Mô Hình, Mô Phỏng và Đánh Giá Hệ Thống Treo Chủ Động Cho Mô Hình Nửa Xe

Sự phát triển của hệ thống treo là một bước tiến quan trọng trong kỹ thuật ô tô. 89 trang · Ho Chi Minh City University of Technology and Education · 2023.

• Tác giả: Nguyen Trong Vu
• Người hướng dẫn: Ph.D. Nguyen Manh Cuong
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology and Education
• Chuyên ngành: Automotive Engineering Technology
• Đề tài: Mô Hình Hệ Thống Treo Chủ Động Cho Mô Hình Nửa Xe
• Loại tài liệu: graduation thesis
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGMENT
• INTRODUCTION
• 1. CHAPTER 1: OVERVIEW
• 1.1. Overview of automotive
• 1.2. Overview of Camry models of Toyota
• 1.3. Overview of suspension system
• 1.4. Objective of the suspension system
• 1.5. Requirements of suspension system
• 1.6. Structure of suspension system
• 1.7. Classification based on assembly
• 1.8. Twist-beam suspension (Torsion suspension)
• 1.9. Solid axle suspension (Live axle)
• 1.10. Double-wishbone suspension (Double-A Arm suspension)
• 1.11. Multi-link suspension
• 1.12. Advantages and disadvantages of dependent and independent suspension
• 1.13. Classification based on the level of control and adjustability
• 1.14. Semi-Active Suspension
• 1.15. Working principle of suspension system
• 1.16. Full car model of active suspension system
• 1.17. Quarter-car model of active suspension system
• 1.18. Half-car model of active suspension system
• 1.19. Introduction to PID controller
• 2. INTRODUCTION TO SOFTWARES
• 2.1. Introduction to matlab/Simulink. What is Matlab/Simulink?
• 2.2. Basic use of Matlab/Simulink
• 2.3. Introduction to CarSim
• 2.4. What is CarSim?
• 2.5. Basic use of Carsim
• 2.6. Model simulation setup
• 2.7. Setup in Matlab/Simulink
• 3. RESULT AND ASSESSMENT
• 3.1. Graphs plot from Matlab/Simulink
• 3.2. Graphs plot from CarSim

Tóm tắt

I. Tổng Quan Mô Hình Hệ Thống Treo Chủ Động Nửa Xe Giới Thiệu

Sự phát triển của hệ thống treo là một bước tiến quan trọng trong kỹ thuật ô tô. Hệ thống treo chủ động không chỉ đơn thuần là một bộ phận, mà là một yếu tố then chốt ảnh hưởng đến sự an toàn, thoải mái và khả năng điều khiển của xe. Mô hình nửa xe là một phương pháp tiếp cận hiệu quả để nghiên cứu và phát triển hệ thống treo chủ động. Nó giúp đơn giản hóa bài toán, cho phép các kỹ sư tập trung vào những yếu tố quan trọng nhất. Mục tiêu chính là giảm thiểu dao động thân xe, tăng cường khả năng bám đường và mang lại trải nghiệm lái xe êm ái. Nghiên cứu này tập trung vào việc mô hình hóa hệ thống treo ô tô, mô phỏng hệ thống treo chủ động và đánh giá hiệu quả hệ thống treo chủ động sử dụng PID controller trên mô hình nửa xe hai bậc tự do. Tài liệu tham khảo đề cập đến 'Modeling, simulating, and assessing of PID controller-based active suspension system for a half- car model.'

1.1. Lịch Sử Phát Triển Hệ Thống Treo Ô Tô Từ Thụ Động Đến Chủ Động

Hệ thống treo đã trải qua một quá trình phát triển dài, từ các thiết kế thụ động đơn giản đến các hệ thống chủ động phức tạp. Các hệ thống thụ động sử dụng lò xo và giảm chấn để hấp thụ rung động từ mặt đường. Tuy nhiên, chúng có những hạn chế nhất định trong việc kiểm soát dao động thân xe và khả năng bám đường. Hệ thống treo chủ động sử dụng các bộ truyền động (actuators) để điều chỉnh lực giảm chấn và lực lò xo theo thời gian thực, dựa trên thông tin từ các sensor hệ thống treo. Điều này cho phép điều khiển hệ thống treo một cách linh hoạt và hiệu quả hơn.

1.2. Vai Trò Của Mô Hình Nửa Xe Trong Nghiên Cứu Hệ Thống Treo

Mô hình nửa xe là một sự đơn giản hóa của mô hình xe đầy đủ, chỉ bao gồm một bên của xe (ví dụ: bên trái). Điều này giúp giảm độ phức tạp của mô hình, cho phép các nhà nghiên cứu tập trung vào các đặc tính động lực học quan trọng nhất. Mô hình nửa xe hai bậc tự do thường được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của hệ thống treo đến dao động thân xe (pitch và bounce) và khả năng bám đường. Mô hình hóa hệ thống treo bằng mô hình nửa xe tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế và kiểm tra các thuật toán điều khiển.

1.3. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hiệu Quả Hệ Thống Treo Chủ Động

Hiệu quả của hệ thống treo chủ động phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm thiết kế của hệ thống cơ khí, thuật toán điều khiển hệ thống treo, và chất lượng của các sensor hệ thống treo. Các phần tử đàn hồi hệ thống treo và phần tử giảm chấn hệ thống treo cần được lựa chọn cẩn thận để đảm bảo hiệu suất tối ưu. Thuật toán điều khiển phải có khả năng phản ứng nhanh chóng và chính xác với các thay đổi của mặt đường và điều kiện lái xe. ECU hệ thống treo đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý tín hiệu từ sensor hệ thống treo và điều khiển các bộ truyền động.

II. Thách Thức Trong Thiết Kế Hệ Thống Treo Chủ Động Nửa Xe Giải Pháp

Thiết kế hệ thống treo chủ động cho mô hình nửa xe đặt ra nhiều thách thức. Một trong số đó là việc cân bằng giữa sự thoải mái và khả năng điều khiển. Một hệ thống treo quá mềm có thể mang lại sự thoải mái tốt, nhưng lại làm giảm khả năng bám đường và ổn định của xe. Ngược lại, một hệ thống treo quá cứng có thể cải thiện khả năng điều khiển, nhưng lại làm giảm sự thoải mái của hành khách. Do đó, việc tìm ra một sự cân bằng tối ưu là rất quan trọng. Bên cạnh đó, việc lựa chọn và điều chỉnh thuật toán điều khiển phù hợp cũng là một thách thức lớn. Các thuật toán điều khiển khác nhau có những ưu và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn thuật toán phù hợp phụ thuộc vào các yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

2.1. Đánh Giá Các Phương Pháp Điều Khiển Hệ Thống Treo Chủ Động

Có nhiều phương pháp điều khiển khác nhau có thể được sử dụng cho hệ thống treo chủ động, bao gồm PID controller, fuzzy logic controller, Skyhook control, và Active damping control. PID controller là một phương pháp điều khiển cổ điển, dễ triển khai và điều chỉnh. Fuzzy logic controller có thể xử lý các hệ thống phi tuyến và không chắc chắn. Skyhook control là một phương pháp điều khiển lý tưởng, nhưng khó triển khai trong thực tế. Active damping control là một phương pháp điều khiển đơn giản và hiệu quả.

2.2. Tối Ưu Hóa Thông Số PID Controller Cho Mô Hình Nửa Xe

Việc tối ưu hóa các thông số của PID controller là rất quan trọng để đạt được hiệu suất tối ưu của hệ thống treo chủ động. Các thông số của PID controller (P, I, và D) ảnh hưởng đến tốc độ phản hồi, độ ổn định và độ chính xác của hệ thống. Có nhiều phương pháp khác nhau có thể được sử dụng để tối ưu hóa các thông số của PID controller, bao gồm phương pháp thử và sai, phương pháp Ziegler-Nichols, và các thuật toán tối ưu hóa tự động.

2.3. Xây Dựng Mô Hình Toán Học Chính Xác Cho Mô Hình Nửa Xe

Mô hình hóa hệ thống treo đòi hỏi việc xây dựng một mô hình toán học chính xác của mô hình nửa xe. Mô hình này phải bao gồm các thành phần quan trọng như khối lượng thân xe, khối lượng bánh xe, độ cứng lò xo, và hệ số giảm chấn. Mô hình hóa hệ thống treo ô tô một cách chính xác là cơ sở để mô phỏng hệ thống treo chủ động một cách hiệu quả. Sai số trong mô hình có thể dẫn đến kết quả mô phỏng không chính xác.

III. Phương Pháp Mô Phỏng Hệ Thống Treo Chủ Động MATLAB Simulink

MATLAB Simulink là một công cụ mạnh mẽ để mô phỏng hệ thống treo chủ động. Nó cho phép các kỹ sư xây dựng các mô hình hóa hệ thống treo, mô phỏng hệ thống treo ô tô và phân tích hiệu suất của chúng. MATLAB Simulink cung cấp một loạt các khối (blocks) được xây dựng sẵn để mô hình hóa các thành phần cơ khí và điện tử khác nhau. Nó cũng hỗ trợ việc tích hợp các thuật toán điều khiển và phân tích kết quả mô phỏng. Nghiên cứu này sử dụng MATLAB Simulink để đánh giá hiệu quả hệ thống treo chủ động dựa trên PID controller

3.1. Xây Dựng Mô Hình Hệ Thống Treo Chủ Động Trong Simulink

Việc xây dựng mô hình hệ thống treo chủ động trong MATLAB Simulink bao gồm việc tạo ra một sơ đồ khối (block diagram) thể hiện cấu trúc của hệ thống. Các khối này đại diện cho các thành phần như thân xe, bánh xe, lò xo, giảm chấn, bộ truyền động và PID controller. Các khối này được kết nối với nhau để tạo thành một mô hình hoàn chỉnh của hệ thống treo.

3.2. Tích Hợp Thuật Toán Điều Khiển PID Vào Mô Hình

Thuật toán điều khiển PID được tích hợp vào mô hình bằng cách sử dụng khối PID trong MATLAB Simulink. Các thông số của PID controller (P, I, và D) có thể được điều chỉnh để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống. Tín hiệu đầu vào của khối PID là sai lệch giữa giá trị mong muốn và giá trị thực tế của biến điều khiển (ví dụ: độ cao thân xe). Tín hiệu đầu ra của khối PID là tín hiệu điều khiển được gửi đến bộ truyền động.

3.3. Mô Phỏng Với Các Profile Đường Khác Nhau Road Profile

Để đánh giá hiệu quả hệ thống treo chủ động, mô hình được mô phỏng với các road profile khác nhau. Road profile mô tả sự không bằng phẳng của mặt đường. Các road profile phổ biến bao gồm đường sin, đường ngẫu nhiên và đường thực tế. Kết quả mô phỏng cho thấy cách hệ thống treo chủ động phản ứng với các loại đường khác nhau và đánh giá khả năng cải thiện sự thoải mái và khả năng bám đường.

IV. Kết Quả Mô Phỏng và Đánh Giá Hiệu Quả Hệ Thống Treo Chủ Động

Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống treo chủ động có thể cải thiện đáng kể sự thoải mái và khả năng bám đường so với hệ thống treo thụ động. Hệ thống treo chủ động giảm thiểu dao động thân xe, giảm gia tốc thẳng đứng, và tăng cường khả năng bám đường. Hiệu quả của hệ thống treo chủ động phụ thuộc vào các thông số của PID controller và road profile. Các kết quả này có thể được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế của hệ thống treo chủ động và cải thiện hiệu suất của xe.

4.1. So Sánh Hiệu Suất Giữa Hệ Thống Treo Chủ Động Và Thụ Động

Việc so sánh hiệu suất giữa hệ thống treo chủ động và hệ thống treo thụ động được thực hiện bằng cách so sánh các chỉ số như gia tốc thân xe, độ lệch thân xe, và lực tác dụng lên bánh xe. Kết quả cho thấy hệ thống treo chủ động có thể giảm đáng kể gia tốc thân xe và độ lệch thân xe, mang lại sự thoải mái tốt hơn cho hành khách. Nó cũng cải thiện khả năng bám đường bằng cách giảm lực tác dụng lên bánh xe.

4.2. Ảnh Hưởng Của Các Thông Số PID Đến Hiệu Suất Hệ Thống

Các thông số của PID controller có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của hệ thống treo chủ động. Việc tăng thông số P có thể làm tăng tốc độ phản hồi, nhưng cũng có thể gây ra dao động. Việc tăng thông số I có thể giảm sai số ổn định, nhưng cũng có thể làm giảm độ ổn định. Việc tăng thông số D có thể cải thiện độ ổn định, nhưng cũng có thể làm giảm tốc độ phản hồi. Do đó, việc điều chỉnh các thông số PID cần được thực hiện một cách cẩn thận để đạt được hiệu suất tối ưu.

4.3. Đánh Giá Khả Năng Chống Dao Động Và Duy Trì Bám Đường

Đánh giá hiệu quả hệ thống treo chủ động bao gồm việc kiểm tra khả năng chống dao động và duy trì bám đường. Khả năng chống dao động được đánh giá bằng cách đo gia tốc thân xe và độ lệch thân xe. Khả năng duy trì bám đường được đánh giá bằng cách đo lực tác dụng lên bánh xe. Kết quả cho thấy hệ thống treo chủ động có thể cải thiện cả khả năng chống dao động và duy trì bám đường.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Hệ Thống Treo Chủ Động Nửa Xe

Nghiên cứu này đã trình bày một phương pháp mô hình hóa hệ thống treo ô tô, mô phỏng hệ thống treo chủ động và đánh giá hiệu quả hệ thống treo chủ động dựa trên PID controller trên mô hình nửa xe. Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống treo chủ động có thể cải thiện đáng kể sự thoải mái và khả năng bám đường. Trong tương lai, các nghiên cứu có thể tập trung vào việc phát triển các thuật toán điều khiển tiên tiến hơn, sử dụng các sensor hệ thống treo chất lượng cao hơn, và tích hợp hệ thống treo chủ động với các hệ thống khác trên xe.

