Điều khiển hệ thống treo chủ động dùng lý thuyết h và điều khiển thích nghi phi tuyến

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LUẬN VĂN THẠC SĨ Đề tài: ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TREO CHỦ ĐỘNG DÙNG LÝ THUYẾT H∞ VÀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI PHI TUYẾN GVHD : TS BÙI TRỌNG HIẾU HVTH : HỒNG NGỌC TRUNG MSHV : 00405080 TP Hồ Chí Minh, Tháng 07 Năm 2007 Luận văn thạc só Chương CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: (Ghi roõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng naêm GVHD: TS Bùi Trọng Hiếu HVTH: Hồng Ngọc Trung Luận văn thạc só Chương ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc oOo Tp HCM, ngày tháng năm NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Giới tính : Nam / Nữ Ngày, tháng, năm sinh : Nơi sinh : Chuyên ngành : Khoá (Năm trúng tuyển) : 1- TÊN ĐỀ TÀI: 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ): Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) GVHD: TS Bùi Trọng Hiếu CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) HVTH: Hồng Ngọc Trung Luận văn thạc só Chương LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, trước tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Q Thầy Cô thuộc khoa Cơ Khí – trường Đai Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, người tận tình dạy bảo truyền đạt kiến thức q báu cho em suốt thời gian em học tập trường, thời gian em nghiên cứu thực luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy TS Bùi Trọng Hiếu, người trực tiếp hướng dẫn em suốt trình làm luận văn, người cho em kiến thức q báu tạo điều kiện tốt cho em hoàn tất đề tài Em xin chân thành cảm ơn Q Thầy Cô dành thời gian q báu để thảo luận, nhận xét bổ sung thêm kiến thức tốt cho luận văn Tp Hồ Chí Minh, ngày 01/07/2007 Học viên thực HỒNG NGỌC TRUNG GVHD: TS Bùi Trọng Hiếu HVTH: Hồng Ngọc Trung Luận văn thạc só Chương TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Luận văn trình bày điều khiển hệ thống treo chủ động với mô hình ½ xe dùng lý thuyết H∞ phương pháp điều khiển thích nghi phi tuyến Mô hình ½ xe có chuyển động thẳng đứng chuyển động lắc dọc thân xe Trong hệ thống treo chủ động, điều khiển phải thực tốt chức như: tối thiểu hoá dao động nhiễu từ mặt đường đến gia tốc chuyển động thẳng đứng gia tốc lắc dọc thân xe Hệ thống điều khiển phải đảm bảo độ ổn định với thay đổi thông số hệ thống So với phương pháp điều khiển khác, điều khiển H∞ thiết kế để đảm bảo độ ổn định cho hệ thống vòng kín với diện nhiễu thông số không chắn Sự thay đổi thông số hệ thống giải mô hình không chắn nhân độ ổn định hệ thống đảm bảo từ lý thuyết độ lợi nhỏ Hệ thống chủ động với điều khiển H∞ làm giảm gia tốc chuyển động thẳng đứng chuyển động lắc dọc thân xe Tính phi tuyến truyền dẫn thuỷ lực xử lý điều khiển thích nghi phi tuyến dựa sở phương pháp back-stepping Hiệu điều khiển thấy rõ qua kết phân tích hai miền tần số miền thời gian Luận văn bao gồm nội dung sau: Chương 1: Tổng quan Giới thiệu sơ lược hệ thống treo chủ động, lịch sử phát triển tình hình nghiên cứu hệ thống treo chủ động nước, từ đưa hướng nghiên cứu Chương đưa phương pháp để nghiên cứu phạm vi đề tài GVHD: TS Bùi Trọng Hiếu HVTH: Hồng Ngọc Trung Luận văn thạc só Chương Chương 2: Mô hình hóa hệ thống Chương xây dựng mô hình tính toán cho hệ thống treo chủ động, mô hình ½ xe mô hình tính toán cho truyền dẫn thuỷ lực Chọn biến trạng thái lập phương trình trạng thái để chuẩn bị cho bước thiết kế điều khiển Xây dựng hàm truyền hệ thống xác định điểm bất biến hệ thống Nghiên cứu xây dựng hàm truyền cho hệ thống treo bị động Đưa phương trình động lực học cho truyền dẫn thuỷ lực mô hình ½ xe Chương 3: Thiết kế điều khiển H∞ cho thân xe Đưa công thức phương pháp giải toán điều khiển H∞ Sự thay đổi thông số hệ thống giải mô hình độ không chắn nhân độ ổn định hệ thống đảm bảo từ lý thuyết độ lợi nhỏ Chương 4: Thiết kế điều khiển thích nghi phi tuyến cho truyền dẫn thuỷ lực Tính phi tuyến truyền dẫn thuỷ lực xử lý điều khiển thích nghi phi tuyến dựa sở phương pháp back-stepping Chương 5: Kết mô Từ thông số ban đầu đưa vào toán thiết kế, kết mô hai miền tần số thời gian Đánh giá hiệu làm việc điều khiển dựa so sánh ba hệ: hệ bị động, hệ chủ động với ngõ vào giá trị thực hệ chủ động với ngõ vào giá trị mong muốn Chương 6: Kết luận Ngoài luận văn có phần tài liệu tham khảo phần phụ lục chương trình Matlab, công cụ trợ giúp mô GVHD: TS Bùi Trọng Hiếu HVTH: Hồng Ngọc Trung Luận văn thạc só Chương NỘI DUNG LUẬN VĂN Trang DANH MỤC HÌNH DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU 11 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 14 1.1 Tổng quan hệ thống treo chủ động 15 1.2 Lịch sử phát triển tình hình nghiên cứu 17 1.2.1 Lịch sử phát triển tình hình nghiên cứu nước 17 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước 18 1.3 Mục tiêu, phương pháp nghiên cứu phạm vi đề tài 19 1.3.1 Mục tiêu đề tài 19 1.3.2 Phương pháp nghiên cứu 19 1.3.3 Phạm vi đề tài 20 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG 2.1 Mô hình ½ xe 21 22 2.1.1 Mô hình ½ xe 22 2.1.2 Phương trình trạng thái 23 2.1.3 Xây dựng hàm truyền hệ thoáng 27 2.1.4 Điểm bất biến hệ thống 29 2.1.5 Hệ bị động 32 GVHD: TS Bùi Trọng Hiếu HVTH: Hồng Ngọc Trung Luận văn thạc só Chương 2.2 Mô hình hóa truyền dẫn thuỷ lực 34 2.2.1 Mô hình truyền dẫn thuỷ lực phương trình động 34 lực học 2.2.2 Phương trình động lực học truyền dẫn thuỷ lực 36 mô hình ½ xe CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN H∞ CHO THÂN XE 38 3.1 Sơ điều khiển H∞ 39 3.2 Công thức phương pháp giải H∞ 45 3.3 Các thông số không chắn chọn hàm trọng số 48 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI PHI TUYẾN CHO BỘ TRUYỀN DẪN THUỶ LỰC 51 4.1 Sơ phương pháp back-stepping 52 4.2 Thiết kế điều khiển thích nghi phi tuyến 52 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 55 5.1 Kết mô miền tần số 60 5.2 Kết mô miền thời gian 65 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 71 BÀI BÁO THAM DỰ HỘI NGHỊ 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 PHỤ LỤC 77 GVHD: TS Bùi Trọng Hiếu HVTH: Hồng Ngọc Trung Luận văn thạc só Chương Danh mục hình Trang Hình 2.1 Mô hình hệ thống treo chủ động ¼ xe 22 Hình 2.2 Mô hình tính toán hệ thống treo chủ động 23 Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ bị động 33 Hình 2.4 Mô hình truyền dẫn thuỷ lực 34 Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống treo chủ động với điều khiển H∞ 39 Hình 3.2 Sơ đồkhối hai ngõ điều khiển H∞ 45 Hình 3.3 Sơ đồ hệ thống có hồi tiếp với độ không chắn nhân 49 Hình 5.1 Sơ đồ không gian trạng thái thực điều khiển H∞ 58 Hình 5.2 Đồ thị độ không chắn nhân hàm trọng số W1 61 Hình 5.3 Đồ thị độ không chắn nhân hàm trọng số W2 61 Hình 5.4 Đồ thị gia tốc thẳng đứng thân xe 62 Hình 5.5 Đồ thị gia tốc lắc dọc thân xe 62 Hình 5.6 Đồ thị chuyển vị thẳng đứng hệ thống treo trước 63 Hình 5.7 Đồ thị chuyển vị thẳng đứng hệ thống treo sau 63 Hình 5.8 Đồ thị độ biến dạng lốp xe trước 64 Hình 5.9 Đồ thị độ biến dạng lốp xe sau 64 Hình 5.10 Đồ thị gia tốc thẳng đứng thân xe với nhiễu dạng step 65 Hình 5.11 Đồ thị gia tốc lắc dọc thân xe với nhiễu dạng step 66 Hình 5.12 Đồ thị độ biến dạng lốp xe trước với nhiễu dạng step 66 Hình 5.13 Đồ thị độ biến dạng lốp xe sau với nhiễu dạng step 67 GVHD: TS Bùi Trọng Hiếu HVTH: Hồng Ngọc Trung Luận văn thạc só Chương Hình 5.14 Đồ thị gia tốc thẳng đứng thân xe với nhiễu dạng sin 67 Hình 5.15 Đồ thị gia tốc lắc dọc thân xe với nhiễu dạng sin 68 Hình 5.16 Đồ thị chuyển vị thẳng đứng hệ thống treo trước với nhiễu dạng sin Hình 5.17 68 Đồ thị chuyển vị thẳng đứng hệ thống treo sau với nhiễu dạng sin 69 Hình 5.18 Đồ thị độ biến dạng lốp xe trước với nhiễu dạng sin 69 Hình 5.19 Đồ thị độ biến dạng lốp xe sau với nhiễu dạng sin 70 GVHD: TS Bùi Trọng Hiếu 10 HVTH: Hồng Ngọc Trung Luận văn thạc só Chương Chương trình 3: Xác định hàm truyeàn K(s) % TimhamtruyenK.m clear all; close all; thongsobandau tinhmatran clc n=size(A);n=n(1); m1=size(B1);m1=m1(2); m2=size(B2);m2=m2(2); p1=size(C1);p1=p1(1); p2=size(C2);p2=p2(1); rank1=rank([A B2;C1 D12]); if rank1~=n+m2 disp('Hang cua ma tran khong thoa : Bai toan vo nghiem!'); end; rank2=rank([A B1;C2 D21]); if rank2~=n+p2 disp('Hang cua ma tran khong thoa : Bai toan vo nghiem!'); end; % Chon gia tri ban dau cho gama gamma=0.9999 gam_2=gamma^(-2) % Dang ma tran Hamiltonian va tinh toan cong thuc Riccati D21_= inv(D21*D21'); D12_= inv(D12'*D12); C1_ = (eye(p1)-D12*D12_*D12')*C1; B1_ = B1*(eye(m1)-D21'*D21_*D21); AX = A-B2*D12_*D12'*C1; BX = gam_2*B1*B1'-B2*D12_*B2'; CX = C1_'*C1_; Xi = are(AX,-BX,CX); AY = (A-B1*D21'*D21_*C2)'; BY = gam_2*C1'*C1-C2'*D21_*C2; CY = B1_*B1_'; Yi = are(AY,-BY,CY); % Kiem tra dieu kien rho GVHD: TS Bùi Trọng Hiếu 81 HVTH: Hồng Ngọc Trung Luận văn thạc só Chương Xeig=min(real(eig(Xi))); if Xeig