Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết điều khiển tự động trong việc tối ưu hóa thiết kế hệ thống giảm xóc thụ động của xe khách

NGUYỄN XUÂN AN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG VIỆC TỐI ƯU HÓA THIẾT KẾ HỆ GIẢM XÓC THỤ ĐỘNG CỦA XE KHÁCH GIÁO VIÊN HƯ

BỘ MÔN CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY VÀ ROBOT

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CAO HỌC

CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

NGUYỄN XUÂN AN

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG VIỆC TỐI ƯU HÓA THIẾT KẾ HỆ GIẢM XÓC THỤ ĐỘNG CỦA XE KHÁCH

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:

TS NGUYỄN CHÍ HƯNG VIỆN CƠ KHÍ

BỘ MÔN CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY VÀ ROBOT

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ

Họ và tên Khóa: Ngành:

Khóa: Ngành:

Khóa: Ngành:

Tên đề tài:

Các số liệu ban đầu:

Nội dung các phần thuyết minh và bản vẽ:

Hướng dẫn thực hiện: Phần Họ tên người hướng dẫn

Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

TRƯỞNG BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN THỰC HIỆN

(ký, ghi rõ họ tên) (ký, ghi rõ họ tên) (ký, ghi rõ họ tên)

Điểm đánh giá (cho từng Học viên): Ngày tháng năm 201

BẢN NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN

Tên đề tài:

Họ và tên người phản biện

1 Nội dung thiết kế tốt nghiệp:

2 Nhận xét của người duyệt:

Điểm đánh giá (cho từng sinh viên): Ngày tháng năm

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT A-III DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ B-V DANH MỤC CÁC BẢNG C-VI

LỜI CAM ĐOAN 7

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 8

PHẦN MỞ ĐẦU 8

1 Lý do chọn đề tài 8

2 Lịch sử nghiên cứu 10

3 Mục tiêu 12

4 Phạm vi công việc cho dự án này là: 12

5 Tóm tắt 12

PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15

CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 15

1.1 Lý thuyết chung 15

1.2 Quá trình thiết lập một hệ thống điều khiển 19

1.3 Tuyến tính hóa 21

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT GIẢM XÓC THỤ ĐỘNG 22

2.1 Hệ giảm xóc thụ động 22

2.2 Hệ thống giảm xóc bị động, bán chủ động và chủ động 22

2.3 Hệ giảm xóc điều chỉnh được 24

2.4 Hệ giảm xóc bán chủ động 25

2.5 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của bộ giảm xóc thụ động 26

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ GIẢM XÓC THỤ ĐỘNG TRÊN XE BUS TẠI VIỆT NAM 29

3.1 Đặt vấn đề 29

3.2 Giải quyết vấn đề: 31

PHẦN II: ÁP DỤNG LÝ THUYẾT VÀO BÀI TOÁN 40

KHÁCH

4.1 Thông số ban đầu 40

4.2 Thiết kế hệ giảm xóc thụ động bằng lý thuyết điểm cố định – Fixed Point Theory 40

4.3 Thiết kế hệ giảm xóc thụ động bằng lý thuyết điều khiển 43

4.4 Minh họa và so sánh 43

4.5 Lý thuyết điều khiển H∞ và bài toán điều khiển dựa vào BMI 46

CHƯƠNG TRÌNH MATLAB 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

Ký hiệu Ý nghĩa

GTVT: Giao thông vận tải

TNGT: Tai nạn giao thông

HTTĐ: Hệ thống tự động –

ĐKTĐ: Điều khiển tự động

BTQHTT: Bài toán quy hoạch tuyến tính

LMI: Hệ thống liên tục thời gian

BMI: Ma trận tuyến tính phi đối xứng

Xp & Yp: Hoành độ và tung độ (m)

Ix: Mô men xoắn trục x (kg-m2)

Q2 & Q4: Đường vào ở phía sau bên trái và bên phải tương ứng

Hình 1.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển tự động 15

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên tắc điều khiển theo sai lệch 16

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên tắc điều khiển bù nhiễu 16

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên tắc điều khiển hỗn hợp 17

Hình 1.5: Mô hình toán học của Hệ thống điều khiển 20

Hình 1.6: Sơ đồ khối biểu diễn hệ thống điều khiển trong không gian trạng thái 21 Hình 2 1 Sự dàn xếp giảm xóc cho bộ giảm xóc thụ động 22

Hình 2.2 Bộ giảm xóc thụ động (passive suspension) và chủ động (active suspension) 23

Hình 2.3 So sánh hệ giảm xóc thụ động và chủ động 24

Hình 2.4 Hệ giảm xóc điều chỉnh được 25

Hình 2.5 Hệ giảm xóc thụ động và hệ giảm xóc bán chủ động 25

Hình 2.6 Mô hình bộ giảm xóc bán chủ động kiểu Skyhook 26

Hình 2.7 Thiết kế của một bộ giảm xóc thụ động: 27

Hình 2.8 Cấu tạo của phần tử cản trong thực tế 28

Hình 3.1: Sơ đồ khối giải BTQHTT 31

Hình 3.2 Mô hình cơ học của hệ giảm xóc thụ động trong xe buýt 32

Hình 3.3 Sơ đồ của hệ điều khiển phản hồi tương đương 39

Hình 4.1 Mô hình hệ giảm xóc hai bậc tự do 41

Hình 4.2 Ba điểm cố định trên đường phản hồi tần số 42

Hình 4.3 Độ lợi điều khiển của phản hồi tần số x3(s)/u1(s) 44

Hình 4.4 Độ lợi điều khiển của phản hồi tần số x3(s)/u2(s) 44

Hình 4.5 Độ lợi điều khiển của phản hồi tần số x4(s)/u1(s) 45

Hình 4.6 Độ lợi điều khiển của phản hồi tần số x4(s)/u2(s) 45

Hình 4.7 Lưu đồ tổng quát 46

Hình 4.8 Đồ thị so sánh biên độ theo tần số 55

Hình 4.9 Đáp ứng tần số, pha toàn miền 56

Bảng 4.1 Thông số cho trước của mô hình tỷ lệ của xe buýt 40

Bảng 4.2 Giá trị khởi tạo cho giải thuật tùy chọn 40

Bảng 4.3 Thông số thiết kế cuối cùng 40

Bảng 4.4 Thông số cho trước của mô hình tỷ lệ của xe 43

Bảng 4.5 Kết quả thiết kế bằng phương pháp 3 điểm cố định 43

Bảng 4.6 Thông số cho trước của mô hình tỷ lệ của xe buýt 49

Bảng 4.7 Giá trị khởi tạo cho giải thuật tùy chọn 49

Bảng 4.8 Thông số thiết kế cuối cùng 49

D LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan luận văn khoa học này là công trình khoa học của cá nhân tôi thực hiện, nội dung chưa từng có luận văn nào trước đó đề cập Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm!

Nguyễn Xuân An - CB130485

E GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1 Lý do chọn đề tài

Chúng ta đang sống trong một thời đại phát triển vũ bão của khoa học kỹ thuật trong đó phải kể đến sự đóng góp to lớn của ngành cơ điện tử với những ứng dụng từ dân dụng đến các ngành nghề mũi nhọn Cơ điện tử có thể hiểu là sự kết hợp phức hợp của các ngành cơ khí, điện tử, và tin học Bản chất của cơ điện tử là

sự ―liên kết cộng năng của nhiều lĩnh vực để tạo ra những sản phẩm mới có những tính năng vượt trội‖ Sự liên kết cộng năng này mang lại nhiều cơ hội và không ít thách thức cho sự phát triển của chính cơ điện tử và các ngành nghề khác như giao thông vận tải

Phương tiện giao thông đảm trách việc vận chuyển, đi lại của con người, đối với Việt Nam giao thông đi lại phổ biến là xe khách trong các thành phố, tỉnh với nhau Theo báo cáo chỉnh Chiến lược phát triển GTVT Việt Nam đến năm 2020 và tầm nhìn đến năm 2030: Khối lượng vận tải hành khách đã tăng từ 677,3 triệu lượt hành khách năm 2001 lên 2011,1 triệu hành khách năm 2010, tốc độ tăng trưởng bình quân đạt 12,9%/năm và lượng luân chuyển hành khách tăng từ 23.394,9 triệu lượt HK.km năm 2001 lên 69.197,4 triệu lượt HK.km năm 2010, tốc độ tăng trưởng bình quân là 12,8%/năm Số lượng ô tô trên cả nước đến 31/12/2011 là 1.428.002

xe đến 31/03/2012 là 1.448978 chiếc, dự báo theo báo cáo này đến năm 2020, định hướng phát triển phương tiện vận tải gồm ô tô các loại có khoảng 3,2 - 3,5 triệu xe, trong đó xe con 57%, xe khách 14% và xe tải 29% Xu hướng ‖đường bộ hóa‖ ngày càng rõ nét Tỷ lệ đảm nhận của các phương thức vận tải đối với hành khách bằng đường bộ là 91,4%, đường sắt 0,5%, đường thủy nội địa 7,2%, hàng không 1%

Với số liệu trên chúng ta thấy phương tiện vận tải tăng nhanh về số lượng trong khi đường sá chưa được xây mới, duy tu, bảo dưỡng tương ứng dẫn đến tình trạng quá tải, xuống cấp và hỏng hóc của phương tiện, gia tăng TNGT gây mất mát

về người, thất thoát tài sản Trong khi Việt Nam là quốc gia đang phát triển, việc

ứng dụng cơ điện tử vào tăng tuổi thọ phương tiện giao thông phù hợp với khả năng kinh tế và điều kiện phát triển thực tế

Trong hoạt động của xe, hệ thống giảm xóc có một vai trò quan trọng: giảm chấn động, nâng cao độ êm dịu, tăng độ an toàn của xe, giảm thiểu dao động dọc và ngang Trong các loại giảm xóc, hệ thống giảm xóc thụ động hiện nay vẫn được sử dụng trong hầu hết các loại phương tiện giao thông công cộng tuy khả năng đáp ứng của hệ thống có lúc không tốt do địa hình, bởi chúng có chi phí đầu tư rẻ tiền nhất

và khả năng làm việc đáng tin cậy nhất Mặc dù trên thị trường đã có các chủng loại khác như giảm xóc bán chủ động (semi-active suspension system) hoặc giảm xóc chủ động (active suspension system) có khả năng đáp ứng yêu cầu làm việc tốt, nhưng chúng vẫn không thể thay thế hoàn toàn được hệ thống giảm xóc thụ động (passive suspension system) trong các ứng dụng của phương tiện giao thông công cộng với yêu cầu chất lượng đáp ứng vừa phải

