Thiết kế bộ điều khiển tối ưu LQG cho hệ giảm chấn tích cực có sử dụng bộ lọc biến trạng thái

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN HOÀ NG VIỆT

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU LQG CHO HỆ THỐNG
GIẢM CHẤN TÍCH CỰC CÓ SỬ DỤNG BỘ LỌC
BIẾN TRẠNG THÁI
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

THÁI NGUYÊN – 2016
0
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN HOÀ NG VIỆT

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU LQG CHO HỆ THỐNG
GIẢM CHẤN TÍCH CỰC CÓ SỬ DỤNG BỘ LỌC BIẾN

TRẠNG THÁI
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KHOA CHUYÊN MÔN
TRƯỞNG KHOA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PHÒNG ĐÀO TẠO

THÁI NGUYÊN – 2016

2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Hoàng Việt
Sinh ngày 12 tháng 7 năm 1986
Học viên lớp cao học khoá 16 CH.TĐH 01 - Trường Đại học Kỹ thuật Công
nghiệp Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Bộ môn Kỹ thuật điện tử, Khoa Điện tử, Trường Đại học
Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Tôi xin cam đoan luận văn “Thiết kế bộ điều khiển tối ưu LQG cho hệ giảm
chấn tích cực có sử dụng bộ lọc biến trạng thái” do thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí
hướng 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 như nội dung trong
đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng 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 30 tháng 5 năm 2016
Học viên

Nguyễn Hoàng Việt

3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương và được sự hướng dẫn tận tình
giúp đỡ của thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí, luận văn với đề tài “ Thiết kế bộ điều
khiển tối ưu LQG cho hệ giảm chấn tích cực có sử dụng bộ lọc biến trạng thái” đã
được hoàn thành.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Văn
Chí đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn. Các thầy cô giáo Bộ môn
Đo lường Điều khiển, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên và các
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 được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè đồng
nghiệp cho luận văn của tôi được hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 30 tháng 5 năm 2016
Học viên

Nguyễn Hoàng Việt

4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Mục lục
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... 3
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ 4
Mục lục ........................................................................................................................... 5
Danh mục chữ viết tắt ................................................................................................... 7
Danh mục các bảng ....................................................................................................... 8
Danh mục hình vẽ, mô phỏng, đồ thị........................................................................... 9
Chương 1 Giới thiệu về hệ thống giảm chấn ............................................................ 12
1.1 Cấu tạo và chức năng của hệ thống giảm chấn .................................................. 12
1.1.1 Cấu tạo ...................................................................................................... 12
1.1.2 Chức năng của hệ giảm chấn .................................................................... 13
1.1.3 Các yếu tố đánh giá chất lượng của hệ thống giảm chấn ......................... 14
1.2 Phân loại hệ giảm chấn....................................................................................... 18
1.3 Đặc trưng của tín hiệu dao động từ mặt đứng xg ................................................ 22
1.4 Các xu hướng điều khiển hệ giảm chấn tích cực ............................................... 25
1.4.1 Điều khiển hệ giảm chấn bán tích cực ...................................................... 25
1.4.2 Điều khiển hệ giảm chấn tích cực ............................................................. 26
1.5 Kết luận chương 1 .............................................................................................. 27
Chương 2 Mô hình cơ cấu chấp hành dùng động cơ tuyến tính dạng ống ............ 28

2.1 Cấu tạo của động cơ tuyến tính dạng ống .......................................................... 28
2.2 Xây dựng phương trình lực của động cơ tuyến tính dạng ống ........................... 30
2.2.1 Công cụ để xây dựng mô hình .................................................................. 30
2.2.2 Xây dựng mô hình giữa điện áp và lực cho động cơ tuyến tính dạng ống ...
................................................................................................................... 33
2.3 Mô phỏng ........................................................................................................... 36
2.4 Kết luận chương 2 .............................................................................................. 39
5
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Chương 3 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ giảm chấn tích cực ................................. 40
3.1 Cấu trúc điều khiển ............................................................................................ 40
3.2 Thiết kế bộ điều khiển dập tắt dao động LQG và sử dụng bọc biến trạng thái . 41
3.2.1 Mô hình phi tuyến của hệ thống giảm chấn .............................................. 41
3.2.2 Thiết kế mạch lọc biến trạng thái ............................................................. 44
3.2.3 Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái ............................................... 46
3.2.4 Mô phỏng hệ thống ................................................................................... 48
3.3 Thiết kế bộ điều khiển lực và dòng cho động cơ tuyến tính .............................. 54
3.3.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng ..................................................................... 54
3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển lực ........................................................................ 56
3.4 Sơ đồ mô phỏng của cả hệ thống ....................................................................... 57
3.4.1 Khi nhiễu có dạng xung vuông tác động .................................................. 58
3.4.2 Khi tác động nhiễu ngẫu nhiên ................................................................. 61
3.5 Vấn đề thực nghiệm ........................................................................................... 63
3.6 Kết luận chương 3 .............................................................................................. 64
Kết luận chung của luận văn ...................................................................................... 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 67

