CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Sơ lược về hệ thống treo của xe ô tô và độ êm dịu của xe ô tô Ngày nay ,với nền công nghiệp phát triển mạnh mẽ trên toàn thế giới, cùng với sự phát triển vượt trội về kỹ thuật khoa học trên mọi ngành nghề như là : trí tuệ nhân tạo, công nghệ máy tính, công nghệ thông tin,…. Và trên những chiếc xe ô tô ngày nay đều chứa đựng tất cả những tiến bộ về mặt khoa học kỹ thuật đó. Một trong những hệ thống trên ô tô đã áp dụng rất tốt các công nghệ mới nhất là hệ thống treo.
Hầu hết các hệ thống treo trên ô tô bao gồm : bộ phận giảm chấn, bộ phận đàn hồi, bộ phận dẫn hướng. Và các bộ phận : đàn hồi, giảm chấn tác động đến độ êm dịu của xe. Đa phần hệ thống treo trên ô tô ít được quan tâm đến và đa số các hãng xe đều có một hệ thống treo phù hợp trên những chiếc xe của họ, thông thường đó là một hệ thống treo bị động, ta sẽ phân tích sau. Đặc biệt đối với những khách hàng quan tâm đến việc di chuyển nhiều, họ mong muốn có cảm thoải mái nhất trên xe và họ sẽ rất quan tâm về độ êm dịu khi di chuyển trên đường của xe.
Đặc biệt những khách hàng trong phân khúc giới thượng lưu, họ thích những chiếc xe mà khi ngồi trên nó thì sẽ mang lại cảm giác nhẹ nhàng dù khi xe có di chuyển qua những bề mặt đường gồ ghề. Để đáp ứng nhu cầu đó của khách hàng, các hãng xe hạng sang như là Mercedes, Lexus, Rolls Royce,. đã chế tạo và luôn luôn cải tiến đổi mới công nghệ nhằm cải thiện độ êm dịu trên xe. Và độ êm dịu được xem là một trong những tiêu chí quan trọng nhất để đánh giá độ “tốt” của xe, thường thì những chiếc xe có độ êm dịu cao là những chiếc xe hạng sang hoặc siêu sang.
Một hệ thống treo có thể điều khiển được để tạo ra mức độ êm dịu tốt cho người ngồi trên xe, đó chắc chắn là hệ thống treo chủ động. Ở hệ thống treo này, nó được điều khiển và được tác động bằng các công nghệ kỹ thuật. Và đề tài ở đây được biên soạn nhằm nghiên cứu các phương pháp điều khiển, đặc biết là phương pháp điều khiển bằng bộ điều khiển PID. Đề tài mô phỏng và điều khiển hệ thống treo chủ động 1/2 xe bằng bộ điều khiển PID thông qua phần mềm Matlab/Simulink.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Tình hình nghiên cứu trong nước Ởnước ta và trên thế giới hiện nay có rất nhiều bài nghiên cứu về hệ thống treo. Đặc biệt là ở các trường đại học và ở các trung tâm nghiên cứu về hệ thống treo ô tô. Tất cả các bài nghiên cứu đã góp phần hoàn thành đề tài này.
Nghiên cứu về mấp mô mặt đường : “Công trình nghiên cứu về mấp mô đường và chế tạo thiết bị đo xóc kiểu phản ứng của MDX-73” của GS. Nguyễn Xuân Đào và được thử nghiệm trên các tuyến đường chính của Việt Nam, từ đó ban hành 1 quy trình của ngành (TCVN-1015/QĐKT4), “ Nghiên cứu phương pháp mô phỏng mấp mô mặt đường trên miền thời gian” của TS Vũ Tuấn Đạt,…Ở đề tài này, nhóm em biết được các tiêu chuẩn về độ mấp mô mặt đường, cách mô phỏng mặt đường. Nghiên cứu về dao động ô tô : Giáo trình “ Dao động và tiếng ồn ô tô ” của TS. Lâm Mai Long,…Ở đề tài này, nhóm em nghiên cứu về tiêu chuẩn gia tốc, các giá trị dùng để đánh giá độ êm dịu của hệ thống treo.
Đọc hiểu các nguyên nhân gây nên dao động thân xe. Nghiên cứu về cấu tạo ô tô : “ Giáo trình tính toán thiết kế ô tô ” của MSC Đặng Quý,…Nhóm em đọc hiểu cấu tạo của các hệ thống treo hiện nay trên các dòng xe khác nhau, từ đó lựa chọn một loại hệ thống treo phù hợp khi kết hợp với bộ điều khiển PID. Các bài báo phân tích kết quả phương pháp điều khiển hệ thống treo : “ Modeling and Simulation of PID Controller-Based Active Suspension System for A Quarter Car Model ” của TS. Nguyễn Văn Trạng và THS.
Dương Nguyễn Hắc Lân,.Ở đề tài này, nhóm em tham khảo hoạt động của bộ điều khiển PID ở hệ thống treo 1/4 xe, tham khảo các phương pháp mô hình hóa hệ thống treo, các phương pháp tìm bộ thông số PID, kết quả của bài báo là độ giảm gia tốc ở hệ thống treo chủ động đạt từ 70 % đến 80%. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Hệ thống treo trên ô tô là một bộ phận được nghiên cứu rộng khắp các nơi trên thế giới. Nhờ vào đó, nhóm em có rất nhiều nguồn tài liệu tham khảo. Một số nguồn tài liệu nhóm em đã tham khảo : “Mechanical vibration and shock- Evaluation of human exposesure to whole-body vibration” (second edition 1997-05-01).
Bài báo nói về sự ảnh hưởng của giao động tới toàn thân của con người, tần số dao động mà con người có thể chịu. “Simulation of disturbance rejection control of half-car active suspension system using active disturbance rejection control with decoupling transformation” của hai tác giả Faried Hasbullah và Waleed F. Chúng em đã tham khảo phương pháp xây dựng các phương trình vi phân từ mô hình hệ thống treo từ đó mô hình hóa hệ thống treo chủ động trên mô hình ½ xe, đây cũng là tài liệu để chúng em thu thập các thông số của hệ thống treo. “Modeling, Simulation, and Control of Half Car Suspension System Using Matlab/Simulink” của Ammar Majid Hameed Al-Ghanim, Dr.
Ameen Ahmed Nassar (Mechanical Engineering Department, Collage of Engineering, University of Basrah, Iraq-Basra). Chúng em đã tham khảo các phương trình vi phân và phương pháp điều khiển hệ thống treo chủ động, bài báo cũng giới thiệu các loại hệ thống treo cơ bản. 2 “Half Car Suspension System integrated with PID controller” của Abdullahi B. KUNYA(Department of Electrical and Electronics Engineering, Mevlana University, Konya) và Atef A.
Nhóm em đã tham khảo quá trình xây dựng một hệ thống treo bằng các hệ phương trình vi phân và thiết kế bộ điều khiển PID đưa vào mô phỏng. Khái quát đề tài Khi ô tô chuyển động trên đường chắc chắn sẽ phải chịu nhiều loại tải trọng của các dao động do bề mặt gồ ghề, mấp mô gây ra. Những dao động này gây ảnh hưởng rất lớn tới tuổi thọ và hiệu suất của xe, làm cho người ngồi trên xe có cảm giác không thoải mái. Người ngồi lâu có thể bị nôn ói, đau đầu,…do ảnh hưởng của gia tốc dịch chuyển thẳng đứng của xe.
Gia tốc này là một trong những tiêu chí quan trọng trong việc đánh giá độ êm dịu của xe. Gia tốc này càng nhỏ thì càng tốt, để điều khiển gia tốc này đạt một giá trị phù hợp, hệ thống treo chủ động trên ô tô là một giải pháp tối ưu. Ở đề tài này đưa ra các khái quát cơ bản về các loại hệ thống treo, mô phỏng hệ thống treo chủ động 1/2 xe (bao gồm một bánh cầu trước và một bánh cầu sau của xe), tiến hành mô phỏng hệ thống treo chủ động trong phần mềm Matlab và xây dựng thuật toán tìm bộ thông số PID phù hợp với các thông số cấu tạo khác nhau của xe, từ đó đưa ra các thông số : chuyển vị, gia tốc,…. Và đề tài còn trình bày một giao diện của GUI trong Matlab, giao diện thông minh và chương trình của nó có thể xử lý tự động và truy xuất các kết quả một cách dễ dàng, điều này cho phép đơn giản hóa các thao tác cần thực hiện, dễ sử dụng và trực quan hơn, người dùng có thể trực tiếp thay đổi các thông số hệ thống treo và xuất các đồ thị (chuyển vị, gia tốc,.) khi chạy chương trình trên giao diện.
Từ đó đánh giá được độ lợi và hiệu quả của hệ thống treo. Mục đích nghiên cứu của đề tài - Tìm hiểu các loại mặt đường thực tế và mô phỏng mấp mô mặt đường. - Tìm hiểu các loại hệ thống treo cơ bản trên ô tô, cấu tạo và nguyên lí hoạt động của chúng. - Khảo sát hệ thống hệ thống treo chủ động và xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống treo chủ động 1/2 xe trên phần mềm Matlab/Simulink bằng các phương trình vi phân của hệ thống treo chủ động.
- Thiết lập bộ điều khiển PID sử dụng cho hệ thống treo chủ động bằng cách dùng bộ điều khiển PID có sẵn trên Matlab. 3 - Xây dựng giao diện người dùng bằng GUI trong Matlab và viết thuật toán chương trình cho phép người dùng thay đổi các giá trị đầu vào của hệ thống treo và thuật toán tìm bộ thông số PID. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu : - Các tiêu chí của một mặt đường thực tế. - Hệ thống treo chủ động trên xe ô tô.
- Phần mềm Matlab/Simulink và bộ điều khiển PID. - Các giải thuật dùng để tìm kiếm bộ thông số PID : phương pháp Ziegler-Nichols và giải thuật di truyền (GA - Genetic Algorithm). - Giao diện người dùng trong GUI của phần mềm Matlab. - Mô phỏng mấp mô một mặt đường trên Matlab.
- Hệ thống treo chủ động trên 1/2 xe ô tô. - Khảo sát các thông số dao động như chuyển vị, vận tốc, gia tốc, của thân xe, cầu xe, lốp xe. Các chỉ tiêu về độ êm dịu chuyển động của ô tô dưới kích thích từ mặt đường. Các lực tác dụng lên hệ thống treo chủ động.
Phương pháp nghiên cứu - Kết hợp giữa nghiên cứu lí thuyết và đánh giá thực nghiệm. - Thu thập và phân tích các tài liệu liên quan đến đề tài : các thông số của hệ thống treo. - Hiểu và thực hiện lập trình trên các hệ thống chương trình ứng dụng: Matlab/Simulink. - Tổng hợp kết quả và kiểm tra sai sót.
- Rút ra đánh giá và kết luận về đề tài. Bố cục đề tài Bao gồm 5 chương : - Chương 1 : Tổng quan - Chương 2 : Xây dựng hệ thống treo chủ động 1/2 xe ô tô - Chương 3 : Tạo giao diện trong GUI của phần mềm Matlab - Chương 4 : Mô phỏng và đánh giá thực nghiệm - Chương 5 : Kết luận 4 1.