Nghiên cứu điều khiển tối ưu cho hệ thống ổn định ngang chủ động trên ô tô

Trong nghiên cứu này tác giả đề xuất hai bộ điều khiển tối ưu là LQR và LQG cho hệ thống ổn định ngang chủ động, bằng cách cung cấp thêm hai mô men từ các cơ cấu chấp hành ở cầu trước và cầu sau ô tô.

BÀI BÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CHO HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH NGANG CHỦ ĐỘNG TRÊN Ô TƠ Vũ Văn Tấn1 Tóm tắt: Tai nạn giao thơng đường liên quan đến ô tô tải trọng lớn thường gây hậu nghiêm trọng tính mạng người phương tiện Trong tượng lật ngang ghi nhận với mức độ xảy phổ biến loại phương tiện Hiện hầu hết ô tô trang bị ổn định ngang bị động, nhiên nhược điểm chúng không cung cấp đủ mơ men ổn định tình khẩn cấp Bên cạch hệ thống an toàn chủ động hệ thống treo, hệ thống phanh, hệ thống lái, hệ thống ổn định ngang chủ động đánh giá giải pháp hiệu để nâng cao độ ổn định ô tô Trong nghiên cứu tác giả đề xuất hai điều khiển tối ưu LQR LQG cho hệ thống ổn định ngang chủ động, cách cung cấp thêm hai mô men từ cấu chấp hành cầu trước cầu sau ô tô Với mục tiêu đáp ứng hiệu thực tế việc áp dụng ô tô, tác giả sử dụng kết hợp quan sát Kalman để xác định tín hiệu đầu vào cho điều khiển Kết mô cho thấy, hệ thống ổn định ngang chủ động nâng cao độ ổn định ngang ô tô 30% so với ô tô sử dụng hệ thống treo bị động Từ khố: Động lực học tơ, Điều khiển tuyến tính, Điều khiển tối ưu, Bộ quan sát Kalman-Bucy, Hệ thống ổn định ngang chủ động ĐẶT VẤN ĐỀ * Lật ngang tượng nguy hiểm phương tiện giao thơng, xảy lại để lại hậu nặng nề Mất ổn định ngang nguyên nhân cho tượng lật ngang ô tô Theo báo cáo Cục quản lý đường (NHTSA) Mỹ, năm 2012 có 333000 xe hạng nặng liên quan đến vụ tai nạn giao thông khiến 3912 người thiệt mạng 104000 người bị thương tượng lật xe Trong năm 2013, có 4500 người thiệt mạng vụ tai nạn giao thông liên quan đến xe hạng nặng EU, chiếm 18% tổng số trường hợp tử vong tai nạn đường năm đó, điều đặt câu hỏi với nhà quản lí để khắc phục loại tai nạn Từ năm 2000 đại học Cambridge vương quốc Anh tiến hành nghiên cứu hệ thống ổn định ngang chủ động nhằm nâng cao tính ổn định ngang cho ô tô Hệ thống gồm có ổn định ngang bị động có dạng hình chữ U với xylanh Bộ mơn Cơ khí tơ, Khoa Cơ khí, Đại học Giao thơng Vận tải Email: vvtan@utc.edu.vn 78 thuỷ lực liên kết ổn định bị động khung xe để sinh momen giúp ô tô ổn định Để điều khiển cấu có nhiều cách như: điều khiển LQR, điều khiển H  Trong nghiên cứu này, tác giả đề xuất việc áp dụng phương pháp sử dụng quan sát KalmanBucy kết hợp với điều khiển tối ưu LQR đẻ xây dựng điều khiển LQG MƠ HÌNH Ơ TƠ Hình Mơ hình yaw-roll tơ tải hai trục Mơ hình tơ sử dụng nghiên cứu Yaw-Roll ô tô đơn trục trang bị hệ thống treo phụ thuộc, thể hình Mơ hình gồm phần: 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 khối lượng treo ms , khối lượng không treo chủ động hai cầu u f ,ur Các kí hiệu thông số cầu trước muf , khối lượng khơng treo cầu sau mơ hình Yaw-roll thể (Vu, Olivier Sename, Luc Dugard & Peter Gaspar, 2017) mur Momen điều khiển hệ thống ổn định ngang Phương trình động lực học tô xác định sau:     l   l   m.v.(    )  m s h.     C f     f  f      Cr     r v   v       (1)  l      l         C f      f  f   l f    C r     r   lr  I xz    I zz v  v      (2)   ms g.h.  ms v.h.