Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo bán tích cực trên ô tô con

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:143

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo bán tích cực trên ô tô con" nghiên cứu thuật toán điều khiển giảm chấn từ trƣờng trong hệ thống treo bán tích cực nâng cao khả năng dập tắt dao động của hệ thống treo và giảm số lƣợng cảm biến cho phép giảm giá thành của hệ thống điều khiển.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo bán tích cực trên ô tô con

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ đề tài nghiên cứu nào khác. Hà Nội, tháng năm 2022 Nghiên cứu sinh i
LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu sinh (NCS) xin chân thành cảm ơn Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo, Trƣờng Cơ khí và nhóm chuyên môn Ô tô và xe chuyên dụng đã cho phép NCS thực hiện luận án tại Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Phòng Đào tạo và Trƣờng Cơ khí về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình NCS làm luận án. NCS xin chân thành cảm ơn PGS.TS Đàm Hoàng Phúc và TS Lại Năng Vũ đã hƣớng dẫn NCS hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để NCS có thể thực hiện và hoàn thành luận án. NCS xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô nhóm Ôtô và xe chuyên dụng- Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho NCS những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này. NCS xin cảm ơn Ban Giám hiệu trƣờng trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Nam Định đã hậu thuẫn và động viên NCS trong suốt quá trình nghiên cứu học tập. NCS xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để NCS có thể hoàn chỉnh luận án này và định hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai. Cuối cùng NCS xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những ngƣời đã động viên khuyến khích NCS trong suốt thời gian NCS tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này. Nghiên cứu sinh Nguyễn Trung Kiên ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................... vi DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ................................................................ ix CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ...................................................................................... 3 1.1. Đặt vấn đề........................................................................................................ 3 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc ..................................................... 4 1.2.1 Động lực học hệ thống treo ....................................................................... 4 1.2.2. Thiết kế hệ thống treo thụ động ............................................................... 6 1.2.3. Hệ thống treo điều khiển điện tử ............................................................. 7 1.2.4 Cảm biến trong hệ thống treo điều khiển điện tử ..................................... 9 1.2.5. Kỹ thuật điều khiển ................................................................................ 11 1.3. Chỉ tiêu đánh giá hệ thống treo ..................................................................... 21 1.4. Mục tiêu luận án ............................................................................................ 24 1.5. Đóng góp mới của luận án ............................................................................ 24 1.6. Nội dung của luận án..................................................................................... 24 1.7. Bố cục luận án ............................................................................................... 25 1.8. Kết luận ......................................................................................................... 25 CHƢƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH .................................................................... 26 2.1. Đặt vấn đề...................................................................................................... 26 2.1.1. Mô hình hệ thống treo toàn xe ............................................................... 26 2.1.2. Mô hình hệ thống treo ½ ........................................................................ 27 2.1.3. Mô hình hệ thống treo ¼ ........................................................................ 27 2.1.4. Mô hình hệ thống treo ¼ bán tích cực ................................................... 28 iii
