CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu hệ thống treo trong xe hơi Hệ thống treo xe là cơ cấu ngăn cách giữa thân xe và các bánh xe. Hiệu suất của hệ thống treo theo thời gian đã được nâng cao nhằm nâng cao khả năng tải của xe. Hệ thống treo tốt là hệ thống treo có khả năng điều chỉnh chuyển động của thân xe, điều chỉnh chuyển động của hệ thống treo và phân phối lực. Một cách lý tưởng, hệ thống treo sẽ cách ly thân xe đối với các nhiễu loạn của mặt đường và các nhiễu loạn quán tính sinh ra trong quá trình xe quanh và hãm hoặc gia tốc.
Hệ thống treo cũng phải có khả năng cực tiểu lực theo phương thẳng đứng tác động vào hành khách để tạo sự thoải mái cho họ. Khi thiết kế một hệ thống treo, cần đạt được các mục tiêu kép là cực tiểu lực thẳng đứng tác dụng lên hành khách và cực đại sự tiếp xúc bánh xe – mặt đường vì mục tiêu điều khiển và an toàn. Sự thỏa mái của hành khách liên quan rất nhiều đến lực thẳng đứng truyền từ thân xe. Mục tiêu này có thể đạt được bằng cách cực tiểu gia tốc thẳng đứng của thân xe.
Một chuyển động quá xa khỏi mặt đường của bánh xe sẽ dẫn đến sự bám đường không tốt và khó điều khiển xe. Hơn nữa, để điều khiển xe tốt, sự tiếp xúc tối ưu giữa bánh xe và mặt đường phải được duy trì trên cả bốn bánh xe. Trong những hệ thống treo thông thường, các đặc tính này mâu thuẩn với nhau và không đáp ứng được tất cả các điều kiện. Hệ thống treo có thể được chia làm 3 nhóm: Hệ thống treo bị động (passive).1a) Hệ thống treo tích cực (acitive).1b) Hệ thống treo bán tích cực (semi-active).
Lưu Thanh Tùng 3 SVTH: Phan Văn Dương Thiết kế bộ điều khiển PI/PD mờ dựa trên giải thuật di truyền điều khiển hệ thống treo tích cực ¼ xe kiểu Macpherson zs zs zs ms ms ms ks cp ks cp fa ks cp zu zu zu mu mu mu kt zr kt zr kt zr a) b) c) Hình 1.1 Phân loại các hệ thống treo 1.1 Hệ thống treo bị động Hệ thống treo bị động bao gồm một phần tử tiêu tán năng lực là giảm chấn, và một phần tử tích lũy năng lượng là lò xo. Như thế hai phần tử này không thể nạp thêm năng lượng vào hệ thống nên hệ thống treo này được gọi là bị động.2 Hệ thống treo tích cực (active) Trong hệ thống treo tích cực, một cơ cấu tác động sinh lực được đặt song song với hệ thống bị động. Trong hệ thống này, các cảm biến được dùng để đo gia tốc của phần được treo (sprung mass) và của phần không được treo (unsprung mass) và tín hiệu analog từ các cảm biến sẽ được gởi tới bộ điều khiển. Bộ điều khiển sẽ tạo ra tín hiệu điều khiển để điều khiển cơ cấu tác động sinh ra một lực theo đúng yêu cầu.
Đây là hệ thống điều khiển vòng kín trong khi đó hệ thống treo bị động là hệ thống vòng hở. Chú ý rằng hệ thống treo tích cực cần nguồn năng lượng ngoài để vận hành, và có sự bất lợi cần quan tâm đó là sự phức tạp, độ tin cậy, giá thành và trọng lượng. Lưu Thanh Tùng 4 SVTH: Phan Văn Dương Thiết kế bộ điều khiển PI/PD mờ dựa trên giải thuật di truyền điều khiển hệ thống treo tích cực ¼ xe kiểu Macpherson 1.3 Hệ thống treo bán tích cực Để giảm sự phức tạp và giá thành trong khi vẫn nâng cao chất lượng lái và điều khiển, khái niệm treo bán tích cực được nghiên cứu. Trong kiểu treo này, lò xong treo bị động được giữ nguyên, trong khi đó lực giảm chấn trong bộ giảm chấn có thể điều chỉnh được tương thích với các điều khiển vận hành khác nhau.
