cứu mô hình điều khiển, phương pháp điều khiển và giảm chấn tích cực (cơ cấu chấp hành) Về mô hình điều khiển các tác giả đưa ra mô hình “sky hook”, mô hình “ground hook”, mô hình “hybird”, mô hình điều khiển tương đối và mô hình điều khiển mờ

[8], [5], [9], [12] Về phương pháp điều khiển, các tác giả sử dụng phương pháp điều khiển thích

nghi [11], phương pháp điều khiển mờ [5], [7], [14], phương pháp điều khiển trượt [15]

II Mô hình dao dộng ôtô trong mặt phẳng dọc

Mô hình dao động trong mặt phẳng dọc của ôtô thể hiện trên hình 1

Hình 1 Mô hình dao động phẳng dọc ô tô 2 trục

áp dụng phương trình La-grăng loại 2 xây dựng hệ phương trình vi phân của mô hình dao

động phẳng dọc của ôtô 2 trục viết dưới dạng ma trận: CT 2

Q x ]

C [ x ]

K [ x ]

M [ &&+ &+ = (1) Trong đó: [M] - ma trận khối lượng của hệ; [K] - ma trận cản nhớt của hệ; [C] - ma trận độ

cứng của hệ; x - véc tơ tọa độ suy rộng; Q - vét tơ ngoại lực

⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

=

2 1 sy s

m 0 0 0

0 m 0 0

0 0 I 0

0 0 0 m

] M

⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

+

ư

ư

+

ư

ư +

ư

ư +

=

2 t 2 s 2

s 2

s

1 t 1 s 1

s 1

s

2 s 1

s

2 2 s

2 1 s

2 s 1

s 2

s 1 s

K K 0

b K K

0 K

K a

K K

b K a

K b C a K 0

K K

0 K

K

] K

⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

+

ư

ư

+

ư

ư +

ư

ư +

=

2 t 2 s 2

s 2

s

1 t 1 s 1

s 1

s

2 s 1

s

2 2 s

2 1 s

2 s 1

s 2

s 1 s

C C 0

b C C

0 C

C a

C C

b C a

C b C a C 0

C C

0 C

C

] C [

⎪

⎪

⎪

⎪

⎭

⎪⎪

⎪

⎪

⎬

⎫

⎪

⎪

⎪

⎪

⎩

⎪⎪

⎪

⎪

⎨

⎧ ϕ

=

2 1 s s

Z Z

Z

x ;

⎪

⎪

⎪

⎭

⎪⎪

⎪

⎪

⎬

⎫

⎪

⎪

⎪

⎩

⎪⎪

⎪

⎪

⎨

⎧

+ +

=

2 t2 2 t2

1 t1 1 t1

q K q C

q K q C 0 0

Q

&

&

III tổng hợp bộ điều khiển mờ

Tổng hợp 2 bộ điều khiển mờ cho hệ thống treo bán tích cực ký hiệu là FZ1 và FZ2 Hệ số cản của giảm chấn trước và giảm chấn sau được các bộ điều khiển mờ điều khiển độc lập dựa trên các thông tin đo được trên trục trước, trục sau và khối lượng được treo trên vị trí trục trước, trục sau

Bộ điều khiển mờ FZ1 có 4 biến vào: vận tốc tương đối giữa khối lượng không được treo và

được treo trên các trục, ký hiệu Vd; vận tốc dịch chuyển khối lượng được treo trên các trục, ký hiệu Vb; vận tốc khối lượng không được treo, ký hiệu Vw và gia tốc khối lượng được treo trên các trục, ký hiệu Ab Bộ điều khiển mờ FZ2 có hai biến vào là vận tốc tương đối giữa khối lượng không được treo và được treo trên các trục, ký hiệu Vd và dịch chuyển tương đối giữa khối lượng không được treo và khối lượng được treo trên các trục, ký hiệu Zd Mỗi biến vào có 3 giá trị ngôn ngữ: “Âm”, ký hiệu N; “Bằng 0”, ký hiệu Z và “Dương”, ký hiệu P

CT 2

Biến ra của hai bộ điều khiển mờ là hệ số cản của giảm chấn, ký hiệu Ks và có 3 giá trị ngôn ngữ: “Nhỏ”, ký hiệu S; “Trung bình”, ký hiệu M và “Lớn”, ký hiệu L Hàm thuộc của các giá trị ngôn ngữ thể hiện trên hình 2 và hình 3 Tập luật của bộ điều khiển FZ1 thể hiện trong bảng

2, của bộ điều khiển FZ2 thể hiện trong bảng 3

a)

b)

c)

CT 2

d)

e)

H×nh 2 C¸c hμm thuéc gi¸ trÞ ng«n ng÷ biÕn vμo/ra bé ®iÒu khiÓn mê FZ1

a - vËn tèc dÞch chuyÓn piston gi¶m chÊn, Vd; b - vËn tèc dÞch chuyÓn th©n xe, Vb; c - vËn tèc dÞch chuyÓn

b¸nh xe, Vw; d - gia tèc th©n xe, Ab; e - hÖ sè c¶n gi¶m chÊn, Ks

a)

b)

