Với đề tài nghiên cứu về hệ thống treo chủ động với bộ điều khiển PID giúp chúng ta hiểu rõ hơn về hệ thống treo ô tô cũng như nguyên lý hoạt động của một hệ treo chủ động. Đề tài là sự liên hệ giữa lý thuyết điều khiển và mô hình thực tế. Đây là một đề tài hay, kết hợp giữa kỹ thuật thu thập tín hiệu và các bộ điều khiển vòng kín nhằm tạo ra một hệ thống có tính tự động.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ - BÀI TẬP LỚN CƠ ĐIỆN TỬ Đề tài: MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG TREO CHỦ ĐỘNG GVHD:Thầy Khổng Minh Sinh viên thực hiện:Nguyễn Văn Dũng Lớp: Cơ Điện Tử 3-K11 Msv:1141020168 Mở đầu Trong vài năm gần đây, kinh tế Việt Nam có bước phát triển vượt bậc, đời sống người dân nâng cao, với việc phủ đầu tư nhiều vào quy hoạch xây dựng hệ thống giao thông vận tải, khiến ô tô trở thành phương tiện lại tiện nghi phổ biến, nhiều người quan tâm Không nước phát triển, với Việt Nam ơtơ chủ đề mẻ, đặc biệt ứng dụng công nghệ tiên tiến xe Vì việc nghiên cứu tơ cần thiết, sở để nhà nhập nhà sản xuất nước kiểm tra chất lượng xe nhập sau xe xuất xưởng, đồng thời trang bị kiến thức cho người dân mua sử dụng xe có hiệu kinh tế cao Khi xe chuyển động đường, có nhiều yếu tố tác động như: tải trọng, vận tốc chuyển động, lực cản không khí, điều kiện mặt đường… yếu tố ln thay đổi gây ảnh hưởng không nhỏ tới trình chuyển động xe Chúng làm trình chuyển động xe ổn định, gây mệt mỏi cho người sử dụng, làm giảm tuổi thọ xe… đặc biệt gây an tồn tính mạng cho người ngồi xe Với yêu cầu ngày cao cơng nghệ vận tải tính tiện nghi ô tô ngày phải hoàn thiện hơn, đặc biệt tính êm dịu chuyển động xe để tạo cho người cảm giác thoải mái ngồi xe, nhà sản xuất xe hàng đầu giới không ngừng nâng cao chất lượng sản phẩm kiểu dáng, độ bền, đặc biệt tiện nghi, thân thiện mang lại thoải mái, an toàn cho người sử dụng Và nghiên cứu nhằm đáp ứng yêu cầu nghiên cứu hệ thống treo Với đề tài nghiên cứu hệ thống treo chủ động với điều khiển PID giúp hiểu rõ hệ thống treo ô tô nguyên lý hoạt động hệ treo chủ động Đề tài liên hệ lý thuyết điều khiển mơ hình thực tế Đây đề tài hay, kết hợp kỹ thuật thu thập tín hiệu điều khiển vòng kín nhằm tạo hệ thống có tính tự động Trong suốt q trình thực tập lớn, nhóm chúng em nhận định hướng, dẫn tận tình thầy Khổng Minh Vì vậy, chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc thầy suốt thời gian vừa qua Do lực hạn chế nên tập lớn khơng tránh khỏi nhứng sai xót, nhóm em mong nhận đóng góp ý kiến thầy bạn để tập hoàn thiện Hà Nội, tháng 11 năm 2018 MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TREO TRÊN ÔTÔ .3 I.CÔNG DỤNG .3 II.CẤU TẠO 1.Bộ phận đàn hồi……………………………………………………………………………………………………………………………4 2.Bộ phận giảm chấn……………………………………………………………………………………………………………………………………….5 Bộ phận dẫn hướng (thanh ổn định) III.YÊU CẦU IV.HỆ THỐNG TREO CHỦ ĐỘNG 1.Hệ thống