Luận văn thạc sĩ về thiết kế bộ điều khiển tối ưu LQG cho hệ giảm chấn tích cực

• Tác giả: Nguyễn Hoàng Việt
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Chí
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển tối ưu LQG cho hệ giảm chấn tích cực có sử dụng bộ lọc biến trạng thái
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thái Nguyên

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG GIẢM CHẤN
• 1.1. Cấu tạo và chức năng của hệ thống giảm chấn
• 1.2. Chức năng của hệ giảm chấn
• 1.3. Các yếu tố đánh giá chất lượng của hệ thống giảm chấn
• 1.4. Phân loại hệ giảm chấn
• 1.5. Đặc trưng của tín hiệu dao động từ mặt đứng xg
• 1.6. Các xu hướng điều khiển hệ giảm chấn tích cực
• 1.6.1. Điều khiển hệ giảm chấn bán tích cực
• 1.6.2. Điều khiển hệ giảm chấn tích cực
• 1.7. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH CƠ CẤU CHẤP HÀNH DÙNG ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH DẠNG ỐNG
• 2.1. Cấu tạo của động cơ tuyến tính dạng ống
• 2.2. Xây dựng phương trình lực của động cơ tuyến tính dạng ống
• 2.2.1. Công cụ để xây dựng mô hình
• 2.2.2. Xây dựng mô hình giữa điện áp và lực cho động cơ tuyến tính dạng ống
• 2.3. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ GIẢM CHẤN TÍCH CỰC
• 3.1. Cấu trúc điều khiển
• 3.2. Thiết kế bộ điều khiển dập tắt dao động LQG và sử dụng bộ lọc biến trạng thái
• 3.2.1. Mô hình phi tuyến của hệ thống giảm chấn
• 3.2.2. Thiết kế mạch lọc biến trạng thái
• 3.2.3. Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái
• 3.2.4. Mô phỏng hệ thống
• 3.3. Thiết kế bộ điều khiển lực và dòng cho động cơ tuyến tính
• 3.3.1. Thiết kế bộ điều khiển dòng
• 3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển lực
• 3.4. Sơ đồ mô phỏng của cả hệ thống
• 3.4.1. Khi nhiễu có dạng xung vuông tác động
• 3.4.2. Khi tác động nhiễu ngẫu nhiên
• 3.5. Vấn đề thực nghiệm
• 3.6. Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN VĂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Giảm Chấn Tích Cực và LQG

Hệ thống giảm chấn ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ xây dựng đến công nghiệp vận tải. Mục tiêu chính của hệ thống giảm chấn là dập tắt nhanh chóng các dao động, giúp hệ thống duy trì trạng thái cân bằng, không bị ảnh hưởng bởi các tác động bên ngoài. Hiện nay, phần lớn các hệ thống giảm chấn sử dụng nguyên tắc thụ động, tuy đơn giản nhưng lại hạn chế về khả năng điều chỉnh lực giảm chấn và thời gian dập tắt dao động. Các nghiên cứu chỉ ra rằng, hệ thống giảm chấn tích cực có nhiều ưu điểm vượt trội, đặc biệt là khả năng điều chỉnh linh hoạt lực giảm chấn, giúp dập tắt dao động nhanh hơn và duy trì trạng thái ổn định tốt hơn. Để điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực hiệu quả, bộ điều khiển LQG (Linear Quadratic Gaussian) được sử dụng rộng rãi. LQG kết hợp bộ điều khiển phản hồi trạng thái tối ưu và bộ lọc Kalman để ước lượng trạng thái hệ thống từ các tín hiệu đo bị nhiễu. Điều này giúp hệ thống hoạt động ổn định và đạt hiệu suất cao ngay cả trong điều kiện có nhiễu.

1.1. Cấu Tạo Cơ Bản của Hệ Thống Giảm Chấn

Hệ thống giảm chấn truyền thống, hay còn gọi là hệ thống treo, bao gồm khối treo (lốp xe, bánh xe) và khối thân trên (khung xe, hành khách). Hai thành phần này được kết nối thông qua lò xo và bộ phận cản dịu. Tác động từ mặt đường (xg) truyền đến khối treo, gây ra dao động (xus), sau đó tác động lên khối thân trên (xs). Trong hệ thống thụ động, độ cứng của lò xo và hệ số cản dịu được cố định, không điều chỉnh được trong quá trình hoạt động.

1.2. Chức Năng Chính của Hệ Thống Giảm Chấn

Chức năng chính của hệ thống giảm chấn là dập tắt dao động của khối thân trên, duy trì sự ổn định của hệ thống và giảm thiểu ảnh hưởng của lực tác động từ mặt đường. Hệ thống cần đáp ứng yêu cầu dập tắt dao động nhanh chóng, đồng thời nhạy bén với các dao động nhỏ. Tuy nhiên, hai yêu cầu này thường mâu thuẫn nhau, đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng trong thiết kế. Một hệ thống giảm chấn lý tưởng sẽ loại bỏ hoàn toàn tác động của xg lên khối thân trên, giữ cho xs luôn bằng không.

II. Vấn Đề và Thách Thức trong Thiết Kế Giảm Chấn Tối Ưu LQG

Thiết kế hệ thống giảm chấn không chỉ đơn thuần là giảm rung động, mà còn phải đảm bảo sự thoải mái và an toàn cho người sử dụng. Các yếu tố như gia tốc của khung xe và lực tải động của bánh xe cần được kiểm soát chặt chẽ. Hệ thống giảm chấn thụ động thường gặp khó khăn trong việc cân bằng giữa hai yếu tố này. Hệ thống bán tích cực có thể điều chỉnh hệ số cản dịu, nhưng vẫn còn hạn chế. Hệ thống giảm chấn tích cực, đặc biệt khi kết hợp với bộ điều khiển LQG, mang lại khả năng điều chỉnh linh hoạt và hiệu quả hơn. Tuy nhiên, việc thiết kế bộ điều khiển LQG cho hệ thống giảm chấn tích cực cũng đặt ra nhiều thách thức. Mô hình hóa hệ thống, ước lượng trạng thái và xử lý nhiễu là những vấn đề cần được giải quyết.

2.1. Các Yếu Tố Đánh Giá Chất Lượng Hệ Thống Giảm Chấn

Chất lượng của hệ thống giảm chấn được đánh giá dựa trên độ thoải mái và độ an toàn. Độ thoải mái liên quan đến việc hạn chế lực tác động lên khung xe, trong khi độ an toàn đòi hỏi lốp xe phải duy trì khả năng tiếp xúc với mặt đường. Việc thiết lập mối quan hệ giữa độ cứng của lò xo và hệ số cản dịu là rất quan trọng. Hệ thống giảm chấn tích cực cho phép tạo ra sự thay đổi linh động của lực tác động, mang lại độ an toàn và độ thoải mái cao hơn so với các hệ thống khác.

2.2. Hạn Chế của Hệ Thống Giảm Chấn Thụ Động

Hệ thống giảm chấn thụ động có ưu điểm là thiết kế đơn giản, nhưng lại không thể điều chỉnh các thông số để thích ứng với các điều kiện vận hành khác nhau. Điều này dẫn đến sự đánh đổi giữa độ thoải mái và độ an toàn. Khi độ cứng của lò xo tăng lên, dao động của khung xe sẽ gần với dao động từ mặt đường, làm giảm chất lượng giảm chấn. Ngược lại, khi độ cứng của lò xo giảm, thời gian dao động sẽ tăng lên, cũng làm giảm chất lượng giảm chấn.

III. Phương Pháp Thiết Kế Bộ Điều Khiển LQG Cho Hệ Giảm Chấn

Để giải quyết các thách thức trong thiết kế hệ thống giảm chấn tích cực, bộ điều khiển LQG được sử dụng như một giải pháp hiệu quả. LQG là sự kết hợp giữa bộ điều khiển LQR (Linear Quadratic Regulator) và bộ lọc Kalman. LQR giúp tìm ra luật điều khiển tối ưu để ổn định hệ thống và giảm thiểu sai số, trong khi bộ lọc Kalman ước lượng trạng thái hệ thống từ các tín hiệu đo bị nhiễu. Quá trình thiết kế bộ điều khiển LQG bao gồm các bước: xây dựng mô hình toán học của hệ thống, thiết kế bộ lọc Kalman để ước lượng trạng thái, và thiết kế bộ điều khiển LQR dựa trên trạng thái ước lượng. Các phương trình Riccati equation đóng vai trò quan trọng trong việc tính toán các ma trận усиления của bộ điều khiển LQR và bộ lọc Kalman.

3.1. Mô Hình Hóa Hệ Thống Giảm Chấn Tích Cực

Mô hình hóa hệ thống là bước đầu tiên và quan trọng nhất trong thiết kế bộ điều khiển LQG. Mô hình cần phản ánh chính xác động lực học của hệ thống, bao gồm các yếu tố như khối lượng, độ cứng, hệ số cản và lực tác động từ động cơ tuyến tính. Mô hình có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến, tùy thuộc vào độ phức tạp của hệ thống và yêu cầu về độ chính xác. Trong nhiều trường hợp, mô hình phi tuyến được sử dụng để mô tả chính xác hơn các đặc tính của hệ thống, đặc biệt là tính phi tuyến của lò xo và bộ phận cản dịu.

3.2. Thiết Kế Bộ Lọc Kalman để Ước Lượng Trạng Thái

Bộ lọc Kalman là một thuật toán ước lượng trạng thái tối ưu cho các hệ thống tuyến tính với nhiễu Gaussian. Bộ lọc Kalman sử dụng mô hình hệ thống và các tín hiệu đo để ước lượng trạng thái hệ thống một cách chính xác nhất. Quá trình thiết kế bộ lọc Kalman bao gồm việc xác định các ma trận đặc trưng cho nhiễu quá trình và nhiễu đo, cũng như giải phương trình Riccati equation để tính toán ma trận усиления Kalman. Bộ lọc Kalman giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của bộ điều khiển LQG trong điều kiện có nhiễu.

3.3. Thiết Kế Bộ Điều Khiển LQR Dựa Trên Trạng Thái Ước Lượng

Bộ điều khiển LQR là một phương pháp điều khiển tối ưu cho các hệ thống tuyến tính. LQR tìm ra luật điều khiển tối ưu để ổn định hệ thống và giảm thiểu sai số, dựa trên một hàm chi phí (cost function) được định nghĩa trước. Hàm chi phí thường bao gồm các thành phần liên quan đến sai số trạng thái và năng lượng điều khiển. Quá trình thiết kế bộ điều khiển LQR bao gồm việc lựa chọn các ma trận trọng số trong hàm chi phí và giải phương trình Riccati equation để tính toán ma trận усиления điều khiển. Bộ điều khiển LQR giúp hệ thống đạt được hiệu suất cao và đáp ứng nhanh chóng.

IV. Ứng Dụng Thực Tế và Kết Quả Nghiên Cứu về LQG

Bộ điều khiển LQG đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm điều khiển robot, điều khiển máy bay, và đặc biệt là trong hệ thống giảm chấn ô tô. Các nghiên cứu đã chứng minh rằng bộ điều khiển LQG có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống giảm chấn, giảm rung động, tăng độ thoải mái và độ an toàn khi lái xe. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển LQG hoạt động hiệu quả ngay cả trong điều kiện có nhiễu và các tác động bất ngờ từ mặt đường. Việc sử dụng động cơ tuyến tính làm cơ cấu chấp hành trong hệ thống giảm chấn tích cực cũng mang lại nhiều ưu điểm, như đáp ứng nhanh, lực điều khiển chính xác và độ tin cậy cao.

4.1. Mô Phỏng và Đánh Giá Hiệu Năng của Hệ Thống

Mô phỏng là một công cụ quan trọng để đánh giá hiệu năng của hệ thống giảm chấn tích cực với bộ điều khiển LQG. Các phần mềm như MATLAB và Simulink được sử dụng để xây dựng mô hình hệ thống và mô phỏng hoạt động của nó trong các điều kiện khác nhau. Các kết quả mô phỏng cho phép các nhà thiết kế đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển LQG, tinh chỉnh các tham số và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống. Các chỉ số như độ giảm rung, thời gian đáp ứng và năng lượng điều khiển được sử dụng để đánh giá hiệu năng của hệ thống.

4.2. Thực Nghiệm và Kiểm Chứng Kết Quả

Thực nghiệm là bước cuối cùng và quan trọng nhất để kiểm chứng kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu năng của hệ thống trong điều kiện thực tế. Các thí nghiệm được thực hiện trên các mô hình thực nghiệm hoặc trên các phương tiện thực tế. Các kết quả thực nghiệm cho phép các nhà nghiên cứu đánh giá độ tin cậy của mô hình, xác định các sai số và cải thiện hiệu suất của hệ thống. Các kết quả thực nghiệm cũng cung cấp thông tin quan trọng để phát triển các ứng dụng thực tế của hệ thống giảm chấn tích cực với bộ điều khiển LQG.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Của Bộ Điều Khiển LQG

Bộ điều khiển LQG là một giải pháp hiệu quả cho hệ thống giảm chấn tích cực, mang lại khả năng điều chỉnh linh hoạt và hiệu suất cao. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều hướng phát triển để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của bộ điều khiển LQG. Các hướng nghiên cứu bao gồm: phát triển các thuật toán ước lượng trạng thái mạnh mẽ hơn, thiết kế các bộ điều khiển thích nghi để đối phó với các điều kiện vận hành thay đổi, và tích hợp các cảm biến và cơ cấu chấp hành tiên tiến để cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống. Việc nghiên cứu và phát triển bộ điều khiển LQG cho hệ thống giảm chấn tích cực sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng và hiệu suất của các phương tiện giao thông và các hệ thống cơ điện tử khác.

5.1. Ưu Điểm của Bộ Điều Khiển LQG trong Giảm Chấn

Bộ điều khiển LQG kết hợp ưu điểm của bộ điều khiển LQR và bộ lọc Kalman, mang lại khả năng điều khiển tối ưu và ước lượng trạng thái chính xác. LQG giúp hệ thống giảm chấn đạt được hiệu suất cao, đáp ứng nhanh chóng và hoạt động ổn định ngay cả trong điều kiện có nhiễu. LQG cũng cho phép các nhà thiết kế cân bằng giữa các yêu cầu khác nhau, như độ thoải mái, độ an toàn và năng lượng tiêu thụ.

5.2. Hướng Nghiên Cứu và Phát Triển Tương Lai

Các hướng nghiên cứu và phát triển tương lai của bộ điều khiển LQG cho hệ thống giảm chấn tích cực bao gồm: phát triển các thuật toán ước lượng trạng thái phi tuyến, thiết kế các bộ điều khiển bền vững (robust control) để đối phó với các sai số mô hình, và tích hợp các kỹ thuật trí tuệ nhân tạo (AI) để cải thiện khả năng thích nghi và học hỏi của hệ thống. Việc kết hợp LQG với các phương pháp điều khiển khác, như điều khiển dự đoán mô hình (MPC), cũng là một hướng nghiên cứu đầy hứa hẹn.

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống giảm chấn đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như xây dựng nhà cửa, cầu đường và đặc biệt trong công nghiệp sản xuất phương tiện vận tải như ô tô, xe máy, tàu hỏa. Theo ước tính, các hệ thống giảm chấn thụ động truyền thống có nhược điểm lớn là không thể điều chỉnh được lực giảm chấn trong quá trình hoạt động, dẫn đến thời gian dập tắt dao động kéo dài và ảnh hưởng đến độ ổn định của hệ thống. Nghiên cứu tập trung vào thiết kế bộ điều khiển tối ưu LQG (Linear Quadratic Gaussian) cho hệ giảm chấn tích cực sử dụng bộ lọc biến trạng thái nhằm nâng cao hiệu quả dập tắt dao động, cải thiện độ an toàn và độ thoải mái khi vận hành phương tiện.

Mục tiêu cụ thể của luận văn bao gồm: tìm hiểu các loại hệ giảm chấn (thụ động, bán tích cực, tích cực), thiết kế bộ lọc biến trạng thái, thiết kế bộ điều khiển LQG tối ưu để dập tắt dao động, điều khiển động cơ tuyến tính tạo lực điện từ, và mô phỏng kiểm chứng kết quả trên phần mềm Matlab – Simulink. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ giảm chấn tích cực áp dụng cho các phương tiện vận tải, với dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng được thực hiện trong giai đoạn 2015-2016 tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất lượng hệ thống giảm chấn, giúp giảm thiểu thời gian dao động của khối thân trên xe, từ đó cải thiện cảm giác thoải mái và an toàn cho người sử dụng. Các chỉ số đánh giá như thời gian dập tắt dao động, lực tải động của bánh xe và gia tốc khung xe được sử dụng làm metrics chính để đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển thiết kế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Mô hình hệ giảm chấn 1/4 (Quarter-vehicle model): Mô hình này mô tả chuyển động của phần khối lượng tương đương tác động lên một bánh xe, phù hợp với tần số dao động từ 0 đến 25 Hz. Mô hình bao gồm khối thân trên, khối treo, lò xo, và cơ cấu cản dịu, với các tham số vật lý như khối lượng, độ cứng lò xo, hệ số cản dịu.

• Lý thuyết điều khiển LQG (Linear Quadratic Gaussian): Phương pháp điều khiển tối ưu kết hợp giữa điều khiển phản hồi trạng thái LQR và bộ lọc Kalman để ước lượng biến trạng thái trong hệ thống có nhiễu quá trình và nhiễu đo lường. LQG cho phép cân bằng giữa chất lượng điều khiển và hiệu quả năng lượng.

• Bộ lọc biến trạng thái (State Observer): Sử dụng bộ lọc Kalman để ước lượng các biến trạng thái không đo được trực tiếp, giúp cải thiện độ chính xác của bộ điều khiển.

• Mô hình động cơ tuyến tính dạng ống (Linear Brushless Permanent Magnet Motor - LBM): Động cơ tuyến tính chuyển đổi năng lượng điện thành chuyển động thẳng, tạo lực điện từ để điều khiển hệ giảm chấn tích cực. Mô hình toán học của động cơ được xây dựng dựa trên các phương trình điện từ và động học, chuyển đổi hệ tọa độ abc sang dq để thuận tiện cho việc điều khiển.

Các khái