Nghiên cứu ứng dụng logic mờ trong điều khiển hệ thống treo cho ô tô Nghiên cứu ứng dụng logic mờ trong điều khiển hệ thống treo cho ô tô Nghiên cứu ứng dụng logic mờ trong điều khiển hệ thống treo cho ô tô Nghiên cứu ứng dụng logic mờ trong điều khiển hệ thống treo cho ô tô
TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Ô tô là một hệ dao động phức tạp, ảnh hưởng đến người lái, hành khách, hàng hóa, độ bền và an toàn của xe, cũng như tuổi thọ của đường Trong quá trình chuyển động, dao động ô tô tạo ra tải trọng động lớn lên khung vỏ và các chi tiết, ảnh hưởng đến độ bền của chúng Để giảm thiểu dao động và tăng cường sự ổn định, hệ thống treo là một bộ phận quan trọng cần nghiên cứu Hệ thống treo cổ điển, dù đã được tối ưu hóa, vẫn không thể khử hoàn toàn dao động do mặt đường và tải trọng Để khắc phục, từ cuối những năm 80, hệ thống treo bán tích cực hay bán chủ động đã được phát triển, cho phép tự động điều chỉnh độ cứng và hoạt động để thích ứng với điều kiện đường, độ nghiêng khung xe, và tải trọng Hệ thống này là một phần thiết yếu của ô tô hiện đại, giúp cải thiện sự thoải mái và an toàn trong quá trình di chuyển.
Mô hình 1/4 hệ thống treo với hai bậc tự do cho phép mô tả sự biến đổi của vận tốc và gia tốc rung động của thân xe theo chiều thẳng một cách đơn giản.
Mô hình một nửa hệ thống treo với bốn bậc tự do được xây dựng dựa trên một nửa thân xe theo đường đối xứng, giúp nghiên cứu và phản ánh chính xác rung động thẳng đứng cũng như góc nghiêng theo một phương của thân xe.
Mô hình tổng thể hệ thống treo với bảy bậc tự do phản ánh toàn bộ hệ thống rung động của thân xe, cũng như góc nghiêng của thân xe theo ba phương Mô hình này thể hiện tổng thể rung động của thân xe một cách chính xác, gần gũi với thực tế.
Hệ thống treo để nối đàn hồi giữa khung hoặc vỏ với các cầu, các bánh xe của ô tô thực hiện các chức năng sau:
Khi ô tô di chuyển, lốp xe có vai trò quan trọng trong việc hấp thụ và giảm thiểu các rung động, dao động và va đập từ mặt đường không bằng phẳng Điều này giúp bảo vệ hành khách và hành lý, đồng thời cải thiện tính ổn định của xe.
Xác định động học của chuyển động bánh xe bao gồm việc phân tích lực phanh được sinh ra từ ma sát giữa bánh xe và mặt đường, cùng với các mô men phản lực tác động lên gầm và thân xe.
Dập tắt dao động thẳng đứng của khung vỏ ô tô là rất cần thiết để giảm thiểu ảnh hưởng của mặt đường không bằng phẳng Khi di chuyển trên đường gồ ghề, ô tô phải chịu nhiều dao động, ảnh hưởng đến tuổi thọ xe, hàng hóa và đặc biệt là hành khách Thống kê cho thấy, tốc độ trung bình của ô tô giảm 40-50% khi chạy trên đường xấu, quãng đường giữa hai chu kỳ đại tu giảm 35-40%, và suất tiêu hao nhiên liệu giảm 50-70%, dẫn đến năng suất vận chuyển giảm 30-40% và giá thành vận chuyển tăng 50-70% Ngoài ra, việc tiếp xúc lâu dài với rung xóc có thể gây mệt mỏi và dẫn đến các vấn đề về thần kinh Do đó, tính êm dịu là tiêu chí quan trọng để đánh giá chất lượng xe Hệ thống treo đóng vai trò quyết định trong việc đảm bảo tính êm dịu, phụ thuộc vào cường độ kích thích và trình độ lái xe Lực kích thích gây dao động có thể xuất phát từ sự không cân bằng của liên hợp máy hoặc độ nhấp nhô của mặt đường.
Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước
Trong hệ thống treo chủ động, phương pháp điều khiển đóng vai trò quan trọng, đặc biệt trong bối cảnh ngành toán tin ngày càng phát triển Hiện nay, có nhiều phương pháp điều khiển tiên tiến được áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.
Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu như Florin Andronic và Liliana Pătuleanu đã phát triển nhiều phương pháp điều khiển hệ thống treo, bao gồm tối ưu hóa, tự thích ứng, fuzzy logic và mạng thần kinh Họ đã sử dụng Matlab Simulink để mô phỏng và phân tích dao động của xe với hệ thống treo bị động, dựa trên mô hình 1/4 xe Tuy nhiên, các giải pháp điều khiển tuyến tính hiện tại chỉ phản ánh sự biến đổi của vận tốc và gia tốc rung động theo chiều thẳng đứng và nghiêng Để cải thiện, nhóm nghiên cứu M Prem Jeya Kumar đã xây dựng một mô hình toán học đầy đủ cho hệ thống treo xe ô tô, nhằm phản ánh toàn bộ hệ thống rung động và góc nghiêng của thân xe theo ba phương, mang lại cái nhìn tổng thể hơn về sự rung động thực tế của xe.
