Thiết lập thông số bộ điều khiển Hệ thống treo chủ động trên mô hình ½ xe bằng Matlab

Đồ án thiết lập thông số bộ điều khiển hệ thống treo chủ động mô hình 1/2 xe ĐH SPKT TPHCM

• Tác giả: Trương Trung Nguyên
• Người hướng dẫn: Th.S Dương Nguyễn Hắc Lân
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Thiết lập thông số bộ điều khiển Hệ thống treo chủ động trên mô hình ½ xe bằng Matlab
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan hệ thống treo chủ động mô hình 1 2 xe tại ĐH SPKT TPHCM

Hệ thống treo trên ô tô giữ vai trò quyết định đến độ êm dịu chuyển động và an toàn khi vận hành. Trong xu hướng hiện đại hóa phương tiện giao thông, công nghệ treo chủ động nhận được sự quan tâm nghiên cứu sâu rộng. Đề tài nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh tập trung thiết lập thông số bộ điều khiển hệ thống treo chủ động trên mô hình một phần hai xe. Nghiên cứu giải quyết bài toán điều khiển lực dập tắt dao động trong mặt phẳng dọc thân xe. Khác với hệ thống treo bị động dùng lò xo và giảm chấn cố định, hệ thống chủ động bổ sung cơ cấu chấp hành sinh lực phản hồi tức thời. Cơ cấu này nhận tín hiệu từ các cảm biến đo gia tốc và độ dịch chuyển. Bộ điều khiển xử lý dữ liệu và phát lệnh can thiệp để triệt tiêu chấn động từ mặt đường gồ ghề. Mô hình nửa xe cho phép khảo sát đồng thời dao động đứng và góc lắc dọc thân xe. Đây là nền tảng quan trọng giúp hoàn thiện các thuật toán điều khiển tiên tiến trên phần mềm Matlab trước khi ứng dụng thực tế.

1.1. Khái niệm hệ thống treo chủ động trên ô tô

Hệ thống treo chủ động là cơ cấu cơ điện tử có khả năng cung cấp và tiêu tán năng lượng dao động chủ động. Hệ thống này bao gồm cảm biến, bộ điều khiển trung tâm và cơ cấu sinh lực song song với các phần tử đàn hồi truyền thống. Cơ cấu chấp hành tạo ra lực kiểm soát biến thiên liên tục theo biên độ mấp mô mặt đường. Mục tiêu cốt lõi là duy trì thân xe ổn định ở mọi dải tốc độ. Dao động va đập từ mặt đường được giảm tải nhanh chóng. Lực tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường luôn đạt mức tối ưu. Nhờ đó, hành khách có cảm giác thoải mái tối đa và xe duy trì độ bám đường vượt trội.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu đề tài tại ĐH SPKT TPHCM

Đề tài tốt nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh hướng đến việc mô hình hóa toán học chính xác hệ thống treo. Nghiên cứu tập trung vào bài toán dao động của mô hình nửa xe theo phương dọc. Nhóm tác giả áp dụng công cụ Matlab Simulink để xây dựng bộ điều khiển tối ưu hóa thông số. Quá trình mô phỏng đánh giá toàn diện các chỉ tiêu động lực học như gia tốc khối lượng được treo và hành trình làm việc của giảm xóc. Kết quả nghiên cứu mang lại cơ sở khoa học tin cậy cho việc thiết kế hệ thống treo thông minh, nâng cao hiệu quả đào tạo kỹ thuật ô tô hiện đại.

II. Phân tích mô hình hệ thống treo chủ động 1 2 xe tại ĐH SPKT TPHCM

Mô hình nửa xe theo phương dọc đóng vai trò cốt lõi trong phân tích động lực học hệ thống treo. Thân xe chịu tác động đồng thời của chuyển vị thẳng đứng và góc quay lắc dọc quanh trục ngang. Khi xe chuyển động qua mặt đường mấp mô, lực kích động từ hai cầu trước và sau gây ra dao động phức tạp. Hệ thống treo bị động thông thường luôn tồn tại mâu thuẫn giữa độ êm dịu và tính ổn định dẫn hướng. Lò xo mềm giúp triệt tiêu rung chấn tốt nhưng làm tăng hành trình dao động thân xe. Ngược lại, lò xo cứng giữ vững tư thế xe nhưng truyền rung động mạnh lên cabin. Mô hình vật lý nửa xe gồm khối lượng được treo đại diện cho thân xe và hai khối lượng không được treo tại trục bánh trước và sau. Việc thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động đòi hỏi áp dụng chuẩn xác định luật hai Newton. Từng lực đàn hồi của lốp, lực cản giảm chấn và lực điều khiển chủ động đều được lượng hóa thành các biểu thức toán học chặt chẽ.

2.1. Thiết lập phương trình vi phân chuyển động nửa xe

Hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động của bốn bậc tự do chính trên mặt phẳng dọc. Bậc tự do bao gồm chuyển vị thẳng đứng của thân xe, góc lắc dọc và chuyển vị hai khối lượng bánh xe. Định luật hai Newton được áp dụng trực tiếp cho từng khối lượng riêng biệt. Phương trình khối lượng được treo liên kết lực đàn hồi lò xo, lực cản giảm chấn và lực sinh ra từ cơ cấu chấp hành. Phương trình khối lượng không được treo tính đến độ cứng lốp và kích động biên dạng đường. Các phương trình này tạo lập mối quan hệ tương hỗ giữa thông số hình học và phản ứng động lực học của phương tiện.