6
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Danh mục chữ viết tắt
Từ viết tắt

Tên tiếng anh

Tên tiếng việt

LQR

Linear Quadratic Regulator

Bộ điều chỉnh toàn phương
tuyến tính

LQG

Linear Quadratic Gaussian

Bộ điều khiển tuyến tính
toàn phương Gaussian

PID

Proportional- IntergralDerivative

Tỷ lệ – Tích phân- Đạo hàm

LBM

Linear Brushless Permanent
Magnet Motor

Động cơ tuyến tính

7
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Danh mục các bảng
Bảng 1: Phân loại hệ giảm chấn ................................................................................... 21
Bảng 2 Tham số vật lý của động cơ tuyến tính ............................................................. 37
Bảng 3: Tham số vật lý của hệ giảm chấn .................................................................... 48

8
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Danh mục hình vẽ, mô phỏng, đồ thị
Hình 1. 1 Mô hình của hệ thống giảm chấn điển hình

12

Hình 1. 2 Minh họa sự dao động của hệ thống giảm chấn với tác dụng của xg(t)
13
Hình 1. 3 Chất lượng của hệ giảm chấn khi thay đổi ks và bs

15

Hình 1. 4 Đáp ứng tần của hệ khi thay đổi hệ số cản dịu

17

Hình 1. 5 Xấp xỉ mật độ xác suất Fdyn của một loại đường

18

Hình 1. 6 Mô hình hệ thống 1/4 thụ động, bán tích cực và tích cực

19

Hình 1. 7 Tín hiệu kích thích từ đương và phân tích phổ tần của nó

22

Hình 1. 8 Đáp ứng của hệ giảm chấn khi tác động kích thích dạng xung vuông 23
Hình 1. 9 Đáp ứng của hệ khi tác động kích thích ngẫu nhiên

24

Hình 1. 10 Hệ thống giảm chấn bán tích cực và ý tưởng của Skyhook

25

Hình 2. 1 Mặt cắt của cuộn dây và nam châm

28

Hình 2. 2 Lắp ráp của các cuộn dây với miếng đệm

29

Hình 2. 3 Sơ đồ khối động cơ tuyến tính dạng ống – LBM

30

Hình 2. 4 Mô hình động cơ LBM trên matlab/Simulink

36

Hình 2. 5 Sơ đồ mô phỏng động cơ LBM với khâu chuyển hệ toạ độ dq

37

Hình 2. 6 Trạng thái của động cơ LBM

38

Hình 2. 7 Đáp ứng về độ dịch chuyển roto và lực

39

Hình 3. 1 Mô hình hệ giảm chấn sử dụng động cơ tuyến tính

40

Hình 3. 2 Cấu trúc điều khiển của hệ thống giảm chấn tích cực

40

Hình 3. 3 Minh hoạ tính phi tuyến của độ cứng lò xo và hệ số cản dịu

41

Hình 3. 4 Mô hình phi tuyến hệ giảm chấn tích cực

42

Hình 3. 5 Cấu trúc bộ lọc biến trạng thái Kalman

45

Hình 3. 6 Cấu trúc bộ lọc biến trạng thái trong mô phỏng trên simulink

46

Hình 3. 7 Cấu trúc điều khiển của hệ giảm chấn

47
9

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Hình 3. 8 Sơ đồ mô phỏng tác động của bộ điều khiên LQG với hệ giảm chấn 49
Hình 3. 9 Kết quả mô phỏng tác động của bộ điều khiên LQG trong trường hợp
nhiễu có dạng xung vuông

50

Hình 3. 10 Lực Fe ref(t) và lực tải động của bánh xe Fdyn(t) khi cho xung vuông
tác động

51

Hình 3. 11 Kết quả mô phỏng tác động của bộ điều khiên LQG trong trường hợp
52
Hình 3. 12 Lực Fe(t) và lực tải động của bánh xe Fdyn(t) khi nhiễu ngẫu nhiên
tác động

