Luận án nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo bán tích cực trên ô tô con

Nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo bán tích cực trên ô tô con, nâng cao hiệu suất và trải nghiệm lái xe.

• Tác giả: Nguyễn Trung Kiên
• Người hướng dẫn: PGS.TS Đàm Hoàng Phúc
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Ô tô và xe chuyên dụng
• Đề tài: Nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo bán tích cực trên ô tô con
• Loại tài liệu: Luận án
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
• 1.1. Động lực học hệ thống treo
• 1.2. Thiết kế hệ thống treo thụ động
• 1.3. Hệ thống treo điều khiển điện tử
• 1.4. Cảm biến trong hệ thống treo điều khiển điện tử
• 1.5. Kỹ thuật điều khiển
• 1.6. Chỉ tiêu đánh giá hệ thống treo
• 1.7. Mục tiêu luận án
• 1.8. Đóng góp mới của luận án
• 1.9. Nội dung của luận án
• 1.10. Bố cục luận án
• 1.11. Kết luận
• 2. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH
• 2.1. Mô hình hệ thống treo toàn xe
• 2.2. Mô hình hệ thống treo ½
• 2.3. Mô hình hệ thống treo ¼
• 2.4. Mô hình hệ thống treo ¼ bán tích cực
• 2.5. Giảm chấn từ tính
• 2.6. Chất lỏng từ tính
• 2.7. Chất lỏng MR
• 2.8. Kết cấu giảm chấn MR
• 2.9. Mô hình giảm chấn MR
• 2.10. Mô hình bán tĩnh
• 2.11. Mô hình tham số giảm chấn MR
• 2.12. Mô phỏng đặc tính giảm chấn
• 2.13. Đánh giá đặc tính điều khiển đến hoạt động của giảm chấn MR
• 2.14. Mô hình hệ thống treo có giảm chấn MR
• 2.15. Mô hình tổng thể
• 2.16. Mô phỏng hoạt động
• 2.17. Kết luận
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
• 3.1. Bộ điều khiển LQR
• 3.2. Bộ quan sát Kalman (bộ lọc Kalman)
• 3.3. Bộ điều khiển LQG
• 3.4. Mô phỏng và lựa chọn bộ điều khiển
• 3.5. Kịch bản mô phỏng
• 3.6. Kết quả và đánh giá
• 3.7. Đánh giá hiệu quả bộ điều khiển LQG2
• 3.8. Đánh giá theo xung tác động dạng sin
• 3.9. Đánh giá dƣới tác động của mặt đƣờng ngẫu nhiên
• 3.10. Kết luận
• 4. CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ GIẢM CHẤN MR
• 4.1. Yêu cầu của bệ thử
• 4.2. Trình tự thực hiện
• 4.3. Cấu tạo vào nguyên lý hoạt động của bệ thử
• 4.4. Sơ đồ nguyên lý bệ thử
• 4.5. Nguyên lý hoạt động của bệ thử
• 4.6. Kết cấu thiết bị thí nghiệm đặc tính giảm chấn
• 4.7. Các thông số của thiết bị
• 4.8. Các bộ phận trên thiết bị
• 4.9. Thực nghiệm xác định đặc tính giảm chấn
• 4.10. Kịch bản thử nghiệm
• 4.11. Kết quả thử nghiệm
• 4.12. Xác định thông số mô phỏng trên mô hình Dahl
• 4.13. Kết luận
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• PHỤ LỤC
• PHỤ LỤC 1. Bảng so sánh lực giảm chấn giữa mô phỏng và thực nghiệm ở cùng vị trí dịch chuyển, dƣới tác dụng điện áp
• Bảng so sánh lực giảm chấn giữa mô phỏng và thực nghiệm ở cùng vị trí vận tốc, dƣới tác dụng điện áp
• Chƣơng trình tính toán dữ liệu nạp vào Adruino
• PHỤ LỤC 4: Chƣơng trình giao diện hiển thị

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường trong ô tô

Nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo ô tô con là một lĩnh vực đang thu hút sự quan tâm lớn từ các nhà nghiên cứu và kỹ sư. Hệ thống treo đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sự ổn định và thoải mái cho hành khách. Việc áp dụng công nghệ giảm chấn từ trường (MR) giúp cải thiện hiệu suất của hệ thống treo, đồng thời giảm thiểu lực tác động từ mặt đường lên thân xe. Nghiên cứu này không chỉ tập trung vào lý thuyết mà còn vào ứng dụng thực tiễn, nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả của hệ thống treo ô tô.

1.1. Tầm quan trọng của hệ thống treo ô tô

Hệ thống treo ô tô có vai trò quyết định trong việc đảm bảo sự ổn định và an toàn khi di chuyển. Nó giúp giảm thiểu rung động và lực tác động từ mặt đường, mang lại cảm giác thoải mái cho hành khách. Hệ thống treo hiện đại ngày càng được trang bị các công nghệ tiên tiến, trong đó có công nghệ giảm chấn từ trường.

1.2. Giới thiệu về công nghệ giảm chấn từ trường

Công nghệ giảm chấn từ trường (MR) sử dụng chất lỏng từ tính để điều chỉnh độ cản của giảm chấn. Khi có điện áp tác động, độ nhớt của chất lỏng thay đổi, từ đó điều chỉnh lực giảm chấn. Công nghệ này mang lại nhiều lợi ích như khả năng điều chỉnh linh hoạt và hiệu suất cao trong việc dập tắt dao động.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu hệ thống treo ô tô

Mặc dù công nghệ giảm chấn từ trường đã được áp dụng, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần giải quyết. Một trong những vấn đề lớn nhất là sự phức tạp trong thiết kế và điều khiển hệ thống. Việc tối ưu hóa các thông số của hệ thống treo để đạt được hiệu suất tốt nhất là một nhiệm vụ không hề đơn giản. Ngoài ra, chi phí đầu tư cho các cảm biến và thiết bị điều khiển cũng là một yếu tố cần xem xét.

2.1. Những thách thức trong thiết kế hệ thống treo

Thiết kế hệ thống treo ô tô cần phải cân nhắc giữa độ cứng của lò xo và hệ số cản của giảm chấn. Sự đánh đổi giữa hai yếu tố này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và sự thoải mái của hành khách. Việc tìm ra giải pháp tối ưu cho vấn đề này là một thách thức lớn trong nghiên cứu.

2.2. Chi phí và hiệu quả của hệ thống điều khiển

Chi phí đầu tư cho hệ thống điều khiển giảm chấn từ trường có thể cao, đặc biệt là khi cần nhiều cảm biến để theo dõi các thông số trạng thái. Điều này có thể làm tăng giá thành sản phẩm và hạn chế khả năng áp dụng công nghệ này trên các dòng xe phổ thông.

III. Phương pháp nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường hiệu quả

Để giải quyết các vấn đề nêu trên, nhiều phương pháp nghiên cứu đã được áp dụng. Một trong những phương pháp hiệu quả là sử dụng thuật toán điều khiển LQR (Linear Quadratic Regulator) để tối ưu hóa các thông số của hệ thống treo. Phương pháp này cho phép điều chỉnh lực giảm chấn theo thời gian thực, từ đó nâng cao khả năng dập tắt dao động và cải thiện hiệu suất của hệ thống.

3.1. Ứng dụng thuật toán LQR trong điều khiển

Thuật toán LQR giúp tối ưu hóa các thông số điều khiển bằng cách giảm thiểu sai số giữa trạng thái thực tế và trạng thái mong muốn. Việc áp dụng thuật toán này trong hệ thống treo giúp cải thiện khả năng dập tắt dao động và nâng cao sự ổn định của xe.

3.2. Mô phỏng và đánh giá hiệu quả

Mô phỏng là một công cụ quan trọng trong nghiên cứu hệ thống treo. Các mô hình mô phỏng cho phép đánh giá hiệu quả của các phương pháp điều khiển khác nhau trước khi áp dụng thực tế. Kết quả mô phỏng giúp xác định các thông số tối ưu cho hệ thống.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống treo điều khiển giảm chấn từ trường

Hệ thống treo điều khiển giảm chấn từ trường đã được áp dụng trên nhiều loại xe, từ xe cao cấp đến xe phổ thông. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp cải thiện sự thoải mái cho hành khách mà còn nâng cao khả năng điều khiển và an toàn khi lái xe. Nghiên cứu cho thấy rằng hệ thống treo MR có thể giảm đáng kể độ dịch chuyển của thân xe và thời gian dập tắt dao động.

4.1. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tế

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng hệ thống treo điều khiển MR có khả năng dập tắt dao động hiệu quả hơn so với hệ thống treo thụ động. Các thử nghiệm thực tế cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong khả năng điều khiển và sự thoải mái của hành khách.