treo sử dụng lưu chất biến từ .9 2.Hệ thống treo khí nén điện tử 11 3.Hệ thống treo MAGIC BODY CONTROL .13 4.Hệ thống treo điện từ BOSE 14 CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH VÀ MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG 17 I.YÊU CẦU THIẾT KẾ 17 II.THIẾT LẬP VẬT LÝ 17 1.Mơ hình vật lý 17 2.Mơ hình tốn học 18 3.Khảo sát hệ thống hở 19 CHƯƠNG III THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 22 I.ĐIỀU KHIỂN TỈ LỆ 23 II.Điều khiển tỉ lệ -vi phân 24 III ĐIỀU KHIỂN PID 26 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TREO TRÊN ƠTƠ I.CƠNG DỤNG Hệ thống treo có ô tô phận quan trọng, mang lại êm cho người xe, đồng thời tạo cảm giác an toàn cho tay lái Hệ thống treo dùng để nối đàn hồi khung vỏ xe với cầu, bánh xe ôtô thực chức sau: + Khi tơ chuyển động, với lốp hấp thụ cản lại rung động, dao động va đập tác dụng lên xe mặt đường không phẳng, để bảo vệ hành khách, hành lý cải thiện tính ổn định + Xác định động học chuyển động bánh xe, truyền lực kéo, lực phanh sinh ma sát mặt đường bánh xe, lực bên mô men phản lực tới gầm thân xe + Dập tắt dao động thẳng đứng khung vỏ sinh ảnh hưởng mặt đường không phẳng Khi ôtô chuyển động đường không phẳng chịu dao động mặt đường mấp nô sinh Những dao động ảnh hưởng xấu tới tuổi thọ xe, hàng hóa đặc biệt ảnh hưởng tới hành khách Theo số liệu thống kê cho thấy, ôtô chạy đường gồ ghề, so với ôtô loại chạy đường tốt phẳng tốc độ trung bình giảm 40 – 50%, quãng đường chay hai chu kỳ đại tu giảm 35 – 40%, suất tiêu hao nhiên liệu tăng 50 – 70%, suất vận chuyển giảm 30 – 40%, giá thành vận chuyển tăng 50 – 70% Ngoài ra, người phải chịu đựng lâu tình trạng xe chạy bị rung xóc nhiều dễ sinh mêt mỏi Các kết nghiên cứu ảnh hưởng dao động ôtô tới thể người tới kết luận người phải chịu đựng lâu môi trường dao động ôtô mắc phải bệnh thần kinh não Vì vậy, tính êm dịu chuyển động tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng xe Tính êm dịu ơtơ phụ thuộc vào kết cấu xe trước hết hệ thống treo, phụ thuộc vào đặc điểm cường độ kích thích, sau phụ thuộc vào trình độ lái xe Lực kích thích gây dao động không cân liên hợp máy độ nhấp nhô mặt đường không phẳng Nếu xét phạm vi khả chế tạo ôtô hệ thống treo mang tính chất định đến độ êm dịu chuyển động ôtô II.CẤU TẠO Về hệ thống treo gồm phận phận đàn hồi, phận giảm chấn phận dẫn hướng 1.Bộ phận đàn hồi Tạo điều kiện cho bánh xe dao động, có tác dụng đưa tần số dao động xe phù hợp với vùng tần số thích hợp với người sử dụng, đảm bảo độ êm dịu xe chuyển động - Nhíp (Chủ yếu xe tải) - Lò xo (Chủ yếu xe con) - Thanh xoắn (Xe con) - Khí nén (Xe hạng sang Merc S class, BMW xe bus) - Cao su (Ít gặp) Bó nhíp (càng nhiều nhíp khả chịu tải cao độ êm dịu giảm xuống) 2.Bộ phận giảm chấn Có tác dụng dập tắt dao động bánh xe thân xe để đảm bảo cho bánh xe bám đường tốt hơn, giúp tránh