Điều khiển hệ thống treo bán chủ động cho xe ô tô sử dụng mô hình ¼ xe

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM VĂN NGUYÊN ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TREO BÁN CHỦ ĐỘNG CHO XE Ơ TƠ SỬ DỤNG MƠ HÌNH ¼ XE Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số : 8520216 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Đà Nẵng – Năm 2018 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Lê Hòa Phản biện 1: TS Nguyễn Hồng Mai Phản biện 2: TS Nguyễn Quốc Khánh Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điều khiển tự động hóa họp Trường Đại học Bách khoa vào ngày 29 tháng 12 năm 2018 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa - Thư viện khoa Kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Để đánh giá xe tơ người ta dựa việc đánh giá hệ thống cấu thành lên hệ thống an tồn, hệ thống động cơ, hệ thống tiện ích xe đặc biệt hệ thống treo Hệ thống treo hệ thống có nhiệm vụ cách ly triệt tiêu ảnh hưởng thay đổi mặt đường đến khung xe, phận chịu tải trọng xe nhằm đảm bảo độ êm dịu (tạo thoải mái cho người ngồi xe) độ an toàn (độ bám đường bánh xe lên mặt đường) xe di chuyển điều kiện địa hình khác Do vai trò quan trọng hệ thống treo xe tơ, nên có nhiều đề tài, luận văn, luận án, báo nghiên cứu, thiết kế điều khiển cho hệ thống treo xe ô tô nhằm đạt tiêu độ êm dịu độ an toàn xe di chuyển điều kiện mặt đường khác Tuy nhiên hai tiêu độ êm dịu độ an toàn lại mâu thuẫn với nhau, ta thiết kế điều khiển hệ thống treo để nâng cao độ an tồn độ êm dịu lại bị hạn chế ngược lại điều khiển nâng cao độ êm dịu độ an tồn lại bị hạn chế Vì việc thiết kế điều khiển nhằm nâng cao đồng thời độ êm dịu độ an toàn cho xe vấn đề trọng tâm cần phải nghiên cứu Xuất phát từ thực trạng trên, đề tài “Điều khiển hệ thống treo bán chủ động cho xe tơ sử dụng mơ hình ¼ xe” nhằm nghiên cứu kiểm chứng điều khiển đề xuất luận văn 2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Khảo sát chức năng, nhiệm vụ nguyên lý làm việc hệ thống treo xe tơ Trên sở sở mơ hình toán học hệ thống, điều khiển cho hệ thống treo bán chủ động thiết kế nhằm nâng cao độ êm dịu (cách ly tối đa dao động từ mặt đường tác động lên xe) độ bám đường (khả tiếp xúc tốt với mặt đường) cho xe ô tô ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu - Mơ hình hệ thống treo bán chủ độngcho xe ô tô sử dụng mơ hình ¼ xe - Phương trình chuyển động phương pháp thiết kế - Phần mềm mô phonhr Matlab – Simulimk Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu tập trung vào số vấn đề sau: - Tìm hiểu hệ thống treo - Lập mơ hình hệ thống treo, phương trình chuyển động hệ - Các luật điều khiển thực mô kiểm chứng Chỉ thực dựa vào mô Matlab Simulink, không thực với thiết bị thực tế PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu lý thuyết hệ thống treo xe ô tô - Sử dụng phần mềm Matlab – Simulink để mô phỏng, đánh giá rút kết luận Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI - Ý nghĩa khoa học Thông qua việc nghiên cứu lý thuyết điều khiển, luận văn góp phần hồn thiện phương pháp thiết kế điều khiển mô hệ thống treo nhằm nâng cao kết hợp độ êm dịu độ an toàn cho xe - Thực tiễn đề tài Bên cạnh đóng góp giá trị mặt lý thuyết, kết nghiên cứu luận văn ứng dụng việc thiết kế điều khiển khác để tạo cho xe có hệ thống treo thích hợp hiệu CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN Ngoài phần mở đầu kết luận chung, cấu trúc luận văn bao gồm bốn chương nội dung chương vắn tắt sau: Chương trình bày tổng quan hệ thống treo xe ô tô, nội dung chương đề cập tới khái niệm, chức nhiệm vụ, phân loại hệ thống treo giới thiệu số giảm chấn mà điều khiển hệ số giảm chấn Chương giới thiệu số mơ hình hệ thống treo, như: Mơ hình hệ thống treo ¼ xe (mơ hình ¼ xe), mơ hình hệ thống treo ½ xe (mơ hình ½ xe) mơ hình tổng thể hệ thống treo (mơ hình tồn xe; mơ hình khơng gian hay mơ hình đầy đủ) Trong , mơ hình ¼ xe nghiên cứu để thiết kế điều khiển hệ thống treo luận văn Chương thiết kế điều khiển cho hệ thống treo bán chủ động sử dụng mơ hình ¼ xe, nội dung chương gồm có: Các tiêu đánh giá chất lượng hệ thống treo, toán điều khiển, phương pháp điều khiển thơng số thiết kế từ mơ hình ¼ xe Chương lập sơ đồ mô hệ thống treo, tiến hành mô kiểm chứng hệ treo thụ động, hệ treo bán chủ động dùng điều khiển Skyhook hệ dùng Modified Skyhook CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TREO CỦA XE Ô TÔ 1.1 KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG TREO 1.2 CHỨC NĂNG, NHIỆM VỤ VÀ CẤU TẠO CỦA HỆ THỐNG TREO 1.3 PHÂN LOẠI HỆ THỐNG TREO Dựa theo phương pháp điều khiển, có: a Hệ thống treo thụ động (bị động) Hình 1.6: Mơ hình hệ thống treo thụ động b Hệ thống treo bán chủ động Hình 1.7: Mơ hình hệ thống treo bán chủ động c Hệ thống treo chủ động Hình 1.8: Mơ hình hệ thống treo chủ động 1.4 GIẢM CHẤN TÍCH CỰC 1.4.1 Giảm chấn thủy lực có van tiết lưu thay đổi 1.4.2 Giảm chấn từ hóa MR 1.4.3 Giảm chấn ma sát tích cực 1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG I Tìm hiểu khái niệm hệ thống treo, chức nhiệm vụ hệ thống treo, phân loại hệ thống treo ưu nhược điểm loại Tìm hiểu số giảm chấn loại giảm chấn tích cực, hiểu cấu tạo nguyên lý làm việc giảm chấn, cách thay đổi hệ số cản (c) để thay đổi lực giảm chấn tạo độ êm dịu độ an toàn cho xe Từ để đưa phương pháp điều khiển hệ thống treo hợp lý tối ưu CHƯƠNG MƠ HÌNH CỦA HỆ THỐNG TREO 2.1 KHÁI NIỆM VÀ CÁC GIẢ THIẾT KHI XÂY DỰNG MÔ HÌNH 2.2 XÂY DỰNG MƠ HÌNH CỦA HỆ THỐNG TREO 2.2.1 Mơ hình ¼ xe Mơ hình thụ động (passive) Mơ hình: Hình 2.1: Mơ hình ¼ xe thụ động Các ký hiệu mơ hình: ms - khối lượng phần treo (sprung mass); mu - khối lượng phần khơng treo (unsprung mass); ks - độ cứng lò xo giảm chấn; kt - độ cứng giả thiết lốp xe; C - hệ số giảm chấn; Zs - độ dịch chuyển theo phương thẳng đứng ms; Zu - độ dịch chuyển theo phương thẳng đứng mu; Zr - độ dịch chuyển theo phương thẳng đứng bánh xe so với mặt đường; Phương trình vi phân hệ: 𝑚 𝑧̈ + 𝑐(𝑧̇𝑠 − 𝑧̇𝑢 ) + 𝑘𝑠 (𝑧𝑠 − 𝑧𝑢 ) =0 (2.1) { 𝑠 𝑠 𝑚𝑢 𝑧̈𝑢 − 𝑐(𝑧̇𝑠 − 𝑧̇𝑢 ) − 𝑘𝑠 (𝑧𝑠 − 𝑧𝑢 ) + 𝑘𝑡 (𝑧𝑢 − 𝑧𝑟 ) = Trong đó: 𝑧̇𝑠 - vận tốc ms 𝑧̈𝑠 - gia tốc ms 𝑧̇𝑢 - vận tốc mu 𝑧̈𝑢 - gia tốc mu c – hệ số giảm chấn; c có giá trị định Mơ hình bán chủ động (semi-active) - Mơ hình: Hình 2.2: Mơ hình ¼ xe bán chủ động - Phương trình vi phân hệ: 𝑚 𝑧̈ + 𝑐𝑣 (𝑧̇𝑠 − 𝑧̇𝑢 ) + 𝑘𝑠 (𝑧𝑠 − 𝑧𝑢 ) =0 (2.2) { 𝑠 𝑠 𝑚𝑢 𝑧̈𝑢 − 𝑐𝑣 (𝑧̇𝑠 − 𝑧̇𝑢 ) − 𝑘𝑠 (𝑧𝑠 − 𝑧𝑢 ) + 𝑘𝑡 (𝑧𝑢 − 𝑧𝑟 ) = Trong đó: 𝑐𝑣 – hệ số giảm chấn; 𝑐𝑣 thay đổi Mơ hình chủ động (active) 10 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG TREO BÁN CHỦ ĐỘNG SỬ DỤNG MƠ HÌNH ¼ XE 3.1 CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG TREO 3.2 BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN 3.2.1 Lý phải điều khiển 3.2.2 Phát biểu tốn Xét mơ hình điều khiển(hình 3.1) Hình 3.1: Mơ hình điều khiển hệ thống treo bán chủ động ¼ xe Mục tiêu toán điều khiển cần giải hai vấn đề sau: - Nâng cao độ êm dịu (comfort) → Tạo thoải mái cho người ngồi xe; - Nâng cao độ bám đường cho xe (roadhandling) →Tính ổn định chuyển động xe 11 3.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 3.3.1 Phương pháp điều khiển Skyhook [13] Hình 3.3: Điều khiển Skyhook lý tưởng (a) thực tế (b) Công thức tổng quát điều khiển Skyhook { FSA = csky ż s ż s (ż s − ż u ) ≥ (3.7) FSA = ż s (ż s − ż u ) < Phương trình vi phân hệ { 𝑚𝑠 𝑧̈𝑠 + 𝑐𝑣 (𝑧̇𝑠 − 𝑧̇𝑢 ) + 𝑘𝑠 (𝑧𝑠 − 𝑧𝑢 ) + 𝑐𝑆𝑘𝑦 𝑧̇𝑠 = (3.12) 𝑚𝑢 𝑧̈𝑢 − 𝑐𝑣 (𝑧̇𝑠 − 𝑧̇𝑢 ) − 𝑘𝑠 (𝑧𝑠 − 𝑧𝑢 ) + 𝑘𝑡 (𝑧𝑢 − 𝑧𝑟 ) − 𝑐𝑆𝑘𝑦 𝑧̇𝑠 = 3.3.2 Phương pháp điều khiển Groundhook [13] Hình 3.8: Điều khiển Groundhook, lý tưởng (a) thực tế (b) 12 Công thức tổng quát điều khiển Groundhook sau: 𝑧̇𝑠 (𝑧̇𝑠 − 𝑧̇𝑢 ) ≥ → 𝐹𝑠𝑎 = 𝑐𝑔𝑛𝑑 𝑧̇𝑢 { 𝑧̇𝑠 (𝑧̇𝑠 − 𝑧̇𝑢 ) < → 𝐹𝑠𝑎 = (3.13) Phương trình vi phân hệ: { 𝑚𝑠 𝑧̈𝑠 + 𝐶𝑣 (𝑧̇𝑠 − 𝑧̇𝑢 ) + 𝑘𝑠 (𝑧𝑠 − 𝑧𝑢 ) + 𝐶𝑔𝑛𝑑 𝑧̇𝑢 = (3.14) 𝑚𝑢 𝑧̈𝑢 − 𝐶𝑣 (𝑧̇𝑠 − 𝑧̇𝑢 ) − 𝑘𝑠 (𝑧𝑠 − 𝑧𝑢 ) + 𝑘𝑡 (𝑧𝑢 − 𝑧𝑟 ) − 𝐶𝑔𝑛𝑑 𝑧̇𝑢 = Trong đó: 𝐶𝑔𝑛𝑑 – hệ số giảm chấn Groundhook 3.3.3 Phương pháp điều khiển Skyhook hiệu chỉnh [14] Hình 3.9: Điều khiển Skyhook(a) Modified Skyhook (b) Lực giảm chấn Modified Skyhook xác định: 𝐹 = 𝑐𝑠𝑘𝑦 𝑧̇𝑠 + 𝑐𝑣 (𝑧̇𝑠 − 𝑧̇𝑢 ) (3.15) Trong đó: Csky hệ số giảm chấn Skyhook Cv hệ số giảm chấn giảm chấn biến thiên 13 Luật điều khiển: { 𝐹 = 𝑐𝑠𝑘𝑦 𝑧̇𝑠 + 𝑐𝑣 (𝑧̇𝑠 − 𝑧̇𝑢 ) 𝑛ế𝑢 𝑧̇𝑠 (𝑧̇𝑠 − 𝑧̇𝑢 ) > 𝐹=0 𝑛ế𝑢 𝑧̇𝑠 (𝑧̇𝑠 − 𝑧̇𝑢 ) ≤ (3.16) Phương trình