Đồ án tốt nghiệp cơ điện tử Tính toán thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển toàn phương tuyến tính trượt cho hệ thống treo tích cực trên ôtô

1 MỤC LỤC 2 DANH MỤC HÌNH ẢNH 3 DANH MỤC BẢNG BIỂU, ĐỒ THỊ Các bảng biểu. . 4 LỜI MỞ ĐẦU Ôtô ngày nay không còn đơn thuần là sản phẩm của ngành cơ khí, nó là sản phẩm của tất cả các ngành khoa học kỹ thuật. Có thể nói: Ôtô là tinh hoa của một nền công nghiệp. Ngành công nghiệp ôtô trên thế giới đang phát triển mạnh mẽ. Các hãng ôtô đang tập trung nghiên cứu phát triển nâng cao tính tiện nghi, độ an toàn chuyển động, thân thiện với môi trường và nâng cao chất lượng phương tiện. Hàm lượng công nghệ thông tin, kỹ thuật điều khiển tự động trên ôtô ngày càng tăng. Hệ thống treo là một hệ thống quan trọng của ôtô, nó có tính quyết định đến độ êm dịu chuyển động và độ an toàn chuyển động của ôtô. Để tối ưu hóa hệ thống treo, các công nghệ tự động và điều khiển đã được ứng dụng vào hệ thống. Hệ thống treo có điều khiển đang được phát triển nhanh chóng, đặc biệt là hệ thống treo tích cực với những ưu thế so với các hệ thống treo khác sẽ ngày càng ứng dụng rộng rãi. Chính vì vậy việc tiếp cận và nghiên cứu về các phương pháp điều khiển mới trên ôtô nói chung và hệ thống treo tích cực nói riêng là rất cần thiết. Tuy được sự quan tâm lớn của Đảng và nhà nước nhưng ngành công nghiệp ôtô nước ta vẫn còn rất khiêm tốn. Kế thừa thành tựu khoa học của thế giới, nghiên cứu phát triển công nghệ và kỹ thuật mới là cần thiết để góp phần thúc đẩy công nghiệp ôtô Việt Nam phát triển. Trên cơ sở thực tiễn và phân tích những đề tài nghiên cứu đã có, đề tài “Tính toán, thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển toàn phương tuyến tính -trượt cho hệ thống treo tích cực trên ôtô” đã được lựa chọn để nghiên cứu. Mục đích nghiên cứu: Thiết kế bộ điều khiển dựa trên mô hình dao động phẳng dọc trục (mô hình 1/2 xe) của ôtô với hệ thống treo tích cực. Đánh giá ưu điểm của hệ thống treo tích cực điều khiển bằng bộ điều khiển toàn phương tuyến tính kết hợp bộ điều khiển trượt với các hệ thống treo khác (hệ thống treo bị động). 5 Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu phương pháp điều khiển hệ thống treo tích cựu nhằm nâng cao độ êm dịu và an toàn chuyển động cho ôtô. Phạm vi nghiên cứu: Mô hình phương tiện: Mô hình dao động phẳng dọc trục của ôtô. Biên dạng đường: Ngẫu nhiên và tiền định. Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu kết cấu hệ thống treo ôtô với treo tích cực. Xây dựng mô hình dao động phẳng dọc trục. Nghiên cứu các phương pháp điều khiển hệ thống treo tích cực. Thiết kế bộ điều khiển tối ưu hệ thống treo theo phương pháp điều khiển toàn phương tuyến tính kết hợp bộ điều khiển trượt. Mô phỏng, đánh giá chất lượng làm việc của bộ điều khiển được thiết kế. Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng trên máy tính. Cách tiếp cận: Bước đầu xây dựng mô hình dao động ôtô với hệ thống treo tích cực. Sau khi đã có mô hình đối tượng điều khiển, tiến hành tổng hợp bằng bộ điều khiển tối ưu toàn phương tuyến tính kết hợp với bộ điều khiển trượt. Tiếp theo, thực hiện mô phỏng dao động ôtô với hệ thống treo tích cực và hệ thống treo bị động. Đánh giá độ êm dịu và an toàn chuyển động của ôtô có hệ thống treo tích cực điều khiển toàn phương tuyến tính và trượt trên cơ sở kết quả mô phỏng. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu phương pháp điều khiển hệ thống treo tích cực. Ý nghĩa thực tiễn: Là cơ sở khoa học để các hãng sản xuất ôtô thiết kế mới những bộ điều khiển tối ưu cho hệ thống treo tích cực. 6 Sau thời gian tìm hiểu và nghiên cứu nội dung của đề tài đã được hoàn thành. Để làm được điều này phải kể đến sự giúp đỡ tận tình của các Thầy, Cô giáo trong bộ môn Kỹ Thuật Máy đặc biệt là Cô TS.Đinh Thị Thanh Huyền – giáo viên đã trực tiếp hướng dẫn. Em xin gửi lời cảm ơn trân thành đến Cô. Do thời gian, kiến thức và kinh nghiệm thực tế có hạn nên trong nội dung đề tài không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong nhận được sự chỉ bảo, và đóng góp ý kiến của Thầy, Cô để nội dung đề tài được hoàn thiện hơn. Em xin trân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 30 tháng 4 năm 2014 Sinh viên Đỗ Văn Nam 7 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Giới thiệu hệ thống treo. Nhiệm vụ của hệ thống treo trên ôtô là nối đàn hồi giữa hai khối lượng: Khối lượng được treo (thân xe) và khối lượng không được treo (cầu xe, bánh xe) tạo thành một hệ thống dao động. Cấu tạo hệ thống treo gồm: Phần tử giảm chấn, phần tử đàn hồi và phần tử dẫn hướng, mỗi phần tử có nhiệm vụ khác nhau: Phần tử đàn hồi có tác dụng làm giảm nhẹ các tải trọng động từ bánh xe lên thân xe và đảm bảo độ êm dịu cần thiết (tạo ra tần số dao động phù hợp với con người). Phần tử giảm chấn có tác dụng dập tắt dao động của khối lượng được treo và không được treo. Phần tử dẫn hướng có nhiệm vụ truyền lực dọc và lực ngang từ bánh xe lên thân xe. Hệ số cản giảm chấn của hệ thống treo bị động trên ôtô vẫn còn sự mâu thuẫn giữa độ an toàn chuyển động và độ êm dịu chuyển động của ôtô. 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 cản giảm chấn cao thì độ an toàn chuyển động tăng nhưng độ êm dịu chuyển động lại giảm. Hình 1.1: Sự phụ thuộc của hệ số cản giảm chấn đến độ êm dịu và độ an toàn chuyển động của ôtô. 8 Độ an toàn chuyển động của ôtô chủ yếu bị giới hạn bởi dịch chuyển thẳng đứng của bánh xe, dịch chuyển xoay của thân xe, góc lắc dọc và lắc ngang của thân xe trong quá trình phanh hoặc vào các khúc cua. Độ êm dịu chuyển động của ôtô có thể đánh giá thông qua dịch chuyển thẳng đứng, gia tốc thẳng đứng và gia tốc lắc dọc của thân xe. Ôtô dao động do kích thích từ mấp mô mặt đường. Hiện nay hệ thống treo bị động được coi là tốt nhất chỉ có thể đúng với một loại đường nhất định. Do vậy, để thỏa mãn 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 ôtô chuyển động phù hợp với các đặc tính của đường và vị trí khung vỏ xe được điều khiển nhờ hệ thống điều khiển tự động. Tùy thuộc vào khả năng điều khiển các thông số của hệ thống treo có điều khiển, người ta phân thành hai loại: Hệ thống treo bán tích cực (hệ thống treo chỉ có thông số của giảm chấn được điều khiển) và hệ thống treo tích cực hoàn toàn (hệ thống treo tích cực). Hệ thống treo bán tích cực đã được nghiên cứu và ứng dụng nhiều trên ôtô do có ưu điểm: kết cấu đơn giản, năng lượng cung cấp cho hệ thống ít, dễ điều khiển và đáp ứng khá tốt yêu cầu về chỉ tiêu độ êm dịu chuyển động và độ an toàn chuyển động. Hình 1.2: Mô hình hệ thống treo bán tích cực. 9 m 1 : Khối lượng được treo. m 2 : Khối lượng không được treo. Z s : Dịch chuyển khối lượng được treo. Z u : Dịch chuyển khối lượng không được treo. k 1 : Độ cứng của phần tử đàn hồi của