Hệ thống giảm xóc bị động, chủ động và bán chủ động nằm trong hệ thống treo ô tô nhằm giảm biên độ dao động thẳng đứng của thân xe Hệ thống giảm xóc

bị động được thiết kế phụ thuộc vào từng chủng loại mặt đường và các yêu cầu thiết

kế cụ thể, nó giới hạn chủng loại đường mà các phương tiện giao thông có thể tham gia bởi hệ thống này có các thông số về độ cứng cũng như cản nhớt cố định, tuy nhiên hệ thống này có một ưu điểm rất lớn đó là nhỏ gọn, chi phí thấp, cũng vì thế

nó được sử dụng trên thực tế Trong khi hệ thống treo khác như chủ động hay bán chủ động thì có thể đáp ứng phù hợp cho mọi địa hình và mọi kiểu đường xá, nhưng giá thành sản xuất của hệ thống này rất cao, yêu cầu một hệ thống điều khiển đáp ứng hiện đại Cũng vì thế mà chỉ sử dụng cho một vài mục đích cho xe cao cấp Ngoài ra hệ thống này còn cần một nguồn năng lượng để cung cấp cho hệ thống treo, điều đó cũng không tốt cho những hình thức vận tải thông dụng hiện nay

Trong việc thiết kế và chế tạo hệ thống giảm xóc thụ động cho xe chở khách hiện tại ở Việt Nam hầu như vẫn chưa được chú trọng một cách hệ thống Việc thiết

kế, chế tạo chỉ dựa theo kinh nghiệm đơn lẻ hoặc chúng ta nhập ngoại toàn bộ hệ thống này theo các mẫu chủng loại cố định Trong gia công chế tạo chúng ta lại

thiết kế và chế tạo riêng khung sườn xe buýt nên việc đáp ứng của hệ thống giảm xóc nhập ngoại còn nhiều hạn chế

Chúng ta nhận thấy trong các phương pháp chế tạo hệ giảm xóc thụ động tiến hành từ trước đến nay theo nguyên tắc 3 điểm thì phương pháp sử dụng H∞ có

ưu điểm giảm biên độ rõ rệt ở điểm cực đại

Tuy nhiên phương pháp này cũng còn có mặt tồn tại trong thực tế đó là tính kích ứng chưa rõ rệt, hiệu quả làm việc còn chưa cao

Xuất phát từ điều kiện thực tế Việt Nam, tác giả chọn đề tài này phù hợp với tình hình thực tế, khả năng của bản thân để từng bước thiết kế chế tạo giảm xóc thụ động cho xe khách

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Chí Hưng và các cộng sự trong Bộ môn Máy và Rô-bôt công nghiệp- Đại học Bách Khoa Hà Nội cũng như bạn bè đồng nghiệp Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội đã nhiệt tình chỉ bảo, giúp

đỡ tôi hoàn thành đề tài này, việc hoàn thành trong một thời gian ngắn trong khi nội dung rộng không tránh khỏi sơ sót, mong các thầy cô bạn bè chỉ bảo để hoàn thiện hơn

2 Lịch sử nghiên cứu

Những công nghệ này cho phép các nhà sản xuất xe hơi để đạt được một mức độ cao hơn về chất lượng xe bằng cách giữ cho lốp xe vuông góc với đường trong mọi tình huống, cho phép kiểm soát tình huống tốt hơn Một máy tính đặt trên

xe theo dõi chuyển động cơ thể từ các cảm biến trên mọi chỗ trên phương tiện và sử dụng dữ liệu tính bằng kỹ thuật điều khiển phù hợp, kiểm soát hoạt động của hệ thống giảm xóc chủ động và bán chủ động Hệ thống này hầu như loại bỏ cảm giác của cơ thể và can thiệp trong nhiều tình huống lái xe khác bao gồm cua, tăng tốc và phanh

Hiện nay phương pháp mô phỏng số đang được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu các cơ hệ đặc biệt là hệ dao động của ô tô Cùng với sự phát triển của máy tính, quá trình mô phỏng đó thể hiện được tính ưu việt của nó, đặc biệt là có thể mô tả

Trong thời gian vừa qua có nhiều tác giả trong và ngoài nước đó đề cập đến vấn đề nghiên cứu dao động của ô tô, tuy nhiên do tính phức tạp của vấn đề này, phần lớn tác giả đó phải sử dụng giả thiết đơn giản hoá để chuyển hệ dao động thực

tế về hệ dao động tuyến tính hoặc phi tuyến yếu

Trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng đó có rất nhiều phần mềm tính toán với khả năng ứng dụng cao Thực tế đó cho thấy Matlab -Simulink là một trong những phần mềm có khả năng ứng dụng rất cao trong việc giải các bài toán kỹ thuật bằng các tính năng chuyên biệt như: lập trình, xử lý số và đồ hoạ để mô phỏng, phân tích một hệ thống động

Việc mô hình hóa đang, mô phỏng, đánh giá, thử nghiệm đang là hướng đi mới trong việc thiết kế, chế tạo dựa vào thực nghiệm và điều chỉnh vì đỡ được thời gian nghiên cứu, thiết kế và công sức

