Bài báo cáo này mục tiêu là tìm hiểu giải thuật điều khiển cho hệ thống treo chủ động trên xe ô tô. Để đạt được mục tiêu này cần tìm hiểu về lý thuyết điều khiển mờ, phân tích kết cấu cũng như nguyên lý động học của hệ thống treo chủ động. Trên cơ sở động lực học của hệ đã phân tích, xây dựng mô hình hệ thống cho bài toán dao dộng và cân bằng dao động ô tô theo mô hình ¼ xe. Sau đó thiết lập giải thuật điều khiển phù hợp với mô hình hệ thống. Cuối cùng, mô phỏng, phân tích và chứng minh khả thi của giải thuật trên môi trường Simulink Matlab.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Báo cáo môn học: Các phương pháp điều khiển tiên tiến Nội dung: Thiết kế điều khiển tối ưu mờ hệ thống treo ô tô Khoa: Cơ học kỹ thuật tự động hóa HÀ NỘI 2021 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Báo cáo môn học: Các phương pháp điều khiển tiên tiến Nội dung: Thiết kế điều khiển tối ưu mờ hệ thống treo ô tô Khoa: Cơ học kỹ thuật tự động hóa Hà nội 2021 Tóm tắt Bài báo cáo mục tiêu tìm hiểu giải thuật điều khiển cho hệ thống treo chủ động xe ô tô Để đạt mục tiêu cần tìm hiểu lý thuyết điều khiển mờ, phân tích kết cấu nguyên lý động học hệ thống treo chủ động Trên sở động lực học hệ phân tích, xây dựng mơ hình hệ thống cho tốn dao dộng cân dao động tơ theo mơ hình ¼ xe Sau thiết lập giải thuật điều khiển phù hợp với mơ hình hệ thống Cuối cùng, mơ phỏng, phân tích chứng minh khả thi giải thuật mơi trường Simulink Matlab Từ khóa: Hệ thống treo ô tô; Hệ thống treo chủ động, Giảm chấn xe ô tô; Điều khiển mờ; fuzzy logic Mục lục Phần 1: Đặt vấn đề 1.1 Khái quát Trong kỹ thuật, giảm xóc khía cạnh quan trọng để đảm bảo hệ thống ổn định không bị hư hại Talbot Woodhouse nghiên cứu cho biết giảm xóc quan trọng kỹ thuật kết cấu điều khiển biên độ phản ứng rung cộng hưởng Khi cấu trúc kích thích với lực rung gần tần số tự nhiên nó, lực nhỏ gây căng thẳng cao cấu trúc dẫn đến thất bại cấu trúc Tuy nhiên, với đủ lượng giảm xóc, ứng suất giảm Giảm xóc tiêu tan lượng lượng hệ thống rung động Dựa Stevenson, giảm xóc định nghĩa giảm chuyển động phản ứng cấu trúc điều kiện lượng Vì giảm xóc quan trọng cấu trúc, nhiều nhà nghiên cứu cố gắng hiểu chế giảm xóc Có số loại giả định chế giảm xóc sử dụng hai mức độ hệ thống tự hệ thống tự đa cấp giảm xóc nhớt, giảm xóc Coulomb giảm xóc Trong giả định giảm xóc nhớt, số cổng C giới thiệu hệ thống lực giảm xóc cho tỷ lệ thuận với vận tốc Giảm xóc Rayleigh chế giảm xóc nhớt Mặt khác tay giảm xóc Coulomb giả định lực giảm xóc gây chuyển động bề mặt trượt với Nó gọi giảm xóc ma sát Hơn nữa, giảm chấn động lực giảm xóc liên quan đến dịch chuyển cấu trúc gọi giảm xóc cấu trúc Trong số tất giả định giảm xóc, giảm xóc nhớt chế giảm xóc (kết cấu) sử dụng phổ biến phân tích động