2.2. Hạn chế của hệ thống treo bị động truyền thống

Hệ thống treo bị động sở hữu cấu trúc cơ khí thuần túy với các thông số độ cứng và hệ số cản cố định. Cơ cấu này không thể tự điều chỉnh theo điều kiện vận hành thực tế. Khi xe di chuyển trên đường gồ ghề, gia tốc thân xe tăng cao gây cảm giác khó chịu cho người ngồi. Ở tốc độ cao, hiện tượng lắc dọc làm giảm diện tích tiếp xúc giữa lốp và mặt đường. Điều này dẫn tới nguy cơ mất lái và suy giảm khoảng cách phanh an toàn. Do đó, việc ứng dụng bộ điều khiển chủ động là giải pháp kỹ thuật bắt buộc để khắc phục triệt để các nhược điểm cố hữu nói trên.

III. Giải pháp thiết lập bộ điều khiển treo chủ động 1 2 xe ĐH SPKT TPHCM

Để thiết lập thông số tối ưu cho bộ điều khiển, đề tài ứng dụng thuật toán di truyền Genetic Algorithm trên nền tảng Matlab. Thuật toán di truyền mô phỏng quá trình tiến hóa tự nhiên nhằm tìm kiếm bộ thông số kiểm soát tối ưu toàn cục. Quá trình bắt đầu bằng việc khởi tạo quần thể chứa các cá thể mang tập thông số điều khiển ngẫu nhiên. Mỗi cá thể trải qua quy trình mã hóa thập phân để chuyển đổi giá trị thực thành chuỗi nhiễm sắc thể phù hợp. Hàm mục tiêu được xây dựng dựa trên tiêu chí cực tiểu hóa gia tốc thẳng đứng thân xe và giảm thiểu biên độ góc lắc dọc. Trong môi trường Simulink, mô hình hệ thống treo liên tục nhận thông số thử nghiệm từ thuật toán để tính toán giá trị thích nghi. Các phép toán lai ghép và đột biến di truyền giúp đào thải các thông số kém và giữ lại các giá trị ưu việt. Sau nhiều thế hệ tiến hóa, thuật toán hội tụ về tập thông số tối ưu, đảm bảo lực điều khiển từ cơ cấu chấp hành luôn đáp ứng nhanh và chính xác.

3.1. Ứng dụng giải thuật di truyền mã hóa thập phân

Giải thuật di truyền sử dụng phương pháp mã hóa thập phân trực tiếp cho các biến thông số điều khiển. Kỹ thuật này chuyển đổi các giá trị thông số thực thành chuỗi vector số nguyên có độ dài xác định. Quá trình mã hóa giúp bảo toàn độ chính xác của số học và hạn chế lỗi làm tròn số nhị phân. Các toán tử di truyền bao gồm chọn lọc tự nhiên, lai ghép đa điểm và đột biến ngẫu nhiên. Toán tử chọn lọc ưu tiên giữ lại các cá thể có độ thích nghi cao. Toán tử lai ghép tạo ra các tổ hợp thông số mới đầy tiềm năng. Nhờ đó, thuật toán nhanh chóng hội tụ và tránh rơi vào cực trị địa phương.

3.2. Mô phỏng và kiểm chứng trên phần mềm Matlab

Môi trường Matlab Simulink cung cấp nền tảng tính toán mạnh mẽ để kiểm chứng bộ điều khiển vừa thiết lập. Mô hình nửa xe được thiết kế dạng sơ đồ khối liên kết chặt chẽ với khối giải thuật tối ưu. Các kịch bản mặt đường đa dạng như xung mấp mô đơn và kích động điều hòa ngẫu nhiên được đưa vào kiểm tra. Tín hiệu đầu ra ghi nhận chi tiết đáp ứng thời gian của gia tốc thân xe, hành trình giảm chấn và độ biến dạng lốp. Kết quả so sánh trực quan giữa hệ thống chủ động và bị động chứng minh hiệu quả giảm chấn rõ rệt. Dữ liệu mô phỏng khẳng định độ tin cậy của thuật toán điều khiển đã đề xuất.

IV. Kết luận và ứng dụng bộ điều khiển treo chủ động tại ĐH SPKT TPHCM

Đề tài nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã thiết lập thành công thông số bộ điều khiển hệ thống treo chủ động trên mô hình nửa xe. Kết quả kiểm chứng qua Matlab Simulink cho thấy sự cải thiện vượt bậc về chỉ số êm dịu và tính năng bám đường. Gia tốc thẳng đứng của thân xe giảm đáng kể so với hệ thống treo bị động truyền thống. Dao động lắc dọc quanh trục trọng tâm được triệt tiêu nhanh chóng khi xe đi qua mặt đường mấp mô. Điều này mang lại sự thoải mái tối ưu cho người ngồi và giữ vững khả năng kiểm soát lái an toàn. Thành công của đề tài khẳng định tính khả thi của phương pháp tối ưu hóa bằng giải thuật di truyền mã hóa thập phân. Đây là nguồn tài liệu học thuật và thực nghiệm giá trị cho sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô. Nghiên cứu mở ra hướng đi thực tiễn trong việc phát triển các dòng xe thông minh, hướng tới sản xuất và lắp ráp phương tiện hiện đại trong tương lai.

4.1. Đánh giá hiệu quả giảm chấn và ổn định thân xe

Bộ điều khiển hệ thống treo chủ động mang lại khả năng dập tắt dao động nhanh gấp nhiều lần so với hệ thống truyền thống. Biên độ dao động đứng của thân xe giảm hơn ba mươi phần trăm trong các bài thử nghiệm kích động. Góc lắc dọc thân xe duy trì ở mức tối thiểu, loại bỏ hiện tượng chúi đầu khi phanh gấp. Lực tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường luôn giữ mức ổn định cao. Điều này bảo đảm tính an toàn chủ động tối đa cho phương tiện khi vận hành ở tốc độ cao hoặc vào cua gấp. Sự cải thiện vượt trội này chứng minh tính đúng đắn của việc tối ưu hóa thông số điều khiển.

4.2. Tiềm năng ứng dụng thực tế trong ngành ô tô

Mô hình điều khiển tối ưu trên Matlab tạo nền tảng vững chắc cho quá trình chuyển giao công nghệ sang các bộ điều khiển nhúng thực tế. Các hãng sản xuất xe có thể tích hợp thuật toán này vào bộ xử lý trung tâm của hệ thống treo khí nén điện tử. Nghiên cứu cũng phục vụ công tác giảng dạy chuyên sâu tại các trường đại học khối kỹ thuật. Các thế hệ kỹ sư ô tô tiếp cận trực quan với phương pháp điều khiển hiện đại và tối ưu hóa hệ thống động lực học phức tạp. Tiềm năng thương mại hóa mở rộng trên các dòng xe thương mại cao cấp và xe điện thế hệ mới.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp ô tô trên thế giới và tại Việt Nam đang có tốc độ phát triển nhanh chóng, song hành cùng quá trình hiện đại hóa cơ sở hạ tầng giao thông đường bộ và các tuyến đường cao tốc. Trong quá trình chuyển động, ô tô chịu tác động liên tục từ các yếu tố ngẫu nhiên như vận tốc, tải trọng, lực cản không khí và đặc biệt là mấp mô biên dạng mặt đường. Những kích thích dao động này làm xe mất ổn định, gây mệt mỏi, khó chịu cho người ngồi trên xe, đồng thời làm giảm tuổi thọ chi tiết và ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn chuyển động. Do đó, độ êm dịu chuyển động trở thành tiêu chí hàng đầu để đánh giá chất lượng kỹ thuật của phương tiện.

Phần lớn các dòng xe phổ thông hiện nay sử dụng hệ thống treo bị động với thông số độ cứng lò xo và hệ số cản của giảm chấn cố định. Do kết cấu không thể thay đổi thông số theo điều kiện vận hành, hệ thống treo bị động khó có thể đáp ứng đồng thời các tiêu chuẩn về độ êm dịu khi xe chuyển động trên nhiều loại mặt đường khác nhau. Nhằm khắc phục nhược điểm này, hệ thống treo chủ động được trang bị thêm các cơ cấu chấp hành có khả năng tạo ra lực tác động ngược chiều với lực kích thích từ mặt đường, triệt tiêu dao động truyền lên thân xe, tiêu biểu như hệ thống kiểm soát khung gầm chủ động ABC (Active Body Control) sử dụng cơ cấu điện - thủy lực kết hợp chức năng quét bề mặt đường của hãng Mercedes-Benz. Tuy nhiên, việc tính toán, thiết kế và tối ưu hóa các thông số điều khiển cho hệ thống treo chủ động là bài toán kỹ thuật phức tạp. Xuất phát từ thực tế đó, đề tài tập trung nghiên cứu, mô hình hóa và thiết lập thông số bộ điều khiển cho hệ thống treo chủ động trên mô hình nửa xe bằng phần mềm Matlab/Simulink.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài gồm 4 nhiệm vụ chính:

1. Hiểu được những cấu tạo và nguyên lý cơ bản về hệ thống treo trên ô tô, đặc biệt là hệ thống treo chủ động; đưa ra những đánh giá về sự cải tiến của hệ thống treo chủ động so với hệ thống treo bị động.
2. Xây dựng được mô hình hệ thống treo chủ động, trình bày những thông số và thành phần của hệ thống treo; xây dựng mô hình hệ thống treo chủ động bằng cách mô phỏng trên phần mềm.
3. Thiết lập thông số cho bộ điều khiển dùng trong hệ thống treo chủ động bằng các phương pháp tối ưu số, từ đó giảm giá trị gia tốc theo phương thẳng đứng của thân xe để đảm bảo mức độ êm dịu cho xe; đưa ra các kết quả cần thiết như gia tốc, vận tốc, chuyển vị, lực chấp hành.
4. Thiết kế giao diện người dùng cho phép thay đổi các giá trị đầu vào và đưa kết quả ứng với sự thay đổi đó.

Đối tượng nghiên cứu:

• Hệ thống treo chủ động trên ô tô.
• Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID).
• Các giải thuật tìm kiếm thông số cho bộ điều khiển, bao gồm phương pháp Ziegler-Nichols và giải thuật di truyền (Genetic Algorithm - GA).
• Phần mềm tính toán và mô phỏng Matlab/Simulink kết hợp giao diện đồ họa người dùng Matlab GUIs.

