Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo bán tích cực trên ô tô con" do nghiên cứu sinh Nguyễn Trung Kiên thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, dưới sự hướng dẫn chuyên môn của PGS.TS Đàm Hoàng Phúc và TS Lại Năng Vũ (năm 2022). Công trình thuộc nhóm chuyên môn Ô tô và xe chuyên dụng, Trường Cơ khí.

Tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ yêu cầu dập tắt dao động và giảm lực tác động từ mặt đường lên thân xe nhằm bảo đảm độ êm dịu chuyển động cũng như tính năng an toàn bám đường của ô tô con. Hệ thống treo thụ động truyền thống gặp phải mâu thuẫn cố hữu do tính thỏa hiệp: hệ số cản giảm chấn lớn phát huy hiệu quả tốt ở vùng lân cận tần số cộng hưởng nhưng làm giảm hiệu quả ở vùng xa cộng hưởng; ngược lại, hệ số cản nhỏ cho hiệu quả tốt ở vùng xa cộng hưởng nhưng xử lý kém ở tần số cộng hưởng. Trong khi đó, hệ thống treo tích cực đòi hỏi nguồn năng lượng lớn, chi phí cao, kết cấu phức tạp và tiềm ẩn nguy cơ mất ổn định khi gặp sự cố cấp nguồn. Hệ thống treo bán tích cực sử dụng giảm chấn lưu biến từ tính (Magnetorheological - MR) khắc phục được các nhược điểm này nhờ khả năng điều biến lực cản liên tục theo thời gian thực với mức tiêu thụ năng lượng thấp, thời gian đáp ứng tính bằng mili giây và cơ cấu chấp hành không thể tự đưa cơ năng vào hệ thống nên không gây mất ổn định.

Khoảng trống nghiên cứu then chốt mà tác giả xác định là mâu thuẫn giữa chất lượng điều khiển và chi phí phần cứng: các thuật toán điều khiển tối ưu truyền thống (như LQR) thường yêu cầu phản hồi đầy đủ 5 biến trạng thái (dịch chuyển và vận tốc thân xe, dịch chuyển và vận tốc bánh xe, biên dạng mấp mô mặt đường), đòi hỏi phải trang bị 5 cảm biến đo lường tương ứng. Việc sử dụng quá nhiều cảm biến, đặc biệt là cảm biến quét biên dạng mặt đường (công nghệ quang học, radar hoặc laser/LIDAR), đẩy giá thành hệ thống lên rất cao, khiến hệ thống treo điều khiển điện tử khó tiếp cận các dòng xe phổ thông.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được văn bản xác định cụ thể:

  1. Nghiên cứu thuật toán điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo bán tích cực nâng cao khả năng dập tắt dao động của hệ thống treo và giảm số lượng cảm biến cho phép giảm giá thành của hệ thống điều khiển.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Giảm chấn từ trường (MR) trong hệ thống treo bán tích cực trên ô tô con; đối tượng thử nghiệm thực nghiệm trực tiếp là cụm giảm chấn MR trang bị trên hệ thống treo trước của xe ô tô Acura 2011.
  • Phạm vi không gian và đối tượng mô hình hóa: Khảo sát dao động theo phương thẳng đứng dựa trên mô hình hệ thống treo 1/4 (hai bậc tự do); dao động của hệ thống được giới hạn là dao động nhỏ, tuyến tính quanh vị trí cân bằng tĩnh; bánh xe lăn không trượt và luôn tiếp xúc với mặt đường; bỏ qua các chuyển động lắc dọc và lắc ngang của thân xe.
  • Phạm vi kích thích động lực học: Khảo sát kích thích mặt đường dạng hàm điều hòa (xung sin) và mấp mô ngẫu nhiên loại C-D theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 ở dải vận tốc chuyển động 40 km/h.
  • Phạm vi thực nghiệm: Thử nghiệm đặc tính động lực học của cụm giảm chấn MR trên bệ thử chuyên dụng trong phòng thí nghiệm; dải điện áp điều khiển cấp vào cuộn dây điện từ khảo sát từ 0V đến 1V (các mức 0V, 0.2V, 0.4V, 0.6V, 0.8V, 1.0V).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng thuật hệ thống các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến động lực học hệ thống treo, kỹ thuật điều khiển điện tử và công nghệ giảm chấn lưu biến từ tính:

  • Nghiên cứu động lực học và hệ thống treo thụ động: Crosby và Karnopp (1973) [1] đặt nền tảng sớm nhất với bài báo "The Active Damper". Đến năm 1995, Karnopp [2] tổng kết tiến độ phát triển các hệ thống treo điều khiển. Milliken [4] phân tích dao động hệ 1 và 2 bậc tự do, chỉ ra vận tốc dao động của bánh xe theo hướng đi lên lớn gấp khoảng 2 lần so với hướng đi xuống, dẫn đến thiết kế hệ số cản giảm chấn hành trình trả lớn gấp 2 đến 3 lần hành trình nén [11], [13], [14], [15]. Bastow và cộng sự [7] xem đây là sự thỏa hiệp cho hệ treo mềm. Giorgetti, Bemporad và cộng sự [10] xác định tần số riêng thân xe mục tiêu là 1,5 Hz (dải 1,0 - 2,0 Hz) và bánh xe là 10 Hz (dải 8,0 - 12,0 Hz; xe đua từ 2 - 7 Hz [11]). Guglielmino và Sireteanu [16] giải thích đặc tính phi đối xứng của giảm chấn thủy lực từ giới hạn gia tốc va đập thẳng đứng.
  • Kỹ thuật điều khiển Skyhook và Groundhook: Bằng sáng chế của Karnopp và Crosby (1974) [65] đề xuất phản hồi chiều cao khung xe. Stembridge [17] phát triển luật Skyhook sửa đổi sử dụng đồng thời hai van tiết lưu. Reichert [59] hoàn thiện mô hình Skyhook tuyến tính đầy đủ đầu tiên. Savaresi và cộng sự [56] thử nghiệm biến thể Skyhook ON-OFF phản hồi hai trạng thái dựa trên gia tốc thân xe thay vì vận tốc. Koo [41], Goncalves, Ahmadian và Hyvärinen [18], [19], Guglielmino [16] nghiên cứu hệ thống treo Groundhook nối van tiết lưu giả định với mặt đất nhằm giảm dao động tải trọng bánh xe, cải thiện độ bám đường cho xe tải nặng.
  • Kỹ thuật điều khiển phi tuyến và trượt: Điều khiển Bang-Bang theo nguyên lý Pontryagin [69], [70] tạo ra gia tốc gián đoạn đột ngột gây khó chịu cho người ngồi dù đạt chỉ số RMS. Điều khiển chế độ trượt (Sliding Mode) được Ashari [71], Yagiz [73], Zribi và Karkoub [74], Koh [75] khảo sát; tuy nhiên, hiện tượng dao động tần số cao xung quanh mặt trượt (chattering / tiếng ồn) làm tăng độ giật của hệ thống.
  • Kỹ thuật điều khiển tối ưu LQR và bộ lọc Kalman: Wagner [60], Takahashi và cộng sự [79], Johnson và Erkus ứng dụng LQR tuyến tính. A. Agharkakl và cộng sự [3] sử dụng LQR tối ưu đồng thời 5 trạng thái nhưng yêu cầu 5 cảm biến tương ứng. Về giảm cảm biến, Shital M. [88] dùng bộ lọc Kalman quan sát không gian treo của hệ thống tích cực, giảm được 2 cảm biến dịch chuyển thân xe và bánh xe. Olof Lindgärde [89] ứng dụng Kalman ước tính vận tốc thẳng đứng khung xe và vận tốc tương đối từ cảm biến gia tốc thân xe và cảm biến dịch chuyển bánh xe. Zuohai Yan và Shuqi Zhao [90] ước lượng trạng thái mặt đường cho giảm chấn MR. Nghiên cứu [91] áp dụng thuật toán LQR và LQG ổn định cánh máy bay bằng cách coi gió là nhiễu đầu vào ngẫu nhiên.
  • Cảm biến và chỉ tiêu đánh giá: Donahue [36] đánh giá cảm biến radar và LED hồng ngoại đo mấp mô mặt đường; Mercedes-Benz [37] trang bị LIDAR quét mặt đường trên mẫu F700. Về chỉ tiêu đánh giá, Redfield và Karnopp (1988) [92] phân tích đa mục tiêu Pareto hệ 2 bậc tự do qua 3 giá trị RMS: gia tốc khối lượng được treo, hành trình dịch chuyển thân xe và sự thay đổi lực tiếp xúc bánh xe. Smith và cộng sự [93] đối sánh chỉ tiêu UTACV, ISO và công suất hấp thụ, xác nhận RMS gia tốc thẳng đứng là thông số đánh giá độ êm dịu đáng tin cậy. Tiêu chuẩn ISO 2631-1 [99] cung cấp thang đo cấp êm dịu theo gia tốc bình phương trung bình awz.
  • Công nghệ giảm chấn MR: Rabinow (1948) [105] phát hiện chất lỏng MR tại Cục Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ. Kamath và Gavin [107], Wang và Gordaninejad [108] xây dựng mô hình bán tĩnh đối xứng trục Herschel-Bulkley dựa trên phương trình Navier-Stokes. Phillips [109] đề xuất mô hình dòng chảy Bingham qua hai tấm phẳng song song. Các mô hình tham số động lực học Bouc-Wen và Dahl [110] được sử dụng để mô tả đặc tính trễ phi tuyến.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án giải quyết: Trong các công trình trước đây, việc điều khiển hệ thống treo thường đòi hỏi phải đo trực tiếp biên dạng mặt đường bằng cảm biến chuyên dụng đắt tiền, hoặc chưa đánh giá đầy đủ ảnh hưởng của số lượng, chủng loại và vị trí đặt cảm biến đến chất lượng dập tắt dao động của thuật toán LQG trên hệ thống treo bán tích cực. Luận án lựa chọn giải pháp coi biên dạng mặt đường là tín hiệu nhiễu đầu vào ngẫu nhiên không đo trước (nhiễu quá trình), từ đó kết hợp bộ điều khiển LQR với bộ quan sát trạng thái Kalman để thiết kế bộ điều khiển LQG chỉ sử dụng 02 cảm biến thông dụng, giải quyết triệt để bài toán kinh tế - kỹ thuật cho hệ thống treo bán tích cực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết của luận án được xây dựng từ lý thuyết dao động cơ học, động lực học ô tô, điều khiển học tối ưu và cơ học chất lỏng lưu biến:

  • Khung mô hình động lực học: Luận án sử dụng mô hình hệ thống treo 1/4 hai bậc tự do. Khi coi kích thích mấp mô mặt đường zr là nhiễu quá trình thay vì biến trạng thái, phương trình vi phân chuyển động có dạng: mb * zb'' + c * (zb' - zw') + k * (zb - zw) = f mw * zw'' - c * (zb' - zw') - k * (zb - zw) + kt * zw = -f + kt * zr Trong đó, đặt vector biến trạng thái x = [x1, x2, x3, x4]^T = [zb, zb', zw, zw']^T (gồm dịch chuyển thân xe, vận tốc thân xe, dịch chuyển bánh xe, vận tốc bánh xe). Hệ thống được chuyển đổi sang biểu diễn không gian trạng thái tuyến tính: x' = A * x + B * f + G * zr y = C * x Các ma trận cấu trúc của hệ thống được xác lập cụ thể: Ma trận vật lý A kích thước 4x4: hàng 1 là [0, 1, 0, 0]; hàng 2 là [-k/mb, -c/mb, k/mb, c/mb]; hàng 3 là [0, 0, 0, 1]; hàng 4 là [k/mw, c/mw, -(k+kt)/mw, -c/mw]. Ma trận điều khiển B kích thước 4x1: [0, 1/mb, 0, -1/mw]^T. Ma trận nhiễu G kích thước 4x1: [0, 0, 0, kt/mw]^T. Ma trận tín hiệu đầu ra C kích thước 1x4: [c1, c2, c3, c4], phản ánh số lượng và cấu hình cảm biến đo lường thực tế.
  • Lý thuyết điều khiển tối ưu LQR và bộ quan sát Kalman (thuật toán LQG): Thuật toán LQR xác định lực điều khiển tối ưu f = -K * x nhằm cực tiểu hóa hàm mục tiêu chất lượng bậc hai J = tích phân từ 0 đến T của (x^T * Q * x + f^T * R * f) dt, với Q là ma trận trọng số trạng thái và R là ma trận trọng số năng lượng điều khiển. Do vector trạng thái x không được đo đầy đủ, bộ lọc Kalman liên tục được thiết kế với độ lợi L để ước lượng vector trạng thái x_hat từ tín hiệu đo y, dựa trên ma trận hiệp phương sai nhiễu quá trình Qe và ma trận hiệp phương sai nhiễu đo lường Re. Cấu trúc điều khiển hoàn chỉnh là bộ điều khiển LQG với tín hiệu điều khiển f = -K * x_hat.
  • Lý thuyết chất lỏng lưu biến và mô hình hóa giảm chấn MR: Chất lỏng MR hoạt động theo mô hình Bingham phi tuyến: dưới ngưỡng ứng suất chảy tau_y (chịu ảnh hưởng của từ trường do cuộn dây sinh ra), chất lỏng biểu hiện tính chất đàn hồi; khi ứng suất trượt vượt quá tau_y, chất lỏng chảy dẻo với phương trình tau = tau_y(field) * sgn(gamma') + eta * gamma'. Luận án sử dụng mô hình Navier-Stokes đối xứng trục, mô hình dòng chảy qua hai tấm phẳng song song của Phillips để phân tích áp suất tiết lưu, và mô hình tham số trễ Dahl để mô tả toán học quan hệ giữa lực giảm chấn với dịch chuyển và vận tốc piston dưới tác động của điện áp kích từ U.
  • Tiêu chuẩn đánh giá độ êm dịu: Áp dụng tiêu chuẩn ISO 2631-1, đánh giá qua gia tốc bình phương trung bình awz theo phương thẳng đứng: awz = sqrt( (1/T) * tích phân từ 0 đến T của [aw(t)]^2 dt ).

Bảng 1. Bảng đánh giá độ êm dịu ô tô theo ISO 2631-1 [99]

Gia tốc aWZ (m/s²) Cấp độ êm dịu
< 0.63 Một chút khó chịu
0.5 - 1.0 Khá khó chịu
1.0 - 2.0 Rất khó chịu
> 2.0 Cực kỳ khó chịu

Phương pháp nghiên cứu thực tế:

  • Phương pháp mô phỏng số: Thiết lập mô hình động lực học và các thuật toán điều khiển trên máy tính; khảo sát 4 phương án cấu hình cảm biến (LQG1, LQG2, LQG3, LQG4) theo chủng loại và vị trí lắp đặt; kiểm nghiệm đáp ứng trong miền thời gian dưới kích thích dạng xung sin và mặt đường mấp mô ngẫu nhiên loại C-D theo ISO 8608:1995 ở vận tốc 40 km/h.
  • Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo thiết bị thí nghiệm động lực học giảm chấn MR; sử dụng bộ vi xử lý Arduino để phát tín hiệu và thu thập dữ liệu qua cổng chuyển đổi D/A; đo lực bằng cảm biến loadcell; đo chuyển vị và vận tốc piston; khảo sát trên cụm giảm chấn MR thực tế của xe Acura 2011; nhận dạng các tham số mô hình trễ Dahl qua dữ liệu thực nghiệm và lập trình giao diện hiển thị.

Nguồn tư liệu và số liệu:

  • Số liệu kết cấu mô hình hệ thống treo 1/4 trích xuất trực tiếp từ luận án:

Bảng 2. Thông số của mô hình treo 1/4

Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Khối lượng thân xe mb kg 342
Khối lượng bánh xe mw kg 38
Độ cứng lò xo k N/m 12500
Độ cứng của lốp kt N/m 76000
Hệ số cản giảm chấn c Ns/m 1500
  • Dữ liệu đặc tính vật lý của chất lỏng điện trường (ER) và chất lỏng từ trường (MR):

Bảng 3. Các đặc tính vật lý của chất lỏng ER và MR [27], [104]

Đặc tính Chất lỏng ER Chất lỏng MR
Thời gian đáp ứng Mili giây Mili giây
Độ nhớt (ở 25°C) 0.3 Pa·s 0.3 Pa·s
Phạm vi nhiệt độ +10 ÷ +90ºC (ion, DC); -25 ÷ +125ºC (không ion, AC) -40ºC ÷ +150ºC
Ứng suất dòng chảy cực đại 2 ÷ 5 kPa (tại 3 ÷ 5 kV/mm) 50 ÷ 100 kPa (tại 150 ÷ 250 kA/m)
Trường tối đa ~ 4 kV/mm ~ 250 kA/m
Tỷ số η / τy² 10⁻⁷ ÷ 10⁻⁸ s/Pa 10⁻¹⁰ ÷ 10⁻¹¹ s/Pa
Tỉ trọng 1×10³ ÷ 2×10³ kg/m³ 3×10³ ÷ 4×10³ kg/m³
Mật độ năng lượng cực đại 10³ J/m³ 10⁵ J/m³
Sự ổn định Không thể lẫn các tạp chất Không bị ảnh hưởng bởi hầu hết các tạp chất