CT 2

c)

H×nh 3 C¸c hμm thuéc gi¸ trÞ ng«n ng÷ biÕn vμo/ra bé ®iÒu khiÓn mê FZ2

a - vËn tèc dÞch chuyÓn piston gi¶m chÊn, Vd; b - dÞch chuyÓn th©n xe, Zb; c - hÖ sè c¶n gi¶m chÊn, Ks

B¶ng 1

STT Vd Vb Vw Ab Ks STT Vd Vb Vw Ab Ks

1 N N - - L 15 Z - P - M

2 N Z - - M 16 P - N - L

3 N P - - S 17 P - Z - M

4 Z N - - M 18 P - P - S

6 Z P - - M 20 N - - Z M

7 P N - - S 21 N - - P S

10 N - N - S 24 Z - - P M

12 N - P - L 26 P - - Z M

13 Z - N - M 27 P - - P L

14 Z - Z - M

Bảng 2

CT 2

IV Kết quả mô phỏng

Thực hiện mô phỏng dao động với nguồn kích thích từ mặt đường dạng hình sin với tần số

kích thích từ 0 ữ 100rad/s Đường đặc tính tần số - biên độ được xây dựng thể hiện trên hình 5

Với kích thích từ mặt đường dạng bậc (hình 4a), dạng hình sin đơn vị (hình 4b) và đường ngẫu

nhiên (đường Hà Nội-Lạng Sơn [1] hình 4c), chất lượng dao động của ô tô được đánh giá trên

biểu đồ hình 6

0.5m

0.01m 0.01m

c)

Hình 4 Biên dạng đường

a - dạng hình bậc (step); b - dạng sin đơn vị (bump); c - đường Hμ Nội-Lạng Sơn

a)

b)

CT 2

c)

d)

e)

Hình 5 Đặc tính tần số - biên độ

a) dịch chuyển thẳng đứng trọng tâm khối lượng được treo; b) gia tốc thẳng đứng trọng tâm khối lượng

được treo; c) góc lắc dọc khối lượng được treo; d) gia tốc lắc dọc khối lượng được treo; e) dịch chuyển khối

lượng không được treo trước; f) dịch chuyển khối lượng không được treo sau

87.9

200.0

84.5

115.5 86.8

154.7

84.4

111.1 120.5

137.8

107.8

128.9

0 50 100 150 200 250

RMS(Zs) RMS(Z"s) RMS(Phi) RMS(ddPhi) RMS(Zu1) RMS(Zu2)

a)

101.3 81.2

127.4

101.7

74.9 75.3

133.1

89.0

99.2

0 20 40 60 80 100 120 140

RMS(Zs) RMS(Z"s) RMS(Phi) RMS(ddPhi) RMS(Zu1) RMS(Zu2)

b)

84.6

73.5

95.7

87.0 84.8

79.9

0 20 40 60 80 100 120

RMS(Zs) RMS(Z"s) RMS(Phi) RMS(ddPhi) RMS(Zu1) RMS(Zu2)

c)

Hình 6 Biểu đồ đánh giá chất lượng dao động của HTT bán tích cực điều khiển mờ so với HTT bị động:

a) kích thích dạng sin đơn vị; b) khích thích dạng bậc; c) kích thích ngẫu nhiên (đường Hμ Nội – Lạng Sơn)

CT 2

V Kết luận

- Hệ thống treo bán tích cực điều khiển mờ FZ1 làm biên độ dao động của khối lượng được treo giảm so với hệ thống treo bị động ở mọi vùng tần số đồng thời gia tốc dao động thẳng

đứng, góc lắc dọc, gia tốc lắc dọc của thân xe và dịch chuyển thẳng đứng của bánh xe đều giảm ở mọi vùng tần số Như vậy hệ thống treo bán tích cực điều khiển mờ FZ1 nâng cao độ êm dịu chuyển động ở mọi tần số nhưng đồng thời vẫn đảm bảo độ bám đường khi chuyển động

Điều này khẳng định ưu điểm vượt trội của hệ thống treo bán tích cực điều khiển mờ

- Hệ thống treo với bộ điều khiển FZ2, biên độ dao động thẳng đứng và góc lắc dọc của khối lượng được treo giảm nhiều so với bộ điều khiển FZ1 ở mọi vùng tần số và đặc biệt tần số cộng hưởng ở vùng tần số thấp giảm khi độ cứng của phần tử đàn hồi của hệ thống treo không thay đổi Tuy nhiên bộ điều khiển FZ2 làm cho biên độ gia tốc dao động của khối lượng được treo, dịch chuyển thẳng đứng của bánh xe và gia tốc lắc dọc tăng so với bộ điều khiển FZ1 ở vùng tần số cao