2.2. Giảm chấn từ tính .......................................................................................... 32 2.2.1. Chất lỏng từ tính .................................................................................... 32 2.2.2. Chất lỏng MR ......................................................................................... 34 2.2.3. Kết cấu giảm chấn MR .......................................................................... 35 2.3. Mô hình giảm chấn MR ................................................................................ 36 2.3.1. Mô hình bán tĩnh .................................................................................... 37 2.3.2. Mô hình tham số giảm chấn MR ........................................................... 40 2.2.2. Mô phỏng đặc tính giảm chấn................................................................ 42 2.2.3. Đánh giá đặc tính điều khiển đến hoạt động của giảm chấn MR .......... 46 2.4. Mô hình hệ thống treo có giảm chấn MR ..................................................... 52 2.4.1. Mô hình tổng thể .................................................................................... 52 2.4.2. Mô phỏng hoạt động .............................................................................. 53 2.5. Kết luận ......................................................................................................... 55 CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN .................................... 57 3.1. Đặt vấn đề...................................................................................................... 57 3.2. Bộ điều khiển LQR ....................................................................................... 59 3.3. Bộ quan sát Kalman (bộ lọc Kalman) ........................................................... 64 3.4. Bộ điều khiển LQG ....................................................................................... 67 3.5. Mô phỏng và lựa chọn bộ điều khiển ............................................................ 69 3.5.1. Kịch bản mô phỏng ................................................................................ 69 3.5.2. Kết quả và đánh giá................................................................................ 71 3.6. Đánh giá hiệu quả bộ điều khiển LQG2 ....................................................... 77 3.6.1. Đánh giá theo xung tác động dạng sin ................................................... 77 3.6.2. Đánh giá dƣới tác động của mặt đƣờng ngẫu nhiên .............................. 81 3.7. Kết luận ......................................................................................................... 83 iv
CHƢƠNG 4. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ GIẢM CHẤN MR ....... 85 4.1. Mục đích ........................................................................................................ 85 4.2. Yêu cầu của bệ thử ........................................................................................ 85 4.3. Trình tự thực hiện .......................................................................................... 85 4.4. Cấu tạo vào nguyên lý hoạt động của bệ thử. ............................................... 86 4.4.1. Sơ đồ nguyên lý bệ thử .......................................................................... 86 4.4.2. Nguyên lý hoạt động của bệ thử ............................................................ 87 4.5. Kết cấu thiết bị thí nghiệm đặc tính giảm chấn............................................. 90 4.5.1. Kết cấu ................................................................................................... 90 4.5.2. Các thông số của thiết bị ........................................................................ 90 4.5.3. Các bộ phận trên thiết bị ........................................................................ 91 4.6. Thực nghiệm xác định đặc tính giảm chấn ................................................... 91 4.6.1. Kịch bản thử nghiệm .............................................................................. 92 4.6.2. Kết quả thử nghiệm ................................................................................ 92 4.6.3. Xác định thông số mô phỏng trên mô hình Dahl ................................... 96 4.7. Kết luận ....................................................................................................... 103 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 107 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................. 117 PHỤ LỤC ............................................................................................................... 118 PHỤ LỤC 1. Bảng so sánh lực giảm chấn giữa mô phỏng và thực nghiệm ở cùng vị trí dịch chuyển, dƣới tác dụng điện áp 0.1V .......................................................... 118 PHỤ LỤC 2. Bảng so sánh lực giảm chấn giữa mô phỏng và thực nghiệm ở cùng vị trí vận tốc, dƣới tác dụng điện áp 0.1V .................................................................. 118 PHỤ LỤC 3. Chƣơng trình tính toán dữ liệu nạp vào Adruino ............................. 119 PHỤ LỤC 4: Chƣơng trình giao diện hiển thị........................................................ 121 v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh mục ký hiệu Ký hiệu Đơn vị Giải thích A Ma trận vật lý của hệ thống treo aWZ m/s2 Gia tốc bình phƣơng trung binh B Ma trận điều khiển C Ma trận tín hiệu đầu ra c Ns/m Hệ số cản của giảm chấn mb kg Khối lƣợng phần đƣợc treo mw kg Khối lƣợng phần không đƣợc treo K N/m Độ cứng của phần tử đàn hồi kt N/m Độ cứng của lốp zb m Dịch chuyển của thân xe zw m Dịch chuyển của bánh xe zr m Dịch chuyển của mặt đƣờng x Trạng thái y Tín hiệu đầu ra F N Lực giảm chấn cần thiết Fb N Lực giảm chấn MR theo mô hình Bouc-wen Fd N Lực giảm chấn MR theo mô hình Dahl F-t Đặc tính lực giảm chấn – thời gian F-x Đặc tính lực giảm chấn – chuyển vị piston F-v Đặc tính lực giảm chấn – vận tốc piston G Ma trận tín hiệu nhiễu K Ma trận phản hồi trạng thái L Độ lợi Kalman Ma trận trọng số quan tâm đến chất lƣợng điều Q khiển Qe Ma trận hiệp phƣơng sai nhiễu vi