Phạm vi nghiên cứu:

• Khảo sát hệ thống treo chủ động trên mô hình nửa xe (1/2 car model) trong mặt phẳng dọc.
• Thực hiện các mô phỏng dao động trên miền thời gian.
• Khảo sát các chuyển động tịnh tiến và dịch chuyển của hệ thống treo theo phương thẳng đứng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Để khảo sát dao động trong mặt phẳng dọc ảnh hưởng đến độ êm dịu của xe, tác giả xây dựng mô hình động lực học nửa xe với các giả thiết kỹ thuật:

• Khối lượng ô tô phân bố đối xứng qua mặt phẳng dọc.
• Góc nghiêng thân xe ($\phi$) là nhỏ, do đó $\sin\phi \approx \phi$.
• Các khối lượng được xem là cứng tuyệt đối.
• Bỏ qua các nguồn kích thích dao động khác trên xe, coi mấp mô mặt đường là nguồn kích thích duy nhất.
• Bề mặt đường được coi như cứng tuyệt đối.
• Bánh xe tiếp xúc điểm với mặt đường và lốp xe luôn duy trì tiếp xúc với mặt đường.

Hệ trục tọa độ có gốc đặt tại trọng tâm của các khối lượng, trục $z$ có phương thẳng đứng và chiều hướng lên trên. Áp dụng định luật II Newton, hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động của các khối lượng được xác lập như sau:

Đối với khối lượng không được treo ở cầu trước ($m_1$): $$m_1 \ddot{z}1 = F{lx1} + F_{gc1} - F_{l1} - f_1 = (z_A - z_1)k_1 + (\dot{z}_A - \dot{z}1)c_1 - (z_1 - q_1)k{l1} - f_1$$

Đối với khối lượng không được treo ở cầu sau ($m_2$): $$m_2 \ddot{z}2 = F{lx2} + F_{gc2} - F_{l2} - f_2 = (z_B - z_2)k_2 + (\dot{z}_B - \dot{z}2)c_2 - (z_2 - q_2)k{l2} - f_2$$

Đối với chuyển vị thẳng đứng của khối lượng được treo ($m_t$): $$m_t \ddot{z} = -F_{lx1} - F_{lx2} - F_{gc1} - F_{gc2} + f_1 + f_2 = -(z_A - z_1)k_1 - (z_B - z_2)k_2 - (\dot{z}_A - \dot{z}_1)c_1 - (\dot{z}_B - \dot{z}_2)c_2 + f_1 + f_2$$

Đối với chuyển vị góc của khối lượng được treo quanh trục ngang qua trọng tâm ($I_t$): $$I_t \ddot{\phi} = F_{lx1}a - F_{lx2}b + F_{gc1}a - F_{gc2}b - f_1 a + f_2 b = (z_A - z_1)k_1 a - (z_B - z_2)k_2 b + (\dot{z}_A - \dot{z}_1)c_1 a - (\dot{z}_B - \dot{z}_2)c_2 b - f_1 a + f_2 b$$

Quan hệ chuyển vị tại vị trí cầu trước ($z_A$) và cầu sau ($z_B$) tính theo góc lắc nhỏ: $$z_A = z - a\phi$$ $$z_B = z + b\phi$$

Phương pháp kích thích mấp mô mặt đường được mô hình hóa trên miền thời gian thông qua phương pháp tích phân tín hiệu nhiễu trắng: $$q(t) = \sqrt{k} \int_0^t w(t)dt$$

Độ trễ thời gian giữa bánh trước và bánh sau được mô phỏng qua khối Transport Delay trong Simulink: $$t = \frac{a + b}{v}$$

Mức độ gồ ghề của mặt đường được phân loại theo tiêu chuẩn dựa trên mật độ phổ công suất $G_d(n_0)$ tại tần số không gian chuẩn $n_0 = 0{,}1\text{ m}^{-1}$:

Phân cấp mặt đường	Cận dưới ($10^{-6}\text{ m}^2/\text{m}^{-1}$)	Giá trị trung bình ($10^{-6}\text{ m}^2/\text{m}^{-1}$)	Cận trên ($10^{-6}\text{ m}^2/\text{m}^{-1}$)
A	8	16	31
B	32	64	128
C	128	256	512
D	512	1024	2048
E	2048	4096	8192
F	8192	16284	32768
G	32768	65536	131072
H	131072	262144	524288

Phương pháp nghiên cứu thực hiện qua các bước: phân tích tổng hợp lý thuyết dao động ô tô; thu thập số liệu thông số hệ thống treo; mô hình hóa toán học thành sơ đồ khối trên Simulink; sử dụng phương pháp Ziegler-Nichols kết hợp giải thuật di truyền (GA) để dò tìm bộ tham số tối ưu; và phân tích kết quả thông qua giao diện lập trình.

Thiết kế và triển khai mô phỏng

Hệ thống điều khiển được triển khai gồm hai bộ điều khiển PID hoạt động độc lập cho cơ cấu chấp hành tại cầu trước ($f_1$) và cầu sau ($f_2$). Đầu vào của mỗi bộ PID là sai số $e_1$ và $e_2$, được xác định bằng hiệu số giữa giá trị chuẩn mong muốn và chuyển vị thẳng đứng thực tế tại thân trước ($z_A$) và thân sau ($z_B$).

