Báo cáo khoa học: "ứng dụng logic mờ điều khiển hệ thống treo bán tích cực" ppsx

ứng dụng logic mờ điều khiển hệ thống treo bán tích cực


KS. Trần Văn Nh
Khoa Cơ khí
Trờng Đại học Giao thông Vận tải
PGS. TS. Nguyễn Thanh THủy
Khoa Công nghệ Thông tin
Trờng Đại học Bách khoa H Nội

Tóm tắt: Mục đích của hệ thống treo l nâng cao chất lợng dao động v độ bám đờng.
Bi báo trình by việc ứng dụng lý thuyết lô-gíc mờ điều khiển hệ thống treo bán tích cực với mô
hình dao động phẳng dọc. Độ êm dịu chuyển động v độ bám đờng l hai thuộc tính đợc cân
nhắc để đa ra tín hiệu điều khiển. Phần cuối tác giả sử dụng phần mềm MATLAB để mô
phỏng, so sánh đánh giá hệ thống treo bán tích điều khiển mờ với hệ thống treo thụ động.

Summary: The purpose of any suspension system is to improve the ride quality and road
handling. This paper describes the practical application of fuzzy logic to control a semi-active
suspension system of a one-half-car model. Ride comfort and road handling properties are
considered to be the controller outputs. In the conclusion, a comparison of semi-active
suspension fuzzy control and spring/damper passive suspension is shown, using MATLAB
simulations.

CT 2
i. Tổng quan
Hệ thống treo là một hệ thống quan trọng của ô tô, nó có ảnh hởng trực tiếp đến độ êm
dịu chuyển động và độ an toàn chuyển động của ô tô. Cấu tạo hệ thống treo gồm: phần tử giảm
chấn; phần tử đàn hồi và phần tử dẫn hớng, mỗi phần tử có các nhiệm vụ riêng. Với hệ thống
treo thụ động hệ số cản giảm chấn và độ cứng của phần tử đàn hồi là hằng số, do đó hệ thống
treo bị động chỉ đáp ứng tốt khi chuyển động trên một loại đờng nhất định. Hệ số cản giảm

chấn của hệ thống treo bị động trên ô tô hiện vẫn còn sự mâu thuẫn giữa độ an toàn chuyển
động và độ êm dịu chuyển động của ô tô. Khi hệ số cản giảm chấn thấp thì độ êm dịu chuyển
động tăng nhng độ an toàn chuyển động giảm, ngợc lại khi hệ số cảm giảm chấn cao độ an
toàn chuyển động tăng nhng độ êm dịu chuyển động giảm. Để thoả mãn các chỉ tiêu độ êm
dịu chuyển động và độ an toàn chuyển động trên tất cả các loại đờng khác nhau thì các đặc
tính của hệ thống treo cần phải thay đổi trong quá trình ô tô chuyển động phù hợp với
các đặc
tính của đờng. Hệ thống treo điều khiển đợc phân thành hai loại: tích cực hoàn toàn và bán
tích cực.
Hệ thống treo bán tích cực đang đợc các tác giả trong và ngoài nớc quan tâm nhiều. Các
hớng nghiên chủ yếu: nghiên cứu mô hình điều khiển, phơng pháp điều khiển và giảm chấn
tích cực (cơ cấu chấp hành). Về mô hình điều khiển các tác giả đa ra mô hình sky hook, mô
hình ground hook, mô hình hybird, mô hình điều khiển tơng đối và mô hình điều khiển mờ


[8], [5], [9], [12]. Về phơng pháp điều khiển, các tác giả sử dụng phơng pháp điều khiển thích
nghi [11], phơng pháp điều khiển mờ [5], [7], [14], phơng pháp điều khiển trợt [15].
II. Mô hình dao dộng ôtô trong mặt phẳng dọc
Mô hình dao động trong mặt phẳng dọc của ôtô thể hiện trên hình 1.

Hình 1. Mô hình dao động phẳng dọc ô tô 2 trục
áp dụng phơng trình La-grăng loại 2 xây dựng hệ phơng trình vi phân của mô hình dao
động phẳng dọc của ôtô 2 trục viết dới dạng ma trận:
CT 2
Qx].C[x].K[x].M[
=
+
+
&&&
(1)

Trong đó: [M] - ma trận khối lợng của hệ; [K] - ma trận cản nhớt của hệ; [C] - ma trận độ
cứng của hệ; x - véc tơ tọa độ suy rộng; Q - vét tơ ngoại lực.




















