Bài viết trình bày việc ứng dụng thuật toán điều khiển LQR để điều khiển hệ thống treo chủ động với mô hình dao động phẳng dọc cho mô hình toàn xe. Phần cuối của bài viết tác giả sử dụng phần mềm MATLAB để mô phỏng, so sánh đánh giá hệ thống treo chủ động điều khiển LQR với hệ thống treo thụ động.
BÀI BÁO KHOA HỌC XÂY DỰNG MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TREO CĨ ĐIỀU KHIỂN CHO MƠ HÌNH TỒN XE Vũ Hải Quân1, Trịnh Duy Hùng2 Tóm tắt: Bài báo trình bày việc ứng dụng thuật tốn điều khiển LQR để điều khiển hệ thống treo chủ động với mơ hình dao động phẳng dọc cho mơ hình tồn xe Phần cuối báo tác giả sử dụng phần mềm MATLAB để mô phỏng, so sánh đánh giá hệ thống treo chủ động điều khiển LQR với hệ thống treo thụ động Kết nghiên cứu cho thấy số thông số: Biên độ dao động; Thời gian dập tắt dao động; Gia tốc dịch chuyển thân xe hệ thống treo chủ động tốt so với treo bị động Từ khóa: Treo chủ động; Cơ cấu tạo lực; An tồn; Êm dịu, Mơ hình tốn học ĐẶT VẤN ĐỀ Ơ tơ hệ dao động nằm mối liên hệ chặt chẽ với đường có biên dạng phức tạp Dao động tơ khơng ảnh hưởng đến người, hàng hóa chun chở, độ bền cụm tổng thành Những dao động gây ảnh hưởng xấu đến xe đặc biệt cảm giác người lái Chính hệ thống treo đời để giải vấn đề độ êm dịu an toàn chuyển động ô tô Nếu với hệ thống treo thụ động đáp ứng với cung đường định Hệ số cản giảm chấn hệ thống treo bị động cịn có mâu thuẫn với độ an toàn chuyển động độ êm dịu (Phạm Thị Nguyệt, 2013) Để thỏa mãn tiêu độ êm dịu chuyển động độ an toàn tất loại đường khác đặc tính cần phải thay đổi q trình chuyển động để phù hợp với đặc tính đường Một hướng phát triển mà hãng xe tiếng hướng tới thiết kế hệ thống treo chủ động Thuật ngữ "Chủ động" hiểu hệ thống treo, thơng số làm việc thay đổi trình hoạt động Hệ thống điều khiển điện tử hệ thống treo chủ động cho phép thay đổi thông số làm việc cách tự động XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CỦA HỆ THỐNG TREO Ngày nhà thiết kế ôtô ứng dụng nhiều thành tựu công nghệ vật liệu, kỹ thuật - điện tử đời hệ thống treo có tính kỹ thuật tiên tiến, cáchệ thống treo chủ động thủy lực - khí nén; khí nén - điện tử EAS; Hệ thống treo điện từ Các hệ thống dùng cho dòng xe cao cấp Audi, BMW, Lexus… Với hệ thống treo chủ động trang bị xe người lái lựa chọn, điều chỉnh độ đàn hồi cho thích hợp với chế độ vận hành xe đường thông qua công tắc điều khiển lựa chọn chế độ Comfort hay Sport (Phạm Thị Nguyệt, 2013) 2.1 Thiết lập mơ hình tốn cho tồn xe hệ thống treo chủ động Bước đầu ta tiến hành xây dựng mơ hình hệ thống treo chủ động gồm lò xo, giảm chấn, sinh lực tương tác Ua, lốp xe khối lượng giá treo (hình 1) Thiết lập mơ hình với thơng số tính tốn mơ theo bảng 1, (Đào Mạnh Hùng, 2007; Vũ Hải Qn, Hồng Anh Tuấn, 2019 Bảng 1.Thơng số tính tốn cho mơ hình tồn xe hệ thống treo 1,2 = 59 kg 59 kg 2160 kgm a b = 1.5m 1.5m Đại học Công Nghiệp Hà Nội 72 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Hình Mơ hình toàn xe Chuyển động lắc ngang phần khối lượng treo (1) Chuyển động lắcdọc phần khối lượng treo (2) Dao động thẳng đứng phần khối lượng treo (3) Chuyển động bánh xe (phương thẳng đứng) (4) Trong đó: ; ; ; ; Trong đó:ms: khối lượng thân xe (khối lượng treo) (kg); Ip Ir : Mơmen qn tính dọc trục xoắn (kg/m2); Zs : Chuyển vị thân xe (m); Zs1, Zs2, Zs3, Zs4 : Chuyển vị thân xe góc (m); Zu1, Zu2, Zu3, Zu4 Chuyển vị bánh xe (m); Tf Tr : Chiều rộng trước sau xe; kf kr : Độ cứng lị xo phía trước sau (N/m); ktf ktr : Độ cứng lốp ; ; ; xe trước sau (N/m) Phương trình trạng thái khơng gian thể phương trình t) = Ax(t)+ f(t) phương trình viết sau: ; ; ; ; ; ; KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 73 (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) 2.2 Xây dựng mơ hình điều khiển LQR Xem xét biến trạng thái điều chỉnh thông tin cho hệ thống (12)) K trạng thái ma trận khuếch đại có hồi tiếp Quy trình tối ưu hóa bao gồm xác định đầu vào điều khiển U, giúp giảm thiểu số hiệu suất Chỉ số hiệu suất J thể yêu cầu đặc tính hiệu suất giới hạn đầu vào điều khiển Bộ điều khiển tối ưu hệ thống cho xác định thiết kế điều khiển giúp giảm thiểu số hiệu suất theo sau (Vũ Hải Quân, Hoàng Anh Tuấn, 2019; Abramov, Mannan) (3.7) Hệ số khuếch đại K biểu thị bằng: (13)) Ma trận P phải thõa mãn ma trân rút gọn phương trình Riccati (14) Sau điều chỉnh thơng tin U (15) Để thiết kế hệ thống điều khiển dựa phương pháp điều khiển tối ưu (LQR), tham số khâu điều khiển chọn xuất phát từ nỗ lực tìm cực tiểu cho hàm chất lượng Các tham số giá trị gán giá trị ; ; 74 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Từ thiết lập mơ hình phương trình trạng thái t) = Ax(t) + + f(t) Trong đó: = Ẋw ṙ X4 = ; = Ẍs; Ẋ ṙ;Ẋ4 = Ẍw = Từ mơ hình liên tục khâu phản hồi trạng thái: U = -Kx Trong K ma trận phản hồi, thiết kế cho hàm chất lượng mục tiêu cực tiểu Ứng dụng Matlab để tìm ma trận phản hồi K theo tiêu chuẩn tích phân tối ưu tuyến tính: K=lqr(A,B,Q,R); Sử dụng lệnh Matlab ta xác định kết ma trận phản hồi K Từ thông số hệ thống treo, lựa chọn thông số: Và giá trị R=0.0001 Ta xác định giá trị ma trận phản hồi 3.ỨNG DỤNG MATLAB/SIMULINK ĐỂ MÔ PHỎNG CÁC THÔNG SỐ CỦA HTT 3.1 Thiết lập mơ tín hiệu mặt đường Để khảo sát động lực học hệ thống treo cần phải xác định xe hoạt động điều kiện mặt đường Để phù hợp với điều kiện giao thông thực tế trước tiên tiến hành xây dựng mơ hình mơ tín hiệu mặt đường (Abramov, Mannan) a, Bánh trước b, Bánh sau Hình Biên dạng đường loại 3.2 Thiết kế mô hình điều khiển tối ưu HTT chủ động tơ SIMULINK phần chương trình mở rộng MATLAB nhằm mục đích mơ hình hóa, mơ khảo sát hệ thống động học Giao diện đồ họa hình SIMULINK cho phép thể hệ thống dạng sơ đồ tín hiệu với khối chức quen thuộc (Nguyễn Phùng Quang, 2005) Từ kho liệu mơ hình SIMULINK tạo thành sơ đồ điểu khiển, theo mơ hình tối ưu tốn điều khiển giá treo chủ động tơ, xây dựng mơ hình điều khiển tối ưu theo sơ đồ (hình 3) Hình Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống treo chủ động KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 75 3.3 Kết mơ Hình Mối tương quan lực tạo cấu điều khiển cho bánh xe cầu trước cầu sau vào thời gian Hình Sự thay đổi gia tốc dịch chuyển thân xe độ dịch chuyển thân xe phụ thuộc vào thời gian Hình Sự dịch chuyển bánh xe cầu trước cầu sau Hình Độ lệch bánh xe cầu trước cầu sau Hình Sự thay đổi hành trình treo cho bánh xe cầu trước cầu sau KẾT LUẬN Bài báo tiến hành xây dựng mô hình tốn học cho mơ hình tồn xe, phân tích xây dựng lý thuyết điều khiển LQR cho hệ thống treo chủ động 76 Dựa phương trình tốn học thu kết hợp với phần mềm mô MATLAB/SIMULINK so sánh, đánh giá số thông số đặc trưng cho hệ thống treo như: Sự dịch chuyển khối lượng KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC treo; Gia tốc khối lượng treo; Sự dịch chuyển bánh xe; Độ lệch bánh xe hành trình treo biên dạng đường thay đổi Kết so sánh cho thấy, với điều kiện biên dạng đường thơng số đầu vào mơ thời gian dập tắt dao động hệ thống treo chủ động nhanh gấp – lần so với hệ thống treo bị động, qua cho thấy tính êm dịu an toàn hệ thống treo chủ động hiệu sơ với treo bị động.Đối với hệ thống treo chủ động cần điều khiển lực tác động phạm vi 5000N TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Phùng Quang (2005), Matlab & Simulink, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Đào Mạnh Hùng (2007), Dao động tơ, Bài giảng chương trình Cao học, Hà Nội Phạm Thị Nguyệt (2013), Xây dựng mơ hình khảo sát làm việc hệ thống treo bán chủ động, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa, Hà Nội Vũ Hải Quân, Hoàng Quang Tuấn: Mơ hình hóa điều khiển hệ thống treo tích cực cho mơ hình ¼ xe TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số đặc biệt tháng năm 2019 Abramov, Mannan, Semi-Active Suspension System Simulation Using SIMULINK Abstract: BUILDING A RESEARCH MODEL FOR ACTIVE SUSPENSION SYSTEM IN FULL CAR MODEL The paper presents the application of LQR control algorithm to control the positive suspension with the vertical plane oscillation model forfor full car model along the car At the end of the paper, the author uses MATLAB software to simulate and compare the evaluation of the active LQR suspension with passive suspension Research results show some parameters: fluctuation range; Time of quenching oscillation; The body movement acceleration of the active suspension is better than the passive suspension Keywords: Active suspension, force-generation, safety, quietness, mathematical model Ngày nhận bài: 17/5/2019 Ngày chấp nhận đăng: 21/8/2019 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 77 ... ưu tốn điều khiển giá treo chủ động tơ, xây dựng mơ hình điều khiển tối ưu theo sơ đồ (hình 3) Hình Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống treo chủ động KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG -... động nhanh gấp – lần so với hệ thống treo bị động, qua cho thấy tính êm dịu an tồn hệ thống treo chủ động hiệu sơ với treo bị động.Đối với hệ thống treo chủ động cần điều khiển lực tác động phạm... bánh xe cầu trước cầu sau Hình Độ lệch bánh xe cầu trước cầu sau Hình Sự thay đổi hành trình treo cho bánh xe cầu trước cầu sau KẾT LUẬN Bài báo tiến hành xây dựng mơ hình tốn học cho mơ hình