Luận án nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường hệ thống treo bán tích cực trên ô tô - Nguyễn Trung Kiên, Đại học Bách khoa Hà Nội

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 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 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN 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 4 1.1 Động lực học hệ thống treo 4 1. Thiết kế hệ thống treo thụ động 6 1.

Hệ thống treo điều khiển điện tử 7 1.4 Cảm biến trong hệ thống treo điều khiển điện tử 9 1. Kỹ thuật điều khiển 11 1. Chỉ tiêu đánh giá hệ thống treo 21 1. Mục tiêu luận án 24 1.

Đóng góp mới của luận án 24 1. Nội dung của luận án 24 1. Bố cục luận án 25 1. Kết luận 25 CHƢƠNG 2.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH 26 2. Mô hình hệ thống treo toàn xe 26 2. Mô hình hệ thống treo ½ 27 2. Mô hình hệ thống treo ¼ 27 2.

Mô hình hệ thống treo ¼ bán tích cực 28 2. Giảm chấn từ tính 32 2. Chất lỏng từ tính 32 2. Chất lỏng MR 34 2.

Kết cấu giảm chấn MR 35 2. Mô hình giảm chấn MR 36 2. Mô hình bán tĩnh 37 2. Mô hình tham số giảm chấn MR 40 2.

Mô phỏng đặc tính giảm chấn 42 2. Đánh giá đặc tính điều khiển đến hoạt động của giảm chấn MR 46 2. Mô hình hệ thống treo có giảm chấn MR 52 2. Mô hình tổng thể 52 2.

Mô phỏng hoạt động 53 2. Kết luận 55 CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 57 3. Bộ điều khiển LQR 59 3.

Bộ quan sát Kalman (bộ lọc Kalman) 64 3. Bộ điều khiển LQG 67 3. Mô phỏng và lựa chọn bộ điều khiển 69 3. Kịch bản mô phỏng 69 3.

Kết quả và đánh giá 71 3. Đánh giá hiệu quả bộ điều khiển LQG2 77 3. Đánh giá theo xung tác động dạng sin 77 3. Đánh giá dƣới tác động của mặt đƣờng ngẫu nhiên 81 3.

Kết luận 83 CHƢƠNG 4. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ GIẢM CHẤN MR 85 4. Yêu cầu của bệ thử 85 4. Trình tự thực hiện 85 4.

Cấu tạo vào nguyên lý hoạt động của bệ thử 86 4. Sơ đồ nguyên lý bệ thử 86 4. Nguyên lý hoạt động của bệ thử 87 4. Kết cấu thiết bị thí nghiệm đặc tính giảm chấn 90 4.

Các thông số của thiết bị 90 4. Các bộ phận trên thiết bị 91 4. Thực nghiệm xác định đặc tính giảm chấn 91 4. Kịch bản thử nghiệm 92 4.

Kết quả thử nghiệm 92 4. Xác định thông số mô phỏng trên mô hình Dahl 96 4. Kết luận 103 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 107 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 117 PHỤ LỤC 118 PHỤ LỤC 1. 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 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh mục ký hiệu Ký Đơn Giải hiệu vị 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/ Độ cứng của lốp m 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 Ký Đơn Giải hiệu vị thích Ma trận trọng số quan tâm đến năng lƣợng R điều 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 RMS Root Mean Square trung bình DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. Bảng đánh giá độ êm dịu ô tô theo ISO 2631-1 [99] 23 Bảng 2. Thông số của mô hình treo ¼ 32 Bảng 2.

Các đặc tính điển hình của chất lỏng ER và MR [27], [103] 34 Bảng 2. Thông số mô hình Bouc-Wen [110] 41 Bảng 2. Tham số trong mô hình Dahl [110] 42 Bảng 2. Kịch bản mô phỏng giảm chấn MR 43 Bảng 2.

Kịch bản mô phỏng đặc tính giảm chấn MR 46 Bảng 2. Phƣơng án mô phỏng hệ thống treo với giảm chấn MR 53 Bảng 3. Giá trị các điểm cực khi có bộ điều khiển 63 Bảng 3. Mô phỏng theo chủng loại cảm biến 70 Bảng 3.