khối lượng được treo. k 2 : Độ cứng của lốp. q: Mấp mô biên dạng mặt đường. f d : Lực của bộ điều khiển. Hệ thống treo tích cực bao gồm bộ phát động thủy lực, bộ điều khiển và các cảm biến. Hệ thống treo tích cực đòi hỏi phải có năng lượng cung cấp cho hệ thống lớn, trọng lượng lớn, giá thành cao và điều khiển cực kỳ phức tạp. Tuy nhiên, với sự phát triển rất nhanh của kỹ thuật điều khiển, điện tử, cùng với yêu cầu ngày càng cao của người sử dụng thì hệ thống treo tích cực đang được nghiên cứu và ứng dụng nhiều hơn. Treo tích cực là xu thế tất yếu của ngành công nghiệp ôtô. Hình 1.3: Hệ thống treo tích cực. 10 m 1 : Khối lượng được treo. m 2 : Khối lượng không được treo. Z 1 : Dịch chuyển khối lượng được treo. Z 2 : Dịch chuyển khối lượng không được treo. c 1 : Hệ số cản giảm chấn. k 1 : Độ cứng của phần tử đàn hồi. k 2 : Độ cứng của lốp. q: Mấp mô biên dạng mặt đường. f s : Lực của bộ phát động thủy lực. 1.2. Các chỉ tiêu đánh giá dao động ôtô. Hiện nay có nhiều chỉ tiêu đánh giá dao động của ôtô. Các nước phát triển hoặc các hãng ôtô lớn đều có các chỉ tiêu đánh giá khác nhau. Nhìn chung, các chỉ tiêu đánh giá dao động ôtô bao gồm: - Chỉ tiêu về độ êm dịu chuyển động. - Chỉ tiêu về an toàn chuyển động. - Chỉ tiêu về không gian làm việc của hệ thống treo. Tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu, người thiết kế có thể đánh giá sự ảnh hưởng của dao động ôtô theo tất cả hoặc một số trong các chỉ tiêu kể trên. Trong giới hạn cho phép, đề tài chỉ tập trung đi sâu nghiên cứu hai chỉ tiêu đánh giá sự ảnh hưởng của dao động ôtô là chỉ tiêu về độ êm dịu và an toàn chuyển động, còn chỉ tiêu về không gian làm việc của hệ thống treo được xét đến như là các điều kiện ràng buộc của bài toán. 1.2.1. Chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động. Hiện nay có nhiều chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động của ôtô. Các chỉ tiêu đó bao gồm: tần số dao động, gia tốc dao động, độ êm dịu chuyển động. [...]... hệ thống treo bị động 16 CHƯƠNG II: HỆ THỐNG TREO Trong nội dung chương này sẽ đi sâu nghiên cứu kết cấu hệ thống treo và tiếp cận việc điều khiển hệ thống treo Phân tích các ưu nhược điểm của từng hệ thống và đi đến kết luận: Cần thiết phải điều khiển hệ thống treo Đồng thời xây dựng mô hình dao động dọc trục của ôtô để tính toán, mô phỏng ở chương tiếp theo 2.1 Nghiên cứu hệ thống treo ôtô với treo. .. cho hệ thống treo tích cực Cụ thể có 3 vấn đề chính như sau: (1) Áp dụng thuật toán điều khiển LQR điều khiển hệ thống treo tích cực cho mô hình đã xây dựng (2) Kết hợp bộ điều khiển trượt (3) Sử dụng Matlab – Simulink mô phỏng sự hoạt động của mô hình Ở chương trước mô hình hệ thống treo đã được xây dựng, để thiết kế bộ điều khiển ở đây chỉ cần quan tâm đến các trạng thái z, , Dựa vào phương trình... hiệu điều khiển u1 : - Sử dụng phương pháp điều khiển trượt thiết kế tín hiệu điều khiển u 2: = + 32 3.1 Nguyên tắc điều khiển bình phương tuyến tính LQR (Linear Quadratic Regular) LQR là thuật toán điều khiển được xây dựng dựa trên cơ sở nguyên lý phản hồi trạng thái Bộ điều khiển nhận tín hiệu vào là trạng thái của hệ thống và tín hiệu mẫu sau đó tính toán và chuyển thành tín hiệu điều khiển cho quá... được treo m quy dẫn về trọng tâm, khối lượng không được treo m1 và m2 Chúng được liên kết với nhau thông qua các phần tử đàn hồi và phần tử giảm chấn của hệ thống