53

Hình 3. 13 Sơ đồ điều khiển lực và dòng cho động cơ

54

Hình 3. 14 Sơ đồ điều khiển dòng điện cho động cơ

54

Hình 3. 15 Đáp ứng dòng điện id và iq

55

Hình 3. 17 Đáp ứng lực Fe(t) với giá trị đặt 200N

56

Hình 3. 16 Sơ đồ điều khiển lực

56

Hình 3. 18 Sơ đồ mô phỏng cả hệ thống

57

Hình 3. 19 Trạng thái của hệ thống giảm chấn khi tác động nhiễu xung vuông 58
Hình 3. 20 Trạng thái dịch chuyển của roto động cơ khi nhiễu xung vuông tác
động

59

Hình 3. 21 Trạng thái của đông cơ tuyến tính khi tác động nhiễu xung vuông 60
Hình 3. 22 Lực cần dập tắt dao động và lực do động cơ sinh ra tác động nhiễu
ngẫu nhiên
60
Hình 3. 23 Trạng thái của hệ thống giảm chấn khi tác động nhiễu ngẫu nhiên 61
Hình 3. 24 Trạng thái dịch chuyển của roto động cơ khi nhiễu ngẫu nhiên tác

động

61

Hình 3. 25 Lực cần dập tắt dao động và lực do động cơ sinh ra khi

62

Hình 3. 26 So sánh sự dịch chuyển của khối thân trên khi không tác động giảm
chấn và khi tác động giảm chấn
62
Hình 3. 27 Mô hình hệ giảm chấn tích cực tại phòng thí nghiệm

63

Hình 3. 28 Hình ảnh stato và roto của động cơ LBM

63

10
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




LỜI NÓI ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Ngày nay, hệ thống giảm chấn được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực như:
xây dựng nhà, xây dựng cầu đường và đặc biệt trong công nghiệp sản xuất phương tiện
vận tải (ô tô, xe máy, tàu hỏa…). Mục đích của hệ thống giảm chấn là dập tắt nhanh

nhất dao động để hệ làm việc không phụ thuộc vào tác động lực từ bên ngoài nhằm
duy trì trạng thái cân bằng cho hệ thống. Hiện nay, đa phần các hệ thống giảm chấn sử
dụng nguyên tắc giảm chấn thụ động. Giảm chấn thụ động có ưu điểm là thiết kế đơn
giản nhưng có nhược điểm lớn là thời gian dập tắt dao động và lực giảm chấn không
thể điều chỉnh được [2], [3], [6]. Theo các nghiên cứu [1], [2], [4] thì sử dụng hệ giảm
chấn tích cực có nhiều ưu điểm hơn hệ giảm chấn thụ động là có thể điều chỉnh linh
hoạt lực giảm chấn về chiều và cường độ, qua đó có thể dập tắt dao động nhanh hơn và
duy trì trạng thái ổn định tốt hơn.
2. Mục tiêu của nghiên cứu:
- Tìm hiểu hệ thống giảm chấn thụ động, hệ thống giảm chấn tích cực và xu thế
điều khiển trong hệ giảm chấn tích cực.
- Thiết kế bộ lọc biến trạng thái
- Thiết kế bộ điều khiển tối ưu LQG dập tắt quá trình dao động.
- Điều khiển động cơ tuyến tính sinh ra lực điện từ dập tắt quá trình dao động.
- Mô phỏng kiểm chứng kết quả.
3. Kết quả dự kiến:
- Xây dựng mô hình toán hệ thống giảm chấn tích cực, động cơ tuyến tính.
- Xây dựng bộ điều khiển tối ưu LQG có sử dụng bộ lọc biến trạng thái.
- Mô phỏng kiểm chứng kết quả hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng phần mềm
Matlab – Simulink.
- Xây dựng mô hình thực nghiệm.
4. Nội dụng các chương:
Chương 1: giới thiệu về hệ thống giảm chấn
Chương 2: Mô hình cơ cấu chấp hành dùng động cơ tuyến tính dạng ống
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển cho hệ giảm chấn tích cực
Kết luận chung của luận văn.
11
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

Chương 1 Giới thiệu về hệ thống giảm chấn
1.1 Cấu tạo và chức năng của hệ thống giảm chấn
1.1.1 Cấu tạo
Ngày nay, hệ thống giảm chấn được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực như:
xây dựng nhà, xây dựng cầu đường và đặc biệt trong công nghiệp sản xuất phương
tiện vận tải (ô tô, xe máy, tàu hỏa…). Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, tác giả
nghiên cứu hệ giảm chấn áp dụng trong các phương tiện vận tải. Cấu tạo của hệ giảm
truyền thống (giảm chấn thụ động) thường được gọi là hệ thống treo được minh hoạ
như hình 1.1. Trong đó bao gồm: khối treo (suspension mass) có khối lượng mus (đặc
trưng cho lốp xe, bánh xe, phanh và các khối lượng tải của bánh xe), khối thân trên
(body mass) có khối lượng ms đặc trưng cho khối lượng khung xe (gồm khách và hàng
hóa). Hệ thống treo dùng để kết nối hai thành phần khối thân trên và khối treo được
tạo bởi một lò xo mắc song song với khối cản dịu.
Khung xe, sàn xe, hành
khách và hàng hoá

ms

Khối thân trên

xs
Hệ thống giảm
chấn

ks

bs

Cản dịu

Lò xo

mus

Khối treo

xus
kt

bt

Lốp xe, bánh xe, phanh
và các cơ cấu gắn với
bánh xe

xg

Hình 1. 1 Mô hình của hệ thống giảm chấn điển hình

Trong hình vẽ trên, xg biểu diễn cho các tác động gây dao động từ bên ngoài
vào hệ thống (tác động từ mặt đường) không biết trước với một dải tần số xác định,
tác động này truyền đến cho khối treo thông qua lốp xe đặc trưng bởi một phần tử có
đặc tính lò xo kt và khối cản dịu có hệ số cản dịu bt. Khi bị tác động, khối treo sẽ dao
động, mức độ dao động này được đánh giá thông qua xus, dao động xus tiếp tục tác
12
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

động lên khối thân trên thông qua cặp phần tử có đặc tính lò xo ks và khối cản dịu có
hệ số cản dịu bs, mức độ dao động của khối thân trên được biểu thị bằng xs. Với hệ
giảm chấn thụ động các hệ số về độ cứng của lò xo và hệ số cản dịu được lựa chọn
theo chỉ tiêu chất lượng cho trước và không điều chỉnh được trong quá trình hoạt
động.
1.1.2 Chức năng của hệ giảm chấn
Chức năng cơ bản hệ thống giảm chấn là nhằm dập tắt dao động của khối thân
trên và nhanh chóng duy trì ổn định của hệ thống. Hệ giảm chấn làm giảm ảnh hưởng
của lực tác động ở bề mặt đường lên khối thân trên, tạo cảm giác thoải mái khi đi 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 giữa hai yếu tố này.

xg(t) [m]

Dao động từ mặt đường

xs(t) [m]

Dao động của khối thân trên

xus(t) [m]

Dao động của khối treo

Thời gian (s)

Hình 1. 2 Minh họa sự dao động của hệ thống giảm chấn với tác dụng của xg(t)

Hình 1.2 minh hoạ sự tác động của xg lên khối treo và khối thân trên với các số
liệu: ms = 256 kg, ks = 20200 N/m, bs = 1140 Ns/m, mus = 31 kg, kt = 128000 N/m và
13
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




bt = 0 [1]. Ban đầu giả thiết tất cả xg, xs, xus đều bằng không, tại thời điểm 1 giây, xg
thay đổi dưới dạng xung vuông với biên độ 30 cm. Kết quả là khối treo và khối thân
trên dao động. Đến thời gian 3 giây xg hết tác động, xs và xus sẽ dao động thêm một
khoảng thời gian nữa, 4 giây sau thì xs và xus về 0. Trong khoảng thời gian từ 1-5 giây
khối trân trên và khối treo dao động với tần số lớn, điều này gây ra cảm giác khó chịu
cho người đi xe. Khoảng thời gian của hệ giảm chấn hết dao động trở về vị trí ban đầu
(cân bằng) này phụ thuộc vào các hệ số kt, bt, ks, bs khối lượng khối treo cũng như
khối lượng khối thân trên, biên độ và tần số của xg. Các chỉ số kt, bt đặc trưng cho
tham số của lốp, thường thay đổi trong phạm vi hẹp nên với hệ có ms và mus xác định
thì thời gian dao động của hệ chủ yếu phụ thuộc vào các hệ số ks, bs. Để giảm nhỏ
khoảng thời gian này cũng như biên độ dao động xs, xus ta cần phải tính toán, lựa chọn
cặp hệ số của lò xo và cơ cấu cản dịu (ks, bs) phù hợp. Khi độ cứng của các phần tử lò
xo tăng lên thì dạng dao động của xs và xus sẽ càng gần với dạng dao động của xg, chất
lượng 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 lượng giảm chấn cũng sẽ giảm. Khối
lượng của các khối treo và khối thân trên cũng ảnh hưởng rất nhiều đến dạng dao
động của xs và xus, khi khối lượng tăng lên cả hệ thống sẽ dần trở thành một khâu
cứng, khi khối lượng giảm thì cả hệ thống sẽ trở thành một khâu dao động v.v.
Đối với một hệ thống giảm chấn lý tưởng, người ta mong muốn với bất kỳ tác
động nào của xg, tác động này sẽ được dập tắt qua hệ thống lò xo và cơ cấu cản dịu để

xs luôn luôn bằng không (kể cả vận tốc và gia tốc), tức là không chịu tác động của xg.
1.1.3 Các yếu tố đánh giá chất lượng của hệ thống giảm chấn
Một biện pháp đo lường đơn giản để đánh giá mức độ thoải mái khi đi xe là gia
tốc vuông góc với khung xe x , nếu gia tốc thấp sẽ mang lại cảm giác thoải mái khi đi
xe. Để tạo ra sự an toàn, lốp xe phải có khả năng di chuyển lực dọc, ngang giữa xe và
đường, điều đó tạo được khi nếu bánh xe có lực tải Fdyn , lực này bị giới hạn, tức là để
bánh xe vẫn tiếp xúc với mặt đường. Điều này có thể đạt được trong điều kiện ràng
buộc của giá trị x và Fdyn.
Fdyn  kt ( xg  xus )  bt ( x g  xus )

(1.1)

14
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Hình 1.3 mô tả mối quan hệ chỉ tiêu độ thoải mái và chỉ tiêu an toàn của các hệ
thống giảm chấn thụ động khác nhau với sự thay đổi các hệ số ks, bs ở trên. Kết quả thu
được từ mô phỏng hệ giảm chấn với kích thích là các loại đường mẫu và các giá trị của

x và Fdyn. Cả hai đại lượng này càng thấp càng tạo cảm giác thoải mái và an toàn khi
đi xe.
Có thể thấy rằng việc thiết lập mối quan hệ giữa độ cứng của lò xo kt và hệ số cản
dịu bs của cơ cấu cản dịu rất quan trọng trong hệ thống giảm chấn. Đặc trưng của một

Xấu

hệ thống giảm chấn thụ động được tạo nên bởi cặp hai tham số này.

bs
Bán tích
cực

Độ thoải mái

ks là hằng số
bs là hằng số

ks
Thụ động

Tốt

Tích cực hoàn

Mặt pareto

toàn

Tốt

Độ an toàn

Xấu

Hình 1. 3 Chất lượng của hệ giảm chấn khi thay đổi ks và bs [1]

Hệ thống giảm chấn bán tích cực có thể điều chỉnh hệ số cản dịu do đó cải thiện

được cảm giác đi xe và độ an toàn của hệ thống. Trong hình vẽ mô tả sự biến thiên của
độ cứng lò xo và hệ số cản dịu, tức là ngay cả khi độ cứng của lò xo được điều chỉnh
giảm xuống thì các nhà thiết kế phải lựa chọn để tạo sự thoải mái đi xe hoặc an toàn,
điều đó dẫn tới định hướng tăng yếu tố này thì yếu tố kia bị giảm.
Hình 1.3 cho thấy, đi xe thoải mái và an toàn là yếu tố quan trọng có thể nâng
cao được bởi hệ thống giảm chấn cơ điện tử (nếu hoạt động hoàn toàn tích cực). Hệ
thống giảm chấn tích cực cho phép tạo ra hệ thống giảm chấn có độ an toàn và độ
thoải mái hơn hẳn so với hệ giảm chán thụ động và hệ giảm chấn bán tích cực. Trong
đó, hệ giảm chấn tích cực bao gồm thiết bị truyền động với tần số cao đủ để chủ động
15
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




giảm giao động giữa khung gầm và bánh xe. Để có thể điều chỉnh hoàn toàn chủ động
(đường mầu xám) thì đi kèm theo nó phải cần bộ điều khiển trên hệ giảm chấn hoàn
toàn chủ động.
Điều quan trọng nhất của hệ thống giảm chấn tích cực đạt được là tạo ra sự thay
đổi linh động của lực tác động. Nếu không tạo ra được điều này, ví dụ như nếu bộ điều
khiển không hoạt động linh hoạt theo thời gian thì việc điều chỉnh của hệ thống giảm
chấn có thể không mang lại kết quả tối ưu khi đi xe. Khả năng đáp ứng yêu cầu cao
của hệ thống giảm chấn không thể đạt được nếu chỉ thiết kế bộ điều khiển với một số
loại đường cho trước. Do đó, cần áp dụng các bộ điều khiển thích nghi theo sự thay
đổi không biết trước từ mặt đường (cái tạo ra xg(t)).
Vậy tóm lại, yếu tố đánh giá chất lượng của hệ thống giảm chấn thệ hiện bằng
chỉ tiêu độ thoải mái khi đi xe và chỉ tiêu độ an toàn khi đi xe.
a. Độ thoải mái khi đi xe
Để tạo sự thoải mái khi đi xe là hạn chế lực vuông góc với khung xe. Một hệ
thống giảm chấn tạo cảm giác thoải mái khi đi xe sẽ cách ly khối khung gầm khi có

