ứng dụng logic mờ điều khiển hệ thống treo bán tích cực KS. Trần Văn Nh Khoa Cơ khí Trờng Đại học Giao thông Vận tải PGS. TS. Nguyễn Thanh THủy Khoa Công nghệ Thông tin Trờng Đại học Bách khoa H Nội Tóm tắt: Mục đích của hệ thống treo l nâng cao chất lợng dao động v độ bám đờng. Bi báo trình by 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 v độ bám đờng l hai thuộc tính đợc cân nhắc để đa 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 hởng 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 hớng, 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 đờng 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 nhng độ an toàn chuyển động giảm, ngợc lại khi hệ số cảm giảm chấn cao độ an toàn chuyển động tăng nhng 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 đờng 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 đờng. Hệ thống treo điều khiển đợc phân thành hai loại: tích cực hoàn toàn và bán tích cực. Hệ thống treo bán tích cực đang đợc các tác giả trong và ngoài nớc quan tâm nhiều. Các hớng nghiên chủ yếu: nghiên cứu mô hình điều khiển, phơng pháp điều khiển và giảm chấn tích cực (cơ cấu chấp hành). Về mô hình điều khiển các tác giả đa ra mô hình sky hook, mô hình ground hook, mô hình hybird, mô hình điều khiển tơng đối và mô hình điều khiển mờ [8], [5], [9], [12]. Về phơng pháp điều khiển, các tác giả sử dụng phơng pháp điều khiển thích nghi [11], phơng pháp điều khiển mờ [5], [7], [14], phơng pháp điều khiển trợt [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 phơng trình La-grăng loại 2 xây dựng hệ phơng trình vi phân của mô hình dao động phẳng dọc của ôtô 2 trục viết dới dạng ma trận: CT 2 Qx].C[x].K[x].M[ = + + &&& (1) Trong đó: [M] - ma trận khối lợng 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. = 2u 1u sy s m000 0m00 00I0 000m ]M[ ; + + + + = 2t2s2s2s 1t1s1s1s 2s1s 2 2s 2 1s 2s1s2s1s KK0b.KK 0KKa.KK b.Ka.Kb.Ca.K0 KK0KK ]K[ ; + + + + = 2t2s2s2s 1t1s1s1s 2s1s 2 2s 2 1s 2s1s2s1s CC0b.CC 0CCa.CC b.Ca.Cb.Ca.C0 CC0CC ]C[ = 2u 1u s s Z Z Z x ; . + + = 2t22t2 1t11t1 q.K.qC q.K.qC 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 trớc và giảm chấn sau đợc các bộ điều khiển mờ điều khiển độc lập dựa trên các thông tin đo đợc trên trục trớc, trục sau và khối lợng đợc treo trên vị trí trục trớc, trục sau. Bộ điều khiển mờ FZ1 có 4 biến vào: vận tốc tơng đối giữa khối lợng không đợc treo và đợc treo trên các trục, ký hiệu V d ; vận tốc dịch chuyển khối lợng đợc treo trên các trục, ký hiệu V b ; vận tốc khối lợng không đợc treo, ký hiệu V w và gia tốc khối lợng đợc treo trên các trục, ký hiệu A b . Bộ điều khiển mờ FZ2 có hai biến vào là vận tốc tơng đối giữa khối lợng không đợc treo và đợc treo trên các trục, ký hiệu V d và dịch chuyển tơng đối giữa khối lợng không đợc treo và khối lợng đợc treo trên các trục, ký hiệu Z d . Mỗi biến vào có 3 giá trị ngôn ngữ: Âm, ký hiệu N; Bằng 0, ký hiệu Z và Dơng, ký hiệu P. CT 2 Biến ra của hai bộ điều khiển mờ là hệ số cản của giảm chấn, ký hiệu K s 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 V d V b V w A b K s STT V d V b V w A b K s 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 5 Z Z - - M 19 N - - N L 6 Z P - - M 20 N - - Z M 7 P N - - S 21 N - - P S 8 P Z - - M 22 Z - - N M 9 P P - - L 23 Z - - Z M 10 N - N - S 24 Z - - P M 11 N - Z - M 25 P - - N S 12 N - P - L 26 P - - Z M 13 Z - N - M 27 P - - P L 14 Z - Z - M Bảng 2 STT V d Z d K s STT V d Z d K s 1 N N S 6 Z P M 2 N Z M 7 P N L 3 N P L 8 P Z M 4 Z N M 9 P P S 5 Z Z M CT 2 IV. Kết quả mô phỏng Thực hiện mô phỏng dao động với nguồn kích thích từ mặt đờng dạng hình sin với tần số kích thích từ 0 ữ 100rad/s. Đờng đặc tính tần số - biên độ đợc xây dựng thể hiện trên hình 5. Với kích thích từ mặt đờng dạng bậc (hình 4a), dạng hình sin đơn vị (hình 4b) và đờng ngẫu nhiên (đờng Hà Nội-Lạng Sơn [1] hình 4c), chất lợng dao động của ô tô đợc đánh giá trên biểu đồ hình 6. 