Mô phỏng theo vị trí lắp cảm biến 70 Bảng 3. So sánh hiệu quả của bộ điều khiển LQG2 80 Bảng 3. So sánh hiệu quả của bộ điều khiển LQG2 ở các tốc độ khác nhau 83 Bảng 4. Thử nghiệm xác định đặc tính giảm chấn MR 92 Bảng 4.

Tƣơng quan giữa mô phỏng và thực nghiệm 100 Bảng 4. Sự phụ thuộc các tham số trong mô hình Dahl theo điện áp cấp 101 Bảng 4. Quan hệ của các tham số trễ mô hình Dahl theo điện áp 103 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1. Mô hình hệ thống treo ¼ 4 Hình 1.

Hệ thống treo điều khiển điện tử 7 Hình 1. Sơ đồ kết cấu hệ thống treo trên ô tô 8 Hình 1. Mô hình hệ thống treo Skyhook 13 Hình 1. Đáp ứng miền tần số của hệ thống treo thụ động 14 Hình 1.

Đáp ứng miền tần số của hệ thống treo skyhook 15 Hình 1. Mô hình hệ thống treo Groundhook 16 Hình 1. Điều khiển trƣợt trên mặt phẳng pha 18 Hình 2. Mô hình không gian xe con 26 Hình 2.

Mô hình phắng dao động ô tô 2 cầu 27 Hình 2. Mô hình ¼ 28 Hình 2. Mô hình hệ thống treo ¼ bán tích cực 29 Hình 2. Minh họa về sự hoạt động của chất lỏng MR 35 Hình 2.

Cấu tạo giảm chấn MR 35 Hình 2. Nguyên lý hoạt động của giảm chấn MR 36 Hình 2. Các thông số của piston và van điều khiển của giảm chấn MR 39 Hình 2. Mô hình Bouc-Wen 40 Hình 2.

Mô hình Dahl 42 Hình 2. Đặc tính lực theo thời gian (F-t) 44 Hình 2. Đặc tính F-v 44 Hình 2. Đặc tính F-x 45 Hình 2 14.

Sơ đồ mô phỏng ảnh hƣởng của điện áp đến đặc tính giảm chấn MR 46 Hình 2.Đặc tính F-t khi cấp điện áp điều khiển không đổi 47 Hình 2. Đặc tính F-v khi cấp điện áp điều khiển không đổi 47 Hình 2. Đặc tính F-x khi cấp điện áp điều khiển không đổi 47 Hình 2. Đặc tính điện áp điều khiển theo sƣờn dƣơng 48 Hình 2.

Đặc tính F-t khi cấp điện áp điều khiển theo sƣờn dƣơng 49 Hình 2. Đặc tính F-v khi cấp điện áp điều khiển theo sƣờn dƣơng 49 Hình 2. Đặc tính F-x khi cấp điện áp điều khiển theo sƣờn dƣơng 50 Hình 2. Đặc tính điện áp điều khiển đối xứng âm-dƣơng 50 Hình 2.

Đặc tính F-t khi cấp điện áp điều khiển đối xứng âm-dƣơng 50 Hình 2. Đặc tính F-v khi cấp điện áp điều khiển đối xứng âm-dƣơng 51 Hình 2. Đặc tính F-x khi cấp điện áp điều khiển đối xứng âm-dƣơng 51 Hình 2. Mô hình hệ thống treo ¼ với giảm chấn MR 53 Hình 2.

Đặc tính F-v trên hệ thống treo ¼ có giảm chấn MR 54 Hình 2. Đặc tính F-x trên hệ thống treo ¼ có giảm chấn MR 54 Hình 2. So sánh dịch chuyển thân xe 54 Hình 3. Sơ đồ bố trí bộ điều khiển trong hệ thống treo bán tích cực 57 Hình 3.

Mô hình không gian trạng thái kết hợp điều khiển LQR 59 Hình 3. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển hệ thống treo theo luật LQR 60 Hình 3. Sơ đồ khối kết nối bộ lọc Kalman 64 Hình 3. Sơ đồ bộ lọc Kalman liên tục 65 Hình 3.