4.2. Tương lai của công nghệ giảm chấn từ trường

Công nghệ giảm chấn từ trường hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển trong tương lai. Các nghiên cứu mới đang được thực hiện để cải thiện hiệu suất và giảm chi phí của hệ thống. Điều này sẽ mở ra cơ hội áp dụng công nghệ này trên nhiều loại xe hơn, từ đó nâng cao trải nghiệm lái xe cho người tiêu dùng.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo ô tô con đã mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp ô tô. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của hệ thống treo mà còn nâng cao sự an toàn và thoải mái cho hành khách. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa các thuật toán điều khiển và giảm chi phí đầu tư cho hệ thống.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc phát triển các thuật toán điều khiển mới, nhằm nâng cao hiệu suất và giảm thiểu chi phí. Điều này sẽ giúp công nghệ giảm chấn từ trường trở nên phổ biến hơn trong ngành công nghiệp ô tô.

5.2. Hướng đi mới cho công nghệ ô tô

Công nghệ ô tô đang phát triển nhanh chóng, và việc áp dụng các công nghệ mới như giảm chấn từ trường sẽ là một trong những xu hướng chính trong tương lai. Các nhà sản xuất cần chú trọng đến việc nghiên cứu và phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Một trong những nghiên cứu sớm nhất về hệ thống treo có điều khiển điện tử là bài báo của Crosby và Karnopp, “The Active Damper”[1], đƣợc viết vào năm 1973, tuy nhiên, vào cuối năm 1995, Karnopp lƣu ý rằng “Có lẽ không có gì ngạc nhiên khi nhìn lại sự tiến bộ của các hệ thống điều khiển hệ thống treo tích cực hoặc bán tích cực trong thực tế là tƣơng đối chậm. Việc thiết kế các hệ thống nhƣ vậy đòi hỏi một khái niệm rõ ràng, không chỉ liên quan đến cơ học của hệ thống mà còn liên quan đến điều khiển tự động và động lực học của hệ thống. Các cảm biến và cơ cấu chấp hành phải có sẵn, các hạn chế của chúng cần đƣợc xem xét, cuối cùng là các thiết bị xử lý tín hiệu và điều khiển phải hiệu quả về chi phí và có sẵn. Chỉ gần đây, sự tiến bộ trong tất cả các khía cạnh này mới đạt đến mức có thể thực hiện đƣợc các thiết kế thực tế” [2].

Kể từ giữa những năm 1990, công nghệ chế tạo cảm biến, cơ cấu chấp hành trong hệ thống treo có điều khiển đã thay đổi đáng kể khiến chúng trở nên rẻ, độ nhạy cao và hoạt động đáng tin cậy hơn. Mặc dù hệ thống treo điều khiển điện tử chủ yếu đƣợc trang bị trên các loại xe cao cấp, nhƣng việc áp dụng chúng trên các dòng xe phổ thông đang ngày càng đƣợc mở rộng. Trong quá trình nghiên cứu, đã có sự bùng nổ về số lƣợng các loại phƣơng tiện có hệ thống treo bán tích cực sử dụng bộ giảm chấn lƣu biến từ tính (MR). Trọng tâm chính của luận án này là nghiên cứu thiết kế điều khiển giảm chấn MR của hệ thống treo bán tích cực theo thời gian thực.

Mục đích là để tìm ra các thuật toán điều khiển nhằm nâng cao khả năng dập tắt dao động của hệ thống treo và giảm số lƣợng cảm biến, từ đó giảm giá thành của hệ thống điều khiển. Để giải quyết vấn đề này cần giải quyết đƣợc mâu thuẫn: hệ thống điều khiển theo dõi càng nhiều thông số trạng thái thì chất lƣợng điều khiển càng tốt, nhƣng việc đòi hỏi nhiều cảm biến sẽ làm cho hệ thống trở lên phức tạp và giá thành sẽ tăng cao. Trong nghiên cứu của A. Agharkakl và cộng sự đã cho thấy rằng điều khiển hệ thống treo bằng thuật toán LQR tối ƣu đồng thời cả 5 trạng thái: dịch chuyển thân xe và bánh xe, vận tốc dao động thân xe và bánh xe, biên dạng mặt đƣờng cho thấy hiệu quả rất tốt về việc giảm độ dịch chuyển của thân xe và thời gian dập tắt dao động trên các loại đƣờng khác nhau [3].

Tuy nhiên hệ thống này sẽ đòi hỏi phải sử dụng 05 cảm biến tƣơng ứng cho từng hệ thống treo. Điều đó đồng nghĩa với độ phức tạp và giá thành của hệ thống sẽ tăng cao, đặc biệt là cảm biến biên dạng mặt đƣờng hiện nay vẫn còn có giá thành rất cao. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc 1.1 Động lực học hệ thống treo Mô hình ¼ hệ thống treo thƣờng sử dụng trong nghiên cứu đƣợc thể hiện trong hình 1.(b), lốp xe đƣợc biểu diễn bằng một lò xo và khối lƣợng nhỏ hơn, đại diện cho bánh xe và các thành phần trục chuyển động cùng bánh xe, là khối lƣợng không đƣợc treo, ở đây đƣợc ký hiệu là mw. Khối lƣợng đƣợc treo: mb, là khối lƣợng của phần xe không chuyển động cùng bánh xe, bao gồm: khung, hành lý và hành khách.

Trong hầu hết các mô hình, vận tốc tịnh tiến đƣợc coi không đổi để thuận tiện về mặt toán học khi biểu diễn chiều cao đƣờng đơn giản dƣới dạng một hàm của thời gian: zr (t). Mô hình hệ thống treo ¼ a) Mô hình một khối lượng; b) Mô hình 2 khối lượng Các lực tác dụng lên ¼ khung xe là lực trọng trƣờng, lực lò xo và lực giảm chấn. Giả sử rằng độ cứng lò xo (k) và hệ số cản giảm chấn (c) là không đổi (lực lò xo và lực giảm chấn là tuyến tính), lúc này phƣơng trình chuyển động của hệ thống treo 2 bậc tự do (2 DOF) sẽ nhƣ sau: ⎧ d mz = −c ( z−z) −k( z−z) ⎨ dt b w b w ⎪ b b d (1. Để đơn giản xác định đƣợc dịch chuyển của thân xe, ngƣời ta thay đổi mô hình hệ thống treo từ 2 khối lƣợng thành 1 khối lƣợng (hình 1.

Từ đó có thể lập các phƣơng trình chuyển động của hệ thống treo 1 bậc tự do nhƣ sau: (1.2) mb zb = −c (zb − zr ) − k (zb − zr ) Từ đây, việc xác định các thông số chuyển động của thân xe dễ dàng hơn. Để chuyển từ mô hình hệ thống treo 2 khối lƣợng (Theo hình 1.1b) về mô hình 1 khối lƣợng thì coi bánh xe có lốp là một phần từ đàn hồi có độ cứng kt ,còn phần tử giảm chấn thì không đổi. Lúc này, mô hình 2 khối lƣợng trở thành mô hình 1 khối lƣợng có độ cứng của phần tử đàn hồi tƣơng đƣơng đƣợc tính nhƣ sau: kt k ( ke = 1 k+k. 3 ) t Công thức trên có thể đƣợc sử dụng để tính toán độ cứng lò xo hệ thống treo khi biết trƣớc độ cứng lò xo tƣơng đƣơng và độ cứng của lốp [4].

Lốp thƣờng đƣợc mô tả đơn giản nhƣ một lò xo, nhƣ trong hình 1. Để mô hình có độ chính xác cao hơn, ngƣời ta thƣờng sử dụng mô hình lốp dạng “magic formula” có “khả năng áp dụng rộng rãi cho nhiều loại đƣờng” [6]. Các mô hình này đƣợc sử dụng để mô hình hóa chính xác hơn về động lực học của lốp. Mô hình này thƣờng sử dụng các đƣờng cong phù hợp nhất với dữ liệu thực nghiệm, hoặc thậm chí các mô hình đƣợc phát triển bởi mạng nơ-ron [7].

Động lực học lốp xe cực kỳ quan trọng đối với sự ổn định của xe và nghiên cứu về động lực học của lốp xe đã góp nhiều công sức trong việc nâng cao chất lƣợng chuyển động của ô tô từ giữa đến cuối thế kỷ 20 [8]. Lực sinh ra trong vết tiếp xúc bánh xe và mặt đƣờng phụ thuộc vào các góc đặt bánh xe [7]. Do vậy vị trí hình học giữa bánh xe và hệ thống treo phải luôn phù hợp để chống lại những bất ổn không mong muốn. Một trong những ƣu điểm nổi trội của hệ thống treo bán tích cực là sự cân bằng hình học của hệ thống treo mà không cần phải thay đổi kết cấu, xáo trộn các vị trí của các cụm chi tiết trong hệ thống về mặt không gian bố trí, vì thay đổi duy nhất là thay thế bộ phận giảm chấn ống lồng thụ động bằng giảm chấn có điều khiển.