Ký hiệu Đơn vị Giải thích Ma trận trọng số quan tâm đến năng lƣợng điều R khiển Re Re là ma trận hiệp phƣơng sai phép đo nhiễu U V Điện áp điều khiển Danh mục chữ viết tắt Ký hiệu Giải thích D/A Digital to Analog Bộ chuyển số sang tƣơng tự DM Mean damping ratio Tỷ lệ giảm chấn trung bình ER Electrorheological Chất lỏng điện trƣờng Điều khiển Gauss tuyến tính-bậc LQG Linear–quadratic–Gaussian hai LQR Linear–quadratic regulator Điều chỉnh toàn phƣơng tuyến tính LQG1 Bộ điều khiển 1 LQG2 Bộ điều khiển 2 LQG3 Bộ điều khiển 3 LQG4 Bộ điều khiển 4 Micro Electro Mechanical MEMS Hệ thống vi cơ điện tử Systems MR Magnetorheological Chất lỏng từ hoá MRD Magnetorheological Device Bộ giảm chấn từ tính Chỉ tiêu gia tốc bình phƣơng trung RMS Root Mean Square bình vii
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Bảng đánh giá độ êm dịu ô tô theo ISO 2631-1 [99] ............................... 23 Bảng 2.1. Thông số của mô hình treo ¼ ................................................................... 32 Bảng 2.2. Các đặc tính điển hình của chất lỏng ER và MR [27], [103] ................... 34 Bảng 2.3. Thông số mô hình Bouc-Wen [110] ........................................................ 41 Bảng 2.4. Tham số trong mô hình Dahl [110] .......................................................... 42 Bảng 2.5. Kịch bản mô phỏng giảm chấn MR ......................................................... 43 Bảng 2.6. Kịch bản mô phỏng đặc tính giảm chấn MR ........................................... 46 Bảng 2.7. Phƣơng án mô phỏng hệ thống treo với giảm chấn MR .......................... 53 Bảng 3. 1. Giá trị các điểm cực khi có bộ điều khiển............................................... 63 Bảng 3.2. Mô phỏng theo chủng loại cảm biến ........................................................ 70 Bảng 3.3. Mô phỏng theo vị trí lắp cảm biến ........................................................... 70 Bảng 3.4. So sánh hiệu quả của bộ điều khiển LQG2 .............................................. 80 Bảng 3.5. So sánh hiệu quả của bộ điều khiển LQG2 ở các tốc độ khác nhau ........ 83 Bảng 4.1. Thử nghiệm xác định đặc tính giảm chấn MR ......................................... 92 Bảng 4.2. Tƣơng quan giữa mô phỏng và thực nghiệm ......................................... 100 Bảng 4.3. Sự phụ thuộc các tham số trong mô hình Dahl theo điện áp cấp ........... 101 Bảng 4.4. Quan hệ của các tham số trễ mô hình Dahl theo điện áp ....................... 103 viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Mô hình hệ thống treo ¼ ............................................................................ 4 Hình 1.2. Hệ thống treo điều khiển điện tử ................................................................ 7 Hình 1.3. Sơ đồ kết cấu hệ thống treo trên ô tô .......................................................... 8 Hình 1.4. Mô hình hệ thống treo Skyhook ............................................................... 13 Hình 1.5. Đáp ứng miền tần số của hệ thống treo thụ động ..................................... 14 Hình 1.6. Đáp ứng miền tần số của hệ thống treo skyhook ..................................... 15 Hình 1.7. Mô hình hệ thống treo Groundhook ......................................................... 16 Hình 1.8. Điều khiển trƣợt trên mặt phẳng pha ........................................................ 18 Hình 2.1. Mô hình không gian xe con ...................................................................... 26 Hình 2.2. Mô hình phắng dao động ô tô 2 cầu ......................................................... 27 Hình 2.3. Mô hình ¼ ................................................................................................ 28 Hình 2.4. Mô hình hệ thống treo ¼ bán tích cực ...................................................... 29 Hình 2.5. Minh họa về sự hoạt động của chất lỏng MR ........................................... 35 Hình 2.6. Cấu tạo giảm chấn MR ............................................................................. 35 Hình 2.7. Nguyên lý hoạt động của giảm chấn MR ................................................. 36 Hình 2.8. Các thông số của piston và van điều khiển của giảm chấn MR ............... 39 Hình 2.9. Mô hình Bouc-Wen .................................................................................. 40 Hình 2.10. Mô hình Dahl .......................................................................................... 42 Hình 2.11. Đặc tính lực theo thời gian (F-t) ............................................................. 