0.5m 0.01m 0.01m a ) b ) c ) Hình 4. Biên dạng đờng a - dạng hình bậc (step); b - dạng sin đơn vị (bump); c - đờng H Nội-Lạng Sơn a) b) CT 2 c) d) e) f) CT 2 Hình 5. Đặc tính tần số - biên độ a) dịch chuyển thẳng đứng trọng tâm khối lợng đợc treo; b) gia tốc thẳng đứng trọng tâm khối lợng đợc treo; c) góc lắc dọc khối lợng đợc treo; d) gia tốc lắc dọc khối lợng đợc treo; e) dịch chuyển khối lợng không đợc treo trớc; f) dịch chuyển khối lợng không đợc 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 FZ1 FZ2 % RMS(Zs) RMS(Z"s) RMS(Phi) RMS(ddPhi) RMS(Zu1) RMS(Zu2) a) 92.8 101.3 81.2 127.4 101.7 74.9 75.3 133.1 89.0 99.2 100.4 101.0 0 20 40 60 80 100 120 140 FZ1 FZ2 % RMS(Zs) RMS(Z"s) RMS(Phi) RMS(ddPhi) RMS(Zu1) RMS(Zu2) b) 96.9 98.7 84.6 73.5 95.7 87.0 84.8 79.9 99.8 100.0 99.1 99.8 0 20 40 60 80 100 120 FZ1 FZ2 % RMS(Z s) RMS(Z "s) RMS(Phi) RMS(ddPhi) RMS(Z u1) RMS(Z u2) c) Hình 6. Biểu đồ đánh giá chất lợng 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 (đờng H 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 lợng đợc 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. Nh vậy hệ thống treo bán tích cực điều khiển mờ FZ1 nâng cao độ êm dịu chuyển động ở mọi tần số nhng đồng thời vẫn đảm bảo độ bám đờng khi chuyển động. Điều này khẳng định u điểm vợt 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 lợng đợc treo giảm nhiều so với bộ điều khiển FZ1 ở mọi vùng tần số và đặc biệt tần số cộng hởng 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 lợng đợc 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 đờng Hà Nội-Lạng Sơn (tuyến đờng vừa mới xây dựng có chất lợng tơng 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 (Z u1 , Z u2 ) 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 trớc 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]. Đo Mạnh Hùng, Trần Văn Nh, Cao Trọng Hiền, Nguyễn Văn Bang. Nghiên cứu ảnh hởng của biên dạng mặt đờng 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 Nh (2006). Nghiên cứu sử dụng hệ thống treo bán tích cực điều khiển mờ trên ô tô, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, Trờng ĐH GTVT, Hà Nội. [3]. Trần Văn Nh (2006). Xây dựng bộ điều khiển mờ cho hệ thống treo thông minh trên ô tô, Đồ án tốt nghiệp đại học, Trờng ĐH BKHN, Hà Nội. [4]. A.Araee (2004), R.AbdollahPour, O.Kazemi v 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 Stớbrský (2003), Kateina Hyniovỏ, Jaroslav Honc and Ale 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 v 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]. Kateina HYNIOV, Antonớn STBRSKí v Jaroslav HONC. 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 v I.YUKSEK (2001). Sliding mode control 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 University Ă . 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 trớc và giảm chấn sau đợc các bộ điều khiển mờ điều khiển độc. động. Điều này khẳng định u điểm vợt 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 lợng đợc treo. Nghiên cứu sử dụng hệ thống treo bán tích cực điều khiển mờ trên ô tô, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, Trờng ĐH GTVT, Hà Nội. [3]. Trần Văn Nh (2006). Xây dựng bộ điều khiển mờ cho hệ thống treo thông