khơng bị rung lắc mạnh, tăng tính êm dịu ổn định - Giảm chấn thủy lực (Đa số xe sử dụng loại này) - Ma sát (các nhíp hệ thống treo đóng phần vai trò giảm chấn nhờ ma sát nhíp Bộ phận dẫn hướng (thanh ổn định) Có chức tiếp nhận, truyền lực mô-men bánh khung xe Cũng theo điều này, hệ thống treo thường chia làm hai loại treo độc lập treo phụ thuộc - Treo độc lập: bánh xe dao động độc lập với nhau,ko có dầm cầu nối bánh - Treo phụ thuộc: dầm cầu liên kết bánh xe với nhau.Hệ thống treo phụ thuộc: Các bánh xe nối dầm cầu liền, chi tiết hệ thống treo nối dầm cầu với thân xe So với hệ thống treo độc lập chi tiết đơn giản hơn, độ bền cao phù hợp với loại ô tô tải Do khối lượng phần không treo lớn nên êm dịu ổn định, xe dễ bị rung động,… Hệ thống treo kết nối với cầu xe Hệ thống treo độc lập Hệ thống treo độc lập ngược lại với treo phụ thuộc, với hai đầu bánh xe chuyển động riêng rẽ, di chuyển tự mà không bị đầu bên cản trở Hệ thống treo độc lập đươc chia làm loại nhỏ: kiểu Macpherson, kiểu khí nén kiểu độc lập liên kết So với hệ thống treo phụ thuộc phần không treo nhỏ nên khả bám đường bánh xe cao, tính êm dịu chuyển động cao Do khơng có dầm cầu liền nối thân xe nên bố trị trọng tâm xe thấp đi, ngược lại hệ thống treo độc lập có cấu trúc phức tạp hơn,… Ngồi có hệ thống treo độc lập đòn ngang, hệ thống treo khí nén, hệ thống treo MacPherson hoạt động dựa nguyên tắc phận với công nghệ độ phức tạp cao mang lại thoải mái, tính êm dịu cho người dùng III.YÊU CẦU Đảm bảo cho ơt có tính êm dịu tốt chạy đường cứng phẳng,có nghĩa thỏa mãn tiêu: Đối với xe chở khách - Tần số dao động f= 1÷ 1,5 Hz Tuy nhiên tính tốn hệ thống treo ơtơ người ta sử dụng thông số: Số lần dao động phút n: n = 60 ÷ 90 lần/phút - Đảm bảo gia tốc dao động giới hạn cho phép, - Đảm bảo vận tốc dao động giới hạn cho phép + Đảm bảo cho xe chạy với tốc độ giới hạn chạy đường xấu mà khơng có va đập lên ụ đỡ, + Đảm bảo động học bánh xe dẫn hướng chúng dao động mặt phẳng thẳng đứng, + Dập tắt nhanh dao động thùng vỏ xe, + Giảm độ nghiêng bên thùng xe quay vòng IV.HỆ THỐNG TREO CHỦ ĐỘNG Hệ thống treo chủ động hay treo tíc cực cơng nghệ áp dụng tơ Nó điều khiển chuyển động bánh xe khung xe thơng qua hệ thống vi xử lý thay chuyển động xác định mặt đường Do loiạ bỏ hầu hết vấn đề nghiêng ngang, chúi đầu , xe , xóc, trường hợp vào cua , phanh gấp, tăng tốc đột ngột, đường xấu, Hệ thống phát chuyển động xe thông qua việc thu thập liệu gửi từ cảm biến phân tích điều khiển hệ thống treo xe cho phù hợp 1.Hệ thống treo sử dụng lưu chất biến từ Hệ thống treo cho phép thay đổi độ cứng giảm chấn theo điều kiện làm việc dựa nguyên lý điện từ, theo dầu thủy lực giảm chấn có sử dụng số hạt kim loại siêu nhỏ Trong trình làm việc, từ trường hệ thống kiểm soát tạo tác động lên hạt kim loại làm thay đổi độ nhớt dầu thủy lực, từ “độ cứng” giảm chấn thay đổi để