Nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo bán tích cực trên

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ đề tài nghiên cứu nào khác. Hà Nội, tháng năm 2022 Nghiên cứu sinh i LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu sinh (NCS) xin chân thành cảm ơn Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo, Trƣờng Cơ khí và nhóm chuyên môn Ô tô và xe chuyên dụng đã cho phép NCS thực hiện luận án tại Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Phòng Đào tạo và Trƣờng Cơ khí về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình NCS làm luận án.

NCS xin chân thành cảm ơn PGS.TS Đàm Hoàng Phúc và TS Lại Năng Vũ đã hƣớng dẫn NCS hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để NCS có thể thực hiện và hoàn thành luận án. NCS xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô nhóm Ôtô và xe chuyên dụng- Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho NCS những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này. NCS xin cảm ơn Ban Giám hiệu trƣờng trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Nam Định đã hậu thuẫn và động viên NCS trong suốt quá trình nghiên cứu học tập. NCS xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để NCS có thể hoàn chỉnh luận án này và định hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai.

Cuối cùng NCS xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những ngƣời đã động viên khuyến khích NCS trong suốt thời gian NCS tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này. Nghiên cứu sinh Nguyễn Trung Kiên ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. vi DANH MỤC CÁC BẢNG.

viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ. ix CHƢƠNG 1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc .1 Động lực học hệ thống treo. Thiết kế hệ thống treo thụ động.

Hệ thống treo điều khiển điện tử .4 Cảm biến trong hệ thống treo điều khiển điện tử. Kỹ thuật điều khiển. Chỉ tiêu đánh giá hệ thống treo. Mục tiêu luận án.

Đóng góp mới của luận án. Nội dung của luận án. Bố cục luận án. XÂY DỰNG MÔ HÌNH.

Mô hình hệ thống treo toàn xe. Mô hình hệ thống treo ½. Mô hình hệ thống treo ¼. Mô hình hệ thống treo ¼ bán tích cực.

Giảm chấn từ tính. Chất lỏng từ tính. Chất lỏng MR. Kết cấu giảm chấn MR.

Mô hình giảm chấn MR. Mô hình bán tĩnh. Mô hình tham số giảm chấn MR. Mô phỏng đặc tính giảm chấn.

Đánh giá đặc tính điều khiển đến hoạt động của giảm chấn MR. Mô hình hệ thống treo có giảm chấn MR. Mô hình tổng thể. Mô phỏng hoạt động.

XÂY DỰNG, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN. Bộ điều khiển LQR. Bộ quan sát Kalman (bộ lọc Kalman). Bộ điều khiển LQG.

Mô phỏng và lựa chọn bộ điều khiển. Kịch bản mô phỏng. Kết quả và đánh giá. Đánh giá hiệu quả bộ điều khiển LQG2.

Đánh giá theo xung tác động dạng sin. Đánh giá dƣới tác động của mặt đƣờng ngẫu nhiên. 83 iv CHƢƠNG 4. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ GIẢM CHẤN MR.

Yêu cầu của bệ thử. Trình tự thực hiện. Cấu tạo vào nguyên lý hoạt động của bệ thử. Sơ đồ nguyên lý bệ thử.

Nguyên lý hoạt động của bệ thử. Kết cấu thiết bị thí nghiệm đặc tính giảm chấn. Các thông số của thiết bị. Các bộ phận trên thiết bị.

Thực nghiệm xác định đặc tính giảm chấn. Kịch bản thử nghiệm. Kết quả thử nghiệm. Xác định thông số mô phỏng trên mô hình Dahl.

103 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 107 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. Bảng so sánh lực giảm chấn giữa mô phỏng và thực nghiệm ở cùng vị trí dịch chuyển, dƣới tác dụng điện áp 0.

Bảng so sánh lực giảm chấn giữa mô phỏng và thực nghiệm ở cùng vị trí vận tốc, dƣới tác dụng điện áp 0. Chƣơng trình tính toán dữ liệu nạp vào Adruino. 119 PHỤ LỤC 4: Chƣơng trình giao diện hiển thị. 121 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh mục ký hiệu Ký hiệu Đơn vị Giải thích A Ma trận vật lý của hệ thống treo aWZ m/s2 Gia tốc bình phƣơng trung binh B Ma trận điều khiển C Ma trận tín hiệu đầu ra c Ns/m Hệ số cản của giảm chấn mb kg Khối lƣợng phần đƣợc treo mw kg Khối lƣợng phần không đƣợc treo K N/m Độ cứng của phần tử đàn hồi kt N/m Độ cứng của lốp zb m Dịch chuyển của thân xe zw m Dịch chuyển của bánh xe zr m Dịch chuyển của mặt đƣờng x Trạng thái y Tín hiệu đầu ra F N Lực giảm chấn cần thiết Fb N Lực giảm chấn MR theo mô hình Bouc-wen Fd N Lực giảm chấn MR theo mô hình Dahl F-t Đặc tính lực giảm chấn – thời gian F-x Đặc tính lực giảm chấn – chuyển vị piston F-v Đặc tính lực giảm chấn – vận tốc piston G Ma trận tín hiệu nhiễu K Ma trận phản hồi trạng thái L Độ lợi Kalman Ma trận trọng số quan tâm đến chất lƣợng điều Q khiển Qe Ma trận hiệp phƣơng sai nhiễu vi Ký hiệu Đơn vị Giải thích Ma trận trọng số quan tâm đến năng lƣợng điều R khiển Re Re là ma trận hiệp phƣơng sai phép đo nhiễu U V Điện áp điều khiển Danh mục chữ viết tắt Ký hiệu Giải thích D/A Digital to Analog Bộ chuyển số sang tƣơng tự DM Mean damping ratio Tỷ lệ giảm chấn trung bình ER Electrorheological Chất lỏng điện trƣờng Điều khiển Gauss tuyến tính-bậc LQG Linear–quadratic–Gaussian hai LQR Linear–quadratic regulator Điều chỉnh toàn phƣơng tuyến tính LQG1 Bộ điều khiển 1 LQG2 Bộ điều khiển 2 LQG3 Bộ điều khiển 3 LQG4 Bộ điều khiển 4 Micro Electro Mechanical MEMS Hệ thống vi cơ điện tử Systems MR Magnetorheological Chất lỏng từ hoá MRD Magnetorheological Device Bộ giảm chấn từ tính Chỉ tiêu gia tốc bình phƣơng trung RMS Root Mean Square bình vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.