- Khi ô tô chuyển động trên đường Hà Nội-Lạng Sơn (tuyến đường vừa mới xây dựng có chất lượng tương đối tốt [1]), các thông số dao động của ô tô liên quan đến độ êm dịu chuyển

động đều giảm so với ô tô có hệ thống treo bị động Các thông số liên quan đến độ an toàn khi chuyển động (Zu1, Zu2) không tăng

- Đối với các kích thích dao động dạng hình sin đơn vị, gia tốc thẳng đứng và gia tốc lắc dọc

của thân xe đều giảm ở bộ điều khiển mờ FZ1 và FZ2 Gia tốc thẳng đứng và gia tốc lắc dọc

của thân xe giảm ở bộ điều khiển FZ1, với bộ điều khiển FZ2 thì tăng Cả hai bộ điều khiển, dịch

chuyển thẳng đứng của bánh xe trước và bánh xe sau đều tăng

- Với kích thích dao động dạng bậc, ở bộ điều khiển FZ1 chỉ có góc lắc dọc và dịch chuyển

thẳng đứng của bánh sau tăng ít (1.7% và 0.4%), gia tốc thẳng đứng và gia tốc lắc dọc của thân

xe tăng nhiều (27.4% và 33.1%) ở bộ điều khiển FZ2

Tài liệu tham khảo

[1] Đμo Mạnh Hùng, Trần Văn Như, Cao Trọng Hiền, Nguyễn Văn Bang Nghiên cứu ảnh hưởng của biên

dạng mặt đường đến tải trọng tác dụng lên ô tô tại quốc lộ 1B đoạn Hà Nội – Lạng Sơn, Đề tài NCKH Cấp

bộ (2005), Bộ GD và ĐT, Hà Nội

[2] Trần Văn Như (2006) Nghiên cứu sử dụng hệ thống treo bán tích cực điều khiển mờ trên ô tô, Luận

văn thạc sỹ kỹ thuật, Trường ĐH GTVT, Hà Nội

[3] Trần Văn Như (2006) Xây dựng bộ điều khiển mờ cho hệ thống treo thông minh trên ô tô, Đồ án tốt

nghiệp đại học, Trường ĐH BKHN, Hà Nội

[4] A.Araee (2004), R.AbdollahPour, O.Kazemi vμ R.Sharifi Sedeh “Design Of Car Active Suspension

With Three Control Approaches (Fuzzy control, Optimal Control, Adaptive Optimal Fuzzy Control)”,

Proceedings of IMEC2004, Dec 2004, Kuwait

[5] Angela K Carter (1998) Transient Motion Control of Passive and Semiactive Damping for Vehicle

Suspensions, Master of Science, Thesis submitted to the Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and

State University, USA

[6] Antonớn Střớbrský (2003), Kateřina Hyniovỏ, Jaroslav Honců and Aleš Kruczek “Using fuzzy logic to

control active suspension system of one-half-car model”, Recenzovanỏ a revidovanỏ verzia dodanỏ

19.11.2003, Czech Republic

CT 2

[7] C.F.Nicolás, J.Landaluze, E.Castrillo, M.Gastón vμ R.Reyero (1997) “Application of fuzzy logic control

to the design of semi-active suspension systems”, the 38 th IEEE, 1997, pp 987-993

[8] D.Karnopp, M.J.Crosby, R.A.Harwood (1974), “Vibration control using semi-active force generators”,

Journal of Engineering for Industry, pp 619-626, may 1974, Virginia Polytechnic Institute and State

University, USA

[9] Fernando D Goncalves (2002) Mehdi Ahmadian, “In search of suitable control policy for intelligent

vehicle suspensions”, Proceedings of ASME IMECE 2002: Intelligent systems-III, 17-22/11/2002, New

Orleans, louisiana

[10] Kateřina HYNIOVÁ, Antonớn STŘÍBRSKí và Jaroslav HONCŮ “Fuzzy control of mechanical

vibrating systems”, Czech Republic

[11] Mark D.Donahue (2001) Implementation of an active suspension, preview controller for improved ride

comfort, Master of Science, University of California at Berkeley, USA

[12] Mehdi Ahmadian (1997) “A hybird semiactive control for secondary suspension applycations”

Proceedings of Sixth ASME Symposium on Advanced Automotive Technologies, 1997 ASME International

Congress anf Exposition, November 16-21, 1997, Dallas, Texas, USA

[13] N.YAGIZ vμ I.YUKSEK (2001) “Sliding modecontrol of active suspension for ful vehicle model”,

International Journal of Vehicle design, vol.26, Nos.2/3, 2001, pp264-276

[14] Nizar AL-Holou (1995), Dae Sung Joo, Adnan Shaout “The development of fuzzy logic based

controller for semiactive suspension system”, the 37 th IEEE, 1995, pp 1373-1376

[15] Ravindra Dixit (2001) Sliding mode observation and control for semi-active vehicle suspensions,

Master of Science, North Carolina state UniversityĂ