phù hợp với điều kiện vận hành xe Hệ thống làm việc dựa điều khiển cảm biến bố trí để phát chuyển động thân xe Dựa vào liệu cảm biến, điều khiển 10 Hệ thống treo khí nén - điện tử tự động thích nghi với tải trọng xe, thay đổi độ cao gầm xe cho phù hợp với điều kiện hành trình Ví dụ: Độ cao bình thường tự động xác lập vận tốc xe đạt 80 km/h Nếu cảm biến tốc độ ghi nhận kim đồng hồ tốc độ vượt qua mức 140 km/h hệ thống tự động hạ gầm xe xuống 15mm so với tiêu chuẩn 3.Hệ thống treo MAGIC BODY CONTROL Hệ thống sử dụng máy quay stereo đặt phía sau kính chắn gió "Máy quay đo đạc đường cách 15 mét phía trước xe với độ xác đo đạc chiều cao cao khoảng mm" Quá trình cung cấp tranh xác tình trạng mặt đường Cùng với thông tin điều kiện lái, thiết bị điều khiển liên tục tính tốn chiến lược điều khiển tốt để giải mặt đường gồ ghề Dựa thơng tin này, hệ thống treo chủ động khiến giảm chấn cứng mềm vòng phần giây trước cho bánh xe riêng biệt, đồng thời tăng giảm tải trọng bánh xe thông qua hệ thống thủy lực chủ động Điều giảm đáng kể chuyển động thân xe Do ROAD SURFACE SCAN hệ thống hoạt động dựa máy quay, hệ thống hoạt động vào ban ngày tình trạng khả quan sát tốt mặt đường phù hợp vận tốc tối đa 130 km/h 13 MAGIC BODY CONTROL phát triển dựa hệ thống treo ABC (Active Body Control (Kiểm soát Thân xe Chủ động)) có hệ thống treo chủ động, cải thiện thoải mái lẫn linh động lái xe Đối với Active Body Control từ Mercedes-Benz, bốn chống lò xo lắp xy lanh thủy lực để lực chống lò xo điều chỉnh riêng biệt Kết là, chuyển động dọc, lăn trượt mà thân xe phải chịu gần bù trừ Thiết bị điều khiển nhận thông tin điều kiện lái từ nhiều cảm biến tăng tốc khác so sánh với liệu từ cảm biến áp lực chống lò xo cảm biến mức độ cần điều khiển Sau đó, hệ thống tính tốn tín hiệu điều khiển cho van thủy lực trợ lực cầu trước cầu sau, nhằm đo lưu lượng dầu thích hợp Tất kết mang đến kết hợp kỳ diệu thoải mái tối ưu linh hoạt lái xe 4.Hệ thống treo điện từ BOSE Hệ thống sử dụng động tuyến tính dựa củ loa phóng với thành phần gồm có cục nam châm cuộn dây điện từ, thứ có nhiệm vụ đẩy phần vành loa vào, “thổi phồng” kích cỡ lên để di chuyển hẳn xe 450 kg góc Nó tính tốn sử dụng mơ tơ điện từ, khuếch đại cơng suất, thuật tốn điều khiển, vi xử lý công suất tốt mạnh mẽ - tất thừ mà ông tin tưởng có tương lai Thơng qua thử nghiệm, ngườt xem nhận khác biệt rõ ràng đoạn đường gồ ghề khiến Lexus nguyên bị rung lắc khó chịu làm sao, dường không gây nên chút cảm giác với lắp hệ thống treo Bose Project Sound khơng làm giảm độ xóc đường gồ ghề mà chủ động đối phó với chúng 14 Hệ thống treo điện từ Bose lắp đặt Lexus LS400 Sự khác biệt hai xe Lexus LS400, bên nguyên bên có hệ thống treo Bose, qua đường gồ ghề 15 Mơ tơ tuyến tính lắp đặt góc thay cho lò xo giảm xóc truyền thống 16 CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH VÀ MƠ HÌNH