Thiết kế hệ thống treo thụ động Việc lựa chọn các thông số hệ thống treo là một nghệ thuật, quá trình thiết kế và chọn lựa thƣờng bắt đầu với việc xác định các tần số cơ bản [9]. “Đối với hầu hết các loại ô tô, tần số dao động riêng của khối lƣợng đƣợc treo thƣờng là 1,0Hz đến 2,0Hz và tần số riêng khối lƣợng không đƣợc treo thƣờng là 8,0 Hz đến 12,0Hz.” Giorgetti, Bemporad và cộng sự đặt mục tiêu 1,5Hz đối với tần số dao động của khối lƣợng đƣợc treo và 10 Hz đối với tần số dao động của bánh xe [10]. Ngoài ra, đối với xe đua, chú trọng nhiều hơn vào khả năng bám đƣờng, vì vậy hệ thống treo đƣợc thiết kế cứng hơn và tần số dao động riêng cao hơn từ 2 đến 7 Hz [11]. Tần số dao động riêng của thân xe, tính bằng hertz, đƣợc tính bằng công thức: 1 ω= (1.4) Tần số dao động riêng của bánh xe bị ảnh hƣởng bởi độ cứng của lò xo và độ cứng của lốp đƣợc tính nhƣ sau [4] : 1ωw = ( 1 k  kt.

5 ) Hệ số giảm chấn ở tần số cơ bản thƣờng là khoảng ζ=0,25 và đây đƣợc coi là một thỏa hiệp có thể chấp nhận đƣợc đối với hệ thống treo của ô tô [4]. Chứng nhận của Chính phủ Úc về “hệ thống treo thân thiện với đƣờng” quy định rằng “hệ số giảm chấn trung bình DM” phải lớn hơn 20% so với giảm chấn tới hạn” [12]. Hầu hết các bộ giảm chấn hiện đại đƣợc thiết kế để có hệ số giảm chấn khi trả khác với khi nén [11]; [13]; [14]. Hệ số cản giảm chấn ở hành trình trả lớn gấp từ 2 đến 3 lần so với hành trình nén [15].

Nhiều lý do khác nhau đƣợc đƣa ra cho sự bất đối xứng này. Theo thực nghiệm, Milliken đã chỉ ra rằng vận tốc dao động của bánh xe theo hƣớng đi lên (gập ghềnh) thƣờng cao hơn đáng kể so với hƣớng đi xuống (hành trình trả) khoảng hai lần. Do đó giảm chấn có độ bất đối xứng tƣơng ứng để giữ cho các lực tác động lên xe đối xứng [4]. Bastow và cộng sự xem đây là “sự thỏa hiệp” giữa hệ treo mềm trong “điều khiển chuyển động của các khối lƣợng đƣợc treo và không đƣợc treo chịu các nhiễu loạn có chu kỳ” [7].

Có lẽ lời giải thích rõ ràng nhất đƣợc đƣa ra bởi Guglielmino, E. Sireteanu: “Khi xảy ra va chạm, gia tốc hƣớng lên theo phƣơng thẳng đứng có thể đạt cực đại trong vài giây khi gặp ổ gà, và gia tốc hƣớng xuống theo phƣơng thẳng đứng không đƣợc lớn hơn 1g (g=9,81m/s2). Đây cũng là lý do tại sao giảm chấn thủy lực đƣợc thiết kế với phi đối xứng” [16]. Hệ thống treo điều khiển điện tử Hệ thống treo điều khiển điện tử thay đổi các đặc tính của hệ thống treo tại từng thời điểm và phụ thuộc vào công tắc lựa chọn.

Chúng có thể đƣợc chia thành tích cực và bán tích cực ([17]; [18]; [19]; [20]; [21]. Trong những năm 1970, các nhà khoa học đã bắt đầu nghiên cứu điều khiển hệ thống treo. Crosby và Karnopp đã đƣa ra định nghĩa về hệ thống treo tích cực [1]. Hệ thống treo tích cực sẽ có một cơ cấu chấp hành đƣợc cấp nguồn năng lƣợng để tạo ra lực theo yêu cầu của bộ điều khiển, nhƣ đƣợc trình bày ở trong hình 1.

Hệ thống treo tích cực có khả năng tạo ra bất kỳ lực nào mong muốn và do đó linh hoạt hơn nhiều so với hệ thống treo thụ động truyền thống. Hệ thống treo điều khiển điện tử a) Tích cực; b): Bán bán tích cực Mặc dù ban đầu có một số sai lệch trong thuật ngữ, các định nghĩa cho hệ thống treo tích cực, bán tích cực và thụ động hiện đã trở nên khá chuẩn hóa ([1]; [22]; [23]).