Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp ô tô tại Việt Nam, việc nâng cao tính êm dịu và an toàn chuyển động của xe ô tô con trở thành một yêu cầu cấp thiết. Theo ước tính, với sự gia tăng số lượng ô tô và tốc độ vận hành ngày càng cao, các yếu tố như tải trọng, vận tốc, lực cản không khí và điều kiện mặt đường không bằng phẳng đã gây ra dao động phức tạp ảnh hưởng trực tiếp đến sự ổn định và tiện nghi của xe. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển phương pháp xác định gia tốc thân xe và cầu xe nhằm tối ưu hóa điều khiển hệ thống treo bán tích cực, qua đó nâng cao độ êm dịu chuyển động và an toàn cho người sử dụng.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống treo bán tích cực trên xe ô tô con, sử dụng mô hình dao động ¼ và mô phỏng mấp mô mặt đường theo tiêu chuẩn ISO 8608 trong khoảng thời gian nghiên cứu năm 2016-2018 tại Việt Nam. Ý nghĩa nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp cơ sở lý thuyết và công cụ mô phỏng bằng Matlab/Simulink để thiết kế bộ điều khiển tối ưu LQR, góp phần nâng cao chất lượng hệ thống treo, giảm thiểu dao động thân xe và cầu xe, từ đó cải thiện trải nghiệm người dùng và tăng tuổi thọ xe.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết động lực học hệ thống treo và lý thuyết điều khiển tối ưu tuyến tính toàn phương (LQR). Mô hình động lực học ¼ được sử dụng để mô phỏng dao động của hệ thống treo, trong đó khối lượng được treo (thân xe) và không được treo (bánh xe) được mô hình hóa bằng các phương trình vi phân trạng thái. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Gia tốc thân xe và cầu xe: đại lượng quan trọng để đánh giá độ êm dịu chuyển động.
  • Mấp mô mặt đường: được mô phỏng theo tiêu chuẩn ISO 8608, phân loại đường từ loại A (tốt nhất) đến H (xấu nhất) dựa trên mật độ phổ PSD.
  • Hệ thống giảm chấn bán tích cực MR (Magneto-Rheological): sử dụng cơ cấu điện từ để điều chỉnh lực giảm chấn, giúp dập tắt dao động hiệu quả.
  • Bộ điều khiển LQR: thuật toán điều khiển tối ưu nhằm cân bằng giữa độ êm dịu và độ bám đường, thông qua ma trận trọng số Q và R.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các thông số kỹ thuật của xe ô tô con (ví dụ xe Kia Morning 2015 với khối lượng thân xe 450 kg, khối lượng bánh xe 45 kg, độ cứng hệ thống treo 18.000 N/m, độ cứng lốp 180.000 N/m, hệ số cản giảm chấn 1.400 Ns/m). Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Xây dựng mô hình động lực học ¼ hệ thống treo trên Matlab/Simulink, giải hệ phương trình vi phân mô phỏng dao động thân xe và bánh xe.
  • Mô phỏng mấp mô mặt đường dạng sin và ngẫu nhiên theo tiêu chuẩn ISO 8608 để làm hàm kích động.
  • Thiết kế bộ điều khiển LQR tối ưu dựa trên phương trình trạng thái, xác định ma trận phản hồi trạng thái K từ nghiệm phương trình Ricatti.
  • Khảo sát ảnh hưởng của các trọng số trong ma trận Q đến hiệu quả điều khiển, nhằm tìm ra bộ số K tối ưu.
  • Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2016-2018, tập trung vào điều kiện vận hành thực tế tại Việt Nam.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả của bộ điều khiển LQR trong giảm dao động thân xe: Kết quả mô phỏng cho thấy, khi áp dụng bộ điều khiển LQR, độ dịch chuyển không gian treo giảm trung bình khoảng 30-40% so với trường hợp không có điều khiển, đồng thời gia tốc thân xe giảm xuống dưới ngưỡng 2 m/s², đảm bảo tiêu chuẩn êm dịu chuyển động.

  2. Ảnh hưởng của trọng số ma trận Q đến hiệu quả điều khiển: Thay đổi trọng số Q trong phạm vi từ 1 đến 10 cho thấy sự giảm đáng kể độ dịch chuyển thân xe và bánh xe, với mức giảm tối đa đạt khoảng 25% khi trọng số Q được tối ưu hóa. Trọng số R giữ nguyên nhằm đảm bảo năng lượng điều khiển không vượt quá giới hạn.

  3. Mô phỏng mấp mô mặt đường theo ISO 8608: Các loại đường từ A đến D có biên độ mấp mô dao động từ ±15 mm đến ±50 mm, ảnh hưởng trực tiếp đến biên độ dao động thân xe. Mô hình cho thấy hệ thống treo bán tích cực với điều khiển LQR có khả năng thích ứng tốt với các loại đường này, giảm thiểu dao động hiệu quả.

  4. Tác động của giảm chấn MR bán tích cực: Giảm chấn MR cho phép thay đổi hệ số cản giảm chấn liên tục, giúp dập tắt dao động nhanh hơn so với giảm chấn thụ động truyền thống. Thời gian ổn định dao động giảm khoảng 20-30% trong các thử nghiệm mô phỏng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả điều khiển LQR là khả năng phản hồi trạng thái nhanh và chính xác, giúp điều chỉnh lực giảm chấn MR phù hợp với điều kiện vận hành và mấp mô mặt đường. So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả này tương đồng với các báo cáo quốc tế về điều khiển hệ thống treo bán tích cực, đồng thời phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam.

Việc sử dụng mô hình ¼ giúp giảm thiểu độ phức tạp tính toán nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác cần thiết cho việc thiết kế bộ điều khiển. Các biểu đồ so sánh độ dịch chuyển thân xe và bánh xe theo thời gian minh họa rõ ràng sự khác biệt giữa hệ thống có và không có điều khiển LQR, thể hiện qua các đường cong giảm dần nhanh hơn và biên độ nhỏ hơn.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc phát triển công nghệ ô tô trong nước, góp phần nâng cao tính an toàn và tiện nghi cho người sử dụng, đồng thời giảm thiểu hao mòn và chi phí bảo trì xe.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng bộ điều khiển LQR trong hệ thống treo bán tích cực trên các dòng xe phổ biến tại Việt Nam: Đề xuất các nhà sản xuất và lắp ráp ô tô trong nước áp dụng phương pháp điều khiển này nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm trong vòng 2-3 năm tới.

  2. Phát triển cảm biến gia tốc thân xe và cầu xe chính xác, tin cậy: Khuyến nghị đầu tư nghiên cứu và sản xuất cảm biến phù hợp để thu thập dữ liệu đầu vào cho bộ điều khiển, đảm bảo hiệu quả điều khiển tối ưu trong vòng 1-2 năm.

  3. Mở rộng nghiên cứu mô hình động lực học hệ thống treo ½ và 4/4: Để đánh giá toàn diện hơn về dao động xe trong các điều kiện vận hành phức tạp, cần phát triển mô hình chi tiết hơn trong 3-5 năm tới.

  4. Tăng cường đào tạo và chuyển giao công nghệ điều khiển tự động trong ngành công nghiệp ô tô: Đề xuất các chương trình đào tạo chuyên sâu về điều khiển tối ưu và mô phỏng Matlab/Simulink cho kỹ sư và nhà nghiên cứu trong ngành, nhằm nâng cao năng lực nghiên cứu và ứng dụng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí động lực: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình động lực học và điều khiển hệ thống treo, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển đề tài liên quan.

  2. Kỹ sư thiết kế và phát triển sản phẩm ô tô: Tham khảo để áp dụng phương pháp điều khiển LQR và mô hình giảm chấn MR trong thiết kế hệ thống treo bán tích cực, nâng cao chất lượng sản phẩm.

  3. Các doanh nghiệp sản xuất và lắp ráp ô tô trong nước: Sử dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến công nghệ, tăng tính cạnh tranh và đáp ứng yêu cầu thị trường về an toàn và tiện nghi.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách ngành giao thông vận tải: Tham khảo để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ ô tô thân thiện, an toàn và hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp xác định gia tốc thân xe và cầu xe có ưu điểm gì?
    Phương pháp sử dụng mô hình động lực học ¼ kết hợp bộ điều khiển LQR giúp xác định chính xác gia tốc theo thời gian thực, từ đó điều chỉnh lực giảm chấn MR hiệu quả, giảm dao động thân xe và cầu xe, nâng cao độ êm dịu chuyển động.

  2. Tiêu chuẩn ISO 8608 ảnh hưởng thế nào đến mô phỏng mấp mô mặt đường?
    ISO 8608 phân loại mặt đường theo mật độ phổ PSD, giúp mô phỏng chính xác các dạng mấp mô ngẫu nhiên, từ đó đánh giá tác động thực tế của mặt đường lên hệ thống treo và điều chỉnh bộ điều khiển phù hợp.

  3. Bộ điều khiển LQR hoạt động như thế nào trong hệ thống treo bán tích cực?
    LQR sử dụng phản hồi trạng thái để tính toán lực điều khiển tối ưu, cân bằng giữa độ êm dịu và độ bám đường, giúp hệ thống giảm chấn MR điều chỉnh lực giảm chấn liên tục theo điều kiện vận hành.

  4. Giảm chấn MR có ưu điểm gì so với giảm chấn thụ động?
    Giảm chấn MR có khả năng thay đổi hệ số cản giảm chấn liên tục và nhanh chóng, giúp dập tắt dao động hiệu quả hơn, giảm thời gian ổn định và biên độ dao động thân xe so với giảm chấn thụ động truyền thống.

  5. Phạm vi áp dụng của kết quả nghiên cứu này là gì?
    Kết quả phù hợp với các dòng xe ô tô con vận hành trên các loại mặt đường phổ biến tại Việt Nam, đặc biệt trong điều kiện vận tốc và tải trọng thay đổi, hỗ trợ thiết kế hệ thống treo bán tích cực tối ưu.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình động lực học ¼ hệ thống treo ô tô con và mô phỏng mấp mô mặt đường theo tiêu chuẩn ISO 8608, cung cấp cơ sở lý thuyết vững chắc cho nghiên cứu điều khiển hệ thống treo bán tích cực.
  • Phương pháp điều khiển tối ưu LQR được áp dụng hiệu quả, giảm đáng kể dao động thân xe và cầu xe, nâng cao độ êm dịu chuyển động và an toàn vận hành.
  • Giảm chấn MR bán tích cực cho thấy khả năng điều chỉnh lực giảm chấn linh hoạt, đáp ứng nhanh với các tác động từ mặt đường không bằng phẳng.
  • Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn, góp phần phát triển công nghệ ô tô trong nước, đồng thời là tài liệu tham khảo quý giá cho các nhà nghiên cứu và kỹ sư ngành cơ khí động lực.
  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm phát triển cảm biến gia tốc, mở rộng mô hình nghiên cứu và ứng dụng thực tế trong sản xuất, nhằm nâng cao chất lượng và tính cạnh tranh của ngành công nghiệp ô tô Việt Nam.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai ứng dụng bộ điều khiển LQR và giảm chấn MR trong các dự án phát triển xe ô tô con, đồng thời đào tạo nguồn nhân lực chuyên môn cao trong lĩnh vực điều khiển tự động và động lực học ô tô.