44 Hình 2.12. Đặc tính F-v ............................................................................................ 44 Hình 2.13. Đặc tính F-x ............................................................................................ 45 Hình 2 14. Sơ đồ mô phỏng ảnh hƣởng của điện áp đến đặc tính giảm chấn MR ... 46 Hình 2.15.Đặc tính F-t khi cấp điện áp điều khiển không đổi ................................. 47 Hình 2.16. Đặc tính F-v khi cấp điện áp điều khiển không đổi................................ 47 Hình 2.17. Đặc tính F-x khi cấp điện áp điều khiển không đổi................................ 47 Hình 2.18. Đặc tính điện áp điều khiển theo sƣờn dƣơng ........................................ 48 Hình 2.19. Đặc tính F-t khi cấp điện áp điều khiển theo sƣờn dƣơng ..................... 49 Hình 2.20. Đặc tính F-v khi cấp điện áp điều khiển theo sƣờn dƣơng ..................... 49 Hình 2.21. Đặc tính F-x khi cấp điện áp điều khiển theo sƣờn dƣơng ..................... 50 ix
Hình 2.22. Đặc tính điện áp điều khiển đối xứng âm-dƣơng ................................... 50 Hình 2.23. Đặc tính F-t khi cấp điện áp điều khiển đối xứng âm-dƣơng ................. 50 Hình 2.24. Đặc tính F-v khi cấp điện áp điều khiển đối xứng âm-dƣơng ................ 51 Hình 2.25. Đặc tính F-x khi cấp điện áp điều khiển đối xứng âm-dƣơng ................ 51 Hình 2.26. Mô hình hệ thống treo ¼ với giảm chấn MR ......................................... 53 Hình 2. 27. Đặc tính F-v trên hệ thống treo ¼ có giảm chấn MR ............................ 54 Hình 2.28. Đặc tính F-x trên hệ thống treo ¼ có giảm chấn MR ............................. 54 Hình 2.29. So sánh dịch chuyển thân xe .................................................................. 54 Hình 3.1. Sơ đồ bố trí bộ điều khiển trong hệ thống treo bán tích cực .................... 57 Hình 3.2. Mô hình không gian trạng thái kết hợp điều khiển LQR ......................... 59 Hình 3.3. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển hệ thống treo theo luật LQR ......... 60 Hình 3.4. Sơ đồ khối kết nối bộ lọc Kalman ............................................................ 64 Hình 3.5. Sơ đồ bộ lọc Kalman liên tục ................................................................... 65 Hình 3.6. Bộ quan sát Kalman trong điều khiển hệ thống treo bán tích cực............ 65 Hình 3.7. Các bƣớc thực hiện trong Kalman ............................................................ 66 Hình 3.8. Sơ đồ điều khiển hệ thống treo theo thuật toán LQG ............................... 67 Hình 3.9. Dịch chuyển thân xe với các phƣơng án điều khiển................................. 71 Hình 3.10. Biên độ dao động thân xe cực đại .......................................................... 71 Hình 3.11. Đặc trƣng dao động tắt dần .................................................................... 72 Hình 3.12. So sánh hiệu quả dập tắt dao động ......................................................... 73 Hình 3.13. Đặc tính lực giảm chấn cần thiết trong hệ thống treo ¼ ........................ 73 Hình 3.14. Dao động thân xe giữa LQG2, LQG3 và LQG4 .................................... 74 Hình 3.15. So sánh biên độ dao động cực đại theo 4 phƣơng án điều khiển ........... 75 Hình 3.16. So sánh hiệu quả dập tắt dao động theo 4 phƣơng án điều khiển .......... 75 Hình 3.17. Lực giảm chấn cần thiết cần thiết trên 3 phƣơng án .............................. 76 Hình 3.18. Đặc tính dịch chuyển thân xe ................................................................. 78 Hình 3.19. Độ giảm dịch chuyển thân xe cực đại .................................................... 78 Hình 3.20. Đặc tính gia tốc dao động thân xe .......................................................... 79 Hình 3.21. Độ giảm gia tốc cực đại .......................................................................... 79 Hình 3.22. Độ giảm RMS ......................................................................................... 79 x
Hình 3.22. Đặc tính lực tác động xuống mặt đƣờng ................................................ 80 Hình 3.23. Đặc tính mặt đƣờng C-D theo ISO 8608:1995 ở tốc độ 40km/h ........... 81 Hình 3.24. Dịch chuyển thân xe dƣới tác động mặt đƣờng C-D theo ISO 8608:1995 ở tốc độ 40km/h ........................................................................................................ 82 Hình 3.25. Đặc tính gia tốc dao động thân xe .......................................................... 82 Hình 4.1. Sơ đồ nguyên lý bệ thử giảm chấn ........................................................... 86 Hình 4.2. Đĩa lệch tâm .............................................................................................. 87 Hình 4.3. Thiết bị thí nghiệm động lực học của giảm chấn ..................................... 90 Hình 4.4. Hộp điều khiển của thiết bị ....................................................................... 90 Hình 4.5. Giảm chấn MR trên hệ thống treo trƣớc xe Acurra 2011......................... 