NGHI N CøU PH NG PH P M PHáNG IÒU KHIÓN TèI U HÖ THèNG TREO CHñ éng TR N T VíI HAI BËC Tù DO Ngyễn Đức Ngọc Đại học Thủy lợi Tó ắ: Hệ hống reo chủ động rên ô ô có khả năng ự động điề chỉnh độ cứng, cơ chế hoạ động để đáp ứng với độ nghiêng khng xe và ốc độ xe khi vào ca, độ nhấp nhô của ặ đường, giữ hăng bằng khi phanh, ục đích đe lại cho xe có ộ hệ hống reo hích hợp và hiệ qả nhấ. Bài viế nghiên cứ về hệ hống reo chủ động của ô ô, ứng dụng phương pháp điề khiển ối ư của SIMULINK, hiế lập ô hình bài oán, hiế kế ô hình điề khiển. Mô phỏng hoạ động của hệ hống reo chủ động để cho kế qả về dao động giá reo, biến dạng lốp, gia ốc dao động, lực ác động lên hệ hống reo á giống với hực ế vận hành xe rên đường. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Khi ôô chyển động rên đường không bằng phẳng, xe hường chị ải rọng dao động do bề ặ đường ấp ô inh ra. Những dao động này ảnh hưởng xấ ới ổi họ của xe và đặc biệ là gây cả giác không hoải ái đối với người ngồi rong xe. Các kế qả nghiên cứ về ảnh hưởng dao động của ôô đối với cơ hể con người đề đi ới kế lận là nế con người phải chị đựng lâ rong ôi rường dao động của ôô ẽ ắc những bệnh về hần kinh và não. Vì vậy ính ê dị rong chyển động là ộ rong những chỉ iê qan rọng của xe. Tính năng này phụ hộc vào khá nhiề yế ố rong đó hệ hống reo đóng vai rò qyế định. Hệ hống reo của ô ô hường ử dụng được phân loại heo kế cấ có hai kiể chính: Hệ hống reo phụ hộc và hệ hống reo độc lập; phân loại heo ngyên lý hoạ động điề khiển gồ có: hệ hống reo bị động, hệ hống reo bán chủ động và hệ hống reo chủ động. Mục đích chính của hệ hống reo là là giả rng xóc khi xe vận hành rên đường không bằng phẳng, ạo điề kiện cho bánh xe dao động heo phương hẳng đứng, ránh dao động lắc ngang hay lắc dọc đồng hời đả bảo ryền lực và ôen ổn định. Với hệ giả chấn qá ề hệ hống reo ẽ ạo ra nhiề rng động đàn hồi khi là việc, ngược lại với hệ qá cứng ẽ là cho xe bị xóc ạnh. Sự dng hoà giữa hai đặc điể rên chính là ý ưởng để các nhà hiế kế đưa ra hệ hống reo hiện đại. 2. CẤU TẠO HỆ THỐNG TREO CHỦ ĐỘNG (hình 1): Hình 1: Cấ ạo 1/4 hệ hống reo chủ động 1- Ngồn năng lượng cng cấp đầ vào; 2- Máy ính ECU; 3,5- Cả biến; 4- Giả chấn chủ động; 6- Bánh xe Hệ hống reo bị động ử dụng nhíp lá, lò xo xoắn kế hợp với gia chẩn hủy lực ra đời ừ rấ ớ nhưng chưa hể đáp ứng đòi hỏi cao về độ ê dị của xe con. Hệ hống reo chủ động cũng không phải là ộ phá inh ới, nó xấ hiện ừ 135