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Chương 1 trình bày tổng quan lý luận và thực tiễn về động lực học hệ thống treo ô tô, phân loại hệ thống treo thụ động, tích cực và bán tích cực. Tác giả phân tích các công thức tần số riêng thân xe (công thức 1.4: f = (1 / 2pi) * sqrt(k / mb)) và bánh xe (công thức 1.5: fw = (1 / 2pi) * sqrt((k + kt) / mw)), chỉ ra vùng tần số nhạy cảm của cơ thể người. Chương này tổng kết các quy luật điều khiển kinh điển: Skyhook thuần túy với lực giảm chấn tỷ lệ với vận tốc tuyệt đối thân xe (công thức 1.6: Fsky = c * zb'), Skyhook sửa đổi (công thức 1.8: Fsky = c * s' + csky * zb'), và quy tắc Skyhook ON-OFF (công thức 1.16: chuyển đổi cmax khi zb' * (zb' - zw') >= 0 và cmin khi zb' * (zb' - zw') < 0). Tác giả cũng phân tích mô hình Groundhook, điều khiển trượt trên mặt phẳng pha, bộ điều khiển LQR tối ưu hóa hàm chi phí bậc hai (công thức 1.17, 1.18), và ứng dụng bộ lọc Kalman nhằm quan sát trạng thái. Qua phân tích tiêu chuẩn ISO 2631-1 đánh giá độ êm dịu theo gia tốc bình phương trung bình awz (công thức 1.19), chương 1 đi đến kết luận: cần thiết phải nghiên cứu thuật toán điều khiển tối ưu LQR kết hợp bộ quan sát Kalman để triệt tiêu ảnh hưởng của mặt đường (được coi là nhiễu), đồng thời tối giảm số lượng cảm biến nhằm giảm giá thành hệ thống.

Chương 2. Xây dựng mô hình

Chương 2 tập trung thiết lập các mô hình toán học và mô hình vật lý phục vụ mô phỏng. Tác giả so sánh ưu nhược điểm giữa mô hình không gian toàn xe, mô hình phẳng 1/2 ô tô hai cầu 4 bậc tự do và mô hình 1/4 hai khối lượng. Mô hình hệ thống treo 1/4 bán tích cực được lựa chọn để thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động (2.1), phương trình tách nhiễu mặt đường (2.2), và hệ phương trình không gian trạng thái (2.4) với các ma trận A, B, G, C. Tiếp đó, tác giả phân tích sâu về chất lỏng MR và cấu tạo giảm chấn MR gồm 10 chi tiết chính (nắp chụp, trục, nắp chụp xi lanh, tấm cân bằng, cuộn dây điện từ, ống lót xi lanh, bệ đỡ xi lanh, piston, vành chữ O, lò xo). Mô hình thủy lực bán tĩnh đối xứng trục Herschel-Bulkley dựa trên phương trình vi phân Navier-Stokes (2.7, 2.8) và mô hình dòng chảy qua hai tấm phẳng song song của Phillips (2.12 - 2.14) được thiết lập, tích hợp thêm thành phần lực bình tích khí đàn hồi Fg (2.15) để xác định tổng lực giảm chấn F (2.16). Chương này cũng khảo sát hai mô hình tham số động lực học trễ là Bouc-Wen và Dahl [110]. Kết quả mô phỏng đặc tính lực theo thời gian (F-t), lực theo vận tốc piston (F-v), và lực theo chuyển vị piston (F-x) được thực hiện dưới các dạng tín hiệu điều khiển: điện áp không đổi, điện áp biến thiên theo sườn dương, và điện áp đối xứng âm - dương, làm sáng tỏ quy luật thay đổi lực cản theo từ trường cấp vào.