vi phân hệ: 𝑚𝑠 𝑧̈𝑠 + 𝑘𝑠 (𝑧𝑠 − 𝑧𝑢 ) + 𝐹 = (3.17) { 𝑚𝑢 𝑧̈𝑢 − 𝑘𝑠 (𝑧𝑠 − 𝑧𝑢 ) + 𝑘𝑡 (𝑧𝑢 − 𝑧𝑟 ) − 𝐹 = 3.4 THƠNG SỐ THIẾT KẾ TỪ MƠ HÌNH ¼ XE * Thông số hệ thống treo thụ động Các thông số sử dụng mô hệ treo thụ động [14] ms: Phần khối lượng treo - 329 [kg] mu: Khối lượng phần không treo - 61 [kg] ks: Độ cứng lò xo giảm chấn - 43000 [N/m] kt: Độ cứng giả thiết lốp xe - 210000 [N/m] cs: Hệ số giảm chấn thụ động – 1850 [N/m] * Thông số cho hệ thống treo bán chủ động dùng điều khiển Skyhook Thông số mô phỏng: - Thông số hệ thụ động [14] - cSky = 4500[N/m] * Thông số cho hệ thống treo bán chủ động dùng điều khiển Skyhook hiệu chỉnh Từ phương trình (3.17), ta có: 𝑘 { 𝑧̈𝑠 = − 𝑚𝑠 (𝑧𝑠 − 𝑧𝑢 ) − 𝑚 𝑢 𝑧̈𝑢 = 𝑘𝑠 (𝑧 𝑚𝑢 𝑠 𝑠 − 𝑘 𝑧𝑢 ) − 𝑡 (𝑧𝑢 𝑚𝑢 𝑠 − 𝑧𝑟 ) + 𝑢 𝑚𝑢 (3.18) 14 Trong đó: u – biến điều khiển tác động vào lực giảm chấn Modified Skyhook (F), có giá trị là: 𝑢 = −[(1 − 𝛼)𝐶𝑆𝑘𝑦 𝑧̇𝑠 + 𝛼𝐶𝑣 (𝑧̇𝑠 − 𝑧̇𝑢 )] α – biến tác động; chọn α = 0.8 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG III Trong nội dung chương nêu hai tiêu quan trọng để đánh giá độ êm dịu độ an tồn cho xe tơ, nêu lý để đề xuất luật điều khiển Khái quát số phương pháp điều khiển liên quan đến điều khiển đề xuất, xây dựng phương trình chuyển động hệ, xác định biến điều khiển lựa chọn thông số để mô cho hệ thống treo 15 CHƯƠNG MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT LUẬN 4.1 GIỚI THIỆU 4.2 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 4.2.1 Mô hệ treo thụ động Sơ đồ mô Hình 4.1: Sơ đồ mơ Simulink với hệ treo thụ động Tín hiệu mặt đường đưa vào q trình mơ hệ treo thụ động, có dạng Hình 4.2 Hình 4.2: Tín hiệu mặt đường 16 Kết mô Sau mô hệ treo thụ động phần mền MatlapSimulink, cho ta kết hình ảnh độ dịch chuyển khối ms; mu gia tốc chúng (Hình 4.3; 4.4) Hình 4.3 Kết mô độ êm dịu với hệ treo thụ động Hình 4.4: Kết mơ độ an tồn với hệ treo thụ động 4.2.2 Mô hệ treo bán chủ động dùng điều khiển Skyhook Sơ đồ mơ Tín hiệu mặt đường Hình 4.2 17 Hình 4.5: Sơ đồ mơ Simulink với hệ treo bán chủ động cho Skyhook Kết mơ Hình 4.6 Kết mô độ êm dịu với hệ treo bán chủ động cho Skyhook 18 Hình 4.7: Kết mơ độ an tồn với hệ treo bán chủ động cho Skyhook 4.2.3 Mô hệ treo bán chủ động dùng điều khiển Skyhook hiệu chỉnh Sơ đồ mơ Tín hiệu mặt đường Hình 4.2 Hình 4.8: Sơ đồ mơ Simulink với hệ treo bán chủ động 19 cho Skyhook hiệu chỉnh Kết mơ Hình 4.9: Kết mơ độ êm dịu với hệ treo bán chủ động cho Skyhook hiệu chỉnh Hình 4.10: Kết mơ độ an toàn với hệ treo bán chủ động cho Skyhook hiệu chỉnh 4.2.4 So sánh, đánh giá hai hệ: Skyhook hiệu chỉnh hệ treo thụ động Sơ đồ Mô Matlab simulink Tín hiệu mặt đường đưa vào mơ Hình 4.2 20 Hình 4.11: Sơ đồ mô Skyhook hiệu chỉnh hệ thụ động Kết mô Kết mô gia tốc hai hệ Hình 4.12 Hình 4.13 21 Hình 4.12 Kết