Giá trị chuẩn đầu vào của bộ điều khiển được thiết lập dựa trên đường trung bình động của biên dạng mặt đường, tính theo công thức: $$w(n) = \frac{y\left(n - \frac{i-1}{2}\right) + \dots + y(n-1) + y(n) + y(n+1) + \dots + y\left(n + \frac{i-1}{2}\right)}{i}$$

Trong đó, $i$ là số phần tử được tính trung bình. Tác giả xây dựng quy trình lặp: khởi tạo $i$ ở giá trị lớn, tạo tín hiệu chuẩn ban đầu, kiểm tra sự chênh lệch giữa giá trị chuẩn và biên dạng mặt đường thực tế; nếu độ chênh lệch vượt quá giới hạn dịch chuyển cho phép của giảm chấn thì giảm dần $i$ cho đến khi tín hiệu nằm trong giới hạn hành trình làm việc. Trên phần mềm Matlab, dữ liệu mấp mô mặt đường từ Simulink được chuyển sang không gian làm việc dưới định dạng cấu trúc theo thời gian (Structure With Time) và tính toán đường trung bình động thông qua bộ lọc số với hàm filter(u, 1, y).

Quy trình tối ưu hóa bộ thông số điều khiển gồm 6 giá trị độ lợi ${K_{p1}, K_{i1}, K_{d1}, K_{p2}, K_{i2}, K_{d2}}$ được tổ chức qua hai giai đoạn phối hợp:

1. Giới hạn không gian tìm kiếm bằng phương pháp Ziegler-Nichols: Sử dụng lệnh linmod trong Matlab trên hai mô hình tệp ZNPID1.slx và ZNPID2.slx để trích xuất hàm truyền tuyến tính từ lực chấp hành đến chuyển vị thân xe tương ứng. Thiết lập $K_i = 0$, $K_d = 0$, tăng dần độ lợi tỉ lệ đến giá trị tới hạn $K_u$ làm hệ thống dao động tự kích với biên độ không đổi ở chu kỳ $T_u$. Bộ thông số Ziegler-Nichols ban đầu ${K_{pZ}, K_{iZ}, K_{dZ}}$ được xác định theo quy tắc thực nghiệm: $K_p = 0{,}6 K_u$, $T_i = 0{,}5 T_u$, $T_d = 0{,}125 T_u$ (với $K_i = K_p / T_i$ và $K_d = K_p T_d$). Từ các giá trị này, không gian tìm kiếm của giải thuật di truyền được giới hạn bởi các hệ số: $$\alpha_p K_{pZ} \le K_p \le \beta_p K_{pZ}$$ $$\alpha_i K_{iZ} \le K_i \le \beta_i K_{iZ}$$ $$\alpha_d K_{dZ} \le K_d \le \beta_d K_{dZ}$$

Hệ số cận dưới	Giá trị	Hệ số cận trên	Giá trị
$\alpha_p$	0	$\beta_p$	50
$\alpha_i$	0	$\beta_i$	150
$\alpha_d$	0	$\beta_d$	100

2. Dò tìm tối ưu bằng giải thuật di truyền (GA): Khởi tạo quần thể ngẫu nhiên kích thước pop_size cá thể, mỗi cá thể chứa $npar = 6$ thông số thực nằm trong miền xác định đã thu hẹp. Sử dụng hàm lượng giá đánh giá sai lệch bình phương: $$J = e_1^2 + e_2^2$$ Hàm thích nghi được xác định tỉ lệ nghịch với $J$ ($fitness \approx 1/J$). Quá trình tiến hóa thực hiện lưu giữ cá thể có độ thích nghi cao nhất (bestfit, bestchrom), chuyển đổi các cá thể số thực sang dạng vector số nguyên thông qua thuật toán mã hóa thập phân (Encode_Decimal), sau đó tiến hành chọn lọc xếp hạng, lai ghép tại các vị trí ngẫu nhiên và đột biến gen với xác suất định trước để tạo quần thể thế hệ mới.

3. Xây dựng giao diện Matlab GUIs: Giao diện đồ họa người dùng được thiết kế để kết nối trực tiếp với mô hình Simulink. Người dùng có thể thay đổi các thông số đầu vào của xe ($m_t, m_1, m_2, k_1, k_2, c_1, c_2, a, b$), chọn cấp mặt đường từ A đến H, nhập vận tốc di chuyển $v$, kích hoạt giải thuật tìm kiếm bộ thông số PID và trích xuất trực tiếp các đồ thị đáp ứng động lực học của hệ thống.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài dựa trên nhu cầu nâng cao độ êm dịu và tính an toàn của ô tô trong điều kiện phát triển hạ tầng giao thông tại Việt Nam. Tác giả khảo sát tình hình nghiên cứu hệ thống treo trong nước thông qua giáo trình của tác giả Đặng Quý và công trình nghiên cứu mô hình một phần tư xe (1/4 car) của nhóm tác giả Nguyễn Văn Trạng - Dương Nguyễn Hắc Lân. Đối với tài liệu quốc tế, đồ án kế thừa phương pháp mô hình hóa nửa xe từ công trình của Faried Hasbullah & Waleed F., cùng phương pháp mô phỏng mặt đường dựa trên mật độ phổ công suất (PSD) của Jiangbo Wang & Baomin Qiang. Chương này cũng công bố mục tiêu nghiên cứu gồm 4 nội dung cụ thể, xác định đối tượng là hệ thống treo chủ động điều khiển PID tối ưu bằng Ziegler-Nichols và GA, phạm vi khảo sát nửa xe trên miền thời gian, cùng bảng kế hoạch thực hiện đồ án từ ngày 19/03/2022 đến ngày 06/08/2022.

Chương 2: Thiết lập thông số bộ điều khiển hệ thống treo chủ động

Nội dung chương 2 tập trung giải quyết toàn bộ bài toán mô hình hóa toán học và thuật toán điều khiển:

• Phân tích cấu tạo và chức năng của các bộ phận chính trong hệ thống treo (đàn hồi, giảm chấn, dẫn hướng), phân loại hệ thống treo theo phương pháp điều khiển (bị động, bán chủ động, chủ động) và các tiêu chí kỹ thuật về độ võng tĩnh, độ võng động.
• Trình bày mô hình khung gầm chủ động ABC của Mercedes-Benz tích hợp chức năng quét mặt đường bằng camera.
• Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động 4 bậc tự do của mô hình nửa xe trong mặt phẳng dọc và chuyển đổi thành sơ đồ khối trên Simulink.
• Mô phỏng biên dạng mấp mô mặt đường ngẫu nhiên từ cấp A đến H theo chuẩn PSD, kết hợp khối trễ Transport Delay xác định độ trễ thời gian bánh sau $t = (a+b)/v$.
• Trình bày nguyên lý bộ điều khiển PID và giải thuật tạo đường trung bình động $w(n)$ bằng lệnh filter(u, 1, y) làm tín hiệu đặt triệt tiêu dao động thân xe.
• Trình bày giải thuật tối ưu hóa tham số PID kết hợp: dùng phương pháp Ziegler-Nichols để định vị điểm làm việc và giới hạn không gian tìm kiếm, sau đó áp dụng giải thuật GA với hàm lượng giá $J = e_1^2 + e_2^2$ và thuật toán mã hóa thập phân (Encode_Decimal).
• Thiết kế giao diện đồ họa người dùng Matlab GUIs cho phép kết nối dữ liệu giữa Matlab, Simulink và giao diện hiển thị.

Chương 3: Kết quả và đánh giá kết quả giao diện thiết lập thông số PID điều khiển hệ thống treo chủ động trên sơ đồ ½ bằng Matlab

Chương 3 công bố các tiêu chuẩn đánh giá độ êm dịu của xe dựa trên giá trị hiệu dụng và biên độ cực đại của gia tốc thẳng đứng thân xe. Đồ án đưa ra bảng thông số kết cấu hệ thống treo sử dụng trong mô phỏng, bảng các giá trị tối ưu của bộ thông số PID thu được từ giải thuật di truyền ${K_{p1}, K_{i1}, K_{d1}, K_{p2}, K_{i2}, K_{d2}}$, cùng bảng tổng hợp mức độ giảm gia tốc thẳng đứng trên các loại mặt đường và vận tốc khác nhau. Chương này cung cấp hệ thống các đồ thị so sánh giữa hệ thống treo bị động và hệ thống treo chủ động gồm: chuyển vị thẳng đứng thân xe trước ($z_A$), thân sau ($z_B$) và trọng tâm ($z$); gia tốc thẳng đứng thân xe trước, thân sau và trọng tâm; chuyển vị tương đối của hệ thống treo trước và sau; lực sinh ra từ cơ cấu chấp hành chủ động cầu trước ($f_1$) và cầu sau ($f_2$); độ biến dạng dịch chuyển của lốp xe trước và sau.

Chương 4: Kết luận và đề nghị

Chương 4 tổng kết mức độ hoàn thành so với mục tiêu đề ra: đã xây dựng thành công mô hình toán học nửa xe, xây dựng thuật toán tích hợp Ziegler-Nichols và GA tìm ra bộ thông số tối ưu cho bộ điều khiển PID, hoàn thiện giao diện đồ họa GUI tương tác trực quan. Đồng thời, tác giả đề xuất các định hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm hoàn thiện và mở rộng mô hình.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật và đóng góp cụ thể:

• Thiết lập thành công mô hình toán học động lực học nửa xe gồm 4 phương trình vi phân mô tả chuyển vị thẳng đứng và chuyển vị góc lắc thân xe kết hợp chuyển vị hai bánh xe.
• Ứng dụng thành công phương pháp tích phân nhiễu trắng trên Simulink để mô phỏng biên dạng mặt đường ngẫu nhiên theo tiêu chuẩn PSD từ cấp A đến cấp H, có xét đến độ trễ bánh sau phụ thuộc vào chiều dài cơ sở ($a+b$) và vận tốc xe ($v$).
• Đề xuất phương pháp tạo giá trị chuẩn cho bộ điều khiển PID bằng đường trung bình động thông qua bộ lọc số trong Matlab, giúp lọc bỏ các đỉnh nhọn của mấp mô mặt đường mà vẫn đảm bảo hành trình giảm chấn không vượt quá giới hạn hành trình vật lý.
• Xây dựng quy trình tối ưu hóa hai bước: dùng phương pháp Ziegler-Nichols xác định vùng lân cận để thu hẹp không gian tìm kiếm, sau đó áp dụng giải thuật GA với hàm lượng giá $J = e_1^2 + e_2^2$ để tìm ra bộ 6 thông số PID tối ưu, giúp rút ngắn thời gian tính toán so với việc quét không gian vô hạn.
• Đóng góp so với các nghiên cứu trước (do tác giả tự nêu): đề xuất phương pháp tính toán và thiết lập thông số trực quan, tự động hóa quy trình tính toán thông qua giao diện Matlab GUI, cho phép người dùng tùy biến linh hoạt các thông số kết cấu và điều kiện vận hành để trích xuất nhanh các chỉ tiêu độ êm dịu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài (dựa trên phạm vi nghiên cứu và giả thiết trong văn bản):

• Mô hình nghiên cứu dừng lại ở mô hình nửa xe (1/2 car) trong mặt phẳng dọc, chỉ khảo sát dao động thẳng đứng và góc lắc dọc quanh trục ngang, chưa khảo sát được dao động lắc ngang (roll), dao động xoay quanh trục đứng (yaw) cũng như sự tương tác độc lập của cả 4 bánh xe như trên mô hình xe toàn phần (full-car).
• Bỏ qua các nguồn kích thích dao động khác từ chính phương tiện như lực kích động từ động cơ, hệ thống truyền lực, quá trình phanh hoặc lực khí động học; giả thiết lốp xe tiếp xúc điểm và góc nghiêng thân xe luôn ở mức nhỏ.
• Toàn bộ kết quả đều được thực hiện thông qua mô phỏng số trên môi trường phần mềm Matlab/Simulink, chưa được kiểm chứng thực nghiệm trên mô hình thử nghiệm vật lý (Hardware-in-the-loop) hoặc trên xe thực tế.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Mở rộng mô hình động lực học lên mô hình xe toàn phần (full-car) khảo sát trong không gian ba chiều.
• Thử nghiệm kết hợp các thuật toán điều khiển nâng cao khác (như điều khiển thích nghi, điều khiển mờ hoặc điều khiển bền vững).
• Nghiên cứu chế tạo mô hình phần cứng thực nghiệm để kiểm chứng độ chính xác của các kết quả mô phỏng.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo chuyên môn đối với sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Cơ điện tử và Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa.

Các nội dung có giá trị tham khảo cao gồm:

• Quy trình toán học thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động cho mô hình nửa xe bằng định luật II Newton.
• Thuật toán mô phỏng mặt đường ngẫu nhiên theo mật độ phổ công suất PSD và giải thuật lọc trung bình động trên Matlab.
• Phương pháp phối hợp giữa phương pháp thực nghiệm Ziegler-Nichols và giải thuật di truyền GA để giải bài toán tối ưu hóa đa thông số cho hệ thống điều khiển vòng kín.
• Kỹ thuật xây dựng giao diện người dùng Matlab GUIs liên kết trao đổi dữ liệu hai chiều với sơ đồ khối Simulink.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình nửa xe trong đồ án khảo sát những chuyển động nào và dựa trên các giả thiết động lực học chính nào? Mô hình khảo sát chuyển động trong mặt phẳng dọc gồm dao động tịnh tiến thẳng đứng của thân xe ($z$), chuyển vị góc lắc dọc quanh trục ngang đi qua trọng tâm thân xe ($\phi$), và chuyển vị thẳng đứng của khối lượng không treo tại cầu trước ($z_1$) và cầu sau ($z_2$). Mô hình dựa trên các giả thiết: khối lượng xe đối xứng qua mặt phẳng dọc; góc nghiêng thân xe nhỏ ($\sin\phi \approx \phi$); các khối lượng và mặt đường cứng tuyệt đối; mấp mô mặt đường là nguồn kích thích duy nhất; lốp xe tiếp xúc điểm và luôn bám đường.

2. Tín hiệu đặt (giá trị chuẩn) cho bộ điều khiển PID được xác định bằng phương pháp nào? Tín hiệu chuẩn tại hai cầu trước và sau không phải là đường nằm ngang cố định mà là đường trung bình động $w(n)$ được tính từ biên dạng mấp mô mặt đường bằng hàm lọc filter(u, 1, y) trong Matlab. Giá trị này giúp loại bỏ các đỉnh nhọn đột ngột của mấp mô mặt đường, giảm sự thay đổi hướng vận tốc đột ngột của thân xe mà vẫn đảm bảo độ dịch chuyển tương đối của hệ thống treo nằm trong phạm vi giới hạn kỹ thuật cho phép.

3. Phương pháp Ziegler-Nichols đóng vai trò gì trong việc tìm thông số cho giải thuật di truyền (GA)? Do bộ điều khiển PID có nhiều tham số, việc tìm kiếm trực tiếp trên toàn bộ không gian số thực bằng giải thuật GA đòi hỏi thời gian tính toán rất lớn. Tác giả sử dụng phương pháp Ziegler-Nichols (thông qua lệnh linmod trích xuất mô hình dao động tại điểm tới hạn $K_u, T_u$) để tìm ra bộ thông số cơ sở ${K_{pZ}, K_{iZ}, K_{dZ}}$. Sau đó, thiết lập các khoảng giới hạn $[\alpha_p K_{pZ}, \beta_p K_{pZ}]$, $[\alpha_i K_{iZ}, \beta_i K_{iZ}]$, $[\alpha_d K_{dZ}, \beta_d K_{dZ}]$ với các hệ số cụ thể để khoanh vùng không gian tìm kiếm, giúp GA hội tụ nhanh và chính xác hơn.

4. Hàm lượng giá và hàm thích nghi trong giải thuật di truyền được thiết lập như thế nào? Hàm lượng giá đánh giá độ thích nghi của từng cá thể được định nghĩa bằng tổng bình phương hai sai số giữa giá trị chuẩn và chuyển vị thực tế tại hai cầu: $J = e_1^2 + e_2^2$. Mục tiêu của giải thuật là điều khiển các sai số này tiến dần về 0. Hàm thích nghi ($fitness$) được xác định tỉ lệ nghịch với $J$ ($fitness \approx 1/J$). Cá thể có giá trị $J$ càng nhỏ thì $fitness$ càng lớn, biểu thị độ thích nghi càng cao và được chọn lọc để duy trì sang thế hệ sau.

5. Giải thuật di truyền trong đồ án sử dụng hình thức mã hóa nào để biểu diễn các cá thể? Giải thuật sử dụng phương pháp biểu diễn số thực và mã hóa thập phân (Encode_Decimal). Thay vì dùng chuỗi nhị phân, mỗi cá thể gồm 6 thông số ${K_{p1}, K_{i1}, K_{d1}, K_{p2}, K_{i2}, K_{d2}}$ được biến đổi thành dạng thập phân $0{,}X$, nhân cơ số 10 để tách phần nguyên và phần thập phân, sau đó ghép thành một vector số nguyên có độ dài chrom_len tương ứng với tổng các chữ số có nghĩa. Cách làm này giúp việc giới hạn không gian tìm kiếm dễ dàng và chính xác hơn.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của nhóm tác giả Trương Trung Nguyên và Nguyễn Hoài Nam đã thực hiện thành công việc mô hình hóa hệ thống treo chủ động trên mô hình nửa xe bằng phần mềm Matlab/Simulink. Công trình đã kết hợp hiệu quả phương pháp Ziegler-Nichols và giải thuật di truyền (GA) để tự động hóa quá trình xác định bộ 6 thông số điều khiển PID tối ưu, dựa trên tín hiệu đặt là đường trung bình động của biên dạng mặt đường ngẫu nhiên theo chuẩn PSD. Đồng thời, việc phát triển giao diện tương tác Matlab GUIs đã cung cấp công cụ trực quan để tùy biến thông số và phân tích đáp ứng dao động, khẳng định khả năng cải thiện độ êm dịu chuyển động của hệ thống treo chủ động so với hệ thống treo bị động truyền thống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Việt Nam đang đi trên con đường công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước, do đó các ngành công nghiệp bắt đầu trên đà phát triển. Bên cạnh đó, hệ thống và các phương tiện giao thông ở nước ta cũng ngày càng được đổi mới và hiện đại hơn, các tuyến đường trở nên thông suốt, nhiều đường cao tốc được xây dựng với quy mô lớn và hiện đại hơn. Trên đà phát triển của hạ tầng đó, không thể thiếu sự xuất hiện ngày càng rộng khắp của ngành ô tô. Các hãng ô tô trong và ngoài nước cũng ngày càng quan tâm hơn đến thị trường Việt Nam, các cơ sở sản xuất và cung cấp dịch vụ ô tô ngày càng phát triển rộng khắp trên tất cả các tỉnh thành nước ta.

Ngày nay ô tô hầu hết phủ sóng dày đặt ở các vùng đô thị, ngoài ra ô tô ngày càng phổ biển ở các vùng sâu và các tỉnh thành với mức sống ngày càng được nâng cao cũng như sự quan tâm phát triển của nhà nước đối với nghành công nghiệp ô tô. Trên cơ sở phát triển nhanh chóng của ngành ô tô, việc nghiên cứu về ô tô là rất cần thiết, đây là cơ sở quan trọng cho các nhà sản xuất và nhà nhập khẩu kiểm tra chất lượng xe, đồng thời trang bị kiến thức cho những người mua và sử dụng xe có hiệu quả cao. Khi xe chuyển động trên đường, có rất nhiều yếu tố tác động có thể kể ra như vận tốc chuyển động, tải trọng của xe, lực cản không khí, điều kiện mặt đường,…những yếu tố này luôn thay đổi và có tác động quan trọng đến quá trình chuyển động của xe. Chúng làm quá trình chuyển động của xe mất ổn định, gây mệt mỏi khó chịu cho người sử dụng, làm giảm tuổi thọ của xe và đặc biệt là gây mất an toàn cho người ngồi trên xe.

Với yêu cầu ngày càng cao của công nghệ 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 khi chuyển động của xe để tạo cho người sử dụng 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, sự tiện nghi, sự an toàn và thoải mái cho người dùng. Một trong những nghiên cứu nhằm đáp ứng những yêu cầu trên đó là nghiên cứu về hệ thống treo. Đây là một hệ thống tạo ra sự êm dịu cần thiết cho người sử dụng, độ êm dịu này trên các hãng xe và dòng xe khác nhau tùy thuộc vào những công nghệ được áp dụng, ngoài ra còn 1 phụ thuộc vào từng phân khúc của mỗi hãng xe. Độ êm dịu là một trong những tiêu chí quan trọng nhất để đánh giá độ “tốt” của xe, do đó các hãng xe trên thế giới liên tục đổi mới công nghệ, tạo ra những cải tiến hiệu quả nhằm cải thiện chất lượng của xe.

Một trong những công nghệ tiên tiến ngày này là phát triển hệ thống treo chủ động, đây là một hệ thống có sự phức tạp trong việc thiết kế và điều khiển, tuy nhiên nó mang lại hiệu quả rất lớn trong việc cải thiện độ êm dịu của ô tô tạo nên cảm giác thoải mái nhất cho người ngồi trên xe. Với những lý do trên, việc nghiên cứu và mô phỏng hệ thống treo chủ động trên ô tô là vô cùng cần thiết. Xuất phát từ nhu cầu này, đề tài này được biên soạn nhằm nghiên cứu, mô phỏng và điều khiển hệ thống treo chủ động trên mô hình ½ xe bằng phần mềm Matlab/Simulink. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.