những nă 1955 cùng với hệ hống reo Mc Pheron. Nhưng ở hời kỳ này ngành công nghệ chưa đáp ứng ố được yê cầ kĩ hậ cho các chi iế rong hệ hống reo chủ động nên người a vẫn phải dùng lò xo xoắn, nhíp lá, hanh xoắn là cơ cấ giả chấn. Ngày nay các nhà hiế kế ôô đã ứng dụng nhiề hành ự ới của công nghệ vậ liệ, kỹ hậ cơ - điện ử để cho ra đời hệ hống reo có ính năng kỹ hậ iên iến, đó là các hệ hống reo chủ động hủy lực - khí nén; khí nén - điện ử EAS (hình 2); Hệ hống reo điện ừ. Các hệ hống này hiện đang dùng cho dòng xe cao cấp như Adi, BMW, Lex Với hệ hống reo chủ động rang bị rên xe người lái có hể lựa chọn, điề chỉnh độ đàn hồi cho hích hợp với chế độ vận hành của xe rên đường hông qa công ắc điề khiển lựa chọn chế độ Cofor hay Spor. Hình 2: Sơ đồ hệ hống chủ động reo khí nén - điện ử 1: Giả xóc khí nén; 2: cả biến gia ốc của xe; 3: ECU (hộp điề khiển điện ử của hệ hống reo); 4: Cả biến độ cao của xe; 5: Cụ van phân phối và cả biến áp ấ khí nén; 6: Máy nén khí; 7: bình chứa khí nén; 8: dường dẫn khí. Ngyên ắc hoạ động của hệ hống reo chủ động khí nén: Các cả biến độ cao xe liên ục 136 Bảng 1: Thông ố của hệ hống reo hai bậc ự do heo dõi khoảng cách giữa hân xe và các đòn reo để phá hiện độ cao gầ xe, cả biến ốc độ ghi nhận và gửi ín hiệ ốc độ xe đến ECU hệ hống reo. ECU hệ hống reo: Có nhiệ vụ nhận ín hiệ ừ ấ cả các cả biến để điề khiển lực của giả chấn và độ cứng của lò xo, độ cao xe heo điề kiện hoạ động của xe hông qa bộ chấp hành điề khiển hệ hống, đồng hời dẫn động van qay của giả chấn và van khí của xi lanh khí nén để hay đổi lực giả chấn và độ cứng hệ hống reo. Bộ chấp hành điề khiển điện ử phản ứng chính xác với ự hay đổi liên ục về điề kiện hoạ động của xe. Ư điể hệ hống reo chủ động: Có khả năng điề chỉnh độ cứng để đáp ứng với độ nghiêng khng xe và ốc độ xe khi vào ca, góc ca và góc qay vô lăng của người lái; Có hể ự động hay đổi ao cho cơ chế hoạ động của hệ hống reo được hích hợp và hiệ qả nhấ đối với ừng hành rình. Như khi phanh độ nhún các bánh rước ẽ cứng hơn bánh a, còn khi ăng ốc hì ngược lại; Có khả năng ự động hích nghi với ải rọng của xe, hay đổi độ cao gầ xe cho phù hợp với điề kiện hành rình. 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HỆ THỐNG TREO CHỦ ĐỘNG 3.1 Thiế lập ô hình hai bậc ự do của hệ hống reo bị động và chủ động Thiế lập ô hình 1/4 hệ hống reo ô ô: Với ô hình hệ hống reo bị động gồ lò xo, giả chấn hủy lực, lốp xe và khối lượng giá reo ạo hành ô hình hai bậc ự do (hình 3a); Mô hình hệ hống reo chủ động gồ lò xo, bộ inh lực ương ác U, lốp xe và khối lượng giá reo (hình 3b). Thiế lập ô hình với các hông ố heo bảng 1: Khối lượng rên giá reo 31 kg Khối lượng dưới giá reo 28 kg Độ cứng của lốp k 1,8x1 5 N/ Độ cứng của lò xo k 1,8x1 4 N/ Hệ ố dao động giả chấn C 1 3 N/
Hình 3: 1/4 Mô hình hệ hống reo ô ô Hệ hống gồ: khối lượng xe ác động lên lò xo; khối lượng cụ dưới lò xo; K độ cứng lò xo; C hệ ố dao động giả dần của giả chấn hủy lực; z, z, z r khoảng cách vị rí khối lượng. Ứng dụng định lậ 2 Nion hiế lập phương rình động lực học a có: z K( z z ) C( z z ) (3.1) z K ) K ) C ( z z ) (3.2) r Để hiế kế hệ hống điề khiển dựa rên cơ ở iê chẩn ích phân ối ư yến ính, các ha ố của khâ điề khiển được chọn xấ phá ừ nỗ lực ì cực iể cho ộ hà chấ lượng. Các ha ố giá rị z, z, z, z được gán giá rị là x1 z, x2 z, x3 z, x4 z a có T Vecor X [ x1, x2, x3, x4 ], vecor điề khiển U [],ín hiệ nhiễ ặ đường W z ].Từ đó [ r hiế lập được ô hình phương rình rạng hái: X AX BU EW (3.3) K Trong đó: A K 1 C C K K K C 1 C 1, B, E K 1, U, W zr Mục đích của phương pháp điề khiển ối ư hệ hống reo chủ động là nâng cao ính năng điề khiển và ính ổn định của ô ô, khi xe vận hành các ín hiệ nhiễ của ặ đường ác động lên giá reo, hệ hống reo chủ động có ác dụng là giả bớ dao động và ự biến dạng của lốp, khống chế độ lắc lư của giá reo. Từ đó a có hà ố ục iê: J 2 2 2 2 ( q z q ) q ) r d (3.4) 1 2 3 r ) Trong đó: q 1 q 2 q 3 r là các ha ố rạng hái. Đặ gia ốc dao động của giá reo z, hành rình động của giá reo z z, độ biến dạng của lốp z zr là các giá rị biến đổi. Ta có Vecor T Y [ z, z z, z z ], ừ phương rình rạng r hái, a có Vecor Y dưới: Y CX DU FW (3.5) K C K C 1 Trong đó: C 1 1, D, F 1 1 Hà ố ục iê (3.6): J ( Y QY U RU ) d T T (3.6) q1 Trong đó: Q q2, R r. q3 137
Từ ô hình liên ục, a ử dụng khâ phản hồi rạng hái: U = -Kx (3.7) Trong đó K là a rận phản hồi, được hiế kế ao cho hà chấ lượng ục iê là cực iể. Ứng dụng Malab để ì a rận phản hồi K heo iê chẩn ích phân ối ư yến ính: [K, S, e] = lqry (y,q,r[,n]) (3.8) Sử dụng lệnh rên rong Malab a xác định được kế qả a rận phản hồi K. Từ các hông ố giá reo, và lựa chọn các hông ố q 1 =4.83, q 2 =3.5x1 5,q 3 =1 6, a xác định được giá rị của a rận phản hồi K=[58563.1599; 6853.121; 63674.9851;-1567.27] 3.2. ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CỦA MATLAB/SIMULINK: 3.2.1 Thiế lập ô phỏng ín hiệ ặ đường Khi phân ích giá reo cần phải xác định được xe đang hoạ động rên ôi rường ặ đường như hế nào. Để phù hợp với điề kiện giao hông hực ế a xây dựng ô phỏng ín hiệ ặ đường với điề kiện ặ đường cấp C có hệ ố không bằng phẳng G q (no)=256x1-6 3, vận ốc xe V=2/, ần ố không gian n =,1-1, ứng dụng Silink hiế kế biể đồ ô phỏng ín hiệ ặ đường ác động lên giá reo (hình 4), ô phỏng cho ra kế qả ín hiệ ặ đường rên (hình 5):.8 TIN HIEU MAT DUONG.6 C A O D O M A T D U O N G ( ).4.2 -.2 -.4 -.6 -.8 -.1 -.12.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 THOI GIAN () Hình 4: Sơ đồ ô phỏng ín hiệ ặ đường 3.2.2. Thiế kế ô hình điề khiển ối ư giá reo chủ động ô ô: SIMULINK là phần chương rình ở rộng của MATLAB nhằ ục đích ô hình hóa, ô phỏng và khảo á các hệ hống động học. Giao diện đồ họa rên àn hình của SIMULINK cho phép hể hiện hệ hống dưới dạng ơ đồ ín hiệ với các khối chức năng qen hộc. Từ kho dữ liệ ô hình SIMULINK có hể ạo hành ộ ơ đồ điể khiển, căn cứ heo ô hình ối ư của bài oán điề khiển giá reo chủ động ô ô, xây dựng ô hình điề khiển ối ư heo ơ đồ (hình 6): Hình 5: Tín hiệ ặ đường Hình 6: Cấ rúc ơ đồ điề khiển giá reo chủ động ô ô 3.2.3 Kế qả ô phỏng điề khiển ối ư giá reo chủ động và bị động của ô ô 138