mơ đánh giá độ êm dịu giữaSkyhook hiệu chỉnh hệ thụ động Hình 4.13: Kết mơ đánh giá độ an tồn Skyhook hiệu chỉnh hệ thụ động So sánh đánh giá Nhìn vào kết mơ Hình 4.12 Hình 4.13, ta thấy: Độ êm dịu độ an tồn hệ Skyhook hiệu chỉnh có ưu điểm rõ dệt hệ thụ động Tín hiệu mô hệ Skyhook hiệu chỉnh nhanh ổn định 4.2.5 So sánh, đánh giá ba hệ: Skyhook hiệu chỉnh; Skyhook hệ treo thụ động Sơ đồ Mơ Matlab simulink Tín hiệu mặt đường đưa vào mơ Hình 4.2 22 Hình 4.14: Sơ đồ mô Skyhook hiệu chỉnh; Skyhook hệ thụ động Kết mô Kết mô gia tốc ba hệ Hình 4.15 Hình 4.16 23 Hình 4.15 Kết mơ đánh giá độ êm dịu Skyhook hiệu chỉnh; Skyhook hệ thụ động Hình 4.16: Kết mơ đánh giá độ an toàn Skyhook hiệu chỉnh; Skyhook hệ thụ động So sánh đánh giá Từ kết mơ Hình 4.15 Hình 4.16 cho ta thấy hiệu hệ treo bán chủ động dùng điều khiển Skyhook hiệu chỉnh tốt nhất, độ êm dịu độ an toàn so với hai hệ lại 4.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG IV Xây dựng sơ đồ; mô đánh giá điều khiển đề xuất (Skyhook hiệu chỉnh) 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN CHUNG Mô hình thiết lập luận văn chấp nhận số giả thiết kết nhận thể quy luật định tính q trình dao động hệ thống treo Mơ hình cho phép khảo sát ảnh hưởng số yếu tố độ cứng lò xo, hệ số cản giảm chấn thủy lực, độ cứng lốp, khối lượng phần treo không treo Các kết bước đầu cho phép đánh giá sơ mơ hình chương trình đạt độ xác định Như với việc thiết lập mơ hình dao động mơ phần mềm MatlabSimulink cho phép khảo sát ảnh hưởng đơn yếu tố tham số đặc trưng cho phần tử hệ Đồng thời theo mục đích chẩn đốn đánh giá ngược để tìm nguyên nhân hư hỏng xây dựng mơ hình đặc tính dao động cho hệ thống treo xe tối ưu hệ treo HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI - Tiếp tục xây dựng mơ hình khơng gian để đánh giá xác dao động phần tử hệ thống treo theo nhiều bậc tự khác - Chính xác mơ hình kết nhận cách loại bỏ dần giả thiết, tiến hành thí nghiệm đo thơng số tạo kích thích - Nghiên cứu thêm số yếu tố ảnh hưởng đến dao động xe tải trọng, gia tốc phanh, vào cua, gió bên, vận tốc chuyển động xe… ... động (bị động) Hình 1.6: Mơ hình hệ thống treo thụ động b Hệ thống treo bán chủ động Hình 1.7: Mơ hình hệ thống treo bán chủ động c Hệ thống treo chủ động 6 Hình 1.8: Mơ hình hệ thống treo chủ. .. Mơ hình hệ thống treo ¼ xe (mơ hình ¼ xe) , mơ hình hệ thống treo ½ xe (mơ hình ½ xe) mơ hình tổng thể hệ thống treo (mơ hình tồn xe; mơ hình khơng gian hay mơ hình đầy đủ) Trong , mơ hình ¼ xe. .. dao động mơ tả hệ thống treo xe ô tô 10 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG TREO BÁN CHỦ ĐỘNG SỬ DỤNG MƠ HÌNH ¼ XE 3.1 CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG TREO 3.2 BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN