Áp dụng điều khiển tối ưu LQG cho hệ thống giảm chấn tích cực

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP




NGUYỄN VĂN CƢỜNG







ÁP DỤNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU LQG CHO HỆ THỐNG
GIẢM CHẤN TÍCH CỰC



LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa






THÁI NGUYÊN – 2014

ii


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Văn Cƣờng
Sinh ngày 29 tháng 08 năm 1983
Học viên lớp cao học khoá 14 CH.TĐH 01 - Trƣờng đại học kỹ thuật Công nghiệp
Thái Nguyên.
Tôi xin cam đoan luận văn “Áp dụng điều khiển tối ƣu LQG cho hệ
thống giảm chấn tích cực” do thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí hƣớng dẫn là công
trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất
xứ rõ ràng.
Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng nhƣ nội dung
trong đề cƣơng và yêu cầu của thầy giáo hƣớng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội
dung của luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình.

Thái Nguyên, ngày 25 tháng 07 năm 2014
Học viên


Nguyễn Văn Cƣờng

iii


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trƣơng và đƣợc sự hƣớng dẫn tận
tình giúp đỡ của thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí, luận văn với đề tài “ Áp dụng điều
khiển tối ƣu LQG cho hệ thống giảm chấn tích cực ” đã đƣợc hoàn thành.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:
Thầy giáo hƣớng dẫn TS Nguyễn Văn Chí đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả
hoàn thành luận văn. Các thầy cô giáo Trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái
Nguyên, và một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt
quá trình học tập để hoàn thành luận văn này.
Mặc dù đã cố gắng hết sức, tuy nhiên do điều kiện thời gian và kinh nghiệm
thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tác
giả mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè
đồng nghiệp cho luận văn của tôi đƣợc hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 25 tháng 07 năm 2014
Tác giả


Nguyễn Văn Cƣờng

iv


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN iii
MỤC LỤC iv
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi
LỜI NÓI ĐẦU 1
1. Tính cấp thiết của đề tài 1
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG GIẢM CHẤN TÍCH CỰC 6
1.1 Giới thiệu chung về các hệ thống giảm chấn 6
1.1.1 Hệ thống giảm chấn 6
1.1.2 Phân loại hệ thống giảm chấn 8
1.2 Ƣu điểm và nhƣợc điểm của hệ thống giảm chấn tích cực điện từ 11
1.3 Hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyến tính 12
1.4 Các ứng dụng và xu hƣớng điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực 13
1.1.1 Các ứng dụng 13
1.1.2 Các xu hƣớng điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực 14
1.5 Kết luận chƣơng 1 14

CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG GIẢM CHẤN TÍCH
CỰC 15
2.1 Phƣơng trình động học hệ thống giảm chấn tích cực 15
2.2 Mô phỏng đáp ứng của hệ 17
2.3 Xây dựng hàm truyền đáp ứng tần số của hệ thống 22
2.4 Mô hình của động cơ tuyến tính dạng ống 25
2.5 Mô hình của cả hệ thống có kể động cơ tuyến tính 31
2.6 Kết luận chƣơng 2 33
CHƢƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU LQG CHO HỆ THỐNG GIẢM
CHẤN TÍCH CỰC 34
3.1 Đặt vấn đề 34
3.2 Thiết kế bộ điều khiển tối ƣu LQG cho hệ thống giảm chấn tích cực 34
3.2.1 Đặt vấn đề 34
3.2.2 Thiết kế bộ điều khiển tối ƣu LQG 36
v


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3.2.3 Mô phỏng hệ thống 38
3.3 Thiết kế bộ điều khiển lực và điều khiển dòng cho LBM 43
3.3.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng cho LBM 43
3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển lực 45
3.4 Sơ đồ mô phỏng tổng thể của cả hệ thống 47
3.4.1 Trƣờng hợp nhiễu d(t) có dạng xung vuông 47
3.4.2 Trƣờng hợp nhiễu d(t) có dạng ngẫu nhiên 51
3.4.3 So sánh khi có tác động điều khiển và không có tác động điều khiển 53
3.5 Kết luận chƣơng 3 54
CHƢƠNG 4: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG GIẢM CHẤN
TÍCH CỰC 55

4.1 Giới thiệu mô hình giảm chấn cực 55
4.2 Các thông số hệ thống 57
4.3 Kết quả thực nghiệm 58
4.4 Kết luận chƣơng 4 61
KẾT LUẬN CHUNG LUẬN VĂN 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO 64



vi


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Mô hình của hệ thống giảm chấn điển hình 6
Hình 1-2 Minh họa sự dao động của hệ thống giảm chấn với tác dụng của d 8
Hình 1-3 Hệ thống giảm chấn thụ động 9
Hình 1-4 Hệ thống giảm chấn tích cực 9
Hình 1-5 Hệ thống giảm chấn chủ động bằng thủy lực 10
Hình 1-6 Hệ thống giảm chấn chủ động bằng cơ cấu điện từ 10
Hình 1-7 Hệ thống giảm chấn bán chủ động 11
Hình 1-8 Hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyến tính 13
Hình 1-10 Hệ thống cân bằng ghế trên các phương tiện vận tải 14
Hình 2-2 Mô hình hệ thống giảm chấn tích cực 15
Hình 2-3 Thư viện Simscape của Matlab/Simulink 17
Hình 2-4 Mô hình hệ thống giảm chấn tích cực thực hiện bằng Matlab/simulink
simscape 18

Hình 2-5 Bên trong mô hình hệ thống giảm chấn sử dụng simscape 19
Hình 2-6 Các tham số của hệ thống giảm chấn tích cực 19
Hình 2-7 Đáp ứng của HT giảm chấn với tác động dao động dạng xung vuông 20
Hình 2-8 Đáp ứng của HT giảm chấn với tác động dao động có dạng bất kỳ 21
Hình 2-9 Các hàm truyền của hệ thống giảm chấn 23
Hình 2-10 Quan hệ giữa tần số và tỷ số
( ) / ( )
s
X s D s
24
Hình 2-11 Quan hệ giữa tần số và tỷ số
( ) ( ) / ( )
us
X s D s D s
24
Hình 2-12 Quan hệ giữa tần số và tỷ số
( ) ( ) / ( )
s
X s D s D s
24
Hình 2-13 Minh họa mặt cắt của LBM, lực được tạo từ rotor dịch chuyển theo
phương z 26
Hình 2-14 Mô hình LBM thực hiện bằng Matlab/Simulink 29
Hình 2-15 Các tham số vật lý của động cơ LBM 30
Hình 2-16 Các đáp ứng dòng và áp của động cơ LBM 30
Hình 2-17 Các đáp ứng về K/C dịch chuyển của rotor, lực và giá trị của LBM 31
vii


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình 2-18 Mô hình của cả hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng LBM 32
Hình 2-19 Mô hình của cả hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng LBM thực hiện
trên Matlab/Simulink 32
Hình 3-1 Cấu trúc điều khiển của hệ thống giảm chấn tích cực 34
Hình 3-3 Cấu trúc điều khiển của hệ thống 36
Hình 3-4 Sơ đồ mô phỏng BĐK dập tắt dao động dùng bộ điều khiển tối ưu LQG 39
Hình 3-5 Kết quả mô phỏng khả năng dập tắt dao động của bộ điều khiển tối ưu
40
Hình 3-6 Lực Fs được tạo ra bởi bộ điều khiển tối ưu LQG dùng để dập tắt dao
41
Hình 3-7 Kết quả mô phỏng khả năng dập tắt dao động của bộ điều khiển tối ưu
41
Hình 3-8 Lực Fs được tạo ra bởi bộ điều khiển tối ưu LQG dùng để dập tắt dao
động trong trường hợp nhiễu bất kỳ có kỳ vọng khác 0 43
Hình 3-10 Sơ đồ mô phỏng của bộ điều khiển dòng cho LBM 44
Hình 3-11 Xác định tham số của bộ điều khiển dòng cho LBM sử dụng công cụ
Step Response Specification 44
Hình 3-12 Kết quả điều khiển dòng điện id và iq với dòng điện idref = 0.5A, dòng
điện iqref=1.2A. 45
Hình 3-13 Sơ đồ mô phỏng của bộ điều khiển lực 46
Hình 3-14 Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển lực, so sánh giữa lực đặt và lực tạo
ra bởi LBM 46
Hình 3-15 Sơ đồ mô phỏng tổng thể của cả hệ thống 47
Hình 3-16 Các trạng thái của hệ thống giảm chấn khi được điều khiển với tác động
nhiễu có dạng xung vuông 48
Hình 3-17 Các trạng thái của LBM với nhiễu dạng xung vuông 49
Hình 3-18 Lực đặt do bộ điều khiển LQG đưa ra và lực được tạo ra bởi LBM 50
Hình 3-19 Sai số giữa lực đặt do bộ điều khiển LQG đưa ra và lực được tạo ra bởi
LBM 50

Hình 3-20 Các trạng thái của hệ thống giảm chấn khi được điều khiển với tác động
nhiễu có dạng bất kỳ 51
viii


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình 3-21 Các trạng thái của LBM với trường hợp nhiễu bất kỳ 52
Hình 3-22 Lực đặt do bộ điều khiển LQG đưa ra và lực được tạo ra bởi LBM trong
trường hợp nhiễu bất kỳ 53
Hình 3-23 Sai số giữa lực đặt do bộ điều khiển LQG đưa ra và lực được tạo ra bởi
LBM trong trường hợp nhiễu bất kỳ 53
Hình 3-24 So sánh giữa kết quả giảm chấn trong trường hợp không có giảm chấn
tích cực, điều khiển trực tiếp (không qua LBM) và lực được tạo ra bởi LBM 53
Hình 4-1 Mô hình thực nghiệm hệ thống giảm chấn tích cực 55
Hình 4-2 Động cơ tạo dao động bằng cách quay một trục cam 55
Hình 4-3 Card ghép nối Arduino 56
Hình 4-4 Động cơ LBM tự tạo và mạch công suất 56
Hình 4-5 Toàn thể mô hình thực nghiệm hệ thống giảm chấn tích cực 57
Hình 4-6 Cấu trúc điều khiển của hệ thống trên Matlab/Simulink 57
Hình 4-7 Nhiễu d(t) tác động vào hệ thống giảm chấn được tạo ra từ trục cam 58
Hình 4-8 Lực giảm chấn được tạo ra bởi bộ điều khiển tối ưu LQG 58
Hình 4-9 Dao động của khối treo x
us
(t) 59
Hình 4-10 Dao động của khối thân trên x
s
(t) 59
Hình 4-11 Sai lệch x
s

(t) – x
us
(t) 60
Hình 4-12 So sánh giữa 2 trường hợp có giảm chấn tích cực và không giảm chấn
60
ix


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT




LQG
Linear Quadratic Gaussian
Tuyến tính
Gaussian
LQR
Linear Quadratic Regulator
Bộ đ

PID
Proportional- Intergral- Derivative
– -
LBM

Động cơ tuyến tính

1

LỜI NÓI ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài

- Để chống dao động cho các phƣơng tiện vận tải, chống rung động cho bệ đỡ
các hệ thống máy móc (máy phát điện, các loại máy móc cần tránh rung động v.v),
nhằm mục đích duy trì tình trạng cân bằng và ổn định cho hệ thống ngƣời ta sử
dụng hệ thống giảm chấn (Suspension System). Hệ thống giảm chấn là hệ thống có
nhiệm vụ dập tắt các dao động tác động không biết trƣớc từ bên ngoài vào để duy trì
sự cân bằng. Trƣớc đây ngƣời ta thƣờng sử dụng các hệ thống giảm chấn thụ động
(Passive suspension Systems), hệ thống này sử dụng lò xo giảm chấn và một cơ cấu
cản dịu bằng thủy lực, lò xo có nhiệm vụ chống lại các tác động ở bên ngoài vào hệ
thống, vì lò xo có quán tính cho nên nó lại gây ra dao động, chính vì vậy ngƣời ta sử
dụng cơ cấu cản dịu để dập tắt các dao động này. Các hệ thống giảm chấn thụ động
có nhƣợc điểm là sử dụng lực cản dịu do pit tông chuyển động trong xi lanh dầu để
dập tắt dao động gây ra do lực bên ngoài tác động vào lo xo giảm chấn. Đối với hệ
thống giảm chấn loại này, trong quá trình sử dụng cần phải bảo dƣỡng (lão hóa
gioăng phớt, thay thế dầu), khả năng giảm chấn phụ thuộc vào nhiệt độ (dầu giãn
nở), mặt khác khả năng áp dụng đối với các hệ thống nhỏ là không phù hợp, nhƣợc
điểm nữa là lực cản dịu để dập tắt dao động không thể điều chỉnh đƣợc vì không thể
đƣa thêm nguồn năng lƣợng bên ngoài vào để điều chỉnh chính lực cản dịu này
đƣợc, chính vì vậy nó đƣợc gọi là giảm chấn thụ động. Để khắc phục nhƣợc điểm
đó ngƣời ta phát triển hệ thống giảm chấn thủy lực tích cực (Hydraulic Active
suspension systems), để thay đổi đƣợc lực cản dịu ngƣời ta sử dụng thêm máy bơm
dầu để điều chỉnh áp lực dầu trong xi lanh khi đó ta có thể thay đổi đƣợc lực cản
dịu. Tuy nhiên ngoài nhƣợc điểm là cồng kềnh là cần thêm máy bơm dầu, các van

điều chỉnh áp lực dầu và bộ điều khiển áp lực dầu trong quá trình làm việc sẽ dẫn
tới đáp ứng động học của hệ chậm và nhiều khi ảnh hƣởng đến tính ổn định của hệ.
- Xu hƣớng sử dụng hệ thống giảm chấn tích cực điện từ (electromagnetic
active suspension systems) thay thế cho các hệ thống giảm chấn thủy lực đang đƣợc
nghiên cứu và triển khai trong những năm gần đây. Sử dụng động cơ tuyến tính tạo
lực giảm chấn thay vì sử dụng hệ thống xi lanh và pit tông dầu[2], [5]. Việc sử dụng
2


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

hệ thống giảm chấn tích cực điện từ đã khắc phục đƣợc các ƣu nhƣợc điểm của hệ
thống giảm chấn thủy lực và mang lại những ƣu điểm nhƣ sau:
Hệ thống giảm chấn có kích thuớc nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt trong các
hệ thống cần ứng dụng giảm chấn
Khả năng tạo ra đáp ứng nhanh về chiều và cƣờng độ của lực cản dịu
Độ bền cao hơn so với các hệ thống giảm chấn thủy lực vì không có
các hệ thống gioăng, phớt, hạn chế thấp nhất yêu cầu bảo dƣỡng
Có thể chế tạo cho các hệ thống có kích thƣớc nhỏ
Nhƣợc điểm: Việc tạo ra hệ thống điều khiển linh hoạt về chiều và cƣờng độ
của lực giảm chấn thì đòi hỏi thuật toán điều khiển phức tạp, cần sử dụng thêm cảm
biến vị trí và cảm biến gia tốc để xác định lực cản dịu trong quá trình dập tắt dao
động, tốc độ xử lý của hệ thống điều khiển cần đƣợc tăng lên.
Chính vì vậy trong các nghiên cứu gần đây các nhà khoa học đã và đang tập
trung tìm kiếm các giải pháp điều khiển với mục đích điều chỉnh linh hoạt về chiều,
cƣờng độ và thời gian dập tắt dao động nhằm đáp ứng yêu cầu đặt ra đối với các hệ
thống giảm chấn tích cực áp dụng trong từng ứng dụng khác nhau[3][4][5]. Một số
phƣơng pháp điều khiển dập tắt dao động đã đƣợc áp dụng nhƣ phƣơng pháp điều
khiển mờ, phƣơng pháp điều khiển tuyến tính hóa v.v. Tuy nhiên, với phƣơng pháp
điều khiển mờ có một khó khăn là việc lựa chọn tập mờ và luật hợp thành cần phải

thử nghiệm khá nhiều, phƣơng pháp tuyến tính hóa chính xác đòi hòi thực hiện
phép biến đổi hệ trục tọa độ phi tuyến cho nên việc lập trình tƣơng đối khó khăn,
hạn chế tốc độ đáp ứng của hệ thống điều khiển, mặt khác khi tốc độ dao động của
lực với tần số khác nhau, mô hình tuyến tính sẽ khác nhau, đây là một thách thức
lớn trong việc thực thi luật điều khiển. Trong luận văn này tác giả dự định sẽ nghiên
cứu phƣơng pháp điều khiển lực cản dịu nhằm dập tắt dao động cho hệ thống giảm
chấn tích cực sử dụng động cơ tuyến tính theo năng lƣợng yêu cầu sử dụng phƣơng
pháp điều khiển tối ƣu LQG, tác động điều khiển đƣợc thực hiện tính toán để đƣa ra
lực cản dịu làm sao cho các dao động nhanh chóng đƣa về giá trị 0, phƣơng pháp
điều khiển tối ƣu LQG có hàm mục tiêu là giảm thiểu sự thay đổi các biến trạng thái
trong hệ cũng nhƣ tác động đầu vào của hệ, nhằm nhanh chóng đƣa hệ về trạng thái
cân bằng. Hệ thống giảm chấn tích cực đƣợc áp dụng rộng rãi trong thực tiễn, đặc
3


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

biệt là trên các phƣơng tiện vận tải, cho các hệ thống bệ đỡ cho các thiết bị tránh
rung động nhƣ trên tàu thủy v.v. Sự thành công của phƣơng pháp đã mở ra khả
năng áp dụng hệ thống giảm chấn tích cực cho các hệ thống trên trong thực tế. Từ
các ứng dụng trên đây cho thấy rằng việc nghiên cứu điều khiển hệ thống giảm chấn
tích cực mang tính cấp thiết, việc nghiên cứu này mở ra hƣớng ứng dụng vào thực
tế công nghiệp Việt Nam, đặc biệt là trong lĩnh vực nội địa hóa việc chế tạo sản
xuất phƣơng tiện vận tải, với hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyến
tính ta có thể cài đặt vào các phƣơng tiện vận tải hoàn toàn sử dụng năng lƣợng
điện, dẫn đến khả năng chúng ta có tận dụng khả năng tái tạo năng lƣợng điện, chế
tạo đƣợc các phƣơng tiện tiết kiệm năng lƣợng, không ô nhiễm môi trƣờng phù hợp
với chủ trƣơng của chính phủ trong việc khuyến khích sử dụng năng lƣợng xanh,
tiết kiệm và không ô nhiễm. Việc sử dụng hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng
động cơ tuyến tính ta có thể cải thiện đƣợc rất nhiều đặc tính ổn định của hệ thống,

mang lại chất lƣợng giảm chấn cao hơn nhiều so với các hệ thống giảm chấn thụ
động, trong khi đó có đáp ứng nhanh hơn, đặc tính động học tốt hơn, kích thƣớc nhỏ
hơn so với các hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng thủy lực.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Mục tiêu chung
Mục tiêu chung của luận văn này tập trung vào mục tiêu chính là thiết kế và
thực thi bộ điều khiển dập tắt dao động sử dụng bộ điều khiển tối ƣu LQG với mục
đích điều khiển lực cản dịu sao cho hệ thống ít dao động nhất và năng lƣợng sử
dụng cho dập tắt dao động là ít nhất. Để làm đƣợc điều này luận văn cũng thiết kế
các mạch vòng điều khiển bên trong nhƣ điều khiển lực và điều khiển dòng cho
động cơ tuyến tính sao cho tạo ra lực cản dịu giống nhƣ yêu cầu từ bộ điều khiển
dập tắt dao động ở mạch vòng ngoài thiết lập.
- Mục tiêu cụ thể
Xác định mô hình hệ thống giảm chấn tích cực
Nghiên cứu và xác định mô hình động cơ tuyến tính
Thiết kế bộ điều khiển dập tắt dao động sử dụng bộ điều khiển tối ƣu
LQG để điều khiển lực cản dịu saocho hệ thống ít dao động nhất và
năng lƣợng sử dụng cho dập tắt dao động là ít nhất
4


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Mô phỏng và đánh giá hệ thống
Cài đặt trên thiết bị thực, hiệu chỉnh, nhận xét và đánh giá
- Các kết quả đạt đƣợc trong luận văn
Xây dựng đƣợc mô hình tổng quát của hệ thống giảm chấn tích cực sử
dụng động cơ tuyến tính
Thiết kế đƣợc bộ điều khiển dập tắt dao động sử dụng bộ điều khiển tối
ƣu LQG cho mạch vòng điều khiển dập tắt dao động bên ngoài

Thiết kế các bộ điều khiển lực và điều khiển dòng cho động cơ tuyến tính
tạo lực giảm chấn ở mạch vòng bên trong
Xây dựng đƣợc mô hình hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động cơ
tuyến tính tại phòng thí nghiệm
Cài đặt đƣợc chƣơng trình và tiến hành thí nghiệm
3. Nội dung của luận văn
Luận văn thực hiện các nội dung sau:
a. Tìm hiểu, phân loại các hệ thống giảm chấn, các ƣu điểm của hệ thống
giảm chấn tích cực. Các ứng dụng của hệ thống giảm chấn, phân tích ƣu
điểm của động cơ tuyến tính và khả năng ứng dụng của động cơ tuyến
tính trong hệ thống giảm chấn tích cực. Nội dung này trình bày trong
chƣơng 1 của luận văn
b. Xây dựng mô hình của hệ thống giảm chấn tích cực, xác định các thông
số ảnh hƣởng đến đặc tính của hệ thống giảm chấn. Xây dựng mô hình
liên quan giữa lực đẩy của động cơ và dòng điện của động cơ tuyến tính.
Xây dựng mô hình tổng quát của hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng
động cơ tuyến tính. Nội dung này đƣợc thực hiện trong chƣơng 2 của luận
văn.
c. Từ mô hình tổng quát của hệ thống giảm chấn tích cực, sử dụng mô hình
này để thiết kế bộ điều khiển dập tắt dao động sử dụng bộ điều khiển tối
ƣu LQG. Tác động điều khiển đƣợc thực hiện tính toán thông qua các sai
lệch đo đƣợc để cho ra tín hiệu đƣa tới động cơ nhằm thực hiện lực giảm
chấn sao cho thời gian dập tắt dao động là nhanh nhất, tác động điều
5


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

khiển là ít nhất. Bộ điều khiển đƣợc mô phỏng trên Matlab/Simulink. Nội
dung này đƣợc thực hiện ở chƣơng 3 của luận văn.

d. Xây dựng mô hình hệ thống giảm chấn tích cực thực tế tại phòng thí
nghiệm bộ môn Đo lƣờng – Điều khiển, khoa điện tử. Hệ thống đƣợc điều
khiển bằng Matlab/Simulink điều khiển thực, thuật toán điều khiển đƣợc
viết và cài đặt trên nền simulink. Các kết quả thí nghiệm phản ánh tính
đúng đắn của thuật toán và mô hình hệ thống giảm chấn tích cực đã xây
dựng.
Từ nội dung luận văn nêu trên, luận văn gồm 04 chƣơng với bố cục nhƣ sau:
Chƣơng 1: Giới thiệu về hệ thống giảm chấn tích cực
Chƣơng 2: Mô hình hóa hệ thống giảm chấn tích cực
Chƣơng 3: Áp dụng điều khiển tối ƣu LQG cho hệ thống giảm chấn
tích cực
Chƣơng 4: Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống giảm chấn tích
cực
Phần cuối là kết luận chung của đề tài.



6


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

CHƢƠNG 1:
GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG GIẢM CHẤN TÍCH CỰC

1.1 Giới thiệu chung về các hệ thống giảm chấn
1.1.1 Hệ thống giảm chấn
Chức năng cơ bản hệ thống giảm chấn là nhằm dập tắt dao động và nhanh
chóng duy trì ổn định của hệ thống. Trong các phƣơng tiện vận tải, ví dụ nhƣ ôtô,
hệ thống giảm chấn ngƣời ta còn gọi là hệ thống treo, hệ thống này có nhiệm vụ

làm giảm ảnh hƣởng của lực tác động ở bề mặt đƣờng lên sàn và thân xe, giúp duy
trì thân xe và sàn xe cân bằng, giảm bớt sự khó chịu cho con ngƣời khỏi những
chấn động và những va chạm không biết trƣớc từ mặt đƣờng tác động lên xe qua
lốp xe. Yêu cầu đối với hệ thống giảm chấn là đòi hỏi phải có đặc tính nhanh chóng
dập tắt dao động tuy nhiên cũng cần đòi hỏi phải nhạy với các dao động dù là nhỏ,
trong thực tế bao giờ hai đặc tính này cũng không thể thỏa mãn đồng thời, nó chỉ có
thể đáp ứng ở một mức độ cân nhắc nào đó. Mô hình hệ thống giảm chấn điển hình
đƣợc mô tả nhƣ hình vẽ sau đây:










Hình 0-1 Mô hình của hệ thống giảm chấn điển hình
Trong hình vẽ trên, d biểu diễn cho các tác động gây dao động từ bên ngoài
vào hệ thống, không biết trƣớc với một dải tần số xác định, tác động này truyền đến
cho khối treo (suspension mass) có khối lƣợng là m
us
thông qua một phần tử có đặc
m
s
m
us
s
x

us
x

d

s
k

s
b

t
k

Khối thân trên
Khối treo
Phần tử có đặc tính lò
xo
Khối cản dịu
7


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

tính lò xo k
t
, khối treo khi chịu tác động của d phần tử có đặc tính lò xo k
t
sẽ bị dao

động theo, mức độ dao động này đƣợc đánh giá thông qua x
us
, dao động x
us
tiếp tục
tác động lên khối thân trên (body mass) có khối lƣợng là m
s
thông qua cặp phần tử
có đặc tính lò xo k
s
và khối cản dịu có hệ số cản dịu b
s
, mức độ dao động của khối
thân trên đƣợc biểu thị bằng x
us
. Đối với một hệ thống giảm chấn lý tƣởng, ngƣời ta
mong muốn với bất kỳ tác động nào của d, tác động này sẽ đƣợc dập tắt qua cặp k
s
,
b
s
, khi đó x
s
luôn luôn bằng không (kể cả vận tốc và gia tốc), tức là không chịu tác
động của d. Trong thực tế điều này không thể thực hiện đƣợc, tuy nhiên ngƣời ta có
thể lựa chọn các cặp k
s
, b
s
để sao cho sự ảnh hƣởng của d (biến thiên trong một dải

nào đó xác định) đến khối thân trên là nhỏ nhất về biên độ cũng nhƣ khoảng thời
gian tác động. Phần tử có đặc tính lò xo trong thực tế đó có thể là lốp xe, hoặc lò xo
v.v. Khối cản dịu trong thực tế có thể là xi lanh chuyển động trong pit tông dầu, lá
thép chuyển động trong từ trƣờng hoặc các cơ cấu cơ điện tử. Hình vẽ 1-2 sau đây
minh họa sự tác động của d lên x
s
và x
us
, ban đầu tất cả d, x
s
, x
us
đều bằng không, ở
trạng thái cân bằng, tại thời điểm từ 1 -2s, d thay đổi dƣới dạng lực dạng xung
vuông, qua k
t
sẽ làm cho khối treo dao động, x
us
thay đổi nhƣ hình b, và tiếp tục x
us

tác động lên khối thân trên qua cặp k
s
, b
s
làm cho x
s
thay đổi nhƣ hình c. Sau khi d
hết tác động, khoảng thời gian từ 2s trở đi, x
s

và x
us
sẽ dao động thêm một khoảng
thời gian nữa, 4 giây sau thì x
s
và x
us
về 0. Khoảng thời gian này phụ thuộc vào các
hệ số k
t
, k
s
, b
s,
khối lƣợng khối treo cũng nhƣ khối lƣợng thân trên, biên độ và tần
số của d. Để giảm nhỏ khoảng thời gian này cũng nhƣ biên độ dao động x
s
, x
us
ta
cần phải tính toán, lựa chọn các hệ số k
s
, b
s
sao cho phù hợp. Khi độ cứng của các
phần tử lò xo tăng lên thì dạng dao động của x
s
và x
us
sẽ càng gần với dạng dao

động của d, chất lƣợng của hệ thống giảm chấn càng giảm. Nếu độ cứng của các
phần tử lò xo càng giảm thì thời gian dao động sẽ tăng lên, chất lƣợng giảm chấn
cũng sẽ giảm. Khối lƣợng của các khối treo và khối thân trên cũng ảnh hƣởng rất
nhiều đến dạng dao động của x
s
và x
us
, khi khối lƣợng tăng lên cả hệ thống sẽ dần
trở thành một khâu cứng, khi khối lƣợng giảm thì cả hệ thống sẽ trở thành một
khâu dao động v.v.
8


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên














Hình 0-2 Minh họa sự dao động của hệ thống giảm chấn với tác dụng của d

1.1.2 Phân loại hệ thống giảm chấn
Hệ thống giảm chấn bao gồm hai loại chính đó là hệ thống giảm chấn thụ động
và hệ thống giảm chấn tích cực.
a. Hệ thống giảm chấn thụ động
Hệ thống giảm chấn thụ động là hệ thống giảm chấn mà phần tử cản dịu có hệ
số cản dịu b
s
bằng hằng số, không thay đổi đƣợc. Lực cản dịu sinh ra bởi phần tử
này chỉ phụ thuộc vào vận tốc x
us
thông qua hệ số cản dịu b
s
đƣợc miêu tả nhƣ sau:

us
ss
dx
Fb
dt
(0.1)
Khi vận tốc của x
us
càng lớn hay mức độ dao động của x
us
càng lớn thì lực cản
dịu sinh ra bởi khối cản dịu càng lớn để dập tắt dao động của x
us
. Khi x
us
=0 ta có

F
s
= 0 do đó lực cản dịu không ảnh hƣởng đến hệ thống khi hệ ở trạng thái cân
bằng (d = 0, x
s
= 0 và x
us
= 0).


()ts

()ts

()ts

()dt

us
()xt

()
s
xt

9


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình 0-3 Hệ thống giảm chấn thụ động
Đặc điểm của hệ thống giảm chấn thụ động là chúng ta không chủ động điều
chỉnh đƣợc lực cản dịu vì hệ số b
2
bằng hằng số, lực cản dịu lớn khi tốc độ của x
us

lớn và nhỏ khi tốc độ của x
us
nhỏ.
b. Hệ thống giảm chấn tích cực
Minh họa hệ thống giảm chấn tích cực (hay còn gọi là hệ thống giảm chấn chủ
động) nhƣ hình vẽ sau, trong đó khác với hệ thống giảm chấn thụ động là khối cản
dịu có lực cản dịu đƣợc sinh ra bằng cách sử dụng một nguồn năng lƣợng bên
ngoài. Phần tử này có thể thực hiện bằng cơ cấu thủy lực hoặc bằng cơ cấu điện từ.
Chính vì ta có thể thay đổi đƣợc lực cản dịu một cách chủ động về độ lớn và chiều
nên nó đƣợc gọi là hệ thống giảm chấn tích cực. Do vậy ta có thể điều chỉnh đƣợc
lực cản dịu sao cho phù hợp với mục đích giảm chấn của hệ thống một cách linh
hoạt.

Hình 0-4 Hệ thống giảm chấn tích cực
m
s
m
us
s
x

us

x

d

s
k

t
k


s
F

m
s
m
us
s
x

us
x

d

s
k

s

b

t
k


s
F

10


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Đối với hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng hệ thống thủy lực, xi lanh sẽ
chuyển động lên hoặc xuống để tạo ra lực cản dịu bằng một hệ thống bơm dầu chủ
động. Đặc điểm của hệ thống giảm chấn tích cực bằng thủy lực là có thể tạo ra lực
cản dịu lớn, tuy nhiên đáp ứng chậm, do vậy thƣờng ứng dụng cho các hệ thống
lớn, ví dụ nhƣ hệ thống tàu hỏa, tàu thủy, hệ thống duy trì cân bằng cho các bệ đỡ
nòng pháo v.v. Minh họa hệ thống giảm chấn tích cực bằng thủy lực nhƣ hình vẽ
sau, trong đó 5 là xi lanh và pitong dầu, 7 là van dẫn dầu và 8 là đƣờng ống bơm
dầu.

Hình 0-5 Hệ thống giảm chấn chủ động bằng thủy lực
Đối với hệ thống giảm chấn tích cực bằng cơ cấu điện từ, phần tử cản dịu
chính là một cơ cấu điện từ có khả năng tạo chuyển động lên xuống bằng cách sử
dụng nguồn điện từ bên ngoài đƣa vào.

Hình 0-6 Hệ thống giảm chấn chủ động bằng cơ cấu điện từ
Hình vẽ 1-6 minh họa hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng cơ cấu điện từ,

lực cản dịu đƣợc sinh ra do từ trƣờng mang bởi dòng điện đƣa từ bên ngoài vào để
Cơ cấu điện từ
11


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

tạo ra một nam châm. Đặc điểm của hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng cơ cấu
điện từ là có thể tạo ra lực cản dịu với tần số rất nhanh, tuy nhiên lực không lớn
bằng hệ thống giảm chấn tích cực bằng thủy lực. Điều này cho phép ứng dụng
trong các hệ thống có khối lƣợng vừa và nhỏ một cách linh hoạt.
c. Hệ thống giảm chấn bán chủ động
Ngoài hai hệ thống giảm chấn tích cực chủ động và thụ động nhƣ trên, một
giải pháp kết hợp hai loại này chính là hệ thống giảm chấn tích cực bán chủ động.
Hệ thống giảm chấn tích cực bán chủ động là hệ thống giảm chấn thụ động có sử
dụng thêm một phần tử cản dịu chủ động nhƣ minh họa ở hình vẽ sau, phần tử cản
dịu chủ động thƣờng là cơ cấu điện từ. Hệ thống này thƣờng dùng cho các hệ thống
lớn cần tăng tốc độ đáp ứng của lực cản dịu.

Hình 0-7 Hệ thống giảm chấn bán chủ động
1.2 Ƣu điểm và nhƣợc điểm của hệ thống giảm chấn tích cực điện từ
Hệ thống giảm chấn có nhiệm vụ dập tắt dao động tác động từ bên ngoài vào
hệ thống và duy trì ổn định của khối thân trên, do vậy hệ thống phải đáp ứng đƣợc
với dải tần càng rộng càng tốt của dao động. Các hệ thống giảm chấn thủy lực tuy
có ƣu điểm là có khả năng tạo ra lực giảm chấn lớn tuy nhiên vấn đề thời gian trễ
và chỉ đáp ứng với một dải tần hẹp cho nên nó không đƣợc áp dụng cho các hệ
thống có kích cỡ nhỏ và các dao động có dải tần rộng, chính vì vậy trong các
nghiên cứu gần đây ngƣời ta chuyển sang sử dụng các hệ thống giảm chấn điện từ
[1] vì chúng có các ƣu điểm nổi bật sau đây:
m

s
m
us
s
x

us
x

d

s
k

t
k


s
F

s
b

Khối cản dịu chủ
động
12


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Lực cản dịu để dập tắt dao động đƣợc tạo ra trực tiếp từ nguồn điện mà
không qua một khâu trung gian truyền dẫn cơ khí nên đáp ứng nhanh
hơn, linh hoạt hơn và không bị ảnh hƣởng bởi lực ma sát
Vì lực điện từ có thể tạo ra với tần số nhanh cho nên đáp ứng động học
của hệ thống đƣợc nâng cao, đáp ứng đƣợc với các dao động với các dải
tần rộng
Có khả năng điều chỉnh chính xác các lực cản dịu với đáp ứng yêu cầu
về mặt thời gian bằng các thuật toán điều khiển.
Với kết cấu nhỏ, gọn cho nên hệ thống dễ dàng cài đặt vào các thiết bị
Tuổi thọ và độ bền cao, giảm thiểu nhu cầu cần bảo dƣỡng trong quá
trình sử dụng
Với những ƣu điểm nêu trên, hệ thống giảm chấn tích cực điện từ cũng có
nhƣợc điểm đó là cần phải sử dụng nguồn năng lƣợng điện riêng cho nó, do đó vấn
đề năng lƣợng là một trở ngại của hệ thống này, tuy nhiên vấn đề này có thể đƣợc
giải quyết bằng các chiến lƣợc sử dụng ngay các lực gây dao động bên ngoài để
biến đổi ngƣợc thành năng lƣợng điện, tích lũy vào ắc quy để cung cấp cho hệ
thống giảm chấn, điều này làm giảm nhu cầu sử dụng năng lƣợng và có thể tiết
kiệm đƣợc năng lƣợng điện hoặc thậm chí có thể không cần sử dụng nguồn năng
lƣợng điện bên ngoài. Mặt khác để hệ thống giảm chấn có chất lƣợng tốt thì thuật
toán điều khiển có mức độ phức tạp sẽ tăng lên rất nhiều.
1.3 Hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyến tính
Hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng cơ cấu điện từ trƣớc đây có thể sử dụng
động cơ tạo chuyển động quay và hệ thống vit me để tạo chuyển động lên xuống,
động cơ quay đó có thể là động cơ servor tuy nhiên nhƣợc điểm của phƣơng pháp
này là tồn tại ma sát giữa các bánh răng, tốc độ chậm và kém linh hoạt [3]. Hiện
nay xu hƣớng xử dụng động cơ tuyến tính tạo chuyển động thẳng trực tiếp có ƣu
điểm là lực điện từ đƣợc tạo ra trực tiếp mà không có cần sử dụng cơ cấu truyền cơ
khí, do đó ma sát thấm, độ chính xác cao, tuổi thọ dài, do đó cho phép tạo ra các hệ
thống giảm chấn tích cực đƣợc điều khiển bằng các thuật toán điều khiển cho phép

dập tắt các dao động của hệ thống một cách có hiệu quả [1][2]. Một số hình ảnh về
việc sử dụng động cơ tuyến tính trong hệ thống giảm chấn tích cực
13


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Hình 0-8 Hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyến tính
Động cơ tuyến tính có hai dạng đó là động cơ tuyến tính đồng bộ và động cơ
tuyến tính không đồng bộ. So với động cơ quay thông thƣờng, stator và trục dịch
chuyển tuyến tính, có thể coi là đƣờng kính stator dài vô hạn. Động cơ tuyến tính
có khả năng tạo ra chuyển động dịch chuyển với vận tốc cao lên đến khoảng
200m/phút, gia tốc lớn và lực lên đến kN.
Nhƣ đã đề cập ở trên, lực điện từ có thể đƣợc tác dụng trực tiếp vào tải trọng
mà không có sự can thiệp của một cơ cấu truyền tải, dẫn đến hệ thống có độ tin cậy
cao hơn và tuổi thọ cao hơn.
1.4 Các ứng dụng và xu hƣớng điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực
1.1.1 Các ứng dụng
Hệ thống giảm chấn tích cực có rất nhiều ứng dụng trong thực tế, và đa số
xuất hiện trong các ứng dụng ở phƣơng tiện vận tải nhƣ:
- Hệ thống treo của oto và cân bằng sàn xe [1][2][3], hệ thống treo của oto
hay là hệ thống giảm sóc nhằm ổn định cân bằng sàn xe và loại bỏ sự ảnh
hƣởng của lực tác động từ mặt đƣờng lên sàn xe khi xe đang chuyển động.