Lực giảm chấn được thay đổi bằng cách thay đổi tiết diện của lỗ trong giảm chán, từ đó thay đổi lực cản đối với lưu lượng qua lỗ. Ứng dụng khả thi gần đây của những chất lỏng dạng electro rheological (ER) và magnet orheological để phát triển giảm chấn điều khiển đang thu hút sự quan tâm. Ngày nay, hệ thống treo bị động không thể đáp ứng các nhu cầu mâu thuẩn nhau nữa, đã đến lúc phải giới thiệu các hệ thống treo tích cực và bán tích cực trong ứng dụng thực tế. Các hệ thống treo tích cực đã được giới thiệu trong những năm 1970 để khắc phục những nhược điểm của hệ thống treo thụ động, đó là sự cân đối giữa hai chỉ tiêu chất lượng: nâng cao sự thỏa mái của hành khách (ride quality) và khả năng bám đường của (handling performance).
Những nghiên cứu trong hơn 30 năm qua đã chứng minh rằng hệ thống treo tích cực đã đem đến những cải thiện rất có ý nghĩa trong chất lượng lái và khả năng điều khiển. Mặc dù các nghiên cứu tạo ra nhiều cải tiến trong hệ thống treo tích cực, các hệ thống này vẫn còn phức tạp, kềnh càng, và giá thành cao và thường không phải là những lựa chọn trong các sản phẩm xe hơi. Hơn nữa, các hệ thống này đòi hỏi năng lượng từ bên ngoài và có trọng lượng lớn đặt lên. Một sự ngoại lệ cần được lưu ý nữa là công nghệ của cơ cấu tác động cơ-điện cho phép sinh ra năng lượng nhưng lại cũng tiêu hao năng lượng do sự phát nhiệt.
Thêm nữa, các thách thức trong việc thiết kế và điều khiển hệ thống treo tích cực vẫn chưa được giải quyết hoàn toàn. Các thách thức này bao gồm sự phi tuyến của cơ cấu tác động, ma sát, giới hạn băng thông GVHD: TS. Lưu Thanh Tùng 5 SVTH: Phan Văn Dương Thiết kế bộ điều khiển PI/PD mờ dựa trên giải thuật di truyền điều khiển hệ thống treo tích cực ¼ xe kiểu Macpherson (banthwith), tuổi thọ và bảo trì. Ứng dụng của hệ thống treo tích cực do đó chỉ giới hạn trong các loại mặt đường phức tạp, trong quân đội, và trong xe đua.
Hệ thống treo bán tích cực giải quyết được nhiều hạn chế của hệ thống treo tích cực, mặc dù chất lượng lái và khả năng điều khiển bị giảm nhưng qua nhiều nghiên cứu đã cho thấy sự giảm này là tương đối nhỏ. Hệ thống treo bán tích cực có hiệu quả hơn về chi phí, nhỏ gọn hơn, và đơn giản hơn về chức năng, chúng chỉ yêu cầu một giảm chấn điều chỉnh được và một vài cảm biến để đạt được chức năng mong muốn. Các hệ thống treo bán tích cực thông thường dựa trên các van giảm chấn được điều khiển servo (servo-controlled) để đạt được “giảm chấn thay đổi liên tục” (continuously variable damping). Điểm bất lợi chính của những hệ thống kiểu này chính là số lượng chi tiết cơ khí lớn.
Những hệ thống này chịu đựng đươc nhiều băng tần, cải thiện các hạn chế về tuổi thọ và bảo trì của hệ thống tích cực. Dù vậy hệ thống treo bán tích cực vẫn chưa được phổ biến trong thương mại. Các loại giảm chấn từ chất lỏng magnetorheological (MR) đã giúp cho hệ thống treo bán tích cực có khả năng sinh ra lực giảm chấn hầu như là tức thời với rất ít chi tiết cơ khí. So với những hệ thống treo bị động điển hình, công nghệ bán tích cực cho phép tạo ra sự giảm chấn mềm hơn khi cần thiết và cũng có thể tạo ra sự giảm chấn cứng hơn trong các tình huống có nhu cầu.4 Hệ thống treo kiểu Macpherson Trong mô hình cổ điển, chỉ có chuyển động lên xuống của khối treo và khối không treo được xét đến.
Mô hình hệ thống treo theo K. Hong [10] như Hình 1.2 trong đó chuyển động quay của khối không treo và khối treo đều được xét đến. Mô hình này có tính tổng quát hơn và gần hơn với nhu cầu của công nghiệp ôtô. Hệ thống treo kiểu Macpherson có nhiều giá trị, như việc sử dụng một bộ giảm chấn độc lập và khả năng giữ hướng của bánh xe theo hướng của camber.
Tay điều khiển (control arm) đóng vai trò quan trọng: nó nâng hệ thống treo, hoàn thiện cấu GVHD: TS. Lưu Thanh Tùng 6 SVTH: Phan Văn Dương Thiết kế bộ điều khiển PI/PD mờ dựa trên giải thuật di truyền điều khiển hệ thống treo tích cực ¼ xe kiểu Macpherson trúc của hệ thống treo và cho phép khối không treo chuyến động quay. Tuy nhiên, chức năng của tay điều khiển bị bỏ qua hoàn toàn trong các mô hình cổ điển. 𝒇𝒅 𝟐 𝜽𝟐 𝒎𝒔 𝒛𝒔 𝒅 𝟑 𝟓 𝒎𝒖 𝟒 𝜽𝟏 𝐙 1: Mặt đường 2: Thân xe 𝐘 3: Giảm chấn 𝟏 4: Bánh xe 5: Tay điều khiển Hình 1.2 Hệ thống treo kiểu Macpherson.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 1.1 Tổng quan về các phương pháp điều khiển hệ thống treo tích cực Hệ thống treo tích cực đã được nghiên cứu từ hơn 30 năm nay, có thể tạm chia các nghiên cứu thành 3 hướng: phương pháp điều khiển tuyến tính, điều khiển phi tuyến và điều khiển thông minh.
Phương pháp điều khiển tuyến tính chủ yếu dựa trên lý thuyết điều khiển tối ưu như là LQR, LQG, LTR và H-infinitiy, các phương pháp này cực tiểu một chỉ tiêu GVHD: TS. Lưu Thanh Tùng 7 SVTH: Phan Văn Dương Thiết kế bộ điều khiển PI/PD mờ dựa trên giải thuật di truyền điều khiển hệ thống treo tích cực ¼ xe kiểu Macpherson chất lượng nào đó, tuy nhiên, các phương pháp này không có khả năng áp dụng cho hệ thống có thông số thay đổi cũng như sự thay đổi của hình dạng mặt đường. Phương pháp điều khiển phi tuyến như điều khiển thích nghi và điều khiển mặt trượt. Thông thường trong các ứng dụng sử dụng phương pháp này, điều khiển thích nghi được kết hợp với phương pháp điều kiển tối ưu để đưa ra một chỉ tiêu chất lượng chấp nhận được.
Điều khiển mặt trượt có khả năng cải thiện sự cân đối giữa hai chỉ tiêu chất lượng lái và khả năng bám mặt đường. Hơn nữa các phương pháp phi tuyến rất bền vững đối với các yếu tố chưa chắc chắn. Phương pháp điều khiển thông minh có khả năng thỏa mãn cả chất lượng lái và khả năng bám mặt đường của hệ thống treo tích cực. Tuy nhiên, các phương pháp này gặp vấn đề là tính ổn định.
Thông thường các bàn luận về tính ổn định bị bỏ qua trong các thiết kế theo phương pháp này. Một số nghiên cứu về hệ thống treo tích cực mô hình ¼ xe. Theo [1], các tác giả đề xuất bộ điều khiển LQR dựa trên giải thuật di truyền. Nhưng trong hệ thống treo, việc đo đầy đủ các trạng thái của hệ thống nhúng là rất khó khăn và không thực tế.