Thiết kế bộ điều khiển tối ưu LQG cho hệ giảm chấn tích cực có sử dụng bộ lọc biến trạng thái

LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương và được sự hướng dẫn tận tình giúp đỡ của thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí, luận văn với đề tài “ Thiết kế bộ điều khiển tối ưu LQG c

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU LQG CHO HỆ THỐNG

GIẢM CHẤN TÍCH CỰC CÓ SỬ DỤNG BỘ LỌC

BIẾN TRẠNG THÁI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU LQG CHO HỆ THỐNG GIẢM CHẤN TÍCH CỰC CÓ SỬ DỤNG BỘ LỌC BIẾN

TRẠNG THÁI

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TRƯỞNG KHOA

PHÒNG ĐÀO TẠO

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Hoàng Việt

Sinh ngày 12 tháng 7 năm 1986

Học viên lớp cao học khoá 16 CH.TĐH 01 - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Bộ môn Kỹ thuật điện tử, Khoa Điện tử, Trường Đại học

Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Tôi xin cam đoan luận văn “Thiết kế bộ điều khiển tối ưu LQG cho hệ giảm chấn tích cực có sử dụng bộ lọc biến trạng thái” do thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí

hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng

Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong

đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình

Thái Nguyên, ngày 30 tháng 5 năm 2016

Học viên

Nguyễn Hoàng Việt

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương và được sự hướng dẫn tận tình

giúp đỡ của thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí, luận văn với đề tài “ Thiết kế bộ điều khiển tối ưu LQG cho hệ giảm chấn tích cực có sử dụng bộ lọc biến trạng thái” đã

Mặc dù đã cố gắng hết sức, tuy nhiên do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực

tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tác giả mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp cho luận văn của tôi được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 30 tháng 5 năm 2016

Học viên

Nguyễn Hoàng Việt

Mục lục

LỜI CAM ĐOAN 3

LỜI CẢM ƠN 4

Mục lục 5

Danh mục chữ viết tắt 7

Danh mục các bảng 8

Danh mục hình vẽ, mô phỏng, đồ thị 9

Chương 1 Giới thiệu về hệ thống giảm chấn 12

1.1 Cấu tạo và chức năng của hệ thống giảm chấn 12

1.1.1 Cấu tạo 12

1.1.2 Chức năng của hệ giảm chấn 13

1.1.3 Các yếu tố đánh giá chất lượng của hệ thống giảm chấn 14

1.2 Phân loại hệ giảm chấn 18

1.3 Đặc trưng của tín hiệu dao động từ mặt đứng x g 22

1.4 Các xu hướng điều khiển hệ giảm chấn tích cực 25

1.4.1 Điều khiển hệ giảm chấn bán tích cực 25

1.4.2 Điều khiển hệ giảm chấn tích cực 26

1.5 Kết luận chương 1 27

Chương 2 Mô hình cơ cấu chấp hành dùng động cơ tuyến tính dạng ống 28

2.1 Cấu tạo của động cơ tuyến tính dạng ống 28

2.2 Xây dựng phương trình lực của động cơ tuyến tính dạng ống 30

2.2.1 Công cụ để xây dựng mô hình 30

2.2.2 Xây dựng mô hình giữa điện áp và lực cho động cơ tuyến tính dạng ống

33

2.3 Mô phỏng 36

2.4 Kết luận chương 2 39

Chương 3 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ giảm chấn tích cực 40

3.1 Cấu trúc điều khiển 40

3.2 Thiết kế bộ điều khiển dập tắt dao động LQG và sử dụng bọc biến trạng thái 41 3.2.1 Mô hình phi tuyến của hệ thống giảm chấn 41

3.2.2 Thiết kế mạch lọc biến trạng thái 44

3.2.3 Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái 46

3.2.4 Mô phỏng hệ thống 48

3.3 Thiết kế bộ điều khiển lực và dòng cho động cơ tuyến tính 54

3.3.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng 54

3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển lực 56

3.4 Sơ đồ mô phỏng của cả hệ thống 57

3.4.1 Khi nhiễu có dạng xung vuông tác động 58

3.4.2 Khi tác động nhiễu ngẫu nhiên 61

3.5 Vấn đề thực nghiệm 63

3.6 Kết luận chương 3 64

Kết luận chung của luận văn 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

Danh mục chữ viết tắt

LQR Linear Quadratic Regulator Bộ điều chỉnh toàn phương

tuyến tính

LQG Linear Quadratic Gaussian Bộ điều khiển tuyến tính

toàn phương Gaussian

PID Proportional- Intergral-

Derivative Tỷ lệ – Tích phân- Đạo hàm

LBM Linear Brushless Permanent

Magnet Motor Động cơ tuyến tính

Danh mục các bảng

Bảng 1: Phân loại hệ giảm chấn 21 Bảng 2 Tham số vật lý của động cơ tuyến tính 37 Bảng 3: Tham số vật lý của hệ giảm chấn 48

Danh mục hình vẽ, mô phỏng, đồ thị

13

Hình 1 8 Đáp ứng của hệ giảm chấn khi tác động kích thích dạng xung vuông 23

Hình 3 8 Sơ đồ mô phỏng tác động của bộ điều khiên LQG với hệ giảm chấn 49 Hình 3 9 Kết quả mô phỏng tác động của bộ điều khiên LQG trong trường hợp

Hình 3 21 Trạng thái của đông cơ tuyến tính khi tác động nhiễu xung vuông 60

Hình 3 23 Trạng thái của hệ thống giảm chấn khi tác động nhiễu ngẫu nhiên 61 Hình 3 24 Trạng thái dịch chuyển của roto động cơ khi nhiễu ngẫu nhiên tác

