Tài liệu Kỹ thuật: Nghiên cứu xây dựng mô hình điều khiển cho hệ thống

Nghiên cứu phát triển mô hình điều khiển hệ thống treo chủ động nhằm nâng cao độ ổn định, an toàn và thoải mái khi vận hành xe con 5 chỗ.

• Tác giả: Nguyễn Mạnh Long
• Người hướng dẫn: PGS.TS Trần Thị Thu Hương
• Trường học: Trường Đại học Phenikaa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Ô tô và Năng lượng
• Đề tài: Xây dựng mô hình điều khiển PID cho hệ thống treo chủ động ô tô
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm cơ bản về mô hình điều khiển hệ thống treo

Mô hình điều khiển cho hệ thống treo ô tô là nền tảng quan trọng trong thiết kế các giải pháp điều khiển hiện đại. Hệ thống treo đóng vai trò thiết yếu trong việc giảm dao động, nâng cao độ thoải mái và ổn định cho xe. Mô hình hóa hệ thống treo bao gồm phân tích các yếu tố như khối lượng được treo, khối lượng không được treo, độ cứng lò xo và hệ số giảm chấn. Việc xây dựng mô hình chính xác giúp đánh giá hiệu năng hệ thống treo dưới các điều kiện kích thích khác nhau từ mặt đường.

1.1. Phân loại hệ thống treo và ảnh hưởng của dao động

Hệ thống treo được chia thành ba loại chính: hệ thống treo bị động, bán chủ động và chủ động. Dao động trên ô tô gây ra bởi các yếu tố như bề mặt đường gồ ghề, tốc độ di chuyển và tải trọng. Ảnh hưởng của dao động bao gồm giảm độ thoải mái hành khách, ảnh hưởng đến độ ổn định của xe, và làm giảm tuổi thọ các linh kiện. Mô hình điều khiển hiệu quả giúp kiểm soát những ảnh hưởng tiêu cực này.

1.2. Các bộ phận chính của hệ thống treo

Hệ thống treo bao gồm bộ phận đàn hồi (lò xo), bộ phận giảm chấn (shock absorber) và cơ cấu chấp hành. Lò xo giữ vị trí cân bằng cho xe, giảm chấn hấp thụ năng lượng từ dao động, còn cơ cấu chấp hành thủy lực trong hệ thống treo chủ động tạo ra lực điều khiển. Mỗi thành phần đóng vai trò quan trọng trong mô hình hóa và điều khiển hệ thống.

II. Cơ sở lý thuyết điều khiển hệ thống treo

Điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là phương pháp điều khiển phổ biến nhất cho mô hình hệ thống treo chủ động. Bộ điều khiển PID điều chỉnh lực từ cơ cấu chấp hành dựa trên sai lệch giữa giá trị mong muốn và giá trị thực tế. Thành phần P điều khiển độ mạnh của lực, I loại bỏ sai lệch định mức, và D dự đoán thay đổi tương lai. Xác định tham số PID tối ưu là chìa khóa để đạt hiệu năng cao nhất, có thể thực hiện qua các phương pháp như Ziegler-Nichols, thực nghiệm, hoặc tối ưu hóa độ lớn.

2.1. Phương pháp xác định tham số PID

Phương pháp Ziegler-Nichols sử dụng hàm quá độ để tính toán tham số. Phương pháp Chien-Hrones-Reswick áp dụng cho hệ thống có độ trễ. Phương pháp tối ưu tìm kiếm tham số tốt nhất theo các tiêu chí như giảm thiểu sai lệch bám, thời gian ổn định hoặc năng lượng tiêu thụ. Xác định tham số PID chính xác đảm bảo hệ thống điều khiển phản ứng nhanh, ổn định và giảm dao động hiệu quả.

2.2. Công cụ mô phỏng Matlab Simulink

Matlab Simulink là công cụ mạnh mẽ để mô hình hóa và mô phỏng hệ thống treo. Phần mềm cung cấp các khối mô hình sẵn có, cho phép xây dựng sơ đồ khối phức tạp. Mô phỏng trong Matlab giúp kiểm tra hiệu hiệu năng bộ điều khiển PID dưới các kích thích khác nhau: tuần hoàn, bậc, hoặc ngẫu nhiên. Kết quả mô phỏng cung cấp dữ liệu chuyên vị, gia tốc để đánh giá chất lượng hệ thống treo.

III. Xây dựng mô hình điều khiển hệ thống treo chủ động

Quá trình xây dựng mô hình bao gồm các bước: phân tích các lực tác dụng, lập phương trình động học, và tích hợp bộ điều khiển PID. Mô hình hóa dao động bắt đầu bằng cách xác định các thông số tính toán như khối lượng, độ cứng, hệ số giảm chấn. Cơ cấu chấp hành thủy lực được mô hình hóa để mô phỏng khả năng tạo lực điều khiển. Sơ đồ khối điều khiển kết nối cảm biến (đo chuyển vị, gia tốc), bộ điều khiển PID, và cơ cấu chấp hành thành một vòng kín hoàn chỉnh.

3.1. Mô hình hóa dao động trong Matlab Simulink

Mô hình hóa dao động sử dụng các khối tích phân, cộng, nhân trong Simulink. Thành phần được treo và không được treo được mô hình riêng biệt. Lực từ lò xo, giảm chấn, và cơ cấu chấp hành được biểu diễn bằng công thức toán học. Mô hình hệ thống treo bị động và chủ động được thiết lập để so sánh hiệu năng. Mô phỏng tính toán chuyển vị và gia tốc thực tế, cho phép đánh giá kích thích mặt đường.

3.2. Điều kiện mô phỏng và kết quả phân tích

Mô phỏng thực hiện với ba loại kích thích: tuần hoàn (hàm sin), bậc (hàm step), và ngẫu nhiên (hàm rand). Các tham số được đặt dựa trên đặc tính thực tế ô tô. Kết quả mô phỏng hiển thị chuyên vị và gia tốc của khối lượng được treo. So sánh giữa hệ thống bị động và chủ động cho thấy hiệu quả giảm dao động. Tóm tắt kết quả được trình bày trong các bảng biểu chi tiết.

IV. Ứng dụng thực tiễn và hướng phát triển

Mô hình điều khiển hệ thống treo chủ động có ứng dụng rộng rãi trong thiết kế xe hiện đại, đặc biệt là xe cao cấp và xe thể thao. Hệ thống treo thích ứng có khả năng điều chỉnh tự động theo điều kiện mặt đường, nâng cao trải nghiệm người dùng. Các yêu cầu về an toàn, độ thoải mái và hiệu suất năng lượng thúc đẩy sự phát triển của mô hình và bộ điều khiển tiên tiến. Hướng phát triển tương lai bao gồm tích hợp AI, machine learning, và các thuật toán tối ưu hóa nâng cao để xây dựng mô hình và điều khiển hiệu quả hơn.

4.1. Ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô

Mô hình điều khiển hệ thống treo chủ động được ứng dụng trong các xe cao cấp, SUV, và xe thể thao. Bộ điều khiển PID tối ưu giảm dao động hiệu quả, cải thiện độ ổn định và độ thoải mái. Các hãng xe lớn sử dụng mô hình hóa trên Matlab để thiết kế và kiểm chứng hệ thống treo trước khi sản xuất. Công nghệ treo chủ động nâng cao tính cạnh tranh của sản phẩm, đáp ứng yêu cầu ngành công nghiệp ô tô hiện đại.

4.2. Hướng phát triển và cải tiến trong tương lai

Tương lai mô hình điều khiển hệ thống treo hướng tới tích hợp công nghệ machine learning để học từ dữ liệu lái xe thực tế. Các thuật toán như tối ưu bầy đàn (PSO) và thuật toán di truyền (GA) có thể tìm tham số PID tốt hơn. Hệ thống MIMO (nhiều đầu vào-nhiều đầu ra) cho phép điều khiển các bánh xe độc lập. Mục tiêu là xây dựng mô hình tinh gọn, tính toán nhanh, phù hợp với các ứng dụng thực tế trên xe.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan về dao động và các nguyên nhân gây ra dao động trên ô tô 1. Dao động Dao động là sự lặp đi lặp lại nhiều lần một trạng thái của một vật nào đó. Trong cơ học, dao động là chuyển động có giới hạn trong không gian, lặp đi lặp lại nhiều lần quanh vị trí cân bằng.

Dao động cơ học là sự biến thiên liên tục giữa động năng và thế năng. Ô tô và mặt đường tạo nên một hệ dao động có mối liên hệ chặt chẽ với nhau. Dao động của ô tô ảnh hưởng đến con người (lái xe và hành khách), hàng hoá, độ bền của các cụm tổng thành và còn ảnh hưởng tới tuổi thọ của đường. Đặc biệt, trong quá trình di chuyển, sự kích thích động học của mấp mô bề mặt đường làm cho ô tô dao động.

Khi ô tô dao động tạo ra tải trọng động lớn tác dụng lên hệ thống chịu tải của xe (khung, vỏ), các chi tiết, cơ cấu tống thành… ảnh hưởng đến độ bền và tuổi thọ của chúng. Các nguyên nhân gây ra dao động Dao động ô tô theo phương thẳng đứng [2] được gây ra bao gồm ba nguồn chủ yếu là: - Mấp mô mặt đường, - Lực cản không khí, - Các lực, momen quán tính khi xe tăng tốc, phanh, quay vòng. Các yếu tố này đều có tính chất ngẫu nhiên, nhưng độc lập lẫn nhau. Ảnh hưởng của dao động Khi ô tô di chuyển sẽ phát sinh dao động, các dao động này tác động lên người ngồi trên ô tô [2].

Dao động phức tạp này gây ảnh hưởng xấu đến cơ thể như mệt mỏi, giảm năng suất làm việc, gây ảnh hưởng lâu dài đến sức khoẻ. Ảnh hưởng của dao động đối với cơ thể con người phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: thời gian tác động, vị trí tác động, đặc tính của hàm kích động dao động giá trị các đại lượng động học đặc trưng cho dao động như: tần số, biên độ, vận tốc, gia tốc. Dao động cũng làm ảnh hưởng trực tiếp tới tuổi thọ của xe, chất lượng của hàng hóa khi vận chuyển. Cơ chế tác động của dao động lên cơ thể con người [5]: Các dao động tác động trực tiếp lên người, hàng hóa ở trên xe.

Những dao động này được truyền đến con người dưới dạng sóng cơ (sóng dọc và sóng ngang) làm cho cả cơ thể hoặc từng bộ phận của cơ thể phải dao động theo. Con người được xem như là một hệ cơ học đàn hồi có tần số dao động riêng 3-30 Hz và có khả năng hấp thụ những dao động có tần số tới 8000 Hz. Khi chịu các lực kích thích do dao động gây ra, các bộ phận của cơ thể con người chuyển động tương đối với nhau, chẳng hạn như: khi ngồi trên ô tô phần mông tiếp xúc trực tiếp xuống ghế ngồi các phần còn lại của cơ thể được nối với nhau thông qua các bộ phận như cơ, dây chằng, gân. Khi ô tô chuyển động gây ra dao động làm ghế dao động dẫn đến các bộ phận của cơ thể dao động theo.

Ở thời điểm ban đầu cơ thể con người thực hiện đồng thời hai dao động đó là: dao động riêng tắt dần và dao động cưỡng bức với tần số của lức kích thích. Trong khi đó tần số dao động riêng của cơ thể con người là khoảng 3-30 Hz nhưng chủ yếu nằm trong khoảng 3,5-5 Hz. Khi tần số dao động cưỡng bức của lực kích thích trùng hoặc gần bằng với tần số dao động riêng của cơ thể thì sẽ xảy ra hiện tượng cộng hưởng gây ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ con người. Những dao động riêng này chỉ tồn tại trong một thời gian ngắn sau đó sẽ mất đi và cơ thể con người chỉ còn lại dao động cưỡng bức dưới tác động của lực kích thích.

Dao động cưỡng bức có thể biểu diễn dưới dạng toán học. 7 Lực kích thích tác động lên cơ thể con người bằng một trong hai đường truyền: có thể là tác dụng vào phần mông (nếu ngồi trên ghế) hoặc tác dụng vào bàn chân nếu người đó đứng. Ngoài ra đối với người lái có tác động của vô lăng vào tay người lái. Hệ thống treo trên ô tô 1.

Khái niệm Khi ô tô di chuyển, bánh xe luôn tiếp xúc với mặt đường [1], [3]. Nếu trục bánh xe liên kết cứng với thân xe (hoặc khung xe), thân xe sẽ “chép hình” theo sự biến đổi của biên dạng mặt đường và gây tải trọng lớn. Tải trọng này làm giảm tính tiện nghi cho người trên xe, ảnh hưởng tới độ bền kết cấu ô tô, khả năng đảm bảo an toàn giao thông … Để tránh các hệ quả xấu này, bộ phận đàn hồi được đặt giữa thân xe và bánh xe, giúp bánh xe có thể liên kết “mềm” với thân xe. Như vậy bánh xe có thể dịch chuyển tương đối so với thân xe và hạn chế tải trọng động tác dụng lên thân xe theo phương thẳng đứng.

Khái niệm này có thể được hiểu là “thân xe được treo” trên bộ phận đàn hồi.1: Hệ thống treo trên ô tô 8 Với khái niệm trên, có thể chia ô tô ra thành: phần được treo, phần không được treo, liên kết giữa chúng là bộ phận đàn hồi. Miêu tả đơn giản mối liên kết mềm của hệ thống treo được thể hiện trên Hình 1.2: Sơ đồ tổng quan về hệ thống treo 1. Bộ phận đàn hồi Mũi tên chỉ chiều chuyển động của 3. Bánh xe xe Phần nằm trên bộ phận đàn hồi là phần được treo gồm: khung xe, thân xe và hàng hoá hoặc hành khách, các hệ thống, cụm tổng thành lắp trên khung.

Phần nằm dưới bộ phận đàn hồi, được gọi là phần không được treo gồm: bánh xe, cầu xe. Kèm theo đó còn có khái niệm tương ứng: khối lượng được treo và khối lượng không được treo. Khi xe chuyển động trên đường, mặt đường không bằng phẳng là nguồn kích thích dao động, phần được treo và không được treo dao động theo phương thẳng đứng. Sự êm dịu chuyển động theo phương thẳng đứng của xe phụ thuộc vào khối lượng của các phần của hệ thống treo, vào độ cứng của bộ phận đàn hồi, tức là phụ thuộc vào kết cấu hệ thống treo [1].

Chức năng Theo [1], [3], HHT có chức năng sau: - Là một liên kết mềm giữa bánh xe và thân xe, giúp giảm tải trọng động thẳng đứng tác dụng lên thân xe và giúp xe di chuyển êm ái trên đường. - Truyền lực từ bánh xe lên thân xe và ngược lại, để xe có thể chuyển động, đồng thời đảm bảo sự chuyển dịch hợp lý vị trí của bánh xe so với thân xe. - Dập tắt nhanh chóng các dao động truyền lên từ mặt đường. Phân loại chung hệ thống treo Theo khả năng chuyển dịch tương đối của hai bánh xe trên một cầu khi bộ phận đàn hồi biến dạng có thể phân HTT làm hai loại: phụ thuộc và độc lập [1], [3] - HTT phụ thuộc là HTT có các bánh xe của cùng một cầu được bắt trên một dầm cầu cứng, khi một bánh xe chuyển vị so với thân xe, bánh xe bên kia sẽ chuyển vị phụ thuộc.

HTT phụ thuộc được chia ra làm hai: loại đơn và loại cân bằng.3: Hệ thống treo phụ thuộc 10 Các bánh xe được kết nối cùng một dầm cầu liền, dầm cầu này sẽ được nối với thân xe. Đây là một mô hình hệ thống treo đơn giản, có độ bền rất cao nên phù hợp với loại xe tải trọng lớn. Tuy nhiên nếu xe hoạt động không tải thì hệ thống dễ bị dao động. + Ưu điểm của HTT phụ thuộc: • Cấu tạo khá đơn giản, nên dễ sửa chữa, bảo dưỡng.

• HTT phụ thuộc có độ cứng vững cao để chịu được tải trọng lớn thích hợp cho các dòng xe tải hoặc bán tải. • Người ngồi trên xe có cảm giác ổn định vì khi xe vào cua, thân xe ít bị nghiêng. • Về cơ bản HTT phụ thuộc thích hợp cho các dòng xe tải chở hàng nặng hoặc có thể lắp cho trục bánh sau ở các dòng xe phổ thông, xe con. + Nhược điểm của HTT phụ thuộc: • Do khối lượng không được treo lớn và HTT phụ thuộc không có độ linh hoạt nên độ êm dịu của xe kém.

• Giữa bánh xe phải và trái mỗi khi chuyển động có ảnh hưởng qua lại lẫn nhau thông qua hệ thống dầm cầu nên chúng dễ bị ảnh hưởng dao động và rung lắc qua lại lẫn nhau. • Trong điều kiện mặt đường trơn trượt, dễ dẫn đến trượt bánh khi xe vào cua. Điều này có thể dễ nhận thấy nhất trên các dòng xe bán tải hay có hiện tượng văng đuôi như Toyota Hilux hay Ford Ranger.4: Hệ thống treo độc lập - HTT độc lập là HTT có chuyển vị các bánh xe trên cùng một cầu là độc lập đối với nhau (khi một bánh xe chuyển vị không xảy ra chuyển vị liên kết của bánh xe còn lại). HTT độc lập có thể phân ra: hai đòn ngang, một đòn ngang, đòn dọc, đòn chéo.

Những bánh xe không kết nối với nhau mà sẽ liên kết với thân xe một cách độc lập. Do đó khi di chuyển chúng không phụ thuộc vào những bánh xe còn lại mà hoàn toàn có thể chuyển động độc lập. Ngược lại với HTT phụ thuộc, hệ thống treo độc lập (Hình 1.4) có cấu tạo phức tạp hơn. Xe được trang bị hệ thống này có khả năng bám đường cao, di chuyển êm ái.

Vì không cần dầm cầu nên gầm xe có thể thiết kế thấp xuống. + Ưu điểm HTT độc lập: • Khối lượng không được treo nhỏ nên khả năng bám đường của bánh xe cao, tính êm dịu tốt hơn. • Do các bánh xe liên kết độc lập với nhau nên có thể bố trí sàn xe và động cơ thấp nhằm hạ thấp trọng tâm, giúp xe vận hành ổn định ở tốc độ cao. + Nhược điểm HTT độc lập: 12 • Có cấu tạo phức tạp nên việc bảo trì - bảo dưỡng phức tạp, giá thành cao.

• Khoảng cách và định vị của bánh xe bị thay đổi cùng với chuyển động lên xuống của bánh xe, nên xe phải được trang bị thêm thanh ổn định để giảm hiện tượng xoay đứng khi xe quay vòng và tăng độ êm ái cho xe. Ngoài ra, dựa theo cấu trúc bộ phận đàn hồi và giảm chấn mà các HTT độc lập còn có nhiều loại khác nhau như:  HTT độc lập hai đòn ngang,  HTT khí nén,  HTT MacPherson,. Chúng đều hoạt động dựa trên nguyên tắc cơ bản ở trên nhưng với công nghệ và độ phức tạp cao hơn mang lại sự thoải mái, tính êm dịu cho người dùng.