Đang tải... (xem toàn văn)
Bài báo trình bày việc ứng dụng thuật toán điều khiển LQR để điều khiển hệ thống treo tích cực với mô hình dao động phẳng dọc cho mô hình toàn xe. Phần cuối của bài báo tác giả sử dụng phần mềm MATLAB-SIMULINK để mô phỏng, so sánh đánh giá hệ thống treo tích cực điều khiển LQR với hệ thống treo bị động. Kết quả nghiên cứu cho thấy một số thông số: Biên độ dao động; Thời gian dập tắt dao động; Gia tốc dịch chuyển thân xe của hệ thống treo tích cực tốt hơn so với treo bị động.
KHOA HỌC CƠNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 MƠ HÌNH HĨA VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TREO TÍCH CỰC CHO MƠ HÌNH TỒN XE SIMULATION AND CONTROL OF ACTIVE SUSPENSION FOR A FULL CAR MODEL Vũ Hải Quân*, Lê Hữu Chúc TĨM TẮT Hệ thống treo tích cực tơ có khả tự động điều chỉnh độ cứng, chế hoạt động linh hoạt để đáp ứng với độ nghiêng khung xe tốc độ xe vào cua, độ nhấp nhô mặt đường, giữ thăng phanh, mục đích đem lại cho xe có hệ thống treo thích hợp hiệu Bài báo trình bày việc ứng dụng thuật tốn điều khiển LQR để điều khiển hệ thống treo tích cực với mơ hình dao động phẳng dọc cho mơ hình tồn xe Phần cuối báo tác giả sử dụng phần mềm MATLAB-SIMULINK để mô phỏng, so sánh đánh giá hệ thống treo tích cực điều khiển LQR với hệ thống treo bị động Kết nghiên cứu cho thấy số thông số: Biên độ dao động; Thời gian dập tắt dao động; Gia tốc dịch chuyển thân xe hệ thống treo tích cực tốt so với treo bị động Từ khóa: Treo chủ động, cấu tạo lực, êm dịu, mơ hình tốn học ABSTRACT The active suspension system on the car is capable of adjusting the hardness automatically, the mechanism working to meet the tilt chassis and controlling vehicle speed when automobiles are turning on the uneven road, keeping sharp with the brakes The purpose is to give the car asuspension appropriately and most effectively.The paper presents the application of LQR control algorithm to control the positive suspension with the vertical plane oscillation model for the whole car model At the end of the paper, the author uses MATLAB-SIMULINK software to simulate and compare the evaluation of the active LQR suspension with passive suspension Research results show some parameters: fluctuation range; Time of quenching oscillation; The body movement acceleration of the active suspension is better than the passive suspension Keywords: Active suspension, force-generation, quietness, mathematical model bền cụm tổng thành, dao động gây ảnh hưởng xấu đến xe đặc biệt cảm giác người lái Chính hệ thống treo đời để giải vấn đề độ êm dịu an toàn chuyển động ô tô Nếu với hệ thống treo bị động đáp ứng với cung đường định Hệ số cản giảm chấn hệ thống treo bị động có mâu thuẫn với độ an toàn chuyển động độ êm dịu Để thỏa mãn tiêu độ êm dịu chuyển động độ an toàn tất loại đường khác đặc tính cần phải thay đổi trình chuyển động để phù hợp với đặc tính đường Một xu hướng phát triển mà hãng xe tiếng hướng tới thiết kế hệ thống treo tích cực [3] Qua phân tích ấn phẩm cơng bố thấy rằng, có nghiên cứu nước thực nhằm đưa phương pháp điều khiển tối ưu cho hệ thống treo tích cực như: Bộ điều khiển PID; Thuật toán điều khiển logic mờ; Phương pháp điều khiển thích nghi; Điều khiển Hα điều khiển theo chế độ trượt….[4] Với mục đích so sánh hai hệ thống treo khác việc sử dụng thuật tốn điều khiển tồn phương tuyến tính lặp (LQR) phù hợp nhất, LQR phương pháp điều khiển phổ biến thường sử dụng nhiều việc điều khiển hệ thống treo tích cực XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CỦA HỆ THỐNG TREO Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Email: quanvh@haui.edu.vn Ngày nhận bài: 25/8/2019 Ngày nhận sửa sau phản biện: 06/10/2019 Ngày chấp nhận đăng: 24/4/2020 * ĐẶT VẤN ĐỀ Hệ thống treo xe phận quan trọng thiết kế học xe Nó đóng vai trò chủ chốt việc đảm bảo chuyển động toàn kết cấu xe, định đến cảm giác lái thoải mái người ngồi xe Ơ tơ hệ dao động nằm mối liên hệ chặt chẽ với đường có biên dạng phức tạp Dao động ô tô ảnh hưởng đến người, hàng hóa chuyên chở, độ 84 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (4/2020) Hình Mơ hình 1/4 xe Nguyên lý hoạt động hệ thống treo tích cực: Các cảm biến độ cao xe liên tục theo dõi khoảng cách thân xe đòn treo để phát độ cao gầm xe, cảm biến tốc độ ghi nhận gửi tín hiệu tốc độ xe đến ECU hệ thống Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 treo ECU hệ thống treo: có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ tất cảm biến để điều khiển lực độ cứng lò xo, độ cao xe theo điều kiện hoạt động xe thông qua chấp hành điều khiển hệ thống để thay đổi lực giảm chấn độ cứng hệ thống treo Bộ chấp hành điều khiển điện tử phản ứng xác với thay đổi liên tục điều kiện hoạt động xe 2.1 Thiết lập mơ hình tốn cho tồn xe hệ thống treo tích cực Bước đầu ta tiến hành xây dựng mơ hình hệ thống treo tích cực gồm lò xo, giảm chấn, sinh lực tương tác Ua, lốp xe khối lượng giá treo (hình 2) Thiết lập mơ hình với thơng số tính tốn mơ theo bảng [2, 3] Bảng Thơng số tính tốn cho mơ hình toàn xe hệ thống treo ms = 1500 kg Tf Tr =1,51 m Ip Ir = 2160 kgmm2 kf = 35000 N/m, kr = 38000 N/m muf mur = 59 kg ktf ktr =190000 N/m bf br = 1400 N/m a b = 1,5m Chuyển động bánh xe (phương thẳng đứng): ̈ = ̇ − ̇ ) + ( − − ̈ − ̇ − ̇ = − ̈ ̈ + − ) + ( − ) − + ̇ − ̇ + ( − ) + − ̇ − ̇ = − = ( − = + − + + + ̇ + ̇; =− + + ; ̇ =− ̇ + ̇ + ̇ ; = − + ; ̇ = ̇ − ̇ + ̇ ; =− − + ; ̇ =− ̇ − ̇ + ̇ Trong đó: ms: khối lượng thân xe (khối lượng treo) (kg); Ip Ir : Mômen quán tính dọc trục xoắn (kg/m2); Zs: Chuyển vị thân xe (m); Zs1, Zs2, Zs3, Zs4 : Chuyển vị thân xe góc (m); Zu1, Zu2, Zu3, Zu4 Chuyển vị bánh xe (m); Tf Tr : Chiều rộng trước sau xe; kf kr : Độ cứng lò xo phía trước sau (N/m); ktf ktr : Độ cứng lốp xe trước sau (N/m) Phương trình trạng thái khơng gian thể phương trình Ẋ₍t) = Ax(t)+ f(t) đó, phương trình viết sau: ̇ = ̇ ≈ ; ̇ = ̇ ≈ ; ̇ = ̇ ≈ ; ̇ = ̇ ≈ ̇ = ̇ ≈ ̇ = ̇ ≈ ; ; ; ̇ = ̇ ≈ đó: ̇ = ̈ ≈ − ̇ − ̇ ̇ − ̇ + ( )+ ( ) − − ( )+ ( ) − − − + − − )− ( )− ( + Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn − − )− + (1) + )− − ̇ − + (− + + − (− − + − + − / − ) + )− − (− − + + ( − + )− ( − − + − − − − − )− (6) + + + + + + )− (5) − )− − − + + − + ( − + = ̈ ≈ − )− / − + + − − + + − + + ) (3) − − + ( − − + + − (− + ̇ = ̈ ≈ − + − + + − − ( ( )− ) − − − ( ( )+ ) + − − + − + − (2) Dao động thẳng đứng phần khối lượng treo: ̈ =− ̇ − ̇ ̇ − ̇ − ̇ − ̇ ̇ − ̇ − − + + ̇ + − (− + + = + + − Chuyển động lắc dọc phần khối lượng treo: ̈ = − ̇ − ̇ ̇ − ̇ − ̇ − ̇ ̇ − ̇ + + − ( − − ( − + + + + )− + ; ̇ + − Hình Mơ hình toàn xe Chuyển động lắc ngang phần khối lượng treo: ̇ − ̇ ̇ − ̇ ̈ =− + − − − + (4) ( − + )− − Vol 56 - No (Apr 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 85 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ + − )− + = ̈ ̇ = ̈ + + + + + − − + − − + (8) ≈ − + + + − − − + − + / = ̈ (9) ( ≈ − ̇ = ̈ ≈ − + )− + − − + − + / − ̇ )− / ̇ ̇ + + (7) + ̇ − / + ̇ ( − − ≈ − (− − + ̇ + P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 (− − / (10) − + )− + − − + − + (11) 2.2 Xây dựng mơ hình điều khiển LQR Xem xét biến trạng thái điều chỉnh thông tin cho hệ thống: ( )=− ( ) (12) K trạng thái ma trận khuếch đại có hồi tiếp Quy trình tối ưu hóa bao gồm xác định đầu vào điều khiển U, giúp giảm thiểu số hiệu suất Chỉ số hiệu suất J thể yêu cầu đặc tính hiệu suất giới hạn đầu vào điều khiển Bộ điều khiển tối ưu hệ thống xác định thiết kế điều khiển giúp giảm thiểu số hiệu suất theo [4,5,6]: (13) ( ) = + Hệ số khuếch đại K biểu thị bằng: = (14) Ma trận P phải thỏa mãn ma trận rút gọn phương trình Riccati: + − + =0 (15) Sau đó, điều chỉnh thơng tin U: ( ) = −( ) ( ) = − ) (16) Để thiết kế hệ thống điều khiển dựa phương pháp điều khiển tối ưu (LQR), tham số khâu điều khiển chọn xuất phát với mục đích tìm cực tiểu cho hàm chất lượng Các tham số giá trị , , gán giá trị = − ; = ; = − ; = ; Từ đó, ta thiết lập mơ hình phương trình trạng thái: Ẋ₍t) = Ax(t) + ( ) + f(t) Trong đó: ̇ = ̇ − ̇ ≈ – ; ̇ = Ẍs ; Ẋ = Ẋw − ṙ ≈ X4 − ṙ; Ẋ4 = Ẍw 86 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (4/2020) 1 −1 Ẋ₁ ⎡ ₐ ₁ ₐ⎤ ⎡ ⎤ ₐ ⎡ ⎤ ₂ ⎥ ₂ ⎢ ₂ ⎢ ⎥ Ẋ₂ ₂ ⎢ ⎥= + ̇ +⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ₃ 0 −1 Ẋ₃ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ₐ ₐ⎥ ₐ ⎣Ẋ₄⎦ ₁ ₁ ⎦ ₄ ⎣ ⎦ ⎣ ₁ ₁ Từ mơ hình liên tục khâu phản hồi trạng thái: U = -Kx Trong đó, K ma trận phản hồi, thiết kế cho hàm chất lượng mục tiêu cực tiểu Ứng dụng Matlab để tìm ma trận phản hồi K theo tiêu chuẩn tích phân tối ưu tuyến tính: K = lqr(A,B,Q,R); Sử dụng lệnh Matlab ta xác định kết ma trận phản hồi K Từ thông số hệ thống treo lựa chọn thông số: 1000 0 0 1000 0 = 0 1000 0 0 0 1000 Và giá trị R = 0,0001 Ta xác định giá trị ma trận phản hồi = [−2750 − 9720 206400 8240] ỨNG DỤNG MATLAB/SIMULINK ĐỂ MÔ PHỎNG CÁC THƠNG SỐ CỦA HỆ THỐNG TREO 3.1 Thiết lập mơ tín hiệu mặt đường Để khảo sát động lực học hệ thống treo cần phải xác định xe hoạt động điều kiện mặt đường Để phù hợp với điều kiện giao thông thực tế trước tiên tiến hành xây dựng mơ hình mơ tín hiệu mặt đường [4, 5] Hình Biên dạng đường loại Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 3.2 Thiết kế mơ hình điều khiển tối ưu cho hệ thống treo tích cực tơ SIMULINK phần chương trình mở rộng MATLAB nhằm mục đích mơ hình hóa, mơ khảo sát hệ thống động học Giao diện đồ họa hình SIMULINK cho phép thể hệ thống dạng sơ đồ tín hiệu với khối chức quen thuộc Từ kho liệu mơ hình SIMULINK tạo thành sơ đồ điểu khiển, theo mơ hình tối ưu tốn điều khiển giá treo chủ động ô tô, xây dựng mơ hình điều khiển tối ưu theo sơ đồ (hình 4) [1] Hình Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống treo chủ động Hình Khối đầu vào hệ thống treo tích cực 3.3 Kết mô Kết mô kết thể hình - 10 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Hình Mối tương quan lực tạo cấu điều khiển cho bánh xe cầu trước cầu sau vào thời gian Lực tạo cấu khoảng 5000N 2500N, giá trị lực tỉ lệ thuận với biên độ biên dạng đường Sau nhanh chóng trở trạng thái cân sau khoảng 1s thời điểm biên dạng dao động đường thay đổi t = 0,5 - 0,75s, t = 6,5 - 6,75s với bánh trước bánh sau khoảng thời gian t = 3,0 - 3,25s, t = 9,0 - 9,25s Khoảng dịch chuyển thân xe treo tích cực lớn so với treo bị động khoảng 0,02m thời gian trở trạng thái cân nhanh gấp so với treo bị động Cho thấy khả dập tắt dao động treo tích cực hiệu Gia tốc dịch chuyển thân xe tỷ lệ thuận với độ dịch chuyển thân xe biên dạng đường thay đổi, lớn gần gấp đôi lúc đầu nhanh trở trạng thái cân so với treo bị động Vol 56 - No (Apr 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 87 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Dịch chuyển bánh xe khơng có thay đổi nhiều hệ thống treo tích cực ưu so với bị động, dịch chuyển bánh xe cao hai loại hệ thống treo 0,1m, khoảng dịch chuyển lớn dịch chuyển thân xe Hình Độ lệch bánh xe cầu trước cầu sau Hình Sự thay đổi gia tốc dịch chuyển thân xe độ dịch chuyển thân xe phụ thuộc vào thời gian Hình Sự dịch chuyển bánh xe cầu trước cầu sau 88 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (4/2020) Hình 10 Sự thay đổi hành trình treo cho bánh xe cầu trước cầu sau Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 KẾT LUẬN Bài báo tiến hành xây dựng mô hình tốn học cho mơ hình tồn xe, phân tích xây dựng lý thuyết điều khiển LQR cho hệ thống treo tích cực Dựa phương trình tốn học thu kết hợp với phần mềm mô MATLAB/SIMULINK so sánh, đánh giá số thông số đặc trưng cho hệ thống treo như: Sự dịch chuyển khối lượng treo; Gia tốc khối lượng treo; Sự dịch chuyển bánh xe; Độ lệch bánh xe hành trình treo biên dạng đường thay đổi Từ kết mô cho thấy, việc ứng dụng hệ thống treo tích cực tơ đem lại lợi ích tốt nhiều so với hệ thống treo bị động, với hệ thống treo tích cực cần điều khiển lực tác động chủ yếu phạm vi 5000N, làm cho hệ thống treo tích cực có kết dao động hệ thống treo ổn định so với hệ thống treo bị động Với điều kiện biên dạng đường thông số đầu vào mơ thời gian dập tắt dao động hệ thống treo chủ động nhanh gấp - lần so với hệ thống treo bị động, qua cho thấy tính êm dịu an tồn hệ thống treo tích cực hiệu sơ với treo bị động TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Phùng Quang, 2005 Matlab & Simulink NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [2] Đào Mạnh Hùng, 2007 Dao động tơ Bài giảng chương trình Cao học, Hà Nội [3] Phạm Thị Nguyệt, 2013 Xây dựng mô hình khảo sát làm việc hệ thống treo bán chủ động Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa, Hà Nội [4] Abramov, Mannan Semi-Active Suspension System Simulation Using SIMULINK [5] Semiha Turkay, Huseyin Akcay, 2007 Aspects of achievable performance for quarter-car active suspensions IFAC Proceedings Volumes Volume 40, Issue 10, 2007, 207-212 [6] Nurkan Yagiz, Yuksel Hacioglu, 2008 Backstepping control of a vehicle with active suspensions Control Engineering Practice Volume 16, Issue 12, 14571467 AUTHORS INFORMATION Vu Hai Quan, Le Huu Chuc Hanoi University of Industry Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol 56 - No (Apr 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 89 ... dụng hệ thống treo tích cực tơ đem lại lợi ích tốt nhiều so với hệ thống treo bị động, với hệ thống treo tích cực cần điều khiển lực tác động chủ yếu phạm vi 5000N, làm cho hệ thống treo tích cực. .. hệ thống treo chủ động Hình Khối đầu vào hệ thống treo tích cực 3.3 Kết mơ Kết mơ kết thể hình - 10 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Hình Mối tương quan lực tạo cấu điều khiển cho bánh xe. .. giảm chấn độ cứng hệ thống treo Bộ chấp hành điều khiển điện tử phản ứng xác với thay đổi liên tục điều kiện hoạt động xe 2.1 Thiết lập mơ hình tốn cho tồn xe hệ thống treo tích cực Bước đầu ta