Mô hình bảy bậc tự do cho hệ thống treo ô tô cho phép mô phỏng chuyển vị góc của các bánh xe dẫn hướng như Caster, Kingpin, Toe-in và Toe-out Nghiên cứu của Nguyễn Đức Ngọc và Deng Zhaoxiang đã ứng dụng lý thuyết điều khiển tối ưu để thiết kế bộ điều khiển tuyến tính, qua đó cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống treo chủ động, mang lại cảm giác thoải mái cho người ngồi trên xe Đinh Văn Phong đã trình bày một mô hình dao động ô tô với tính chất phi tuyến của hệ thống treo thủy khí, cho thấy sự khác biệt lớn giữa mô hình phi tuyến và tuyến tính Việc nghiên cứu mô hình phi tuyến đang ngày càng trở nên quan trọng, với giải pháp điều khiển phi tuyến, như bộ điều khiển trượt được thiết kế dựa trên PID, nhằm tối ưu hóa hoạt động của hệ thống treo qua việc điều khiển các van trong bốn ống xilanh điện-thủy lực giảm chấn.
Bộ điều khiển HVTH: HỒ QUỐC KHÁNH 4 không yêu cầu đo vị trí van trong ống giảm chấn, giảm thiểu số lượng cảm biến cần thiết Để hoàn thiện hệ thống treo chủ động, việc tối ưu hóa cơ cấu cơ khí là cần thiết, trong đó ống giảm chấn từ lưu biến (MR Damper) là một giải pháp thực tiễn Nghiên cứu của Olugbenga Moses Anubi cho thấy việc áp dụng phương thức Sky-hook giúp cải thiện khả năng giảm chấn, mang lại sự êm dịu cho xe Hướng nghiên cứu khác của Nguyễn Đức Ngọc và Deng Zhaoxiang mô phỏng hệ thống treo với bảy bậc tự do, sử dụng phần mềm Flux để tối ưu thiết kế xi lanh lực điện từ, từ đó phát triển mô hình điều khiển cho hệ thống treo chủ động Kết quả cho thấy lực tác động cần thiết cho từng giá treo, giúp thiết kế hệ thống treo chủ động với xi lanh lực điện từ ổn định hơn, nâng cao an toàn và thoải mái cho hành khách Tuy nhiên, chi phí cao của hệ thống này là một hạn chế đáng kể.
Giải pháp sử dụng thuật điều khiển phi tuyến cho hệ thống treo chủ động trên ô tô kết hợp với giảm chấn từ lưu biến là một hướng nghiên cứu khả thi, cả về mặt cơ khí lẫn điều khiển.
Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của nghiên cứu là phát triển giải thuật điều khiển cho hệ thống treo bán tích cực sử dụng giảm chấn từ lưu biến trên xe ô tô Để thực hiện điều này, nghiên cứu sẽ phân tích kết cấu và nguyên lý động học của hệ thống treo bán chủ động Dựa trên động lực học đã phân tích, mô hình hệ thống sẽ được xây dựng cho bài toán dao động và cân bằng dao động của ô tô theo mô hình 1/4 xe Sau đó, giải thuật điều khiển sẽ được thiết lập tương thích với mô hình hệ thống Cuối cùng, tính khả thi của giải thuật sẽ được mô phỏng, phân tích và chứng minh trong môi trường Simulink Matlab.
Giới hạn của đề tài
Đề tài mô phổng mới chỉ mô phổng, thực nghiệm trong môi trường Simulink Matlab chưa mô phổng trên mô hình thực tế
Hệ thống chỉ được khảo sát và điều khiển theo phương thẳng đứng, tức là trong mặt phẳng dọc của ô tô Điều này dẫn đến việc chưa đảm bảo tính khả thi khi áp dụng giải thuật điều khiển vào thực tế Đồng thời, cũng chưa có chứng minh về tính ổn định của giải pháp điều khiển dưới tác động của dữ liệu thực địa mặt đường.
Phương pháp nghiên cứu
Nội dung bài viết sẽ tập trung vào việc tham khảo và nghiên cứu nền tảng lý thuyết cùng với các bài báo khoa học liên quan, nhằm xác định nhu cầu thực tiễn, nội dung, yêu cầu và đối tượng nghiên cứu một cách cụ thể Bên cạnh đó, chúng tôi cũng sẽ phân tích các hệ thống treo hiện có trên thị trường, nêu rõ ưu nhược điểm của từng loại để cung cấp cái nhìn tổng quan và sâu sắc hơn cho độc giả.
Lựa chọn thuật toán phù hợp và hiểu rõ nguyên lý hoạt động cùng cấu tạo của hệ thống treo là rất quan trọng Cần xem xét các tiêu chí đánh giá dao động và độ êm dịu để tối ưu hóa thiết kế Qua quá trình nghiên cứu, tham khảo, chúng ta có thể đưa ra các thông số và luật điều khiển thích hợp cho bộ điều khiển của hệ thống.
• Từ kiến thức về lý thuyết, xây dựng thuật toán, hiệu chỉnh các tham số để tối ưu hệ thống như ý muốn
Sau khi hoàn tất các bước, chúng ta tiến hành chạy thử mô hình trên môi trường Matlab Simulink Qua đó, chúng tôi sẽ đánh giá hiệu suất của hệ thống và đề xuất hướng phát triển tiếp theo.
Tóm tắt các nội dung chính
Bài viết bắt đầu với việc tìm hiểu tổng quan về hệ thống treo ô tô và các nghiên cứu liên quan đến mô hình toán học cũng như giải thuật điều khiển Tiếp theo, nghiên cứu tập trung vào việc mô hình hóa hệ thống treo ô tô thông qua động năng và thế năng, khi xe di chuyển dưới tác động của mặt đường ngẫu nhiên và tải trọng động Sử dụng phương trình Lagrange để xây dựng mô hình toán 1/4 xe cho hệ thống treo Đề xuất thiết kế giải thuật điều khiển Fuzzy nhằm khử dao động trong quá trình ô tô di chuyển nhanh chóng Với tính phi tuyến của hệ, giải thuật điều khiển mờ (Fuzzy logic) được áp dụng Cuối cùng, chương trình mô phỏng được viết ra để phân tích và chứng minh hiệu quả của giải thuật đã đề xuất.
Bố cục luận văn
Chương 2: trình bày tóm tắt các khái niệm về dao động trên ô tô, hệ thống treo ô tô, cấu tạo và hoạt động các loại hệ thống treo phổ biến trên xe ô tô ngày nay Bao gồm, hệ thống treo bị động (treo phụ thuộc và treo độc lập) và hệ thống treo bán tích cực MR (Magne Ride)
Chương 3: trên cơ sở kết cấu và nguyên lý động học của hệ thống treo bán chủ động, xây dựng mô hình hệ thống cho bài toán dao động và cân bằng dao động ô tô theo mô hình 1/4 xe, giải thuật điều khiển phù hợp với mô hình hệ thống
Chương 4: trình bày phần thực nghiệm của hệ thống đề xuất Nội dung tập trung vào cài đặt giải thuật điều khiển sử dụng môi trường Simulink Matlab, phân tích hiệu quả của hệ thống đề xuất
Chương 5: tổng kết các kết quả và đánh giá nghiên cứu chính đã đạt được của luận văn và các công việc cần phát triển trong tương lai
KHÁI NIỆM VỀ DAO ĐỘNG Ô TÔ
Khái niệm về dao động ô tô
Khi ô tô di chuyển, bánh xe tiếp xúc với mặt đường, và nếu trục bánh xe liên kết cứng với thùng xe, thùng xe sẽ bị ảnh hưởng bởi mấp mô mặt đường, gây tải trọng động lớn Tải trọng này không chỉ làm giảm tính tiện nghi cho người ngồi trong xe mà còn ảnh hưởng đến độ bền kết cấu và an toàn giao thông Để khắc phục vấn đề này, ô tô sử dụng bộ phận đàn hồi giữa thùng xe và bánh xe, giúp bánh xe liên kết “mềm” với thùng xe, từ đó giảm tải trọng động tác dụng lên thùng xe Khái niệm này được hiểu là “thùng xe được treo” trên bộ phận đàn hồi, cho phép phân chia ô tô thành phần được treo, phần không được treo và bộ phận đàn hồi Khối lượng được treo càng lớn thì xe càng chạy êm, ngược lại, khối lượng không được treo lớn sẽ dễ làm xe bị xóc nẩy, ảnh hưởng đến độ êm của xe, đặc biệt là thân xe.
Hình 2.1 Mô hình hóa hệ thống treo ô tô
Dao động của khối lượng được treo có thể phân ra như sau:
Lắc dọc là dao động lên xuống của đầu và đuôi xe so với trọng tâm của xe
- Xe bị lắc dọc khi chạy qua rãnh hoặc mấp mô
- Xe có lò xo (Nhíp) mềm dễ bị lắc dọc hơn xe có lò xo cứng.
Hình 2.2 Dao động lắc dọc
Khi xe di chuyển trên đường gồ ghề hoặc vào khúc cua, các lò xo ở một bên xe sẽ giãn ra trong khi các lò xo ở bên kia co lại, dẫn đến hiện tượng xe lắc lư theo chiều ngang.
Hình 2.3 Dao động lắc ngang
- Chuyển động lên xuống của toàn bộ thân xe khi xe chạy tốc độ cao trên đường gợn sóng
- Xe có lò xo (nhíp) mềm dễ bị dậm dình hơn
Sự xoay đứng, hay đảo hướng, xảy ra khi đường tâm dọc của xe chuyển động sang trái hoặc phải so với trọng tâm Khi xe bị lắc dọc, khả năng bị đảo hướng cũng tăng lên.
Hình 2.5 Dao động xoay đứng
Dao động của khối lượng không được treo có thể phân ra như sau:
- Sự dịch đứng là chuyển động lên xuống của bánh xe, thường xuất hiện khi xe chạy với tốc độ trung bình và cao trên đường gợn sóng
Sự xoay dọc là hiện tượng dao động lên xuống ngược chiều giữa bánh xe bên phải và bên trái, khiến cho bánh xe bị nhảy lên và mất độ bám đường Hiện tượng này thường xảy ra phổ biến ở các loại xe có hệ thống treo phụ thuộc.
Hiện tượng này xảy ra khi mô men tăng tốc hoặc mô men phanh tác động lên nhíp, dẫn đến việc nhíp có xu hướng quay quanh trục bánh xe Sự dao động uốn này ảnh hưởng đến sự êm ái khi xe vận hành.
Các chỉ tiêu đánh giá dao động và độ êm dịu của chuyển động ô tô
Hiện nay, nhiều tiêu chí được sử dụng để đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô, với các quốc gia có nền công nghiệp ô tô phát triển đưa ra những tiêu chuẩn khác nhau Các nghiên cứu trong và ngoài nước đã xác định một số chỉ tiêu quan trọng để đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô.
Con người thường di chuyển hàng ngày với nhịp điệu bước đi trung bình từ 60 đến 90 lần mỗi phút Tần số dao động của ô tô cũng nằm trong khoảng tương tự: xe con dao động từ 60 đến 90 lần/phút (1 đến 1,5 Hz) và xe tải từ 100 đến 120 lần/phút (1,6 đến 2 Hz) Tại Việt Nam, chỉ số tần số dao động được đề xuất cho ô tô sản xuất lắp ráp trong nước là nhỏ hơn 2,5 Hz.
Gia tốc dao động là một thông số quan trọng để đánh giá độ êm dịu của chuyển động, phản ánh sự ảnh hưởng của biên độ và tần số dao động Trong trường hợp dao động tự do tắt dần chỉ tồn tại trong một số chu kỳ, việc xác định gia tốc dao động trở nên cần thiết, đặc biệt khi nghiên cứu dao động cưỡng bức do tác động của mặt đường Giá trị gia tốc giới hạn theo các phương OX (phương dọc xe) và OY (phương thẳng đứng) được xác định thông qua các thí nghiệm thực tế.
Các số liệu trên có thể được xem là gần đúng để đánh giá độ êm dịu của chuyển động ô tô, vì chúng dựa trên thống kê Hơn nữa, dao động của ô tô truyền tới con người có tính chất ngẫu nhiên và trải dài trên một dải tần số rộng.
2.2.3 Hệ số êm dịu chuyển động (K):
Hệ số êm dịu chuyển động K chịu ảnh hưởng bởi tần số, gia tốc, vận tốc, phương và thời gian tác động của dao động lên con người Nếu K được coi là hằng số, cảm giác khi trải qua dao động sẽ không thay đổi.
Hệ số K được xác định theo công thức:
√1+0,01𝑤 2 = 𝐾 𝑦 𝑅𝑀𝑆(𝑍)̈ (2.2) Trong đó: w: Tần số dao động (Hz) ; 𝑍:̈ 𝐺𝑖𝑎 𝑡ố𝑐 𝑑𝑎𝑜 độ𝑛𝑔(𝑚/𝑠 2 ); 𝐾 𝑦 : 𝐻ệ 𝑠ố ℎấ𝑝 𝑡ℎụ
Khi con người nằm và chịu dao động ngang, hệ số giảm đi một nửa, cho thấy rằng hệ số K càng nhỏ thì khả năng chịu đựng dao động càng cao và cảm giác êm dịu càng lớn Cụ thể, K=0,1 tương ứng với ngưỡng kích thích, trong khi giá trị giới hạn khi ngồi lâu trên xe nằm trong khoảng [K] 10 ÷ 25, và khi di chuyển ngắn thì [K] dao động từ 25 ÷ 63.
Trong lĩnh vực ô tô, dao động thường mang tính ngẫu nhiên Để xác định giá trị hệ số K, người ta sử dụng phương pháp phân tích phổ dao động.
Ki: Hệ số êm dịu của thành phần tần số thứ i; n: Số thành phần tần số của hàm ngẫu nhiên
Giá trị K có thể xác định bằng tính toán lý thuyết hoặc bằng thực nghiệm
2.2.4 Đánh giá theo công suất dao động:
Chỉ tiêu này được dựa trên giả thiết, cảm giác con người khi chịu dao động phụ thuộc vào công suất dao động truyền cho con người
Công suất trung bình truyền đến con người được xác định theo công thức:
Trong đó: P(t): Lực tác động lên con người khi dao động
Vận tốc dao động V(t) của con người có thể được coi là một hệ dao động, trong đó cảm giác của con người phụ thuộc vào tần số dao động Do đó, cần xem xét các hệ số hấp thụ Ky với ảnh hưởng của tần số lực kích động và hướng tác động Khi tác động n thành phần với các giá trị bình phương trung bình của gia tốc RMS (𝑎̈ 𝑖), công suất dao động có thể được xác định theo công thức cụ thể.
𝑖=1 (2.6) Ưu điểm của chỉ tiêu này cho phép cộng các tác dụng của dao động với các tần số khác nhau theo các phương khác nhau
Ví dụ ghế ngồi của con người trên xe chịu dao động với bốn thành phần:
RMS (𝑍̈): Giá trị bình phương trung bình gia tốc dao động thẳng đứng truyền qua chân
RMS (𝑍̈ 𝑔 ): Giá trị bình phương trung bình gia tốc dao động thẳng đứng truyền qua ghế ngồi
RMS (𝑋̈): Giá trị bình phương trung bình gia tốc theo phương dọc
RMS (𝑌̈): Giá trị bình phương trung bình gia tốc theo phương ngang
Công suất tổng cộng truyền đến con người được xác định theo công thức:
(2.7) Theo thực nghiệm, giá trị cho phép [Nc] như sau:
[Nc]=0,2÷0,3 (W) - tương ứng với cảm giác thoải mái
[Nc]=6÷10 (W) - giới hạn cho phép đối với ô tô có tính cơ động cao
Nghiên cứu cho thấy, tác động phụ truyền qua chân không mạnh mẽ hơn so với tác động qua ghế ngồi, do trong tư thế đứng, dao động bị yếu đi bởi các khớp xương của chân Điều này cho thấy rằng, những dao động mà con người phải chịu khi ngồi có thể gây tổn thương cho cột sống.
2.2.5 Đánh giá theo cảm giác gia tốc dao động và thời gian tác động
Tổ chức quốc tế về tiêu chuẩn hóa ISO đã đưa ra tiêu chuẩn vào năm 1969 để đánh giá tác động của dao động lên con người khi ngồi trên xe Cảm giác được phân loại thành ba mức độ: thoải mái, mệt mỏi (cho phép dao động nhưng vẫn duy trì cường độ lao động hợp lý) và mức giới hạn (ảnh hưởng của dao động đến sức khỏe) Điểm khác biệt của tiêu chuẩn ISO so với các tiêu chuẩn khác là việc xem xét thời gian tác động của dao động thẳng đứng lên người ngồi và đứng trong khoảng thời gian 8 giờ Nếu tần số dao động nằm trong khoảng nhạy cảm nhất với con người (4 đến 8 Hz), thì theo gia tốc bình phương trung bình (aRMS) sẽ được áp dụng để đánh giá.
• Mệt mỏi ở giới hạn cho phép: 0,63 m/s 2
Chỉ tiêu về giá trị dao động tới hạn là giá trị ước lượng của gia tốc trung bình bậc 4 (VDV) Để tính giá trị gia tốc trung bình bậc 4, bạn có thể sử dụng công thức cụ thể.
Lượng dao động tới hạn (eVDV) là chỉ số quan trọng đánh giá mức độ nguy hiểm đến sức khỏe con người do dao động của ô tô khách trong thời gian dài eVDV được tính toán dựa trên một công thức cụ thể, giúp xác định ảnh hưởng của rung động đến sức khỏe.
Lượng dao động cho N chu kỳ là cần thiết khi có ảnh hưởng từ chu kỳ khác nhau hoặc khi xảy ra va đập lặp đi lặp lại, như trong trường hợp của những mấp mô điều khiển tốc độ Giá trị này được mô tả một cách cụ thể.
T: Khoảng thời gian khảo sát (s) a(t): Gia tốc thẳng đứng tác dụng lên người ngồi (m/s 2 )
VDVn: Lượng dao động ở chu kỳ thứ n.
Các hệ thống treo trên ô tô
Hình 2.9 hệ thống treo và bố trí chung trên xe
2.3.1 Hệ thống treo thụ động: a Khái niệm:
Hệ thống treo thụ động là một hệ thống gồm nhiều bộ phận gắn kết với nhau được bố trí trên ô tô nhằm:
Liên kết mềm giữa bánh xe và thân xe giúp giảm tải trọng động thẳng đứng tác động lên thân xe, đồng thời đảm bảo bánh xe lăn êm ái trên bề mặt đường.
Truyền lực giữa bánh xe và thân xe là yếu tố quan trọng để đảm bảo xe có thể di chuyển một cách hiệu quả, đồng thời duy trì vị trí hợp lý của bánh xe so với thùng xe.
Dập tắt nhanh các dao động từ mặt đường tác động lên thân xe b Phân loại:
Hệ thống treo phụ thuộc là loại hệ thống trong đó các bánh xe trên cùng một cầu được gắn vào một dầm cầu cứng Khi một bánh xe di chuyển so với thùng xe, bánh xe đối diện sẽ chuyển động theo, tạo ra sự phụ thuộc giữa các bánh xe.
Hình 2.10 hệ thống treo phụ thuộc
Hệ thống treo độc lập: là hệ thống treo có chuyển vị của các bánh xe trên cùng một cầu là độc lập đối với thùng xe
Hình 2.11 hệ thống treo độc lập c Các bộ phận chính:
Hệ thống treo bao gồm ba bộ phận chính: dẫn hướng, giảm chấn, đàn hồi
Hình 2.12 Các bộ phận chính hệ thống treo độc lập
Hệ thống treo ô tô giúp êm dịu chuyển động của xe khi di chuyển trên đường bằng cách điều chỉnh tần số dao động giữa các bộ phận, phù hợp với trạng thái sinh lý của người lái và hành khách Hiện nay, nhiều ô tô sử dụng các bộ phận đàn hồi bằng kim loại như nhíp lá, thanh xoắn và lò xo xoắn để đảm bảo hiệu suất và sự thoải mái khi lái xe.
Hình 2.13 Cấu tạo dạng Lá nhíp và lò xo
Có nhiệm vụ xác định quan hệ dịch chuyển tương đối của bánh xe so với thùng xe, bộ phận này cho phép bánh xe di chuyển theo phương thẳng đứng, đồng thời hạn chế các dịch chuyển không mong muốn Nó cũng đảm bảo việc truyền lực và mô men từ bánh xe lên thùng xe hoặc khung xe một cách hiệu quả.
Bộ phận dẫn hướng có sự đa dạng lớn, liên quan đến cấu trúc liên kết của các cơ hệ, và thường được phân loại thành ba nhóm chính: phụ thuộc, độc lập và các phân loại nhỏ hơn.
Hình 2.14 Cơ cấu treo trước và các bộ phận chính
Hệ thống treo đóng vai trò quan trọng trong việc dập tắt dao động của thân xe và bánh xe bằng cách chuyển đổi năng lượng dao động thành nhiệt năng thông qua ma sát, từ đó tỏa ra môi trường không khí Giảm chấn là thành phần chính đảm nhiệm khả năng này, bên cạnh các yếu tố ma sát khác như giữa các lá nhíp, bạc và chốt nhíp Việc kiểm soát các thành phần ma sát là cần thiết để đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống treo Hình 2.15 minh họa cấu tạo của giảm chấn với hai lớp vỏ và một lớp vỏ.
So sánh với loại giảm chấn hai lớp vỏ
• Ưu điểm giảm chấn một lớp vỏ:
Khi đường kính ngoài của các bộ phận giống nhau, việc tăng đường kính của cần piston có thể giúp giảm biến động tương đối của áp suất chất lỏng.
✓ Điều kiện toả nhiệt tốt hơn do không có “áo dầu”
✓ Giảm chấn có piston ngăn cách có thể làm việc ở bất kỳ góc nghiêng bố trí nào
✓ Cùng một tác động bên ngoài thì nó dập tắt dao động nhanh hơn
• Nhược điểm của loại giảm chấn một lớp vỏ là:
✓ Làm việc kém tin cậy, có thể bị bó kẹt trong các hành trình nén hoặc trả mạnh
✓ Chế tạo phức tạp và giá thành đắt hơn
2.3.2 Hệ thống treo tích cực:
Hệ thống treo tích cực, hay treo thích ứng, là công nghệ ô tô điều chỉnh chuyển động thẳng đứng của bánh xe bằng hệ thống vi mạch, thay vì chỉ phụ thuộc vào bề mặt đường.
Hệ thống này gần như hoàn toàn loại bỏ vấn đề nghiêng ngang, cũng như hiện tượng chúi đầu hoặc đuôi xe khi xe vào cua, phanh hoặc tăng tốc.
Công nghệ này nâng cao tính êm ái và khả năng lái của xe bằng cách giữ cho bánh xe luôn vuông góc với mặt đường khi vào cua, từ đó cải thiện độ bám và khả năng điều khiển.
Vi mạch điều khiển sẽ nhận diện chuyển động của xe thông qua các cảm biến gắn trên xe, sau đó sử dụng dữ liệu tính toán từ thuật toán điều khiển để điều chỉnh hoạt động của hệ thống treo.
Hệ thống treo tích cực được phân thành hai loại chính: hệ thống treo tích cực hoàn toàn (chủ động) và hệ thống treo bán tích cực.
Hệ thống treo tích cực sử dụng bộ chấp hành độc lập cho từng bánh xe, giúp cải thiện tính năng vận hành Tuy nhiên, thiết kế này có nhược điểm là chi phí cao, tăng độ phức tạp và khối lượng hệ thống, đồng thời yêu cầu bảo dưỡng thường xuyên Việc bảo trì cũng gặp khó khăn vì chỉ các đại lý ủy quyền mới có đủ dụng cụ và kỹ thuật viên để chẩn đoán và sửa chữa chính xác.
Hệ thống treo thủy lực sử dụng cơ cấu servo thủy lực để điều khiển, với áp lực thủy lực được cung cấp bởi bơm thủy lực áp suất cao và piston hướng kính Các cảm biến theo dõi liên tục độ dịch chuyển của thân xe và chế độ lái, cung cấp dữ liệu liên tục cho máy tính để tối ưu hóa hiệu suất.
CƠ SỞ TOÁN HỌC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TREO BÁN TÍCH CỰC
Giới thiệu bộ điều khiển mờ (Fuzzy logic Control)
Logic mờ được công bố lần đầu tiên tại Mỹ vào năm 1965 bởi giáo sư Lotfi Zadeh
Kể từ khi ra đời, logic mờ đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển quan trọng, bao gồm việc phát minh tại Mỹ, ứng dụng tại Châu Âu và tích hợp vào sản phẩm thương mại tại Nhật Bản Ứng dụng đầu tiên của logic mờ trong ngành công nghiệp diễn ra tại Châu Âu vào khoảng năm 1970, khi Ebrahim Mamdani tại trường Queen Mary, London, sử dụng logic mờ để điều khiển một máy hơi nước mà trước đó không thể kiểm soát bằng các phương pháp truyền thống.
Tại Đức, Hans Zimmermann đã áp dụng logic mờ cho các hệ thống ra quyết định, và sau đó, logic mờ được mở rộng sang nhiều lĩnh vực khác như điều khiển lò xi măng, mặc dù chưa được chấp nhận rộng rãi trong công nghiệp Kể từ năm 1980, logic mờ đã gặt hái nhiều thành công trong các ứng dụng ra quyết định và phân tích dữ liệu tại Châu Âu, với nhiều kỹ thuật cao cấp được nghiên cứu và phát triển Cảm hứng từ các ứng dụng ở Châu Âu, các công ty Nhật Bản bắt đầu áp dụng logic mờ vào kỹ thuật điều khiển từ năm 1980 Tuy nhiên, do phần cứng chuẩn tính toán theo thuật toán logic mờ còn yếu kém, hầu hết các ứng dụng đều sử dụng phần cứng chuyên biệt cho logic mờ, điển hình là nhà máy xử lý nước của Fuji Electric vào năm 1983 và hệ thống xe điện ngầm của Hitachi.
Những thành công ban đầu của logic mờ đã thu hút sự chú ý lớn tại Nhật Bản Lý do chính cho sự ưa chuộng này là các kỹ sư Nhật thường bắt đầu với những giải pháp đơn giản trước khi đi sâu vào vấn đề, và logic mờ cho phép họ nhanh chóng tạo ra các bản mẫu để tối ưu hóa sau đó Hệ thống sử dụng logic mờ cũng đơn giản và dễ hiểu, giúp mọi thành viên trong nhóm có thể nắm bắt hành vi của hệ thống và chia sẻ ý tưởng Hơn nữa, trong văn hóa Nhật Bản, khái niệm "mờ" không mang nghĩa tiêu cực, điều này càng làm tăng sự chấp nhận của logic mờ trong các ứng dụng kỹ thuật.
Logic mờ được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực điều khiển thông minh và xử lý dữ liệu, đặc biệt là trong máy quay phim và máy chụp hình, nơi nó phản ánh sự chuyên môn của nghệ sĩ nhiếp ảnh Mitsubishi đã giới thiệu chiếc xe đầu tiên trên thế giới sử dụng logic mờ trong điều khiển, cùng với nhiều hãng xe Nhật Bản khác cũng áp dụng công nghệ này trong các thành phần của xe Trong ngành tự động hóa, Omron Corp sở hữu khoảng 350 bằng phát minh liên quan đến logic mờ Hơn nữa, logic mờ còn được sử dụng để tối ưu hóa nhiều quá trình hóa học và sinh học.
Sau năm năm, các tổ hợp Châu Âu nhận ra rằng họ đã đánh mất một kỹ thuật quan trọng vào tay người Nhật, từ đó đã nỗ lực áp dụng logic mờ trong các sản phẩm của mình Hiện tại, đã có khoảng 200 sản phẩm trên thị trường và nhiều ứng dụng trong tự động hóa và điều khiển quá trình sử dụng logic mờ Những thành công này đã giúp logic mờ trở thành một kỹ thuật thiết kế chuẩn, được công nhận rộng rãi trong cộng đồng.
3.1.1 Logic mờ và các phép toán về mờ.
Tập mờ F xác định trên tập kinh điển X bao gồm các cặp giá trị (x, à F(x)), trong đó x thuộc X và à F là ánh xạ từ X tới [0,1] Ánh xạ à F được gọi là thuộc hoặc hàm phụ thuộc của tập mờ F, trong khi tập kinh điển X được xem là tập nền hay vũ trụ của tập mờ F.
Hình 3.1 a.) Hàm phụ thuộc trơn b.) Hàm phụ thuộc chuyển đổi tuyến tính
Các hàm liên thuộc àF(x) có dạng "trơn" như hình 3.1 được gọi là thuộc kiểu S Do độ phức tạp cao trong các công thức biểu diễn àF(x), thời gian tính độ phụ thuộc cho một phần tử trở nên lâu hơn Vì lý do này, trong kỹ thuật điều khiển mờ, các hàm liên thuộc kiểu S thường được thay thế gần đúng bằng một hàm tuyến tính từng đoạn Hàm liên thuộc có dạng tuyến tính từng đoạn được gọi là hàm thuộc có mức chuyển đổi tuyến tính như hình 2.2 Hàm thuộc àF(x) như ở hình 3.1b với m1 = m2 và m3 = m4 là ví dụ điển hình của một hàm thuộc trong tập kinh điển.
3.1.2 Độ cao, miền xác định và miền tin cậy của tập mờ Độ cao của một tập mờ F (định nghĩa trên tập nền X) là giá trị:
Ký hiệu sup à𝐹(𝑥),𝑥 ∈ 𝑋 đại diện cho giá trị nhỏ nhất trong tất cả các giá trị chặn trên của hàm àF(x) Tập mờ có ít nhất một phần tử có độ phụ thuộc bằng 1 được gọi là tập mờ chính tắc, tức là h = 1 Ngược lại, một tập mờ F với h < 1 được gọi là tập mờ không chính tắc.
Hình 3.2 Miền xác định và miền tin cậy của một tập mờ
Bên cạnh khái niệm về độ cao, mỗi tập mờ F còn có hai khái niệm quan trọng khác là:
Miền xác định của tập mờ F (định nghĩa trên nền X), được ký hiệu bởi S là tập con của M thỏa mãn:
Kí hiệu 𝑠𝑢𝑝𝑝𝜇𝐹(𝑥) là viết tắt của từ "support" trong tiếng Anh, đại diện cho tập con trong X chứa các phần tử x mà tại đó hàm àF(x) có giá trị dương Miền tin cậy của tập mờ F, được định nghĩa trên nền tảng X, được ký hiệu là T và là tập con của M thỏa mãn các điều kiện nhất định.
3.1.3 Các phép toán trên tập mờ
Trên tập mờ có 3 phép toán cơ bản là phép hợp, phép giao và phép bù a Phép hợp hai tập mờ
➢ Phép hợp hai tập mờ có cùng cơ sở
Hình 3.3 Hợp của hai tập mờ có cùng cơ sở (a) Theo quy tắc Max, (b) theo quy tắc Lukasiewwiez
Hợp của hai tập mờ A và B có cùng cơ sở M là một tập mờ xác định trên cơ sở M, với hàm liên thuộc được tính toán theo một trong các công thức đã được quy định.
Trong kỹ thuật điều khiển mờ, có nhiều công thức khác nhau để tính hàm liên thuộc àA∪B(x) của hai tập mờ Tuy nhiên, hai công thức hợp chủ yếu được sử dụng là phép lấy Max và phép hợp Lukasiewicz.
Để thực hiện phép hợp hai tập mờ khác cơ sở, cần đưa chúng về cùng một cơ sở Xét tập mờ A với hàm liên thuộc àA(x) định nghĩa trên cơ sở M và tập mờ B với hàm liên thuộc àB(x) định nghĩa trên cơ sở N Hợp của hai tập mờ A và B sẽ tạo thành một tập mờ mới xác định trên cơ sở MxN với hàm liên thuộc tương ứng.
𝑉ớ𝑖 𝜇𝐴(𝑥, 𝑦) = 𝜇𝐴(𝑥)𝑣ớ𝑖 𝑚ọ𝑖 𝑦 ∈ 𝑁 𝑣à 𝜇𝐵(𝑥, 𝑦) = 𝜇𝐵(𝑦) (3.7) b Phép giao của hai tập mờ
➢ Giao hai tập mờ cùng cơ sở
Hình 3.4 Giao của hai tập mờ có cùng cơ sở (a) Theo quy tắc Min và (b) theo tích đại số
Giao của hai tập mờ A và B có cùng cơ sở M là một tập mờ cũng xác định trên cơ sở M với hàm liờn thuộc àA∩B(x) được tớnh:
Cũng giống như trong phép hợp, trong kỹ thuật điều khiển chủ yếu ta sử dụng công thức 1 và công thức 2 để thực hiện phép giao 2 tập mờ
Để thực hiện phép giao hai tập mờ khác cơ sở, cần đưa chúng về cùng một cơ sở Khi đó, giao của tập mờ A với hàm liên thuộc àA(x) được định nghĩa trên cơ sở M với tập mờ tương ứng.
B cú hàm liờn thuộc àB(x) định nghĩa trờn cơ sở N là một tập mờ xác định trên cơ sở
M x N có hàm liên thuộc được tính: àA∩B(x, y) = MIN{àA(x, y),àB(x, y)}
Hình 3.5 Giao cuả hai tập mờ khác cơ sở
Trong đó: àA(x, y) = àA(x) với mọi y ∈N và àB(x, y) = àB(x) với mọi x ∈M Phộp bự của một tập mờ
Bự của tập mờ A cú cơ sở M và hàm liờn thuộc àA(x) là một tập mờ A xỏc định trờn cựng cơ sở M với hàm liờn thuộc àA(x)=1- àA(x)
Tập bù của tập mờ A định nghĩa trên nền X là tập mờ A c cũng được xác định trên tập nền X có hàm A c (x) thỏa mãn: thuộc
Hình 3.6.a- Hàm thuộc của tập mờ A; b- Hàm thuộc của tập mờ A c
3.1.4 Biến ngôn ngữ và giá trị của nó:
Một đại lượng vật lý có thể được định lượng qua ngôn ngữ, ví dụ như dịch chuyển của piston giảm chấn được mô tả bằng các giá trị ngôn ngữ như “âm nhiều”, “âm ít”, “bằng 0”, “dương ít” và “dương nhiều” Mỗi giá trị này được xác định thông qua một tập mờ dựa trên miền giá trị vật lý rõ ràng Do đó, biến vận tốc dịch chuyển của piston có hai miền giá trị khác nhau.
Miền giá trị ngôn ngữ:
N = {âm nhiều, âm ít, bằng 0, dương ít, dương nhiều}
Miền giá trị vật lý: V = {x ∈ R}
Biến ngôn ngữ được xác định trên miền ngôn ngữ, với tập nền của các tập mờ mô tả giá trị ngôn ngữ thuộc miền giá trị vật lý V Từ một giá trị vật lý x ∈ V, ta có thể xây dựng một vecto chứa các độ phụ thuộc của x.
(3.13) Ánh xạ trên được gọi là quá trình “mờ hóa” (Fuzzification) của giá trị rõ x
Mệnh đề hợp thành có dạng: p ⇒ q
Xây dựng bộ điều khiển
Hình 3.9: Cửa sổ làm việc của MATLAB
MATLAB, viết tắt của Matrix Laboratory, là một công cụ mạnh mẽ dùng để giải quyết các bài toán kỹ thuật Được phát triển bởi hãng MathWorks, MATLAB được lập trình bằng ngôn ngữ C, cung cấp nhiều tính năng hữu ích cho các nhà nghiên cứu và kỹ sư.
MATLAB là một công cụ mạnh mẽ cho việc giải quyết các bài toán xử lý số liệu, phép toán ma trận, xử lý tín hiệu, mô phỏng và đồ họa Với giao diện thân thiện và cú pháp gần gũi với ngôn ngữ tự nhiên, MATLAB giúp tiết kiệm thời gian lập trình mà không cần khai báo biến Đặc biệt, người dùng có thể phát triển thêm các hàm và cài đặt vào thư viện chương trình, hỗ trợ giải quyết các bài toán trong lĩnh vực chuyên ngành của mình.
3.2.2 Công cụ SIMULINK và FIS
SIMULINK là một công cụ mạnh mẽ mở rộng từ MATLAB, chuyên dùng để mô hình hóa, mô phỏng và khảo sát các hệ thống động Nó cho phép mô tả cả hệ thống tuyến tính và phi tuyến, cũng như các mô hình trong thời gian thực Với giao diện đồ họa thân thiện, người dùng có thể dễ dàng xây dựng mô hình như một sơ đồ khối thông qua thao tác “nhấn” và “kéo” chuột, mang lại trải nghiệm tương tự như khi thiết kế trên giấy.
Hình 3.11: Cửa sổ làm việc FIS
Nhập lệnh fuzzy để mở cửa sổ làm việc FIS hoặc mở trong toolbox thư viện SIMULINK Làm việc với các biến ngôn ngữ giúp ánh xạ các thuộc tính vào các hàm liên thuộc, từ các hàm liên thuộc đến các luật, và từ các luật đến tập các thuộc tính ra Cuối cùng, các thuộc tính ra sẽ được chuyển đổi thành các hàm liên thuộc ra và giá trị ra đơn trị hoặc kết hợp.
Lý thuyết fuzzy đã phát triển nhiều phương pháp điều khiển linh hoạt và thông minh Khi nghiên cứu mạng fuzzy, chúng ta có thể nhận diện được những ưu điểm và nhược điểm của nó.
Bảng 3.2: Những ưu nhược điểm của điều khiển fuzzy
Tính chất Bộ điều khiển fuzzy
Thể hiện tri thức Được thể hiện ngay tại luật hơp thành Nguồn tri thức Từ kinh nghiệm của chuyên gia
Xử lý thông tin không chắc chắn Định lượng và định tính
Lưu giữ tri thức Trong luật hợp thành và hàm thuộc Khả năng cập nhập và nâng cao kiến thức
Tính nhạy cảm với những thay đổi của mô hình
Cao Khả năng học Không có khả năng học: Bạn phải tự kiểm tra tất cả