những rung động gây ra bởi đường hay động năng của xe. Như vậy, trong điều kiện
rung động thẳng đứng, độ thoải mái khi đi xe có thể định lượng bởi gia tốc của khung
xe. Tuy nhiên, con người nhạy cảm với các tần số dao động kích thích cơ học theo
hướng dọc (4 - 8Hz), nên các tần số này cần được đưa vào tính toán. Thực tế này được
xem xét trong việc thiết kế các hệ thống giảm chấn, lựa chọn độ cứng của lò xo, hệ số
cản dịu, lốp sao cho tần số dao động nằm giữa tần số dao động tự nhiên của lò xo và
khối treo, qua đó nâng cao được tác dụng cách ly. Tuy nhiên, đáp ứng tần số phụ thuộc
vào hệ số cản dịu, nếu cơ cấu cản dịu có hệ số cản dịu thấp sẽ dẫn đến cách ly tốt giữa
khung và gầm xe, tăng độ thoải mái khi đi xe nhưng tăng đỉnh cộng hưởng. Vì vậy, độ
an toàn khi đi xe giảm đi.

16
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Gx x ( j )
s g

[dB]
bs = 2000 Ns/m
bs = 1140 Ns/m
bs = 700 Ns/m
bs = 100 Ns/m

Tần số [Hz]

Hình 1. 4 Đáp ứng tần của hệ khi thay đổi hệ số cản dịu [1]

b. Độ an toàn khi đi xe
Để đi xe an toàn thì các tác động lái của người lái phải được truyền xuống đường
theo chiều dọc qua lốp xe và mặt đường. Đây là yêu cầu quan trọng để người lái xe có
thể điều khiển được khi lái. Một tiêu chí để đáp ứng yêu cầu về an toàn là tải trọng của
bánh xe động không được vượt quá tải trọng của bánh xe tĩnh, điều này có thể đạt
được nếu điều kiện bánh xe động được giới hạn. Để xây dựng điều kiện ràng buộc, giả
định sự nhấp nhô của bề mặt đường ngẫu nhiên và bánh xe có tải động Fdny có mật độ
xác suất Gausian. Một ràng buộc về Fdny có thể được xây dựng bằng cách sử dụng độ
lệch chuẩn trong một khoảng thời gian T.

 F  Fdyn
dyn

std



1T 2
 Fdyn ( ) d
T0

(1.2)

Khi giá trị trung bình tải động của bánh xe bằng không, giữ  Fdyn  Fdyn
để quy
rms
tắc 3σ đảm bảo một phân bố ngẫu nhiên trung bình vẫn nằm trong giới hạn ±Fstat xấp
xỉ khoảng 99.7% trong một chu kỳ T.
Vì vậy, điều kiện ràng buộc về giá trị trung bình tải động của bánh xe là giá trị
bánh xe tải động không vượt quá 1/3 giá trị bánh xe tải tĩnh:

Fdyn

rms



Fstat
3

(1.3)

Với Fstat = g(ms+mus) là tải trọng của bánh xe tĩnh, g = 9.81m/s2 là gia tốc trọng
trường. Trong hình 1.6, mật độ xác suất Gausian của một tải bánh xe động của hệ giảm
17
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




chấn thụ động khi đi trên một loại đường cụ thể với vận tốc 50 km/h. Tải trọng động
của bánh xe động là một chỉ tiêu rất quan trọng vì nó có thể gây ra hiện tượng mất ma

Mật độ phân bố xác xuất

sát giữa xe với mặt đất.

- Fstat

- 3σFdyn

+ 3σFdyn

+ Fstat

Tải trọng động Fdyn [N]

Hình 1. 5 Xấp xỉ mật độ xác suất Fdyn của một loại đường [1]

1.2 Phân loại hệ giảm chấn
Mô hình nghiên cứu về hệ thống giảm chấn [1],[2] gồm ba loại sau:
- Mô hình đầy đủ (Full-car) có tính toán động lực của một chiếc xe hoàn chỉnh.
- Mô hình 1/2 (Half-car) phân tích chuyển động lên xuống và chuyển động quay
với hình thức đơn giản.
- Mô hình 1/4 (A Quarter-vehicle) chỉ mô tả chuyển động của phần khối lượng
tương đương tác động lên một bánh xe.
Nếu chuyển động của bốn bánh xe được coi là tách riêng, thì mô hình 1/4 là một mô
hình phù hợp để nghiên cứu trong phạm vi tần số dao động từ 0 – 25Hz.
Hình 1.6 mô tả mô hình 1/4 cho ba loại giảm chấn khác nhau: Hệ thống thụ động,
hệ thống bán tích cực (ở giữa) và hệ thống tích cực. Trong hệ thống bán tích cực, phần
tử cản dịu (damping) bs = bs(t) có thể điều chỉnh được. Trong hệ thống giảm chấn tích
cực, lực giảm chấn Fe(t) có thể được thay đổi bằng cơ cấu chấp hành giữa khối treo và
khối thân trên. Để tìm hiểu những tác động theo chiều dọc của hệ thống và đánh giá
tác động điều khiển thì mô hình 1/4 thích hợp do cấu trúc đơn giản và có thể mô phỏng
các thành phần phi tuyến của hệ thống.
18
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

Khối thân trên
ms

Khối thân trên
ms

bs

ks

bs

ks
mus

kt

Khối thân trên
ms

bt

0

bs

Động cơ

ks

mus

kt

Fe
mus

bt

xs

kt

xus
bt

Hình 1. 6 Mô hình hệ thống 1/4 thụ động, bán tích cực và tích cực

0

xg
0

Mô hình 1/4 của hệ thống giảm chấn tổng quát được mô tả bằng hệ phương trình
như sau:

ms xs  k s ( xs  xus )  bs ( x s  x us )  Fe (t )

mus xus  k s ( xs  xus )  bs ( x s  x us )  k t ( xw  x g )  bt ( x us  x g )  Fe (t )

(1.4)

Khi Fe(t) = 0, bs là hằng số thì hệ thống giảm chấn là hệ thống giảm chấn thụ động, khi
Fe(t) = 0, bs = bs(t) thì hệ thống giảm chấn là hệ thống giảm chấn bán tích cực và khi
Fe(t) ≠ 0 thì hệ thống giảm chấn là hệ thống giảm chấn tích cực hoàn toàn
Hệ thống giảm chấn tích cực được phân loại theo thiết bị truyền động bao gồm:
tần số hệ truyền động, loại năng lượng thiết bị truyền động sử dụng và phạm vi điều
khiển. Theo đó, hệ thống giảm chấn tích cực được chia thành:
1. Hệ thống điều khiển tự động theo mức: Hệ thống được thiết lập để giữ
khoảng cách giữa khung và đường với khoảng cách cố định tuỳ theo trọng tải của
xe. Hệ thống này sử dụng đệm không khí và máy nén khí. Do vậy, tạo ra sự mềm
mại và thoải mái theo các thiết lập phụ thuộc vào tải trọng của xe. Nhu cầu năng
lượng của loại này khoảng 100 – 200W.
2. Hệ thống giảm chấn thích nghi: Hệ thống này có thể thay đổi chậm các đặc
tính của lò xo và cơ cấu cản dịu theo vận tốc của xe để hạ trọng tâm của xe, đảm
bảo bám đường hơn. Nhu cầu năng lượng phụ thuộc chủ yếu vào năng lượng cần
thiết cho việc thay đổi độ cứng của lò xo.
3. Hệ thống giảm chấn bán tích cực: Hệ thống này có khả năng điều chỉnh
nhanh chóng hệ số cản dịu hoặc độ cứng của lò xo. Một thuộc tính của hệ thống
này là các lực sinh ra bởi hệ thống điều khiển phụ thuộc vào hướng của các
19
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




chuyển động thành phần. Mức tiêu hao năng lượng thấp khoảng 20 – 40W. Tần
số hoạt động của hệ có thể đạt đến 40Hz.
Hệ thống bán tích cực có thể điều chỉnh các thông số của hệ giảm chấn:
Fe (t )  k s ( x s (t )  xus (t )) ;

Fe (t )( x s (t )  xus (t ))  0, t

(1.5)

