Mô hình hóa mô phỏng điều khiển hệ thống treo xe bus

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Giáo viên hướng dẫn: TS Phan Đình Hiếu Sinh viên thực hiện: Chu Quốc An 2018601631 Ngô Việt Anh 2018603696 Phùng Văn Bắc 2018603915 Hà Nội-2020 MỤC LỤC Chương I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VÀ CÁC ỨNG DỤNG VỀ HỆ THỐNG TREO CỦA XE ÔTÔ 1.1 Hệ thống treo tơ thực chất gì? 1.2 Công dụng yêu cầu hệ thống treo ô tô 1.3 Cấu tạo hệ thống treo xe ô tô thông thường 1.4 Phân loại hệ thống treo xe ô tô Chương II Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mơ tả hệ treo 10 Chương III XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH MÔ TẢ HỆ TREO VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HỆ TREO XE BUS 13 3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph .13 3.2 Thiết kế hệ thống điều khiển 13 Chương IV MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH DAO ĐỘNG CỦA THÂN XE 16 4.1 Mô phần mềm 20-SIM .16 4.2 Hệ thống có điều khiển PD: .18 DANH MỤC HÌNH ẢNH LỜI NĨI ĐẦU Ngày nay, khoa học kỹ thuật phát triển ngày mạnh mẽ tất lĩnh vực đời sống xản xuất Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào hoạt động sản xuất địi hỏi người phải khơng ngừng học hỏi nâng cao trình độ hiểu biết để kịp thời cập nhật tiến giới Chính vậy, phát triển ngành điện tử có ý nghĩa quan trọng sản phẩm ngành phục vụ tất ngành khác kinh tế như: phục vụ lĩnh vực tự động hóa, kỹ thuật robot, chế tạo, điều khiển cảm ứng… Bài tập lớn mơn mơ hình hóa mơ hệ thống điện tử giúp cho sinh viên tìm hiểu khai thác hiệu mơ hình điện tử như: mơ hình tơ, xây dựng cầu, người máy, xe lăn điện tử,… Các mơ hình sử dụng cơng nghiệp, thương mại quân đội, đắt đỏ, nguy hiểm bất khả thi thực thí nghiệm với hệ thống thực Các mơ hình mơ tả phù hợp với thực tế, thực thi thí nghiệm với chúng tiết kiệm tiền bạc, tổn thất chí thời gian Sự phát triển kinh tế dẫn đến u cầu mục đích sử dụng tơ thay đổi, xe không đơn phương tiện chuyên chở mà phải đáp ứng u cầu tính an tồn, độ êm dịu thoải mái, tính tiện nghi, kinh tế thân thiện với mơi trường Do có nhiều tiến khoa học kĩ thuật áp dụng vào công nghệ chế tạo ô tô nhằm nâng cao độ tin cậy, an toàn, tiện nghi, giảm ô nhiễm môi trường, Hệ thống treo hệ thống quan trọng ô tô, góp phần tạo nên độ êm dịu, ổn định tính tiện nghi xe, giúp người ngồi có cảm giác thoải mái dễ chịu Trong đề tài tập lớn mơn “Mơ hình hóa mơ hệ thống điện tử ”, nhóm sinh viên chúng em xin trình bày cách cụ thể trình nghiên cứu tìm hiểu tính tốn mơ hình hóa mô điều khiển hệ thống treo xe bus Thơng qua áp dụng vào nghiên cứu khoa học đồ án tốt nghiệp trường Để báo cáo hoàn thiện hơn, nhóm chúng em hi vọng nhận góp ý từ phía thầy Qua đây, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy hướng dẫn Nguyễn Xuân Thuận nhiệt tình hướng dẫn tập lớn môn cho chúng em Hà Nội, ngày … tháng 12 năm 2020 Chương GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VÀ CÁC ỨNG DỤNG VỀ HỆ THỐNG TREO CỦA XE ÔTÔ Hệ thống treo ô tô phận quan trọng giúp mang lại êm tạo cảm giác an toàn cho người dùng xe Bộ phận quan trọng ngày nhà sản xuất ô tô trọng tạo công nghệ phục vụ tốt cho khách hàng kể đến hệ thống treo khí nén điện tử, hệ thống treo độc lập đa liên kết, Tuy nhiên, biết hoạt động nào? Và viết giúp bạn hiểu thêm công dụng phận cấu thành hệ thống treo 1.1 Hệ thống treo tơ thực chất gì? Có thể nói hệ thống treo tơ nhân tố làm giảm chấn chỉnh ô tô, giúp xe di chuyển êm bị xóc nảy Nếu xe đoạn đường có nhiều ổ gà, gồ ghề hệ thống loại bỏ dao động thẳng đứng hạn chế ảnh hưởng học đến phần khung, chi tiết kim loại tránh cho việc xe bị nảy lên nhiều từ mang lại thoải mái cho người ngồi xe Hình 1.1 Hệ thống giảm chấn xe ô tô Hệ thống treo xe ô tô gắn với cầu trước cầu sau thuộc phận khung gầm cạnh hệ thống như: – Hệ thống khung (Frame): Làm nhiệm vụ đỡ trọng lượng thân xe, hệ thống khung sau lại đỡ hệ thống treo – Hệ thống bánh lái ( steering system) chuyển tải thao tác người lái vô lăng xuống bánh điều hướng phía trước – Hệ thống bánh xe: giúp liên kết khó nối bánh xe với khung gầm xe 1.2 Công dụng yêu cầu hệ thống treo ô tô a, Công dụng: Hệ thống treo tập hợp tất cấu dùng để đàn hồi khung vó ô tô mảy kéo với cầu hay hệ thống chuyển động (bánh xe, xích) Hệ thống treo nói chung, gồm có ba phận là: Bộ phận đàn hồi, Bộ phận dần hướng Bộ phận giảm chấn Mỗi phận đảm nhận chức nhiệm vụ riêng biệt - Bộ phận đàn hồi: Dùng đề tiếp nhận truyền tải trọng thẳng đứng, làm giảm va đập tải trọng động tác dụng lên khung vỏ hệ thống chuyển động, đảm bảo độ êm dịu cần thiết cho ô tô máy kéo chuyển động - Bộ phận dẫn hướng: Dùng để tiếp nhận truyền khung lực dọc, ngang mômen phản lực mômen phanh tác dụng lên bánh xe Động học phận dẫn hướng xác định đặc tính dịch chuyển tương đối bánh xe khung vỏ - Bộ phận giảm chấn: với ma sát hệ thống treo, có nhiệm vụ tạo lực cản, dập tắt dao động phần treo không treo, biến dao động thành nhiệt tiêu tán môi trường xung quanh Ngồi ba phận trên, hệ thống treo ô tô du lịch, ô tơ khách số tơ vận tải, cịn có thêm phận phụ phận ổn định ngang Bộ phận có nhiệm vụ giảm độ nghiêng dao động góc ngang thùng xe b, Yêu cầu Hệ thống treo phải đảm bảo yêu cầu sau đây: - Đặc tính đàn hồi hệ thống treo (đặc trưng độ võng tĩnh ft hành trình động fđ) phải đảm bảo cho xe có độ êm dịu cần thiết chạy đường tốt không bị va đập liên tục lên ụ hạn chế chạy đường xấu không phẳng với tốc độ cho phép Khi xe quay vịng, tăng tốc phanh vỏ xe không bị nghiêng, ngửa hay chúc đầu - Đặc tính động học, định phận dần hướng, phải đảm bảo cho xe chuyển động ổn định có tính điều khiển cao, cụ thể là: + Đảm bảo cho chiều rộng sở góc đặt trụ quay đứng bánh xe dẫn hướng không đổi thay đổi không đáng kể; + Đảm bảo tương ứng động học bánh xe truyển động lái, để tránh gây tượng tự quay vòng dao động bánh xe dẫn hướng xung quanh trụ quay - Giảm chấn phải có hệ sổ dập tắt dao động thích hợp để dập tắt dao động hiệu êm dịu - Có khối lượng nhỏ, đặc biệt phần khơng treo - Kết cẩu đơn giản, dễ bố trí Làm việc vừng, tin cậy Hình 1.2 Hệ thống treo xe bus Dù hệ thống treo thiết kế với cơng nghệ thiết kế phải đáp ứng với mục đích mang lại sức nặng xe điều kiện địa hình Đảm bảo ổn định, linh hoạt xe chuyển hướng, vào cua, tăng hay giảm tốc Giảm thiểu tối đa tác động bề mặt địa hình lên phần thân xe nhằm tăng thoải mái cho người ngồi xe Cuối đảm bảo điều kiện an toàn tối thiểu va chạm Trong thực tế, tiến hành nghiên cứu sản xuất hệ thống treo tơ hãng xe buộc phải tuân theo tiêu chí sau: Tiêu chí Tiêu chí Tiêu chí Tiêu chí Ưu tiên trải nghiệm xe: khả kiểm soát xe, thoải mái, tiếng ồn độ rung lắc hệ thống treo,… Dựa thiết kế tổng xe: kết cấu tổng thể xe, không gian chiếm dụng hệ thống treo,… Ưu tiên giá thành/ Trọng lượng chi phí sản xuất xe 1.3 Cấu tạo hệ thống treo xe ô tô thông thường Dựa theo cấu tạo chung hệ thống treo đa số xe hệ thống treo xe gồm phận :  Bộ phận đàn hồi phận quan trọng (thường loại : Nhíp, Lị xo, Thanh xoắn, Khí nén, Cao su), có tác dụng làm giảm tần số dao động ô tô, đảm bảo độ êm dịu xe chuyển động qua cung đường không phẳng  Bộ phận giảm chấn có nhiệm vụ loại dao động bánh thân ô tô, tăng độ bám đường cho bánh, giúp tránh không bị rung lắc mạnh  Bộ phận dẫn hướng (thanh ổn định) có chức tiếp nhận, truyền lực mômen bánh khung xe Cũng theo điều này, hệ thống treo thường chia làm hai loại treo độc lập treo phụ thuộc Hai thuật ngữ ám khả điều chỉnh bánh xe đối chuyển động độc lập Hình 1.3 hình ảnh 3-D hệ thống treo xe ô tô Hệ thống treo xe gắn cầu trước cầu sau xe Nó phận thuộc khung gầm (chassis) xe bên cạnh hệ thống khác ví dụ như:  Hệ thống khung (frame): có nhiệm vụ đỡ trọng lượng thân xe Hệ thống khung sau lại đỡ hệ thống treo  Hệ thống bánh lái (steering system): có nhiệm vụ chuyển tải thao tác người lái vô- lăng xuống bánh điều hướng phía trước  Hệ thống bánh xe: bao gồm bánh xe Hệ thống treo liên kết khí nối bánh xe với khung gầm xe 1.4 Phân loại hệ thống treo xe ô tô Căn vào việc tiếp nhận, truyền lực mô men bánh khung xe phận hướng dẫn mà chia hệ thống treo tơ làm hai loại treo độc lập treo phụ thuộc Hệ thống treo phụ thuộc Cấu tạo hệ thống treo phụ thuộc đơn giản, hai bánh xe đỡ hộp cầu xe dầm cầu nối liền bánh lại, chi tiết hệ thống treo nối dầm cầu với thân xe Hình 1.4 Hệ thống treo đa liên kết + Ưu điểm hệ thống treo phụ thuộc:  Cấu tạo hệ thống đơn giản, chi tiết dễ bảo trì bảo dưỡng  Hệ thống treo phụ thuộc có độ cứng vững để chịu tải nặng thích hợp cho dòng xe tải bán tải  Khi xe vào cua thân xe bị nghiêng giúp người ngồi cảm giác ổn định, chắn  Định vị bánh xe thay đổi chuyển động lên xuống chúng nhờ lốp xe bị bào mịn Về hệ thống treo phụ thuộc thích hợp cho dịng xe tải chở hàng nặng lắp cho trục bánh sau dịng xe phổ thơng, xe – Nhược điểm hệ thống treo phụ thuộc:  Phần khối lượng không treo lớn hệ thống treo phụ thuộc có đặc thù cứng nhắc khơng có độ linh hoạt cho bánh nên độ êm xe  Giữa bánh xe phải trái chuyển động có ảnh hưởng qua lại lẫn thông qua hệ thống dầm cầu nên chúng dễ bị ảnh hưởng dao động rung lắc qua lại lẫn  Khi vào đoạn đường cua xe dễ bị trượt bánh với tốc độ cao điều kiện mặt đường trơn trượt Điều dễ nhận thấy dòng xe bán tải hay có tượng văng đít Toyota Hilux hay Ford Ranger Hệ thống treo độc lập Cấu tạo hệ thống treo độc lập bánh xe lắp tay đỡ riêng gắn vào thân xe tạo linh hoạt chủ động cho bánh Vì bánh xe bên trái bên phải chuyển động độc lập với + Ưu điểm hệ thống treo độc lập:  Khối lượng không treo nhỏ nên khả bám đường bánh xe cao, tính êm dịu tốt  Các lị xo khơng liên quan đến việc định vị bánh xe, sử dụng lị xo mềm  Do khơng có dầm cầu liền nối thân, cố định bánh xe nên bố trí sàn xe động thấp nhằm hạ thấp trọng tâm, giúp xe vận hành ổn định tốc độ cao – Nhược điểm hệ thống treo độc lập:  Cấu tạo phức tạp, việc bảo trì – bảo dưỡng nhiều khó khăn  Khoảng cách định vị bánh xe bị thay đổi với chuyển động lên xuống bánh xe, nên nhiều xe có trang bị thêm ổn định để giảm tượng xoay đứng xe quay vòng tăng độ êm cho xe Chương Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mơ tả hệ treo Phương pháp phân tích lực Nhận xét: Tọa độ(x,y) hướng hình khi: Hệ đứng yên trạng thái cân bằng(tĩnh)(cho phép trọng lượng phép bỏ qua) Giả sử lị xo giảm chấn (damper), tuyến tính Ta chọn chiều dương theo hướng hình vẽ (chiều tích cực) Phân tích ta tưởng tượng cố định: Hình 2.5 phân tích lực tác động lên vật M1 Ta có: Phân tích ta tưởng tượng mặt đất cố định Hình 2.6 phân tích lực tác động lên vật M2 Ta có: Theo định luật II Newton: Vật Vật Từ hình định luật Newton, có phương trình động sau: Phương trình hàm truyền: Giả thiết điều kiện ban đầu khơng, phương trình đặc trưng cho trạng thái bánh xe buýt bị xóc Do hiệu số X1-W khó để tính tốn, độ biến dạng lốp xe (X2-W) bỏ qua, dùng hiệu số X1-X2 thay cho đầu X1-W Các phương trình động học biểu diễn dang hàm truyền phép biến đổi Laplace phương trình Lấy đạo hàm phương trình hàm truyền G1(s) G2(s) đầu X1 X2 hai đầu vào U W sau: (M1s2+b1s+k1)X1(s) - (b1s+k1)X2(s)=U(s) - (b1s+k1)X1(s) + (M2s2 + (b1+b2)s + (k1+k2))X2(s)=(b2s+k2)W(s) – U(s) = A= = Hoặc =(M1s2+b1s+k1).(M2s2 + (b1+b2)s + (k1+k2)) - (b1s+k1).(b1s+k1) Tìm nghịch đảo ma trận A sau nhân với đầu vào U(s) W(s) phía bên phải: = = Khi muốn xét đến đầu vào U(s), đặt W(s)=0 Do hàm truyền sau: Khi muốn xét tới nhiễu đầu vào W(s), đặt U(s)=0 Do hàm truyền sau: = Chương XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH MÔ TẢ HỆ TREO VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HỆ TREO XE BUS 3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph Hình 3.7 Biểu đồ bond mơ 20sim Biều đồ bond gồm phần tử: I:biểu thị cho vật R: thành phần giảm chấn C: biểu diễn cho độ cứng lò xo Msf: input 3.2 Thiết kế hệ thống điều khiển Kiểm soát trạng thái hệ thống điều cần thiết quan trọng hệ thống thực tế Bất kể hệ thống thiết kế tốt nào, phản hồi (system output) khơng phải lúc xác mong muốn mong đợi Ngồi ra, nhiễu động bên ngồi ảnh hưởng đến hệ thống; trạng thái nó,vì thay đổi so với mong muốn Do đó, cần phải kiểm sốt hệ thống điều chỉnh trạng thái hệ thống cách thay đổi đầu vào để sản lượng mong muốn đạt Có số kỹ thuật điều khiển đơn giản, chẳng hạn điều khiển “bang-bang” (ON / OFF), sử dụng hạn chế Công nghệ tiếng hữu ích kiểm soát phản hồi, nơi phản hồi hệ thống giám sát so sánh với phản hồi dự kiến, lỗi phản hồi sử dụng để thay đổi đầu vào để đạt kết mong muốn đáp ứng hệ thống bị trừ khỏi điểm đặt để có sai số Tín hiệu lỗi sử dụng thuật tốn điều khiển để xác định đầu vào hệ thống đưa vào kết phản hồi điều chỉnh để đạt đầu Hình 3.8 hình