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Để có thể giảm các dao động không mong muốn lên khung xe và truyền trực tiếp đến hành khách thì hầu hết các phương tiện được thiết kế và trang bị bộ giảm xóc Bộ giảm xóc có nhiều kiểu khác nhau Nếu phân loại theo nguyên lý làm việc thì chúng bao gồm bộ giảm xóc thụ động, bán chủ động và chủ động

Bộ giảm xóc thụ động thường sử dụng các lò xo và phần tử cản dạng thủy lực hoặc dầu Do đó năng lượng sốc gây ra dao động không mong muốn chỉ được tích lũy trong các lò xo và tiêu tán thông qua phần tử cản Độ cứng của lò xo và độ cản của phần tử cản thường được xác định ngay trong giai đoạn thiết kế và không thể thay đổi trong quá trính sử dụng

Với bộ giảm xóc chủ động thì phần tử cản được thay thế bởi một bộ phát động lực nhằm triệt tiêu dao động Trong trường hợp này bộ giảm xóc hoạt động như một hệ dao động cưỡng bức với ngoại lực được xác định phụ thuộc vào tương tác giữa bánh xe và mặt đường Việc này chỉ có thể thực hiện được với việc xây

dựng chính xác mô hình cơ học của phương tiện cũng như việc áp dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến

Một hệ thống treo thụ động có khả năng lưu trữ năng lượng thông qua lò xo

và phân tán nó thông qua một van tiết lưu Các thông số của nó thường được cố định, được lựa chọn để đạt được một mức độ nhất định của sự thỏa hiệp giữa việc

xử lý đường, mang tải và đi xe thoải mái

3 Mục tiêu

Mục tiêu của dự án này là:

- Xây dựng các mô hình hệ thống giảm xóc thụ động

- Để thiết lập mô hình toán học thiết kế giảm xóc thụ động

- Mô phỏng trên MATLAB/Simulink

4 Phạm vi công việc cho dự án này là:

- Thiết lập các phương trình toán học cho hệ giảm xóc thụ động cho mô hình

xe khách cho mục đích nghiên cứu

- Thực hiện LQR (tối ưu hóa)

- Nghiên cứu mô phỏng máy tính bằng cách sử dụng MATLAB / Simulink

5 Tóm tắt

Theo truyền thống, thiết kế hệ thống treo ô tô đã được thỏa mãn giữa ba tiêu chí mâu thuẫn cụ thể là xử lý đường, tải và sự an toàn của hành khách Hệ thống treo phải hỗ trợ phương tiện, cung cấp hướng kiểm soát sử dụng thao tác xử lý và cung cấp cách ly hiệu quả của hành khách và tải trọng khi vận hành, xe tốt đòi hỏi một hệ thống treo mềm mại, triệt tiêu dao động xử lý tốt đòi hỏi một thiết kế hoàn hảo của hệ thống treo Do những yêu cầu mâu thuẫn nhau, thiết kế hệ thống treo phải tối ưu của hai vấn đề này

Một hệ thống treo có giảm xóc thụ động có khả năng lưu trữ năng lượng thông qua một lò xo và tiêu tán nó thông qua hệ thống van tiết lưu Các thông số của nó thường được cố định, được lựa chọn để đạt được một mức độ nhất định tối

ưu giữa việc xử lý đường, tải trọng và an toàn

Một hệ thống giảm xóc chủ động có khả năng lưu trữ, tiêu tan và điều tiết năng lượng cho hệ thống Có thể thay đổi các thông số của nó phụ thuộc vào mạch điều khiển tự động Hệ thống treo bao gồm các hệ thống lò xo, giảm xóc và các kết nối bánh vào thân xe Trong ý nghĩa khác, hệ thống treo là một cơ chế vật lý tách thân xe từ bánh xe Chức năng của hệ thống treo xe là để giảm thiểu khả năng tăng tốc tải trọng thẳng đứng truyền trực tiếp cho hành khách, cung cấp sự thoải mái khi

đi đường Có ba loại hệ thống treo: thụ động, bán chủ động và hệ thống treo chủ động Hệ thống treo truyền thống bao gồm lò xo và bộ giảm chấn được gọi là giảm xóc thụ động, nếu hệ thống treo được điều khiển bên ngoài được biết đến như một

hệ thống treo bán chủ động hoặc chủ động

Với vấn đề nêu trên, trong đề tài này tác giả thực hiện việc tính toán và thiết

kế bộ giảm xóc thụ động với định hướng ứng dụng cho xe buýt được thiết kế và chế tạo tại Việt Nam Trên cơ sở phân tích các phương pháp thiết kế hiện tại, tác giả đề xuất phương pháp thiết kế đơn giản và hiệu quả Dựa vào lý thuyết về hệ dao động

và lý thuyết điều khiển tối ưu H-infinity, phương pháp thiết kế này cho phép giảm thời gian tính toán và đưa ra được bộ thông số tối ưu cho bộ giảm xóc Kết quả đạt được có thể ứng dụng nhằm phát triển và nâng cao chất lượng xe buýt được sản xuất tại Việt Nam Kết quả của đề tài được thưc hiện với các nội dung chính như sau:

- Xây dựng mô hình cho bài toán thiết kế phù hợp với điều kiện giao thông Việt Nam;