BIEN DANG LOP () HANH TRINH DAO DONG GIA TREO() LUC (N).2.15.1.5 -.5 -.1 Ch dong Bi dong DAO DONG LOP -.15.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 THOI GIAN () Hình 7:Kế qả dao động biến dạng của lốp.5.4.3.2.1 -.1 -.2 -.3 -.4 Ch dong Bi dong DAO DONG GIA TREO -.5.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 THOI GIAN () Hình 8:Kế qả dao động của hệ hống reo 2 15 1 5-5 -1-15 LUC TAC DONG -2.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 THOI GIAN () 4. KẾT LUẬN Từ kế qả ô phỏng rên cho hấy, việc ứng dụng hệ hống reo chủ động rên ô ô đe lại những lợi ích ố hơn nhiề o với hệ hống reo bị động, với hệ hống reo chủ động chỉ cần điề khiển lực ác động chủ yế rong phạ vi 1N, nó là cho hệ hống reo chủ động có kế qả dao động của hệ hống reo ổn định hơn, và biến dạng của lốp nhỏ hơn o với hệ hống reo bị động. Căn cứ ừ phương pháp điề khiển ối ư rên cho kế qả lực ác động cần hiế rên hệ hống reo chủ động, ừ đó là cơ ở để iến hành hiế kế các hệ hống giá reo có cấ ạo khác nha, với ục đích đe lại ự an oàn và hoải ái cho ngời vận hành, như hệ hống reo chủ động khí nén, điện ừ,.. Với ứng dụng SIMULINK rong việc điề khiển ối ư, đây là ộ phương pháp điề khiển hiện đại được ứng dụng rộng rãi rong các lĩnh vực điề khiển ự động, hiế nghĩ với kế qả nghiên cứ ban đầ này, được vận dụng và phá riển rong việc nghiên cứ các vấn đề liên qan để có nhưng kế qả khoa học ố hơn, ẽ đe lại những lợi ích o lớn cho công cộc phá riển đấ nước. Hình 9: Kế qả lực chủ động ác động lên hệ hống reo Tài liệ ha khảo: [1]. Ci Shengin. XIAN DAI QI CHE XI TONG KONG ZHI JI SHU, Nhà xấ bản đại học Bắc Kinh, 28.1.1 [2]. Xie Shihong. MATLAB R28 KONG ZHI XI TONG DONG TAI FANG ZHEN, Nhà xấ bản Công Nghệ Hóa Học Bắc Kinh, 29.1. [3]. Y fan, Lin yi. QI CHE XI TONG DONG LI XUE, Nhà xấ bản công nghệ cơ khí, 25.6 [4]. Seiha Trkay, Heyin Akcay. Apec of achievable perforance for qarer-car acive penion, Available online 25 Ocober 27. [5]. Nrkan Yagiz, Ykel Haciogl. Backepping conrol of a vehicle wih acive penion, Conrol Engineering Pracice- Available online 2 Jne 28 Abrac RESEARCH ON ACTIVE SUSPENSION MODEL OF TWO-DOF VEHICLE FOR OPTIMAL CONTROL The acive penion ye on he car i capable of adjing he hardne aoaically, he echani working o ee he il chai and conrolling vehicle peed when aoobile are rning on he neven road, keeping harp wih he brake. The prpoe i o give he car a penion appropriaely and o effecively. Thi paper cover he reearch on he acive penion ye of aoobile. Applying he opial conrolling of SIMULINK o eablih he odel of dynaic eqaion which ilae he operaing of acive penion and achieve a rel of variaion pylon, ire deforaion, acceleraion varie and force acing on he penion which are iilar o he acal operaion of vehicle on he road. 139