Bài viết trình bày thiết kế một bộ điều khiển tối ưu toàn phương cho hệ thống ổn định ngang chủ động ở cả hai cầu nhằm mục đích nâng cao độ ổn định ngang của ô tô. Các tín hiệu được xem xét tối ưu bao gồm góc lắc ngang thân xe, gia tốc ngang và hệ số chuyển tải ở hai cầu.
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH NGANG CHỦ ĐỘNG TRÊN Ô TÔ KHÁCH TẦNG RESEARCH ON CONTROLLING THE ACTIVE ANTI-ROLL BAR SYSTEM OF DOUBLE DECKER BUSES Vũ Văn Tấn TĨM TẮT Ơ tơ khách hai tầng ngày chiếm vai trò quan trọng vận chuyển hành khách du lịch toàn giới Hiện hầu hết ô tô khách hai tầng trang bị ổn định ngang bị động, nhiên tải trọng lớn chiều cao trọng tâm cao nên tai nạn lật ngang dạng ô tô gây hậu nghiêm trọng Bài báo trình bày thiết kế điều khiển tối ưu toàn phương cho hệ thống ổn định ngang chủ động hai cầu nhằm mục đích nâng cao độ ổn định ngang tơ Các tín hiệu xem xét tối ưu bao gồm góc lắc ngang thân xe, gia tốc ngang hệ số chuyển tải hai cầu Kết mô miền thời gian miền tần số thể rõ hiệu điều khiển đề xuất với độ giảm tiêu đánh giá từ khoảng 45% so với ô tô sử dụng ổn định ngang bị động thông thường Từ khóa: Động lực học tơ, hệ thống ổn định ngang chủ động, điều khiển tối ưu toàn phương LQR, Tai nạn lật ngang, ô tô khách tầng ABSTRACT Double-decker buses are increasingly playing an important role in passenger and travel transportation worldwide Currently, most of double-decker buses are equipped with the passive anti-roll bar system, but due to the high load and high center of gravity, the rollover accident of this type of vehicle always cause serious consequences The paper presents the design of an optimal controller for the active anti-roll bar system on both axles in order to improve the vehicle's roll stability Signals that are considered to be optimal include roll angle, lateral acceleration and normalized load transfer at the two axles Simulation results on the time and frequency domain clearly show the effectiveness of the proposed controller with the reduction of evaluation signals about 45% compared to buses using the passive anti-roll bar system Keywords: Vehicle dynamics, Active anti-roll bar system, Optimal control LQR, Vehicle rollover, Double-decker bus Khoa Cơ khí, Trường Đại học Giao thông Vận tải Email: vvtan@utc.edu.vn Ngày nhận bài: 20/3/2020 Ngày nhận sửa sau phản biện: 28/6/2020 Ngày chấp nhận đăng: 18/8/2020 GIỚI THIỆU Những ô tô khách tầng coi hình ảnh biểu tượng nước Anh quốc gia sử dụng xe khách tầng nhiều giới, Ireland, Đan Mạch, Đức, Nhật Bản , chúng dần trở thành 74 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (8/2020) phương tiện giao thông công cộng phổ biến đạt hiệu vận tải cao thành phố đông đúc Ở Việt Nam, mức độ sử dụng xe khách tầng dần phổ biến khác với nước phát triển xe khách tầng Việt Nam chủ yếu dùng để vận chuyển tuyến đường dài từ Bắc vào Nam, từ Hà Nội lên Lào Cai Ơ tơ khách tầng có đặc điểm có tải trọng lớn, tọa độ trọng tâm cao bề rộng hai bên bánh xe bị giới hạn khơng vượt q 2,5m, khả chống lật ô tô không tốt Điều dẫn đến nhiều vụ tai nạn giao thông liên quan đến lật ngang ô tô khách tầng, ví dụ vụ tai nạn giao thơng tơ khách tầng Sapa - Lào Cai năm 2014 làm chết 12 người hình Hình Tai nạn giao thông ô tô khách tầng tuyến Lào Cai - SaPa năm 2014 Tai nạn giao thông liên quan đến lật ngang ô tô chia thành bốn nhóm sau [1, 2]: + Phịng ngừa được: người điều khiển tơ phòng ngừa tai nạn hỗ trợ thiết bị lắp đặt xe, cách cảnh báo nguy hiểm xảy Với nhóm này, giảm số vụ tai nạn liên quan đến tượng lật, khoảng 3,3% + Có khả phịng ngừa: tai nạn điều khó tránh Tuy nhiên nhiều trường hợp người điều khiển phương tiện tránh nó, phụ thuộc vào kỹ điều khiển độ tin cậy phương tiện khả làm việc thiết bị cảnh báo Với nhóm này, giảm nhiều tai nạn, khoảng 38,4% + Khơng thể phịng ngừa: kỹ lái xe hay khả làm việc thiết bị cảnh báo, tượng lật Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 xảy Nhóm chiếm lớn tổng số tai nạn lật ngang ô tô, chiếm khoảng 49,7% + Khả lật khơng thể xác định: nhóm chiếm khoảng 8,6% tổng số vụ tai nạn lật ngang ô tô Việc lái xe cảm nhận dấu hiệu tượng lật nhiệm vụ khó khăn thường diễn tình khẩn cấp nhanh Các điều tra cho thấy có số vụ tai nạn lật ngang tơ tránh với thiết bị cảnh báo, điều chiếm tỉ lệ cao với người thợ lái xe lành nghề, nửa số tai nạn lật ngang ngăn chặn thao tác người lái xe Nguyên nhân tai nạn lật ngang ổn định xe lực tiếp xúc lốp với đường bên bánh xe không, tức bánh xe bị nhấc lên khỏi mặt đường ảnh hưởng lực quán tính ngang [3, 4] Hầu hết ô tô thường trang bị ổn định ngang bị động, hệ thống chứng minh không cung cấp đủ mô men chống lật trường hợp khẩn cấp ví dụ hình Việc nghiên cứu lý thuyết hệ thống ổn định ngang chủ động nghiên cứu từ năm 1998-2010 trường Đại học Cambrigle - Vương Quốc Anh, sau nhà nghiên cứu Đại học bách khoa Budapest Hungary phát triển cấp độ cao Các phương pháp điều khiển cho hệ thống ổn định ngang chủ động ô tô kể đến: PID, mờ (Fuzzy), H∞, LPV, [2, 3, 5] Trong nghiên cứu tác giả đề xuất mơ hình tơ khách tầng sử dụng phương pháp điều khiển tối ưu toàn phương LQR cho hệ thống ổn định ngang chủ động, với mục tiêu tối ưu gia tốc ngang, góc lắc ngang thân xe hệ số chuyển tải cầu Do báo có kết cấu sau: Phần giới thiệu mơ hình tơ khách tầng sử dụng để nghiên cứu Bộ điều khiển tối ưu toàn phương LQR cho hệ thống ổn định ngang chủ động trình bày phần Phần kết mô miền thời gian miền tần số Kết hướng nghiên cứu trình bày phần MƠ HÌNH Ơ TƠ KHÁCH TẦNG 2.1 Xây dựng mơ hình tơ Mơ hình tơ khách tầng thể hình 2, với tơ chế độ đầy tải có tọa độ trọng tâm điểm O Các thơng số mơ hình tơ trình bày [4] Phương trình động lực học bao gồm: Phương trình cân mơ men tọa độ trọng tâm khối lượng treo: (Izz ms h2 ).f Ixz ψ ms g.h.f v.h.(β ψ) k f (f f tf ) bf (f f tf ) (1) uf kr (f f tr ) bf (f f tf ) ur MARf Tf MARt Tr Phương trình cân moment tọa độ trọng tâm theo trục Oz: Ixz. Izz Fyf a Fyr b (2) Phương trình cân lực bên theo phương Oy: (3) mv () ms.h. Fyf Fyr Phương trình cân mơ men khối lượng không treo cầu sau: rF yr mur v.(r hur ).() mur gh ur tr ktr.tr (4) kr (tr ) br ( tf ) ur MARr T Phương trình cân mô men khối lượng không treo cầu trước: rF yf muf v.(r huf ).() muf gh uf tf ktf tf (5) k f (tf )bf ( tf )uf MARf Tf Trong đó, lực bên lốp hai cầu trước xác định sau: Fyf m.C f ( f a ) v b ) Fyr m.C r ( v Phương trình (1) đến phương trình (5) hệ phương trình động lực học ô tô, viết thành dạng không gian trạng thái sau: x A x B1 w B u y C x D1 w D u Trong véc tơ trạng thái lựa chọn: x [ tf tr ]T ; kích thích bên ngồi góc đánh lái: w =δf ; véc tơ điều khiển: u Tf Hình Mơ hình tô khách tầng Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn T r T Do thơng số cần quan tâm góc lắc ngang thân xe, gia tốc ngang, hệ Vol 56 - No (Aug 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 75 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 số chuyển tải hai cầu nên véc tơ thông số đầu lựa T chọn: y x ay Rf hệ thống R A, B1, B2, C, D1, D2 ma trận Đối với tốn LQR, phương trình vi phân Riccati thay phương trình đại số Riccati sau: r 2.2 Các tiêu đánh giá Để đánh giá ổn định ngang ô tô, ba tiêu sau thường sử dụng [5, 6, 7]: - Góc nghiêng ngang thân xe: o o - Gia tốc ngang thân xe ay ay ≤ 0,5g (g gia tốc trọng trường) S.A A S S.B.R B S Q T 1 Hiểu phương trình đại số Riccati có ma trận A, B, Q R tất khơng đổi Nói chung có nhiều cách giải phương trình đại số Riccati xác định dương xác định bán dương [5, 8] 3.2 Thiết kế điều khiển LQR Hàm mục tiêu điều khiển tối ưu LQR có dạng: T f k ; F l tf R tf r zf tr zr Trong đó: Fzf Fzr tải trọng tĩnh cầu trước cầu sau; ktf, ktr độ cứng góc lốp trước sau; tf ,tr góc lắc ngang cầu trước cầu sau; l 1/2 chiều rộng vết bánh xe Khi |Rf,r|