Bài viết này trình bày về phương pháp thuật giải di truyền được sử dụng để tìm các hàm trọng số tối ưu cho bộ điều khiển H∞ của hệ thống ổn định ngang chủ động. Thông qua phương pháp thuật giải di truyền, các mục tiêu đối nghịch nhau giữa khả năng ổn định ngang và mô men xoắn được tạo ra bởi các cơ cấu chấp hành đã được xử lý bằng cách sử dụng duy nhất một thông số điều chỉnh cấp cao. Mời các bạn cùng tham khảo!
BÀI BÁO KHOA HỌC LỰA CHỌN TỐI ƯU HÀM TRỌNG SỐ CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN H∞ CHO HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH NGANG CHỦ ĐỘNG TRÊN Ô TÔ TẢI Vũ Văn Tấn1 Tóm tắt: Mục tiêu hệ thống ổn định ngang chủ động ô tô tải trọng lớn nhằm nâng cao khả ổn định ngang để ngăn ngừa tượng lật tình khẩn cấp Tuy nhiên, mục tiêu thông thường phải cân với tiêu thụ lượng của cấu chấp hành Trong báo này, phương pháp thuật giải di truyền sử dụng để tìm hàm trọng số tối ưu cho điều khiển H∞ hệ thống ổn định ngang chủ động Thông qua phương pháp thuật giải di truyền, mục tiêu đối nghịch khả ổn định ngang mô men xoắn tạo cấu chấp hành xử lý cách sử dụng thông số điều chỉnh cấp cao Giải pháp tối ưu hóa đa mục tiêu minh họa thông qua biểu đồ ranh giới Pareto Kết mô miền tần số thể rõ hiệu phương pháp đề xuất Từ khóa: Điều khiển bền vững H∞, Thuật giải di truyền, Ô tô tải, Hệ thống ổn định ngang chủ động, Lật ngang, Ổn định ngang ĐẶT VẤN ĐỀ * Hiện tượng lật ngang ô tô tải trọng lớn vấn đề an tồn giao thơng đường quan trọng toàn giới Mặc dù tượng lật ngang có tần xuất chúng thường xun tai nạn gây chết người chúng xảy Ơ tơ tải trọng lớn thường có trọng tâm cao tải trọng lớn, bề rộng ô tô thương mại phải đảm bảo không vượt 2,5m Hiện hầu hết ô tô trang bị ổn định ngang bị động, nhiên muốn tăng khả ổn định ngang tơ lại có nhược điểm gây tượng chuyển tải bánh xe cầu, điều làm giảm khả bám ngang bánh xe cầu Để nâng cao tính ổn định ngang ô tô, số phương pháp điều khiển chủ động đưa vào đề xuất hệ thống lái, phanh, treo ổn định ngang Trong nghiên cứu tác giả tập chung vào hệ thống ổn định ngang chủ động bao gồm cặp cấu chấp hành điện - thủy lực để tạo mơ men Bộ mơn Cơ khí tơ, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Giao thơng Vận tải chủ động cân với mô men ổn định gia tốc ngang gây (Vu, et al 2016) Phương pháp điều khiển bền vững H∞ công cụ hiệu để cải tiến hiệu suất hệ thống vịng kín dải tần số xác định trước Bước quan trọng thiết kế điều khiển H∞ lựa chọn hợp lý hàm trọng số Tuy nhiên việc lựa chọn không đơn giản đặc tính hệ thống mức độ phức tạp cấu trúc điều khiển khác Vì vậy, việc tối ưu hóa hàm trọng số để đáp ứng hiệu suất mong muốn vấn đề mở Gần đây, thuật toán di truyền (Genetic Algorithms - GAs) xem số giải pháp hiệu để giải vấn đề (Alfaro, et al 2008), (Kitsios, et al 2002), (Do, et al 2010) Dựa điều khiển bền vững H∞ cho hệ thống ổn định ngang chủ động trình bày Hội nghị Quốc tế Cấu trúc hệ thống điều khiển tổ chức Thổ Nhĩ Kỳ năm 2016 (System Structure and Control - 6th SSSC 2016) (Vu, et al 2016), báo bước phát triển để đề xuất sử dụng phương pháp thuật KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 73 (3/2021) giải di truyền để xác định tối ưu hàm trọng số Do đó, đóng góp đưa sau: - Phương pháp thuật giải di truyền áp dụng để xác định hàm trọng số tối ưu điều khiển bền vững H∞ cho hệ thống ổn định ngang chủ động ô tô tải hai cầu Nhờ phương pháp này, mục tiêu đối nghịch hệ số truyền tải mô men xoắn tạo cấu chấp hành xử lý cách sử dụng thơng số điều chỉnh cấp cao, kí hiệu - Các kết mô miền tần số biểu thị thông qua hàm truyền biên độ từ góc đánh lái đến hệ số chuyển tải hai cầu giá trị thông số thay đổi từ đến Các kết so sánh với trường hợp ô tô sử dụng ổn định ngang bị động với kết báo (Vu, et al 2016) PHƯƠNG PHÁP GIẢI THUẬT DI TRUYỀN VÀ TỐI ƯU HÓA ĐA MỤC TIÊU 2.1 Thuật giải di truyền Giải thuật di truyền sử dụng rộng rãi kể từ nghiên cứu mô tả chi tiết (Holland, et al 1975), sau phương pháp xác nhận nghiên cứu theo định hướng lý thuyết (Goldberg, et al 1989) nghiên cứu định hướng ứng dụng (Davis, et al 1991) Các thuật toán dựa chế chọn lọc tự nhiên chứng minh hiệu việc tối ưu hóa nhiều ứng dụng thực tế tài chiến lược đầu tư, rô bốt, thiết kế điều khiển, viễn thông… GAs khởi tạo với quần thể ngẫu nhiên tiến triển thông qua hoạt động di truyền gồm: chọn lọc, lai tạo chéo đột biến Bằng cách sử dụng quy trình tuyển chọn, cá nhân phù hợp dựa giá trị lực chúng chọn; lai tạo đột biến sau áp dụng để tạo quần thể Hoạt động di truyền cá thể quần thể tiếp tục thỏa mãn tiêu chuẩn tối ưu đạt lượng hệ định 2.2 Tối ưu hóa đa mục tiêu Vấn đề phổ biến thực tế toán tối ưu đa mục tiêu MCO miêu tả sau: T F(x) f1 (x), f2 (x), , fnobj ( x) , nobj 2, (1) xC Ở x gọi véc tơ xác định, C tập hợp véc tơ xác định (hoặc khơng gian tìm kiếm) F(x) véc tơ mục tiêu Sự tồn nghiệm lí tưởng x* cực tiểu hóa đồng thời tất hàm mục tiêu f1 , f2 , fnobj thực tế khả thi, tức tốn tối ưu tồn phần Có nhiều cách thức để giải vấn đề nêu phương trình số (1) phương pháp min-max có trọng số, phương pháp tối ưu tồn cầu có trọng số, phương pháp lập trình mục tiêu… (Do, et al 2010) tài liệu tham khảo Một cách tiếp cận phổ biến đơn giản phương pháp tổng có trọng số để chuyển đổi từ toán đa mục tiêu thành mục tiêu Trong báo này, tác giả sử dụng trường hợp cụ thể phương pháp tổng có trọng số, hàm đa mục tiêu véc tơ F thay tổ hợp lồi mục tiêu: nobj nobj J i f i ( x ), s.t x C , i i 1 (2) i 1 Véc tơ (1 , , , nobj ) đại diện cho độ dốc hàm J Bằng cách sử dụng α khác nhau, người ta tạo số điểm tập Pareto, tức hình thành đường cong ranh giới Pareto (Do, et al 2010) XÂY DỰNG MƠ HÌNH Ơ TƠ TẢI HAI CẦU Hình minh họa mơ hình động lực học kết hợp theo phương lắc ngang quay vịng tơ tải hai cầu bao gồm ba phần khối lượng chính: ms khối lượng treo, muf khối lượng không treo cầu trước bao gồm cụm cầu bánh xe mur khối lượng không treo cầu sau bao gồm cụm cầu bánh xe Các biến thông số mô hình giá trị thể (Gaspar, et al 2004), (Gaspar, et al 2005), (Vu, et al 2016) Các phương trình vi phân thể mơ hình ô tô công thức (3), bao gồm: cân lực bên KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 73 (3/2021) công thức (a); cân mô men xoắn quanh trục OZ công thức (b); cân mô men lật ngang khối lượng treo quanh trục OX công thức (c); cân mô men lật ngang khối lượng không treo quanh trọng tâm cầu trước (d) cầu sau (e) Hình Mơ hình động lực học ô tô tải hai cầu (Gaspar, et al 2004) (3) Trong Uf, Ur mơ men xoắn hai cầu tạo hệ thống ổn định ngang chủ động; Fyf , Fyr hai lực bên lốp; MARf , MARr mô men ổn định ngang bị động tác động đến khối lượng treo khối lượng không treo cầu trước cầu sau (Vu, et al 2016) Phương trình (3) viết dạng khơng gian trạng thái sau: (4) Với véc tơ trạng thái: , véc tơ kích thích từ bên ngồi: w f , véc tơ điều khiển đầu vào: u U f U r véc tơ đầu ra: TỔNG HỢP ĐIỀU KHIỂN H∞ CHO HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH NGANG CHỦ ĐỘNG 4.1 Mục tiêu điều khiển Mục tiêu hệ thống ổn định ngang chủ động để tối đa hóa độ ổn định ngang ô tô Thông thường, tượng lật ngang xảy hệ số chuyển tải tính tốn (R) đạt đến ngưỡng (hoặc -1) (Gaspar, et al 2004) Hệ số chuyển tải KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 73 (3/2021) R=±1 tương ứng với hệ số chuyển tải lớn ô tô Trong trường hợp vượt qua giá trị bánh xe cầu xe nhấc lên khỏi mặt đường tượng lật ngang xem xét Để ô tô chuyển động ổn định giá trị hệ số chuyển tải phải đảm bảo khơng vượt q ngưỡng giới hạn -1