5.1. Tổng Kết Những Ưu Điểm Của Hệ Thống Treo Chủ Động

Ưu nhược điểm hệ thống treo chủ động đã được nghiên cứu và phân tích. Hệ thống này mang lại sự thoải mái cao hơn, cải thiện khả năng điều khiển và tăng cường an toàn. Tuy nhiên, nó cũng phức tạp và đắt tiền hơn so với hệ thống treo thụ động. Bên cạnh đó, việc điều khiển và duy trì hệ thống treo chủ động cũng đòi hỏi kỹ thuật cao.

5.2. Đề Xuất Các Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Điều Khiển Treo Nâng Cao

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các thuật toán điều khiển tiên tiến hơn, chẳng hạn như fuzzy logic controller hoặc model predictive control. Cũng có thể nghiên cứu việc sử dụng các sensor hệ thống treo mới, chẳng hạn như sensor gia tốc hoặc sensor lực. Ngoài ra, cần nghiên cứu dao động của xe và tác động của nó đến sự êm dịu của xe và khả năng bám đường của xe.

5.3. Ứng Dụng Thực Tế Của Nghiên Cứu Trong Ngành Công Nghiệp Ô Tô

Kết quả của nghiên cứu này có thể được sử dụng để thiết kế và phát triển hệ thống treo chủ động cho các loại xe khác nhau. Chúng có thể được sử dụng để cải thiện sự thoải mái, khả năng điều khiển và an toàn của xe. Nghiên cứu cũng có thể giúp các nhà sản xuất ô tô giảm chi phí và tăng hiệu quả của hệ thống treo.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp kỹ thuật ô tô hiện đại, hệ thống treo đóng vai trò then chốt trong việc liên kết đàn hồi giữa thân xe với các bánh xe, chịu trách nhiệm dập tắt các dao động bắt nguồn từ mấp mô mặt đường và phân bổ tải trọng khi vận hành. Một hệ thống treo lý tưởng phải đồng thời giải quyết hai yêu cầu kỹ thuật mang tính xung đột: tối ưu hóa độ êm dịu chuyển động cho hành khách (ride comfort) và duy trì tối đa độ ổn định, khả năng bám đường, kiểm soát hướng của phương tiện (handling and stability performance).

Hệ thống treo bị động truyền thống với các thông số độ cứng lò xo và hệ số cản giảm chấn cố định chỉ đem lại sự thỏa hiệp tĩnh, không thể thích ứng linh hoạt với các điều kiện vận hành thay đổi liên tục. Trước đòi hỏi ngày càng cao về tính năng an toàn chủ động và sự thoải mái của người lái, việc phát triển và ứng dụng hệ thống treo chủ động (Active Suspension System) trang bị cơ cấu chấp hành có thể sinh lực điều khiển theo thời gian thực trở thành một định hướng nghiên cứu cấp thiết.

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô với đề tài "Modeling, Simulating and Assessing Active Suspension System of Half-Car Model" (Mô hình hóa, mô phỏng và đánh giá hệ thống treo chủ động cho mô hình nửa xe) được thực hiện bởi nhóm sinh viên Nguyễn Trọng Vũ (MSSV: 19145006) và Nguyễn Hoàng Vũ (MSSV: 19145135), dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Mạnh Cường tại Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (bảo vệ tháng 07/2023).

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể gồm hai nội dung chính:

1. Xây dựng mô hình toán học và mô hình động lực học hoàn chỉnh cho hệ thống nửa xe (half-car model 4 bậc tự do), bao gồm đầy đủ động lực học thân xe, các phân hệ treo trước - sau và tương tác lốp - mặt đường để làm cơ sở phân tích hành vi dao động.
2. Thiết kế, cấu hình và đánh giá hiệu năng của bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) ứng dụng trên hệ thống treo chủ động của mô hình nửa xe, tập trung tối ưu hóa các tham số điều khiển nhằm triệt tiêu gia tốc thẳng đứng thân xe, giảm thiểu góc lắc dọc (pitch angle) và nâng cao khả năng ổn định động lực học.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung vào hệ thống treo ô tô du lịch (lấy hệ quy chiếu động lực học từ dòng xe Toyota Camry), khảo sát động lực học dao động dọc và dao động đứng thông qua mô hình nửa xe 4 bậc tự do (4-DOF). Phạm vi nghiên cứu được triển khai dựa trên phương pháp giải tích lý thuyết và mô phỏng số trên nền tảng phần mềm chuyên dụng (MATLAB/Simulink và CarSim).

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết động lực học và mô hình dao động nửa xe

Khung lý thuyết của đề tài dựa trên các nguyên lý cơ học chuyển động và động lực học ô tô nhiều vật (multi-body vehicle dynamics). Để cân bằng giữa độ chính xác động lực học và khối lượng tính toán, tác giả lựa chọn mô hình nửa xe (Half-car model) với 4 bậc tự do độc lập:

• Chuyển động tịnh tiến thẳng đứng của khối lượng được treo tại trọng tâm thân xe ($Z_s$).
• Chuyển động quay lắc dọc quanh trục ngang qua trọng tâm thân xe (góc pitch $\theta_s$).
• Chuyển động tịnh tiến thẳng đứng của khối lượng không được treo cầu trước ($Z_{uf}$).
• Chuyển động tịnh tiến thẳng đứng của khối lượng không được treo cầu sau ($Z_{ur}$).

Hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động của mô hình nửa xe có tích hợp lực điều khiển từ cơ cấu chấp hành chủ động ($F_{af}, F_{ar}$) được thiết lập như sau:

$$\begin{aligned} & m_s \ddot{Z}s + b{sf} (\dot{Z}{sf} - \dot{Z}{uf}) + k_{sf} (Z_{sf} - Z_{uf}) + b_{sr} (\dot{Z}{sr} - \dot{Z}{ur}) + k_{sr} (Z_{sr} - Z_{ur}) - F_{af} - F_{ar} = 0 \ & I_s \ddot{\theta}s + L_f [b{sf} (\dot{Z}{sf} - \dot{Z}{uf}) + k_{sf} (Z_{sf} - Z_{uf}) - F_{af}] - L_r [b_{sr} (\dot{Z}{sr} - \dot{Z}{ur}) + k_{sr} (Z_{sr} - Z_{ur}) - F_{ar}] = 0 \ & m_{uf} \ddot{Z}{uf} + b{sf} (\dot{Z}{uf} - \dot{Z}{sf}) + b_{tf} (\dot{Z}{uf} - \dot{Z}{rf}) + k_{sf} (Z_{uf} - Z_{sf}) + k_{tf} (Z_{uf} - Z_{rf}) + F_{af} = 0 \ & m_{ur} \ddot{Z}{ur} + b{sr} (\dot{Z}{ur} - \dot{Z}{sr}) + b_{tr} (\dot{Z}{ur} - \dot{Z}{rr}) + k_{sr} (Z_{ur} - Z_{sr}) + k_{tr} (Z_{ur} - Z_{rr}) + F_{ar} = 0 \end{aligned}$$

Trong đó:

• $m_s, I_s$: Khối lượng được treo của thân xe và mô-men quán tính đối với trục lắc dọc.
• $m_{uf}, m_{ur}$: Khối lượng không được treo tương ứng ở cầu trước và cầu sau.
• $k_{sf}, k_{sr}$: Hệ số độ cứng lò xo hệ thống treo trước và sau.
• $b_{sf}, b_{sr}$: Hệ số cản của giảm chấn hệ thống treo trước và sau.
• $k_{tf}, k_{tr}$: Độ cứng xuyên tâm của lốp trước và sau (đại diện cho phần tử đàn hồi lốp).
• $b_{tf}, b_{tr}$: Hệ số cản của lốp trước và sau.
• $L_f, L_r, L$: Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu trước, cầu sau và chiều dài cơ sở ($L = L_f + L_r$).
• $Z_{rf}, Z_{rr}$: Kích động mấp mô từ bề mặt biên dạng đường tác động lên bánh trước và bánh sau.

