Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh nền kinh tế Việt Nam phát triển và thu nhập người dân gia tăng, hệ thống giao thông vận tải đang được chú trọng đầu tư và quy hoạch. Ô tô ngày càng trở thành phương tiện lưu thông phổ biến. Tuy nhiên, điều kiện hạ tầng đường sá tại Việt Nam còn nhiều hạn chế, chất lượng mặt đường chưa đồng đều, gây ảnh hưởng trực tiếp đến độ êm dịu, tính năng an toàn và sự tiện nghi của phương tiện. Bên cạnh đó, ngành công nghiệp sản xuất và lắp ráp ô tô trong nước đang ở giai đoạn ban đầu của việc thiết kế và chế tạo, đòi hỏi phải có các nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ tiên tiến nhằm phục vụ kiểm định chất lượng xuất xưởng và nhập khẩu.

Hệ thống treo đóng vai trò then chốt trong việc liên kết đàn hồi giữa bánh xe và thân vỏ, hấp thụ dao động và truyền tải các thành phần lực cũng như mô-men. Nhằm tìm kiếm giải pháp cải thiện tính năng động lực học và độ êm dịu chuyển động cho ô tô trong điều kiện mặt đường phức tạp, đề tài "Hệ thống treo chủ động trên ô tô" được nhóm tác giả lựa chọn nghiên cứu.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án được xác định theo 5 nhiệm vụ cụ thể:

  1. Nghiên cứu, tìm hiểu sự phát triển của hệ thống treo chủ động trên ô tô hiện nay.
  2. Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của hệ thống treo chủ động.
  3. Mô hình hóa hệ thống treo 1/4 và thiết kế bộ điều khiển qua phần mềm Matlab/Simulink.
  4. Thiết kế bộ điều khiển và mô phỏng hệ thống treo chủ động trên phần mềm Carsim.
  5. Phân tích, so sánh và đánh giá mức độ hiệu quả của hệ thống treo chủ động so với hệ thống treo bị động.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống treo chủ động trên ô tô.
  • Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tập trung vào việc mô hình hóa dao động mô hình 1/4 ô tô hai bậc tự do trên môi trường Matlab/Simulink và mô phỏng động lực học toàn xe trên phần mềm Carsim đối với dòng xe SUV V9 2017. Các kịch bản khảo sát được giới hạn trên các điều kiện mặt đường gồm: đường cong lớn ở dải tốc độ 70 km/h, đường nhựa nhấp nhô và đường đất mấp mô ngẫu nhiên. Thời gian thực hiện đồ án ghi nhận vào năm 2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên động lực học dao động ô tô và kỹ thuật điều khiển tự động:

  • Khái niệm và phân loại hệ thống treo: Hệ thống treo liên kết bánh xe với khung hoặc vỏ xe, bao gồm ba bộ phận chính: bộ phận đàn hồi (nhíp, lò xo xoắn, thanh xoắn, khí nén), bộ phận giảm chấn (thủy lực, ma sát cơ) và bộ phận dẫn hướng. Theo nguyên lý điều khiển, hệ thống treo được chia thành ba dạng: hệ thống treo bị động (passive suspension), hệ thống treo bán chủ động (semi-active suspension) và hệ thống treo chủ động (active suspension).
  • Hệ thống treo chủ động (Active Suspension Control System): Hệ thống sử dụng bộ chấp hành tạo lực độc lập tác động lên từng cơ cấu đàn hồi ở mỗi bánh xe dựa trên tính toán từ vi xử lý và dữ liệu cảm biến, giúp kiểm soát chuyển động thẳng đứng của bánh xe và giảm thiểu các hiện tượng nghiêng ngang, chúi đầu khi phanh hoặc nâng đuôi khi tăng tốc.
  • Hệ thống treo khí nén điện tử (Electronic Air Suspension - EAS): Bao gồm 4 giảm xóc khí nén màng cao su, 4 cảm biến độ cao gầm xe, cảm biến tốc độ và cụm điều khiển điện tử (ECU). Cơ chế vận hành căn cứ vào tính đàn hồi của không khí bị nén và việc nạp/xả khí tự động từ máy nén vào xi lanh để thay đổi độ cứng và khoảng sáng gầm xe.
  • Hệ thống treo thu hồi điện từ (Electronic recuperative suspension / ECASS): Công nghệ ứng dụng mô tơ điện độc lập tại từng bánh xe để phản hồi nhanh và tái sinh năng lượng, từng được phát triển trong các nghiên cứu của Bose, Học viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và ứng dụng trên dòng xe quân sự Humvee.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai bao gồm:

  • Phương pháp tổng hợp tài liệu: Kế thừa các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế về mô hình dao động 1/4, 1/2 và 7 bậc tự do (như nghiên cứu của Massimo Sorli và Giuseppe Quaglia, Katsuya Toyofuku, Chen Ke, William Daniel Robinson, Dongpu Cao, Nguyễn Văn Trà, Đặng Việt Hà).
  • Phương pháp mô hình hóa toán học: Áp dụng định luật II Newton thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động cho mô hình 1/4 ô tô với hai khối lượng tập trung: khối lượng được treo $M_1$ và khối lượng không được treo $M_2$.
  • Phương pháp mô phỏng số và điều khiển: Xây dựng sơ đồ mô phỏng trên Matlab/Simulink; ứng dụng thuật toán điều khiển PID (Proportional - Integral - Derivative) và phương pháp thử - sai (Trial and Error) để xác định các hệ số độ lợi; thiết lập thuật toán điều khiển dựa trên ma trận phản hồi trạng thái tối ưu LQR (Linear–Quadratic Regulator) tích hợp vào phần mềm mô phỏng chuyên ngành Carsim.

Nguồn dữ liệu tính toán cho mô hình 1/4 ô tô được thể hiện chi tiết trong bảng sau:

Ký hiệu Thông số kỹ thuật Giá trị Đơn vị
$M_1$ Khối lượng được treo (thân xe, khung, động cơ, hành khách) 450 kg
$M_2$ Khối lượng không được treo (bánh xe, cầu xe) 90 kg
$K_1$ Độ cứng của lò xo hệ thống treo 52000 N/m
$b_1$ Hệ số cản giảm chấn của hệ thống treo 350 N.s/m
$K_2$ Độ cứng đàn hồi của lốp xe 200000 N/m
$b_2$ Hệ số cản giảm chấn của bánh xe và lốp 12500 N.s/m
$U$ Lực điều khiển chủ động tác động từ bộ chấp hành Biến thiên N

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương này tập trung trình bày tính cấp thiết của việc nâng cao tính êm dịu chuyển động của ô tô trong điều kiện giao thông tại Việt Nam. Tác giả tổng thuật các công trình nghiên cứu ngoài nước như: nghiên cứu hệ thống treo khí nén có bình khí phụ của Massimo Sorli và Giuseppe Quaglia; nghiên cứu ảnh hưởng đường ống nối bình khí phụ của Katsuya Toyofuku; mô hình 7 bậc tự do dùng điều khiển mờ của Chen Ke; mô hình bán tích cực của William Daniel Robinson; mô hình hệ thống treo thủy khí xe tải của Dongpu Cao. Tại Việt Nam, đồ án phân tích các nghiên cứu của Nguyễn Văn Trà (mô hình 1/4 bán tích cực) và Đặng Việt Hà (mô hình 1/2 mặt phẳng dọc cho xe khách). Từ việc nhận diện hạn chế về chi phí chế tạo thực nghiệm, nhóm tác giả định hình phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình hóa 1/4 trên Matlab/Simulink và mô phỏng kiểm chứng trên Carsim.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 phân tích chuyên sâu về hệ thống treo: phân loại theo dẫn hướng (phụ thuộc/độc lập), theo phần tử đàn hồi (nhíp, lò xo xoắn, thanh xoắn, khí nén, cao su), theo giảm chấn và theo khả năng điều chỉnh. Tác giả trình bày cấu tạo chi tiết của hệ thống treo khí nén điện tử (EAS) gồm máy nén khí, đường dẫn, cảm biến độ cao, cảm biến tốc độ, xi lanh khí nén có màng cao su và 2 bộ ECU đặt tại đỉnh xi lanh. Chương này cũng phân tích nguyên lý hệ thống treo tích cực điều khiển bằng điện tử ECASS ứng dụng động cơ điện thu hồi năng lượng do Đại học Trung tâm Texas cấp bằng sáng chế và ứng dụng trên xe quân sự Humvee, làm rõ cơ chế dập tắt dao động và kiểm soát chuyển động góc của vỏ xe.

Chương 3: Xây dựng hệ thống treo 1/4 trên Matlab/Simulink

Chương 3 thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động thẳng đứng của khối lượng được treo $M_1$ và khối lượng không được treo $M_2$ theo định luật II Newton:

  • Đối với $M_1$: $\sum F = U - F_{K1} - F_{b1} = M_1 \cdot \ddot{x}_1$
  • Đối với $M_2$: $\sum F = -U - F_{K2} - F_{b2} + F_{K1} + F_{b1} = M_2 \cdot \ddot{x}_2$

Khi mô phỏng hệ thống treo bị động ($U = 0$) qua mấp mô mặt đường dạng bậc thang cao 10 cm, dao động ban đầu của thân xe đạt xấp xỉ 6 cm và mất khoảng 10 giây để triệt tiêu hoàn toàn dao động. Để đạt tiêu chuẩn êm dịu, nhóm đặt mục tiêu thiết kế bộ điều khiển PID sao cho biên độ dao động thân xe nhỏ hơn 6 mm và thời gian dập tắt dưới 3 giây. Sử dụng phương pháp thử và sai (Trial and Error):

  • Bước 1: Điều chỉnh hệ số tỉ lệ $K_P$. Ban đầu chọn $K_P = 25000$, thời gian dập tắt dao động là 6 giây; tăng lên $K_P = 115000$ thì thời gian dập tắt giảm xuống dưới 3 giây.
  • Bước 2: Điều chỉnh hệ số vi phân $K_D$. Với $K_P = 115000$ và $K_D = 15000$, biên độ dao động vẫn lớn hơn 15 mm; khi tăng lên $K_D = 70000$, biên độ dao động giảm xuống dưới 6 mm.
  • Khâu tích phân được đặt $K_I = 0$. Giới hạn lực điều khiển qua khối bão hòa Saturation là $\pm 20000$ N.
  • Khi kiểm tra với mặt đường mấp mô ngẫu nhiên (khối Uniform Random Number trong khoảng $\pm 10$ cm, thay đổi chu kỳ 0,5 giây), bộ thông số $K_P = 115000$, $K_I = 0$, $K_D = 70000$ khống chế được độ vọt lố dao động thân xe nhỏ hơn 10 mm và dập tắt dao động sau mỗi chu kỳ 0,5 giây.

Chương 4: Mô phỏng trên Carsim

Chương 4 mở rộng mô hình điều khiển lên không gian toàn xe thông qua phần mềm mô phỏng Carsim, tích hợp với xe mẫu SUV V9 2017:

  • Thiết lập thuật toán điều khiển: Xác định lực điều khiển chủ động $U_a$ theo phương pháp phản hồi trạng thái tối ưu LQR qua công thức $K = \text{lqr}(A, B, Q, R)$ với vector trạng thái $z = [z_1, z_2, z_3, z_4]^T$, trong đó $z_1 = X_1 - X_2$ (độ dịch chuyển hệ thống treo), $z_2 = \dot{X}_1$ (vận tốc thân xe), $z_3 = X_2 - W$ (độ biến dạng lốp), $z_4 = \dot{X}2$ (vận tốc bánh xe). Nhằm đơn giản hóa cấu trúc điều khiển trên phần mềm, nhóm tác giả đề xuất giải pháp quy đổi lực chủ động sang điều khiển hệ số cản của giảm chấn bán chủ động $b{\text{semi}}$ theo vận tốc tương đối $(z_2 - z_4)$.
  • Kịch bản mô phỏng 1 (Đường cong lớn): Xe di chuyển với vận tốc cố định 70 km/h, bỏ qua 450 m đường thẳng đầu tiên để vào ngay khúc cua bán kính lớn. Kết quả phân tích lực thẳng đứng lên lốp, hành trình dịch chuyển của giảm chấn và gia tốc thẳng đứng của thân xe cho thấy hệ thống có điều khiển kiểm soát tốt hơn sự dịch chuyển trọng tâm.
  • Kịch bản mô phỏng 2 (Đường nhựa nhấp nhô): Đánh giá biên độ dịch chuyển thẳng đứng của bộ giảm chấn, lực pháp tuyến lốp và gia tốc thẳng đứng trọng tâm khối lượng được treo.
  • Kịch bản mô phỏng 3 (Đường đất nhấp nhô ngẫu nhiên và vượt dốc): Xe vận hành trên địa hình đất mấp mô phức tạp và thực hiện leo dốc ở thời điểm giây thứ 8. Biểu đồ so sánh cho thấy gia tốc thẳng đứng của thân xe được dập tắt nhanh chóng, đảm bảo độ bám đường của bánh xe.