=
2u
1u
sy
s
m000
0m00
00I0

000m
]M[
;




















+
+
+
+
=
2t2s2s2s
1t1s1s1s

2s1s
2
2s
2
1s
2s1s2s1s
KK0b.KK
0KKa.KK
b.Ka.Kb.Ca.K0
KK0KK
]K[
;

+
+
+
+
=
2t2s2s2s
1t1s1s1s
2s1s
2
2s
2
1s
2s1s2s1s
CC0b.CC
0CCa.CC
b.Ca.Cb.Ca.C0
CC0CC
]C[

=
2u
1u
s
s
Z
Z
Z
x
; .

+
+
=
2t22t2
1t11t1
q.K.qC
q.K.qC
0
0
Q
&
&

III. tổng hợp bộ điều khiển mờ
Tổng hợp 2 bộ điều khiển mờ cho hệ thống treo bán tích cực ký hiệu là FZ1 và FZ2. Hệ số
cản của giảm chấn trớc và giảm chấn sau đợc các bộ điều khiển mờ điều khiển độc lập dựa
trên các thông tin đo đợc trên trục trớc, trục sau và khối lợng đợc treo trên vị trí trục trớc,
trục sau.
Bộ điều khiển mờ FZ1 có 4 biến vào: vận tốc tơng đối giữa khối lợng không đợc treo và
đợc treo trên các trục, ký hiệu V
d
; vận tốc dịch chuyển khối lợng đợc treo trên các trục, ký
hiệu V
b
; vận tốc khối lợng không đợc treo, ký hiệu V
w
và gia tốc khối lợng đợc treo trên các
trục, ký hiệu A
b
. Bộ điều khiển mờ FZ2 có hai biến vào là vận tốc tơng đối giữa khối lợng
không đợc treo và đợc treo trên các trục, ký hiệu V
d
và dịch chuyển tơng đối giữa khối lợng
không đợc treo và khối lợng đợc treo trên các trục, ký hiệu Z
d
. Mỗi biến vào có 3 giá trị ngôn
ngữ:
Âm, ký hiệu N; Bằng 0, ký hiệu Z và Dơng, ký hiệu P.
CT 2
Biến ra của hai bộ điều khiển mờ là hệ số cản của giảm chấn, ký hiệu K
s
và có 3 giá trị
ngôn ngữ:

Nhỏ, ký hiệu S; Trung bình, ký hiệu M và Lớn, ký hiệu L. Hàm thuộc của các giá
trị ngôn ngữ thể hiện trên hình 2 và hình 3. Tập luật của bộ điều khiển FZ1 thể hiện trong bảng
2, của bộ điều khiển FZ2 thể hiện trong bảng 3.

a)



b)

c)

CT 2
d)

e)
H×nh 2. C¸c hμm thuéc gi¸ trÞ ng«n ng÷ biÕn vμo/ra bé ®iÒu khiÓn mê FZ1
a - vËn tèc dÞch chuyÓn piston gi¶m chÊn, Vd; b - vËn tèc dÞch chuyÓn th©n xe, Vb; c - vËn tèc dÞch chuyÓn
b¸nh xe, Vw; d - gia tèc th©n xe, Ab; e - hÖ sè c¶n gi¶m chÊn, Ks.



a)

b)

CT 2
c)
H×nh 3. C¸c hμm thuéc gi¸ trÞ ng«n ng÷ biÕn vμo/ra bé ®iÒu khiÓn mê FZ2
a - vËn tèc dÞch chuyÓn piston gi¶m chÊn, Vd; b - dÞch chuyÓn th©n xe, Zb; c - hÖ sè c¶n gi¶m chÊn, Ks.

B¶ng 1

STT V
d
V
b
V
w
A
b
K
s
STT V
d
V
b
V
w
A
b
K
s
1 N N - - L 15 Z - P - M
2 N Z - - M 16 P - N - L
3 N P - - S 17 P - Z - M
4 Z N - - M 18 P - P - S
5 Z Z - - M 19 N - - N L


6 Z P - - M 20 N - - Z M

7 P N - - S 21 N - - P S
8 P Z - - M 22 Z - - N M
9 P P - - L 23 Z - - Z M
10 N - N - S 24 Z - - P M
11 N - Z - M 25 P - - N S
12 N - P - L 26 P - - Z M
13 Z - N - M 27 P - - P L
14 Z - Z - M
Bảng 2

STT V
d
Z
d
K
s
STT V
d
Z
d
K
s
1 N N S 6 Z P M
2 N Z M 7 P N L
3 N P L 8 P Z M
4 Z N M 9 P P S
5 Z Z M
CT 2
IV. Kết quả mô phỏng
Thực hiện mô phỏng dao động với nguồn kích thích từ mặt đờng dạng hình sin với tần số

kích thích từ 0
ữ 100rad/s. Đờng đặc tính tần số - biên độ đợc xây dựng thể hiện trên hình 5.
Với kích thích từ mặt đờng dạng bậc (hình 4a), dạng hình sin đơn vị (hình 4b) và đờng ngẫu
nhiên (đờng Hà Nội-Lạng Sơn [1] hình 4c), chất lợng dao động của ô tô đợc đánh giá trên
biểu đồ hình 6.

0.5m
0.01m
0.01m
a
)
b
)
c
)
Hình 4. Biên dạng đờng
a - dạng hình bậc (step); b - dạng sin đơn vị (bump); c - đờng H Nội-Lạng Sơn



a)


b)

CT 2
c)


d)

e)

f)
CT 2
Hình 5. Đặc tính tần số - biên độ
a) dịch chuyển thẳng đứng trọng tâm khối lợng đợc treo; b) gia tốc thẳng đứng trọng tâm khối lợng
đợc treo; c) góc lắc dọc khối lợng đợc treo; d) gia tốc lắc dọc khối lợng đợc treo; e) dịch chuyển khối
lợng không đợc treo trớc; f) dịch chuyển khối lợng không đợc treo sau.
87.9
200.0
84.5
115.5
86.8
154.7
84.4
111.1
120.5
137.8
107.8
128.9
0
50
100
150
200
250
FZ1 FZ2

%
RMS(Zs)
RMS(Z"s)
RMS(Phi)
RMS(ddPhi)
RMS(Zu1)
RMS(Zu2)

a)


92.8
101.3
81.2
127.4
101.7
74.9
75.3
133.1
89.0
99.2
100.4
101.0
0
20
40
60
80
100
120

140
FZ1 FZ2
%
RMS(Zs)
RMS(Z"s)
RMS(Phi)
RMS(ddPhi)
RMS(Zu1)
RMS(Zu2)

b)
96.9
98.7
84.6
73.5
95.7
87.0
84.8
79.9
99.8 100.0
99.1
99.8
0
20
40
60
80
100
120
FZ1 FZ2

%
RMS(Z s)
RMS(Z "s)
RMS(Phi)
RMS(ddPhi)
RMS(Z u1)
RMS(Z u2)

c)
Hình 6. Biểu đồ đánh giá chất lợng dao động của HTT bán tích cực điều khiển mờ so với HTT bị động:
a) kích thích dạng sin đơn vị; b) khích thích dạng bậc; c) kích thích ngẫu nhiên (đờng H Nội Lạng Sơn).
CT 2
V. Kết luận
- Hệ thống treo bán tích cực điều khiển mờ FZ1 làm biên độ dao động của khối lợng đợc
treo giảm so với hệ thống treo bị động ở mọi vùng tần số đồng thời gia tốc dao động thẳng
đứng, góc lắc dọc, gia tốc lắc dọc của thân xe và dịch chuyển thẳng đứng của bánh xe đều
giảm ở mọi vùng tần số. Nh vậy hệ thống treo bán tích cực điều khiển mờ FZ1 nâng cao độ êm
dịu chuyển động ở mọi tần số nhng đồng thời vẫn đảm bảo độ bám đờng khi chuyển động.
Điều này khẳng định u điểm vợt trội của hệ thống treo bán tích cực điều khiển mờ.
- Hệ thống treo với bộ điều khiển FZ2, biên độ dao động thẳng đứng và góc lắc dọc của
khối lợng đợc treo giảm nhiều so với bộ điều khiển FZ1 ở mọi vùng tần số và đặc biệt tần số
cộng hởng ở vùng tần số thấp giảm khi độ cứng của phần tử đàn hồi của hệ thống treo không
thay đổi. Tuy nhiên bộ điều khiển FZ2 làm cho biên độ gia tốc dao động của khối lợng đợc
treo, dịch chuyển thẳng đứng của bánh xe và gia tốc lắc dọc tăng so với bộ điều khiển FZ1 ở
vùng tần số cao.
- Khi ô tô chuyển động trên đờng Hà Nội-Lạng Sơn (tuyến đờng vừa mới xây dựng có
chất lợng tơng đối tốt [1]), các thông số dao động của ô tô liên quan đến độ êm dịu chuyển
động đều giảm so với ô tô có hệ thống treo bị động. Các thông số liên quan đến độ an toàn khi
chuyển động (Z
u1

, Z
u2
) không tăng.


- Đối với các kích thích dao động dạng hình sin đơn vị, gia tốc thẳng đứng và gia tốc lắc dọc
của thân xe đều giảm ở bộ điều khiển mờ FZ1 và FZ2. Gia tốc thẳng đứng và gia tốc lắc dọc
của thân xe giảm ở bộ điều khiển FZ1, với bộ điều khiển FZ2 thì tăng. Cả hai bộ điều khiển, dịch
chuyển thẳng đứng của bánh xe trớc và bánh xe sau đều tăng.
- Với kích thích dao động dạng bậc, ở bộ điều khiển FZ1 chỉ có góc lắc dọc và dịch chuyển
thẳng đứng của bánh sau tăng ít (1.7% và 0.4%), gia tốc thẳng đứng và gia tốc lắc dọc của thân
xe tăng nhiều (27.4% và 33.1%) ở bộ điều khiển FZ2.

Tài liệu tham khảo
[1]. Đo Mạnh Hùng, Trần Văn Nh, Cao Trọng Hiền, Nguyễn Văn Bang. Nghiên cứu ảnh hởng của biên
dạng mặt đờng đến tải trọng tác dụng lên ô tô tại quốc lộ 1B đoạn Hà Nội Lạng Sơn, Đề tài NCKH Cấp
bộ (2005), Bộ GD và ĐT, Hà Nội.
[2]. Trần Văn Nh (2006). Nghiên cứu sử dụng hệ thống treo bán tích cực điều khiển mờ trên ô tô, Luận
văn thạc sỹ kỹ thuật, Trờng ĐH GTVT, Hà Nội.
[3]. Trần Văn Nh (2006). Xây dựng bộ điều khiển mờ cho hệ thống treo thông minh trên ô tô, Đồ án tốt
nghiệp đại học, Trờng ĐH BKHN, Hà Nội.
[4]. A.Araee (2004), R.AbdollahPour, O.Kazemi v R.Sharifi Sedeh. Design Of Car Active Suspension
With Three Control Approaches (Fuzzy control, Optimal Control, Adaptive Optimal Fuzzy Control),
Proceedings of IMEC2004, Dec 2004, Kuwait.
[5]. Angela K. Carter (1998). Transient Motion Control of Passive and Semiactive Damping for Vehicle
Suspensions, Master of Science, Thesis submitted to the Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and
State University, USA.
[6]. Antonớn Stớbrský (2003), Kateina Hyniovỏ, Jaroslav Honc and Ale Kruczek. Using fuzzy logic to
control active suspension system of one-half-car model, Recenzovanỏ a revidovanỏ verzia dodanỏ
19.11.2003, Czech Republic.

CT 2
[7]. C.F.Nicolás, J.Landaluze, E.Castrillo, M.Gastón v R.Reyero (1997). Application of fuzzy logic control
to the design of semi-active suspension systems, the 38
th
IEEE, 1997, pp 987-993.
[8]. D.Karnopp, M.J.Crosby, R.A.Harwood (1974), Vibration control using semi-active force generators,
Journal of Engineering for Industry, pp. 619-626, may 1974, Virginia Polytechnic Institute and State
University, USA.
[9]. Fernando D. Goncalves (2002). Mehdi Ahmadian, In search of suitable control policy for intelligent
vehicle suspensions, Proceedings of ASME IMECE 2002: Intelligent systems-III, 17-22/11/2002, New
Orleans, louisiana.
[10]. Kateina HYNIOV, Antonớn STBRSKí v Jaroslav HONC. Fuzzy control of mechanical
vibrating systems, Czech Republic.
[11]. Mark D.Donahue (2001). Implementation of an active suspension, preview controller for improved ride
comfort, Master of Science, University of California at Berkeley, USA.
[12]. Mehdi Ahmadian (1997). A hybird semiactive control for secondary suspension applycations
Proceedings of Sixth ASME Symposium on Advanced Automotive Technologies, 1997 ASME International
Congress anf Exposition, November 16-21, 1997, Dallas, Texas, USA
[13]. N.YAGIZ v I.YUKSEK (2001). Sliding mode
control of active suspension for ful vehicle model,
International Journal of Vehicle design, vol.26, Nos.2/3, 2001, pp264-276.
[14]. Nizar AL-Holou (1995), Dae Sung Joo, Adnan Shaout. The development of fuzzy logic based
controller for semiactive suspension system, the 37
th
IEEE, 1995, pp 1373-1376.
[15]. Ravindra Dixit (2001). Sliding mode observation and control for semi-active vehicle suspensions,
Master of Science, North Carolina state University
Ă