Hình 3 26 So sánh sự dịch chuyển của khối thân trên khi không tác động giảm

LỜI NÓI ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Ngày nay, hệ thống giảm chấn được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực như: xây dựng nhà, xây dựng cầu đường và đặc biệt trong công nghiệp sản xuất phương tiện vận tải (ô tô, xe máy, tàu hỏa…) Mục đích của hệ thống giảm chấn là dập tắt nhanh nhất dao động để hệ làm việc không phụ thuộc vào tác động lực từ bên ngoài nhằm duy trì trạng thái cân bằng cho hệ thống Hiện nay, đa phần các hệ thống giảm chấn sử dụng nguyên tắc giảm chấn thụ động Giảm chấn thụ động có ưu điểm là thiết kế đơn giản nhưng có nhược điểm lớn là thời gian dập tắt dao động và lực giảm chấn không thể điều chỉnh được [2], [3], [6] Theo các nghiên cứu [1], [2], [4] thì sử dụng hệ giảm chấn tích cực có nhiều ưu điểm hơn hệ giảm chấn thụ động là có thể điều chỉnh linh hoạt lực giảm chấn về chiều và cường độ, qua đó có thể dập tắt dao động nhanh hơn và duy trì trạng thái ổn định tốt hơn

2 Mục tiêu của nghiên cứu:

- Tìm hiểu hệ thống giảm chấn thụ động, hệ thống giảm chấn tích cực và xu thế điều khiển trong hệ giảm chấn tích cực

- Thiết kế bộ lọc biến trạng thái

- Thiết kế bộ điều khiển tối ưu LQG dập tắt quá trình dao động

- Điều khiển động cơ tuyến tính sinh ra lực điện từ dập tắt quá trình dao động

- Mô phỏng kiểm chứng kết quả

3 Kết quả dự kiến:

- Xây dựng mô hình toán hệ thống giảm chấn tích cực, động cơ tuyến tính

- Xây dựng bộ điều khiển tối ưu LQG có sử dụng bộ lọc biến trạng thái

- Mô phỏng kiểm chứng kết quả hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng phần mềm Matlab – Simulink

- Xây dựng mô hình thực nghiệm

4 Nội dụng các chương:

Chương 1: giới thiệu về hệ thống giảm chấn

Chương 2: Mô hình cơ cấu chấp hành dùng động cơ tuyến tính dạng ống

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển cho hệ giảm chấn tích cực

Kết luận chung của luận văn

Chương 1 Giới thiệu về hệ thống giảm chấn

1.1 Cấu tạo và chức năng của hệ thống giảm chấn

1.1.1 Cấu tạo

Ngày nay, hệ thống giảm chấn được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực như: xây dựng nhà, xây dựng cầu đường và đặc biệt trong công nghiệp sản xuất phương tiện vận tải (ô tô, xe máy, tàu hỏa…) Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, tác giả nghiên cứu hệ giảm chấn áp dụng trong các phương tiện vận tải Cấu tạo của hệ giảm truyền thống (giảm chấn thụ động) thường được gọi là hệ thống treo được minh hoạ

như hình 1.1 Trong đó bao gồm: khối treo (suspension mass) có khối lượng m us (đặc trưng cho lốp xe, bánh xe, phanh và các khối lượng tải của bánh xe), khối thân trên

(body mass) có khối lượng m s đặc trưng cho khối lượng khung xe (gồm khách và hàng hóa) Hệ thống treo dùng để kết nối hai thành phần khối thân trên và khối treo được tạo bởi một lò xo mắc song song với khối cản dịu

Hình 1 1 Mô hình của hệ thống giảm chấn điển hình Trong hình vẽ trên, x g biểu diễn cho các tác động gây dao động từ bên ngoài vào hệ thống (tác động từ mặt đường) không biết trước với một dải tần số xác định, tác động này truyền đến cho khối treo thông qua lốp xe đặc trưng bởi một phần tử có

đặc tính lò xo k t và khối cản dịu có hệ số cản dịu b t Khi bị tác động, khối treo sẽ dao

động, mức độ dao động này được đánh giá thông qua x us , dao động x us tiếp tục tác

Khối thân trên

Khối treo Cản dịu

ms

mus

s x

us x

Khung xe, sàn xe, hành khách và hàng hoá

Lốp xe, bánh xe, phanh

và các cơ cấu gắn với bánh xe

Lò xo

động lên khối thân trên thông qua cặp phần tử có đặc tính lò xo k s và khối cản dịu có

hệ số cản dịu b s , mức độ dao động của khối thân trên được biểu thị bằng x s Với hệ giảm chấn thụ động các hệ số về độ cứng của lò xo và hệ số cản dịu được lựa chọn theo chỉ tiêu chất lượng cho trước và không điều chỉnh được trong quá trình hoạt động

1.1.2 Chức năng của hệ giảm chấn

Chức năng cơ bản hệ thống giảm chấn là nhằm dập tắt dao động của khối thân trên và nhanh chóng duy trì ổn định của hệ thống Hệ giảm chấn làm giảm ảnh hưởng của lực tác động ở bề mặt đường lên khối thân trên, tạo cảm giác thoải mái khi đi xe Yêu cầu đối với hệ thống giảm chấn là đòi hỏi phải có đặc tính nhanh chóng dập tắt dao động tuy nhiên cũng cần đòi hỏi phải nhạy với các dao động dù là nhỏ, trong thực

tế bao giờ hai đặc tính này cũng không thể thỏa mãn đồng thời, nó chỉ có thể đáp ứng

ở một mức độ cân nhắc nào đó giữa hai yếu tố này

Hình 1 2 Minh họa sự dao động của hệ thống giảm chấn với tác dụng của x g (t )

Hình 1.2 minh hoạ sự tác động của x g lên khối treo và khối thân trên với các số

b t = 0 [1] Ban đầu giả thiết tất cả x g , x s , x us đều bằng không, tại thời điểm 1 giây, x g

thay đổi dưới dạng xung vuông với biên độ 30 cm Kết quả là khối treo và khối thân

trên dao động Đến thời gian 3 giây x g hết tác động, x s và x us sẽ dao động thêm một

khoảng thời gian nữa, 4 giây sau thì x s và x us về 0 Trong khoảng thời gian từ 1-5 giây khối trân trên và khối treo dao động với tần số lớn, điều này gây ra cảm giác khó chịu cho người đi xe Khoảng thời gian của hệ giảm chấn hết dao động trở về vị trí ban đầu

(cân bằng) này phụ thuộc vào các hệ số k t , b t , k s , b s khối lượng khối treo cũng như

khối lượng khối thân trên, biên độ và tần số của x g Các chỉ số k t , b t đặc trưng cho

tham số của lốp, thường thay đổi trong phạm vi hẹp nên với hệ có m s và m us xác định

thì thời gian dao động của hệ chủ yếu phụ thuộc vào các hệ số k s , b s Để giảm nhỏ

khoảng thời gian này cũng như biên độ dao động x s , x us ta cần phải tính toán, lựa chọn

cặp hệ số của lò xo và cơ cấu cản dịu (k s , b s ) phù hợp Khi độ cứng của các phần tử lò

xo tăng lên thì dạng dao động của x s và x us sẽ càng gần với dạng dao động của x g, chất lượng của hệ thống giảm chấn càng giảm Nếu độ cứng của các phần tử lò xo càng giảm thì thời gian dao động sẽ tăng lên, chất lượng giảm chấn cũng sẽ giảm Khối lượng của các khối treo và khối thân trên cũng ảnh hưởng rất nhiều đến dạng dao

động của x s và x us, khi khối lượng tăng lên cả hệ thống sẽ dần trở thành một khâu cứng, khi khối lượng giảm thì cả hệ thống sẽ trở thành một khâu dao động v.v

Đối với một hệ thống giảm chấn lý tưởng, người ta mong muốn với bất kỳ tác

động nào của x g, tác động này sẽ được dập tắt qua hệ thống lò xo và cơ cấu cản dịu để

x s luôn luôn bằng không (kể cả vận tốc và gia tốc), tức là không chịu tác động của x g

1.1.3 Các yếu tố đánh giá chất lượng của hệ thống giảm chấn

Một biện pháp đo lường đơn giản để đánh giá mức độ thoải mái khi đi xe là gia

tốc vuông góc với khung xe x , nếu gia tốc thấp sẽ mang lại cảm giác thoải mái khi đi

xe Để tạo ra sự an toàn, lốp xe phải có khả năng di chuyển lực dọc, ngang giữa xe và

đường, điều đó tạo được khi nếu bánh xe có lực tải F dyn , lực này bị giới hạn, tức là để bánh xe vẫn tiếp xúc với mặt đường Điều này có thể đạt được trong điều kiện ràng

buộc của giá trị x và F dyn

)(

Hình 1.3 mô tả mối quan hệ chỉ tiêu độ thoải mái và chỉ tiêu an toàn của các hệ

thống giảm chấn thụ động khác nhau với sự thay đổi các hệ số k s , b s ở trên Kết quả thu được từ mô phỏng hệ giảm chấn với kích thích là các loại đường mẫu và các giá trị của

x

 và F dyn Cả hai đại lượng này càng thấp càng tạo cảm giác thoải mái và an toàn khi

đi xe

Có thể thấy rằng việc thiết lập mối quan hệ giữa độ cứng của lò xo k t và hệ số cản

dịu b s của cơ cấu cản dịu rất quan trọng trong hệ thống giảm chấn Đặc trưng của một

hệ thống giảm chấn thụ động được tạo nên bởi cặp hai tham số này

Hình 1 3 Chất lượng của hệ giảm chấn khi thay đổi k s và bs [1]

Hệ thống giảm chấn bán tích cực có thể điều chỉnh hệ số cản dịu do đó cải thiện

được cảm giác đi xe và độ an toàn của hệ thống Trong hình vẽ mô tả sự biến thiên của

độ cứng lò xo và hệ số cản dịu, tức là ngay cả khi độ cứng của lò xo được điều chỉnh giảm xuống thì các nhà thiết kế phải lựa chọn để tạo sự thoải mái đi xe hoặc an toàn, điều đó dẫn tới định hướng tăng yếu tố này thì yếu tố kia bị giảm

Hình 1.3 cho thấy, đi xe thoải mái và an toàn là yếu tố quan trọng có thể nâng cao được bởi hệ thống giảm chấn cơ điện tử (nếu hoạt động hoàn toàn tích cực) Hệ thống giảm chấn tích cực cho phép tạo ra hệ thống giảm chấn có độ an toàn và độ thoải mái hơn hẳn so với hệ giảm chán thụ động và hệ giảm chấn bán tích cực Trong

đó, hệ giảm chấn tích cực bao gồm thiết bị truyền động với tần số cao đủ để chủ động