Hệ thống được chuyển đổi sang biểu diễn dạng không gian trạng thái (State-space representation) tiêu chuẩn phục vụ thiết kế bộ điều khiển:

$$\dot{x} = A x + B z_u + D z_r$$

Với vector biến trạng thái được chọn gồm 8 biến: $$x = \begin{bmatrix} \dot{x}{sf} & \dot{x}{uf} & \dot{x}{sr} & \dot{x}{ur} & x_{sf} & x_{uf} & x_{sr} & x_{ur} \end{bmatrix}^T$$ Vector tín hiệu điều khiển $z_u = \begin{bmatrix} F_{af} & F_{ar} \end{bmatrix}^T$ và vector kích động mặt đường $z_r = \begin{bmatrix} Z_{rf} & Z_{rr} \end{bmatrix}^T$. Ma trận trạng thái $A$ được cấu thành từ 4 ma trận khối con ($A_1, A_2, A_3, A_4$) chứa đầy đủ các thông số khối lượng, quán tính hình học và đặc tính cơ học của các cơ cấu đàn hồi, giảm chấn.

Thuật toán điều khiển PID

Bộ điều khiển PID liên tục tính toán giá trị sai số giữa đại lượng phản hồi đo được từ cảm biến (độ dịch chuyển tương đối giữa khối lượng được treo và không được treo) so với giá trị đặt mong muốn, từ đó sinh ra lực tác động $u(t)$ từ cơ cấu chấp hành:

$$u(t) = K_p e(t) + K_i \int_{0}^{t} e(\tau) d\tau + K_d \frac{de(t)}{dt}$$

Trong đó:

• $K_p$ (Proportional Gain): Tạo phản ứng điều khiển tỉ lệ thuận với sai số tức thời.
• $K_i$ (Integral Gain): Triệt tiêu triệt để sai số xác lập ở trạng thái tĩnh.
• $K_d$ (Derivative Gain): Dự đoán xu hướng biến thiên sai số, tạo hiệu ứng cản chống lại sự thay đổi đột ngột và dập tắt dao động quá độ.

Phương pháp nghiên cứu và nguồn dữ liệu

Đồ án áp dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp:

• Phương pháp giải tích và mô hình hóa toán học: Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động Lagrange/Newton-Euler cho hệ cơ học 4 bậc tự do.
• Phương pháp mô phỏng số và đồng mô phỏng (Co-simulation): Ứng dụng MATLAB/Simulink để xây dựng cấu trúc khối điều khiển giải thuật và CarSim để mô phỏng động lực học phi tuyến của toàn bộ phương tiện dưới các bài kiểm tra tiêu chuẩn.
• Nguồn dữ liệu tham chiếu: Thông số kỹ thuật động lực học, kích thước hình học và khối lượng được trích xuất từ cấu hình dòng xe du lịch Toyota Camry (các phiên bản LE, XLE, SE, XSE, TRD).

Tiêu chí phân loại	Hệ thống treo Bị động (Passive)	Hệ thống treo Bán chủ động (Semi-Active)	Hệ thống treo Chủ động (Active)
Cơ cấu điều khiển	Không có (thông số cố định)	Giảm chấn thay đổi tiết diện dầu/từ biến	Cơ cấu chấp hành thủy lực/điện cơ
Khả năng điều chỉnh	Không thể thay đổi theo thời gian thực	Thay đổi được lực cản giảm chấn	Thay đổi độc lập cả lực, độ cứng và chiều cao gầm
Năng lượng tiêu thụ	Không tiêu thụ năng lượng ngoài	Tiêu thụ mức năng lượng rất thấp	Tiêu thụ công suất tương đối lớn
Thời gian đáp ứng	Phụ thuộc hoàn toàn vào kích động	Nhanh, thích ứng theo chế độ lái	Tức thời, có thể kết hợp cảm biến quét trước
Mức độ êm dịu	Bị giới hạn bởi sự thỏa hiệp thiết kế	Cải thiện đáng kể so với hệ bị động	Tối ưu hóa vượt trội trên mọi dải tần số dao động

---

Thiết kế và triển khai mô hình mô phỏng

Kiến trúc mô hình hóa trên MATLAB/Simulink

Mô hình mô phỏng trên nền tảng Simulink được nhóm tác giả module hóa thành các khối chức năng liên kết chặt chẽ:

• Vehicle Center Subsystem Block: Tính toán động lực học dịch chuyển đứng của trọng tâm ($Z_s$) và dao động góc lắc dọc ($\theta_s$) dựa trên tổng hợp lực từ hệ thống treo trước và sau.
• Front / Rear Sprung Subsystem Blocks: Tiếp nhận chuyển động từ thân xe, tính toán tọa độ dịch chuyển và vận tốc của các điểm liên kết treo phía trước và phía sau ($Z_{sf}, Z_{sr}, \dot{Z}{sf}, \dot{Z}{sr}$).
• Front / Rear Unsprung Subsystem Blocks: Mô phỏng động lực học của cụm moay-ơ bánh xe, lốp xe và phản lực đàn hồi lốp dưới tác động của mấp mô mặt đường ($Z_{rf}, Z_{rr}$).
• PID Controller Subsystems: Hai vòng lặp điều khiển PID độc lập cho cầu trước và cầu sau tiếp nhận tín hiệu sai lệch vị trí tương đối giữa phần treo và không treo, qua đó tính toán và cấp dòng lệnh lực điều khiển tác động ($F_{af}, F_{ar}$) phản hồi trực tiếp vào hệ thống.

