Tài liệu Thiết kế bộ điều khiển tối ưu lqg cho hệ giảm chấn tích cực có sử dụng bộ lọc biến trạng thái

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN HOÀ NG VIỆT THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU LQG CHO HỆ THỐNG GIẢM CHẤN TÍCH CỰC CÓ SỬ DỤNG BỘ LỌC BIẾN TRẠNG THÁI LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa THÁI NGUYÊN – 2016 0 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN HOÀ NG VIỆT THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU LQG CHO HỆ THỐNG GIẢM CHẤN TÍCH CỰC CÓ SỬ DỤNG BỘ LỌC BIẾN TRẠNG THÁI Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN TRƯỞNG KHOA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PHÒNG ĐÀO TẠO THÁI NGUYÊN – 2016 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Hoàng Việt Sinh ngày 12 tháng 7 năm 1986 Học viên lớp cao học khoá 16 CH.TĐH 01 - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Bộ môn Kỹ thuật điện tử, Khoa Điện tử, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Tôi xin cam đoan luận văn “Thiết kế bộ điều khiển tối ưu LQG cho hệ giảm chấn tích cực có sử dụng bộ lọc biến trạng thái” do thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình. Thái Nguyên, ngày 30 tháng 5 năm 2016 Học viên Nguyễn Hoàng Việt 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương và được sự hướng dẫn tận tình giúp đỡ của thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí, luận văn với đề tài “ Thiết kế bộ điều khiển tối ưu LQG cho hệ giảm chấn tích cực có sử dụng bộ lọc biến trạng thái” đã được hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Văn Chí đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn. Các thầy cô giáo Bộ môn Đo lường Điều khiển, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên và các đồng nghiệp đã quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập để hoàn thành luận văn này. Mặc dù đã cố gắng hết sức, tuy nhiên do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tác giả mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp cho luận văn của tôi được hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 30 tháng 5 năm 2016 Học viên Nguyễn Hoàng Việt 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Mục lục LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... 3 LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ 4 Mục lục ........................................................................................................................... 5 Danh mục chữ viết tắt ................................................................................................... 7 Danh mục các bảng ....................................................................................................... 8 Danh mục hình vẽ, mô phỏng, đồ thị........................................................................... 9 Chương 1 Giới thiệu về hệ thống giảm chấn ............................................................ 12 1.1 Cấu tạo và chức năng của hệ thống giảm chấn .................................................. 12 1.1.1 Cấu tạo ...................................................................................................... 12 1.1.2 Chức năng của hệ giảm chấn .................................................................... 13 1.1.3 Các yếu tố đánh giá chất lượng của hệ thống giảm chấn ......................... 14 1.2 Phân loại hệ giảm chấn....................................................................................... 18 1.3 Đặc trưng của tín hiệu dao động từ mặt đứng xg ................................................ 22 1.4 Các xu hướng điều khiển hệ giảm chấn tích cực ............................................... 25 1.4.1 Điều khiển hệ giảm chấn bán tích cực ...................................................... 25 1.4.2 Điều khiển hệ giảm chấn tích cực ............................................................. 26 1.5 Kết luận chương 1 .............................................................................................. 27 Chương 2 Mô hình cơ cấu chấp hành dùng động cơ tuyến tính dạng ống ............ 28 2.1 Cấu tạo của động cơ tuyến tính dạng ống .......................................................... 28 2.2 Xây dựng phương trình lực của động cơ tuyến tính dạng ống ........................... 30 2.2.1 Công cụ để xây dựng mô hình .................................................................. 30 2.2.2 Xây dựng mô hình giữa điện áp và lực cho động cơ tuyến tính dạng ống ... ................................................................................................................... 33 2.3 Mô phỏng ........................................................................................................... 36 2.4 Kết luận chương 2 .............................................................................................. 39 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Chương 3 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ giảm chấn tích cực ................................. 40 3.1 Cấu trúc điều khiển ............................................................................................ 40 3.2 Thiết kế bộ điều khiển dập tắt dao động LQG và sử dụng bọc biến trạng thái . 41 3.2.1 Mô hình phi tuyến của hệ thống giảm chấn .............................................. 41 3.2.2 Thiết kế mạch lọc biến trạng thái ............................................................. 44 3.2.3 Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái ............................................... 46 3.2.4 Mô phỏng hệ thống ................................................................................... 48 3.3 Thiết kế bộ điều khiển lực và dòng cho động cơ tuyến tính .............................. 54 3.3.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng ..................................................................... 54 3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển lực ........................................................................ 56 3.4 Sơ đồ mô phỏng của cả hệ thống ....................................................................... 57 3.4.1 Khi nhiễu có dạng xung vuông tác động .................................................. 58 3.4.2 Khi tác động nhiễu ngẫu nhiên ................................................................. 61 3.5 Vấn đề thực nghiệm ........................................................................................... 63 3.6 Kết luận chương 3 .............................................................................................. 64 Kết luận chung của luận văn ...................................................................................... 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 67 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Danh mục chữ viết tắt Từ viết tắt Tên tiếng anh Tên tiếng việt LQR Linear Quadratic Regulator Bộ điều chỉnh toàn phương tuyến tính LQG Linear Quadratic Gaussian Bộ điều khiển tuyến tính toàn phương Gaussian PID Proportional- IntergralDerivative Tỷ lệ – Tích phân- Đạo hàm LBM Linear Brushless Permanent Magnet Motor Động cơ tuyến tính 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Danh mục các bảng Bảng 1: Phân loại hệ giảm chấn ................................................................................... 21 Bảng 2 Tham số vật lý của động cơ tuyến tính ............................................................. 37 Bảng 3: Tham số vật lý của hệ giảm chấn .................................................................... 48 8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Danh mục hình vẽ, mô phỏng, đồ thị Hình 1. 1 Mô hình của hệ thống giảm chấn điển hình 12 Hình 1. 2 Minh họa sự dao động của hệ thống giảm chấn với tác dụng của xg(t) 13 Hình 1. 3 Chất lượng của hệ giảm chấn khi thay đổi ks và bs 15 Hình 1. 4 Đáp ứng tần của hệ khi thay đổi hệ số cản dịu 17 Hình 1. 5 Xấp xỉ mật độ xác suất Fdyn của một loại đường 18 Hình 1. 6 Mô hình hệ thống 1/4 thụ động, bán tích cực và tích cực 19 Hình 1. 7 Tín hiệu kích thích từ đương và phân tích phổ tần của nó 22 Hình 1. 8 Đáp ứng của hệ giảm chấn khi tác động kích thích dạng xung vuông 23 Hình 1. 9 Đáp ứng của hệ khi tác động kích thích ngẫu nhiên 24 Hình 1. 10 Hệ thống giảm chấn bán tích cực và ý tưởng của Skyhook 25 Hình 2. 1 Mặt cắt của cuộn dây và nam châm 28 Hình 2. 2 Lắp ráp của các cuộn dây với miếng đệm 29 Hình 2. 3 Sơ đồ khối động cơ tuyến tính dạng ống – LBM 30 Hình 2. 4 Mô hình động cơ LBM trên matlab/Simulink 36 Hình 2. 5 Sơ đồ mô phỏng động cơ LBM với khâu chuyển hệ toạ độ dq 37 Hình 2. 6 Trạng thái của động cơ LBM 38 Hình 2. 7 Đáp ứng về độ dịch chuyển roto và lực 39 Hình 3. 1 Mô hình hệ giảm chấn sử dụng động cơ tuyến tính 40 Hình 3. 2 Cấu trúc điều khiển của hệ thống giảm chấn tích cực 40 Hình 3. 3 Minh hoạ tính phi tuyến của độ cứng lò xo và hệ số cản dịu 41 Hình 3. 4 Mô hình phi tuyến hệ giảm chấn tích cực 42 Hình 3. 5 Cấu trúc bộ lọc biến trạng thái Kalman 45 Hình 3. 6 Cấu trúc bộ lọc biến trạng thái trong mô phỏng trên simulink 46 Hình 3. 7 Cấu trúc điều khiển của hệ giảm chấn 47 9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Hình 3. 8 Sơ đồ mô phỏng tác động của bộ điều khiên LQG với hệ giảm chấn 49 Hình 3. 9 Kết quả mô phỏng tác động của bộ điều khiên LQG trong trường hợp nhiễu có dạng xung vuông 50 Hình 3. 10 Lực Fe ref(t) và lực tải động của bánh xe Fdyn(t) khi cho xung vuông tác động 51 Hình 3. 11 Kết quả mô phỏng tác động của bộ điều khiên LQG trong trường hợp 52 Hình 3. 12 Lực Fe(t) và lực tải động của bánh xe Fdyn(t) khi nhiễu ngẫu nhiên tác động 53 Hình 3. 13 Sơ đồ điều khiển lực và dòng cho động cơ 54 Hình 3. 14 Sơ đồ điều khiển dòng điện cho động cơ 54 Hình 3. 15 Đáp ứng dòng điện id và iq 55 Hình 3. 17 Đáp ứng lực Fe(t) với giá trị đặt 200N 56 Hình 3. 16 Sơ đồ điều khiển lực 56 Hình 3. 18 Sơ đồ mô phỏng cả hệ thống 57 Hình 3. 19 Trạng thái của hệ thống giảm chấn khi tác động nhiễu xung vuông 58 Hình 3. 20 Trạng thái dịch chuyển của roto động cơ khi nhiễu xung vuông tác động 59 Hình 3. 21 Trạng thái của đông cơ tuyến tính khi tác động nhiễu xung vuông 60 Hình 3. 22 Lực cần dập tắt dao động và lực do động cơ sinh ra tác động nhiễu ngẫu nhiên 60 Hình 3. 23 Trạng thái của hệ thống giảm chấn khi tác động nhiễu ngẫu nhiên 61 Hình 3. 24 Trạng thái dịch chuyển của roto động cơ khi nhiễu ngẫu nhiên tác động 61 Hình 3. 25 Lực cần dập tắt dao động và lực do động cơ sinh ra khi 62 Hình 3. 26 So sánh sự dịch chuyển của khối thân trên khi không tác động giảm chấn và khi tác động giảm chấn 62 Hình 3. 27 Mô hình hệ giảm chấn tích cực tại phòng thí nghiệm 63 Hình 3. 28 Hình ảnh stato và roto của động cơ LBM 63 10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn LỜI NÓI ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Ngày nay, hệ thống giảm chấn được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực như: xây dựng nhà, xây dựng cầu đường và đặc biệt trong công nghiệp sản xuất phương tiện vận tải (ô tô, xe máy, tàu hỏa…). Mục đích của hệ thống giảm chấn là dập tắt nhanh nhất dao động để hệ làm việc không phụ thuộc vào tác động lực từ bên ngoài nhằm duy trì trạng thái cân bằng cho hệ thống. Hiện nay, đa phần các hệ thống giảm chấn sử dụng nguyên tắc giảm chấn thụ động. Giảm chấn thụ động có ưu điểm là thiết kế đơn giản nhưng có nhược điểm lớn là thời gian dập tắt dao động và lực giảm chấn không thể điều chỉnh được [2], [3], [6]. Theo các nghiên cứu [1], [2], [4] thì sử dụng hệ giảm chấn tích cực có nhiều ưu điểm hơn hệ giảm chấn thụ động là có thể điều chỉnh linh hoạt lực giảm chấn về chiều và cường độ, qua đó có thể dập tắt dao động nhanh hơn và duy trì trạng thái ổn định tốt hơn. 2. Mục tiêu của nghiên cứu: - Tìm hiểu hệ thống giảm chấn thụ động, hệ thống giảm chấn tích cực và xu thế điều khiển trong hệ giảm chấn tích cực. - Thiết kế bộ lọc biến trạng thái - Thiết kế bộ điều khiển tối ưu LQG dập tắt quá trình dao động. - Điều khiển động cơ tuyến tính sinh ra lực điện từ dập tắt quá trình dao động. - Mô phỏng kiểm chứng kết quả. 3. Kết quả dự kiến: - Xây dựng mô hình toán hệ thống giảm chấn tích cực, động cơ tuyến tính. - Xây dựng bộ điều khiển tối ưu LQG có sử dụng bộ lọc biến trạng thái. - Mô phỏng kiểm chứng kết quả hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng phần mềm Matlab – Simulink. - Xây dựng mô hình thực nghiệm. 4. Nội dụng các chương: Chương 1: giới thiệu về hệ thống giảm chấn Chương 2: Mô hình cơ cấu chấp hành dùng động cơ tuyến tính dạng ống Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển cho hệ giảm chấn tích cực Kết luận chung của luận văn. 11 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Chương 1 Giới thiệu về hệ thống giảm chấn 1.1 Cấu tạo và chức năng của hệ thống giảm chấn 1.1.1 Cấu tạo Ngày nay, hệ thống giảm chấn được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực như: xây dựng nhà, xây dựng cầu đường và đặc biệt trong công nghiệp sản xuất phương tiện vận tải (ô tô, xe máy, tàu hỏa…). Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, tác giả nghiên cứu hệ giảm chấn áp dụng trong các phương tiện vận tải. Cấu tạo của hệ giảm truyền thống (giảm chấn thụ động) thường được gọi là hệ thống treo được minh hoạ như hình 1.1. Trong đó bao gồm: khối treo (suspension mass) có khối lượng mus (đặc trưng cho lốp xe, bánh xe, phanh và các khối lượng tải của bánh xe), khối thân trên (body mass) có khối lượng ms đặc trưng cho khối lượng khung xe (gồm khách và hàng hóa). Hệ thống treo dùng để kết nối hai thành phần khối thân trên và khối treo được tạo bởi một lò xo mắc song song với khối cản dịu. Khung xe, sàn xe, hành khách và hàng hoá ms Khối thân trên xs Hệ thống giảm chấn ks bs Cản dịu Lò xo mus Khối treo xus kt bt Lốp xe, bánh xe, phanh và các cơ cấu gắn với bánh xe xg Hình 1. 1 Mô hình của hệ thống giảm chấn điển hình Trong hình vẽ trên, xg biểu diễn cho các tác động gây dao động từ bên ngoài vào hệ thống (tác động từ mặt đường) không biết trước với một dải tần số xác định, tác động này truyền đến cho khối treo thông qua lốp xe đặc trưng bởi một phần tử có đặc tính lò xo kt và khối cản dịu có hệ số cản dịu bt. Khi bị tác động, khối treo sẽ dao động, mức độ dao động này được đánh giá thông qua xus, dao động xus tiếp tục tác 12 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn động lên khối thân trên thông qua cặp phần tử có đặc tính lò xo ks và khối cản dịu có hệ số cản dịu bs, mức độ dao động của khối thân trên được biểu thị bằng xs. Với hệ giảm chấn thụ động các hệ số về độ cứng của lò xo và hệ số cản dịu được lựa chọn theo chỉ tiêu chất lượng cho trước và không điều chỉnh được trong quá trình hoạt động. 1.1.2 Chức năng của hệ giảm chấn Chức năng cơ bản hệ thống giảm chấn là nhằm dập tắt dao động của khối thân trên và nhanh chóng duy trì ổn định của hệ thống. Hệ giảm chấn làm giảm ảnh hưởng của lực tác động ở bề mặt đường lên khối thân trên, tạo cảm giác thoải mái khi đi xe. Yêu cầu đối với hệ thống giảm chấn là đòi hỏi phải có đặc tính nhanh chóng dập tắt dao động tuy nhiên cũng cần đòi hỏi phải nhạy với các dao động dù là nhỏ, trong thực tế bao giờ hai đặc tính này cũng không thể thỏa mãn đồng thời, nó chỉ có thể đáp ứng ở một mức độ cân nhắc nào đó giữa hai yếu tố này. xg(t) [m] Dao động từ mặt đường xs(t) [m] Dao động của khối thân trên xus(t) [m] Dao động của khối treo Thời gian (s) Hình 1. 2 Minh họa sự dao động của hệ thống giảm chấn với tác dụng của xg(t) Hình 1.2 minh hoạ sự tác động của xg lên khối treo và khối thân trên với các số liệu: ms = 256 kg, ks = 20200 N/m, bs = 1140 Ns/m, mus = 31 kg, kt = 128000 N/m và 13 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn bt = 0 [1]. Ban đầu giả thiết tất cả xg, xs, xus đều bằng không, tại thời điểm 1 giây, xg thay đổi dưới dạng xung vuông với biên độ 30 cm. Kết quả là khối treo và khối thân trên dao động. Đến thời gian 3 giây xg hết tác động, xs và xus sẽ dao động thêm một khoảng thời gian nữa, 4 giây sau thì xs và xus về 0. Trong khoảng thời gian từ 1-5 giây khối trân trên và khối treo dao động với tần số lớn, điều này gây ra cảm giác khó chịu cho người đi xe. Khoảng thời gian của hệ giảm chấn hết dao động trở về vị trí ban đầu (cân bằng) này phụ thuộc vào các hệ số kt, bt, ks, bs khối lượng khối treo cũng như khối lượng khối thân trên, biên độ và tần số của xg. Các chỉ số kt, bt đặc trưng cho tham số của lốp, thường thay đổi trong phạm vi hẹp nên với hệ có ms và mus xác định thì thời gian dao động của hệ chủ yếu phụ thuộc vào các hệ số ks, bs. Để giảm nhỏ khoảng thời gian này cũng như biên độ dao động xs, xus ta cần phải tính toán, lựa chọn cặp hệ số của lò xo và cơ cấu cản dịu (ks, bs) phù hợp. Khi độ cứng của các phần tử lò xo tăng lên thì dạng dao động của xs và xus sẽ càng gần với dạng dao động của xg, chất lượng của hệ thống giảm chấn càng giảm. Nếu độ cứng của các phần tử lò xo càng giảm thì thời gian dao động sẽ tăng lên, chất lượng giảm chấn cũng sẽ giảm. Khối lượng của các khối treo và khối thân trên cũng ảnh hưởng rất nhiều đến dạng dao động của xs và xus, khi khối lượng tăng lên cả hệ thống sẽ dần trở thành một khâu cứng, khi khối lượng giảm thì cả hệ thống sẽ trở thành một khâu dao động v.v. Đối với một hệ thống giảm chấn lý tưởng, người ta mong muốn với bất kỳ tác động nào của xg, tác động này sẽ được dập tắt qua hệ thống lò xo và cơ cấu cản dịu để xs luôn luôn bằng không (kể cả vận tốc và gia tốc), tức là không chịu tác động của xg. 1.1.3 Các yếu tố đánh giá chất lượng của hệ thống giảm chấn Một biện pháp đo lường đơn giản để đánh giá mức độ thoải mái khi đi xe là gia tốc vuông góc với khung xe x , nếu gia tốc thấp sẽ mang lại cảm giác thoải mái khi đi xe. Để tạo ra sự an toàn, lốp xe phải có khả năng di chuyển lực dọc, ngang giữa xe và đường, điều đó tạo được khi nếu bánh xe có lực tải Fdyn , lực này bị giới hạn, tức là để bánh xe vẫn tiếp xúc với mặt đường. Điều này có thể đạt được trong điều kiện ràng buộc của giá trị x và Fdyn. Fdyn  kt ( xg  xus )  bt ( x g  xus ) (1.1) 14 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Hình 1.3 mô tả mối quan hệ chỉ tiêu độ thoải mái và chỉ tiêu an toàn của các hệ thống giảm chấn thụ động khác nhau với sự thay đổi các hệ số ks, bs ở trên. Kết quả thu được từ mô phỏng hệ giảm chấn với kích thích là các loại đường mẫu và các giá trị của x và Fdyn. Cả hai đại lượng này càng thấp càng tạo cảm giác thoải mái và an toàn khi đi xe. Có thể thấy rằng việc thiết lập mối quan hệ giữa độ cứng của lò xo kt và hệ số cản dịu bs của cơ cấu cản dịu rất quan trọng trong hệ thống giảm chấn. Đặc trưng của một Xấu hệ thống giảm chấn thụ động được tạo nên bởi cặp hai tham số này. bs Bán tích cực Độ thoải mái ks là hằng số bs là hằng số ks Thụ động Tốt Tích cực hoàn Mặt pareto toàn Tốt Độ an toàn Xấu Hình 1. 3 Chất lượng của hệ giảm chấn khi thay đổi ks và bs [1] Hệ thống giảm chấn bán tích cực có thể điều chỉnh hệ số cản dịu do đó cải thiện được cảm giác đi xe và độ an toàn của hệ thống. Trong hình vẽ mô tả sự biến thiên của độ cứng lò xo và hệ số cản dịu, tức là ngay cả khi độ cứng của lò xo được điều chỉnh giảm xuống thì các nhà thiết kế phải lựa chọn để tạo sự thoải mái đi xe hoặc an toàn, điều đó dẫn tới định hướng tăng yếu tố này thì yếu tố kia bị giảm. Hình 1.3 cho thấy, đi xe thoải mái và an toàn là yếu tố quan trọng có thể nâng cao được bởi hệ thống giảm chấn cơ điện tử (nếu hoạt động hoàn toàn tích cực). Hệ thống giảm chấn tích cực cho phép tạo ra hệ thống giảm chấn có độ an toàn và độ thoải mái hơn hẳn so với hệ giảm chán thụ động và hệ giảm chấn bán tích cực. Trong đó, hệ giảm chấn tích cực bao gồm thiết bị truyền động với tần số cao đủ để chủ động 15 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn giảm giao động giữa khung gầm và bánh xe. Để có thể điều chỉnh hoàn toàn chủ động (đường mầu xám) thì đi kèm theo nó phải cần bộ điều khiển trên hệ giảm chấn hoàn toàn chủ động. Điều quan trọng nhất của hệ thống giảm chấn tích cực đạt được là tạo ra sự thay đổi linh động của lực tác động. Nếu không tạo ra được điều này, ví dụ như nếu bộ điều khiển không hoạt động linh hoạt theo thời gian thì việc điều chỉnh của hệ thống giảm chấn có thể không mang lại kết quả tối ưu khi đi xe. Khả năng đáp ứng yêu cầu cao của hệ thống giảm chấn không thể đạt được nếu chỉ thiết kế bộ điều khiển với một số loại đường cho trước. Do đó, cần áp dụng các bộ điều khiển thích nghi theo sự thay đổi không biết trước từ mặt đường (cái tạo ra xg(t)). Vậy tóm lại, yếu tố đánh giá chất lượng của hệ thống giảm chấn thệ hiện bằng chỉ tiêu độ thoải mái khi đi xe và chỉ tiêu độ an toàn khi đi xe. a. Độ thoải mái khi đi xe Để tạo sự thoải mái khi đi xe là hạn chế lực vuông góc với khung xe. Một hệ thống giảm chấn tạo cảm giác thoải mái khi đi xe sẽ cách ly khối khung gầm khi có những rung động gây ra bởi đường hay động năng của xe. Như vậy, trong điều kiện rung động thẳng đứng, độ thoải mái khi đi xe có thể định lượng bởi gia tốc của khung xe. Tuy nhiên, con người nhạy cảm với các tần số dao động kích thích cơ học theo hướng dọc (4 - 8Hz), nên các tần số này cần được đưa vào tính toán. Thực tế này được xem xét trong việc thiết kế các hệ thống giảm chấn, lựa chọn độ cứng của lò xo, hệ số cản dịu, lốp sao cho tần số dao động nằm giữa tần số dao động tự nhiên của lò xo và khối treo, qua đó nâng cao được tác dụng cách ly. Tuy nhiên, đáp ứng tần số phụ thuộc vào hệ số cản dịu, nếu cơ cấu cản dịu có hệ số cản dịu thấp sẽ dẫn đến cách ly tốt giữa khung và gầm xe, tăng độ thoải mái khi đi xe nhưng tăng đỉnh cộng hưởng. Vì vậy, độ an toàn khi đi xe giảm đi. 16 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Gx x ( j ) s g [dB] bs = 2000 Ns/m bs = 1140 Ns/m bs = 700 Ns/m bs = 100 Ns/m Tần số [Hz] Hình 1. 4 Đáp ứng tần của hệ khi thay đổi hệ số cản dịu [1] b. Độ an toàn khi đi xe Để đi xe an toàn thì các tác động lái của người lái phải được truyền xuống đường theo chiều dọc qua lốp xe và mặt đường. Đây là yêu cầu quan trọng để người lái xe có thể điều khiển được khi lái. Một tiêu chí để đáp ứng yêu cầu về an toàn là tải trọng của bánh xe động không được vượt quá tải trọng của bánh xe tĩnh, điều này có thể đạt được nếu điều kiện bánh xe động được giới hạn. Để xây dựng điều kiện ràng buộc, giả định sự nhấp nhô của bề mặt đường ngẫu nhiên và bánh xe có tải động Fdny có mật độ xác suất Gausian. Một ràng buộc về Fdny có thể được xây dựng bằng cách sử dụng độ lệch chuẩn trong một khoảng thời gian T.  F  Fdyn dyn std  1T 2  Fdyn ( ) d T0 (1.2) Khi giá trị trung bình tải động của bánh xe bằng không, giữ  Fdyn  Fdyn để quy rms tắc 3σ đảm bảo một phân bố ngẫu nhiên trung bình vẫn nằm trong giới hạn ±Fstat xấp xỉ khoảng 99.7% trong một chu kỳ T. Vì vậy, điều kiện ràng buộc về giá trị trung bình tải động của bánh xe là giá trị bánh xe tải động không vượt quá 1/3 giá trị bánh xe tải tĩnh: Fdyn rms  Fstat 3 (1.3) Với Fstat = g(ms+mus) là tải trọng của bánh xe tĩnh, g = 9.81m/s2 là gia tốc trọng trường. Trong hình 1.6, mật độ xác suất Gausian của một tải bánh xe động của hệ giảm 17 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn chấn thụ động khi đi trên một loại đường cụ thể với vận tốc 50 km/h. Tải trọng động của bánh xe động là một chỉ tiêu rất quan trọng vì nó có thể gây ra hiện tượng mất ma Mật độ phân bố xác xuất sát giữa xe với mặt đất. - Fstat - 3σFdyn + 3σFdyn + Fstat Tải trọng động Fdyn [N] Hình 1. 5 Xấp xỉ mật độ xác suất Fdyn của một loại đường [1] 1.2 Phân loại hệ giảm chấn Mô hình nghiên cứu về hệ thống giảm chấn [1],[2] gồm ba loại sau: - Mô hình đầy đủ (Full-car) có tính toán động lực của một chiếc xe hoàn chỉnh. - Mô hình 1/2 (Half-car) phân tích chuyển động lên xuống và chuyển động quay với hình thức đơn giản. - Mô hình 1/4 (A Quarter-vehicle) chỉ mô tả chuyển động của phần khối lượng tương đương tác động lên một bánh xe. Nếu chuyển động của bốn bánh xe được coi là tách riêng, thì mô hình 1/4 là một mô hình phù hợp để nghiên cứu trong phạm vi tần số dao động từ 0 – 25Hz. Hình 1.6 mô tả mô hình 1/4 cho ba loại giảm chấn khác nhau: Hệ thống thụ động, hệ thống bán tích cực (ở giữa) và hệ thống tích cực. Trong hệ thống bán tích cực, phần tử cản dịu (damping) bs = bs(t) có thể điều chỉnh được. Trong hệ thống giảm chấn tích cực, lực giảm chấn Fe(t) có thể được thay đổi bằng cơ cấu chấp hành giữa khối treo và khối thân trên. Để tìm hiểu những tác động theo chiều dọc của hệ thống và đánh giá tác động điều khiển thì mô hình 1/4 thích hợp do cấu trúc đơn giản và có thể mô phỏng các thành phần phi tuyến của hệ thống. 18 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Khối thân trên ms Khối thân trên ms bs ks bs ks mus kt Khối thân trên ms bt 0 bs Động cơ ks mus kt Fe mus bt xs kt xus bt Hình 1. 6 Mô hình hệ thống 1/4 thụ động, bán tích cực và tích cực 0 xg 0 Mô hình 1/4 của hệ thống giảm chấn tổng quát được mô tả bằng hệ phương trình như sau: ms xs  k s ( xs  xus )  bs ( x s  x us )  Fe (t )  mus xus  k s ( xs  xus )  bs ( x s  x us )  k t ( xw  x g )  bt ( x us  x g )  Fe (t ) (1.4) Khi Fe(t) = 0, bs là hằng số thì hệ thống giảm chấn là hệ thống giảm chấn thụ động, khi Fe(t) = 0, bs = bs(t) thì hệ thống giảm chấn là hệ thống giảm chấn bán tích cực và khi Fe(t) ≠ 0 thì hệ thống giảm chấn là hệ thống giảm chấn tích cực hoàn toàn Hệ thống giảm chấn tích cực được phân loại theo thiết bị truyền động bao gồm: tần số hệ truyền động, loại năng lượng thiết bị truyền động sử dụng và phạm vi điều khiển. Theo đó, hệ thống giảm chấn tích cực được chia thành: 1. Hệ thống điều khiển tự động theo mức: Hệ thống được thiết lập để giữ khoảng cách giữa khung và đường với khoảng cách cố định tuỳ theo trọng tải của xe. Hệ thống này sử dụng đệm không khí và máy nén khí. Do vậy, tạo ra sự mềm mại và thoải mái theo các thiết lập phụ thuộc vào tải trọng của xe. Nhu cầu năng lượng của loại này khoảng 100 – 200W. 2. Hệ thống giảm chấn thích nghi: Hệ thống này có thể thay đổi chậm các đặc tính của lò xo và cơ cấu cản dịu theo vận tốc của xe để hạ trọng tâm của xe, đảm bảo bám đường hơn. Nhu cầu năng lượng phụ thuộc chủ yếu vào năng lượng cần thiết cho việc thay đổi độ cứng của lò xo. 3. Hệ thống giảm chấn bán tích cực: Hệ thống này có khả năng điều chỉnh nhanh chóng hệ số cản dịu hoặc độ cứng của lò xo. Một thuộc tính của hệ thống này là các lực sinh ra bởi hệ thống điều khiển phụ thuộc vào hướng của các 19 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn