Luận án tiến sĩ về điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo bán tích cực ô tô con

Luận án tiến sĩ nghiên cứu về điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo bán tích cực trên ô tô con, nâng cao hiệu suất và an toàn.

• Tác giả: Nguyễn Trung Kiên
• Người hướng dẫn: PGS.TS Đàm Hoàng Phúc
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Điều Khiển Giảm Chấn Từ Trường Trong Hệ Thống Treo 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
• MỤC LỤC
• 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
• 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
• 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
• 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
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• PHỤ LỤC 4: Chƣơng trình giao diện hiển thị

Tóm tắt

I. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Nghiên cứu về hệ thống treo ô tô đã có những bước tiến đáng kể trong những năm gần đây. Đặc biệt, việc áp dụng công nghệ điều khiển điện tử vào hệ thống treo đã mở ra nhiều hướng đi mới cho việc nâng cao hiệu suất và sự thoải mái khi lái xe. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng giảm chấn ô tô truyền thống có những hạn chế nhất định, đặc biệt là trong việc điều chỉnh độ cứng và khả năng dập tắt dao động. Do đó, việc phát triển các hệ thống treo điều khiển điện tử, đặc biệt là hệ thống treo bán tích cực, đã trở thành một xu hướng quan trọng. Hệ thống này cho phép điều chỉnh giảm chấn từ trường theo thời gian thực, từ đó cải thiện khả năng dập tắt dao động và giảm lực tác động từ mặt đường lên thân xe.

1.1 Động lực học hệ thống treo

Mô hình động lực học của hệ thống treo thường được xây dựng dựa trên các khái niệm vật lý cơ bản. Mô hình ¼ của hệ thống treo cho phép phân tích các lực tác động lên khung xe, bao gồm lực trọng trường, lực lò xo và lực giảm chấn. Các phương trình chuyển động được thiết lập để mô tả sự tương tác giữa các thành phần của hệ thống treo. Việc sử dụng mô hình 1 khối lượng giúp đơn giản hóa quá trình tính toán và phân tích, từ đó dễ dàng xác định các thông số chuyển động của thân xe. Đặc biệt, việc áp dụng các mô hình lốp xe hiện đại như mô hình “magic formula” đã giúp nâng cao độ chính xác trong việc mô phỏng động lực học của lốp xe, từ đó cải thiện chất lượng chuyển động của ô tô.

1.2 Công nghệ giảm chấn từ trường

Công nghệ giảm chấn từ trường (MR) đã được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây. Giảm chấn từ trường sử dụng chất lỏng từ tính để điều chỉnh độ cản giảm chấn, cho phép hệ thống có khả năng phản ứng nhanh chóng với các thay đổi trong điều kiện đường xá. Việc áp dụng công nghệ giảm chấn này không chỉ giúp cải thiện sự thoải mái khi lái xe mà còn nâng cao tính ổn định của xe trong các tình huống khẩn cấp. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng giảm chấn từ trường có thể giảm đáng kể độ dịch chuyển của thân xe và thời gian dập tắt dao động, từ đó nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống treo.

II. Xây dựng mô hình

Việc xây dựng mô hình cho hệ thống treo ô tô là một bước quan trọng trong nghiên cứu. Mô hình này không chỉ giúp phân tích động lực học mà còn hỗ trợ trong việc thiết kế và tối ưu hóa công nghệ giảm chấn. Mô hình ¼ và ½ của hệ thống treo được sử dụng để mô phỏng các đặc tính của giảm chấn từ trường. Các thông số như độ cứng của lò xo và hệ số cản giảm chấn được xác định dựa trên các tiêu chí kỹ thuật cụ thể. Mô hình này cho phép đánh giá hiệu quả của giảm chấn từ trường trong việc dập tắt dao động và giảm lực tác động từ mặt đường lên thân xe.

2.1 Mô hình hệ thống treo toàn xe

Mô hình hệ thống treo toàn xe được xây dựng dựa trên các yếu tố như khối lượng, độ cứng và hệ số cản. Mô hình này cho phép phân tích toàn diện các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống treo. Việc sử dụng các phương trình động lực học giúp xác định các lực tác động lên khung xe và bánh xe, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu cho việc điều chỉnh giảm chấn từ trường. Mô hình này cũng giúp đánh giá khả năng dập tắt dao động của hệ thống treo trong các điều kiện khác nhau.

2.2 Mô hình tham số giảm chấn MR

Mô hình tham số cho giảm chấn MR được xây dựng để mô phỏng các đặc tính của chất lỏng từ tính. Các thông số như độ nhớt và cấu trúc của chất lỏng được xác định để đảm bảo tính chính xác trong mô phỏng. Mô hình này cho phép đánh giá hiệu quả của giảm chấn từ trường trong việc điều chỉnh độ cản giảm chấn theo thời gian thực. Việc áp dụng mô hình này giúp nâng cao khả năng dập tắt dao động và giảm lực tác động từ mặt đường lên thân xe, từ đó cải thiện sự thoải mái khi lái xe.

III. Xây dựng thiết kế bộ điều khiển

Bộ điều khiển cho hệ thống treo là một phần quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của giảm chấn từ trường. Việc thiết kế bộ điều khiển LQR và LQG giúp nâng cao khả năng điều chỉnh độ cản giảm chấn theo thời gian thực. Các thuật toán điều khiển này cho phép hệ thống phản ứng nhanh chóng với các thay đổi trong điều kiện đường xá, từ đó cải thiện khả năng dập tắt dao động và giảm lực tác động từ mặt đường lên thân xe. Việc áp dụng bộ điều khiển này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí cho hệ thống điều khiển.

3.1 Bộ điều khiển LQR

Bộ điều khiển LQR được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống treo. Thuật toán này cho phép điều chỉnh độ cản giảm chấn dựa trên các thông số trạng thái của hệ thống. Việc áp dụng bộ điều khiển LQR giúp nâng cao khả năng dập tắt dao động và giảm lực tác động từ mặt đường lên thân xe. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng bộ điều khiển LQR có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của giảm chấn từ trường trong các điều kiện khác nhau.

3.2 Bộ quan sát Kalman

Bộ quan sát Kalman được sử dụng để cải thiện độ chính xác trong việc điều chỉnh giảm chấn từ trường. Bộ lọc Kalman cho phép hệ thống theo dõi các thông số trạng thái một cách chính xác, từ đó nâng cao hiệu suất của bộ điều khiển. Việc áp dụng bộ quan sát Kalman giúp giảm thiểu sai số trong quá trình điều chỉnh độ cản giảm chấn, từ đó cải thiện khả năng dập tắt dao động và giảm lực tác động từ mặt đường lên thân xe.

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 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.