HÓA HỆ THỐNG I.YÊU CẦU THIẾT KẾ Một hệ thống treo xe tốt nên đạt yêu cầu chắn, cung cấp thoải mái qua ổ gà, gờ giảm tốc, vệt lồi lõm đường Khi xe gặp xáo trộn đường (các vết lồi lõm, vết nứt khơng đồng vỉa hè), thân xe nên khơng có dao động lớn dao động nên tiêu tan cách nhanh chóng Vì khoảng cách X1W khó khăn để đo lường biến dạng lốp (X2-W) không đáng kể, sử dụng khoảng X1-X2 thay X1-W Xáo trộn bề mặt đường (W) mô bước đầu vào Chúng ta thiết kế điều khiển phản hồi để đầu (X1-X2) với độ điều chỉnh nhỏ 5% thời gian xác lập ngắn giây Ví dụ, xe chạy lên vệt lồi 10cm, thân xe buýt dao động phạm vi + /-5 mm quay trở lại trạng thái cân vòng giây(thời gian xác lập 5s) II.THIẾT LẬP VẬT LÝ 1.Mơ hình vật lý Hệ thống treo phận quan trọng thiết kế xe Khi qua đoạn đường "ổ gà" gồ ghề, hệ thống loại bỏ dao động thẳng đứng, hạn chế ảnh hưởng học đến khung chi tiết kim loại, tránh việc xe bị "chồm" lên nhiều, đồng thời đem lại thoải mái cho người ngồi xe.Thiết kế hệ thống treo ô tô vấn thú vị đầy thử thách Khi hệ thống treo thiết kế, cần mơ hình ¼ xe (một bốn bánh xe) sử dụng để đơn giản hóa vấn đề lên hệ lò xo giảm chấn Sơ đồ hệ thống thể sau: 17 Hệ thống tham số Hệ thống tham số dựa theo thông số nhà sản xuất xe ô tô Ford Ranger 2018 M1 body mass 420kg M2 suspension mass 80kg K1 spring constant of suspension system 48000N/m K2 spring constant of wheel and tire 200000N/m b1 damping constant of suspension system 320N.s/m b2 damping constant of wheel and tire 10000N.s/m u control force 2.Mơ hình tốn học Phương trình chuyển động Theo định luật II Newton ta có phương trình chuyển động sau: M11 = -b1(1 - 2) – K1(X1 –X2) + U(1) M2 = b1 (1 - 2) + K1(X1 –X2) + b2( – 2) + K2(W – X2) – U (2) Biến đổi Laplace ta : (M1s2 + b1s + K1)X1(s) – (b1s + K1)X2(s) = U(s) (3) -(b1s + K1)X1(s) + (M2s2 + (b1 + b2)s + (K1 + K2))X2(s) = (b2s + K2)W(s) – U(s) (4) Khi xem xét đầu vào U(s), thiết lập W(s) = ta có hàm truyền G1(s) sau: 18 G1(s) = = (5) Khi xem xét việc xáo trộn đầu vào W(s), thiết lập U(s) = ta có hàm truyền G2(s) sau: G2(s) = = (6) Với (7) 3.Khảo sát hệ thống hở Chúng ta sử dụng MATLAB để hiển thị hệ thống hở ban đầu thực (mà khơng có thông tin phản hồi nào) Thêm lệnh sau vào tập tin m chạy cửa sổ lệnh MATLAB để xem phản ứng hệ thống hở, U(s) M1 = 420; M2 = 80; K1 = 48000; K2 = 200000; b1 = 320; b2 = 10000; s = tf('s'); G1 = ((M1+M2)*s^2+b2*s+K2)/((M1*s^2+b1*s+K1)*(M2*s^2+(b1+b2)*s+ (K1+K2))-(b1*s+K1)*(b1*s+K1)); step(G1) Từ biểu đồ ta thấy phản ứng hệ hở cho hệ thống giảm chấn Những người ngồi xe buýt cảm nhận nhỏ dao động xe thời gian chạy dài để đạt trạng thái ổn định (thời gian xác lập lớn) Bây nhập vào 19 lệnh sau để xem phản ứng cho nhiễu loạn đầu vào, W(s), với cấp biểu kiến 0.1 m G2 = (-M1*b2*s^3-M1*K2*s^2)/((M1*s^2+b1*s+K1)*(M2*s^2+(b1+b2)*s+ (K1+K2))-(b1*s+K1)*(b1*s+K1)); step(0.1*G2) Từ biểu đồ phản ứng hở cho 10 cm xáo trộn(vệt lồi 10 cm), thấy xe qua vệt lồi 10cm thân xe dao động thời gian chạy dài (~ 10 giây) với biên độ ban đầu cm Những người ngồi xe không thoải mái với dao động lớn thời gian giải dài Các giải pháp cho vấn đề thêm điều khiển phản hồi vào hệ thống để cải thiện hiệu suất Sơ đồ hệ thống kín sau trình bày chi tiết phần thiết kế điều khiển 20 21 CHƯƠNG III THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN Từ vấn đề chính, phương trình hàm truyền sau: G1(s) = = G2(s) = = Với hệ thống sau sau F(s) G1(s) = G2(s) Hệ thống mơ MATLAB với tập tin m nhập vào lệnh sau : m1 m2 k1 k2 b1 b2 = = = = = = 420; 80; 48000; 200000; 320; 10000; num1=[(m1+m2) b2 k2]; den1=[(m1*m2) (m1*(b1+b2))+(m2*b1) (m1*(k1+k2))+(m2*k1)+(b1*b2) (b1*k2)+(b2*k1) k1*k2]; G1=tf(num1,den1); num2=[-(m1*b2) -(m1*k2) 0]; den2=[(m1*m2) (m1*(b1+b2))+(m2*b1) (m1*(k1+k2))+(m2*k1)+(b1*b2) (b1*k2)+(b2*k1) k1*k2]; G2=tf(num2,den2); numf=num2; denf=num1; F=tf(numf,denf); 22 I.ĐIỀU KHIỂN TỈ LỆ _ Hàm truyền hệ thống điều khiển tỉ lệ vòng kín với Kp = 100 thiết lập Matlab cách thêm vào m file lệnh sau: kp=100; dung=F*feedback(G1*kp,1); t=0:0.05:5; step(0.1*dung,t) Ta có đồ thị sau: Như ta thấy Kp không làm hệ thống ổn định, biên dộ dao động thời gian xác lập chưa đáp ứng yêu cầu Hãy thử số giá trị khác Kp, bạn thấy hệ thống ổn định 23 II.Điều khiển tỉ lệ -vi phân Bây ta thêm luật D vào điều khiển Thêm vào m-file có lệnh sau chạy kp=50; kd = 2; contr=tf([kd kp],1); dung=F*feedback(G1*contr,1); t=0:0.01:10; step(0.1*dung,t) 24 Với kp=50; kd=1 Như ta thấy Kp Kd không làm hệ thống ổn định theo yêu cầu, biên dộ dao động đáp ứng thời gian xác lập chưa đáp ứng yêu cầu III ĐIỀU KHIỂN PID Hàm truyền cho điều khiển PID là: Trong Kp độ lợi tỉ lệ, Ki độ lợi tích phân, Kd độ lợi vi phân Để bắt đầu, bắt đầu với đốn độ lợi cho tham số: Kp= 20, Ki= 80và Kd= 60 Điều thực vào MATLAB cách thêm đoạn mã sau vào m file: Kd = 20000; Kp = 80000; Ki = 60000; C = pid(Kp,Ki,Kd); dung=F*feedback(G1,C); step(0.1*dung) 25 Với : kp=200000; kd=800000; ki=600000; C = pid(Kp,Ki,Kd); dung=F*feedback(G1,C); t=0:0.05:8; step(0.1*dung,t) 26 Từ biểu đồ ta nhận thấy hệ thống đáp ứng yêu cầu toán với biên độ dao động nhỏ 5mm, thời gian xác lập nhỏ.Vì điều khiển PID hợp lí cho việc điều khiển hệ thống treo chủ động 27 ... người sử dụng Và nghiên cứu nhằm đáp ứng yêu cầu nghiên cứu hệ thống treo Với đề tài nghiên cứu hệ thống treo chủ động với điều khiển PID giúp hiểu rõ hệ thống treo ô tô nguyên lý hoạt động hệ treo. .. IV.HỆ THỐNG TREO CHỦ ĐỘNG 1 .Hệ thống treo sử dụng lưu chất biến từ .9 2 .Hệ thống treo khí nén điện tử 11 3 .Hệ thống treo MAGIC BODY CONTROL... tắt nhanh dao động thùng vỏ xe, + Giảm độ nghiêng bên thùng xe quay vòng IV.HỆ THỐNG TREO CHỦ ĐỘNG Hệ thống treo chủ động hay treo tíc cực cơng nghệ áp dụng ô tô Nó điều khiển chuyển động bánh xe