92 Hình 4.6. Đặc tính chuyển vị và vận tốc piston ....................................................... 93 Hình 4.7. Đặc tính lực giảm chấn-thời gian ............................................................. 93 Hình 4.8. Đặc tính lực giảm chấn– vận tốc piston ................................................... 93 Hình 4.9. Đặc tính lực giảm chấn– dịch chuyển piston............................................ 94 Hình 4.10. Kết quả thu đƣợc trên giao diện hiển thị khi thiết bị hoạt động. ............ 95 Hình 4.11. Đặc tính lực đo đƣợc ở trạng thái tĩnh .................................................... 95 Hình 4.12. So sánh đặc tính lực đo đƣợc tại loadcell ............................................... 96 Hình 4.13. Đặc tính lực giảm chấn do chất lỏng MR sinh ra ................................... 96 Hình 4.14. Đặc tính giảm chấn giữa mô phỏng và thực nghiệm khi cấp điện áp 0.1V ..... 97 Hình 4.15. Đặc tính giảm chấn dƣới tác động điện áp 0.5V .................................... 97 Hình 4.16. Đặc tính lực giảm chấn dƣới điện áp điều khiển 1V .............................. 97 Hình 4.17. Đặc tính giảm chấn khi không cấp điện áp ............................................ 98 Hình 4.18. Đặc tính giảm chấn khi cấp điện áp 0.1V............................................... 99 Hình 4.19. Đặc tính giảm chấn khi cấp điện áp 0.3V............................................... 99 Hình 4.20. Đặc tính giảm chấn khi cấp điện áp 0.5V............................................... 99 Hình 4.21. Đặc tính giảm chấn khi cấp điện áp 0.8V............................................... 99 Hình 4.22. Đặc tính giảm chấn khi cấp điện áp 1V................................................ 100 Hình 4.23. Đặc tính thông số k theo điện áp cấp.................................................... 102 Hình 4.24. Đặc tính thông số kwa, kwb theo điện áp cấp ........................................ 102 Hình 4.25. Đặc tính thông số  theo điện áp .......................................................... 102 xi
MỞ ĐẦU Các phƣơng tiện giao thông ngày nay đƣợc trang bị rất nhiều hệ thống điều khiển điện tử. Một trong số chúng là bộ điều khiển độc lập, khép kín thực hiện một chức năng cụ thể trong khi những bộ khác đƣợc điều phối bởi logic giám sát cấp cao hơn. Các hệ thống điều khiển trên ô tô bao gồm điều khiển phanh, điều khiển lực kéo, điều khiển gia tốc, điều khiển ổn định bên, điều khiển hệ thống treo, v.v. Các hệ thống đƣợc thiết kế nhằm mục đích nâng cao khả năng lái xe an toàn, tăng sự thoải mái khi lái xe. Luận án này tập trung vào nghiên cứu thuật toán điều khiển giảm chấn từ trƣờng (MR) trong hệ thống treo bán tích cực. Với mục đích dập tắt dao động và giảm lực tác động từ mặt đƣờng lên thân xe, hệ thống treo trên ô tô thƣờng bao gồm một phần tử đàn hồi mắc song song với phần tử giảm chấn nối giữa bánh xe và thân xe. Phần tử đàn hồi của hệ thống treo đƣợc cấu tạo bởi một lò xo, trong khi phần tử giảm chấn thƣờng là giảm chấn thủy lực. Giảm chấn hoạt động trên nguyên tắc tiết lƣu chất lỏng thông qua các van tiết lƣu; tùy thuộc vào các đặc tính vật lý của chất lỏng (chủ yếu là độ nhớt), hình dạng hình học của các lỗ van tiết lƣu, ta có thể thu đƣợc nhiều đặc tính khác nhau của lực theo vận tốc. Công nghệ giảm chấn loại này rất đáng tin cậy và đã đƣợc sử dụng từ đầu thế kỷ trƣớc. Trong thiết kế hệ thống treo, độ cứng của lò xo và hệ số cản giảm chấn đƣợc chọn để đảm bảo sự thoải mái và khả năng bám đƣờng của bánh xe. Hệ thống treo phải có khả năng dập tắt nhanh dao động thân xe, đồng thời giảm lực tác động từ bánh xe lên thân xe trong giới hạn làm việc của không gian treo. Do đó hệ thống treo thụ động có những hạn chế cố hữu do sự cân đối mang tính đánh đổi trong việc lựa chọn độ cứng lò xo và các đặc tính giảm chấn, để có thể đạt đƣợc hiệu quả chấp nhận đƣợc trên toàn bộ dải tần số làm việc. Nhƣ đã biết từ lý thuyết dao động của hệ 1 bậc tự do (1DOF) (bao gồm 1 khối lƣợng, 1 lò xo và 1 giảm chấn đƣợc mô hình hóa bởi một phƣơng trình vi phân tuyến tính bậc hai), độ cản giảm chấn lớn cho hiệu quả tốt trong vùng lân cận của tần số cộng hƣởng và hiệu quả sẽ giảm khi hoạt động ở những vùng xa tần số cộng hƣởng. Trong khi đó, độ cản giảm chấn nhỏ sẽ cho hiệu quả ở những vùng xa tần số cộng hƣởng và sẽ cho hiệu quả kém ở vùng tần số cộng hƣởng. 1
Sự cần thiết của việc thỏa hiệp giữa các yêu cầu xung đột này đã thúc đẩy việc phát triển các hệ thống treo đƣợc điều khiển, đặc tính của bộ phận đàn hồi và giảm chấn đƣợc điều khiển bằng vòng kín. Bằng cách cung cấp thêm nguồn năng lƣợng bên ngoài vào cơ cấu chấp hành có điều khiển phản hồi, từ đó hệ thống treo điều khiển đƣợc thiết kế để tạo ra hiệu quả tốt hơn các hệ thống thụ động. Các bộ điều khiển phải đƣợc thiết kế dựa trên tiêu chí cân bằng giữa hiệu quả của điều khiển hiệu quả và năng lƣợng mất mát cho nó. Từ quan điểm này, các chiến lƣợc điều khiển đƣợc nhóm thành hai loại chính là: tích cực và bán tích cực. Thông thƣờng, các chiến lƣợc điều khiển trong hệ thống treo tích cực cần một lƣợng năng lƣợng đáng kể để tạo ra các lực điều khiển cần thiết, hệ thống treo tích cực cho khả năng hoạt động rộng hơn so với hệ thống treo thụ động. Tuy nhiên, mục tiêu này chỉ có thể đạt đƣợc với chi phí lớn, đồng thời hệ thống trở nên phức tạp, và phải đối mặt với mức tiêu thụ năng lƣợng lớn cùng các vấn đề về độ tin cậy. Đặc biệt, khi thiết kế một hệ thống điều khiển tích cực, khía cạnh quan trọng phải đƣợc quan tâm, xem xét: Đó là khả năng xảy ra sự cố của nguồn năng lƣợng cấp vào cho hệ thống cơ học, từ đó dẫn đến gây mất ổn định (giới hạn đầu vào/đầu ra) cho hệ thống điều khiển. Vì vậy, cần phải thực hiện phân tích nguy cơ và các chế độ hƣ hỏng một cách khoa học. Các thiết bị điều khiển bán tích cực cung cấp độ tin cậy tƣơng đƣơng với các thiết bị thụ động, nhƣng vẫn duy trì tính linh hoạt và khả năng thích ứng của các hệ thống chủ động hoàn toàn mà không yêu cầu nguồn năng lƣợng lớn. Trong hệ thống treo bán tích cực, hệ số giảm chấn có thể đƣợc điều chỉnh theo thời gian thực. Do đó hầu hết các hệ thống treo bán tích cực chỉ điều biến lực giảm chấn theo các chiến lƣợc đã đƣợc định trƣớc. Ngƣợc lại với các hệ thống điều khiển tích cực, các cơ cấu chấp hành của hệ thống bán tích cực không thể đƣa năng lƣợng cơ học vào hệ thống đƣợc điều khiển và do đó, chúng không có khả năng gây mất ổn định. Trên cơ sở phân tích đó, NCS đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo bán tích cực trên ô tô con”. 2
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Đặt vấn đề Một trong những nghiên cứu sớm nhất về hệ thống treo có điều khiển điện tử là bài báo của Crosby và Karnopp, “The Active Damper”[1], đƣợc viết vào năm 1973, tuy nhiên, vào cuối năm 1995, Karnopp lƣu ý rằng “Có lẽ không có gì ngạc nhiên khi nhìn lại sự tiến bộ của các hệ thống điều khiển hệ thống treo tích cực hoặc bán tích cực trong thực tế là tƣơng đối chậm. Việc thiết kế các hệ thống nhƣ vậy đòi hỏi một khái niệm rõ ràng, không chỉ liên quan đến cơ học của hệ thống mà còn liên quan đến điều khiển tự động và động lực học của hệ thống. Các cảm biến và cơ cấu chấp hành phải có sẵn, các hạn chế của chúng cần đƣợc xem xét, cuối cùng là các thiết bị xử lý tín hiệu và điều khiển phải hiệu quả về chi phí và có sẵn. Chỉ gần đây, sự tiến bộ trong tất cả các khía cạnh này mới đạt đến mức có thể thực hiện đƣợc các thiết kế thực tế” [2]. Kể từ giữa những năm 1990, công nghệ chế tạo cảm biến, cơ cấu chấp hành trong hệ thống treo có điều khiển đã thay đổi đáng kể khiến chúng trở nên rẻ, độ nhạy cao và hoạt động đáng tin cậy hơn. Mặc dù hệ thống treo điều khiển điện tử chủ yếu đƣợc trang bị trên các loại xe cao cấp, nhƣng việc áp dụng chúng trên các dòng xe phổ thông đang ngày càng đƣợc mở rộng. Trong quá trình nghiên cứu, đã có sự bùng nổ về số lƣợng các loại phƣơng tiện có hệ thống treo bán tích cực sử dụng bộ giảm chấn lƣu biến từ tính (MR). Trọng tâm chính của luận án này là nghiên cứu thiết kế điều khiển giảm chấn MR của hệ thống treo bán tích cực theo thời gian thực. Mục đích là để tìm ra các thuật toán điều khiển nhằm nâng cao khả năng dập tắt dao động của hệ thống treo và giảm số lƣợng cảm biến, từ đó giảm giá thành của hệ thống điều khiển. Để giải quyết vấn đề này cần giải quyết đƣợc mâu thuẫn: hệ thống điều khiển theo dõi càng nhiều thông số trạng thái thì chất lƣợng điều khiển càng tốt, nhƣng việc đòi hỏi nhiều cảm biến sẽ làm cho hệ thống trở lên phức tạp và giá thành sẽ tăng cao. Trong nghiên cứu của A. Agharkakl và cộng sự đã cho thấy rằng điều khiển hệ thống treo bằng thuật toán LQR tối ƣu đồng thời cả 5 trạng thái: dịch chuyển thân xe và bánh xe, vận tốc dao động thân xe và bánh xe, biên dạng mặt đƣờng cho thấy hiệu quả rất tốt về việc giảm độ dịch chuyển của thân xe và thời gian dập tắt dao động trên các loại đƣờng khác nhau [3]. Tuy nhiên hệ 3
thống này sẽ đòi hỏi phải sử dụng 05 cảm biến tƣơng ứng cho từng hệ thống treo. Điều đó đồng nghĩa với độ phức tạp và giá thành của hệ thống sẽ tăng cao, đặc biệt là cảm biến biên dạng mặt đƣờng hiện nay vẫn còn có giá thành rất cao. 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc 1.2.1 Động lực học hệ thống treo Mô hình ¼ hệ thống treo thƣờng sử dụng trong nghiên cứu đƣợc thể hiện trong hình 1.1 [4]. Trong hình 1.1.(b), lốp xe đƣợc biểu diễn bằng một lò xo và khối lƣợng nhỏ hơn, đại diện cho bánh xe và các thành phần trục chuyển động cùng bánh xe, là khối lƣợng không đƣợc treo, ở đây đƣợc ký hiệu là mw. Khối lƣợng đƣợc treo: mb, là khối lƣợng của phần xe không chuyển động cùng bánh xe, bao gồm: khung, hành lý và hành khách. Trong hầu hết các mô hình, vận tốc tịnh tiến đƣợc coi không đổi để thuận tiện về mặt toán học khi biểu diễn chiều cao đƣờng đơn giản dƣới dạng một hàm của thời gian: zr (t). a) b) Hình 1.1. Mô hình hệ thống treo ¼ a) Mô hình một khối lượng; b) Mô hình 2 khối lượng Các lực tác dụng lên ¼ khung xe là lực trọng trƣờng, lực lò xo và lực giảm chấn. Giả sử rằng độ cứng lò xo (k) và hệ số cản giảm chấn (c) là không đổi (lực lò xo và lực giảm chấn là tuyến tính), lúc này phƣơng trình chuyển động của hệ thống treo 2 bậc tự do (2 DOF) sẽ nhƣ sau:  d m b zb  c dt  zb  zw   k  zb  z w   (1.1) m z  c d  z  z   k  z  z   k  z  z   w w dt b w b w t w r Trong phƣơng trình này, sự thay đổi dịch chuyển của thân xe bị ảnh hƣởng của 4
dao động từ bánh xe, nói cách khác, sự thay đổi của dịch chuyển thân xe đƣợc đánh giá thông qua giới hạn của không gian treo (hiệu zb-zw). Để đơn giản xác định đƣợc dịch chuyển của thân xe, ngƣời ta thay đổi mô hình hệ thống treo từ 2 khối lƣợng thành 1 khối lƣợng (hình 1.1a). Từ đó có thể lập các phƣơng trình chuyển động của hệ thống treo 1 bậc tự do nhƣ sau: mb zb  c  zb  zr   k  zb  zr  (1.2) Từ đây, việc xác định các thông số chuyển động của thân xe dễ dàng hơn. Để chuyển từ mô hình hệ thống treo 2 khối lƣợng (Theo hình 1.1b) về mô hình 1 khối lƣợng thì coi bánh xe có lốp là một phần từ đàn hồi có độ cứng kt ,còn phần tử giảm chấn thì không đổi. Lúc này, mô hình 2 khối lƣợng trở thành mô hình 1 khối lƣợng có độ cứng của phần tử đàn hồi tƣơng đƣơng đƣợc tính nhƣ sau: kt k ke  (1.3) kt  k Công thức trên có thể đƣợc sử dụng để tính toán độ cứng lò xo hệ thống treo khi biết trƣớc độ cứng lò xo tƣơng đƣơng và độ cứng của lốp [4]. Lốp thƣờng đƣợc mô tả đơn giản nhƣ một lò xo, nhƣ trong hình 1.1 (b), và ngƣời ta khẳng định rằng “lốp có độ giảm chấn không đáng kể” [5]. Để mô hình có độ chính xác cao hơn, ngƣời ta thƣờng sử dụng mô hình lốp dạng “magic formula” có “khả năng áp dụng rộng rãi cho nhiều loại đƣờng” [6]. Các mô hình này đƣợc sử dụng để mô hình hóa chính xác hơn về động lực học của lốp. Mô hình này thƣờng sử dụng các đƣờng cong phù hợp nhất với dữ liệu thực nghiệm, hoặc thậm chí các mô hình đƣợc phát triển bởi mạng nơ-ron [7]. Động lực học lốp xe cực kỳ quan trọng đối với sự ổn định của xe và nghiên cứu về động lực học của lốp xe đã góp nhiều công sức trong việc nâng cao chất lƣợng chuyển động của ô tô từ giữa đến cuối thế kỷ 20 [8]. Lực sinh ra trong vết tiếp xúc bánh xe và mặt đƣờng phụ thuộc vào các góc đặt bánh xe [7]. Do vậy vị trí hình học giữa bánh xe và hệ thống treo phải luôn phù hợp để chống lại những bất ổn không mong muốn. Một trong những ƣu điểm nổi trội của hệ thống treo bán tích cực là sự cân bằng hình học của hệ thống treo mà không cần phải thay đổi kết cấu, xáo trộn các vị trí của các cụm chi tiết trong hệ thống về mặt không gian bố trí, vì thay đổi duy nhất là thay thế bộ phận giảm chấn ống lồng thụ động bằng giảm chấn có điều khiển. 5
1.2.2. Thiết kế hệ thống treo thụ động Việc lựa chọn các thông số hệ thống treo là một nghệ thuật, quá trình thiết kế và chọn lựa thƣờng bắt đầu với việc xác định các tần số cơ bản [9]. “Đối với hầu hết các loại ô tô, tần số dao động riêng của khối lƣợng đƣợc treo thƣờng là 1,0Hz đến 2,0Hz và tần số riêng khối lƣợng không đƣợc treo thƣờng là 8,0 Hz đến 12,0Hz.” Giorgetti, Bemporad và cộng sự đặt mục tiêu 1,5Hz đối với tần số dao động của khối lƣợng đƣợc treo và 10 Hz đối với tần số dao động của bánh xe [10]. Ngoài ra, đối với xe đua, chú trọng nhiều hơn vào khả năng bám đƣờng, vì vậy hệ thống treo đƣợc thiết kế cứng hơn và tần số dao động riêng cao hơn từ 2 đến 7 Hz [11]. Tần số dao động riêng của thân xe, tính bằng hertz, đƣợc tính bằng công thức: 1 k  (1.4) 2 mb Tần số dao động riêng của bánh xe bị ảnh hƣởng bởi độ cứng của lò xo và độ cứng của lốp đƣợc tính nhƣ sau [4] : 1 k  kt w  (1.5) 2 mw Hệ số giảm chấn ở tần số cơ bản thƣờng là khoảng =0,25 và đây đƣợc coi là một thỏa hiệp có thể chấp nhận đƣợc đối với hệ thống treo của ô tô [4]. Chứng nhận của Chính phủ Úc về “hệ thống treo thân thiện với đƣờng” quy định rằng “hệ số giảm chấn trung bình DM” phải lớn hơn 20% so với giảm chấn tới hạn” [12]. Hầu hết các bộ giảm chấn hiện đại đƣợc thiết kế để có hệ số giảm chấn khi trả khác với khi nén [11]; [13]; [14]. Hệ số cản giảm chấn ở hành trình trả lớn gấp từ 2 đến 3 lần so với hành trình nén [15]. Nhiều lý do khác nhau đƣợc đƣa ra cho sự bất đối xứng này. Theo thực nghiệm, Milliken đã chỉ ra rằng vận tốc dao động của bánh xe theo hƣớng đi lên (gập ghềnh) thƣờng cao hơn đáng kể so với hƣớng đi xuống (hành trình trả) khoảng hai lần. Do đó giảm chấn có độ bất đối xứng tƣơng ứng để giữ cho các lực tác động lên xe đối xứng [4]. Bastow và cộng sự xem đây là “sự thỏa hiệp” giữa hệ treo mềm trong “điều khiển chuyển động của các khối lƣợng đƣợc treo và không đƣợc treo chịu các nhiễu loạn có chu kỳ” [7]. Có lẽ lời giải thích rõ ràng nhất đƣợc đƣa ra bởi Guglielmino, E.,T. Sireteanu: “Khi xảy ra va chạm, gia tốc hƣớng lên theo phƣơng thẳng đứng có thể đạt cực đại trong vài giây khi gặp ổ 6