Bán tích cực

Thụ động

Mặt pareto

giảm giao động giữa khung gầm và bánh xe Để có thể điều chỉnh hoàn toàn chủ động (đường mầu xám) thì đi kèm theo nó phải cần bộ điều khiển trên hệ giảm chấn hoàn toàn chủ động

Điều quan trọng nhất của hệ thống giảm chấn tích cực đạt được là tạo ra sự thay đổi linh động của lực tác động Nếu không tạo ra được điều này, ví dụ như nếu bộ điều khiển không hoạt động linh hoạt theo thời gian thì việc điều chỉnh của hệ thống giảm chấn có thể không mang lại kết quả tối ưu khi đi xe Khả năng đáp ứng yêu cầu cao của hệ thống giảm chấn không thể đạt được nếu chỉ thiết kế bộ điều khiển với một số loại đường cho trước Do đó, cần áp dụng các bộ điều khiển thích nghi theo sự thay

đổi không biết trước từ mặt đường (cái tạo ra x g (t))

Vậy tóm lại, yếu tố đánh giá chất lượng của hệ thống giảm chấn thệ hiện bằng chỉ tiêu độ thoải mái khi đi xe và chỉ tiêu độ an toàn khi đi xe

a Độ thoải mái khi đi xe

Để tạo sự thoải mái khi đi xe là hạn chế lực vuông góc với khung xe Một hệ thống giảm chấn tạo cảm giác thoải mái khi đi xe sẽ cách ly khối khung gầm khi có những rung động gây ra bởi đường hay động năng của xe Như vậy, trong điều kiện rung động thẳng đứng, độ thoải mái khi đi xe có thể định lượng bởi gia tốc của khung

xe Tuy nhiên, con người nhạy cảm với các tần số dao động kích thích cơ học theo hướng dọc (4 - 8Hz), nên các tần số này cần được đưa vào tính toán Thực tế này được xem xét trong việc thiết kế các hệ thống giảm chấn, lựa chọn độ cứng của lò xo, hệ số cản dịu, lốp sao cho tần số dao động nằm giữa tần số dao động tự nhiên của lò xo và khối treo, qua đó nâng cao được tác dụng cách ly Tuy nhiên, đáp ứng tần số phụ thuộc vào hệ số cản dịu, nếu cơ cấu cản dịu có hệ số cản dịu thấp sẽ dẫn đến cách ly tốt giữa khung và gầm xe, tăng độ thoải mái khi đi xe nhưng tăng đỉnh cộng hưởng Vì vậy, độ

an toàn khi đi xe giảm đi

Hình 1 4 Đáp ứng tần của hệ khi thay đổi hệ số cản dịu [1]

b Độ an toàn khi đi xe

Để đi xe an toàn thì các tác động lái của người lái phải được truyền xuống đường theo chiều dọc qua lốp xe và mặt đường Đây là yêu cầu quan trọng để người lái xe có thể điều khiển được khi lái Một tiêu chí để đáp ứng yêu cầu về an toàn là tải trọng của bánh xe động không được vượt quá tải trọng của bánh xe tĩnh, điều này có thể đạt được nếu điều kiện bánh xe động được giới hạn Để xây dựng điều kiện ràng buộc, giả

định sự nhấp nhô của bề mặt đường ngẫu nhiên và bánh xe có tải động F dny có mật độ

xác suất Gausian Một ràng buộc về F dny có thể được xây dựng bằng cách sử dụng độ lệch chuẩn trong một khoảng thời gian T





std dyn

Khi giá trị trung bình tải động của bánh xe bằng không, giữ

rms dyn

dyn 

tắc 3σ đảm bảo một phân bố ngẫu nhiên trung bình vẫn nằm trong giới hạn ±Fstat xấp

xỉ khoảng 99.7% trong một chu kỳ T

Vì vậy, điều kiện ràng buộc về giá trị trung bình tải động của bánh xe là giá trị bánh xe tải động không vượt quá 1/3 giá trị bánh xe tải tĩnh:

3

stat rms

chấn thụ động khi đi trên một loại đường cụ thể với vận tốc 50 km/h Tải trọng động của bánh xe động là một chỉ tiêu rất quan trọng vì nó có thể gây ra hiện tượng mất ma sát giữa xe với mặt đất

Hình 1 5 Xấp xỉ mật độ xác suất F dyn của một loại đường [1]

1.2 Phân loại hệ giảm chấn

Mô hình nghiên cứu về hệ thống giảm chấn [1],[2] gồm ba loại sau:

- Mô hình đầy đủ (Full-car) có tính toán động lực của một chiếc xe hoàn chỉnh

- Mô hình 1/2 (Half-car) phân tích chuyển động lên xuống và chuyển động quay với hình thức đơn giản

- Mô hình 1/4 (A Quarter-vehicle) chỉ mô tả chuyển động của phần khối lượng tương đương tác động lên một bánh xe

Nếu chuyển động của bốn bánh xe được coi là tách riêng, thì mô hình 1/4 là một mô hình phù hợp để nghiên cứu trong phạm vi tần số dao động từ 0 – 25Hz

Hình 1.6 mô tả mô hình 1/4 cho ba loại giảm chấn khác nhau: Hệ thống thụ động,

)(

)(

)()(

)(

t F x x b x x k x x b x x k x

m

t F x x b x x k x

m

e g us t g w t us s s us s s us

us

e us s s us s s s

Khi F e (t) = 0, b s là hằng số thì hệ thống giảm chấn là hệ thống giảm chấn thụ động, khi

Hệ thống giảm chấn tích cực được phân loại theo thiết bị truyền động bao gồm: tần số hệ truyền động, loại năng lượng thiết bị truyền động sử dụng và phạm vi điều khiển Theo đó, hệ thống giảm chấn tích cực được chia thành:

1 Hệ thống điều khiển tự động theo mức: Hệ thống được thiết lập để giữ

khoảng cách giữa khung và đường với khoảng cách cố định tuỳ theo trọng tải của

xe Hệ thống này sử dụng đệm không khí và máy nén khí Do vậy, tạo ra sự mềm mại và thoải mái theo các thiết lập phụ thuộc vào tải trọng của xe Nhu cầu năng lượng của loại này khoảng 100 – 200W

2 Hệ thống giảm chấn thích nghi: Hệ thống này có thể thay đổi chậm các đặc

tính của lò xo và cơ cấu cản dịu theo vận tốc của xe để hạ trọng tâm của xe, đảm bảo bám đường hơn Nhu cầu năng lượng phụ thuộc chủ yếu vào năng lượng cần thiết cho việc thay đổi độ cứng của lò xo

3 Hệ thống giảm chấn bán tích cực: Hệ thống này có khả năng điều chỉnh

nhanh chóng hệ số cản dịu hoặc độ cứng của lò xo Một thuộc tính của hệ thống này là các lực sinh ra bởi hệ thống điều khiển phụ thuộc vào hướng của các

chuyển động thành phần Mức tiêu hao năng lượng thấp khoảng 20 – 40W Tần

số hoạt động của hệ có thể đạt đến 40Hz

Hệ thống bán tích cực có thể điều chỉnh các thông số của hệ giảm chấn:

t t

x t x t F t

x t x k t

F e( ) s(s( ) us( )); e( )(s( ) us( ))0, (1.5)Tiêu chí quan trọng để đạt thiết kế bộ giảm chấn bán tích cực là sự thay đổi hệ số

cản dịu trong khoảng b s min ≤ b s ≤ b s max bằng các van điều tiết (sử dụng các van điện và dầu) Do tiêu thụ năng lượng thấp (chỉ dùng cho các van điện từ) nên hệ giảm chấn này có ưu thế hơn so với các hệ giảm chấn thích nghi và hệ thống giảm chấn điều khiển tự động theo mức

4 Hệ thống giảm chấn tích cực chậm: Đây là một loại hệ thống giảm chấn

tích cực sử dụng cơ cấu chấp hành bổ sung (ví dụ động cơ điện tuyến tính hoặc xi lanh thủy lực) được tích hợp vào hệ thống và có thể tạo ra lực độc lập không phụ thuộc vào chuyển động tương đối của khung và bánh xe Tần số hoặt động của hệ thống này khoảng 5Hz Hệ thống này thường được tích hợp trong cơ cấu cản dịu

và có xu hướng tăng thêm nếu tần số vượt quá giới hạn Nhu cầu năng lượng của

hệ trong phạm vi 1 – 5kW

5 Hệ thống giảm chấn hoàn toàn chủ động (hệ hoạt động với tần số cao):

Trong hệ này, cơ cấu cản dịu được thay thế hoặc bổ sung bằng một cơ cấu chấp hành với tần số 20Hz hoặc cao hơn Cơ cấu này được tích hợp song song với việc điều chỉnh hệ số cản dịu Hạn chế chính của hệ thống này là nhu cầu năng lượng cao khoảng 4 -20kW Tuy nhiên ưu điểm của hệ là có thể điều khiển linh hoạt về chiều và lực giảm chấn, do đó có thể nâng cao độ thoải mái và độ an toàn khi đi

xe (theo 1.1.3)

Các hệ thống giảm chấn tích cực được phân loại như bảng 1

Bảng 1: Phân loại hệ giảm chấn [1]

Tần số hoạt động

Nhu cầu năng lượng







Tóm lại có thể thấy sự mâu thuẫn giữa chất lượng hệ thống giảm chấn và nhu cầu năng lượng của cơ cấu chấp hành Với hệ không cần thời gian đáp ứng nhanh, khối lượng lớn thường áp dụng hệ giảm chấn điều khiển tự động theo mức Ngược lại, hệ cần chất lượng cao, thời gian dập tắt dao động nhanh thì hệ giảm chấn phải phản ứng nhanh với lực từ mặt đường tác động lên xe, cơ cấu chấp hành có tần số hoạt động lớn

và nhu cầu về năng lượng cũng cao Do đó, với một hệ giảm chấn cần phải biết trước yêu cầu về chất lượng và nhu cầu về năng lượng của hệ để thiết kế hệ thống giảm chấn cho phù hợp

1.3 Đặc trưng của tín hiệu dao động từ mặt đứng x g

Chiếc xe chịu rung động từ nhiều nguồn khác nhau Bản thân xe tạo ra rung động một cách thường xuyên (ví dụ các động cơ hoạt động hoặc các khối không cân bằng)

và độ nhấp nhô của mặt đường tạo ra rung động ngẫu nhiên thêm vào Cường độ rung động ngẫu nhiên này tạo nên phụ thuộc vào chất lượng đường và vận tốc xe Vì vậy, khi thiết kế bất kỳ hệ giảm chấn nào cũng phải xét đến các đặc tính của tín hiệu kích

thích x g này Khảo sát đặc trưng của hệ giảm chấn với hai loại kích thích x g dạng xung vuông và tín hiệu ngẫu nhiên Ta có thể thấy phổ tần số tương ứng của nó như hình 1.7

Khảo sát hai trạng thái biểu thị cường độ dao động của x g [m] ở hình 1.7 (a) và

1.7 (c) có trục hoành y d biểu thị chiều dài của đường Từ kết quả thu được ở hình 1.7 (b) và 1.7 (d) ta thấy phổ tần của tín hiệu kích thích chủ yếu tập chung ở tần thấp

