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 3 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 m b zb c dt zb zw k zb z w (1.1) m z c d z z k z z k z z w w dt b w b w t w r Trong phƣơng trình này, sự thay đổi dịch chuyển của thân xe bị ảnh hƣởng của 4 dao động từ bánh xe, nói cách khác, sự thay đổi của dịch chuyển thân xe đƣợc đánh giá thông qua giới hạn của không gian treo (hiệu zb-zw). 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: mb zb c zb zr k zb zr (1.2) 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 (1.3) kt k 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 k (1.4) 2 mb 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] : 1 k kt w (1.5) 2 mw Hệ số giảm chấn ở tần số cơ bản thƣờng là khoảng =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 6 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.