                    [ Mặt đường (Zrf, Zrr) ]

Thiết lập đồng mô phỏng trên phần mềm CarSim

Quy trình thiết lập môi trường đồng mô phỏng CarSim - Simulink bao gồm:

1. Cấu hình phương tiện: Thiết lập cơ sở dữ liệu xe nguyên bản (Base vehicle dataset) với hệ thống treo bị động tiêu chuẩn và xe tích hợp hệ thống treo điều khiển chủ động/bán chủ động.
2. Khai báo liên kết I/O: Xuất các biến trạng thái động lực học từ CarSim sang Simulink (độ võng hệ thống treo, vận tốc dao động đứng, góc lắc) và nhập trở lại các vector lực điều khiển từ cơ cấu chấp hành trong Simulink vào mô hình CarSim thông qua file cấu hình Parsfile.
3. Kịch bản kiểm thử mô phỏng (Test Scenarios):
   • Cross Slope Test: Đánh giá phản ứng động lực học của xe khi vận hành qua bề mặt dốc nghiêng ngang đột ngột, kiểm tra độ ổn định thân xe và dao động góc nghiêng.
   • Sine Sweep Test: Kích động mặt đường biến thiên tần số liên tục theo hàm điều hòa để kiểm tra dải tần số cộng hưởng của hệ thống treo, biên độ khuếch đại dao động và khả năng triệt tiêu rung động ở các dải vận tốc khác nhau.
4. Quan sát trực quan: Sử dụng công cụ VS Visualizer của CarSim để theo dõi chuyển động 3D thời gian thực của xe đồng bộ với các đồ thị trích xuất dữ liệu.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chapter 1: Overview

Chương 1 cung cấp cái nhìn tổng quan về lịch sử phát triển của ngành công nghiệp ô tô từ các phương tiện chạy bằng hơi nước sơ khai (phát minh của Nicolas-Joseph Cugnot năm 1769), động cơ đốt trong de Rivas, Samuel Brown, Carl Benz cho đến dấu mốc sản xuất hàng loạt trên dây chuyền lắp ráp của dòng xe Ford Model T năm 1908. Tiếp đó, tác giả khảo sát chi tiết dòng sedan Toyota Camry qua các thế hệ và phiên bản đặc trưng (LE 2.5L công suất 203 mã lực, XLE tiện nghi, SE/XSE thể thao với hệ thống treo tinh chỉnh cứng vững hơn, và TRD trang bị động cơ 3.5L V6 công suất 301 mã lực).

Phần trọng tâm của chương tập trung phân tích kết cấu và phân loại hệ thống treo ô tô:

• Cấu trúc cơ bản: Bộ phận đàn hồi (lò xo lá, lò xo trụ, thanh xoắn, bóng khí nén), bộ phận dẫn hướng và bộ phận giảm chấn thủy lực.
• Phân loại theo kết cấu lắp ghép:
  • Hệ thống treo phụ thuộc: Dầm xoắn (Twist-beam), cầu cứng (Solid axle/Live axle) với ưu điểm kết cấu đơn giản, độ bền cao, chịu tải tốt nhưng kém êm dịu và dễ truyền rung động liên đới giữa hai bánh.
  • Hệ thống treo độc lập: MacPherson (kết cấu gọn nhẹ, tiết kiệm không gian khoang động cơ dẫn động cầu trước), tay đòn kép Double-wishbone (tối ưu hóa động học góc đặt bánh xe khi vào cua, kiểm soát tốt lực ngang) và liên kết đa điểm Multi-link (độ chính xác dẫn hướng và độ êm dịu tối ưu nhưng cấu tạo phức tạp, chi phí cao).
• Phân loại theo mức độ điều khiển: Phân tích bản chất hoạt động, ưu nhược điểm của 3 dạng hệ thống treo Bị động (Passive), Bán chủ động (Semi-Active) và Chủ động (Active).

Chapter 2: Theoretical Basis

Chương 2 thiết lập nền tảng toán học và lý thuyết điều khiển tự động cho các mô hình dao động ô tô:

• Mô hình toàn xe (Full-car model 10 bậc tự do): Khái quát cấu trúc không gian đầy đủ bao gồm dao động đứng, góc lắc dọc (pitch), góc lắc ngang (roll), cùng các bậc tự do độc lập tại 4 cụm bánh xe và hệ thống lái/phanh liên kết.
• Mô hình một phần tư xe (Quarter-car model 1 bậc tự do và 2 bậc tự do): Phân tích tương tác cơ bản giữa 1 bánh xe, phần tử đàn hồi, giảm chấn và khối lượng được treo.
• Mô hình nửa xe (Half-car model 4 bậc tự do): Trình bày chi tiết quá trình lập phương trình cân bằng lực và mô-men tĩnh/động cho chuyển động đứng và lắc dọc. Xây dựng không gian trạng thái với hệ ma trận $A, B, D$ đầy đủ.
• Nguyên lý điều khiển PID: Phân tích chức năng toán học của các khâu tỉ lệ ($K_p$), tích phân ($K_i$), vi phân ($K_d$), nguyên lý điều khiển phản hồi vòng kín dựa trên sai số khoảng cách giữa khối lượng được treo và không được treo để điều khiển lực sinh ra bởi bộ chấp hành.

Chapter 3: Introduction to Softwares & Model Simulation Setup

Chương 3 giới thiệu chi tiết về công cụ phần mềm và quy trình thiết lập mô hình thực nghiệm số:

• Phần mềm MATLAB/Simulink: Các khối thư viện toán học, giải thuật tích phân số, cơ chế xây dựng hệ thống điều khiển phản hồi PID và tổ chức các Subsystem.
• Phần mềm CarSim: Giới thiệu cấu trúc cơ sở dữ liệu Parsfile, giao diện Run Control, cơ chế quản lý liên kết dữ liệu màu xanh (Blue link), bộ xuất dữ liệu Echo file và môi trường trực quan hóa đồ họa VS Visualizer.
• Thiết lập mô phỏng: Trình bày chi tiết sơ đồ khối kết nối giữa 5 khối Subsystem trong Simulink, quy trình gán thông số hình học/khối lượng/độ cứng của xe, thiết lập tham số bộ điều khiển PID cầu trước/cầu sau và cấu hình mô hình bán chủ động/chủ động giao tiếp hai chiều với CarSim.

Chapter 4: Result and Assessment

Chương 4 thực hiện trích xuất, phân tích và so sánh đối chứng các kết quả đồ thị đáp ứng thu được từ hai môi trường MATLAB/Simulink và CarSim:

• Đồ thị dao động góc lắc dọc của thân xe (Pitch angle of sprung masses).
• Đồ thị dao động góc lắc ngang của thân xe (Roll angle of sprung masses).
• Đồ thị gia tốc dao động thẳng đứng tại trọng tâm khối lượng được treo (Vertical acceleration of sprung mass center of gravity).
• Đánh giá định tính và định lượng mức độ suy giảm biên độ dao động, thời gian dập tắt quá độ của hệ thống treo chủ động điều khiển PID so với hệ thống treo bị động tiêu chuẩn.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu chính

Thông qua việc mô phỏng trên Simulink và đồng mô phỏng trên CarSim dưới các điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn (Cross slope test và Sine sweep test), đồ án ghi nhận các kết quả kỹ thuật:

1. Kiểm soát gia tốc thẳng đứng ($Z_s$): Hệ thống treo chủ động tích hợp bộ điều khiển PID giúp làm giảm đáng kể biên độ gia tốc thẳng đứng tại trọng tâm thân xe so với hệ thống treo bị động. Đỉnh gia tốc dao động quá độ khi xe đi qua mấp mô được triệt tiêu nhanh chóng, giúp giảm lực xung kích tác dụng lên hành khách.
2. Kiểm soát góc lắc dọc ($\theta_s$): Trong các bài thử nghiệm dao động tần số quét (Sine sweep test), biên độ góc lắc dọc của thân xe có hệ thống treo chủ động được khống chế ở mức thấp hơn rõ rệt so với hệ thống nguyên bản, ngăn chặn hiện tượng chúi đầu khi phanh hoặc ngửa đuôi khi tăng tốc.
3. Ổn định góc lắc ngang (Roll angle): Trong bài thử nghiệm dốc nghiêng ngang (Cross slope test), hệ thống treo chủ động phản ứng nhanh nhạy, sinh lực cân bằng giúp giảm biên độ nghiêng thân xe, duy trì sự cân bằng động lực học của khung vỏ và giữ diện tích tiếp xúc của lốp xe với mặt đường tối ưu hơn.