Hình 0-9 Hệ thống treo ôtô sử dụng động cơ tuyến tính của hãng Bose sản xuất
- Hệ thống cân bằng ghế trên các phƣơng tiện vận tải [4]
14

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Hình 0-10 Hệ thống cân bằng ghế trên các phƣơng tiện vận tải
1.1.2 Các xu hướng điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực
Thuật toán điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực là một thuật toán tƣơng
đối phức tạp, trong thuật toán đó cần cân nhắc hài hòa giữa các yếu tố đó là thời
gian đáp ứng và gia tốc. Hiện đang có những xu hƣớng thiết kế điều khiển đó là sử
dụng bộ điều khiển PI và PID [5], sử dụng bộ điều khiển LQG [6], sử dụng bộ điều
khiển H
2
H
∞
[7], sử dụng phƣơng pháp điều khiển tuyến tính hóa chính xác [8]
1.5 Kết luận chƣơng 1
Chƣơng 1 đã trình bày tổng quát về hệ thống giảm chấn, các ƣu điểm của hệ
thống giảm chấn tích cực và hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng cơ cấu điện từ.
Các ứng dụng của hệ thống giảm chấn tích cực trong thực tế. Từ các phân tích ƣu
nhƣợc điểm trên chƣơng 1 trình bày về việc ứng dụng động cơ tuyến tính trong hệ
thống giảm chấn tích cực, các xu hƣớng điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực
hiện nay. Qua đó trình bày về tính cấp thiết về nghiên cứu điều khiển hệ thống
giảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyến tính hiện nay. Từ phân tích đó luận văn
đã lựa chọn các nội dụng nghiên cứu, xây dựng các mục tiêu cần đạt đƣợc trong
luận văn.
15


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG

GIẢM CHẤN TÍCH CỰC
Equation Chapter 2 Section 2
2.1 Phƣơng trình động học hệ thống giảm chấn tích cực
Trƣớc hết ta xét hệ thống giảm chấn thụ động đƣợc mô tả nhƣ hình 2-1 sau.








Hình 0-1 Mô hình hệ thống giảm chấn thụ động
Gọi
t
k
là độ cứng của của phần tử lò xo liên hệ giữa bề mặt tạo dao động và
khối treo,
us
m
là khối lƣợng của khối treo,
,
ss
kb
lần lƣợt là độ cứng của phần tử lò
xo và hệ số cản dịu của khối cản dịu,
s
m
là khối lƣợng của khối thân trên.
Đặt các biến trạng thái:

d
là nhiễu tác động từ bên ngoài vào gây ra dao
động,
us
x
là khoảng dịch chuyển của khối treo và
s
x
là khoảng dịch chuyển của
khối thân trên. Theo [6] phƣơng trình động học của hệ thống giảm chấn thụ động
đƣợc mô tả nhƣ sau:

us us
us us
0
0
  
  
s s s s s s
us us s s s s t us r
m x k x x b x x
m x k x x b x x k x x
(2.1)

Hình 0-2 Mô hình hệ thống giảm chấn tích cực
m
s
m
us
s
x

us
x

d

s
k

s
b

t
k

Khối thân trên
Khối treo
Phần tử có đặc
tính lò xo
Khối cản dịu
m

s
m
us
s
x

us
x

d

s
k

t
k


s
F

16


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


trong đó phƣơng trình thứ nhất của (2.1) mô tả chuyển động của khối thân trên và
phƣơng trình thứ hai của (2.1) mô tả chuyển động của khối treo. Tiếp theo ta có thể
mô hình hóa hệ thống giảm chấn tích cực bằng cách thay thế khối giảm chấn bằng

cơ cấu chấp hành điện từ, cơ cấu này sinh ra một lực giảm chấn tích cực
s
F
, khi đó
phƣơng trình động học của hệ thống giảm chấn tích cực trở thành

us us
us us
s s s s s s s
us us s s s s t us s
m x k x x b x x F
m x k x x b x x k x d F
  
  
(2.2)
Trong phƣơng trình (2.2) ta vẫn để nguyên hệ số cản dịu
s
b
, khi phân tích đối với
hệ thống giảm chấn tích cực ta sẽ cho hệ số này bằng không.
Để xây thuận tiện cho việc xây dựng mô hình hệ thống giảm chấn, ta đặt các
biến trạng thái mới nhƣ sau:
1 us
2
3 us
4 us
s
s
z x x
zx

z x d
zx


(2.3)
Từ cách đặt biến trạng thái này, ta chuyển hệ (2.2) về dạng không gian trạng thái
sau đây:

s
z Az BF Ld


(2.4)
trong đó

1
2
3
4
z
z
z
z
z
là véc tơ biến trạng thái của hệ

us us us us
0 1 0 1
0
0 0 0 1

s s s
s s s
s s t s
k b b
m m m
A
k b k b
m m m m
,


us
0 1/ 0 1/ , 0 0 1 0
T
T
s
B m m L