treo và lốp xe - Bỏ qua các nguồn kích thích dao động khác Xây dựng mô hình động lực học ôtô nhằm mục đích tính toán, khảo sát, so sánh kết quả làm việc của hệ thống treo bị động và hệ thống treo tích cực Mô hình dao động dọc trục cho hệ thống. .. với treo tích cực Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, hệ thống treo trên ôtô ngày càng hoàn thiện và phát triển hơn Để hiểu rõ hơn về điều này, sau đây sẽ phân tích kết cấu cùng ưu nhược điểm của hệ thống treo bị động, bán tích cực và tích cực 2.1.1 Hệ thống treo bị động (Passive Suspension) Hình 2.1: Cấu trúc hệ thống treo bị động 17 Cấu tạo cơ bản của hệ thống treo bị động gồm: bộ phận... treo Không giống như ở giảm chấn bị động và giảm chấn tích cực trên hệ thống treo bán tích cực có nhiệm vụ tiêu hao năng lượng, với hệ thống treo tích cực, bộ phận sinh lực có thể tạo ra lực mà không phụ thuộc vào chuyển vị tương đối hoặc vận tốc các bộ phận trong hệ thống treo Hệ thống treo tích cực còn hỗ trợ thêm cho những thiết bị được điều khiển khác ở trên xe Đó có thể là hiệu ứng của phanh,... đường khác nhau 2.1.2 Hệ thống treo bán tích cực (Semi-Active Suspension) Hệ thống treo bán tích cực là hệ thống treo có hệ số giảm chấn thay đổi được Các loại giảm chấn này gọi là giảm chấn tích cực, lực cản của giảm chấn thay đổi tùy theo điều kiện làm việc của ôtô Mặc dù bị hạn chế trong việc can thiệp vào hệ thống treo, nhưng hệ thống treo bán chủ động tốn kém ít chi phí và tiêu thụ năng lượng... nhiên hệ thống treo này có nhược điểm là năng lượng cung cấp cho hệ thống lớn, cấu tạo phức tạp và giá thành cao 22 Dưới đây là mô hình giảm chấn tích cực sử dụng trong hệ thống treo tích cực: Hình 2.5: Mô hình giảm chấn sử dụng trong hệ thống treo tích cực Thông qua việc điều khiển đường dầu vào khoang làm việc của piston người ta có thể điều chỉnh khả năng giảm chấn cũng như không gian làm việc của hệ. .. 1w Phương trình không gian trạng thái của hệ chuyển động: (2.11) Như vậy, trong chương này đã nêu được ưu nhược điểm và việc cần thiết phải điều khiển hệ thống treo, xây dựng mô hình dao động 1/2 xe trong mặt phẳng dọc đồng thời lập phương trình không gian trạng thái của hệ chuyển động 30 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN Nội dung chương này sẽ đi tìm hiểu thiết kế bộ điều khiển tối ưu cho hệ thống. .. để điều khiển hệ thống Nhưng trong bài toán LQR ta chưa xét đến ảnh hưởng của nhiễu và các tác động ngoài (các thông số không được mô hình hóa) của hệ thống vì vậy ta sử dụng kết hợp bộ điều khiển trượt 3.2 Phương pháp điều khiển trượt Ưu điểm của phương pháp này là có độ chính xác cao, bền vững đối với nhiễu tải và sự thay đổi các thông số của đối tượng điều khiển Nhiệm vụ bài toán đặt ra ở đây là thiết . tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong nhận được sự chỉ bảo, và đóng góp ý kiến của Thầy, Cô để nội dung đề tài được hoàn thiện hơn. Em xin trân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 30 tháng 4 năm 20 14 Sinh. tiêu đánh giá dao động ôtô. Hiện nay có nhiều chỉ tiêu đánh giá dao động của ôtô. Các nước phát triển hoặc các hãng ôtô lớn đều có các chỉ tiêu đánh giá khác nhau. Nhìn chung, các chỉ tiêu đánh. xét mối quan hệ: Người – Xe – Đường, được minh họa theo sơ đồ dưới đây: Hình 1 .4: Sơ đồ khối nghiên cứu độ êm dịu chuyển động. Trong sơ đồ trên có 3 thành phần: Mặt đường (trên đó ôtô chuyển động),