để xác định giảm xóc cấu trúc Phản ứng động rung động cấu trúc chủ yếu kiểm soát cách giảm xóc Sự hiểu biết chế giảm xóc phân tích rung động cịn vấn đề có số tài liệu có sẵn liên quan đến chế Đó xác định ma trận giảm xóc, C phương trình chuyển động mà chứa khối lượng, M độ cứng, K toàn diện so với xác định khối lượng ma trận độ cứng Đó dự đốn thơng số rung động giảm xóc khó khăn thực tế Ngồi ra, Woodhouse nêu lý cho vấn đề khơng có tốn học phổ qt mơ hình đại diện cho lực giảm xóc khơng rõ lực biến trạng thái phụ thuộc Phân tích phương thức kỹ thuật để xác định tính chất động hệ thống hình thức tần số tự nhiên, hình dạng chế độ hệ số giảm xóc Những tính chất cịn gọi liệu phương thức tham số phương thức Mơ hình tốn học cho hệ thống hành vi động phát triển cách sử dụng tính chất Cơng thức mơ hình tốn học gọi mơ hình phương thức Có hai loại phương thức phân tích phân tích phương thức thử nghiệm phân tích phương thức phân tích Phân tích phương thức thí nghiệm xác định tính chất động cách sử dụng thực cấu trúc phân tích phương thức phân tích sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn Do đó, phân tích phương thức sử dụng báo cấu trúc động đáp ứng xác định giảm xóc Thực tế Việt Nam cho thấy mặt đường phẳng, với chuyển hướng xe trình di chuyển, ln hình thành dao động tác động lên bánh xe Từ truyền tới thân xe người ngồi xe Lị xo làm giảm xung lực tác động, nhiên thân lại bị dao động theo xung va đập từ mặt đường dội lên khối lượng bánh xe đè lên Sự dao động xe lò xo kéo dài lâu khơng có Shock Absorber Như vậy, ta thấy chế độ làm việc Shock Absorber giúp dập tắt dao động nói trên, kể đến số loại Shock Absorber sau: Shock Absorber loại ống, loại ống, áp lực ống, thủy lực …trong loại Shock Absorber ống sử dụng phổ biến xe Ngày nay, hầu hết cơng trình xây dựng phức tạp có lắp đặt hệ điều hịa thơng gió dụng cụ trang thiết bị khác để tạo an tồn tính mạng hiệu cho môi trường làm việc Tuy nhiên, tránh khỏi máy móc dụng cụ tạo độ rung tiếng ồn, điều gây nỗi phiền toái mối bất an cho cơng trình xây dựng đại Tiếng ồn rung lắc tạo cơng trình xây dựng có kết cấu máy móc có trọng lượng cao đặt tầng thượng hay phòng kỹ thuật tầng trung, điều tạo việc cộng hưởng gây độ rung ồn lớn Không độ rung vật lý cấu trúc gây mà đo ồn nhiễu gây chuyển động nghe thấy từ kết cấu xây dựng Để giải vấn đề tiếng ồn, giảm rung chấn tăng độ bền liên kết cho thiết bị, lò xo chống rung giải pháp hiệu cho chống rung giảm ồn thiết kế công nghiệp Các loại lò xo chống rung cho chiller, lò xo chống rung cho quạt, lị xo chống rung cho máy móc lắp chân đế cao su chân đế chống rung giải pháp hiệu cho ứng dụng Từ tìm hiểu ta thấy viêc nghiên cứu hệ giảm chấn đề tài hot mà cần tìm hiểu nghiên cứu thời đại cơng nghiệp hóa, đại hóa ngày Đặc biệt giảm chấn đóng vai trị lớn việc di chuyển đường gồ ghề, nhấp nhô oto hay loại phương tiện giao thông khác Ở tìm hiểu giảm chấn phương tiện giao thông 1.2 Phương pháp nghiên cứu cách tiếp cận: Phương pháp nghiên cứu : Có nhiều phương pháp nghiên cứu dùng để nghiên cứu đề tài giảm chấn nói chung giảm chấn phương tiện giao thơng nói riêng - Tham khảo tài liệu mạng, tìm kiếm sách, giáo trình có liên quan đến giảm chấn để tổng hợp kiến thức từ nhiều nguồn thông tin khác đưa nhìn khách quan hệ giảm chấn - thủy lực so với hệ giảm chấn khác Thực tế quan sát thông qua phương tiện giao thơng thấy cách hoạt động giảm chấn thủy lực sử - dụng oto Mô ứng dụng quan sát biểu đồ để đưa nhận xét mơ hình giảm chấn Sử dụng fuzzy logic PID giải thuật mờ để tính tốn mơ hệ giảm chấn ứng dụng ( Matlab simulink, ) Fuzzy logic PID phù hợp để hợp để tính tốn mô Phần 2: Logic mờ 2.1 Tổng quan Lôgic mờ: (tiếng Anh: Fuzzy logic) phát triển từ lý thuyết tập mờ để thực lập luận cách xấp xỉ thay lập luận xác theo lơgic vị từ cổ điển Lơgic mờ coi mặt ứng dụng lý thuyết tập mờ để xử lý giá trị giới thực cho toán phức tạp (Klir 1997) Người ta hay nhầm lẫn mức độ với xác suất Tuy nhiên, hai khái niệm khác hẳn nhau; độ đắn lôgic mờ biểu diễn độ liên thuộc với tập định nghĩa không rõ ràng, khả xảy biến cố hay điều kiện Để minh họa khác biệt, xét tình sau: Bảo đứng ngơi nhà có hai phịng thơng nhau: phịng bếp phịng ăn Trong nhiều trường hợp, trạng thái Bảo tập hợp gồm thứ "ở bếp" hoàn toàn đơn giản: "trong bếp" "không bếp" Nhưng Bảo đứng cửa nối hai phịng sao? Anh ta coi "có phần bếp" Việc định lượng trạng thái "một phần" cho quan hệ liên thuộc tập mờ Chẳng hạn, Bảo thị ngón chân vào phịng ăn, ta nói Bảo "trong bếp" đến 99% phòng ăn 1% Một cịn đứng cửa khơng có biến cố (ví dụ đồng xu tung lên) định Bảo hoàn toàn "ở bếp" hay hoàn tồn "khơng bếp" Các tập mờ đặt sở định nghĩa mờ tập hợp dựa ngẫu nhiên Lôgic mờ cho phép độ liên thuộc có giá trị khoảng đóng 1, hình thức ngơn từ, khái niệm khơng xác "hơi hơi", "gần như", "khá là" "rất" Cụ thể, cho phép quan hệ thành viên không đầy đủ thành viên tập hợp Tính chất có liên quan đến tập mờ lý thuyết xác suất Lôgic mờ đưa lần đầu vào năm 1965 GS Lotfi Zadeh Đại học California, Berkeley Mặc dù chấp nhận rộng rãi có nhiều ứng dụng thành công, lôgic mờ bị phê phán số cộng đồng nghiên cứu Nó bị phủ nhận số kỹ sư điều khiển khả thẩm định số lý khác, số nhà thống kê - người khẳng định xác suất mơ tả tốn học chặt chẽ không chắn (uncertainty) Những người phê phán cịn lý luận lơgic mờ khơng thể siêu tập lý thuyết tập hợp thông thường hàm liên thuộc định nghĩa theo tập hợp truyền thống 2.2 Ứng dụng Lôgic mờ sử dụng để điều khiển thiết bị gia dụng máy giặt (cảm nhận kích thước tải mật độ bột giặt điều chỉnh chu kỳ giặt theo đó) tủ lạnh Một ứng dụng có đặc điểm khoảng biến liên tục Ví dụ, đo đạc nhiệt độ cho phanh (anti-lock brake) có vài hàm liên thuộc riêng biệt xác định khoảng nhiệt độ cụ thể để điều khiển 10 phanh cách đắn Mỗi hàm ánh xạ số đo nhiệt độ tới chân giá trị khoảng từ đến Sau chân giá trị dùng để định phanh nên điều khiển Trong hình, cold (lạnh), warm (ấm), hot (nóng) hàm ánh xạ thang nhiệt độ Một điểm thang nhiệt độ có "chân giá trị" — hàm cho giá trị Đối với nhiệt độ cụ thể hình, chân giá trị giải nghĩa miêu tả sau nhiệt độ này: "tương đối lạnh", "hơi ấm", "khơng nóng" 2.3 Ví dụ - Các hệ thống ô tô phương tiện giao thông khác, chẳng hạn hệ thống ABS quản lý (ví dụ Tokyo monorail) - Máy điều hịa nhiệt độ - Phần mềm MASSIVE dùng tập phim Chúa nhẫn (Lord of the Rings), phần mềm giúp trình diễn đội quân lớn, tạo chuyển động cách ngẫu nhiên có thứ tự - Camera - Xử lý ảnh số (Digital image processing), chẳng hạn phát biên (edge detection) - Nồi cơm điện - Máy rửa bát - Thang máy - Máy giặt thiết bị gia dụng khác - Trí tuệ nhân tạo trị chơi điện tử - Các lọc ngôn ngữ bảng tin (message board) phòng chat để lọc bỏ đoạn văn khiếm nhã - Nhận dạng mẫu Cảm nhận từ xa (Remote Sensing) 11 Phần 3: Hệ thống treo ô tô 3.1 Tổng quan Hệ thống treo dùng để nối đàn hồi khung vỏ xe với cầu, bánh xe ôtô thực chức sau: + Khi tơ chuyển động, với lốp hấp thụ cản lại rung động, dao động va đập tác dụng lên xe mặt đường không phẳng, để bảo vệ hành khách, hành lý cải thiện tính ổn định + Xác định động học chuyển động bánh xe, truyền lực kéo, lực phanh sinh ma sát mặt đường bánh xe, lực bên mô men phản lực tới gầm thân xe + Dập tắt dao động thẳng đứng khung vỏ sinh ảnh hưởng mặt đường không phẳng Khi ôtô chuyển động đường không phẳng chịu dao động mặt đường mấp nô sinh Những dao động ảnh hưởng xấu tới tuổi thọ xe, hàng hóa đặc biệt ảnh hưởng tới hành khách Theo số liệu thống kê cho thấy, ôtô chạy đường gồ ghề, so với ôtô loại chạy đường tốt phẳng tốc độ trung bình giảm 40 – 50%, quãng đường chay hai chu kỳ đại tu giảm 35 – 40%, suất tiêu hao nhiên liệu tăng 50 – 70%, suất vận chuyển giảm 30 – 40%, giá thành vận chuyển tăng 50 – 70% Ngoài ra, người phải chịu đựng lâu tình trạng xe chạy bị rung xóc nhiều dễ sinh mêt mỏi Các kết nghiên cứu ảnh hưởng dao động ôtô tới thể người tới kết luận người phải chịu đựng lâu môi trường dao động ôtô mắc phải bệnh thần kinh não Vì vậy, tính êm dịu chuyển động tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng xe Tính êm dịu ơtơ phụ thuộc vào kết cấu xe trước hết hệ thống treo, phụ thuộc vào đặc điểm cường độ kích thích, sau phụ thuộc vào trình độ lái xe Lực kích thích gây dao động không cân liên hợp máy độ nhấp nhô mặt đường không 12 phẳng Nếu xét phạm vi khả chế tạo ơtơ hệ thống treo mang tính chất định đến độ êm dịu chuyển động ôtô 3.2 Hệ thống treo tích cực Zs – dịch chuyển khối lượng treo; Zu – dịch chuyển khối lượngkhông treo; Cs – độ cứng phần tử đàn hồi; Ks – hệ số cản giảmchấn; Ct – độ cứng lốp; fa – lực phát động thủy lực; q0 –mấp mơ biên dạng đường Ngồi hệ tìm hiểu có thêm hệ số giảm chấn lốp Hê thống treo tích cực bao gổm phát động thuỷ lực, điều khiển cảm biến.Hê thống treo địi hỏi phải có lượng cung cấp cho thống lớn, giá thành cao,trọng lượng lớn phức tạp Đây nhược điểm thống treo 13 Phần 4: Đối tượng 4.1 Mơ hình dao động Giả sử đường hồn tồn phẳng, thân xe sinh rung động chi tiết có rung động làm việc (động nổ sinh rung, chi tiết chuyển động quay không cân sinh rung…) Mặt khác đường khơng hồn tồn phẳng nên làm cho xe rung động, thực tế xe chịu hai loại tác động Ta xét hệ chuyển động theo phương thẳng đứng Cơ hệ gồm hai khối lượng xếp chồng lên nhau, khối lượng m liên kết với thông qua giảm chấn thứ nhất, khối lượng M1 liên kết thông qua giảm chấn thứ hai xuống khối lượng M2 Các tham số hệ thống: M1: khối lượng thân xe M2: khối lượng hệ thống treo K1: độ cứng lò xo hệ thống treo B1: hệ số giảm chấn K2 : độ cứng giả thiết bánh xe B2: hệ số giảm chấn bánh xe X1: độ dịch chuyển theo phương thẳng đứng Mo X2: độ dịch chuyển theo phương thẳng đứng M 14 W: độ dịch chuyển theo phương thẳng đứng bánh xe so với mặt đường; 4.2 Phân tích lực, tìm phương trình mơ hình hóa hệ thống Vì ta có hệ gồm vật M1, M2chịu tác dụng lực khác nhau, nên ta xét riêng vật * Vật M1: + Coi vật dao động, vật M2 đứng n (Hình 1): Ta có lực tác dụng lên hình: Trong đó: Lực điều khiển: Lực tác dụng lên lò xo: = Lực ma sát: = + Coi vật M1 đứng yên , vật M2 dao động (Hình 2): Phản lực lị xo: = Phản lực xilanh : = =0 Chiếu tất lực lên phương thẳng đứng ta có phương trình cân lực trường hợp sau: = Thay số ta có: )+.() = =.)+.()+ (*) 15 * Vật M2: Vật M2 di chuyển đứng yên (Hình 3): Lực điều khiển: Lực tác dụng lên lị xo:= Lực ma sát: = Phản lực từ lò xo 1: = Phản lực từ xilanh 1: = Vật M2 đứng yên, M1 chuyển động lên (Hình 4): Lực lò xo: = Lực xi lanh: = Trường hợp thứ hai: Phản lực lò xo: = 16 P: = Thay số: M2.= - +.+.-.- + + M2.= k.(w-y) + b.(- ) -.(y-) -(- )- (**) 4.3 Mô Matlab đối tượng X1dotdot = (k1*(u[4]-u[3])+b1*(u[2]-u[1])+u[5])/M1 (*) X2dotdot = (b1*(u[1]-u[2])+k1*(u[3]-u[4])+b*(u[7]-u[2])+k*(u[6]-u[4])u[5])/M2 (**) U[1] – X1dot: vận tốc M1 U[2] – X2dot: vận tốc M2 U[3] – X1: dịch chuyển M1 U[4] – X2: dịch chuyển M2 U[5] - : lực điều khiển U[6] – w: độ nhấp nhô mặt đường U[7] – wdot: vận tốc nhấp nhô 4.4 Kết chưa có điều khiển Kết mơ trạng thái hệ vị trí cân với lực điều khiển 0, thay đổi giá trị W ( tượng chưng cho độ nhấp nhô mặt đường) 17 Nhận xét: W thay đổi, phải lâu sau hệ trở trạng thái đứng yên Phần 5: Xây dựng điều khiển điều khiển 5.1 Xác định giá trị vào đk mờ • ngõ vào điều khiển • e = X1-X2: dịch chuyển thân xe so với hệ thống treo : biến thiên độ dịch chuyển Ngõ ra: : lực điều khiển Trong đó: - Dịch chuyển thân xe : [-1 ; 1]m - Vận tốc dịch chuyển Ce : [-1 ; 1] m/s - Lực điều khiển: [-1000; 1000] N Các giá trị ban đầu: M1=2500;M2=320;K1=80000;K2=500000;b1=350;b2=15020; 5.2 Mờ hóa ngõ vào + Dịch chuyển thân xe (thấp max, thấp, thấp min, 0, cao min, cao, cao max) tương ứng 18 e: NB: thấp max NM: thấp vừa NS: thấp ZE: cân PS: cao PM: cao vừa PB: cao max + vận tốc dịch chuyển:( xuống max, xuống, xuống min, 0, lên min, lên, lên max) 19 C e: NB: xuống max NM: xuống vừa NS: xuống ZE: cân PS: lên PM: lên vừa PB: lên max 20 + Lực điều khiển: (xuống max, xuống, xuống min, 0, lên min, lên, lên max) U : NB: xuống max NM: xuống vừa NS: xuống ZE: cân PS: lên PM: lên vừa PB: lên max 5.3 Xây dựng bảng luật mờ: Nếu e thấp max Ce xuống max U xuống max Nếu e thấp max Ce xuống max U xuống vừa 21 ……………………………… ta có bảng: Ce E NB NM NS ZE PS PM PB NB NB NB NB NB NM NS ZE NM NB NB NB NM NS ZE PS NS NB NB NM NS ZE PS PS ZE NB NM NS ZE PS PS PB PS NM NS ZE PS PM PB PB PM NS ZE PS PM PB PB PB PB ZE PS PM PB PB PB PB 5.4 Mô hệ thống Matlab Kết mô phỏng: 22 Nhận xét: Độ nhấp nhô W tác động đến khoảng giây thứ sau thống cân 23 Phần 6:Kết luận Mục đích đề tài thiết kế điều khiển fuzzy logic cho hệ thống treo chủ động xe ô tô Hệ thống treo ô tơ mơ hình hóa MATLAB SIMULINK Đề tài cho thấy đáp ứng hệ thống treo tơ khơng có điều khiển so với đáp ứng hệ thống có điều khiển mờ Bộ điều khiển fuzzy logic với hai ngõ vào độ dịch chuyển vận tốc với bảng luật mờ ,đáp ứng hệ thống có điều khiển tỏ vượt trội hẳn thời gian , sai số xác lập Tín hiệu hệ thống bám sát tín hiệu điều khiển mong muốn DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO + Suspension, Control Tutorials for Matlab and Simulink ctms.engin.umich.edu +M Kaleemullah; W F Faris; F Hasbullah Design of robust H∞, fuzzy and LQR controller for active suspension of a quater car model + Fuzzy control of active suspension system 24 ... CƠNG NGHỆ Báo cáo mơn học: Các phương pháp điều khiển tiên tiến Nội dung: Thiết kế điều khiển tối ưu mờ hệ thống treo ô tơ Khoa: Cơ học kỹ thuật tự động hóa Hà nội 2021 Tóm tắt Bài báo cáo mục... treo chủ động xe ô tô Hệ thống treo tơ mơ hình hóa MATLAB SIMULINK Đề tài cho thấy đáp ứng hệ thống treo tơ khơng có điều khiển so với đáp ứng hệ thống có điều khiển mờ Bộ điều khiển fuzzy logic... 5.4 Mô hệ thống Matlab Kết mô phỏng: 22 Nhận xét: Độ nhấp nhô W tác động đến khoảng giây thứ sau thống cân 23 Phần 6:Kết luận Mục đích đề tài thiết kế điều khiển fuzzy logic cho hệ thống treo