Tóm tắt 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:23

Thêm vào BST

Báo xấu

7
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án "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 trường trong hệ thống treo bán tích cực nâng cao khả năng dập tắt dao động của hệ thống treo và giảm số lượng 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: Tóm tắt 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

MỞ ĐẦU Trong thiết kế của hệ thống treo: độ cứng của lò xo và hệ số giảm chấn được chọn để đảm bảo sự thoải mái và khả năng bám đường của bánh xe. Hệ thống treo phải có khả năng dập tắt nhanh dao động thân xe, giảm lực tác động từ hệ thống treo 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 được hiệu quả làm việc chấp nhận được trên toàn bộ dải tần số làm việc. Như đã biết từ lý thuyết hệ thống tuyến tính, hệ dao động 1 bậc tự do (1DOF) (bao gồm 1 khối lượng, 1 lò xo và 1 giảm chấn được mô hình hóa bởi một phương trình vi phân tuyến tính bậc hai), độ cản giảm chấn lớn cho hiệu quả tốt trong vùng lân cận của tần số cộng hưởng và hiệu quả sẽ giảm khi hoạt động ở những vùng xa tần số cộng hưởng, trong khi đó hệ số giảm chấn thấp hoạt động ngược lại. Các thiết bị điều khiển bán tích cực cung cấp độ tin cậy tương đương với các thiết bị thụ động, nhưng 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 lượng lớn. Trong hệ thống treo bán tích cực, hệ số giảm chấn có thể được 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 lược đã định trước. Ngược lại với các hệ thống điều khiển tích cực, các cơ cấu chấp hành của hệ thống bán tích cực không thể đưa năng lượng cơ học vào hệ thống được điều khiển và do đó, chúng không có khả năng gây mất ổn định. Trên cơ sở phân tích đó, NCS đã lưạ chọn đề tài “Nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo bán tích cực trên ô tô con” CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Đặt vấn đề 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 được điều khiển điện tử chủ yếu trang bị trên các loại xe cao cấp, nhưng việc sử dụng chúng đang ngày càng mở rộng. Trong quá trình nghiên cứu này, đã có sự bùng nổ về số lượng các loại phương tiện có hệ thống treo bán tích cực sử dụng bộ giảm chấn lưu biến từ tính (magnetiorheological-MR). Trọng tâm chính của luận án này là nghiên cứu thiết kế điều khiển thời gian thực cho giảm chấn MR của hệ thống treo bán tích cực. Mục đích là để tìm ra các thuật toán điều khiển nâng cao khả năng dập tắt dao động của hệ thống treo và giảm số lượng cảm biến cho phép giảm giá thành của hệ thống điều khiển. 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc 1.2.1 Động lực học hệ thống treo Hai kiểu mô hình ¼ hệ thống treo được thể hiện trong hình 1.1 [4]. Trong hình (b), lốp xe được biểu diễn bằng một lò xo và khối lượng nhỏ hơn, đại diện cho bánh xe và các thành phần trục chuyển động cùng bánh xe, là khối lượng không được treo, ở đây được ký hiệu là mw. Khối lượng được treo: mb, là khối lượng của phần xe không chuyển động cùng bánh xe: khung, hành lý và hành khách. Trong hầu hết các mô hình, vận tốc tịnh tiến không đổi được giả định và thuận tiện về mặt toán học khi biểu diễn chiều cao đường đơn giản dưới dạng một hàm của thời gian, zr (t). Động lực học của lốp xe có ảnh hưởng rất lớn đối với sự ổn định của xe, những nghiên cứu về động lực học của lốp xe đã góp nhiều công sức trong việc nâng cao chất lượng chuyển động của ô tô từ giữa những năm cho đến cuối thế kỷ 20[8]. Lực sinh ra trong vết tiếp xúc bánh xe và mặt đường 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 tác động không mong muốn. Một trong những ưu điểm tuyệt vời của hệ thống treo bán tích cực là sự cân bằng hình học của hệ thống treo mà không cần phải xáo trộn kết cấu hay vị trí tương quan của cụm chi tiết trong hệ thống treo, vì thay đổi duy nhất và cần thiết là thay thế bộ phận giảm chấn ống lồng thụ động bằng van tiết lưu có điều khiển. 1.2.2. Thiết kế hệ thống treo thụ động Việc thiết kế các thông số hệ thống treo là một nghệ thuật, quá trình thiết kế thường 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 lượng được treo thường là 1,0Hz÷2,0Hz và tần số dao động riêng của khối lượng không được treo thường là 8,0Hz÷12,0Hz.” Giorgetti, Bemporad và cộng sự đặt mục tiêu 1,5Hz đối với tần số dao động riêng của khối lượng được treo và 10Hz đối với tần số dao động riêng của bánh xe [10]. Hầu hết các bộ giảm chấn hiện đại được 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 được đưa ra cho sự bất đối xứng này. Từ thực nghiệm Milliken đã chỉ ra rằng vận tốc của bánh xe theo hướng đi lên (gập ghềnh) thường cao hơn đáng kể so với hướng đi xuống (hành trình trả) khoảng hai lần. Do đó giảm chấn có độ bất đối xứng tương 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 và “điều khiển chuyển động của các khối lượng được treo, không được treo chịu các nhiễu loạn định kỳ” [7]. Có lẽ lời giải thích rõ ràng nhất được đưa ra bởi Guglielmino, E., T.Sireteanu: “Khi xảy ra va chạm, gia 1
tốc hướng lên theo phương thẳng đứng có thể đạt cực đại trong vài giây khi gặp ổ gà, còn gia tốc hướng xuống theo phương thẳng đứng không được lớn hơn 1g. Đây cũng là lý do tại sao giảm chấn thủy lực được thiết kế với phi đối xứng” [16]. 1.2.3. Hệ thống treo điều khiển điện tử Hệ thống treo điện tử thay đổi các đặc tính của hệ thống treo trên cơ sở từng thời điểm. Chúng có thể được chia thành tích cực và bán tích cực ([17];[18];[19]; [20];[21]. Trong những năm 1970, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu nghiên cứu điều khiển hệ thống treo. Crosby và Karnopp đã đưa ra định nghĩa về hệ thống treo tích cực [1]. Hệ thống treo tích cực sẽ có một cơ cấu chấp hành được cấp nguồn năng lượng để tạo ra lực theo yêu cầu của bộ điều khiển, như được trình bày ở trong hình 1.2a. 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 1.1. Hệ thống treo điều khiển điện tử a) Tích cực; b): Bán bán tích cực Giảm chấn từ trường (MR) ngày càng trở nên phổ biến và do đó có thể được gọi là thông dụng. Các hệ thống giảm chấn này có thể tạo ra các lực tiêu tán theo yêu cầu của thuật toán điều khiển nếu chúng được cung cấp tín hiệu điện thích hợp (điện áp hoặc dòng điện). Để điều khiển giảm chấn MR, một mạch điện từ được sử dụng để điều chỉnh cường độ của từ trường đặt vào chất lỏng từ động. Bằng cách phát triển các mô hình phân tích đủ chính xác để khắc họa hoạt động của giảm chấn loại này, hệ thống treo và bộ điều khiển có thể được mô hình hóa như một hệ thống động lực học có đầu vào là kích thích mặt đường và các tín hiệu điều khiển. Dầu MR là một loại chất lỏng đặc biệt có chứa các hạt sắt từ có kích thước micromet ở dạng huyền phù. [27] đã phân. Một ưu điểm vượt trội trong điều khiển giảm chấn loại này là yêu cầu năng lượng rất thấp, để điều khiển, chỉ cần cung cấp từ trường bằng pin thông thường. Và đặc biệt, điều quan trọng là các đặc tính lưu biến của chất lỏng MR hầu như không phụ thuộc vào nhiệt độ và độ nhiễm bẩn. Do đó, giảm chấn MR là thiết bị hoạt động ổn định và đáng tin cậy, có khả năng làm việc với hiệu suất cao, trong nhiều điều kiện hoạt động khác nhau. Chính vì thế cần có thuật toán điều khiển phù hợp để tận dụng hết tiềm năng của MRD là rất quan trọng. 1.2.4 Cảm biến trong hệ thống treo điều khiển điện tử Hệ thống điều khiển điện tử yêu cầu đầu vào phản ánh trạng thái hoạt động của hệ thống. Các cảm biến được đặt trên thân xe, bánh xe và đôi khi trong chính lốp xe sẽ cung cấp thông tin trạng thái hoạt động. Cảm biến gia tốc liên tục được cải thiện về độ chính xác và thay đổi theo hướng giảm kích thước. Cảm biến loại này thường sử dụng các hiệu ứng điện từ để thu nhận chuyển động của một khối chuyển động. Nguyên lý áp điện thường được sử dụng trong thiết kế cảm biến gia tốc, hiệu ứng áp điện tạo ra một dòng điện, trong một dải tần số nhất định, tỷ lệ với gia tốc[28]. Với cảm biến xác định biên dạng mặt đường sẽ thuận lợi cho việc xác định tác động đầu vào cho hệ thống treo, từ đó giúp cho việc phát triển thuật toán điều khiển dễ dàng hơn. Tuy nhiên, như đã phân tích: việc sử dụng cảm biến loại này sẽ yêu cầu tính kinh tế cao hơn, hệ thống phức tạp hơn. Vì vậy nhiều nghiên cứu không sử dụng cảm biến trong hệ thống mà sử dụng công cụ xác định dữ liệu từ bánh trước để dự đoán mấp mô mặt đường mà bánh sau sẽ gặp phải. Với cách tiếp cận này, hệ thống sẽ đơn giản hơn và giá cả cho việc thiết kế hệ thống cũng giảm bớt hơn. 1.2.5. Kỹ thuật điều khiển Có nhiều nghiên cứu ứng dụng lý thuyết hệ thống tuyến tính chẳng hạn như điều khiển tối ưu và điều khiển Skyhook [38]. Việc thiết kế hệ thống điều khiển đáp ứng tần sốthường là bước đầu tiên trong việc mô tả đặc tính của hệ thống phi tuyến và các tần số riêng của hệ thống khi bỏ qua bộ giảm chấn [39]. Hàm bước thường được sử dụng như một kích thích đầu vào để đánh giá đáp ứng của một hệ thống phi tuyến [39]. Nhiều nhà nghiên cứu đã sử dụng biểu đồ tần số để giải thích hiệu suất của hệ thống treo bán tích cực hoặc tích cực ([40]; [41]; [17]; [42]; [43]; [30]; 21]; [44]; [32]; [26]; [45]; [35]; [46]; [47]). Thông thường, các đồ thị như vậy sẽ cho thấy sự suy giảm các đỉnh cộng hưởng của các hệ thống điều khiển so với hệ thống thụ động ([48]; [49]; [50]; [51]; [52]; [53]; [32]; [54]; [55];[56]). a. Hệ thống treo dạng Skyhook 2
Điều khiển hệ thống treo skyhook tuyến tính hoàn toàn phổ biến trong các tài liệu: [57]; [49]; [58]; [59]; [48]; [30]; [60]; [18]; [61]; [31]; [21]; [62]; [17]; [20]; [35]; [19]; [50]; [63]; [16]. Hầu hết tất cả các hệ thống bán tích cực đều dựa trên hệ thống skyhook. Một thuật điều khiển gần đúng rất đơn giản đối với skyhook lý tưởng là skyhook ON-OFF ([61]; [66]; [56]; [67]; [30]; [16]). Điều khiển ON-OFF chỉ đơn giản là chuyển đổi giữa hệ số giảm chấn tối thiểu và tối đa và có luật điều khiển của phương trình 1.16 bên dưới. Do vấn đề về công nghệ, các bộ giảm chấn khó có thể điều khiển trơn tru, nên đây là một trong những luật điều khiển dễ thực hiện nhất trong thực tế [30]; [67]. Theo phương trình hấp thụ năng lượng, skyhook ON-OFF sẽ tối đa hóa tiêu tán năng lượng khi van tiết lưu ON và sẽ OFF để chuyển sang hệ số giảm chấn tối thiểu. b. Hệ thống treo Groundhook Hệ thống treo groundhook là một hệ thống danh nghĩa tương tự như skyhook. Giống như skyhook, van tiết lưu sẽ được nối trực tiếp với mặt đất [16], như trong hình 1.7. Việc giảm chấn nối đất cho hiệu quả đối với khối lượng không treo. Koo đã nghiên cứu các luật điều khiển nâng cao khả năng tiếp xúc của bánh xe với mặt đường [41]. Goncalves và Ahmadian và Hyvärinen đã xem xét kỹ hơn ảnh hưởng của các loại lốp khác nhau [18];[19. Nhìn vào mô hình groundhook, khối lượng khung xe dường như là một "bộ phận hấp thụ" cho khối lượng không treo [24]. Hình 1.2. Mô hình hệ thống treo Groundhook Theo Guglielmino hệ thống treo Groundhook sẽ cải thiện khả năng bám đường và đồng thời giảm lực tác động lên mặt đường. Điều này đặc biệt hữu ích trong trường hợp xe tải nặng [16]. c. Điều khiển phi tuyến Với phương pháp điều khiển Bang-Bang thường tạo ra những gia tốc đột ngột do sự không liên tục của lực tác dụng. Sự gián đoạn như vậy gây ra sự khó chịu lớn và nhưng sự khó chịu này vẫn không bị phát hiện bởi chỉ tiêu gia tốc RMS. Sự gián đoạn của các điều khiển Bang-Bang đối với gia tốc không được công nhận đúng trong phép đo hiệu suất vì chúng không ảnh hưởng đến nó. d. Điều khiển chế độ trượt Một số nhà nghiên cứu nghiên cứu đã ứng dụng thuật toán điều khiển chế độ trượt vào thiết kế điều khiển hệ thống treo ([71]; [31]; [46]; [38]; [72]) và phương pháp này được khẳng định là khá ổn định, ít nhất là theo nghĩa “đáp ứng vòng kín trở nên hoàn toàn không nhạy cảm với một số dạng nhiễu hoặc tác động ngẫu nhiên bất thường” [71]. Yagiz sử dụng điều khiển chế độ trượt cho hệ thống treo tích cực, áp dụng tiêu chí ổn định Lyapunov [73]. Zribi và Karkoub áp dụng điều khiển chế độ trượt cho hệ thống treo bán tích cực bằng cách sử dụng mô hình van tiết lưu MR và họ cho thấy rằng hệ thống ổn định [74]. Ashari đã chứng minh rằng trong trường hợp này, hệ thống treo được điều khiển đạt chỉ tiêu về RMS gia tốc nhưng vẫn không thực sự êm dịu [71]. e. Điều khiển tuyến tính Các bài toán bậc hai tuyến tính (LQ) liên quan đến một hệ thống tuyến tính và một hàm chi phí bậc hai. Bộ điều chỉnh LQR là tối ưu cho một hệ thống tuyến tính. Phương pháp LQR dễ dàng được áp dụng cho các hệ thống treo. Bộ điều khiển tuyến tính bậc hai thường được sử dụng để làm gần đúng một hệ thống phi tuyến. Takahashi và cộng sự sử dụng phương pháp LQR để tìm tổng trọng số cục bộ tối ưu [79]. f. Bộ lọc Kalman Bộ lọc Kalman là một phương pháp ước lượng trạng thái thường được áp dụng trong các hệ thống điều khiển [82]. Nó được thiết kế như một phương pháp để tối ưu hóa độ chính xác của các ước tính trạng thái. Hiện nay nó được áp dụng phổ biến cho các hệ thống tuyến tính, mặc dù các phiên bản phi tuyến tính vẫn còn tồn tại. Bộ lọc Kalman được sử dụng cho chương trình không gian Apollo vào những năm 1960 [82]. 1.3. Chỉ tiêu đánh giá hệ thống treo Năm 1988, Redfield và Karnopp đã thực hiện một phân tích đa mục tiêu toàn diện về hệ thống treo hai bậc tự do (2DOF) chỉ sử dụng các mô hình tuyến tính và các phép đo RMS [92]. Redfield và Karnopp đã đưa ra một phân tích tương đương với tối ưu hóa Pareto ngày nay. Ba chỉ tiêu hiệu suất được họ sử dụng là giá trị RMS của: 1. - Gia tốc khối lượng được treo, 2. - Dịch chuyển thân xe, 3
3. - Sự thay đổi lực tiếp xúc của bánh xe. 1.4. Mục tiêu luận án Thiết kế điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo bán tích cực trên ô tô con nâng cao khả năng dập tắt dao động của hệ thống treo và giảm số lượng cảm biến cho phép giảm giá thành của hệ thống điều khiển. 1.5. Đóng góp mới của luận án - Xây dựng được mô hình tham số mô phỏng được đặc tính giảm chấn MR và khảo sát được ảnh hưởng của các dạng tín hiệu điều khiển đến đặc tích của giảm chấn. - Phân tích các kết quả mô phỏng đã tìm ra được thuật toán điều khiển giảm chấn nâng cao khả năng dập tắt dao động của hệ thống treo và chỉ sử dụng 2 cảm biến cho phép giảm giá thành của hệ thống điều khiển; - Luận án đã xây dựng được hệ thống thực nghiệm và phương pháp thực nghiệm xác định thông số mô hình giảm chấn MR. 1.6. Nội dung của luận án - Nghiên cứu, đánh giá các hướng nghiên cứu trước để lựa chọn phương án nghiên cứu phù hợp; - Xây dựng các mô hình hệ thống treo ¼ , mô hình giảm chấn từ trường (MR) và tổng hợp mô hình hệ thống treo ¼ với giảm chấn MR; - Xây dựng và thiết kế thuật toán điều khiển tối ưu (LQR) kết hợp với bộ quan sát trạng thái (Kalman) trên mô hình hệ thống treo ¼; - So sánh và đánh giá hiệu quả dập tắt dao động, lực giảm chấn cần thiết sử dụng trong điều khiển, từ đó lựa chọn phương án sử dụng 02 cảm biến hợp lý cho điều khiển; - Thiết kế chế tạo hệ thống thực nghiệm xác định đặc tính điều khiển của giảm chấn MR; - Thực nghiệm xác định đặc tính tham số mô hình của giảm chấn MR sử dụng trên hệ thống treo trước ô tô Acurra 2011. 1.7. Bố cục luận án Bố cục luận án gồm 4 chương: - Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu - Chương 2: Xây dựng mô hình - Chương 3: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển - Chương 4: Thực nghiệm xác định đặc tính giảm chấn MR 1.8. Kết luận CHƢƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH 2.1. Đặt vấn đề 2.1.1. Mô hình hệ thống treo toàn xe Mô hình toàn xe ô tô là một mô hình vật lý, các vị trí tương quan của hệ thống treo ô tô được thể hiện tương đối giống với ô tô trong thực tế. Về cơ bản, mô hình này là tổng thể mô hình hệ thống treo toàn xe nên phạm vi ứng dụng của mô hình này là rất rộng, có thể đánh giá nhiều thông số cũng như trong tính toán, nâng cấp và phát triển hệ thống treo. 2.1.2. Mô hình hệ thống treo ½ Tuỳ vào ứng dụng cụ thể của từng nghiên cứu người ta có thể chọn mô hình hệ thống treo ½ trong mặt phẳng ngang (nghiên cứu góc lắc ngang thân xe trong trường hợp quay vòng) hay mô hình hệ thống treo ½ trong mặt phẳng dọc (nghiên cứu góc lắc dọc-góc chúi trong trường hợp kéo hoặc phanh) [101]. 2.1.3. Mô hình hệ thống treo ¼ Với ưu điểm là mô hình đơn giản mà phạm vi ứng dụng tốt trong nhiều nghiên cứu nên mô hình hệ thống treo ¼ vẫn được coi là mô hình nghiên cứu kinh điển trong phạm vi nghiên cứu và phát triển thuật toán điều khiển trên hệ thống treo. 2.1.4. Mô hình hệ thống treo ¼ bán tích cực Mô hình hệ thống treo ¼ bán tích cực được thể hiện trên Hình 2.4. Phương trình không gian trạng thái được biểu diễn như sau:  x  Ax  Bf  Gzr  (2.1)  y  Cx Với A: Ma trận vật lý của hệ thống; B: Ma trận điều khiển; G: Ma trận tín hiệu nhiễu đầu vào; y: là tín hiệu đầu ra; C: Ma trận tín hiệu đầu ra 4
Hình 2.1. Mô hình hệ thống treo ¼ bán tích cực Các ma trận vật lý theo hệ phương trình (2.4) được biểu thị cụ thể: như sau: 0 ; 0 1 0 0 0 0 - k - c k c 1 G 0 mb mb mb mb B mb A 0 kt 0 0 0 1 k c - k  kt - c  1 mw mw m w mw mw mw Ma trận C là ma trận 1×4, được thể hiện như sau: C  c1 c2 c3 c4 ; T Các giá trị c1,c2,c3,c4 được lựa chọn theo đặc tính trạng thái cần nghiên cứu. Nếu các giá trị ci =1(i=1÷4), thì tín hiệu đầu ra y chính là các trạng thái của hệ thống treo. Điển hình như khi chọn c1=c2=c3 =c4=1 thì y=x. Như vậy, đặc tính của tín hiệu đầu ra chính là tổng trạng thái làm việc của hệ thống. 2.2. Giảm chấn từ tính 2.2.1. Chất lỏng từ tính Chất lỏng từ tính hoặc chất lỏng từ hoá thuộc họ chất lỏng có các đặc tính phụ thuộc vào cường độ của điện trường hoặc từ trường (gọi chung là trường). Họ này là các chất lỏng chứa sắt từ (Ferrofluids), bao gồm cả chất lỏng điện trường (ER) cũng như chất lỏng từ trường (MR) [27]. 2.2.2. Chất lỏng MR Chất lỏng MR (Magneto Rheological) là loại chất lỏng lưu biến có đặc tính được kiểm soát bằng cách thay đổi từ trường kích thích bên ngoài. Việc phát hiện ra chất lỏng MR được công nhận bởi Rabinow tại Cục Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ [105]. Các hạt trong chất lỏng MR có phạm vi từ 3÷5 micron, là các hạt từ tính (chủ yếu là sắt) lơ lửng trong chất lỏng như dầu khoáng, dầu tổng hợp, hoặc etylen glycol, v.v. Chất lỏng đóng vai trò là môi trường phân tán, đảm bảo sự đồng nhất của các hạt trong chất lỏng. 2.2.3. Kết cấu giảm chấn MR Đặc tính của giảm chấn MR là hàm của điện áp hoặc dòng điện chạy vào cuộn dây điện từ. Nhờ mối quan hệ này hệ số cản của giảm chấn MR được dễ dàng kiểm soát theo thời gian thực. Vì vậy, việc nghiên cứu về giảm chấn MR là cần thiết, việc này đòi hỏi các nghiên cứu trong xây dựng mô hình giảm chấn MR. 2.3. Mô hình giảm chấn MR 2.3.1. Mô hình bán tĩnh Phân tích mô hình bán tĩnh của chất lỏng MR chảy qua một ống hẹp dưới vận tốc không đổi và dòng chảy chất lỏng hoàn toàn dựa trên mô hình vật lý. Ngoài mô hình trục tương đối chính xác để dự đoán hoạt động giảm chấn của MR còn các mô hình gần đúng như mô hình tấm song song và mô hình tấm không song song. a. Mô hình đối xứng trục b. Mô hình mặt phẳng song song 2.3.2. Mô hình tham số giảm chấn MR a. Mô hình giảm chấn theo Bouc-Wen Để đơn giản hóa việc mô phỏng giảm chấn MR, Bouc-Wen đã đề xuất mô hình tham số bao gồm các phần tử: phần tử lò xo (độ cứng k1), giảm chấn thụ động (hệ số cản giảm chấn c1) và mô hình tham số trễ Bouc-Wen. Sơ đồ biểu diễn mô hình giảm chấn MR theo Bouc-Wen được biểu thị như hình 2.9 [7],[110]. 5
Hình 2.2. Mô hình Bouc-Wen Phương trình xác định lực giảm chấn như sau: Fb  c1 y  k1 ( x  x0 ) (2.2) b. Mô hình giảm chấn MR theo Dahl [7] Mô hình Dahl được Dahl (1968, 1976) đề xuất một cách độc lập để mô tả diễn biến của ma sát và được Bouc (1971) xây dựng để thể hiện các hiện tượng trễ. Mô hình nhớt của Dahl được sử dụng trong nghiên cứu này dựa trên mô hình được đề xuất bởi Aguirre. Sơ đồ mô hình nhớt của Dahl được thể hiện trong hình 2.10. Hình 2.3. Mô hình Dahl Mô hình Dahl được xây dựng bằng các phương trình (2.21) và (2.22) Fd  kd xd   kwa  kwb v  w (2.3) w    xd  xd w (2.4) 2.2.2. Mô phỏng đặc tính giảm chấn a. Mục đích mô phỏng Như phân tích ở phần 2.3.2, 2 mô hình tham số được trình bày là mô hình Bouc-wen và mô hình Dahl. Để đánh giá đặc tính và lựa chọn mô hình giảm chấn sẽ sử dụng, luận án thực hiện mô phỏng xác định đặc tính giảm chấn trên cả 2 mô hình này. Luận án sẽ đánh giá về các quy luật giá trị lực (đồ thị F-t), quy luật vùng làm việc (đồ thị F-v) và quy luật đặc tính đối xứng lực giảm chấn giữa các quá trình nén và trả (đồ thị F-x). Từ đó đưa ra được mô hình hợp lý cho nghiên cứu b. Kịch bản mô phỏng Để mô phỏng, đánh giá và lựa chọn mô hình giảm chấn MR phù hợp với mục đích nghiên cứu, luận án lựa chọn kịch bản mô phỏng được thể hiện theo bảng 2.5 c. Kết quả mô phỏng và nhận xét Kết quả mô phỏng được thể hiện trên hình 2.11÷2.13 Hình 2.4. Đặc tính lực theo thời gian (F-t) 6
Theo đồ thị hình 2.11, đặc tính lực theo thời gian giữa 2 mô hình Bouc-wen và Dahl khá tương đồng ở cùng vị trí về mặt thời gian, đặc biệt là ở các vị trí cực trị. Điều này cho thấy sự phù hợp của 2 mô hình mô phỏng trong đặc tính lực-thời gian. Hình 2.12 thể hiện đặc tính lực giảm chấn theo vận tốc trên 2 mô hình. Theo đồ thị hình 2.12, đặc tính lực giảm chấn theo vận tốc cần piston có sự khác biệt khá lớn giữa 2 mô hình mô phỏng. Ở vùng vận tốc lớn, lực giảm chấn theo mô hình Dahl không có vùng trễ, trong khi đó vùng trễ trong mô hình Bouc-wen vẫn còn khá lớn, còn ở vùng vận tốc nhỏ, mô hình Dahl có vùng trễ lớn hơn mô hình Bouc-wen. Hình 2.5. Đặc tính F-v Điều này cho thấy vùng làm việc của giảm chấn trên 2 mô hình tương đối khác nhau, trên mô hình Dahl vùng làm việc trễ thể hiện rõ khi vận tốc piston nhỏ, còn với mô hình Bouc-wen vùng trễ vẫn được mở rộng kể cả khi làm việc ở vùng có vận tốc cao. Nhận xét: Lực giảm chấn sinh ra theo thời gian giữa 2 mô hình tương đối sát nhau nhưng quan hệ lực giảm chấn theo dịch chuyển và vận tốc dịch chuyển của mô hình Dahl cho kết quả khá tương đồng với với các kết quả thực nghiệm đã được công bố trước đây [7],[111]. Trên phương trình (2.21; 2.22), mô hình theo Dahl có 4 thông số: k, kwa, kwb, . Trong thực tế, 04 thông số này đều phụ thuộc theo điện áp cấp vào. Các giá trị xấp xỉ hàm thu được cho các thông số k, kwa, kwb,  (sẽ được trình bày chi tiết trong chương 4) như sau: k(u) = -0.2222x3 + 2.2976x2 - 3.3373x + 6 (2.5) kwa(u)= kwb(u) = -1.4259u3 + 15.722u2 - 32.852u + 59.333 (2.6) (u) = -0.0093u3 - 0.1349u2 - 0.2685u + 11.333 (2.7) 2.2.3. Đánh giá đặc tính điều khiển đến hoạt động của giảm chấn MR a. Sơ đồ mô phỏng Trên sơ đồ này, tín hiệu dịch chuyển xd cũng tương tự như bảng 2.5 là dịch chuyển dạng hình sin, biên độ 5cm, tần số 1Hz. Còn tín hiệu điện áp cấp vào điều khiển cho giảm chấn MR là tín hiệu điện áp U. b. Kết quả - Trường hợp cấp điện áp không đổi 0V và 0.5V Kết quả mô phỏng đặc tính giảm chấn khi cấp điện áp điều khiển không đổi vào giảm chấn được thể hiện trên hình 2.14. Hình 2.6. Đặc tính F-t khi cấp điện áp điều khiển không đổi Hình 2.7. Đặc tính F-x khi cấp điện áp điều khiển không đổi 7
Theo đồ thị hình 2.15, khi dòng điện không đổi cấp vào giảm chấn thì lực giảm chấn có biên dạng trùng với biên dạng của vận tốc (nhanh pha hơn dịch chuyển x một góc /2). Điều này cho thấy đặc tính của giảm chấn MR tương đối giống với đặc tính của giảm chấn thụ động (F.v>0). Tuy nhiên, giá trị của lực giảm chấn tỉ lệ thuận với điện áp cấp vào, biên dạng cũng dốc hơn khi tăng điện áp điều khiển (đồ thị F-t) thể hiện sự ảnh hưởng rất nhanh đối với giảm chấn khi xuất hiện điện áp. - Kết quả mô phỏng trong trường hợp cấp xung điện áp sườn dương So sánh đặc tính hoạt động của giảm chấn khi điều khiển với xung điện áp dương, biên độ điện áp 0.5V, dưới 2 dạng xung là “sin” và “vuông”. Kết quả trên hình 2.19÷2.21. Hình 2.8. Đặc tính F-t khi cấp điện áp điều khiển theo sườn dương Trên đồ thị (F-t) (hình 2.19), pha dao động của lực vẫn trùng pha với vận tốc piston nhưng biên độ lực nhỏ hơn, đặc tính lực giảm chấn giữa hai xung điều khiển rất bám nhau, tại một số điểm trên đường đặc tính lực khi điều khiển bởi xung “vuông” xuất hiện những điểm tại đó lực giảm chấn có tính bước nhảy theo chu kỳ tác động của xung Điều đấy cho thấy, tín hiệu điều khiển dạng sin sẽ cho độ êm dịu và tiết kiệm năng lượng điều khiển tốt hơn tín hiệu dạng xung vuông. Đặc tính lực theo vận tốc được thể hiện trên hình 2.20. Hình 2.9. Đặc tính F-x khi cấp điện áp điều khiển theo sườn dương - Kết quả mô phỏng trong trường hợp cấp xung điện áp đối xứng âm-dương Hình 2.22÷2.25 thể hiện đặc tính lực giảm chấn khi cấp điện áp đối xứng Đặc tính F-t được thể hiện trên hình 2.23. Về mặt biên độ, lực cực đại bị giảm trong trường hợp xung “sin” còn trường hợp xung “vuông” không thay đổi, nhưng biên dạng lực trong hai trường hợp xuất hiện rất nhiều điểm có tính bước nhảy. Đối với xung “vuông” là những điểm mà chiều điện áp cấp thay đổi, còn với xung sin là những điểm có cực trị ở sườn “âm”, đặc tính lực (đồ thị F-t) khi điều khiển bởi xung vuông cho bước nhảy lớn hơn so với xung “sin”. Đặc tính quan hệ giữa lực – vận tốc và lực – dịch chuyển được thể thiện trên hình 2.24 và hình 2.25. Hình 2.10. Đặc tính F-x khi cấp điện áp điều khiển đối xứng âm-dương 8
Nhận xét: Với những dạng điện áp điều khiển khác nhau cấp cho giảm chấn thì đặc tính lực giảm chấn khác nhau. Với điện áp điều khiển không đổi thì lực giảm cho đối xứng ở cả 2 hành trình nén và trả, đường đặc tính cong trơn và có độ dốc thay đổi theo điện áp cấp vào, còn với 2 trường hợp cấp xung điện áp dạng xung cho thấy giảm chấn có tác dụng nhiều hơn ở hành trình nén, điều này cho phép phát triển các đặc tính điện áp điều khiển khi thiết kế điều khiển cho loại giảm chấn này, từ đó giúp cho phạm vi điều chỉnh hoạt động của nó được mở rộng hơn so với chính nó tương ứng với một đặc tính điều khiển được đặt ra ban đầu. 2.4. Mô hình hệ thống treo có giảm chấn MR Để xem xét và đánh giá hiệu quả dập tắt dao động của giảm chấn MR trong hệ thống treo, luận án đã xây dựng mô hình hệ thống treo ¼ có giảm chấn MR. Mô hình này dùng để đánh giá hiệu quả dập tắt dao động của giảm chấn MR dưới tác dụng của các điện áp điều khiển không đổi tác dụng vào giảm chấn MR. Mô hình hệ thống được biểu diễn trên hình 2.26. 2.4.1. Mô hình tổng thể Sơ đồ hệ thống treo ¼ có trang bị giảm chấn MR được thể hiện như hình 2.26. Hình 2.11. Mô hình hệ thống treo ¼ với giảm chấn MR 2.4.2. Mô phỏng hoạt động a. Phương án mô phỏng Trong phạm vi nghiên cứu này, NCS sử dụng xung đầu vào tác động theo dạng xung vuông để xem xét phản ứng của hệ thống treo đến dao động của thân xe dưới tác dụng của các giá trị điện áp cấp vào giảm chấn MR khác nhau. NCS sử dụng mô hình Dahl ghép vào mô hình hệ thống treo ¼ nhằm đánh giá hiệu quả của loại giảm chấn MR bố trí trong hệ thống treo. Tiêu chí đánh giá là biên độ dao động lớn nhất của thân xe. Kết quả mô phỏng được trình bày trong hình 2.27÷2.29 Hình 2. 12. Đặc tính F-v trên hệ thống treo ¼ có giảm chấn MR Hình 2.13. Đặc tính F-x trên hệ thống treo ¼ có giảm chấn MR 9
Theo đồ thị, khi tăng điện áp cấp vào giảm chấn thì lực giảm chấn cũng tăng lên. Lực giảm chấn tăng phụ thuộc vào vận tốc của cần piston cũng như điện áp cấp vào giảm chấn. Khi điện áp càng cao thì biên độ dao động của thân xe càng nhỏ, đồng thời thời gian dao động cũng nhỏ hơn. Kết quả dao động của thân xe được biểu thị trên hình 2.29. Theo đồ thị 2.23, hiệu quả dập tắt dao động của thân xe khi có dòng điện điều khiển vào giảm chấn cao hơn hẳn so với khi không điều khiển (thụ động). Biên độ dao động cực đại của thân xe khi cấp điện áp càng lớn thì độ giảm biên độ càng cao, cụ thể, khi cấp điện áp 1V, 2V thì biên độ cực đại giảm cực đại tương ứng là 6,25% và 11,25%. Hình 2.14. So sánh dịch chuyển thân xe 2.5. Kết luận Nội dung chương đã tập trung phân tích lý thuyết trong xây dựng mô hình hệ thống treo ¼ , xây dựng các phương trình chính tắc, lựa chọn phương pháp đặt biến trạng thái để chuyển phương trình chính tắc sang phương trình không gian trạng thái, một mặt coi mặt đường là tác động đầu vào ngẫu nhiên không biết trước, từ đó mô hình được biểu diễn đơn giản hơn. Ngoài ra nội dung chương đã nghiên cứu lý thuyết trong xây dựng thiết kế giảm chấn MR theo mô hình tham số Bouc-wen và Dahl. Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình Dahl mô tả phản ánh quy luật vật lý của giảm chấn MR theo 3 phương diện giá trị lực, vùng làm việc và tính đối xứng phù hợp với các công bố trước đây. Từ đó luận án lựa chọn mô hình Dahl trong nghiên cứu bởi mô hình này đơn giản, đặc tính lực giảm chấn sát với thực tế, số lượng thông số trong mô hình ít (4 thông số) rất phù hợp với điều kiện kiểm nghiệm các thông số của mô hình này trong thực tế Việt Nam. CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 3.1. Đặt vấn đề Hình 3.1 là sơ đồ điều khiển cho hệ thống treo bán tích cực. Trên mô hình này, hệ thống treo là sự kết hợp của hệ thống treo thụ động thông thường kết hợp với một giảm chấn điều khiển được (thường là giảm chấn điều khiển điện), giảm chấn loại này được điều khiển bởi một bộ điều khiển có thuật toán hoặc chương trình phụ thuộc vào người thiết kế. Bộ điều khiển làm nhiệm vụ đo các tín hiệu trạng thái từ mô hình hệ thống treo (bao gồm các trạng thái từ thân xe và bánh xe) đưa về. Các trạng thái của hệ thống treo được xác định thông qua các cảm biến. Trong thực tế, có nhiều trạng thái hệ thống sẽ không xác định được, một mặt do công nghệ phát triển cảm biến, mặt khác trạng thái đấy có thể được xác định hoặc quan sát thông qua các thuật toán ước lượng. Từ các trạng thái xác định được, bộ điều khiển làm nhiệm vụ tính toán điện áp hoặc dòng điện tương ứng để đưa vào giảm chấn điều khiển thông qua bộ chuyển đổi lực-điện áp u (hoặc lực-dòng điện). Hình 3.1. Sơ đồ điều khiển hệ thống treo bán tích cực 10
3.2. Bộ điều khiển LQR Phương pháp điều khiển LQR là một phương pháp điều khiển mạnh để điều khiển hệ thống tuyến tính, được mô tả bằng phương trình không gian trạng thái. Kỹ thuật LQR tạo ra bộ điều khiển vòng kín ổn định với năng lượng cung cấp cho hệ thống là nhỏ nhất. Sơ đồ bộ điều khiển LQR trong các hệ thống điều khiển được thể hiện như hình 3.2. Hình 3.2. Mô hình không gian trạng thái kết hợp điều khiển LQR Trong điều khiển hệ thống treo bán tích cực thì mục tiêu của bài toán điều khiển ở đây là cần xác định thành phần f sao cho với tác động từ bên ngoài không biết trước vào (zr) véc tơ biến trạng thái z cần phải được nhanh chóng đưa về gốc tọa độ, hay nói cách khác là nhanh chóng dập tắt các dao động trong hệ gây ra bởi tác động bên ngoài theo thời gian. Thuật toán LQR xác định tín hiệu điều khiển f sao cho thỏa mãn hàm mục tiêu có dạng toàn phương sau:  J   ( xT Q x  f T R f )dt (3.1) 0 Việc lựa chọn các ma trận Q và R sẽ quyết định chiến lược điều khiển LQR. Vì vậy, các ma trận Q và R cần phải được lựa chọn phù hợp tương ứng với khả năng của người thiết kế điều khiển. Khi không biết các giá trị Q và R, người ta thường dùng quy tắc Bryson, quy tắc này có thể cung cấp phương pháp xác định ma trận Q và R theo phương trình (3.4). 1 1 Qii  ;R  max  xii  2   max f 2 (3.2) Trong đó: xii : Thông số trạng thái Cụ thể, trong luận án này, NCS lựa chọn ma trận Q và R như sau: 103 0 0 0 0 1 0 0 ; R  0.0001 Q 0 0 103 0 0 0 0 1 Tại vị trí q11 và q33 lựa chọn lớn hơn so với q22 và q44, và lớn hơn rất nhiều so với ma trận R. Điều này cho thấy mức độ quan tâm đến biến trạng thái dịch chuyển thân xe và bánh xe nhiều hơn so với các biến trạng thái khác. Theo sơ đồ thì bộ điều khiển LQR được thay thế bằng ma trận K. Luật điều khiển có dạng: f *   Kx  ( K1 x1  K2 x2  K3 x3  K4 x4 ) (3.3) K được xác định từ phương trình Ricatti:  KA  AT K  Q  KBR1BT K  0 (3.4) Với các giá trị vật lý theo Bảng 1 và lựa chọn ma trận trọng số Q và R xác định được ma trận K với các giá trị như sau: K= 21191 2593 21638 234 (3.5) Theo phương pháp đặt biến trạng thái và công thức (3.8), bộ điều khiển LQR cần 4 thông số trạng thái của hệ thống: dịch chuyển của thân xe và bánh xe; vận tốc dịch chuyển của thân xe và bánh xe. Do vậy, để ứng dụng bộ LQR vào điều khiển hệ thống treo cần phải trang bị 04 cảm biến tương ứng với 04 thông số trạng thái. Trong nghiên cứu này, để phù hợp với khả năng lắp ráp, điều kiện kinh tế, luận án lựa chọn 02/04 cảm biến. Do số lượng cảm biến lựa chọn ít hơn yêu cầu của thuật toán LQR nên cần thiết kế bộ ước lượng trạng thái (bộ quan sát) sao cho các thông tin từ 02 cảm biến ước lượng được thành 04 thông tin theo yêu cầu bộ điều khiển tối ưu LQR. Điều này được tính toán và xây dựng thông qua bộ quan sát Kalman. 3.3. Bộ quan sát Kalman (bộ lọc Kalman) Lý thuyết lọc Kalman được đề xuất từ năm 1960 bởi R.E.Kalman mô tả một giải thuật truy hồi để giải quyết bài toán lọc thông tin rời rạc tuyến tính. Một cách khái quát, bộ lọc Kalman là tập hợp các phương trình truy hồi cho phép ước lượng trạng thái của một quá trình theo tiêu chuẩn bình phương nhỏ nhất. Bộ lọc Kalman rất hiệu quả trong việc ước lượng các trạng thái trong quá khứ, hiện tại và cả tương lai ngay cả khi mô hình của hệ thống không 11
được biết chính xác. Sơ đồ của bộ lọc Kalman được trình bày như hình 3.4 Bộ lọc Kalman có khả năng loại bỏ các nhiễu trắng mà nó nhận được ở đầu vào dựa vào các thống kê trước đó và hiệu chỉnh lại bằng các giá trị đo hiện tại nhờ có cơ chế cập nhật sai lệch tại mỗi thời điểm tính toán nên giá trị ước lượng được ổn định và chính xác. Trên hình 3.5 là sơ đồ bộ lọc Kalman liên tục. Bộ lọc Kalman là bộ lọc hồi qui giúp cho việc ước lượng hiệu quả các trạng thái quá khứ, hiện tại và thậm chí tương lai của hệ thống động học khi giải quyết nhiễu Gaussian. Bộ lọc thực hiện tối thiểu hiệp biến tiệm cận của sai lệch ước lượng. Lựa chọn hiệp biến nhiễu quá trình Qe và hiệp biến nhiễu cảm biến Re có ảnh hưởng lớn đến hệ số của bộ lọc trạng thái tối ưu L (ma trận L trong hình 3.5)[88];[89]. Như vậy, khi thực hiện quan sát, ước lượng trạng thái theo Kalman sẽ bao gồm hai bước như sau: - Bước 1: Dự báo, ước lượng từ bước trước được sử dụng để tạo ra một ước lượng của trạng thái hiện tại - Bước 2. Hiệu chỉnh và cập nhật, sử dụng thông tin đo lường từ bước hiện tại để lọc dự báo đến một ước lượng mới. 3.4. Bộ điều khiển LQG Theo hình 3.8, đầu vào đối với bộ điều khiển LQG là tín hiệu đầu ra của hệ thống treo. Tín hiệu đầu ra này phụ thuộc vào ma trận C (ma trận tín hiệu đầu ra-như đã phân tích trong chương 2). Việc lựa chọn các giá trị của ma trận C tương ứng với số lượng và chủng loại cảm biến sử dụng trong hệ thống. Đầu ra của bộ điều khiển LQG là giá trị lực mong muốn cấp cho hệ thống treo. Lực mong muốn này có thể là từ giảm chấn bán tích cực, hoặc bộ phận đàn hồi điều khiển được. Hình 3.3. Sơ đồ điều khiển hệ thống treo theo thuật toán LQG Điều kiện để thiết kế bộ điều khiển LQG cần các yêu cầu như sau: - Thông số mô hình vật lý của hệ thống treo. Ở đây là các các ma trận: A,B,G. Trong đó ma trận A là ma trận vật lý, B là ma trận điều khiển, G ma trận tín hiệu nhiễu, 3 ma trận này phụ thuộc vào phương pháp đặt biến trạng thái và đã trình bày ở chương 2. - Thông số của bộ điều khiển LQR: Với bộ điều khiển LQR, thành phần đầu ra chỉ là một ma trận tối ưu K. Việc tính toán ma trận tối ưu K này được thiết kế bằng việc lựa chọn các ma trận trọng số Q và R, 2 ma trận này đã được lựa chọn tại mục 3.2. 3.5. Mô phỏng và lựa chọn bộ điều khiển 3.5.1. Kịch bản mô phỏng Trong luận án này, NCS lựa chọn 02 cảm biến, loại cảm biến là cảm biến dịch chuyển hoặc cảm biến vận tốc dao động, còn vị trí lắp là trên thân xe và bánh xe. Với mỗi phương án điều khiển sử dụng 2 cảm biến, thì việc lựa chọn các ma trận Qe và Re là vô cùng cần thiết, đảm bảo cho việc tính toán ước lượng thành 4 tín hiệu đầu ra chính xác nhất. Bảng 3.1. Mô phỏng theo chủng loại cảm biến Đầu vào Cảm biến Mặt zb z w zb zw Tiêu chí đánh giá Ghi chú Phương án đường 12
1 X X LQG1 - Hiệu quả dập tắt dao Dạng động 2 xung X X LQG2 - Lực giảm chấn vuông mong muốn 3 Thụ động Bảng 3.2. Mô phỏng theo vị trí lắp cảm biến Đầu vào Cảm biến Mặt zb z w zb zw Tiêu chí đánh giá Ghi chú Phương án đường 1 X X LQG3 - Hiệu quả dập tắt dao Dạng động 2 xung X X LQG4 - Lực giảm chấn cần vuông thiết mong muốn 3 X X LQG2 3.5.2. Kết quả và đánh giá a. Sử dụng 02 cảm biến cùng loại Kết quả mô phỏng đánh giá hiệu quả dập tắt dao động của thân xe theo các phương án điều khiển khác nhau được biểu thị ở các đồ thị bên dưới. Hình 3.4. Dịch chuyển thân xe với các phương án điều khiển Khi sử dụng phương án điều khiển LQG với 02 cảm biến vận tốc thì hiệu quả giảm biên độ cực đại đạt hiệu quả cao nhất, còn khi sử dụng 02 cảm biến dịch chuyển cho hiệu quả thấp hơn 1 chút. Kết quả so sánh hiệu quả dập tắt dao động (độ giảm biên độ cực đại và thời gian dập tắt dao động) giữa các phương án mô phỏng được thể hiện trên hình 3.12. Hình 3.5. So sánh hiệu quả dập tắt dao động Theo đồ thị ta thấy, khoảng cách về vị trí cân bằng giữa 2 phương án điều khiển LQG1 (hình tròn), LQG2 (hình 13
thoi) có chút khác biệt, khoảng cách từ bộ LQG1 xa hơn so với bộ LQG2. Về mặt giảm biên độ thì bộ điều khiển LQG1 đạt hiệu quả cao hơn (giảm 22,5%), bộ điều khiển LQG2 giảm 17,73. Hình 3.13 biểu thị đặc tính lực giảm chấn cần thiết theo các thuật toán điều khiển khác nhau. Hình 3.6. Đặc tính lực giảm chấn cần thiết trong hệ thống treo ¼ Theo đồ thị Hình 3.13, lực giảm chấn cần thiết cho điều khiển cực đại tương ứng với bộ điều khiển LQG1 lớn hơn (430N), bộ điều khiển LQG2 nhỏ hơn (231N). b. Sử dụng 2 cảm biến khác loại, lắp cùng vị trí Theo kịch bản bảng 3.1, luận án đã so sánh, đánh giá và lựa chọn bộ điều khiển LQG2 trong điều khiển hệ thống treo khi sử dụng 02 cảm biến cùng loại bởi hiệu quả về mặt tạo ra lực giảm chấn cần thiết mong muốn nhỏ. Vì vậy, trong phần này, NCS so sánh hiệu quả điều khiển của bộ điều khiển LQG2 (sử dụng 2 cảm biến dịch chuyển đặt tại thân xe và bánh xe) với bộ điều khiển sử dụng 02 cảm biến khác loại đặt tại thân xe hoặc bánh xe. Hiệu quả giảm biên độ giữa 2 phương án LQG3 và LQG4 tương đối bằng nhau, cho thấy việc lắp 2 cảm biến khác loại cho cùng vị trí (bánh xe và thân xe) không khác nhau nhiều về mặt giảm biên độ. Việc đánh giá tổng thể hiệu quả dập tắt dao động (độ giảm biên độ cực đại và thời gian dập tắt dao động) được thể hiện trên hình 3.16 Hình 3.7. So sánh hiệu quả dập tắt dao động theo 4 phương án điều khiển Theo đồ thị hình 3.16, xét về mặt thời gian dập tắt dao động, 3 phương án LQG1,LQG2 và LQG3 tương đồng nhau, nhưng trong 3 phương án này, thì phương án LQG3 đạt hiệu quả dập tắt dao động kém nhất. Xét theo chiều hướng điều khiển, thì hướng điều khiển có xu hướng hướng về tâm gốc toạ độ sẽ cho ta khả năng điều khiển tốt, càng xa gốc toạ độ thì khả năng điều khiển kém, làm hệ thống dần tiến đến hệ thống treo thụ động (không điều khiển). Hình 3.17 thể hiện lực giảm chấn cần thiết trong hệ thống treo bán tích cực dưới các thuật toán điều khiển khác nhau. Theo đồ thị ta thấy, lực cần thiết dùng cho điều khiển của bộ điều khiển LQG3 là nhỏ nhất (cực đại khoảng 160N), về biên dạng khá tương đồng với bộ điều khiển LQG2 (lực cực đại của bộ điều khiển LQG2 là 231N). 14
Hình 3.8. Lực giảm chấn cần thiết cần thiết trên 3 phương án Trong luận án này, nhận thấy phương án điều khiển theo bộ điều khiển LQG2 thoả hiệp được cả 3 tiêu chí: khả năng dập tắt dao động, lực giảm chấn cần thiết tạo ra và mức độ phức tạp trong thiết kế mạch điều khiển đọc tín hiệu từ cảm biến. Cụ thể lực giảm chấn cần thiết tạo ra nhỏ nhưng vẫn đạt hiệu quả trong khả năng dập tắt dao động (biên độ dao động thấp hơn 5% so với bộ điều khiển LQG1 nhưng lực giảm chấn cần thiết lại nhỏ hơn gần 2 lần). Vì vậy, luận án đề xuất lựa chọn bộ điều khiển LQG2 với việc sử dụng 02 cảm biến dịch chuyển. 3.6. Đánh giá hiệu quả bộ điều khiển LQG2 Để đánh giá chất lượng cũng như hiệu quả của bộ điều khiển LQG2, luận án tập trung đánh giá theo 3 tiêu chí. Cụ thể như sau: - Tiêu chí 1: Tăng khả năng êm dịu của thân xe, đặc trưng bởi độ giảm gia tốc thân xe cực đại và chỉ tiêu gia tốc bình phương trung bình của thân xe (RMS). - Tiêu chí 2: Lực tác động từ lốp xuống mặt đường. - Tiêu chí 3: Độ giảm dịch chuyển thân xe cực đại, Trong đó với 2 tác động đầu vào là xung tác động tuần hoàn dạng hình sin và xung tác động dạng mặt đường ngẫu nhiên C-D theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995. Kết quả được thể hiện ở mục 3.6.1 và 3.6.2. 3.6.1. Đánh giá theo xung tác động dạng sin Theo đồ thị 3.18, đặc tính dịch chuyển thân xe tương đồng với biên dạng mặt đường dạng sin về mặt tần số và pha, biên độ dao động cực đại thay đổi theo dạng điều khiển và không điều khiển. Cụ thể, biên độ dao động cực đại khi không điều khiển là 0,0694 (m), còn khi điều khiển giảm xuống còn 0,0529 (m) (Hình 3.19). Điều này cho thấy hiệu quả của bộ điều khiển LQG2 trong việc giảm biên độ dao động cực đại của thân xe. Hình 3.20 thể hiện đặc tính gia tốc của dao động thân xe. Hình 3.9. Đặc tính dịch chuyển thân xe 15
Hình 3.10. Đặc tính gia tốc dao động thân xe Theo đồ thị hình 3.20, đặc tính dao động gia tốc tương đồng với biên dạng mặt đường đầu vào (tương đồng về tần số và pha). Khi có điều khiển, độ giảm gia tốc cực đại so với không điều khiển đạt 26,47% (Từ 1,15 (m/s2) khi không điều khiển xuống 0,846 (m/s2) khi có điều khiển (theo hình 3.21) Tiêu chí độ êm dịu của thân xe còn được thể hiện qua chỉ tiêu gia tốc bình phương trung bình của thân xe (RMS). Chỉ tiêu này được thể hiện trên hình 3.22. Hình 3.11. Độ giảm RMS Theo đồ thị, bộ điều khiển LQG2 đạt chỉ tiêu RMS là 0,488 so với 0,799 khi không điều khiển. Điều này cho thấy, bộ điều khiển LQG2 có tác động tốt, đạt được hiệu quả trong việc dập tắt dao động cực đại, giảm gia tốc cực đại của thân xe lần lượt là: 23,82%, và 26,47%, ngoài ra đã đạt được chỉ tiêu RMS cho dao động thân xe: giảm 38,95% so với khi không điều khiển. Tổng hợp đánh giá hiệu quả bộ điều khiển LQG2 khi hệ thống bị tác động bởi dao động hình sin được thể hiện trên bảng 3.3. Bảng 3.3. So sánh hiệu quả của bộ điều khiển LQG2 Bộ điều khiển Không Độ TT Tiêu chí LQG2 điều khiển giảm % 1 Dịch chuyển thân xe lớn nhất (m) 0,0529 0,0694 23,82 2 Gia tốc thân xe lớn nhất (m/s ) 2 0,8463 1,1510 26,47 3 RMS 0,4880 0,7993 38,95 3.6.2. Đánh giá dƣới tác động của mặt đƣờng ngẫu nhiên Để đánh giá ảnh hưởng của bộ điều khiển LQG2 đối với các chỉ tiêu liên quan đến dao động của thân xe khi hệ thống hoạt động dưới tác động của đường ngẫu nhiên, luận án xây dựng và khảo sát hoạt động của bộ điều khiển LQG2 khi hệ thống treo bị tác động trên loại mặt đường C-D theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 có đặc tính như trên hình 3.23 và chuyển động với 3 vận tốc: 40km/h, 50km/h; 80km/h. Đánh giá hiệu quả điều khiển theo 3 tiêu chí: độ giảm biên độ cực đại, độ giảm gia tốc cực đại và chỉ tiêu RMS. Đồ thị hình 3.24 thể hiện đặc tính dịch chuyển thân xe khi xe chuyển động với vận tốc 40km/h, theo đồ thị, 16
biên độ dịch chuyển của thân xe tương đối bám theo kích thích mặt đường, bộ điều khiển LQG2 cho hiệu quả giảm biên độ dao động cực đại giảm 13,71% khi không điều khiển. Hình 3.12. Dịch chuyển thân xe dưới tác động mặt đường C-D theo ISO 8608:1995 ở tốc độ 40km/h Hình 3.25 thể hiện đặc tính gia tốc thân xe cũng ở vận tốc 40km/h dưới tác động của mặt đường C-D. Theo đồ thị, gia tốc dao động của thân xe khá lớn ở trường hợp không điều khiển (gia tốc cực đại khoảng 1,4 m/s2). Về cơ bản, gia tốc dao động của thân xe với bộ điều khiển LQG2 tương đối ổn định Kết quả tổng hợp so sánh hiệu quả của bộ điều khiển LQG2 khi xe chạy với 3 tốc độ: 40km/h, 50km/h và 80km/h được thể hiện qua bảng 3.4 Bảng 3.4. So sánh hiệu quả của bộ điều khiển LQG2 ở các tốc độ khác nhau T =40km/ =50km/ =80km/ Tiêu chí T h h h 1 Độ giảm dịch chuyển thân xe lớn nhất (%) 13,71 14,18 22,51 2 Độ giảm gia tốc thân xe lớn nhất (%) 30,43 34,45 35,23 3 RMS (%) 4,12 5,14 5,32 Thông qua Bảng 3.4, nhận thấy, khi xe chuyển động với vận tốc cao thì bộ điều khiển LQG2 đáp ứng tốt ở cả 3 tiêu chí: Độ giảm dịch chuyển thân xe lớn nhất 22,51%, độ giảm gia tốc thân xe lớn nhất 35,23% và RMS cũng lớn nhất 5,32%. Điều này cho thấy hiệu quả điều khiển của bộ điều khiển LQG2 trong điều khiển cải thiện tính êm dịu của xe, đặc biệt khi xe chuyển động với vận tốc cao. 3.7. Kết luận Nội dung chương đã tập trung phân tích lý thuyết trong xây dựng mô hình hệ thống treo bán tích cực sử dụng thuật toán điều khiển LQG. Thuật toán này là sự kết hợp giữa bộ điều khiển toàn phương tuyến tính LQR và bộ quan sát Kalman. Kết quả tập trung vào phân tích hiệu quả điều khiển hệ thống treo ¼ với số lượng 02 cảm biến trong hệ thống (so với yêu cầu điều khiển tối ưu là 04 cảm biến). Việc đánh giá hiệu quả giữa các phương án điều khiển thông qua độ giảm biên độ dao động của thân xe cũng như tần số dao động của thân xe Ngoài ra, đã so sánh chất lượng điều khiển thông qua hiệu quả dập tắt dao động và lực giảm chấn cần thiết mong muốn theo từng phương án mô phỏng, thông qua tác động đầu vào dạng xung vuông. Với hiệu quả giảm biên độ dao động thân xe cực đại là 17,73% và lực giảm chấn cần thiết cực đại dùng trong điều khiển là 231N, luận án lựa chọn bộ điều khiển LQG2, trong đó bộ điều khiển LQG2 là bộ điều khiển sử dụng loại cảm biến trong hệ thống là 2 cảm biến dịch chuyển với vị trí lắp tại bánh xe và thân xe. Từ đây, luận án cũng tập trung đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển LQG2 trên hệ thống treo ¼ bán tích cực dưới tác động của đầu vào dạng xung sin và dạng mặt đường ngẫu nhiên C-D theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995. Với tác động đầu vào dạng xung sin, 3 tiêu chí: Độ giảm dịch chuyển thân xe lớn nhất, độ giảm gia tốc thân xe lớn nhất và và chỉ tiêu RMS lần lượt giảm là: 23,82%; 26,47% và 38,95% so với không điều khiển. Ngoài ra, bộ điều khiển LQG2 không làm thay đổi lực tác động từ bánh xe đến mặt đường so với trường hợp không điều khiển. Còn khi hệ thống treo bị tác động bởi mặt đường C-D theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 ở các tốc độ khác nhau thì bộ điều khiển LQG2 giúp cho 3 tiêu chí độ giảm dịch chuyển thân xe lớn nhất so với không điều khiển: ở tốc độ 40km/h giảm 13,71%, 50km/h giảm 14,18% và 80km/h giảm 22,51%); độ giảm gia tốc thân xe lớn nhất ở tốc độ 80km/h là 35,23% và độ giảm RMS cũng lớn nhất ở tốc độ 80km/h với lượng giảm là 5,32 CHƢƠNG 4. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ GIẢM CHẤN MR 4.1. Mục đích Xác định các thông số trong mô hình Dahl của giảm chấn MR trên hệ thống treo trước ô tô Acurra 2011, do tập đoàn BWI sản xuất. 4.2. Yêu cầu của bệ thử 17
Đặc tính của giảm chấn nói chung hay đặc tính giảm chấn MR nói riêng được đặc trưng bởi các đặc tính lực-thời gian (F-t), lực-vận tốc piston (F-v) và lực–dịch chuyển piston (F-x). Vì vậy để xác định được 3 dạng đặc tính này, bệ thử cần phải đạt được các yêu cầu: 4.3. Trình tự thực hiện - Thiết kế, tính toán và chế tạo bệ thử - Thực nghiệm đo các thông số lực theo thời gian (F-t), vận tốc piston (v) và dịch chuyển piston (x). Xây dựng đồ thị lực theo vận tốc (F-v), đồ thị lực theo dịch chuyển (F-x) - Tính toán các thông số trễ trên mô hình Dahl 4.4. Cấu tạo vào nguyên lý hoạt động của bệ thử. 4.4.1. Sơ đồ nguyên lý bệ thử Theo sơ đồ, thiết bị kiểm tra đặc tính giảm chấn được chia làm 3 phần: - Phần 1: khung thiết bị, là những bộ phận cơ khí được gắn chặt với nhau bằng các mối hàn đảm bảo độ cứng vững và chịu được lực lớn mà không bị cong vênh. - Phần 2: Phần tạo ra chuyển động cho cần piston giảm chấn. Phần này bao gồm các chi tiết từ động cơ 6, đĩa lệch tâm 7 và piston 5. Tại vị trí đồng trục với đĩa lệch tâm có bố trí cảm biến Encoder để xác định tốc độ vòng quay của đĩa lệch tâm, từ tín hiệu tốc độ vòng quay này xác định được dịch chuyển và vận tốc dịch chuyển của cần piston giảm chấn - Phần 3: Bộ đo, bộ đo này thực chất là 1 bộ kít Adruino (hoặc bộ PLC) được đặt bên trên khung mô hình, cạnh vít-me 1. a. Xác định dịch chuyển và vận tốc cần piston Sau khi xác định được góc quay của đĩa lệch tâm, dịch chuyển cần piston giảm chấn được tính toán thông qua công thức gần đúng (4.2)  x p  R  1  cos     1  cos(2   R  (4.1)  4L  Từ đó, vận tốc piston được xác định như sau:  R  v p   R  sin    sin  2   (4.2)  2L  Khi piston dịch chuyển thì phần bên trong của ống giảm chấn sẽ dịch chuyển, với dịch chuyển này sẽ sinh ra lực tác động vào thành ống bên ngoài. Theo định luật 3 của Newton, về phương diện độ lớn, lực tác động ra ngoài thành ống cũng chính là lực sinh ra từ piston. Như vậy, khi lắp cảm biến lực loadcell đặt bên ngoài thành ống, cũng đo được lực tác động từ bên trong do piston tạo ra. Trong khi lắp ráp và thí nghiệm, khi piston dịch chuyển với vận tốc rất nhỏ nhưng nhận thấy trên piston vẫn có thành phần lực khác, không phải lực giảm chấn. Thành phần này được coi là lực đàn hồi sinh ra bởi hành trình nén piston. Do đó, thành phần lực đo trực tiếp từ loadcell là lực từ piston giảm chấn Fp. Thành phần lực đo được khi piston dịch chuyển thực tế sẽ là tổng hợp bởi 2 lực theo công thức (4.5) Fp  Fdh  Ftl (4.3) 4.5. Kết cấu thiết bị thí nghiệm đặc tính giảm chấn 4.5.1. Kết cấu Thiết bị thí nghiệm được thực hiện chế tạo bộ môn ô tô và xe chuyên dụng của trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Thiết bị được đảm bảo các kích thước, độ chính xác, vật liệu chế tạo; lắp ráp căn chỉnh thiết bị hoạt động ổn định và tin cậy. Mô hình tổng thể thiết bị được thể hiện trên hình 4.3 4.5.2. Các thông số của thiết bị 4.5.3. Các bộ phận trên thiết bị 4.6. Thực nghiệm xác định đặc tính giảm chấn Giảm chấn MR được sử dụng cho nghiên cứu mô hình hóa và xác định đặc tính là giảm chấn MR trên hệ thống treo trước xe Acurra 2011 do tập đoàn BWI sản xuất. 4.6.1. Kịch bản thử nghiệm Kịch bản thử nghiệm được thể hiện theo bảng 4.1. Bảng 4.1. Thử nghiệm xác định đặc tính giảm chấn MR TT Điện áp (V) Kết quả thu đƣợc Điều kiện 1. 0 - Lực tác dụng lên piston (N) - Tốc độ động cơ điện 18
2. 0,1 - Dịch chuyển của cần piston (cm) chạy ổn định ở tốc độ -Vận tốc của cần piston (cm/s). 1200v/p 3. 0,3 - Xung từ Encoder - Tần số lấy mẫu 100ms 4. 0,5 5. 0,8 6. 1,0 - Lực tác dụng lên piston (N) Quay đĩa lệch tâm bằng 7. 0,1 - Xung từ Encoder tay với tốc độ rất chậm 4.6.2. Kết quả thử nghiệm a. Kết quả Thí nghiệm với giảm chấn điện từ MR của xe Acura MDX được thực hiện nhiều lần với các mức điện áp khác nhau từ (0 ÷ 1) V. Ở mỗi giá trị điện áp, thực hiện tối thiểu 3 chu kì dao động. Các giá trị xem ở bảng phụ lục 3. Trong khi đo, thực hiện quan sát đặc tính F-t, F-v, F-s hiển thị trên giao diện máy tính. Thực hiện lưu dữ liệu thành file exel. Kết quả thí nghiệm sau khi thu thập dưới dạng file Excel, từ đó dùng để so sánh kết quả các lần đo với kết quả mô phỏng tương ứng. Đồ thị 4.6÷4.9 thể hiện kết quả thí nghiệm đặc tính hoạt động của giảm chấn dưới tác động của các điện áp cấp khác nhau. Hình 4.1. Đặc tính lực giảm chấn-thời gian Nhận xét: Ở trong mỗi chu kì dao động, đồ thị mối quan hệ giữa lực F với thời gian t, biên độ của lực cản tăng dần theo giá trị điện áp kích thích khác nhau, điều này cho thấy sự ảnh hưởng của điện áp đến đặc tính làm việc của giảm chấn ở các giá trị điện áp là khác nhau. Ở chu kì đầu khi giảm chấn ở trạng thái trả, lực cản của giảm chấn tăng dần, ở nửa chu kì sau khi ở trạng thái nén, lực cản giảm nhanh. Ở chu kì trả lực cản giảm chấn tăng dần và vận tốc của piston giảm chấn giảm dần. Với các giá trị điện áp lớn thì lực cản của giảm chấn cũng tăng dần. Ở trạng thái nén lực cản của giảm chấn cũng tăng dần theo điện áp kích thích nhưng sự thay đổi là không lớn. Trong luận án này không đi sâu vào kết cấu của giảm chấn, vì vậy, cần xác định thành phần lực này (gọi chung là lực đàn hồi) để xác định lực giảm chấn sinh ra bởi giảm chấn MR được chính xác nhất. Việc xác định này NCS thay bộ đo từ Adruino sang PLC để truyền thông online, trực tiếp đo kiểm các giá trị được thuận tiện hơn, sau đó các kết quả cũng được lưu trên exel để so sánh với bộ đo lúc trước. Để thực hiện đo xác định thành phần lực đàn hồi, NCS đo lực trên loadcell ở trạng thái tĩnh, tức là tạo di chuyển piston hoàn toàn thủ công, với tốc độ rất chậm ở từng vị trí, để tránh có ảnh hưởng bởi lực giảm chấn (do lực giảm chấn bằng 0 khi vận tốc dịch chuyển piston bằng không) b. Xác định lực đàn hồi Sau khi xác định được đặc tính giảm chấn ở trạng thái tĩnh, NCS tiếp tục xác định đặc tính giảm chấn ở trạng thái động, kết quả lực giảm chấn so sánh giữa 2 trạng thái được biểu thị như hình 4.12 Hình 4.2. So sánh đặc tính lực đo được tại loadcell 19
Sau khi thực hiện phép trừ giữa 2 trạng thái đo giữa trạng thái động và trạng thái tĩnh, thu được đặc tính lực giảm chấn do chất lỏng MR sinh ra, đồ thị đặc tính được biểu thị trên hình 4.13 Hình 4.3. Đặc tính lực giảm chấn do chất lỏng MR sinh ra Theo đồ thị đặc tính 4.13, có thể thấy lực sinh ra bởi chất lỏng MR là đường cong trơn, lực giảm chấn tương đối đối xứng ở các chu kỳ làm việc. Kết quả này dùng để xác định các thông số của mô hình mô phỏng đã được xây dựng trong chương 2. 4.6.3. Xác định thông số mô phỏng trên mô hình Dahl a. So sánh đặc tính giảm chấn giữa mô phỏng và thực nghiệm Việc so sánh đặc tính giảm chấn MR giữa mô phỏng và thực nghiệm thông qua định tính về mặt hình học. So sánh được thể hiện qua đồ thị 4.14÷4.16. Trên đồ thị thể hiện đặc tính của giảm chấn dựa trên mối quan hệ giữa lực-vận tốc piston và lực-dịch chuyển piston dưới tác dụng của điện áp 0.1V. Theo đồ thị có thể thấy rõ, về mặt biên dạng của mối quan hệ giữa lực-dịch chuyển, lực giảm chấn đối xứng qua trục toạ độ. So sánh với hình 2.13 trong chương 2, có thể thấy đặc tính theo mô hình Dahl tương đối phù hợp với giảm chấn thực sử dụng trong nghiên cứu này là giảm chấn MR trên hệ thống treo trước của xe Acurra 2011 do tập đoàn BWI sản xuất. Hình 4.4. Đặc tính giảm chấn giữa mô phỏng và thực nghiệm khi cấp điện áp 0.1V Việc so sánh và đánh giá tính tương đồng của đặc tính lực theo chuyển vị giữa mô phỏng và thực nghiệm thông qua hàm tương quan “CORREL”. Về cơ bản, xét theo định tính, đặc tính của lực giảm chấn theo mô phỏng bám khá sát với đường đặc tính khi thực nghiệm, điều này cho thấy các thông số sử dụng trong mô phỏng rất sát với điều kiện thực tế. Việc đánh giá và xác định các thông số này cần thông qua hàm tương quan xác định tỉ lệ giữa mô phỏng và thực nghiệm. Để làm được điều này, cần xác định lực ở cùng 1 vị trí dịch chuyển trên đồ thị giữa mô phỏng và thực nghiệm. Trên hình 4.17 đến hình 4.22 thể hiện đặc tính lực –dịch chuyển giữa mô phỏng và thực nghiệm khi cấp các điện áp khác nhau. Tổng hợp, đánh giá mức đồ tương quan giữa mô phỏng theo mô hình Dahl và thực nghiệm giảm chấn MR 20