Xây dựng bộ điều khiển trung tâm cho hệ thống treo và ổn định ngang chủ động trên ô tô con

Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã tập trung trong việc áp dụng phương pháp điều khiển tối ưu LQR vào thiết kế bộ điều khiển trung tâm kết hợp giữa hai hệ thống chủ động trên ô t[r]

XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM CHO HỆ THỐNG TREO VÀ ỔN ĐỊNH NGANG CHỦ ĐỘNG TRÊN Ô TÔ CON

A CENTRAL CONTROLLER DESIGN FOR ACTIVE SUPPENSION AND ACTIVE ANTI-ROLL BAR SYSTEMS ON AUTOMOBILES

Vũ Văn Tấn*, Nguyễn Minh Trung

TĨM TẮT

Nhu cầu sử dụng tơ tồn giới ngày tăng cao, hai tiêu quan trọng mà người sử dụng mong muốn độ êm dịu an tồn chuyển động Các nhà sản xuất tơ ln hướng đến việc nâng cao tính tiện nghi ô tô với hai tiêu Để nâng cao độ êm dịu hệ thống treo chủ động giải pháp hiệu nhất, độ an tồn chuyển động hệ thống ổn định ngang chủ động Trong báo này, nhóm tác giả sử dụng phương pháp điều khiển tối ưu toàn phần LQR để điều khiển đồng thời hai hệ thống nhằm nâng cao đồng thời độ êm dịu độ an tồn tơ chuyển động Kết mơ miền thời gian miền tần số thể rõ hiệu điều khiển đề xuất giảm tín hiệu mong muốn 30% so với ô tô sử dụng hệ thống treo bị động thơng thường

Từ khóa: Động lực học tô; Hệ thống ổn định ngang chủ động; Hệ thống treo chủ động; Điều khiển tối ưu; Bộ điều khiển trung tâm.

ABSTRACT

The demand for cars around the world is increasing, of which two important criteria that customers want are the comfort and the road safety Car manufacturers are also always aiming to improve the car quality with these two criteria To improve the comfort criteria, the active suspension is the most effective solution, meanwhile for the road safety, it is the active anti-roll bar system In this paper, the authors use the optimal control method LQR to build a central controller for these two systems to improve simultaneously the comfort and the road safety when the car is moving The simulation results on the time domain and frequency domain clearly show the effectiveness of the proposed controller when reducing the desired signals by over 30% compared to the cars use the normal passive suspension system

Keywords:Vehicle dynamics; Active anti-roll bar system; Active suspension system; Optimal control LQR; Central controller.

Khoa Cơ khí, Trường Đại học Giao thơng Vận tải

*Email: vvtan@utc.edu.vn

Ngày nhận bài: 10/3/2020

Ngày nhận sửa sau phản biện: 27/4/2020 Ngày chấp nhận đăng: 24/6/2020

1 GIỚI THIỆU

Khi ô tô chuyển động mặt đường nguồn kích thích dao động chính, gây lên rung lắc làm ảnh hưởng tiêu cực đến người lái hành khách xe Để cải

thiện điều có nhiều nghiên cứu thực hệ thống treo, hệ thống phanh, hệ thống lái kết hợp chúng [1, 2], nghiên cứu hệ thống treo chứng minh giải pháp hiệu Hiện có ba loại hệ thống treo bao gồm: loại thứ hệ thống treo bị động trang bị giảm chấn bị động phần tử đàn hồi, loại thứ hai hệ thống treo bán tích cực, loại thứ ba hệ thống treo tích cực

Hệ thống treo tích cực nghiên cứu từ năm 1970 [1] Ngày hệ thống phổ biến phương tiện đại với cách bố trí hình Một số nghiên cứu áp dụng phương pháp điều khiển nâng cao cho hệ thống treo chủ động [3], tác giả trình bày số chiến lược kiểm soát hệ thống treo chủ động dựa phương pháp Skyhook, Ground-hook, ADD LPV Các vấn đề kiểm soát hệ thống treo nghiên cứu mơ hình nửa xe [4, 5, 6] cách sử dụng điều khiển tối ưu đa mục tiêu