Bảng đánh giá độ êm dịu ô tô theo ISO 2631-1 [99]. Thông số của mô hình treo ¼. Các đặc tính điển hình của chất lỏng ER và MR [27], [103]. Thông số mô hình Bouc-Wen [110].

Tham số trong mô hình Dahl [110]. Kịch bản mô phỏng giảm chấn MR. Kịch bản mô phỏng đặc tính giảm chấn MR. Phƣơng án mô phỏng hệ thống treo với giảm chấn MR.

Giá trị các điểm cực khi có bộ điều khiển. Mô phỏng theo chủng loại cảm biến. Mô phỏng theo vị trí lắp cảm biến. So sánh hiệu quả của bộ điều khiển LQG2.

So sánh hiệu quả của bộ điều khiển LQG2 ở các tốc độ khác nhau. Thử nghiệm xác định đặc tính giảm chấn MR. Tƣơng quan giữa mô phỏng và thực nghiệm. Sự phụ thuộc các tham số trong mô hình Dahl theo điện áp cấp.

Quan hệ của các tham số trễ mô hình Dahl theo điện áp. 103 viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1. Mô hình hệ thống treo ¼. Hệ thống treo điều khiển điện tử.

Sơ đồ kết cấu hệ thống treo trên ô tô. Mô hình hệ thống treo Skyhook. Đáp ứng miền tần số của hệ thống treo thụ động. Đáp ứng miền tần số của hệ thống treo skyhook.

Mô hình hệ thống treo Groundhook. Điều khiển trƣợt trên mặt phẳng pha. Mô hình không gian xe con. Mô hình phắng dao động ô tô 2 cầu.

Mô hình hệ thống treo ¼ bán tích cực. Minh họa về sự hoạt động của chất lỏng MR. Cấu tạo giảm chấn MR. Nguyên lý hoạt động của giảm chấn MR.

Các thông số của piston và van điều khiển của giảm chấn MR. Mô hình Bouc-Wen. Mô hình Dahl. Đặc tính lực theo thời gian (F-t).

Sơ đồ mô phỏng ảnh hƣởng của điện áp đến đặc tính giảm chấn MR .Đặc tính F-t khi cấp điện áp điều khiển không đổi. Đặc tính F-v khi cấp điện áp điều khiển không đổi. Đặc tính F-x khi cấp điện áp điều khiển không đổi. Đặc tính điện áp điều khiển theo sƣờn dƣơng.

Đặc tính F-t khi cấp điện áp điều khiển theo sƣờn dƣơng. Đặc tính F-v khi cấp điện áp điều khiển theo sƣờn dƣơng. Đặc tính F-x khi cấp điện áp điều khiển theo sƣờn dƣơng. Đặc tính điện áp điều khiển đối xứng âm-dƣơng.

Đặc tính F-t khi cấp điện áp điều khiển đối xứng âm-dƣơng. Đặc tính F-v khi cấp điện áp điều khiển đối xứng âm-dƣơng. Đặc tính F-x khi cấp điện áp điều khiển đối xứng âm-dƣơng. Mô hình hệ thống treo ¼ với giảm chấn MR.

Đặc tính F-v trên hệ thống treo ¼ có giảm chấn MR. Đặc tính F-x trên hệ thống treo ¼ có giảm chấn MR. So sánh dịch chuyển thân xe. Sơ đồ bố trí bộ điều khiển trong hệ thống treo bán tích cực.

Mô hình không gian trạng thái kết hợp điều khiển LQR. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển hệ thống treo theo luật LQR. Sơ đồ khối kết nối bộ lọc Kalman. Sơ đồ bộ lọc Kalman liên tục.

Bộ quan sát Kalman trong điều khiển hệ thống treo bán tích cực. Các bƣớc thực hiện trong Kalman. Sơ đồ điều khiển hệ thống treo theo thuật toán LQG. Dịch chuyển thân xe với các phƣơng án điều khiển.

Biên độ dao động thân xe cực đại. Đặc trƣng dao động tắt dần. So sánh hiệu quả dập tắt dao động. Đặc tính lực giảm chấn cần thiết trong hệ thống treo ¼.

Dao động thân xe giữa LQG2, LQG3 và LQG4. So sánh biên độ dao động cực đại theo 4 phƣơng án điều khiển. So sánh hiệu quả dập tắt dao động theo 4 phƣơng án điều khiển. Lực giảm chấn cần thiết cần thiết trên 3 phƣơng án.

Đặc tính dịch chuyển thân xe. Độ giảm dịch chuyển thân xe cực đại. Đặc tính gia tốc dao động thân xe. Độ giảm gia tốc cực đại.

Đặc tính lực tác động xuống mặt đƣờng. Đặc tính mặt đƣờng C-D theo ISO 8608:1995 ở tốc độ 40km/h .