Chương 3. Xây dựng, thiết kế bộ điều khiển

Chương 3 trình bày quy trình thiết kế bộ điều khiển LQR kết hợp bộ quan sát Kalman (thuật toán LQG) trên mô hình hệ thống treo 1/4 có trang bị giảm chấn MR. Nhiễu mấp mô mặt đường zr được mô hình hóa thành tín hiệu ngẫu nhiên đưa vào ma trận G. Tác giả xây dựng thuật toán Kalman liên tục gồm các bước dự báo và cập nhật trạng thái thông qua ma trận độ lợi Kalman L. Luận án xây dựng các kịch bản mô phỏng để đánh giá hiệu quả của 4 phương án điều khiển LQG (LQG1, LQG2, LQG3, LQG4) tương ứng với các cấu hình chủng loại và vị trí lắp đặt cảm biến khác nhau (ma trận C). Kết quả khảo sát các điểm cực của hệ thống, biên độ dao động thân xe cực đại, đặc trưng dập tắt dao động và lực giảm chấn cần thiết cho thấy phương án LQG2 mang lại hiệu quả vượt trội. Dưới tác động của xung sin và tác động ngẫu nhiên của mặt đường loại C-D theo ISO 8608:1995 ở tốc độ 40 km/h, bộ điều khiển LQG2 chỉ sử dụng 02 cảm biến nhưng cho kết quả dập tắt dao động tương đương phương án sử dụng đầy đủ 5 cảm biến, làm giảm đáng kể dịch chuyển và gia tốc dao động thân xe cực đại cũng như gia tốc bình phương trung bình aWZ.

Chương 4. Thực nghiệm xác định thông số giảm chấn MR

Chương 4 trình bày quá trình thiết kế, chế tạo và vận hành bệ thử thực nghiệm nhằm xác định các thông số đặc tính của giảm chấn MR. Thiết bị thí nghiệm gồm cơ cấu dẫn động tạo chuyển động tịnh tiến qua lại cho piston, hộp điều khiển trung tâm, cảm biến đo lực (loadcell), cảm biến đo chuyển vị và vi xử lý Arduino. Đối tượng thử nghiệm trực tiếp là giảm chấn MR tháo từ hệ thống treo trước của xe ô tô Acura 2011. Các kịch bản thử nghiệm được tiến hành ở trạng thái tĩnh và trạng thái động với các mức điện áp cấp vào cuộn dây điện từ từ 0V đến 1V (các bước 0V, 0.2V, 0.4V, 0.6V, 0.8V, 1.0V). Dữ liệu thực nghiệm thu được bao gồm các đường đặc tính F-t, F-v, F-x và lực giảm chấn thực tế sinh ra do hiệu ứng từ hóa của chất lỏng MR. Từ kết quả đo đạc, tác giả tiến hành nhận dạng và xác định sự phụ thuộc của các tham số k, kwa, kwb trong mô hình Dahl theo điện áp điều khiển U. Kết quả so sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm cho thấy mức độ tương quan cao, khẳng định tính chính xác của mô hình tham số Dahl và thuật toán điều khiển đã đề xuất.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới của luận án:

  • Về mặt lý luận và mô hình hóa: Luận án đã xây dựng thành công mô hình tham số mô phỏng đặc tính động lực học của giảm chấn MR; khảo sát và làm rõ ảnh hưởng của các dạng tín hiệu điều khiển điện áp (điện áp hằng số, điện áp sườn dương, điện áp đối xứng) đến các đường đặc tính lực - thời gian (F-t), lực - vận tốc (F-v), và lực - chuyển vị (F-x) của giảm chấn.
  • Về mặt thuật toán và điều khiển tối ưu: Trên cơ sở phân tích kết quả mô phỏng động lực học hệ thống treo 1/4 coi mặt đường là nhiễu, luận án đã tìm ra cấu trúc thuật toán điều khiển LQG (kết hợp LQR với bộ quan sát trạng thái Kalman) tối ưu. Luận án chứng minh phương án điều khiển LQG2 chỉ cần sử dụng 02 cảm biến nhưng vẫn đảm bảo khả năng dập tắt nhanh dao động thân xe, giảm gia tốc thẳng đứng và lực tác động xuống mặt đường tương đương với các hệ thống đòi hỏi 5 cảm biến, cho phép giảm đáng kể giá thành chế tạo và độ phức tạp của hệ thống điều khiển.
  • Về mặt thực nghiệm: Luận án đã thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh hệ thống bệ thử thực nghiệm chuyên dụng và xây dựng quy trình thực nghiệm nhận dạng tham số giảm chấn MR. Công trình đã xác định chính xác các hệ số trong mô hình Dahl của giảm chấn MR thực tế trên hệ thống treo trước xe Acura 2011 theo các mức điện áp điều khiển từ 0V đến 1V.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất:

  • Kiến nghị áp dụng cấu hình bộ điều khiển LQG2 kết hợp 02 cảm biến vào thiết kế hệ thống treo bán tích cực cho ô tô con nhằm giảm chi phí sản xuất mà vẫn nâng cao độ êm dịu theo tiêu chuẩn ISO 2631-1.
  • Đề xuất ứng dụng bệ thử thực nghiệm và chương trình nạp vi điều khiển Arduino cùng giao diện hiển thị dữ liệu đã phát triển để phục vụ công tác kiểm tra, đánh giá và nhận dạng thông số các loại giảm chấn điều khiển điện tử khác.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Mô hình nghiên cứu lý thuyết và thuật toán điều khiển mới dừng lại ở mô hình hệ thống treo 1/4 hai bậc tự do khảo sát dao động theo phương thẳng đứng; chưa tích hợp đánh giá đầy đủ các chuyển động liên kết phức tạp như góc lắc ngang (roll), góc lắc dọc (pitch) và các hiện tượng động lực học khi xe phanh hoặc quay vòng trên mô hình toàn xe.
  • Giả thiết kích thích mấp mô mặt đường được quy về dạng nhiễu ngẫu nhiên quá trình tác động độc lập; chưa xét đến mối tương quan trễ thời gian hình học giữa kích thích bánh trước và bánh sau khi xe di chuyển trên đường thực tế.
  • Các khảo sát thực nghiệm nhận dạng tham số mô hình Dahl mới được thực hiện độc lập trên bệ thử tĩnh và động trong phòng thí nghiệm đối với một cụm giảm chấn MR của xe Acura 2011, chưa tiến hành thử nghiệm nghiệm thu trực tiếp trên xe ô tô thực tế vận hành ngoài đường giao thông.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Mở rộng thuật toán điều khiển LQG tối ưu hóa số lượng cảm biến lên mô hình động lực học không gian toàn xe (mô hình 7 bậc tự do hoặc mô hình đầy đủ) để kiểm soát đồng thời dao động thẳng đứng, lắc ngang và lắc dọc thân xe.
  • Nghiên cứu thuật toán dự báo biên dạng mặt đường dựa trên dữ liệu dao động của cụm bánh trước để cung cấp thông tin điều khiển đón đầu cho hệ thống treo của cụm bánh sau.
  • Hoàn thiện phần cứng điều khiển nhúng trên ô tô thực nghiệm và tổ chức đo kiểm thực tế trên các cung đường tiêu chuẩn để đánh giá toàn diện độ bền và độ tin cậy của thuật toán.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các đối tượng và lĩnh vực chuyên môn cụ thể:

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí động lực, Kỹ thuật Ô tô: Cung cấp tài liệu chi tiết về phương pháp thiết lập phương trình không gian trạng thái hệ thống treo, thuật toán điều khiển hiện đại (LQR, LQG, bộ lọc Kalman) và các mô hình toán học mô tả chất lỏng lưu biến (Bingham, Navier-Stokes, Bouc-Wen, Dahl).
  • Đối với giảng viên và nhà nghiên cứu: Cung cấp cơ sở khoa học về việc tối ưu hóa và giảm số lượng cảm biến trong các hệ thống cơ điện tử trên ô tô, phương pháp luận kết hợp mô phỏng số và thực nghiệm nhận dạng tham số.
  • Đối với các kỹ sư R&D tại các doanh nghiệp sản xuất, lắp ráp ô tô: Các kết quả thực nghiệm trên giảm chấn MR xe Acura 2011, sơ đồ nguyên lý bệ thử, chương trình tính toán nạp vào vi điều khiển Arduino (Phụ lục 3) và chương trình giao diện hiển thị (Phụ lục 4) có giá trị ứng dụng trực tiếp trong việc thiết kế, thử nghiệm và nội địa hóa các cụm hệ thống treo điều khiển điện tử.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao luận án lựa chọn hệ thống treo bán tích cực sử dụng giảm chấn MR thay vì hệ thống treo tích cực hoàn toàn? Hệ thống treo tích cực yêu cầu cung cấp nguồn công suất lớn từ bên ngoài, kết cấu van và bơm phức tạp, giá thành cao và có nguy cơ gây mất ổn định nếu nguồn năng lượng gặp sự cố. Ngược lại, hệ thống treo bán tích cực với giảm chấn MR chỉ tiêu thụ lượng điện năng rất nhỏ (hoạt động được bằng nguồn ắc quy thông thường), thời gian phản hồi nhanh tính bằng mili giây, độ bền cao, tính chất lưu biến ít phụ thuộc nhiệt độ, và đặc biệt cơ cấu chấp hành không thể tự đưa cơ năng vào hệ cơ học nên không có khả năng gây mất ổn định.

  2. Luận án giải quyết mâu thuẫn về số lượng cảm biến trong thuật toán điều khiển như thế nào? Thay vì xem biên dạng mặt đường là một biến trạng thái cần đo trực tiếp bằng cảm biến quang học hoặc laser đắt tiền (đòi hỏi 5 cảm biến cho 5 trạng thái như nghiên cứu của A. Agharkakl), luận án đã coi mặt đường là một tín hiệu nhiễu quá trình không biết trước. Luận án thiết kế bộ quan sát trạng thái Kalman để tái tạo vector trạng thái từ tín hiệu đo của 02 cảm biến thông dụng (phương án LQG2), giúp hệ thống vẫn đạt hiệu quả dập tắt dao động tối ưu mà giảm thiểu được chi phí phần cứng.

  3. Đối tượng thử nghiệm thực nghiệm của luận án là gì và bệ thử hoạt động theo nguyên lý nào? Đối tượng thử nghiệm là cụm giảm chấn từ trường (MR) lắp trên hệ thống treo trước của xe ô tô Acura 2011. Bệ thử thực nghiệm gồm cơ cấu tạo chuyển động qua lại cho piston giảm chấn, hộp điều khiển cấp dòng/điện áp (từ 0V đến 1V), cảm biến lực loadcell và vi điều khiển Arduino để đo đạc đồng thời lực cản, chuyển vị và vận tốc piston, qua đó xây dựng các đường đặc tính F-t, F-x, F-v phục vụ nhận dạng mô hình Dahl.

  4. Tiêu chuẩn nào được sử dụng để đánh giá độ êm dịu chuyển động trong luận án? Luận án áp dụng tiêu chuẩn quốc tế ISO 2631-1, sử dụng chỉ tiêu gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng aWZ (công thức 1.19) kết hợp với đánh giá độ giảm gia tốc cực đại, dịch chuyển thân xe cực đại và thời gian dập tắt dao động dưới kích thích xung sin và kích thích mặt đường ngẫu nhiên loại C-D theo ISO 8608:1995 ở tốc độ 40 km/h.

  5. Mô hình toán học nào được lựa chọn để mô phỏng và nhận dạng tham số giảm chấn MR trong phần thực nghiệm? Luận án sử dụng mô hình trễ tham số Dahl [110]. Dựa trên số liệu đo đạc thực nghiệm trên bệ thử với các mức điện áp cấp từ 0V đến 1V, tác giả đã xác định chính xác quy luật phụ thuộc của các tham số k, kwa, kwb của mô hình Dahl theo điện áp điều khiển, cho kết quả tương quan chặt chẽ giữa mô phỏng và thực nghiệm.

Kết luận

Luận án "Nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo bán tích cực trên ô tô con" của tác giả Nguyễn Trung Kiên đã giải quyết trọn vẹn bài toán nâng cao chất lượng dập tắt dao động thân xe gắn liền với mục tiêu tối giảm chi phí sản xuất. Bằng việc chuyển đổi cách tiếp cận kích thích mặt đường thành tín hiệu nhiễu và ứng dụng thuật toán điều khiển tối ưu LQG, công trình đã chứng minh tính khả thi của phương án chỉ sử dụng 02 cảm biến. Toàn bộ các kết quả mô phỏng động lực học và mô hình tham số Dahl đều được kiểm chứng, đối soát chặt chẽ thông qua hệ thống bệ thử thực nghiệm trên cụm giảm chấn MR xe Acura 2011, đóng góp thiết thực cho lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng cơ điện tử ô tô.