Đóng góp của đề tài

• Về mặt học thuật: Cung cấp quy trình mô hình hóa toán học tường minh từ hệ phương trình vi phân chuyển động 4 bậc tự do đến hệ không gian trạng thái chuẩn tắc cho mô hình nửa xe ô tô du lịch.
• Về mặt kỹ thuật ứng dụng: Xây dựng thành công quy trình đồng mô phỏng (Co-simulation) hai chiều hoàn chỉnh giữa MATLAB/Simulink và CarSim. Đây là phương pháp tiếp cận hiện đại trong công nghiệp ô tô, cho phép kiểm chứng giải thuật điều khiển điều khiển học trên mô hình động lực học phi tuyến đa vật thể sát với thực tế mà không đòi hỏi chi phí chế tạo mẫu thử cơ khí đắt đỏ.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

Nhóm tác giả đã thẳng thắn chỉ ra các giới hạn kỹ thuật tồn tại trong khuôn khổ nghiên cứu:

• Lược giản hóa mô hình: Việc sử dụng mô hình nửa xe (Half-car model) chỉ phản ánh động lực học phẳng trong mặt phẳng dọc và đứng, chưa bao quát được các hiện tượng tương tác phi tuyến phức tạp trong không gian 3 chiều (như động lực học quay vòng kết hợp lắc ngang phức tạp của mô hình toàn xe 10 bậc tự do).
• Giả định điều kiện lý tưởng: Quá trình tính toán giả định tín hiệu đo từ cảm biến là hoàn hảo, tức thời, không bị ảnh hưởng bởi nhiễu môi trường, độ trễ truyền thông hoặc trễ pha động học của cơ cấu chấp hành thủy lực/điện cơ.
• Phạm vi thuật toán: Đề tài chỉ tập trung khảo sát thuật toán PID tuyến tính kinh điển. Dù PID dễ triển khai nhưng chưa thể đạt hiệu năng tối ưu tuyệt đối trong mọi vùng làm việc phi tuyến mạnh của hệ thống treo khi đối mặt với kích động mặt đường ngẫu nhiên phức tạp.
• Phương pháp thực nghiệm: Đánh giá mới chỉ dừng lại ở mức độ tính toán lý thuyết và mô phỏng số trên máy tính, chưa có điều kiện kiểm chứng thực tế trên mô hình băng thử phần cứng (Hardware-in-the-loop) hoặc xe thử nghiệm thực địa.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

• Nâng cấp mô hình toán học lên mô hình toàn xe (Full-car model 10-DOF) có tích hợp đầy đủ hệ thống lái, hệ thống phanh và động học lốp phi tuyến đa chiều.
• Mở rộng nghiên cứu và so sánh hiệu năng của các giải thuật điều khiển hiện đại, phi tuyến hoặc thích nghi như: Điều khiển tối ưu LQR/LQG, Điều khiển trượt (Sliding Mode Control - SMC), Điều khiển dự báo mô hình (Model Predictive Control - MPC), hoặc Điều khiển mờ thông minh (Fuzzy Logic Control).
• Xây dựng mô hình phần cứng trong vòng lặp (Hardware-in-the-loop - HIL) hoặc chế tạo mô hình thực nghiệm trên băng thử thủy lực để đánh giá đáp ứng trễ thực tế của cơ cấu chấp hành và độ nhiễu của cảm biến.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao đối với:

• Sinh viên và học viên cao học ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Là tài liệu mẫu mực về phương pháp xây dựng phương trình động lực học hệ nhiều vật và chuyển đổi sang không gian trạng thái.
• Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) trong lĩnh vực mô phỏng ô tô: Cung cấp hướng dẫn chi tiết về phương pháp thiết lập liên kết đồng mô phỏng giữa CarSim và MATLAB/Simulink thông qua việc truyền nhận tín hiệu qua file Parsfile và cấu hình khối I/O.
• Các đề tài nghiên cứu liên quan đến điều khiển dao động: Cung cấp cơ sở dữ liệu tham số động lực học xe du lịch (Toyota Camry) và cấu trúc phân chia các khối chức năng dao động (Sprung/Unsprung Subsystems) có thể tái sử dụng trực tiếp trong các nghiên cứu phát triển thuật toán điều khiển mới.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn mô hình nửa xe (Half-car model) thay vì mô hình 1/4 xe hay mô hình toàn xe?

Mô hình một phần tử 1/4 xe (Quarter-car model) chỉ cho phép khảo sát dao động thẳng đứng tại một bánh riêng lẻ, không thể mô tả được dao động lắc dọc (pitch motion) phát sinh khi xe tăng tốc, phanh hoặc vượt qua mấp mô so le giữa cầu trước và cầu sau. Ngược lại, mô hình toàn xe (Full-car model 10-DOF) lại quá phức tạp với nhiều tham số phi tuyến, gây khó khăn cho việc thiết lập không gian trạng thái và tối ưu hóa giải thuật điều khiển ban đầu. Mô hình nửa xe 4 bậc tự do là giải pháp trung gian tối ưu, vừa phản ánh đầy đủ động lực học chuyển động đứng và lắc dọc của thân xe, vừa đảm bảo khối lượng tính toán khả thi cho việc thiết kế bộ điều khiển.

2. Bộ điều khiển PID trong đồ án tiếp nhận tín hiệu đầu vào là gì và sinh ra tín hiệu điều khiển nào?

Bộ điều khiển PID trong đồ án sử dụng tín hiệu phản hồi đầu vào là sai lệch độ dịch chuyển tương đối giữa khối lượng được treo (thân xe) và khối lượng không được treo (cụm bánh xe) đo được từ cảm biến tại vị trí cầu trước và cầu sau. Tín hiệu đầu ra được xử lý qua 3 khâu tỉ lệ, tích phân và vi phân để tạo ra tín hiệu điều khiển lực tác động ($F_{af}$ cho cơ cấu chấp hành trước và $F_{ar}$ cho cơ cấu chấp hành sau) nhằm chủ động triệt tiêu các lực kích động từ mặt đường truyền lên thân xe.

3. Phương pháp đồng mô phỏng giữa MATLAB/Simulink và CarSim được thực hiện theo cơ chế nào?

Quá trình đồng mô phỏng được thực hiện theo cơ chế giao tiếp hai chiều thời gian thực. Mô hình phương tiện toàn diện và môi trường đường thử được cấu hình trong CarSim. Khi chạy mô phỏng, CarSim trích xuất liên tục các biến trạng thái động lực học (như độ võng, vận tốc dao động) gửi sang mô hình Simulink qua khối liên kết. Tại Simulink, thuật toán PID xử lý sai số và tính toán lực điều khiển $F_a$, sau đó truyền ngược lại CarSim qua cấu hình file dữ liệu Parsfile để tác động trực tiếp vào hệ thống treo của xe trong không gian mô phỏng 3D của VS Visualizer.

4. Dòng xe nào được tác giả sử dụng làm đối tượng tham chiếu kích thước và thông số trong đồ án?

Nhóm tác giả sử dụng dòng xe du lịch Toyota Camry (với các phiên bản LE 2.5L, XLE, SE, XSE và TRD 3.5L V6) làm đối tượng tham chiếu kỹ thuật. Các thông số về chiều dài cơ sở, phân bố khoảng cách trọng tâm đến các trục ($L_f, L_r$), khối lượng thân xe ($m_s$) và đặc tính kết cấu hệ thống treo thực tế của dòng xe này được sử dụng để nạp vào hệ phương trình vi phân và thiết lập mô hình xe cơ sở trong CarSim.

5. Hai bài kiểm tra mô phỏng chính được sử dụng để đánh giá hệ thống treo trong đồ án là gì?

Hai bài kiểm tra chính được thực hiện trong CarSim gồm:

• Cross Slope Test (Thử nghiệm dốc nghiêng ngang): Khảo sát khả năng tự cân bằng, triệt tiêu góc nghiêng lắc ngang và duy trì ổn định của xe khi đi qua mặt đường có độ dốc ngang thay đổi đột ngột.
• Sine Sweep Test (Thử nghiệm kích động quét sóng sin): Khảo sát đáp ứng tần số và khả năng dập tắt dao động của hệ thống treo khi tần số kích động mấp mô mặt đường tăng dần theo thời gian, giúp xác định dải tần số cộng hưởng và đánh giá độ êm dịu tổng thể.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Trọng Vũ và Nguyễn Hoàng Vũ đã hoàn thành xuất sắc việc xây dựng mô hình toán học 4 bậc tự do và thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống treo chủ động trên mô hình nửa xe ô tô. Thông qua giải pháp đồng mô phỏng hiện đại kết hợp giữa MATLAB/Simulink và phần mềm CarSim, công trình đã chứng minh tính hiệu quả vượt trội của hệ thống treo chủ động trong việc giảm thiểu gia tốc dao động đứng và khống chế góc lắc dọc thân xe so với hệ thống treo bị động truyền thống. Kết quả nghiên cứu là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và thực tiễn cao cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư trong lĩnh vực nghiên cứu, thiết kế và tối ưu hóa hệ thống điều khiển động lực học ô tô.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY FOR HIGH QUALITY TRAINING GRADUATION THESIS AUTOMOTIVE ENGINEERING MODELING, SIMULATING AND ASSESSING ACTIVE SUSPENSION SYSTEM OF HALF-CAR MODEL ADVISOR : Ph. NGUYEN MANH CUONG STUDENTS: NGUYEN TRONG VU NGUYEN HOANG VU SKL010772 Ho Chi Minh City, July 2023 HO CHI MINH UNIVERSITY OF TECHNOLODY AND EDUCATION FACULTY FOR HIGH QUALITY TRAINING GRADUATION THESIS MODELING, SIMULATING AND ASSESSING ACTIVE SUSPENSION SYSTEM OF HALF-CAR MODEL STUDENT NAME: STUDENT ID NGUYEN TRONG VU 19145006 NGUYEN HOANG VU 19145135 School year: 2019 - 2023 Major: Automotive Engineering Technology SUPERVISOR: Ph.D NGUYEN MANH CUONG Ho Chi Minh city, July 2023 THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, July , 2023 GRADUATION PROJECT ASSIGNMENT Student name: _________________________ Student ID: ___________________ Student name: __________________________ Student ID: ___________________ Student name: __________________________ Student ID: ___________________ Major: ________________________________ Class: ________________________ Advisor: ____________________________ Phone number: _________________ Date of assignment: _____________________ Date of submission: _____________ 1. Initial materials provided by the advisor: ___________________________________ 3. Content of the project: _________________________________________________ 4.

Final product: ________________________________________________________ CHAIR OF THE PROGRAM ADVISOR (Sign with full name) (Sign with full name) i THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, July , 2023 ADVISOR’S EVALUATION SHEET Student name:. Content of the project:. Approval for oral defense? (Approved or denied) .) Ho Chi Minh City, month day, year ADVISOR (Sign with full name) ii THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, July , 2023 PRE-DEFENSE EVALUATION SHEET Student name:. Name of Reviewer:.

Content and workload of the project. Approval for oral defense? (Approved or denied) .) Ho Chi Minh City, month day, year REVIEWER (Sign with full name) iii THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- EVALUATION SHEET OF DEFENSE COMMITTEE MEMBER Student name:. Name of Defense Committee Member:. Content and workload of the project .) Ho Chi Minh City, month day, year COMMITTEE MEMBER (Sign with full name) iv ACKNOWLEDGMENT We would like to express our sincere gratitude to all those who have supported and contributed to the successful completion of our graduation thesis titled "Modeling, simulating, and assessing of PID controller-based active suspension system for a half- car model." With deep gratitude, we would like to express our thanks: • First and foremost, we are deeply indebted to our thesis advisor, PhD.

Nguyen Manh Cuong, for his invaluable guidance, expertise, and unwavering support throughout the entire research process. His deep understanding of the subject matter and insightful suggestions have been instrumental in shaping this thesis and enhancing its quality. • We would also like to extend our appreciation to the Faculty for High Quality training. Their comprehensive curriculum, rigorous academic standards, and intellectual environment have provided us with a solid foundation upon which we have built our research.

• Furthermore, we are grateful to the teachers in the examination committee for their comments so that we can improve the writing in the best way. Their cooperation and enthusiasm have greatly contributed to the robustness and reliability of the results. • Additionally, I would like to thank my friends and family for their constant encouragement, understanding, and support throughout this challenging endeavor. Their unwavering belief in my abilities has been a constant source of motivation.

• Finally, I would like to express my heartfelt appreciation to the numerous researchers, authors, and scholars whose works have formed the basis of my literature review. Their pioneering contributions to the field have inspired me and shaped my understanding of the subject matter. This graduation thesis, titled "Modeling, simulating, and assessing of PID controller-based active suspension system for a half-car model," is the result of original research conducted by Nguyen Trong Vu and Nguyen Hoang Vu at Ho Chi Minh University of Technology and Education. The intellectual property rights and copyright of this thesis are owned by Nguyen Trong Vu and Nguyen Hoang Vu.