Hình Hệ thống treo điều khiển ô tô

này phải kể đến hệ thống ổn định ngang chủ động [9] Hệ thống ổn định ngang chủ động phân thành hai dạng khác cho hai đối tượng ô tô ô tô tải trọng lớn Với đặc trưng tải trọng lớn chiều cao trọng tâm cao nên nghiên cứu hệ thống ô tô tải trọng lớn nhiều tác giả quan tâm [8, 10, 11, 12] Trong nghiên cứu hệ thống tơ chưa hồn thiện

Hình Mô tả nguyên lý hoạt động hệ thống ổn định ngang chủ động

Với ô tô con, hệ thống ổn định ngang chủ động thường thiết kế bao gồm mô tơ điện mô tơ thủy lực đặt ổn định ngang thông thường, mơ tả hình [13] Tùy theo trạng thái dao động khác tơ hệ thống tạo mô men theo hai chiều ngược tác động lên hai bên bánh xe, từ làm giảm góc nghiêng ngang thân xe dịch chuyển bánh xe Các phương pháp điều khiển hệ thống ổn định ngang chủ động kể đến PID, LQG CNF [14] Tuy nhiên nghiên cứu dừng lại mức so sánh độ dịch chuyển bánh xe miền thời gian ba trường hợp, có điều khiển, có khơng có hệ thống ổn định ngang bị động

Trong báo này, nhóm tác giả đề xuất điều khiển trung tâm kết hợp hai hệ thống chủ động hệ thống treo hệ thống ổn định ngang Lực cấu chấp hành từ hệ thống treo chủ động có tác dụng giảm gia tốc, dịch chuyển thân xe gia tốc lắc ngang để đảm bảo mục tiêu nâng cao êm dịu chuyển động Mômen cấu chấp hành từ hệ thống ổn định ngang chủ động có tác dụng làm giảm dịch chuyển bánh xe góc lắc ngang thân xe để đảm bảo mục tiêu nâng cao độ an toàn chuyển động Việc áp dụng phương pháp điều khiển tối ưu dạng toàn phương LQR để giải mục tiêu cách tiếp cận kết hợp hai hệ thống

Bài báo phân bố với cấu trúc gồm phần Phần giới thiệu tổng quan hệ thống treo chủ động, hệ thống ổn định ngang chủ động tương quan nghiên cứu so với nghiên cứu trước Phần giới thiệu mô hình tơ nghiên cứu, đặc biệt nhấn mạnh đến việc kết hợp tín hiệu điều khiển hai hệ thống lực mômen điều khiển cấu chấp hành Phần thiết kế điều khiển trung tâm LQR với mục tiêu nâng cao độ êm dịu độ an tồn chuyển động tô Phần số kết mô miền thời gian miền tần số Phần 5 kết luận đề xuất hướng nghiên cứu

2 MƠ HÌNH Ơ TƠ CON

Mơ hình tơ tác giả sử dụng mơ hình 1/2 tơ con với bậc tự biểu diễn hình

Hình Mơ hình 1/2 tơ

Mơ hình bao gồm phần: Khối lượng treo ms, khối

lượng không treo bên trái m1, khối lượng không

treo bên phải m2 Hai lực điều khiển hệ thống treo chủ

động F1, F2 Môment điều khiển hệ thống ổn định

ngang chủ động Mact Các kí hiệu thơng số mơ

hình thể bảng

Bảng Thông số mô hình tơ [13]

Kí hiệu Thơng số Giá trị Đơn vị

ms Khối lượng treo 1300 kg

I Moment quán tính khối lượng treo 500 Kgm2

r Khoảng cách từ tâm khối lượng

treo đến bánh xe bên trái bên phải 0,8 m aarm

Khoảng cách từ tâm cấu chấp hành

đến bánh xe bên trái bên phải 0,3 m k1,2 Hệ số cản giảm chấn bên trái, phải 4500 Ns/m

c1,2 Độ cứng lò xo bên trái, phải 50.000 N/m

ct1,2 Độ cứng lốp bên trái, phải 200.000 N/m

Phương trình động lực học tổng qt tô xét đến tồn đồng thời hệ thống treo ổn định ngang chủ động xác định sau:

(c c ) Zs (c c ) (k k )

(k k ) c c k

k

s s 2

1 1 2 1

2 2

m Z rφ Zs

r φ Z Z Z

Z F F

      

    

  

(1)

1 s 1 s 1

1 1 1 a ct

1

arm

c Z c rφ k Z k r φ k Z

(ct c ) Z ct q F M

m Z

2 a

   

    

 (2)

   

    



2 s 2 s 2

2 2 2 a ct

2

a rm

c Z c rφ k Z k r φ k Z

(ct c ) Z ct q F M

m Z

2a

1 2

2

1 1 2 1

2 2

Iφ (c c )r Zs (c c )r φ (k k )rZs (k k )r φ c Z r c Z r k Z r k Z r F r F r

     

    

  

(4)

Phương trình động lực học (1-4) viết dạng khơng gian trạng thái tổng quát phương trình (5):

1

1

X AX B W B U

Y CX D W D U

           (5) Trong đó: Véctơ trạng thái

T

s s

X φ Z Z Z φ Z Z Z

  ,

T

s s

X φ Z Z Z φ Z Z Z

 

,YZ s φ φ Z s Z1 Z2

 

Kích thích từ mặt đường  T

1

W  q q , tín hiệu điều

khiển UF F1 Mact

, 1, 2, , 1, 2

A B B C D D ma trận

3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU LQR 3.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển tối ưu

Mơ hình LTI mơ tả phương trình (5) Đối với thiết kế điều khiển, giả định tất biến trạng thái xác định từ phép đo cảm biến có

thể ước lượng Quy luật điều khiển tối ưu phản hồi

âm có dạng:

U KX (6)

Trong đó, K ma trận phản hồi trạng thái Quy trình tối ưu hóa bao gồm xác định tín hiệu điều khiển U giúp giảm

thiểu số số hiệu suất J Chỉ số bao gồm yêu cầu

đặc tính hiệu giới hạn đầu vào điều khiển, thường thể hiện:

(XT T T )

0

J QX U RU 2X NU dt



   (7)

Trong đó, Q R, N ma trận trọng số xác định dương Để có giải pháp cho điều khiển tối ưu (6), hệ thống LTI phải ổn định, điều với hệ thống (5) Từ lý thuyết điều khiển tối ưu tuyến tính ma trận K có dạng sau [15]:

1 T

K R B P

 (8)

Trong đó, ma trận P nghiệm phương trình đại số Riccati:

T T

AP A P PBR B P Q

    (9)

Hệ thống vịng kín tối ưu lấy từ phương trình (5), (6) sau:

  

2

X (A B K)X B U (10)

3.2 Xây dựng điều khiển LQR cho điều khiển trung tâm

Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả xây dựng 03 điều khiển để đánh giá so sánh sau:

- Bộ điều khiển LQR1 xét đến hệ thống treo chủ động

- Bộ điều khiển LQR2 xét đến hệ thống ổn định ngang chủ động

- Bộ điều khiển LQR3 xét đến hệ thống treo ổn định ngang chủ động

3.2.1 Đối với hệ thống treo chủ động (LQR1)

Mục đích hệ thống điều khiển tối ưu nâng cao độ êm dịu ô tô Do ta lựa chọn hàm mục tiêu sau:

I1 I2 s I3 s

0

J ρ φ ρ Z ρ Z dt

            (11) Đối với hệ thống treo chủ động độ êm dịu tơ

được đánh giá thông qua φ Z Z , s, s tức thơng qua gia tốc

góc lắc thân xe, gia tốc dịch chuyển thân xe dịch chuyển

thân xe Trong ρ ρ ρI1, I2, I30 trọng số Giá trị

các trọng số thể mức độ ưu tiên khác cho tiêu xác định Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả lựa chọn giá trị trọng số sau: ρI10 ρ, ; I2 0 ρ, ; I3 100

3.2.2 Đối với hệ thống ổn định ngang chủ động (LQR2)

Mục đích hệ thống điều khiển tối ưu nâng cao tính an tồn tơ Do hàm mục tiêu lựa chọn như sau:

 II1 II2 II3 2

0

J ρ φ ρ Z ρ Z dt



   (12)

Đối với hệ thống ổn định ngang tính an tồn

tô nhấn mạnh đánh giá thông qua φ Z Z, 1, 2

tức dịch chuyển hai bên bánh xe góc lắc ngang thân

xe Trong ρ ρII1, II2,ρII30 trọng số Trong nghiên

cứu này, nhóm tác giả lựa chọn giá trị trọng số sau:

4

II1 II2 II3

ρ 10 ρ; 10 ρ; 100

3.2.3 Đối với hệ thống treo chủ động kết hợp với hệ thống ổn định ngang chủ động (LQR3)

Mục đích hệ thống điều khiển tối ưu nâng cao đồng thời độ êm dịu độ an tồn chuyển động tô Do hàm mục tiêu xác định sau:

III III s III III s III III

J ρ φ ρ Z ρ φ ρ Z ρ Z ρ Z dt



 

       

 

 1 2 3 4 5 1 6 2

0

(13) Nhóm tác giả muốn nhấn mạnh mục tiêu kết hợp hệ thống nên thông số đánh giá bao gồm tất thông số φ Z φ , s, ,Z ,s Z Z1, 2 Trong

, , , , ,

III1 III2 III3 III4 III5 III6

ρ ρ ρ ρ ρ ρ 0 trọng số Nhóm tác giả

lựa chọn giá trị trọng số sauρIII1ρI10 ρ, ; III2 ρI20 1, ;

III3 II1

ρ ρ 10;ρIII4ρI3100 ρ; III5ρII210 ρ4; III6ρII3 100

4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ

hệ thống treo chủ động (LQR1), nét chấm gạch cho hệ thống ổn định ngang chủ động (LQR2), nét liền cho hệ thống kết hợp (LQR3)

4.1 Kết miền tần số

Để đánh giá kết miền tần số tác giả khảo sát

với tín hiệu kích thích mặt đường q1, tần số giới hạn khảo

sát 100rad/s Hình thể hàm truyền biên độ tín

hiệu kích thích q1 đến gia tốc góc lắc ngang thân xe (a),

gia tốc dịch chuyển thân xe Zs(b), góc lắc thân xe φ(c)

dịch chuyển bánh xe bên trái Z1(d) Chúng ta thấy biên

độ mục tiêu lựa chọn giảm so với hệ thống bị động Cụ thể hệ thống treo chủ động (LQR1) tác giả muốn nâng cao độ êm dịu mục tiêu lựa chọn gia tốc

góc lắc ngang thân xe  giảm khoảng 15dB, gia tốc dịch

chuyển thân xe Zsgiảm khoảng 17dB góc lắc ngang

thân xe φ giảm khoảng 16dB so với hệ thống bị động Nhược điểm hệ thống treo chủ động độ an toàn hệ thống so với hệ thống bị động Đối với hệ thống ổn định ngang chủ động (LQR2) tác giả mong muốn nâng cao độ an toàn chuyển động nên gia tốc góc

lắc ngang thân xe  giảm khoảng 50dB, góc lắc ngang

thân xe φ giảm khoảng 48dB dịch chuyển bánh xe bên

trái Z1 giảm khoảng 5dB Nhược điểm hệ thống ổn định

ngang chủ động không tác động đến dịch chuyển thân xe gia tốc dịch chuyển thân xe (hình 4b) hệ thống khơng giảm so với hệ thống bị động Chính kết hợp hai hệ thống treo ổn định ngang chủ động giải hoàn toàn nhược điểm mà hai hệ thống để lại Tất mục tiêu giảm so với hệ

thống bị động cụ thể gia tốc góc lắc ngang thân xe

giảm khoảng 52dB, gia tốc dịch chuyển thân xe Zsgiảm

khoảng 47dB, góc lắc ngang thân xe φ giảm khoảng 50dB

và dịch chuyển bánh xe bên trái Z1 giảm khoảng 30dB so

với hệ thống bị động thơng thường

Hình Hàm truyền biên độ từ q1 đến gia tốc góc lắc ngang thân xe φ q/

(a), gia tốc dịch chuyển thân xe Z qs/ 1 (b), góc lắc ngang thân xe φ / q1 (c),

dịch chuyển bánh xe bên trái Z / q1 1 (d)

4.2 Mô miền thời gian

Ở phần này, để đánh giá hiệu phương pháp điều khiển LQR3 miền thời gian, nhóm tác giả khảo sát

tín hiệu kích thích từ mặt đường cho bánh xe bên trái q1với

dạng mặt đường ngẫu nhiên Chirp Signal với giới hạn biên độ ±0,1m Trong mặt đường bánh xe bên phải

bằng phẳng, tức q2= Thời gian giới hạn khảo sát

xác định t = 10s Kết mô thể hình Chúng ta thấy với điều khiển trung tâm LQR3 tất tín hiệu giảm đáng kể so với mơ hình tơ sử dụng hệ thống bị động

Hình Đáp ứng thời gian φ Z φ Z, , ,s 1với tín hiệu kích thích q1

Để thấy rõ hiệu điều khiển trung tâm LQR3 đề xuất, nhóm tác giả thống kê giá trị sai lệch bình phương trung bình RMS [12] ô tô sử dụng hệ thống treo bị động thông thường hệ thống kết hợp chủ động LQR3 bảng Chúng ta thấy tất tín hiệu khảo sát giảm 30% trường hợp sử dụng hệ thống chủ động kết hợp LQR3

Bảng So sánh giá trị RMS hệ thống chủ động kết hợp LQR3 hệ thống bị động





s Z

 φ Zs Z1

Bị động 20,8517 9,0053 0,0861 0,0366 0,1036 Chủ động 4,9434 6,0834 0,0075 0,0149 0,0608 Giảm 76,29% 32,45% 91,29% 59,29% 41,31%

5 KẾT LUẬN

được hệ thống điều khiển riêng lẻ từ giảm giá thành tơ

Hướng nghiên cứu kể đến xây dựng điều khiển trung tâm cho hệ thống ô tô

treo, phanh, lái để hoàn thiện khái niệm “Global Chassis

Control”.

LỜI CẢM ƠN

Nghiên cứu tài trợ đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ cấp trường trọng điểm Đại học Giao thông Vận tải, MS: T2019-CK-012TĐ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] P Gaspar, Z Szabo, J Bokor, C PoussotVassal, O Sename, and L Dugard, 2007 Toward global chassis control by integrating the brake and suspension systems In Proceedings of the 5th IFAC Symposium on Advances in Automotive Control, AAC, California, US, pp 563-570

[2] C Poussot-Vassal, O Sename, L Dugard, P Gaspar, Z Szabo, and J Bokor, 2011 Attitude and handling improvements through gain-scheduled suspensions and brakes control Control Engineering Practice, vol 19, no 3, pp 252-263

[3] S M Savaresi, C Poussot-Vassal, C Spelta, O Sename, and L Dugard, 2010 Semi-active suspension control design for vehicles Book Elsevier

[4] R Krtolica and D Hrovat, 1990 Optimal active suspension control based on a half-car model In Decision and Control, Proceedings of the 29th IEEE

Conference on IEEE, pp 2238-2243

[5] P Y Sun and H Chen, 2003 Multiobjective output-feedback suspension control on a half-car model In Control Applications, CCA 2003 Proceedings of 2003 IEEE Conference on, vol IEEE, pp 290-295

[6] Y Zhang and A Alleyne, 2003 A new approach to half-car active suspen-sion control In American Control Conference, Colorado, US: IEEE, pp 3762-3767

[7] Gaspar P, Szabo Z, Bokor J X, 2004. Prediction based combined control to prevent the rollover of heavy Limassol, Cyprus: Proceedings of the 13th Mediterranean Conference on Control and Automation

[8] Gaspar P, Szaszi I, Bokor J., 2004 The design of a combined control structure to prevent the rollover Euro Journal of Control

[9] 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

[10] Sampson DJM, 2000 Active roll control of articulated heavy vehicles

University of Cambridge, UK

[11] Sampson DJM, Cebon D., 2003 Achievable roll stability of heavy road vehicles. United Kingdom: Journal of Automobile Engineering

[12] 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

[13] P Gaspar, Z Szabo, J Bokor, C Poussot-Vassal, O Sename, L Dugard, 2007 Toward global chassis control by integrating the brake and suspension systems In Proceedings of the 5th IFAC Symposium on Advances in Automotive

Control, AAC, California, US

[14] Balázs Varga; Balázs Németh; Péter Gáspár Control design of anti-roll bar actuator based on constrained LQ method IEEE 14th International Symposium on Computational Intelligence and Informatics, 2013

[15] Van Tan Vu, 2017 Enhancing the roll stability of heavy vehicles by using an active anti-roll bar system PhD thesis, University Grenoble Alpes - France

AUTHORS INFORMATION Vu Van Tan, Nguyen Minh Trung