(   )  k f ( tf )  bf (   tf )  uf ( Izz  ms h2 ).   I xz   kr ( tr )  bf (  tr )  ur  r.Yyf  muf v.( r  huf ).(    )  muf g.huf tf (3) (4)  ktf tf  k f (   tf )  b f (    tf )  u f r.Yyr  mur v.( r  hur ).(    )  mur g.hur tr (5)  ktr tr  kr (   tr )  br (    tr )  ur Phương trình động lực học từ (1-5) biểu diễn dạng không gian trạng thái sau:  X  A X  B1 W  B2 U   Z  C.X  D1 W  D2.U Trong đó; véctơ trạng thái X       tf (6) T    tr  , X       tf T  tr  , kích thích góc đánh lái: W   f Tín hiệu điều khiển U  u f ur  THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ Đối với việc thiết kế điều khiển, ta giả định THỐNG ỔN ĐỊNH NGANG CHỦ ĐỘNG thơng số vector trạng thái 3.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển tối ưu phản đo hay ước lượng Từ xem hồi âm xét đến lực điều khiển: u   K x (7) Trong K ma trận phản hồi trạng thái Quá trình tối ưu cần xác định tín hiệu đầu vào u để giảm thiểu số tín hiệu hàm mục tiêu J biểu diễn sau:  Hình Bộ điều khiển phản hồi âm vector trạng thái Điều khiển tối ưu để xác định luật điều khiển cho hệ thống động cho trước cho tối thiểu hoá một vài tiêu chất lượng Có phương pháp điều khiển phản hồi trạng thái tối ưu phản hồi dương phản hồi âm Sau tác giả sử dụng điều khiển phản hồi âm có cấu trúc hình J  x,u     xT Qx  uT Ru  2xT Nu  dt (8) Với ma trận Q giả thiết ma trận đối xứng, xác định không âm R ma trận đối xứng xác định dương Theo lý thuyết điều khiển tối ưu tuyến tính K xác định sau: (9) K  R 1 BT P Với P nghiệm phương trình Riccati: AP  AT P  PBR1 BT P  Q  (10) 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 79 3.2 Xây dựng điều khiển tối ưu 3.2.1 Xây dựng điều khiển LQG Phương pháp điều khiển tối ưu LQG (Linear Quadratic Gaussian) kết hợp lọc Kalman vào toán tối ưu LQR biểu diễn qua hình Hình Sơ đồ điều khiển LQG Bộ điều khiển LQR tạo lực điều khiển u thích hợp cho đối tượng điều khiển sử dụng tín hiệu để kết hợp với kích thích bên ngồi w (góc đánh lái) vector đầu xem xét đến nhiễu y(t) làm tín hiệu đầu vào cho lọc Kalman Điểm khác biệt điều khiển LQR thơng thường sử dụng tín hiệu coi đo từ cảm biến điều khiển LQG xây dựng sử dụng tín hiệu ˆx ước lượng từ quan sát Kalman với cảm biến dễ sử dụng thường lắp đặt cảm biến vận tốc góc xoay thân xe cảm biến gia tốc ngang Đấy điểm mấu chốt khác biệt điều khiển LQG so với LQR 3.2.2 Bộ quan sát Kalman-Bucy Việc xây dựng đánh giá quan sát KalmanBucy giới thiệu kĩ nghiên cứu (Vũ Văn Tấn; Đinh Đức Thiện; Đỗ Trọng Tú, 19-20 tháng 7/2019) Tuy nhiên nghiên cứu tác giả chưa xem xét đến tồn tín hiệu điều khiển u Sự khác biệt quan sát KalmanBucy đầu vào quan sát gồm có: hai cảm biến đề cập trên, tín hiệu điều khiển u góc đánh lái w Do việc tổng hợp quan sát cần có thay đổi ma trận 3.2.3 Lựa chọn hàm mục tiêu Mục đích hệ thống điều khiển tối ưu nâng cao độ tính ổn định ngang tơ Do ta lựa chọn hàm mục tiêu sau:  J   1   2   3   4  5uf2  6ur2  7 u 2f  8 ur2 dt   Trong 1 ,  ,  , 4 , 5 , 6  trọng số cho trước Giá trị trọng số thể mức độ ưu tiên khác cho tiêu khác Độ ổn định ngang ô tô đánh giá thông qua:  ,uf ,ur Do giá trị tín hiệu 3 ,  , 6 xem xét tăng lên so với yếu tố khác Với mô hình Yaw-Roll tác giả chọn giá trị i  i    bảng sau: Bảng Thơng số i điều khiển cho mơ hình Yaw-roll Lưu ý: Việc lựa chọn giá trị i phụ thuộc