Chương 5: Kết luận

Đồ án tóm tắt lại toàn bộ kết quả tính toán mô hình 1/4 ô tô trên Matlab/Simulink và kiểm chứng trên phần mềm Carsim, khẳng định việc áp dụng giải pháp điều khiển chủ động giúp giảm rõ rệt biên độ dao động, rút ngắn thời gian dập tắt rung động và cải thiện tính ổn định của ô tô.

Kết quả và đóng góp

Kết quả định lượng thu được từ các mô hình mô phỏng được tổng hợp trong bảng đối sánh sau:

Tiêu chí đánh giá dao động Hệ thống treo bị động ($U = 0$) Hệ thống treo chủ động (PID: $K_P = 115000, K_I = 0, K_D = 70000$)
Biên độ dao động thân xe khi qua gờ 10 cm Xấp xỉ 6 cm (60 mm) Nhỏ hơn 6 mm
Thời gian dập tắt dao động qua gờ 10 cm Khoảng 10 giây Nhỏ hơn 3 giây
Khả năng đáp ứng kích thích ngẫu nhiên ($\pm 10$ cm) Không kịp dập tắt dao động, biên độ tích lũy lớn Dập tắt sau mỗi chu kỳ 0,5 s, độ vọt lố nhỏ hơn 10 mm
Gia tốc thẳng đứng thân xe trên Carsim (SUV V9) Biên độ gia tốc lớn, kéo dài Biên độ gia tốc giảm rõ rệt, triệt tiêu nhanh trên đường cong và đường gồ ghề

Giải pháp và đóng góp kỹ thuật:

  • Tác giả đã thiết lập hoàn chỉnh quy trình tính toán và mô phỏng dao động từ mô hình toán vi phân bậc hai đến sơ đồ khối chức năng trên Matlab/Simulink.
  • Tìm ra bộ thông số tối ưu cho bộ điều khiển PID ($K_P = 115000, K_I = 0, K_D = 70000$) kết hợp khối giới hạn lực Saturation $\pm 20000$ N, đáp ứng đầy đủ các chỉ tiêu kỹ thuật về độ êm dịu đặt ra ban đầu.
  • Đề xuất giải pháp xây dựng bộ điều khiển trên Carsim dựa trên nguyên lý tương đương của hệ thống treo bán chủ động, giúp giảm mức độ phức tạp khi mô phỏng động lực học toàn xe mà vẫn đạt được hiệu quả cải thiện gia tốc thẳng đứng thân xe tương đương hệ thống chủ động.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Nghiên cứu chỉ dừng lại ở mức độ mô phỏng số trên các phần mềm chuyên ngành (Matlab/Simulink, Carsim), chưa tiến hành chế tạo phần cứng hoặc thiết lập mạch thử nghiệm thực tế do rào cản chi phí thiết bị đắt đỏ.
  • Quá trình tìm kiếm các thông số cho bộ điều khiển PID trên Simulink hoàn toàn phụ thuộc vào phương pháp thử và sai (Trial and Error), chưa ứng dụng các thuật toán tối ưu hóa tự động.
  • Trong mô hình Carsim, nhóm nghiên cứu đã giản lược bộ điều khiển chủ động sang dạng điều khiển hệ số cản giảm chấn bán chủ động để thuận tiện cho quá trình thiết lập tham số.
  • Các đặc tính đàn hồi và giảm chấn của lốp và lò xo trong mô hình toán 1/4 được tuyến tính hóa dưới dạng hệ số không đổi, chưa phản ánh hết tính chất phi tuyến trong điều kiện vận hành khắc nghiệt.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Mở rộng thuật toán điều khiển sang các bộ điều khiển hiện đại như điều khiển tối ưu LQR đa biến, điều khiển mờ (Fuzzy Logic) hoặc điều khiển thích nghi.
  • Khảo sát mô hình dao động đầy đủ không gian nhiều bậc tự do có tính đến các chuyển động lắc dọc (pitch) và lắc ngang (roll) của thân xe.
  • Ứng dụng phần cứng trong vòng lặp (Hardware-in-the-Loop - HIL) hoặc chế tạo mô hình thực nghiệm quy mô nhỏ để kiểm chứng kết quả mô phỏng.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật hữu ích đối với sinh viên, học viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực và Điều khiển Tự động đang nghiên cứu về dao động ô tô và hệ thống treo thông minh.

Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao bao gồm:

  • Quy trình toán học từng bước để chuyển đổi từ sơ đồ vật lý sang phương trình vi phân và sơ đồ khối mô phỏng tích phân hai lần trên Simulink.
  • Phương pháp luận dò thông số PID từng bước ($K_P$, $K_D$, $K_I$) có kiểm chứng định lượng bằng đồ thị đáp ứng thời gian.
  • Cách thức khai báo tham số động lực học xe SUV V9 2017 và thiết lập các kịch bản mặt đường (đường cong lớn, đường nhấp nhô) trên phần mềm mô phỏng động lực học Carsim.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ thông số khối lượng và độ cứng được sử dụng cho mô hình 1/4 trên Matlab/Simulink là bao nhiêu?
Tác giả sử dụng các thông số cụ thể: khối lượng được treo $M_1 = 450$ kg, khối lượng không được treo $M_2 = 90$ kg, độ cứng lò xo hệ thống treo $K_1 = 52000$ N/m, hệ số cản giảm chấn $b_1 = 350$ N.s/m, độ cứng lốp $K_2 = 200000$ N/m và hệ số cản lốp $b_2 = 12500$ N.s/m.

2. Bộ thông số điều khiển PID tối ưu trên mô hình Simulink đạt được các giá trị nào và hiệu quả ra sao?
Bộ thông số được chọn qua phương pháp thử và sai là $K_P = 115000$, $K_I = 0$ và $K_D = 70000$, đi kèm khối giới hạn lực Saturation $\pm 20000$ N. Bộ điều khiển này giúp giảm biên độ dao động thân xe khi qua gờ 10 cm từ xấp xỉ 6 cm xuống dưới 6 mm và rút ngắn thời gian dập tắt dao động từ 10 giây xuống dưới 3 giây.

3. Vì sao nhóm tác giả lại lựa chọn xây dựng bộ điều khiển trên Carsim dựa trên hệ thống treo bán chủ động?
Trong quá trình khảo sát, nhóm nhận thấy kết quả đáp ứng giữa hệ thống treo chủ động và bán chủ động không có sự chênh lệch quá lớn, đồng thời giữa chúng có mối quan hệ tương đương thông qua việc điều chỉnh lực cản giảm chấn $b_{\text{semi}}$ theo vận tốc dịch chuyển tương đối. Do đó, phương án bán chủ động được chọn để giảm độ phức tạp trong khâu thiết lập mô hình điều khiển trên Carsim.

4. Phần mềm Carsim đã sử dụng dòng xe nào và khảo sát qua những kịch bản địa hình nào?
Nhóm nghiên cứu chọn dòng xe SUV V9 2017 tích hợp sẵn trong thư viện Carsim. Ba kịch bản khảo sát gồm: xe chạy với tốc độ 70 km/h vào đường cong lớn (bắt đầu từ vị trí 450 m), xe chạy qua đường nhựa nhấp nhô và xe chạy qua đường đất nhấp nhô ngẫu nhiên có kết hợp vượt dốc ở giây thứ 8.

5. Hệ thống treo khí nén điện tử (EAS) được cấu thành từ những bộ phận chính nào theo trình bày của tác giả?
Hệ thống EAS gồm 4 bộ phận chính: 4 giảm xóc khí nén màng cao su có thể điều chỉnh 2 hoặc 3 mức độ giảm chấn (mềm, trung bình, cứng); 4 cảm biến độ cao gầm xe gắn trên thân xe; cảm biến tốc độ gửi tín hiệu vận tốc về bộ điều khiển; và 2 bộ điều khiển điện tử (ECU) đặt tại đỉnh 2 xi lanh khí để tự động nạp/xả khí.

Kết luận

Đồ án môn học "Hệ thống treo chủ động trên ô tô" đã giải quyết thành công bài toán mô hình hóa động lực học dao động 1/4 và xây dựng thuật toán điều khiển PID trên Matlab/Simulink, khống chế biên độ dao động thân xe dưới 6 mm và thời gian triệt tiêu rung động dưới 3 giây. Đồng thời, nghiên cứu đã mở rộng kiểm chứng hiệu quả điều khiển trên mô hình xe SUV V9 2017 bằng phần mềm Carsim qua các kịch bản đường cong lớn, đường nhựa và đường đất gồ ghề. Kết quả mô phỏng khẳng định hệ thống treo có bộ điều khiển giúp cải thiện đáng kể độ ổn định chuyển động và gia tăng độ êm dịu cho phương tiện so với hệ thống treo bị động truyền thống.