- Xây dựng phương trình chuyển động và đưa ra phương hướng giải phương trình đó;

- Xây dựng thuật toán nhằm sử dụng lý thuyết điều khiển để tối ưu hóa các thông số của bộ giảm xóc thụ động;

- Sử dụng lý thuyết điều khiển để tối ưu các thông số trong hệ thống điều khiển;

- Mô phỏng, đánh giá hiệu quả và khả năng ứng dụng của đề tài

Phương pháp nghiên cứu

a) Nhận biết được hoạt động giảm xóc thụ động của thành phần hệ thống treo

- Nghiên cứu Tài liệu về hệ thống treo chủ động và thụ động

- Xác định các loại thành phần hệ thống treo thụ động

- Nghiên cứu tổng thể về kiểm soát tín hiệu

b) Mô hình hóa hệ thống giảm xóc và thiết lập mô hình toán học giảm xóc thụ động

- Bằng cách sử dụng định luật vật lý từ các thành phần hệ thống treo xây dựng mô hình phương trình không gian của xe

- Sử dụng các phương trình ma trận cho trước xây dựng phương trình không gian trạng thái

c) Thực hiện điều khiển LQR vào hệ thống

- Rà soát tài liệu về kỹ thuật điều khiển

- Sử dụng LQR để so sánh hiệu suất đầu ra so sánh với giảm xóc thụ động d) Mô phỏng máy tính

- Biến đổi các phương trình không gian thành sơ đồ SIMULINK

- Mô phỏng điều khiển bằng sử dụng MATLAB / Simulink

e) Phân tích kết quả

- Quan sát các kết quả sơ bộ

- Nhận xét, đánh giá từ kết quả đó

Quá trình điều khiển hoặc điều chỉnh được thực hiện mà không có sự tham gia trực tiếp của con người, thì chúng ta gọi đó là quá trình điều khiển và điều chỉnh

Các phần tử cơ bản của hệ thống điều khiển tự động

Đối tượng điều khiển (Object), Thiết bị điều khiển (Controller), Thiết bị đo lường (Measuring device)

- Sơ đồ tổng quát

Hình 1.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển tự động

Mọi hệ thống điều khiển tự động đều bao gồm 3 bộ phận cơ bản:

Thiết bị điều khiển C (Controller device)

Đối tượng điều khiển (Object device)

Thiết bị đo lường (Measuring device)

C

C

u(t) tín hiệu vào; e(t) Sại lệch điều khiển; x(t) Tín hiệu điều khiển; y(t) Tín hiệu ra; z(t) Tín hiệu phản hồi

Các nguyên tắc điều khiển cơ bản

Có 3 nguyên tắc điều khiển cơ bản:

- Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch (Hình 1.2)

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên tắc điều khiển theo sai lệch

Tín hiệu ra y(t) được đưa vào so sánh với tín hiệu vào u(t) nhằm tạo nên tín hiệu tác động lên đầu vào bộ điều khiển C nhằm tạo tín hiệu điều khiển đối tượng O

- Nguyên tắc điều khiển theo phương pháp bù nhiễu (Hình 1.3)

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên tắc điều khiển bù nhiễu

Nguyên tắc bù nhiễu là sử dụng thiết bị bù K để giảm ảnh hưởng của nhiễu là nguyên nhân trực tiếp gây ra hậu quả cho hệ thống (hình 1.3)

- Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch và bù nhiễu (Hình 1.4)

C

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên tắc điều khiển hỗn hợp

Nguyên tắc điều khiển hỗn hợp là phối hợp cả hai nguyên tắc trên, vừa có hồi tiếp theo sai lệch vừa dùng các thiết bị để bù nhiễu

Phân loại các hệ thống điều khiển tự động

Phân loại theo nguyên lý xây dựng

Các phần tử được phân chia thành các loại: hệ thống ĐK theo mạch hở, hệ thống ĐK theo mạch kín và hệ thống ĐK hỗn hợp

Ngoài những nguyên lý trên, từ những năm 60 của thế kỷ XX, trên cơ sở áp dụng điều khiển học trong cơ thể sống vào kỹ thuật đã ra đời một loại hình hệ thống

tự động mô phỏng hoạt động của cơ thể sống: đó là các hệ tự chỉnh, thích nghi Nguyên lý tự chỉnh và thích nghi không đòi hỏi phải biết đầy đủ các đặc tính của quá trình điều khiển và trong quá trình làm việc, các hệ thống này tự chỉnh và thích nghi với các điều kiện bên ngoài thay đổi

Lý thuyết các hệ ĐK tự chỉnh và thích nghi đã trở thành một nhánh phát triển quan trọng của lý thuyết ĐKTĐ

Vì hầu hết các hệ thống ĐKTĐ trong kỹ thuật là những hệ mạch kín và quá trình điều khiển các thiết bị kỹ thuật chung quy lại là quá trình điều chỉnh các tham

số của nó, nếu dưới đây chúng ta sẽ đề cập đến sự phân loại các hệ thống ĐKTĐ mạch kín và lý thuyết về các hệ đó

* Phân loại theo tính chất của lượng vào

Tuỳ theo tính chất của tác động đầu vào, các hệ thống ĐKTĐ có 3 loại:

C

Hệ thống ổn định tự động (điều chỉnh theo hằng số) là hệ thống có lượng vào không đổi Nhiệm vụ của hệ thống là duy trì một hoặc một vài đại lượng vật lý ở giá trị không đổi Thí dụ như hệ thống ĐKTĐ tốc độ động cơ nhiệt, hệ thống ĐKTĐ điện áp, tần số của máy phát, hệ ổn định đường bay của máy bay khi góc lái không thay đổi

Hệ thống điều chỉnh theo chương trình là hệ thống có lượng vào là các hàm

đã biết trước, có thể dưới dạng chương trình.Thí dụ hệ điều khiển đường bay định trước của máy bay không người lái, hệ thống điều khiển các máy công cụ: bào, phay với chương trình định trước trong bộ nhớ máy tính

Hệ tự động bám, gọi tắt là hệ bám là hệ thống có lượng vào là các hàm thời gian không biết trước, có thể thay đổi theo quy luật bất kỳ Nhiệm vụ của hệ là bảo đảm lượng ra phải "bám" theo sự thay đổi của lượng vào Thí dụ các hệ như là hệ bám đồng bộ góc, các hệ bám vô tuyến điện tử của các đài radar

* Phân loại theo dạng tín hiệu sử dụng trong hệ thống

Theo dạng tín hiệu sử dụng trong hệ thống, chúng ta có các tác động liên tục

và các hệ thống gián đoạn (hay hệ rời rạc)

Hệ tác động liên tục (gọi tắt là hệ liên tục) là hệ mà tất cả các phẩn tử của hệ

có lượng ra là các hàm liên tục theo thời gian

Tín hiệu dưới dạng hàm liên tục có thể là tín hiệu một chiều (chưa biến điệu) hoặc tín hiệu xoay chiều (đã được biến điệu) tương ứng chúng ta có hệ ĐKTĐ một chiều (DC) và hệ thống ĐKTĐ xoay chiều (AC) (thí dụ hệ thống bám đồng bộ công suất nhỏ dùng động cơ chấp hành 2 pha)

Hệ tác động gián đoạn (gọi tắt là hệ gián đoạn hay hệ rời rạc) là các hệ có chứa ít nhất một phần tử gián đoạn, tức là phần tử có lượng vào là một hàm liên tục

và lượng ra là một hàm gián đoạn theo thời gian

Tuỳ theo tính chất gián đoạn của lượng ra, các hệ gián đoạn có thể phân chia thành các loại: hệ thống ĐKTĐ xung, hệ thống ĐKTĐ kiểu rơ le và hệ thống ĐKTĐ số

Nếu sự gián đoạn của tín hiệu ra xẩy ra qua những thời gian xác định (ta gọi

là gián đoạn theo thời gian) khi tín hiệu vào thay đổi, thì ta có hệ ĐKTĐ xung Nếu sự gián đoạn của tín hiệu xẩy ra khi tín hiệu vào qua những giá trị ngưỡng xác định nào đó (chúng ta gọi là gián đoạn theo mức), thì có thể ĐKTĐ kiểu rơle Hệ rơle thực chất là hệ phi tuyến, vì đặc tính tĩnh của nó là hàm phi tuyến Đây là đối tượng nghiên cứu của một phần quan trọng trong lý thuyêt ĐK

Nếu phần tử gián đoạn có tín hiệu ra dưới dạng mã số (gián đoạn cả theo mức và cả theo thời gian), thì ta có hệ ĐKTĐ số Hệ thống ĐKTĐ số là hệ chứa các thiết bị số (các bộ biến đổi A/D, D/A, máy tính điện tử (PC), bộ vi xử lý

* Phân loại theo dạng phương trình toán học mô tả hệ thống

Về mặt toán học, các hệ thống ĐKTĐ đều có thể mô tả bằng các phương trình toán học: phương trình tĩnh và phương trình động Dựa vào tính chất của các phương trình, chúng ta phân biệt hệ thống ĐKTĐ tuyến tính và hệ ĐKTĐ không tuyến tính (phi tuyến)

Hệ thống ĐKTĐ tuyến tính là hệ thống được mô tả bằng phương trình toán học tuyến tính Tính chất tuyến tính của các phần tử và của cả hệ thống ĐKTĐ chỉ

là tính chất lý tưởng Vì vậy, các phương trình toán học của hệ thống là các phương trình đã được tuyến tính hoá, tức là thay các sự phụ thuộc gần đúng tuyến tính

Hệ tuyến tính có phương trình động học với các tham số không thay đổi thì gọi là hệ ĐKTĐ tuyến tính có tham số không thay đổi, hay hệ ĐKTĐ tuyến tính dừng, còn nếu hệ thống có phương trình với tham số thay đổi thì gọi là hệ ĐKTĐ tuyến tính có tham số biến thiên, hay hệ ĐKTĐ tuyến tính không dừng

Hệ thống ĐKTĐ phi tuyến là hệ thống được mô tả bằng phương trình toán học phi tuyến Hệ phi tuyến là hệ có chứa các phần tử phi tuyến điển hình, thí dụ đó là hệ có chứa các phần tử rơle

1.2 Quá trình thiết lập một hệ thống điều khiển

Bước 1: Chuyển đổi các yêu cầu kỹ thuật thành một hệ thống vật lý

Bước 2: Vẽ sơ đồ khối chức năng Chuyển đổi sự miêu tả đặc tính hệ thống thành một sơ đồ khối chức năng Đây là sự miêu tả về các phần chi tiết của hệ thống và mối quan hệ giữa chúng