minh họa hệ thống điều khiển hồi tiếp cho thấy sơ đồ điều khiển phản hồi chuyển tiếp hệ thống Các nhà thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng số thước đo khác hiệu suất hệ thống Các phương pháp bao gồm: Tính ổn định: Tình trạng rối loạn ban đầu nhanh chóng chết Tốc độ: Hệ thống cần phản ứng nhanh chóng Độ nhạy: Độ nhạy hệ thống tiếng ồn phải thấp để kiểm soát đầu vào phải cao Độ xác: Sai số phải thấp Khớp nối động: Giảm khớp nối biến hệ thống Hình 3.9 hình ảnh minh họa hệ thống điều khiển Trong tất thuật toán điều khiển phản hồi, đầu thực tế đưa trở lại hệ thống điều khiển để đo lỗi (sự khác biệt dự kiến đầu thực tế) tính toán đo lỗi sử dụng để đặt thay đổi đầu vào cần thiết để giảm thiểu lỗi Hơn 90% tất chiến điều khiển xoay quanh việc sử dụng kiểm soát PID số hình thức PID viết tắt điều khiển tỷ lệ, tích phân đạo hàm Hình 3.10 hệ thống có điều khiển PD Lúc ta có thêm điều khiển PD tín hiệu xác lập mong muốn (constant) tín hiệu điều khiển U (Mse) Chương MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH DAO ĐỘNG CỦA THÂN XE 4.1 Mô phần mềm 20-SIM Hệ thống chưa có điều khiển: Hình 4.11 biểu đồ bond hệ thống Nhập thông số phần tử vào phần mềm 20sim:  Khối lượng thân xe: 2500 (kg)  Khối lượng bánh xe: 320 (kg)  Độ cứng hệ treo K1 : 80000 (N/m)  Độ cứng lốp xe K2 : 500000 (N/m)  Hệ số cản hệ treo b1 : 350 (Ns/m)  Hệ số cản hệ treo b2 : 15020 (Ns/m)  Lực tác động có độ lớn = 100 (N), bắt đầu t=1(s) kết thúc t=2(s) Hình 4.12 Hình ảnh nhập liệu mơ 20sim Hình 4.13 hình ảnh mơ dao động hệ thống Nhận xét: Từ ảnh mô trên, ta thấy lực tác động vào bánh xe 100N vị trí thân xe tăng vọt lên 12,5 sau giảm dần sau khoảng thời gian 40s.thời gian dao động thân lâu biên độ dao động lớn 4.2 Hệ thống có điều khiển PD: Hình 4.14 Hệ thống có điều khiển PD Nhập liệu vào phần mềm: Ta chọn :Kp=200; tauD=1s Hình 4.15 nhập thơng số vào phần mềm Kết mô phỏng: cho thấy biên độ thân xe giảm xuống 12, với Kp=200,tauD=1s model X1 10 -5 10 20 30 time {s} 40 50 Hình 4.16 Hình ảnh mơ dao động thân xe 60 Với Kp=900, tauD=13 biên độ thân xe giảm xuống dao động thân xe giảm dần vị trí model X1 10 -5 10 20 30 time {s} 40 Hình 4.17 hình ảnh mơ 20sim 50 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt [1] Huỳnh Thái Hồng, Mơ hình hóa nhận dạng hệ thống, Hồ Chí Minh: ĐHBK TPHCM, 2012 [2] Phạm Thị Thục Anh, Nguyễn Công Hiền, Mơ hình hóa hệ thống mơ phỏng, Hà Nội: NXB Khoa học kỹ thuật, 2005 Tiếng anh [3] S.Das, Mechantronics modeling and simulation using Bond Graphs, USA: CRC press, 2009  ... bánh xe Hệ thống treo liên kết khí nối bánh xe với khung gầm xe 1.4 Phân loại hệ thống treo xe ô tô Căn vào việc tiếp nhận, truyền lực mô men bánh khung xe phận hướng dẫn mà chia hệ thống treo. .. việc xe bị nảy lên nhiều từ mang lại thoải mái cho người ngồi xe Hình 1.1 Hệ thống giảm chấn xe tô Hệ thống treo xe ô tô gắn với cầu trước cầu sau thuộc phận khung gầm cạnh hệ thống như: – Hệ thống. .. lập Hình 1.3 hình ảnh 3-D hệ thống treo xe ô tô Hệ thống treo xe gắn cầu trước cầu sau xe Nó phận thuộc khung gầm (chassis) xe bên cạnh hệ thống khác ví dụ như:  Hệ thống khung (frame): có nhiệm