nhiều vào mục tiêu điều khiển kinh nghiệm người thiết kế Thông thường việc lựa chọn 80 thực thông qua hai công đoạn “Thử Kiểm tra”, nhiên áp dụng phương pháp tối ưu thuật giải di truyền (GA) để lựa chọn KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ Để đánh giá hiệu phương pháp điều khiển, tác giả khảo sát với hai loại góc đánh lái là: góc đánh lái tơ quay vịng góc đánh lái ô tô chuyển hình tốc độ khác từ 10 km/h đến 130 km/h Hiệu điều khiển đánh giá thông qua tiêu: - Hình dạng - giá trị tín hiệu theo thời gian, - Sai lệch bình phương trung bình RMS tín hiệu Các tín hiệu khảo sát bao gồm: a) Góc  ; c) lắc thân xe  ; b) Vận tốc lắc ngang thân xe  Góc lắc ngang thân xe  ; d) Vận tốc góc lắc ngang thân xe  ; e) Góc lắc cầu trước uf ; f) Góc lắc cầu sau ur 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 góc đánh lái a) Góc đánh lái tơ quay vịng; b) Góc đánh lái ô tô chuyển 4.1 Trường hợp 1: Ơ tơ đánh lái quay vịng  ; ; ;uf ;ur Hình Đáp ứng thời gian  ; Hình Tỷ lệ sai lệch bình phương trung bình RMS tín hiệu Theo hình 5, ta thấy tín hiệu thơng qua điều khiển LQG bám sát với giá trị tín hiệu điểu khiển LQR (tín hiệu tối ưu mà mong muốn) với thấy có khác biệt rõ rệt việc sử dụng hệ thống có điều khiển bị động Coi tín hiệu bị động 100% ta thấy sau thơng qua điều khiển giá trị tín hiệu giảm đáng kể (giá trị 50% so với hệ thống bị động) cho thấy rõ việc điều khiển đem lại ổn định tốt cho ô tô Như vận tốc 40 km/h với góc đánh lái để tơ quay vịng điều khiển LQR LQG hoạt động tốt 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 81 4.2 Trường hợp 2: Ơ tơ đánh lái chuyển  ; ; ;uf ;ur Hình Đáp ứng thời gian  ; Hình Tỷ lệ sai lệch bình phương trung bình RMS tín hiệu Theo hình 7, ta thấy giá trị giá trị liên quan đến ổn định ngang ô tô hai điều khiển nhỏ (chỉ10% so với bị động 100%) Đây trường hợp mà điều khiển làm việc tốt trường hợp khảo sát Bộ điều khiển LQG đưa tín hiệu xác LQR mà cịn làm tốt điều khiển LQR (mặc dù khác biệt không lớn) Như ta thấy điều khiển LQR LQG làm việc tốt ô tô chuyển vận tốc 60 km/h Từ kết mô thấy rằng, hệ thống ổn định ngang chủ động có vai trị nâng cao ổn định ngang ô tô không làm thay đổi đặc tính dẫn hướng tơ (giá trị β ψ gần không thay đổi) Điều đảm bảo ô tô 82 trang bị hệ thống ổn định ngang chủ động không làm thay đổi cảm giác lái KẾT LUẬN Trong nghiên cứu tác giả tập chung việc áp dụng phương pháp điều khiển tối ưu vào điều khiển hệ thống ổn định ngang chủ động ô tô tải Bộ quan sát Kalman-Bucy điều khiển LQR kết hợp để tạo điều khiển LQG với hai cảm biến cảm biến vận tốc góc xoay thân xe cảm biến gia tốc ngang Kết mô cho thấy sử dụng cảm biến điều khiển LQG gần bám sát với kết điều khiển LQR (lý tưởng) nhằm nâng cao tính ổn định ngang ô tô Từ mở hội để áp dụng kết nghiên cứu vào việc thử nghiệm ô tô thực tế 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 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Doãn Phước (2009) Lý thuyết điều khiển nâng cao Hà Nội: In lần thứ NXB Khoa học Kỹ thuật Nguyễn Doãn Phước (2009) Lý thuyết điều khiển tuyến tính Hà Nội: In lần thứ NXB Khoa học Kỹ thuật Vũ Văn Tấn; Đinh Đức Thiện; Đỗ Trọng Tú (19-20 tháng 7/2019) Ước Lượng Trạng Thái Của Ơtơ Tải Bằng Bộ Quan Sát Hội nghị khoa học toàn quốc lần thứ Động lực học Điều khiển Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng Gaspar P, Szabo Z, Bokor J (2005) Prediction based combined control to prevent the rollover of heavy Limassol, Cyprus: Proceedings of the 13th Mediterranean Conference on Control and Automation Gaspar P, Szaszi I, Bokor J (2004) The design of a combined control structure to prevent the rollover Euro Journal of Control Miege AJP, Cebon D (2002) Design and implementation of an active roll control system for heavy Hiroshima, Japan: 6th International Symposium on Advanced Vehicle Control, AVEC 2002 Sampson DJM (2000) Active roll control of articulated heavy vehicles University of Cambridge, UK Sampson DJM, Cebon D (2003) Achievable roll stability of heavy road vehicles United Kingdom: Journal of Automobile Engineering Van Tan Vu, Olivier Sename, Luc Dugard & Peter Gaspar (2017) Enhancing roll stability of heavy vehicle by LQR active anti-roll bar control using electronic servovalve hydraulic actuators International Journal of Vehicle Mechanics and Mobility Vu VT, Sename O, Dugard L, et al (2016) H∞ active anti-roll bar control to prevent rollover of heavy vehicles: a robustness analysis Istanbul, Turkey: IFAC Symposium on System Structure and Control 6th SSSC Abstract: RESEARCHING OPTIMAL CONTROL DESIGN FOR ACTIVE ANTI-ROLL BAR SYSTEM ON AUTOMOBILES Road traffic accidents involving heavy vehicles often cause serious consequences on human lives as well as vehicles In which rollover phenomenon is recorded with the most common occurrence for these vehicles Currently most vehicles are equipped with the passive anti-roll bar system, but their disadvantages are not providing enough stable torque in emergency situations Besides active safety systems such as suspension, brake and steering systems, the active anti-roll bar system is considered as one of the most effective solutions to improve the vehicle roll stability In this study, the author proposes the two optimal controllers, LQR and LQG, for this active system, by providing two additional moments from actuators in the front and rear axles For the purpose of meeting practical effectiveness in applying on real vehicles, the author uses a combination of Kalman-Bucy observer to determine the input signals for the controller Simulation results show that the active anti-roll bar system can improve the roll stability over 30% when compared with vehicles using the passive suspension system Keywords: Vehicle dynamic, Linear control, Optimal control, Kalman-Bucy observer, Active anti-roll bar system Ngày nhận bài: 18/6/2019 Ngày chấp nhận đăng: 22/8/2019 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 83 ... Trong nghiên cứu tác giả tập chung việc áp dụng phương pháp điều khiển tối ưu vào điều khiển hệ thống ổn định ngang chủ động ô tô tải Bộ quan sát Kalman-Bucy điều khiển LQR kết hợp để tạo điều khiển. .. Hình Bộ điều khiển phản hồi âm vector trạng thái Điều khiển tối ưu để xác định luật điều khiển cho hệ thống động cho trước cho tối thiểu hoá một vài tiêu chất lượng Có phương pháp điều khiển phản... hiệu điều khiển U  u f ur  THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ Đối với việc thiết kế điều khiển, ta giả định THỐNG ỔN ĐỊNH NGANG CHỦ ĐỘNG thông số vector trạng thái 3.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển