Nghiên cứu phương pháp xác định gia tốc thân xe và cầu xe trong điều khiển hệ thống treo bán tích cực

Nghiên cứu phương pháp xác định gia tốc thân xe và cầu xe trong điều khiển hệ thống treo bán tích cực Nghiên cứu phương pháp xác định gia tốc thân xe và cầu xe trong điều khiển hệ thống treo bán tích cực luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN HUY VIỆT

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH GIA TỐC THÂN XE VÀ CẦU XE TRONG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TREO BÁN TÍCH CỰC

MỤC LỤC

LỜI CAM KẾT 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7

LỜI NÓI ĐẦU 9

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 11

1.1 Giới thiệu chung về hệ thống treo ô tô con 11

1.2 Các bộ phận chính của hệ thống treo xe con 12

1.2.1 Bộ phận đàn hồi 12

1.2.2 Bộ phận giảm chấn 13

1.2.3 Bộ phận dẫn hướng 13

1.2.4 Các vấu cao su tăng cứng và hạn chế hành trình 14

1.2.5 Các cơ cấu điều chỉnh hoặc xác định góc bố trí bánh xe 14

1.3 Tổng quan về dao động của ô tô 14

1.3.1 Chỉ tiêu đánh giá dao động 15

1.3.2 Mô hình nghiên cứu dao động 18

1.3.3 Các hàm kích động 19

1.4 Mục tiêu nghiên cứu 20

1.6 Phạm vi nghiên cứu 20

1.7 Nội dung nghiên cứu 20

1.8 Ý nghĩa khoa học của đề tài 21

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 22

CHƯƠNG II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ¼ TRÊN XE Ô TÔ CON 23

2.1 Xây dựng mô hình dao động ¼ và hệ phương trình vi phân mô phỏng 23

2.2 Xây dựng mô hình mô phỏng 25

2.3 Mô phỏng mấp mô mặt đường 26

2.3.1.Mô phỏng mấp mô mặt đường cơ bản 26

2.3.2 Mô phỏng mấp mô mặt đường theo ISO 8608 28

2

KẾT LUẬN CHƯƠNG II 33

CHƯƠNG III NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG TREO TRÊN XE Ô TÔ CON 34

3.1 Lịch sử phát triển của lý thuyết điều khiển 34

3.2 Chiến lược điều khiển 34

3.3 Phân loại bài toán điều khiển tối ưu 35

3.4 Thuật toán điều khiển LQR 36

3.5 Giảm chấn trong hệ thống treo bán tích cực 38

3.6 Mô phỏng hệ thống thống treo ¼ sử dụng giảm chấn MR có điều khiển 41

3.6.1 Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống treo ¼ sử dụng giảm chấn MR 41

3.6.2 Bộ điều khiển tối ưu LQR cho giảm chấn MR 45

3.6.3 Xác định quy luật điều khiển 47

3.6.4 Thuật toán điều khiển trong matlab 47

3.6.5 Khảo sát điều khiển hệ thống treo 49

KẾT LUẬN CHƯƠNG III 67

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

LỜI CAM KẾT

Tôi là Nguyễn Huy Việt, mã học viên CB160199, học viên lớp cao học 2016B chuyên ngành kỹ thuật cơ khí đông lực Tôi là tác giả đề tài “ Nghiên cứu phương pháp xác định gia tốc thân xe và cầu xe trong điều khiển hệ thống treo bán tích cực”, mã đề tài 2016BOTO-KH04 Tôi xin cam đoan tất cả nội dung trong đề tài là

do tôi thực hiện và chưa từng công bố

Tôi xin chịu trách nhiệm về nội dung được trình bày trong luận văn

4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

ms kg Khối lượng được treo

mus kg Khối lượng không được treo

Xc m/s2 Gia tốc theo phương X

Yc m/s2 Gia tốc theo phương Y

Zc m/s2 Gia tốc theo phương Z

 Giá trị quân phương của tín hiệu

L m Chiều dài đoạn đường

B m Chiều dài tham chiếu

6

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Một số dạng mấp mô mặt đường cơ bản và phương trình mô tả 26

Bảng 2.2: Tiêu chuẩn ISO 8608 phân loại đường 29

Bảng 3.1: Thông số của mô hình treo ¼ 44

Bảng 3.2: Mấp mô mặt đường dạng hình chữ nhật 50

Bảng 3.3: Dịch chuyển không gian treo theo trọng số Q11 61

Bảng 3.4: Tần số dao động của bánh xe theo trọng số Q11 61

Bảng 3.5: Dịch chuyển không gian treo theo trọng số Q33 63

Bảng 3.6: Dịch chuyển bánh xe theo trọng số Q33 63

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Cấu Tạo Hệ Thống Treo 11

Hình 1.2: Chỉ tiêu cảm giác theo gia tốc 16

Hình 1.3: Giới hạn tác động của dao động thẳng đứng 17

Hình 1.4: Mô hình 1/4 hệ thống treo ô tô 18

Hình 1.5: Mô hình 1/2 hệ thống treo ô tô 19

Hình 2.1: Mô hình ¼ hệ thống treo ô tô 23

Hình 2.2: Các lực tác dụng vào khối lượng được treo 24

Hình 2.3: Các lực tác dụng vào khối lượng không được treo 24

Hình 2.4: Sơ đồ mô phỏng hệ thống treo ¼ trên matlab simulink 25

Hình 2.5: Mấp mô mặt đường dạng hình sin 28

Hình 2.6: Mật độ phổ của các loại đường theo tiêu chuẩn ISO 8608 30

Hình 2.7: Mô tả mấp mô mặt đường theo ISO 8608 32

Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển tối ưu 35

Hình 3.2: Mô hình của hệ thống giảm chấn điển hình 39

Hình 3.3: Minh họa sự dao động của hệ thống giảm chấn với tác dụng của d 40

Hình 3.4: Hệ thống giảm chấn bán tích cực 41

Hình 3.5: Mô hình hệ thống treo ¼ với giảm chấn MR 42

Hình 3.6 : Tổng quan mô hình matlab 43

Hình 3.7 : Hệ thống treo với bộ điều khiển LQR 43

Hình 3.8 : Mô hình tính toán lực điều khiển 44

Hình 3.9: Cấu trúc điều khiển của hệ thống 46

Hình 3.10 : Bộ điều khiển LQR 49

Hình 3.11: So sánh độ dịch chuyển không gian treo với bộ trọng số tiêu chuẩn 50

Hình 3.12: So sánh độ dịch chuyển thân xe với bộ trọng số tiêu chuẩn 51

Hình 3.13: So sánh độ dịch chuyển không gian treo với bộ thông số b1 52

Hình 3.14 So sánh độ dịch chuyển thân xe với bộ thông số b1 52

Hình 3.15: So sánh độ dịch chuyển không gian treo với bộ thông số b2 53

8

Hình 3.16: So sánh độ dịch chuyển thân xe với bộ thông số b2 54

Hình 3.17: So sánh độ dịch chuyển không gian treo với bộ thông số b3 55

Hình 3.18: So sánh độ dịch chuyển thân xe với bộ thông số b3 55

Hình 3.19: So sánh độ dịch chuyển không gian treo với bộ thông số c1 57

Hình 3.20: So sánh độ dịch chuyển thân xe với bộ thông số c1 57

Hình 3.21: So sánh độ dịch chuyển không gian treo với bộ thông số c2 58

Hình 3.22: So sánh độ dịch chuyển thân xe với bộ thông số c2 59

Hình 3.23: So sánh độ dịch chuyển không gian treo với bộ thông số c3 60

Hình 3.24: So sánh độ dịch chuyển thân xe với bộ thông số c3 60

Hình 3.25: Độ dịch chuyển không gian treo theo trọng số Q11 62

Hình 3.26: Tần số dao động của xe theo trọng số Q11 62

Hình 3.27: Độ dịch chuyển không gian treo theo trọng số Q33 64

Hình 3.28: Tần số dao động của xe theo trọng số Q33 64

Hình 3.29: So sánh độ dịch chuyển không gian treo với bộ thông số đề xuất 65

Hình 3.30: So sánh độ dịch chuyển thân xe với bộ thông số đề xuất 66

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, nền kinh tế Việt Nam có những bước phát triển vượt bậc, đời sống người dân được nâng cao, cùng với việc chính phủ đã và đang đầu tư rất nhiều vào quy hoạch và xây dựng hệ thống giao thông vận tải, xây dựng nhà máy sản xuất và lắp ráp ô tô trong nước đã khiến ô tô trở thành phương tiện đi lại tiện nghi và phổ biến, được nhiều người quan tâm Cùng với lộ trình giảm giá thuế nhập khẩu, ô tô sẽ trở thành phương tiện quen thuộc của mỗi người dân trong tương lai gần Tuy nhiên ở Việt Nam thì ôtô vẫn là chủ đề mới, đặc biệt là những ứng dụng công nghệ tiên tiến trên xe Vì thế việc nghiên cứu về ôtô là rất cần thiết,

nó là cơ sở để các nhà nhập khẩu cũng như các nhà sản xuất trong nước kiểm tra chất lượng xe khi nhập cũng như sau khi xe xuất xưởng, đồng thời trang bị kiến thức cho những người dân mua và sử dụng xe có hiệu quả kinh tế cao

Khi xe chuyển động trên đường, chịu tác động từ các yếu tố như: tải trọng, vận tốc chuyển động, lực cản không khí, điều kiện mặt đường… những yếu tố này luôn thay đổi và gây ảnh hưởng không nhỏ tới quá trình chuyển động của xe Chúng làm quá trình chuyển động của xe mất ổn định, gây mệt mỏi cho người sử dụng, làm giảm tuổi thọ của xe… và đặc biệt là gây mất an toàn tính mạng cho người ngồi trên xe Với yêu cầu ngày càng cao về kỹ thuật cũng như về tính thẩm mỹ thì tính tiện nghi của ô tô ngày càng phải hoàn thiện hơn, đặc biệt là tính êm dịu chuyển động của xe để tạo cho con người cảm giác thoải mái khi ngồi trên xe, các nhà sản xuất xe hàng đầu thế giới đã và đang không ngừng nâng cao chất lượng sản phẩm của mình về kiểu dáng, độ bền, và đặc biệt sự tiện nghi, thân thiện mang lại sự thoải mái, an toàn cho người sử dụng

Ngoài ra, nếu con người phải chịu đựng lâu trong tình trạng xe chạy bị rung xóc nhiều dễ sinh ra mệt mỏi Các kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của dao động ôtô tới cơ thể người đều đi tới kết luận là con người nếu phải chịu đựng lâu trong môi trường dao động của ôtô sẽ mắc phải những bệnh về thần kinh Do đó, tính êm dịu chuyển động là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng xe Tính êm dịu của ôtô phụ thuộc vào kết cấu của xe và trước hết là hệ thống treo, phụ

10

thuộc vào đặc điểm cấu tạo và cường độ kích thích, và sau đó là phụ thuộc vào trình

độ của lái xe Lực kích thích gây dao động có thể do sự không cân bằng của liên hợp máy hoặc do độ nhấp nhô của mặt đường không bằng phẳng

Việc thiết kế các hệ thống, cụm chi tiết trên ô tô, đánh giá chất lượng làm việc của chúng ngày càng được quan tâm nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng của

ô tô Nếu chỉ xét trong phạm vi khả năng chế tạo ôtô thì hệ thống treo mang tính chất quyết định đến độ êm dịu chuyển động của ôtô

Hệ thống treo trên ô tô rất đa dạng và có vai trò hết sức quan trọng, nó góp phần nâng cao độ êm dịu và an toàn chuyển động của ô tô Hệ thống treo đóng một vai trò thiết yếu trong việc giữ ổn định xe và giúp người sử dụng cảm thấy thoải mái Vì vậy một vấn đề quan trọng và cấp thiết hiện nay được đặt ra là nghiên cứu dao động, cải thiện và nâng cao tính năng êm dịu của ô tô, từ đó đưa ra các giải pháp điều khiển đề tăng không gian treo của thân xe và giảm dao động dịch chuyển thân xe nhằm mục đích tăng êm dịu cho người sử dụng Để đảm bảo những yêu cầu trên thì phải thay đổi vùng dao động của hệ thống treo, điển hình là thông số của hệ

số cản giảm chấn và độ cứng của phần tử trong hệ thống treo hoặc đơn giản hơn là dùng cảm biến gia tốc để xác định gia tốc thân xe và cầu xe từ đó chọn ra bộ điều khiển thích hợp

Với những yêu cầu cấp thiết trong việc nâng cao tính êm dịu trên ô tô con

nên NCS đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu phương pháp xác định gia tốc thân xe

và cầu xe trong điều khiển hệ thống treo bán tích cực”

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung về hệ thống treo ô tô con

Hệ thống treo có các công dụng như sau:

- Mang được sức nặng của xe trong mọi điều kiện địa hình

- Đảm bảo tiếp xúc của 4 bánh xe với mặt đường ( tăng khả năng kiểm soát )

- Nâng cao tính êm dịu bằng việc giảm tải trọng động từ mặt đường truyền qua lốp

- Dập tắt dao động của thân xe, đảm bảo độ ổn định chuyển động,

- Truyền lực và mômen tác động giữa bánh xe và khung xe

c Yêu cầu

Bộ phận giảm chấn

Bộ phận đàn hồi

12

Trên hệ thống treo, sự liên kết giữa bánh xe và khung vỏ cần thiết phải mềm nhưng cũng phải đủ khả năng để truyền lực Quan hệ này được thể hiện ở các yêu cầu chính sau đây :

- Đảm bảo tần số dao động riêng thích hợp cho phần được treo (phụ thuộc chủ yếu vào độ võng tĩnh ft)

- Có độ võng động hợp lí để không sinh ra va đập lên các ụ hạn chế va đập bằng cao su

- Có độ dập tắt dao động hợp lí

- Đảm bảo ô tô không bị nghiêng khi quay vòng hoặc phanh

- Đảm bảo chiều rộng cơ sở và các góc đặt của các trụ đứng của các bánh

xe dẫn hướng không thay đổi

- Đảm bảo tương thích giữa động học bánh xe dẫn hướng với động học dẫn động lái

- Có độ tin cậy lớn, trong điều kiện sử dụng phù hợp với tính năng kỹ thuật, không hư hỏng bất thường

- Có độ bền cao

- Giá thành thấp và mức độ phức tạp của kết cấu không quá lớn

- Có khả năng chống rung và chống ồn truyền từ bánh xe lên thùng, vỏ tốt

1.2 Các bộ phận chính của hệ thống treo xe con

Hệ thống treo xe con gồm các bộ phận chính sau đây :

Trên xe con bộ phận đàn hồi thường gặp là loại:

-Nhíp lá

1.2.2 Bộ phận giảm chấn

Trên xe ôtô giảm chấn được sử dụng với các mục đích sau:

+ Giảm và dập tắt các va đập truyền lên khung khi bánh xe lăn trên nền đường không bằng phẳng nhằm bảo vệ được bộ phận đàn hồi và tăng tính tiện nghi cho người sử dụng

+ Đảm bảo dao động của phần không được treo ở mức độ nhỏ nhất, nhằm làm tốt

sự tiếp xúc của bánh xe với mặt đường đảm bảo tính năng lái và tăng tốc cũng như chuyển động an toàn

+ Nâng cao các tính chất chuyển động của xe như khả năng tăng tốc, khả năng an toàn khi chuyển động

Để dập tắt các dao động của xe khi chuyển động giảm chấn sẽ biến đổi cơ năng thành nhiệt năng nhờ ma sát giữa chất lỏng và các van tiết lưu Trên ôtô hiện nay chủ yếu sử dụng là giảm chấn ống thuỷ lực có tác dụng hai chiều ở cấu trúc hai lớp

1.2.3 Bộ phận dẫn hướng

Đảm bảo các bánh xe dịch chuyển thẳng đứng ở mỗi vị trí của nó so với khung vỏ, bánh xe phải đảm nhận khả năng truyền lực đầy đủ Bộ phận dẫn hướng

14

cấu tạo khác nhau Quan hệ của bánh xe với khung xe khi thay đổi vị trí theo phương thẳng đứng được gọi là quan hệ động học Khả năng truyền lực ở mỗi vị trí được gọi là quan hệ động lực học của hệ treo Trong mối quan hệ động học các thông số chính được xem xét là : sự dịch chuyển (chuyển vị) của các bánh xe trong không gian ba chiều khi vị trí bánh xe thay đổi theo phương thẳng đứng (z) Mối quan hệ động lực học được biểu thị qua khả năng truyền các lực và các mô men khi bánh xe ở các vị trí khác nhau

Thanh ổn định:

Khi xe chuyển động trên nền đường không bằng phẳng hoặc quay vòng, dưới tác dụng của lực ly tâm hoặc độ nghiêng của thùng xe, phản lực thẳng đứng của 2 bánh xe trên 1 cầu xe thay đổi dẫn tới tăng độ nghiêng thùng xe và làm xấu khả năng truyền lực dọc, lực bên của bánh xe với mặt đường Thanh ổn định điều khiển việc này bằng lực xoắn của lò xo, và giữ cho lốp bám xuống mặt đường Nó cũng hoạt động nếu các lốp xe ở một bên chạy qua những bề mặt có độ cao khác nhau

1.2.4 Các vấu cao su tăng cứng và hạn chế hành trình

Trên xe con các vấu cao su thường được đặt kết hợp trong vỏ của giảm chấn Vấu cao su vừa tăng cứng vừa hạn chế hành trình của bánh xe nhằm hạn chế hành trình làm việc của bánh xe

1.2.5 Các cơ cấu điều chỉnh hoặc xác định góc bố trí bánh xe

Hệ thống treo đảm nhận mối liên kết giữa bánh xe và thùng vỏ, do vậy trên hệ thống treo có thêm các cơ cấu điều chỉnh hoặc xác định góc bố trí bánh xe Các cơ cấu này rất đa dạng nên ở mỗi loại xe lại có cách bố trí khác nhau, các loại khác nhau

1.3 Tổng quan về dao động của ô tô

Ngành ô tô trên thế giới ra đời và đã phát triển rất lâu đời Công nghệ chế tạo ô

tô hiện nay phát triển rất cao, số lượng ô tô càng nhiều, vận tốc ô tô nhanh hơn, ô tô được hoàn thiện về độ an toàn và êm dịu Những phát triển đột biến trên đã đưa đến

những vấn đề mới cho xã hội như tai nạn giao thông tăng, mức độ phá hủy mặt đường ngày càng nghiêm trọng hơn Do đó những nghiên cứu về ô tô để hoàn thiện các kết cấu của ô tô nhằm nâng cao an toàn chuyển dộng và giảm ảnh hưởng xấu của dao động ô tô với môi trường là nhu cầu cần thiết của đất nước

Nghiên cứu về dao động ô tô nói riêng và về động lực học ô tô nói chung ngày càng được quan tâm đúng mức hơn Ô tô là liên kết của hệ nhiều vật, các khối lượng đó được liên kết với nhau bằng các phần từ có đặc tính phi tuyến phức tạp như là giảm chấn, đàn hồi, sự va chạm của bánh xe

Để nghiên cứu và khảo sát dao động luận văn tập trung vào những mục sau :

- Chỉ tiêu đánh giá dao động

- Mô hình dao động

- Các hàm kích đông bao gồm mô hình vật lý và mô hình toán học

1.3.1 Chỉ tiêu đánh giá dao động

Hiện nay có nhiều chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô Dựa trên tài của nước ngoài kết hợp với các tài liệu vủa Viện khoa học kỹ thuật bảo hộ lao động Việt Nam, ta có thể liệt kê một số chỉ tiêu như sau:

- Chỉ tiêu về tần số

Tần số dao động của ô tô trong giới hạn sau: n = 60 - 90 lần/phút đối với xe con n = 100 - 120 lần/phút đối với xe vận tải Giá trị này được lấy theo tần số trung bình của người đi bộ, tương ứng với 1 - 1,5Hz

- Chỉ tiêu về gia tốc dao động

Xác định dựa trên cơ sở trị số của bình phương trung bình của các gia tốc theo các phương X,Y,Z là: Zc, Xc,Yc Cụ thể, ta có :

s m X

s m Y

16

dao động ô tô truyền cho con người thực chất là tác động ngẫu nhiên với dải tần số rộng và phức tạp cả theo hướng tác dụng

- Chỉ tiêu dựa trên số liệu cảm giác theo gia tốc và vận tốc dao động

Chỉ tiêu này được dựa ra do tập thể các kỹ sư của Đức (VDI) Người ta đánh giá trên cơ sở cho răng cảm giác con người khi chịu dao động phụ thuộc vào hệ số

độ êm dịu chuyển động K Nếu K = const thì cảm giác khi dao động sẽ không thay đổi Hệ số K phụ thuộc vào tần số giao động, gia tốc giao động hoặc vận tốc dao động và phụ thuộc vào hướng dao động đối với trục thân con người (theo phương thẳng đứng và phương ngang) và phụ thuộc vào thời gian tác động của chúng lên cơ thể con người

Hệ số K càng nhỏ thì càng dễ chịu đựng dao động và độ êm dịu của ô tô càng cao Giá trị K = 0,1 tương ứng với ngưỡng kích thích Khi đi lâu trên xe, cho phép

K = 10 25, còn khi đi ngắn hoặc trên xe tự hành K = 25 63

Trên đây là đưa ra các số liệu ứng với tác động lên con người là hàm điều hoà Giá trị K có thể xác định bằng tính toán hoặc xác định bằng thực nghiệm

- Đánh giá cảm giác theo gia tốc dao động và thời gian tác động của chúng

Tổ chức quốc tế về tiêu chuẩn hoá ISO đưa ra năm 1969 cho phép đánh giá theo các mức: thoải mái, mệt mỏi (cho phép dao động mà vẫn giữ được mức độ cho phép của cường độ lao động) Sự khác nhau của tiêu chuẩn ISO So với các tiêu

Hình 1.2: Chỉ tiêu cảm giác theo gia tốc

chuẩn khác là ở chỗ có tính đến thời gian tác động của dao động Để đánh giá cảm giác, người ta sử dụng dao động thẳng đứng điều hoà tác động lên người ngồi và người đứng trong vòng 8 giờ Nếu tần số có tác động ở trong giới hạn nhậy cảm nhất với dao động của con người (4 - 8 Hz), thì bình phương gia tốc trung bình đối với các giới hạn là:

+ Thoải mái: - 0,1 (m.s-2)

+ Mệt mỏi cho phép: - 0,315 (m.s-2)

+ Mệt mỏi ở giới hạn cho phép: - 0,63 (m.s-2)

Với sự thay đổi tần số và thời gian tác động thì các giá trị trên sẽ thay đổi Khoảng tần số nhậy cảm nhất đối với con người là 4 - 8 Hz, ở đây cảm giác tỷ lệ hằng số với giới hạn cho phép của mệt mỏi khi ô tô dao động thẳng đứng Giới hạn tác động của dao động thẳng đứng (các đường cong có cùng thời gian tác động) phụ thuộc vào gia tốc thẳng đứng và tần số cho con người khi ngồi và đứng trên xe theo tiêu chuẩn ISO/DIS 2631

Hình 1.3: Giới hạn tác động của dao động thẳng đứng

Trục 1: Giới hạn nguy hại đến sức khỏe Trục 2: Giới hạn giảm độ êm dịu chuyển động

Trục 3: Giới hạn giảm công suất

18

- Chọn chỉ tiêu đánh giá dao động để nghiên cứu

Qua phân tích các chỉ tiêu đánh giá mức độ ảnh hưởng của dao động cũng như chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô, NCS chọn chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động thông qua chỉ tiêu gia tốc dao động theo phương thẳng đứng với lý

do sau: thông qua mô phỏng Matlab-Simulink có thể xác định được gia tốc theo phương thẳng đứng theo thời gian và giá trị gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng; Tín hiệu dùng để điều khiển là dịch chuyển, vận tốc và dao động của thân xe

1.3.2 Mô hình nghiên cứu dao động

Tùy theo kết cấu của hệ thống treo (độc lập, phụ thuộc hay cân bằng) và kết cấu của khối lượng được treo (vỏ chịu lưc, khung xoắn chịu lực, khung vỏ chịu lực hỗn hợp) ta có thể thiết lập được các mô hình dao động khác nhau Với ba dạng hệ thống treo và ba dạng khung vỏ chịu lực ta có thể thiết lập 9 loại mô hình dao động của ô tô Trên thực tế có thể sử dụng nhiều mô hình dao động ô tô, tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu

Ba loại mô hình cơ bản sau đây thường được sử dụng để nghiên cứu động lực học ô tô:

 Mô hình động lực học ¼ là mô hình cơ bản: Mô hình này thường dùng để nghiên cứu hệ thống treo cổ điển và nghiên cứu hệ thống treo điều khiển

Hình 1.4: Mô hình 1/4 hệ thống treo ô tô

- Mô hình động lực học ½ dọc và ngang: dùng để nghiên cứu dao động có liên kết, nghiên cứu các bài toán ổn định dọc và ngang, các bài toán động lực học phanh

20

+ Các ngoại lực xuất hiện trong quá trình vận hành ô tô như tăng tốc, phanh và quay

vô lăng

+ Ngoại cảnh ( lực cản của gió )

+ Đường mấp mô, đường nghiêng

Đến nay yếu tố đường mấp mô vẫn được coi là nguồn chủ đạo gây dao động

1.4 Mục tiêu nghiên cứu

Trong nội dung nghiên cứu này, mục tiêu đặt ra là xác định thông số đầu vào cho bộ điều khiển LQR một cách đơn giản nhất để tối ưu hệ thống treo bán tích cực

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu là lập mô hình tính toán và mô phỏng dao động của

hệ thống treo trên ô tô khi ô tô chịu tác động của các hàm kích động Phương pháp tính là sử dụng phần mềm matlab simulink để mô phỏng hệ thống Từ

đó qua những kết quả mô phỏng ta xác định được các thông số đầu vào cho bộ điều khiển hệ thống treo

1.6 Phạm vi nghiên cứu

Luận văn nghiên cứu khảo sát và đưa ra phương án điều khiển hệ thống treo bán tích cực trên xe ô tô con Thực tế khi ô tô chuyển động trên đường, ngoài các mấp mô mặt đường ô tô còn chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác như chất lượng mặt đường (hệ số bám dọc, ngang) và biến dạng của lốp… Tuy nhiên với mục tiêu

là xây dựng phương pháp và mô hình nghiên cứu lý thuyết về dao động theo phương thẳng đứng của ô tô nên những yếu tố ảnh hưởng kể trên là chưa được đề cập đến trong các kết quả nghiên cứu của luận văn Ngoài ra, từ việc xác định được các thông số đầu vào dùng trong việc lựa chọn cảm biến gia tốc thân xe và cầu xe còn hạn chế về điều kiện nghiên cứu, trang thiết bị Do đó việc chọn lựa cảm biến chưa được đề cập trong luận văn

1.7 Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu của luận văn gồm các phần chính như sau:

- Chương 1: Tổng quan

- Chương 2: Xây dựng mô hình mô phỏng ¼ trên xe ô tô con

- Chương 3: Nghiên cứu thuật toán điều khiển và khảo sát hệ thống treo trên xe ô tô con

- Ý nghĩa về mặt thực tiễn:

Kết quả đề tài xác định được phương pháp điều khiển cho hệ thống treo từ đó

là cơ sở để tiến hành nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển với nhiều dòng

xe và đời xe khác nhau trong việc phát triển công nghệ ô tô tại Việt Nam, với mục đích đem lại sự an toàn và thoải mái cho nguời vận hành, như hệ thống treo tích cực khí nén, hệ thống treo tích cực điện thủy lực, hệ thống treo tích cực điện từ…

22

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Sự phát triển nhanh chóng của nền công nghiệp ô tô ở Việt Nam, đặt ra nhiệm vụ cho các nhà khoa học là xây dựng một nền tảng cơ sở lý thuyết phục vụ cho việc thiết kế, chế tạo, và đảm bảo chất lượng vận hành ô tô Trong đó việc điều khiển, làm chủ được hệ thống treo trên xe đảm bảo cho xe vận hành êm dịu trước những thay đổi của các yếu tố ngoại cảnh là điều hết sức cần thiết

Một chiếc ô tô được đánh giá là chất lượng dao động phù hợp khi đạt được các tiêu chí êm dịu cho người và hàng hóa trên xe cũng như các tiêu chí về an toàn động lực học Đã

có rất nhiều công trình nghiên cứu khoa học trên thế giới tập trung nghiên cứu về dao động của ô tô với hàm kích động là mấp mô mặt đường Nhờ sự phát triển nhanh chóng của công nghệ phần mềm trong những năm gần đây, công cụ tính toán chủ yếu được các nhà khoa học sử dụng là phần mềm toán học và mô phỏng matlab simulink Trước tình hình trên, đề tài nghiên cứu điều khiển hệ thống treo bán tích cực ra đời, đáp ứng trực tiếp nhu cầu của ngành công nghiệp ô tô Việt Nam

CHƯƠNG II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ¼ TRÊN

XE Ô TÔ CON

2.1 Xây dựng mô hình dao động ¼ và hệ phương trình vi phân mô phỏng

Hình 2.1: Mô hình ¼ hệ thống treo ô tô

Trong đó:

𝑚𝑠 – Khối lượng được treo;

𝑚𝑢𝑠 – Khối lượng không được treo;

𝑘𝑠, 𝑘𝑡 – Độ cứng lò xo của liên kết khối lượng được treo và khối lượng không được treo;

𝑏– Hệ số cản giảm chấn của các liên kết khối lượng được treo;

𝑥𝑠, 𝑘𝑢𝑠 – Chuyển vị theo phương thẳng đứng của khối lượng được treo và không được treo;

𝑥𝑟- mấp mô mặt đường

- Tách vật và đặt lực cho khối lượng được treo ms

- Tách vật và đặt lực cho khối lượng không được treo

Hình 2.3: Các lực tác dụng vào khối lượng không được treo

- Xác định các lực:

𝐹𝑞𝑡 = 𝑚𝑢𝑠𝑥𝑢𝑠̈

𝐹𝐾𝑠 = 𝑘𝑠(𝑥𝑢𝑠− 𝑥𝑠)

2.2 Xây dựng mô hình mô phỏng

Việc xậy dựng mô hình mô phỏng được thực hiện bằng ứng dụng Simulink

của phần mềm Matlab

Dưới đây là hình ảnh về việc thiết lập các khối tính toán phục vụ cho việc

giải hệ phương trình 2.3 ở trên

Sau khi xây dựng được mô hình matlab để giải hệ phương trình vi phân (2.3)

ở trên, việc tiếp theo ta cần xác định và truyền vào các thông số về khối lượng, độ

Hình 2.1: Sơ đồ mô phỏng hệ thống treo ¼ trên matlab simulink

26

cứng, mô men quán tính của khối lượng được treo, cũng như các khối lượng không được treo Phần này sẽ được trình bày kỹ ở chương 3

2.3 Mô phỏng mấp mô mặt đường

2.3.1.Mô phỏng mấp mô mặt đường cơ bản

Các mấp mô biên dạng đường là kích động động học từ mặt đường, có thể

Bảng 2.1: Một số dạng mấp mô mặt đường cơ bản và phương trình mô tả

TT Dạng mấp mô mặt đường Phương trình mô tả

1

Mấp mô dạng bậc

28

Tuy nhiên đối với các dạng mặt đường cụ thể trên, sẽ là không tổng quát khi

đưa các biểu diễn toán học của chúng vào mô phỏng Simulink Do đó, dưới đây đề

tài sẽ trình bày phương pháp xây dựng hàm mặt đường theo tiêu chuẩn ISO8608

2.3.2 Mô phỏng mấp mô mặt đường theo ISO 8608

Để mô tả hàm kích thích từ mặt đường, Luận án sử dụng hai dạng mấp mô:

mấp mô dạng sin và biên dạng đường ngẫu nhiên được xác định theo tiêu chuẩn

ISO 8608

- Mấp mô dạng sin

Mấp mô dạng sin (hình 2.5) thường được sử dụng để mô tả va chạm đột ngột

của bánh xe với vật cản trên đường do có kết cấu đơn giản dễ thực hiện Hơn nữa,

chiều cao của mấp mô tăng dần nên bánh xe có thể lăn qua mấp mô một cách liên

tục, tránh được hiện tượng nảy lên khỏi bề mặt tiếp xúc

Hình 2.5: Mấp mô mặt đường dạng hình sin

Chiều cao của mấp mô được tính như sau:

1

2 ( )

- Biên dạng đường ngẫu nhiên

Tiêu chuẩn ISO 8608

ISO 8608-1995 là Tiêu chuẩn về mấp mô mặt đường được sử dụng phổ biến

nhất hiện nay trong các tính toán động lực học ô tô

Theo tiêu chuẩn 8608, mấp mô mặt đường được mô tả thông qua 3 thông số

cơ bản là tần số không gian, biên dạng đường và hàm mật độ phổ PSD (Power

Spectral Density) Tần số không gian n được tính bằng số chu kỳ trên một mét đường (chu kỳ/m) Biên dạng đường được hiểu là biến thiên chiều cao mấp mô theo trục dọc của đường PSD là hàm mật độ phổ của chiều cao mấp mô của mặt đường tính theo tần số n hoặc tần số góc :

0 0

tô, chỉ số w thường được chọn bằng 2 Mối quan hệ giữa tần số n và tần số góc được thể hiện bằng biểu thức: n = Ω/2π

Tiêu chuẩn ISO 8608-1995 phân biệt các dạng đường (đường phố, cao tốc và địa hình không đường xá) theo mật độ phổ và chia chúng thành 8 loại với ký hiệu quy ước từ A đến H Trong đó A là loại đường chất lượng tốt nhất, các chữ cái tiếp theo mô tả các loại đường có chất lượng kém dần và H là loại đường xấu nhất Mỗi loại đường được đặc trưng bởi mật độ phổ Gd(n0) như trong bảng 2.2

Bảng 2.2: Tiêu chuẩn ISO 8608 phân loại đường

Thông số mô tả mấp mô theo tần số không gian, n

(Degree of roughness expressed in terms of spatial frequency units, n)

(Lower limit)

Trung bình

(Geometric mean)

Max

(Upper limit)

30

Tiêu chuẩn ISO 8608 còn mô tả các loại đường thông qua hàm mật độ phổ như trên hình 2.6

Hình 2.6: Mật độ phổ của các loại đường theo tiêu chuẩn ISO 8608

- Phương pháp xây dựng hàm mấp mô mặt đường theo ISO 8608

Từ tiêu chuẩn ISO 8608 người ta có thể xây dựng hàm ngẫu nhiên mô tả mặt đường [1,R] Hàm mật độ phổ được mô tả bằng công thức sau:

2 0( ) lim x d

max

1

n B



Nếu mô tả mặt đường thông qua hàm điều hoà có dạng:

( ) icos(2 i ) icos(2 i )

h x  A  n x    A    n x  với Ai là biên độ, ni là tần số không gian và  là pha ngẫu nhiên (biến thiên trong khoảng 0, 2), thì giá trị quân phương của h(x) được viết:

2 22

i x

N

k

i i

32

 Đường loại rất tốt (loại A-B theo ISO): k = 3;

 Đường loại tốt (ISO B-C): k = 4;

 Đường loại trung bình (ISO C-D): k = 5;

 Đường loại xấu (ISO C-D): k = 6

Giới hạn dưới của tần số không gian là 1/L = 0,004 m-1 và giới hạn trên là 1/B=20m-1, với B là chiều dài vết tiếp xúc B = 0,05m

Hình 2.7: Mô tả mấp mô mặt đường theo ISO 8608

Kết quả cụ thể:

 Đường loại rất tốt (loại A-B theo ISO): hmax =  15mm;

 Đường loại tốt (ISO B-C): hmax =  25mm;

 Đường loại trung bình (ISO C-D): hmax =  50mm;

 Đường loại xấu (ISO C-D): hmax =  100mm

Lưu ý: coi ô tô chuyển động đều với vận tốc V thì biểu thức tính độ cao mấp

mô (9) theo biến x có thể viết lại theo biến thời gian như sau:

3 0 0

( ) 2 10 cos(2 i )

N

k

i i

KẾT LUẬN CHƯƠNG II

Chương 2 đã phân tích và trình bày cơ sở lý thuyết về mô hình nghiên cứu dao động ¼ và mấp mô mặt đường theo ISO 8608 Mô hình nghiên cứu dao động được xây dựng trên mô hình phân tích động lực học của ô tô khi chuyển động trên đường Kết quả của việc phân tích, tính toán trên mô hình là các thông số về chuyển động (chuyển vị, vận tốc, gia tốc) và các tải trọng động ( phản lực liên kết ) trong từng điều kiện cụ thể Mô phỏng mô hình ¼ của hệ thống treo trên xe ô tô đã được đề cập, việc tối ưu và điều khiển hệ thống treo sẽ được đề cập ở chương sau

34

CHƯƠNG III NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN

VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG TREO TRÊN XE Ô TÔ CON

3.1 Lịch sử phát triển của lý thuyết điều khiển

Lý thuyết điều khiển đã có từ rất lâu đời phải kể đến :

- Phương pháp biến phân cổ điển Euler _Lagrange 1776

- Tiêu chuẩn ổn định Lyapunov 1892

- Trí tuệ nhân tạo 1950

- Hệ thống điều khiển máy bay siêu nhẹ 1955

- Nguyên lý cực tiểu Pontryagin 1956

- Phương pháp quy hoạch động Belman 1957

- Điều khiển tối ưu tuyến tính dạng toàn phương LQR

- Điều khiển kép Feldbaum 1960

- Thuật toán di truyền 1960

- Công nghệ tính toán mềm và điều khiển tích hợp 1985

3.2 Chiến lược điều khiển

Hiện nay nhiều bộ điều khiển cho hệ thống treo bán tích cực đã được phát triển như bộ điều khiển Skyhook, bộ điều khiển thích nghi, bộ điều khiển bền vững,

bộ điều khiển mờ Tuy nhiên luôn có sự xung đột giữa hai chỉ tiêu chất lượng (sự thoải mái và độ bám đường) Nhằm thiết kế được một bộ điều khiển thỏa mãn đồng thời hai chỉ tiêu chất lượng, luận văn này tập trung thiết kế bộ điều khiển tối ưu cho

hệ thống treo bán chủ động Hai chỉ tiêu quan trọng của hệ thống treo là sự thoải mái và độ bám mặt đường Chỉ tiêu về sự thoải mái được thể hiện thông qua thông