Xét với hệ giảm chấn trong mô hình 1/4, khi ta cho kích thích với tín hiệu x g (t)

dạng xung vuông và ngẫu nhiên, ta có kết quả như sau:

Hình 1 8 Đáp ứng của hệ giảm chấn khi tác động kích thích dạng xung vuông

Hình 1 9 Đáp ứng của hệ khi tác động kích thích ngẫu nhiên

Dựa vào kết quả thu được ta thấy với kích thích nhỏ hệ cũng có thể dao động, vị trí của khối thân trên và khối treo bị dịch chuyển Điều này gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng (cảm giác thoải mái) khi đi xe Do vậy, cần tác động ngoại lực vào hệ để giảm thời gian dao động cũng như nhanh chóng đưa hệ trở về trạng thái đầu

1.4 Các xu hướng điều khiển hệ giảm chấn tích cực

1.4.1 Điều khiển hệ giảm chấn bán tích cực

Năm 1974, Skyhook [1] trình bày ý tưởng tạo ra một lực tỷ lệ thuận với tốc độ tuyệt đối của khung xe tạo ra bởi các van điều tiết để giảm chuyển động của khối khung xe Skyhook được giả định thích hợp giữa hệ thống tĩnh và khối thân trên (hình phải) Tuy nhiên, lực Skyhook mong muốn được cung cấp bởi các van điều tiết bán tích cực được tích hợp phần tĩnh và khối thân trên bị thụ động và cần phải tính được vận tốc tương đối giữa các khối Các lực giảm chấn Skyhook tác động lên khung xe có thể thực hiện được theo lực cản dịu được tạo ra bởi các van điều tiết, thuật toán Skyhook tính lực cản dịu như sau:

,0

0)(

,,

us s s

us s s c

sky sky

e

x x x

x x x x

b F

Bộ điều khiển lực cản dịu F e (t) được thực hiện bằng công thức:

Hình 1 10 Hệ thống giảm chấn bán tích cực và ý tưởng của Skyhook

van điều tiết

Fe(t)

max min

max max

,,,

b b b

b b b b

b b b

b

act

act act

act

Nếu phương pháp này được kết hợp với thiết kê bộ điều kiển tối ưu (ví dụ Linear quadratic regulator – LQG), thì được gọi là điều khiển tối ưu có hạn chế [1], [4] Một phương pháp khác tính đến các hạn chế thụ động được mô tả bởi Poussot-Vasal, Linear parameter-varying – LPV), đưa ra cách điều khiển tuyến tính dựa trên tiêu chuẩn H∞ nếu các lực vượt quá khả năng của các van điều tiết Ngoài ra còn có các phương pháp điều khiển khác như: Điều khiển dự báo (model-predicitive control – MPC), điều khiển trượt (sliding-mode control), điều khiển phi tuyến trong giới hạn Hamitonian…[7],[8]

Do đặc trưng của hệ giảm chấn bán tích cực là cơ cấu chấp hành có kích thước và khối lượng lớn nên hệ thường áp dụng đối với các hệ có khối lượng lớn, chất lượng giảm chấn ở mức độ vừa phải Có nhiều phương pháp thiết kế bộ điều khiển bán tích cực đã được nghiên cứu nhưng các bộ điều khiển chủ yếu dựa trên ý tưởng Skyhook Mục đích của việc điều khiển là chủ động tạo lực theo chiều dọc của xe [1],[5]

1.4.2 Điều khiển hệ giảm chấn tích cực

Từ phân loại hệ giảm chấn (bảng 1) ta thấy hệ giảm chấn tích cực cho phép điều

chỉnh linh hoạt lực giảm chấn tương ứng với các điều kiện khác nhau của tải Cơ cấu chấp hành thường sử dụng động cơ tuyến tính Việc sử dụng cơ cấu chấp hành là động

cơ tuyến tính có ưu điểm là tạo tần số hoạt động lớn do đó giảm ngắn thời gian dao động nhưng có nhược điểm là giá thành đắt và bộ điều khiển phức tạp Có nhiều công phương pháp điều khiển hệ giảm chấn tích cực như:

Venhovens [9], [10] đã trình bày một phương pháp điều khiển thích nghi theo tải

của bánh xe trong đó có kể đến hệ số cản dịu (b sky ) và chỉ tiêu đi xe an toàn như đối

với hệ thống giảm chấn thụ động Phương pháp này là cơ sở của điều khiển thích nghi,

nó sẽ tính toán và thay đổi tín hiệu điều khiển theo giá trị của tải trọng bánh xe Sử dụng bộ lọc Kalman để tính toán tải trọng động của bánh xe

Bộ điều khiển phi tuyến thích nghi cho hệ thống giảm chấn tích cực dựa trên thiết

kế phản hồi backstepping (cuốn chiếu) để bù lại tính phi tuyến của cơ cấu chấp hành

Các biến đầu ra là sự dịch chuyển giữa khung xe và vị trí của bánh xe được xác định qua bộ lọc Dải thông của bộ lọc phi tuyến này tỷ lệ thuận với khoảng cách giữa khung

và bánh xe Phương pháp này được mở rộng thêm bằng cách điều chỉnh bộ lọc phi tuyến theo giá trị sai lệch điều khiển với mục đích thay đổi các hệ số khác nhau trong

bộ điều khiển Để giữ sự ổn định thích nghi, bộ lọc được thay đổi chậm và ở các vùng

mà các quỹ đạo hệ thống trong giới hạn tuyến tính

Do tính phi tuyến của hệ giảm chấn mà dẫn đến các tham số của hệ thay đổi trong quá trình hoạt động Để điều khiển hệ ngoài các phương pháp đã nêu ở trên người ta sử dụng điều khiển mờ Ý tưởng của phương pháp điều khiển này là điều khiển cơ cấu chấp hành theo quy luật biến thiên mong muốn của hệ, không trú trọng đến các tham số vật lý của hệ

1.5 Kết luận chương 1

Chương 1 đã trình bày tổng quát về cấu tạo chức năng của hệ thống giảm chấn, các tiêu chí đánh giá đến chất lượng của hệ thống giảm chấn là độ thoải mái và độ an toàn khi đi xe cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến các tiêu chí này Dựa vào các tiêu chí đó, tìm hiểu các ưu nhược điểm của các hệ giảm chấn thụ động, bán tích cực và hoàn toàn tích cực để đưa ra sự lựa chọn hệ thống giảm chấn đáp ứng yêu cầu cho trước, tìm hiểu đặc trưng gây ra dao động của hệ xu hướng tác động điều khiển để nâng cao chất lượng của hệ thống giảm chấn Với mục đích nâng cao chất lượng khi

đi xe, tác giả định hướng nghiên cứu về hệ giảm chấn tích cực hoàn toàn

Chương 2 Mô hình cơ cấu chấp hành dùng

động cơ tuyến tính dạng ống

Để tạo ra lực giảm chấn trong hệ giảm chấn tích cực, hiện nay một số nghiên cứu [2], [4], [5] sử dụng động cơ tuyến tính Khác với động cơ thường (chuyển đổi năng lượng điện thành chuyển động quay) động cơ tuyến tính chuyển đổi năng lượng điện thành chuyển động thẳng Để điều khiển mô men hay vị trí của roto động cơ ta điều khiển dòng điện của các cuộn dây sato mà không qua cơ cấu trung gian Do vậy, tạo được truyền động nhanh hơn, tăng độ chính xác Chương này trình bày thiết kế động

cơ tuyến tính (LBM - Direct driver tubular linear brushless permanent magnet motor)

và xây mô hình toán học LBM nhằm mục đích thiết kế điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực

2.1 Cấu tạo của động cơ tuyến tính dạng ống

Câu tạo của LBM được minh hoạ trên hình 2.1:

Hình 2 1 Mặt cắt của cuộn dây và nam châm [2]

Cuộn dây

Nam châm Đệm nhôm

Keo cách điện

ROTOR

trong đó chín cuộn dây được thiết lập cho 3 pha A, B và C Các cuộn dây được cuốn

để bao roto và tạo khe hở đủ nhỏ để roto có thể chuyển động được Đường kính trong của các cuồn dây là 67mm Các cuộn dây được sắp xếp nối tiếp theo thứ tự của các pha Cuộn dây ở giữa của mỗi pha sẽ được đảo ngược hướng và thể hiện bằng dấu nháy đơn (ví dụ A’) Mỗi cuộn dây được cuốn 179 vòng, tiết diện dậy được lựa chọn

để dòng điện lớn nhất là 8A

Hình 2 2 Lắp ráp của các cuộn dây với miếng đệm [2]

Các miếng đệm nhôm được sử dụng giữa các cặp nam châm để ghép các nam chân lại với nhau Điều này làm giảm cường độ từ thông vì nó tăng khoảng cách giữa các nam châm, nhưng nếu không sẽ rất khó gắn các nam châm lại do lực từ tạo ra giữa các cực nam châm đối lập Miếng đệm nhôm có độ dày 6.35mm, đường kính ngoài 58mm, đường kính trong 40mm Các nam châm và miếng đệm nhôm được gắn lại bởi lớp bọc ngoài Các nam châm và miếng đệm được gắn trong ống với hướng NS-NS-SN-SN Các nam này sẽ được truyền lực từ của 9 cuộn dây như hình 2.1 Toàn bộ phần này tạo nên kích cỡ của phần chuyển động roto có đường kính 64mm và chiều dài 108mm

Thiết kế phần cơ khí của động cơ tuyến tính cần phải phân tích cẩn thận những thông số cần thiết Mong muốn chính là đạt được vị trí chính xác của chuyển động, ngoài ra cũng mong muốn thiết kế tạo ra lực lớn nhất có thể với kích cỡ động cơ nhỏ gọn Các hạn chế chính xuất phát từ nam châm và giá trị dòng điện trong các cuộn dây Các nam châm được lựa chọn có hình dạng hình trụ tròn là hợp chất của Neodymium Iron Boron (NdFeB) Vấn đề lựa chọn nam châm là sự thỏa hiệp giữa chi phí và hiệu quả sử dụng Nam châm Samarium cobalt (SmCO5) là loại tốt nhất nhưng giá khá cao NdFeB là nam châm đắt hơn Ferrite và Alinco nhưng có mật độ năng lượng cao hơn

và nhỏ gọn hơn Tuy nhiên, nam châm NdFeB hoạt động trong phạm vi nhiệt độ thấp

và có thể mất từ tính ở nhiệt độ 150oC Nó cũng dễ bị ăn mòn, do đó, các nhà sản xuất

đã phủ một lớp hỗn hợp Mg để hạn chế vấn đề này Do tính thông dụng, các nam châm được chọn có đường kính ngoài 60.3mm, đường kính trong 36mm, độ dài 14.5mm và

có độ cảm ứng từ tối thiểu là 1.20T1

Khi dán các cuộn dây với nhau, các lớp đệm để lại khoảng cách giữa các cuộn dây cho các dây dẫn đi từ trong ra ngoài Các miếng đệm được cắt sao cho đường kính trong lớn hơn đường kính trong của cuộn dây và đường kính ngoài nhỏ hơn đường kính ngoài của cuộn dây Điều này cho phép các ống đồng trượt tự do qua các cuộn dây và cũng để lại phía ngoài các cuộn dây có vị trí thích hợp Có 8 miếng đệm được

sử dụng, bề mặt của miếng đệm được tạo xước để tăng độ bám dính như hình 2 Khi dán các cuộn dây và miếng đệm với nhau, sự liên kết dọc trục được duy trì bằng một ống bao bọc ngoài cứng

2.2 Xây dựng phương trình lực của động cơ tuyến tính dạng ống

Động cơ LBM dụng điện áp 3 pha để điều khiển roto chuyển động tịnh tiến và sinh ra lực Để điêu khiển động cơ LBM ta cần xây dựng mô hình của động cơ dựa vào các phương trình động học mô tả động cơ

Hình 2 3 Sơ đồ khối động cơ tuyến tính dạng ống – LBM

2.2.1 Công cụ để xây dựng mô hình

a Phép chuyển hệ toạ độ

Điện áp cấp vào 3 pha sẽ sinh ra dòng điện trong các pha tương ứng, dòng điện trong 3 pha sinh ra từ thông và tạo ra lực để đẩy roto chuyển động Ta có phương trình quan hệ giữa lực và dòng điện qua các pha của LBM như sau [2]

Động cơ tuyến tính (LBM)

C B

A

f z

z C

i i

i

.sin

cos.31

31

02

0 1

0 1

trong đó, C là một số chia được định nghĩa qua các phép biến đổi hình học, để đơn

giản C được lấy theo kinh nghiệm, có đơn vị A/N các dòng điện i A i B i C là dòng điện

tương ứng trong các cuộn dây, γ 1 là tần số dao động của sóng điều hòa cơ bản,

l

2

  , với l là bước từ của motor, γ 1 là hằng số Sự dịch chuyển tương đối với

starto được ký hiệu z0, và f zd là lực đẩy mong muốn Sau khi khai triển ba phương trình, ta thu được như biểu thức (2.2):

zd B

zd A

f z z

C i

f z z

C i

f z C

i

)sin.3cos

.(

)sin.3.(cos

)

.(cos

0 1 0

1

0 1 0

1

0 1

b Mối quan hệ giữa dòng điện và lực

Lực giữa nam châm và dòng điện trong một cuộn dây với bất kỳ vị trí nào được tính bằng cách sử dụng phương trình lực Lorentz [2]

Với giả thiết nam châm đặt ở trung tâm của trục các cuộn dây nên bỏ qua thành

phần lực r, chỉ còn thành phần lực z

Mật độ dòng điện J có thể tính được bằng cách chia số vòng dây trong mỗi cuộn

dây với diện tích mặt cắt ngang của cuộn dây Vì vậy, để tìm lực chỉ cần xác định

thành phần r Đây là thành phần tạo ra bởi các nam châm NdFeB và có thể được mô hình hoá bằng mật độ từ M, mật độ từ hoá này giả thiết đồng nhất theo trục z: M=M.i z Tại khoảng trống không có phân bố mật độ dòng điện, theo định luật Ampere có:

0 

)(

r r

dV r

Vì các nam châm có cường độ từ thông bằng nhau do đó không có sự sai khác từ

thông khi qua nam châm nên ρ m = 0 Như vậy, cường độ từ thông ở cuối bề mặt nam

châm, mật độ điện tích bề mặt được tính bằng:

r d

z

d d r

r d

z M

0 2

0 2

0 0

.)cos(

2)

2/(

.)cos(

2)

2/(

.4

dr dz rd d d r

r d

z

d d r

r d

z dr

d M

w c

h z

h z

)cos(

2)

2/(

.)cos(

2)

2/(

.4

)(

2

2 2

2

2

0 0

0 0

Phương trình (2.14) cho ta biểu thức lực theo phương z - hướng tạo ra lực tương

tác của một nam châm với một cuộn dây Phương trình này cũng tổng quát cho nhiều

vị trí tương đối của nam châm và cuộn dây Để tìm ra lực tổng của động cơ, ta tổng hợp lực tương tác của mỗi cuộn dây với nam châm vĩnh cửu

Với giả thiết các nam châm có cường độ từ thông như nhau, các cuộn dây được quấn như nhau nên lực tương tác của mỗi nam châm với cuộn dây trong một thời điểm như nhau Vì vậy, tổng lực được tính bằng ba lần lực của một cuộn dây gây nên Tổng lực tác dụng của động cơ là hàm của khoảng dịch chuyển tương đối của roto (các nam châm vĩnh cửu) và sator (các cuộn dây)

2.2.2 Xây dựng mô hình giữa điện áp và lực cho động cơ tuyến tính dạng ống

Để đơn giản, ta giả thiết như sau:

 Điện cảm các cuộn dây sator của động cơ là hằng số

 Chiều dài của roto là vô hạn để bỏ qua các hiệu ứng đầu cuối

 Cường độ từ thông của nam châm không đổi và bỏ qua hiệu ứng bão hoà từ

Áp dụng định luật Raraday, ta có hệ phương trình mô tả động cơ là:

dt d i R u

dt d i R u

c c c c

b b b a

a a a a

///

ca a

mb c bc b

bb a ba b

ma c ac b

ab a

a a

i L i M i M

i M i L i M

i M i M i L