Bước 3: Thiết lập sơ đồ nguyên lí

Bước 4: Sử dụng sơ đồ nguyên lý thiết lập sơ đồ khối hoặc graph tín hiệu hoặc biểu diễn không gian trạng thái

Bước 5: Rút gọn sơ đồ khối

Bước 6: Phân tích và thiết kế

Mô hình toán học hệ điều khiển tự động

Mỗi hệ thống có thể chia làm nhiều phần sẽ thuận tiện hơn và mỗi phần sẽ được biễu diễn bằng 1 hàm toán học gọi là hàm truyền đạt (transfer function)

Đầu vào Đầu ra

Hình 1.5: Mô hình toán học của Hệ thống điều khiển

Để có thể mô phỏng được một hệ thống trên máy tính thì mô hình toán học của đối tượng phải được biểu diến trên không gian trạng thái Vì vậy khi ta đa mô hình của đối tượng biểu diễn bằng hàm truyền đạt ta phải chuyển sang phương trình trạng thái

Chọn các biến trạng thái, mỗi biến trạng thái được xác định bởi đạo hàm của biến trạng thái trước đó

Sơ đồ khối

A(t) - Ma trận hệ thống

C(t) - Ma trận ra

D(t) - Ma trận vòng

Các ma trận có các phần tử phụ thuộc vào biến t, lần lượt có kích thước là: A(n x n), B(n x m), C(r x n ), D(r x m)

Hình 1.6: Sơ đồ khối biểu diễn hệ thống điều khiển trong không gian trạng thái

Các bước thực hiện biến đổi từ hàm truyền sang hệ phương trình trạng thái:

B1: chuyển từ hàm truyền về phương trình vi phân và thực hiện phép biến đổi Laplace ngược với các điều kiện đầu bằng không

B2: Thực hiện chọn các biến trạng thái và biểu diễn trong không gian trạng thái

1.3 Tuyến tính hóa

Trên thực tế hầu hết các đối tượng là phi tuyến

Trong hệ thống cũng có thể bao gồm cả đại lượng phi tuyến và tuyến tính

Do thực tế yêu cầu người thiết kế phía tuyến tính hóa một số đại lượng phi tuyến để sử dụng

- Các bước thực hiện tuyến tính hóa

+ Bước 1: Viết phương trình vi phân của hệ thống Với giả thiết tín hiệu đầu vào nhỏ

+ Bước 2: Tuyến tính hóa phương trình vi phân, dùng biến đổi Laplace với điều kiện đầu = 0

Chương 2 LÝ THUYẾT GIẢM XÓC THỤ ĐỘNG

2.1 Hệ giảm xóc thụ động

Hệ giảm xóc thụ động được phân loại theo cách mà các thành phần của nó bao gồm lò xo và phần tử cản đã được cố định Những đặc tính này được quyết định bởi người thiết kế tùy theo mục tiêu thiết kế và định hướng ứng dụng Thiết kế hệ giảm xóc thụ động là sự dàn xếp giữa khả năng vận tải và sự thoải mái trong di chuyển như biểu diễn ở hình 1.1

Hình 2.1 Sự dàn xếp giảm xóc cho bộ giảm xóc thụ động

Một hệ giảm xóc mang tải nặng có vận chuyển với khối lượng tĩnh lớn nhưng nó cung truyền nhiều chấn động từ mặt đường đến thân xe Khi phương tiện

di chuyển với tốc độ thấp trên đoạn đường nhám hoặc di chuyển thẳng với tớc độ cao thì nó được hiểu như là di chuyển thô Hoạt động của phương tiện trong trường hợp này có thể hoặc là chấp nhận được hoặc là làm hỏng xe Bộ giảm xóc mang tải nhẹ thì mang lại cảm giác thoải mái cho hành khách nhưng lại làm giảm đáng kể độ

ổn định của phương tiện Một bộ giảm xóc thụ động tốt phải đảm bảo cả hai yếu tố

là sự thoải mái di chuyển và độ ổn định Tuy nhiên nó không thể thỏa mãn tốt đồng thời cả hai yêu cầu này

2.2 Hệ thống giảm xóc bị động, bán chủ động và chủ động

Trong hệ giảm xóc chủ động thì phần tử cản thụ động hoặc cả phần tử cản thụ động và lò xo được thay thế bằng bộ phát động lực như minh họa ở hình 2.2

Hình 2.2 Bộ giảm xóc thụ động (passive suspension) và chủ động (active

suspension)

Bộ phận phát động lực có khả năng cả truyền và tiêu tán năng lượng từ hệ thống, nó không giống như giảm xóc thụ động, nó chỉ tiêu tán năng lượng Với bộ giảm xóc chủ động lực từ bộ phận phát động (force actuator) có thể tác dụng lực độc lập với chuyển vị tương đối hoặc vận tốc theo phương giảm xóc Nếu mục tiêu điều khiển chính xác được cho trước thì ta sẽ thu được sự dàn xếp tốt hơn giữa sự thoải mái di chuyển và sự ổn định của phương tiện khi so sánh với bộ giảm xóc thụ động như minh họa ở hình 3.2 cho mô hình của một bánh xe của xe ôtô con