All materials and data presented in this thesis, including textual content, figures, tables, and simulations, are protected under copyright laws. No part of this thesis may be reproduced, distributed, or transmitted in any form or by any means, including electronic, mechanical, photocopying, recording, or otherwise, without the prior written permission of the author. v INTRODUCTION − The Urgency of the Topic: The topic of modeling, simulating, and assessing a PID controller-based active suspension system for a half-car model holds significant importance in the field of automotive engineering. With the constant evolution of vehicle technologies and the increasing demand for improved ride comfort and handling performance, the development of efficient suspension systems has become a pressing concern.

A well- designed suspension system not only ensures passenger comfort but also plays a crucial role in vehicle stability, road handling, and overall safety. Therefore, it is imperative to explore and optimize suspension control strategies to meet the ever-growing expectations of vehicle performance and safety. − Research Objectives: The primary objectives of this research are twofold. Firstly, it aims to develop a comprehensive model of a half-car system, encompassing the dynamics of the vehicle body, suspension components, and tire-road interaction.

This model will serve as the basis for studying the behavior of the active suspension system under various operating conditions. Secondly, the research aims to design and evaluate a PID controller-based active suspension system for the half-car model. The focus will be on optimizing the controller parameters to achieve improved ride comfort and enhanced handling performance. − Research Content: The research will be divided into several key areas: • Firstly, a detailed review of the existing literature will be conducted to understand the fundamental principles and state-of-the-art techniques related to active suspension systems and PID control.

This literature review will lay the foundation for the subsequent stages of the research. • Next, a dynamic model of the half-car system will be developed, considering the vehicle body, suspension subsystems, and tire dynamics. This model will incorporate the various mechanical and electrical components that constitute the active suspension system, enabling a comprehensive analysis of its behavior. • Subsequently, a PID controller will be designed to regulate the suspension system's response and enhance its performance.

The tuning of the PID controller parameters will be carried out using appropriate optimization algorithms to achieve the desired objectives of ride comfort and handling performance. • To validate the effectiveness of the developed active suspension system, simulations will be performed under different road conditions and driving scenarios. The performance metrics, such as suspension deflection, body acceleration, tire deflection, and road holding, will be evaluated and compared with those of traditional passive vi suspension systems. − Research Methods: The research will primarily employ a combination of theoretical analysis, computer simulations, and experimental validation.

Theoretical analysis will involve studying the principles and mathematical models of active suspension systems, PID control, and vehicle dynamics. Computer simulations using specialized software tools will be conducted to evaluate the performance of the active suspension system under various scenarios and to optimize the controller parameters. − Limitations of the Topic: • It is essential to acknowledge certain limitations associated with this research. Firstly, the focus will be primarily on a half-car model, which represents only a simplified representation of a full vehicle.

While this approach allows for more manageable analysis and simulation, it may not capture all the complexities and interactions present in real-world situations. Additionally, the research will assume ideal conditions and perfect sensor measurements, which may not accurately reflect the practical implementation challenges and limitations. • Moreover, the research will primarily concentrate on the PID control strategy, which is a widely used and well-established approach. However, other advanced control techniques and strategies, such as model predictive control or adaptive control, which may offer further improvements, will not be extensively explored within the scope of this study.

• Lastly, the research will be limited to a theoretical and simulation-based investigation. While efforts will be made to validate the findings through experimental testing, the real-world application and implementation of the active suspension system may introduce additional factors and uncertainties that are beyond the scope of this research. Despite these limitations, this research endeavors to contribute to the existing knowledge base in the field of active suspension systems and PID control, providing insights and guidelines for the design and implementation of improved suspension systems that offer enhanced ride comfort and handling performance. In conclusion, the urgency of this research topic lies in the growing demand for advanced suspension systems that can optimize ride comfort and handling performance in vehicles.

By developing a comprehensive model, designing a PID controller-based active suspension system, and evaluating its performance, this research aims to contribute to the advancement of automotive engineering and promote safer and more comfortable rides for passengers. vii TABLE OF CONTENT ACKNOWLEDGMENT. VI TABLE OF FIGURES. Overview of automotive:.

Overview of Camry models of Toyota:. Overview of suspension system:. Objective of the suspension system:. Requirements of suspension system:.

Structure of suspension system:. Classification based on assembly:. Twist-beam suspension (Torsion suspension):. Solid axle suspension (Live axle):.

Double-wishbone suspension (Double-A Arm suspension):. Multi-link suspension:. Advantages and disadvantages of dependent and independent suspension:. Classification based on the level of control and adjustability:.

Semi-Active Suspension:. Working principle of suspension system:. Full car model of active suspension system. Quarter-car model of active suspension system:.

Half-car model of active suspension system. Introduction to PID controller:. 38 INTRODUCTION TO SOFTWARES. Introduction to matlab/Simulink.

What is Matlab/Simulink?. Basic use of Matlab/Simulink. Introduction to CarSim. What is CarSim?.

Basic use of Carsim. Model simulation setup. Setup in Matlab/Simulink:. 65 RESULT AND ASSESSMENT.

Graphs plot from Matlab/Simulink:. Graphs plot from CarSim:. 75 ix TABLE OF FIGURES Figure 1. 1 Steam-powered vehicle.

2 Nicolas-Joseph Cugnot. 3 de Rivas engine. 7 Toyota Camry LE 2. 8 Toyota Camry XLE.

9 Toyota Camry SE. 10 Toyota Camry XSE. 11 Toyota Camry TRD. 13 Suspension system components.

14 Twist-beam suspension components. 15 Twist-beam rear suspension of Audi A1. 16 Solid axle suspension components. 17 3-D solid axle suspension.

18 MacPherson strut components. 19 Double-wishbone suspension components. 20 Multi-link suspension components. 1 Full car model with ten degrees of freedom.

2 Quarter-car model with one degree of freedom. 3 Quarter-car model with one degree of freedom with actuator. 4 Half-car model with four degrees of freedom. 5 Half-car model with four degrees of freedom with actuator.

6 PID controller diagram. 1 The original display of MATLAB. 2 Options of SIMULINK. 5 Parametric and tabular data used in CarSim.

6 Viewing synchronized video and plot of CarSim vehicle with VS Visualizer. 7 The Run Control screen in CarSim (Windows). 8 Drop-down control for View options. 9 Portion of Echo file listing all simulation data.

10 Blue link to another dataset. 11 A Vehicle: Assembly dataset used in the example simulation setup. 12 Libraries available for a blue link. 13 Datasets in the linked library.

14 The dataset for each screen is contained in a Parsfile. 15 VS Visualizer interactive controls. 16 VS Visualizer shows. 17 Half-car suspension with PID controller.

18 Rear unsprung subsystem block. 19 Front unsprung subsystem block. 20 Rear sprung subsystem block. 21 Front sprung subsystem block.

22 Vehicle center subsystem block. 23 Set up parameters. 24 Set up PID parameters for front vehicle. 25 Set up PID parameters for rear vehicle.

26 Vehicle setup in CarSim. 27 Vehicle specifications in CarSim. 28 Simulation of vehicle has semi-active suspension setup in CarSim. 29 Semi-active model in Simulink sent from CarSim.

30 Simulation of base model vehicle setup in CarSim .