gà, và gia tốc hƣớng xuống theo phƣơng thẳng đứng không đƣợc lớn hơn 1g (g=9,81m/s2). Đây cũng là lý do tại sao giảm chấn thủy lực đƣợc thiết kế với phi đối xứng” [16]. 1.2.3. Hệ thống treo điều khiển điện tử Hệ thống treo điều khiển điện tử thay đổi các đặc tính của hệ thống treo tại từng thời điểm và phụ thuộc vào công tắc lựa chọn. Chúng có thể đƣợc chia thành tích cực và bán tích cực ([17]; [18]; [19]; [20]; [21]. Trong những năm 1970, các nhà khoa học đã bắt đầu nghiên cứu điều khiển hệ thống treo. Crosby và Karnopp đã đƣa ra định nghĩa về hệ thống treo tích cực [1]. Hệ thống treo tích cực sẽ có một cơ cấu chấp hành đƣợc cấp nguồn năng lƣợng để tạo ra lực theo yêu cầu của bộ điều khiển, nhƣ đƣợc trình bày ở trong hình 1.2(a). Hệ thống treo tích cực có khả năng tạo ra bất kỳ lực nào mong muốn và do đó linh hoạt hơn nhiều so với hệ thống treo thụ động truyền thống. a) b) Hình 1.2. Hệ thống treo điều khiển điện tử a) Tích cực; b): Bán bán tích cực Mặc dù ban đầu có một số sai lệch trong thuật ngữ, các định nghĩa cho hệ thống treo tích cực, bán tích cực và thụ động hiện đã trở nên khá chuẩn hóa ([1]; [22]; [23]). Hệ thống điều khiển kiểm soát dao động của hệ thống treo đƣợc cho là tích cực, thụ động hoặc bán tích cực tùy thuộc vào lƣợng công suất bên ngoài cần thiết để hệ thống thực hiện chức năng của nó [24]. Hệ thống treo khí nén sử dụng nguồn năng lƣợng từ nguồn khí nén bên ngoài nên sẽ tiêu tốn năng lƣợng hơn [25]. Còn van tiết lƣu trong hệ thống bán tích cực sẽ đƣợc cung cấp một lƣợng nhỏ năng lƣợng để điều chỉnh hệ số giảm chấn và hấp thụ năng lƣợng dao động truyền đến khối lƣợng đƣợc treo nhƣ đƣợc biểu diễn trong hình 1.2b [23]. Năng lƣợng đƣợc sử 7
dụng trong một hệ thống bán tích cực chỉ để vận hành van tiết lƣu hoặc cung cấp năng lƣợng cho một nam châm điện nhỏ để thay đổi các đặc tính lƣu biến (hệ số cản giảm chấn) của chất lỏng [26]. Hạt nhân của một hệ thống bán tích cực là van tiết lƣu (giảm chấn) có thể điều khiển đƣợc. Do đó, điều tối quan trọng là phải hiểu về các loại giảm chấn khác nhau, nguyên lý hoạt động của chúng và phƣơng pháp mô hình hóa chúng. Lò xo là một phần tử đàn hồi tích trữ thế năng và đặc tính phụ thuộc vào vị trí, đƣợc biểu thị bằng quan hệ hàm Flx=k(x), x là độ dịch chuyển, k là độ cứng của lò xo [N/m]. Van tiết lƣu là một thiết bị tiêu tán năng lƣợng thông qua một cơ chế bên trong (ví dụ: bằng cách điều tiết dòng chảy nhớt qua một lỗ tiết lƣu). Thông thƣờng, một van tiết lƣu có đặc tính phụ thuộc vận tốc đƣợc biểu thị bằng Fgc=c(v), v là vận tốc chất lỏng chảy qua lỗ tiết lƣu. Trƣờng hợp cụ thể Fgc=cv đại diện cho một van tiết lƣu nhớt tuyến tính lý tƣởng và c là hệ số tắt dần, tính bằng Ns/m. Hình 1.3. Sơ đồ kết cấu hệ thống treo bán tích cực trên ô tô 1: Động cơ tuyến tính; 2: Đòn trên; 3: Đòn dưới; 4: Thanh xoắn; 5: Bánh xe Một loạt các bộ giảm chấn dựa trên nhiều cơ chế tiêu tán năng lƣợng khác nhau (có thể là biến dạng của chất rắn dẻo, dạng tiết lƣu chất lỏng, loại trƣợt ma sát, dòng chảy kim loại, v.v.). Sau đây là danh sách một số loại giảm chấn phổ biến đƣợc sử dụng trong các ứng dụng kỹ thuật.  Giảm chấn nhớt  Giảm chấn nhớt đàn hồi  Giảm chấn ma sát  Giảm chấn chất lỏng từ tính  Giảm chấn chất lỏng điện cơ Giảm chấn từ trƣờng (MR) ngày càng trở nên phổ biến. Giảm chấn loại này có 8
thể tạo ra các lực tiêu tán theo yêu cầu của thuật toán điều khiển nếu chúng đƣợc cung cấp tín hiệu điện thích hợp (điện áp hoặc dòng điện). Để điều khiển giảm chấn MR, một mạch điện từ đƣợc sử dụng để điều chỉnh cƣờng độ của từ trƣờng đặt vào chất lỏng từ tính. Bằng cách phát triển các mô hình phân tích đủ chính xác để khắc họa hoạt động của giảm chấn loại này, từ đó hệ thống treo và bộ điều khiển có thể đƣợc mô hình hóa nhƣ một hệ thống động lực học có đầu vào là kích thích mặt đƣờng cùng các tín hiệu điều khiển. Van tiết lƣu từ trƣờng (MR) không khác nhiều so với van tiết lƣu nhớt thông thƣờng. Sự khác biệt chính là động lực học dầu từ trƣờng (dầu MR) và một cuộn dây điện từ tạo ra từ trƣờng nằm trong van tiết lƣu. Dầu MR là một loại chất lỏng đặc biệt có chứa các hạt sắt từ có kích thƣớc micromet ở dạng huyền phù. [27] đã phân tích chi tiết về các đặc tính của chất lỏng MR. Do hệ quả của từ trƣờng phân cực, các hạt sắt từ nằm lẫn trong chất lỏng có xu hƣớng tạo thành chuỗi, điều này làm thay đổi giá trị ứng suất của chất lỏng khi chảy. Ở trạng thái nhƣ vậy, tính chất lƣu biến của chất lỏng thay đổi và chất lỏng chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái nửa rắn. Do đó, bằng cách kiểm soát từ trƣờng cấp vào, có thể tạo ra lực giảm chấn biến thiên liên tục mà không cần sử dụng các bộ phận chuyển động nhƣ van hoặc điều khiển thay đổi tiết diện lỗ tiết lƣu. Lúc này, việc yêu cầu năng lƣợng cho điều khiển là rất thấp, để điều khiển hệ thống hoạt động chỉ cần cung cấp điện bằng pin thông thƣờng. Điều quan trọng là các đặc tính lƣu biến của chất lỏng MR hầu nhƣ không phụ thuộc vào nhiệt độ và độ nhiễm bẩn. Do đó, giảm chấn MR là thiết bị ổn định và đáng tin cậy, có khả năng cung cấp hiệu suất cao trong nhiều điều kiện hoạt động khác nhau. Chính vì thế thuật toán điều khiển phù hợp để tận dụng hết tiềm năng của MRD (thiết bị sử dụng dầu MR) là rất quan trọng. Trong lĩnh vực ô tô, giảm chấn MR đƣợc sử dụng rộng rãi trong hệ thống treo bán tích cực. Chúng hiện đang có mặt trên một số mẫu xe phân khúc cao trên thị trƣờng, và sẽ đƣợc trình bày chi tiết trong Phần 2.2 thuộc Chƣơng 2, dành riêng cho giảm chấn MR. 1.2.4 Cảm biến trong hệ thống treo điều khiển điện tử Hệ thống điều khiển điện tử yêu cầu các tín hiệu đầu vào để phản ánh trạng thái 9