Thêm vào đó, bộ giảm xóc chủ động có ưu điểm trong việc điều khiển các phản ứng của xe Giảm xóc chủ động có thể giảm các hiệu ứng của phanh là nguyên nhân gây ra sự chúc mũi đầu phương tiện hoặc tăng tốc là nguyên nhân gây ra sự chùn sau đuôi xe, chúng có thể giảm xoắn khung phương tiện

Tuy nhiên bộ giảm xóc chủ động cũng có nhược điểm Bô phận phát động lực trong hệ thống giảm xóc chủ động đòi hỏi năng lượng lớn Sự đòi hỏi năng lượng này làm giảm hiệu năng của phương tiện và do đó thường không thể chấp nhận Một nhược điểm khác là chúng thường có chế độ hỏng không chấp nhận được

đó là khi bộ phận phát động lực bị hỏng sẽ dẫn đến không còn khả năng giảm xóc nữa và có thể dẫn đến các tình huống nguy hiểm

Hình 2.3 So sánh hệ giảm xóc thụ động và chủ động

2.3 Hệ giảm xóc điều chỉnh được

Một hệ giảm xóc điều chỉnh được kết hợp các lò xo thụ động giống như trong hệ giảm xóc thụ động với phần tử cản mà đặc tính của nó có thể điều chỉnh được bởi người điều khiển Như trên hình 2.4 điều khiển phương tiện có thể sử dụng các thiết bị lựa chọn để thiết lập mức độ giảm xóc dựa trên cảm nhận chủ quan

Hệ thống này có ưu điểm là cho phép trong quá trình hoạt động có thể thay đổi phần tử cản tùy theo đặc tính của đường Tuy nhiên, nó không thực tế cho người điều khiển điều chỉnh hệ giảm xóc phản ứng lại với các đầu vào phụ thuộc thời gian như khi đi vào ổ gà, quay vòng hoặc là các đặc tính khác của đường

Hình 2.4 Hệ giảm xóc điều chỉnh được

tử cản và cung cấp cho hoạt động của bộ điều khiển tích hợp và các cảm biến đi kèm Bộ điều khiển quyết định mức độ cản dựa trên mục tiêu điều khiển và điều chỉnh một cách tự động để đạt đƣợc mức độ đó

Một trong những điều khiển bán chủ động thông dụng nhất là điều khiển kiểu skyhook Nó cho phép điều chỉnh mức độ cản để tiến đến các hiệu ứng của phần tử cản được kết nối từ phương tiện đến một sàn ổn định như biểu diễn trên hình 2.6

Hình 2.6 Mô hình bộ giảm xóc bán chủ động kiểu Skyhook

2.5 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của bộ giảm xóc thụ động

Hệ thống giảm xóc trên thực tế là một hệ thống dao động cơ khí bao gồm lò

xo (spring), phần tử cản (damper) Các phần tử này được sử dụng để kết nối bánh xe

và trục xe với khung gầm của các phương tiện giao thông như xe buýt, tầu điện, xe máy…Bộ giảm xóc hoạt động như một bộ tắt chấn động lực học và có các nhiệm vụ sau:

- Mang tải trọng tĩnh của phương tiện giao thông;

- Tăng tối đa lực ma sát giữa bánh xe và mặt đường;

- Cung cấp khả năng ổn định của thiết bị lái

- Đảm bảo sự thỏa mãi cho hành khách bằng cách làm mềm dao động của xe trên các đoạn đường xóc

Hình 2.7 mô tả cấu tạo của một bộ giảm xóc trong thực tế và mô hình cơ học tương đương Trong đó hệ thống được mô hình hóa thành hệ động lực học khối lượng – lò xo – cản Lò xo có nhiệm vụ thu năng lượng sốc từ những va chạm giữa mặt đường và bánh xe và chuyển đổi chúng thành năng lương tích trữ trong lò xo

(thế năng) Phần tử cản có nhiệm vụ tiêu tán năng lượng sốc mà không gây ra các dao động quá mức cho phương tiện

Hình 2.7 Thiết kế của một bộ giảm xóc thụ động:

a) mô hình thiết kế; b) mô hình cơ học tương đương

Với mô hình cơ học tương đương bộ giảm xóc được mô tả bởi lò xo có độ cứng K và phần tử cản có độ cản C Khi kết nối bộ giảm xóc với trục bánh xe và thân xe ta có hệ dao động hai bậc tự do với các khối lượng thu gọn Ms và Mu mà chuyển động của hệ được xác định bởi các tọa độ suy rộng zs, zu Sự tương tác giữa bánh xe và mặt đường được mô hình bởi lò xo có độ cứng Kt và zt biểu diễn sự mấp

có tác dụng làm mềm dao động (cản) Tương tự với quá trình nén, dầu di chuyển theo chu trình ngược lại

Hình 2.8 Cấu tạo của phần tử cản trong thực tế

Trên thực tế bộ giảm xóc thụ động có rất nhiều kiểu thiết kế khác nhau Nhưng về nguyên lý hoạt động thì hoàn toàn tương tự như mô tả trên hình 2.8 Các

bộ giảm xóc này có ưu điểm là thiết kế tương đối đơn giản do vậy giá thành thấp và khả năng làm việc tin cậy cao Chính vì lý do này mà chúng vẫn được ứng dụng rất nhiều trong các trong phương tiện giao thông