Tiêu chí quan trọng để đạt thiết kế bộ giảm chấn bán tích cực là sự thay đổi hệ số
cản dịu trong khoảng bs min ≤ bs ≤ bs max bằng các van điều tiết (sử dụng các van
điện và dầu). Do tiêu thụ năng lượng thấp (chỉ dùng cho các van điện từ) nên hệ
giảm chấn này có ưu thế hơn so với các hệ giảm chấn thích nghi và hệ thống
giảm chấn điều khiển tự động theo mức.
4. Hệ thống giảm chấn tích cực chậm: Đây là một loại hệ thống giảm chấn
tích cực sử dụng cơ cấu chấp hành bổ sung (ví dụ động cơ điện tuyến tính hoặc xi
lanh thủy lực) được tích hợp vào hệ thống và có thể tạo ra lực độc lập không phụ
thuộc vào chuyển động tương đối của khung và bánh xe. Tần số hoặt động của hệ
thống này khoảng 5Hz. Hệ thống này thường được tích hợp trong cơ cấu cản dịu
và có xu hướng tăng thêm nếu tần số vượt quá giới hạn. Nhu cầu năng lượng của
hệ trong phạm vi 1 – 5kW.
5. Hệ thống giảm chấn hoàn toàn chủ động (hệ hoạt động với tần số cao):
Trong hệ này, cơ cấu cản dịu được thay thế hoặc bổ sung bằng một cơ cấu chấp
hành với tần số 20Hz hoặc cao hơn. Cơ cấu này được tích hợp song song với việc
điều chỉnh hệ số cản dịu. Hạn chế chính của hệ thống này là nhu cầu năng lượng
cao khoảng 4 -20kW. Tuy nhiên ưu điểm của hệ là có thể điều khiển linh hoạt về
chiều và lực giảm chấn, do đó có thể nâng cao độ thoải mái và độ an toàn khi đi
xe (theo 1.1.3)
Các hệ thống giảm chấn tích cực được phân loại như bảng 1.

20
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

Bảng 1: Phân loại hệ giảm chấn [1]

Loại

Vùng lực tác động

Mô hình

Tần số
hoạt
động

Nhu
cầu
năng
lượng

-

0W

<1Hz

Thấp

0-40Hz

Thấp

ms
Thụ
động

bs

ks

x1  xs  xus ;
x1

mus
bt

kt
ms
Hệ
thích
nghi

bs

ks

x1 , x1

mus
bt

kt
ms
Bán
tích
cực

bs

ks
mus

x1 , x1
bt

kt
ms
Tích
cực
chậm

bs

ks

0-5Hz

x1 , x1

mus

Trung
bình

bt

kt

ms
Hoàn
toàn
chủ
động

bs

Động cơ

ks

Fe

x1 , x1

0-30Hz

Cao

mus

kt

bt

21
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Tóm lại có thể thấy sự mâu thuẫn giữa chất lượng hệ thống giảm chấn và nhu cầu
năng lượng của cơ cấu chấp hành. Với hệ không cần thời gian đáp ứng nhanh, khối
lượng lớn thường áp dụng hệ giảm chấn điều khiển tự động theo mức. Ngược lại, hệ
cần chất lượng cao, thời gian dập tắt dao động nhanh thì hệ giảm chấn phải phản ứng
nhanh với lực từ mặt đường tác động lên xe, cơ cấu chấp hành có tần số hoạt động lớn
và nhu cầu về năng lượng cũng cao. Do đó, với một hệ giảm chấn cần phải biết trước
yêu cầu về chất lượng và nhu cầu về năng lượng của hệ để thiết kế hệ thống giảm chấn
cho phù hợp.
1.3 Đặc trưng của tín hiệu dao động từ mặt đứng xg
Chiếc xe chịu rung động từ nhiều nguồn khác nhau. Bản thân xe tạo ra rung động
một cách thường xuyên (ví dụ các động cơ hoạt động hoặc các khối không cân bằng)
và độ nhấp nhô của mặt đường tạo ra rung động ngẫu nhiên thêm vào. Cường độ rung
động ngẫu nhiên này tạo nên phụ thuộc vào chất lượng đường và vận tốc xe. Vì vậy,
khi thiết kế bất kỳ hệ giảm chấn nào cũng phải xét đến các đặc tính của tín hiệu kích
thích xg này. Khảo sát đặc trưng của hệ giảm chấn với hai loại kích thích xg dạng xung
vuông và tín hiệu ngẫu nhiên. Ta có thể thấy phổ tần số tương ứng của nó như hình
1.7.

Hz

Hz

Hình 1. 7 Tín hiệu kích thích từ đương và phân tích phổ tần của nó [1]

22
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Khảo sát hai trạng thái biểu thị cường độ dao động của xg [m] ở hình 1.7 (a) và
1.7 (c) có trục hoành yd biểu thị chiều dài của đường. Từ kết quả thu được ở hình 1.7
(b) và 1.7 (d) ta thấy phổ tần của tín hiệu kích thích chủ yếu tập chung ở tần thấp.
Xét với hệ giảm chấn trong mô hình 1/4, khi ta cho kích thích với tín hiệu xg(t)

xs(t) - xus(t) [m]

xus(t) [m]

xs(t) [m]

xg(t) [m]

dạng xung vuông và ngẫu nhiên, ta có kết quả như sau:

Thời gian (s)

Hình 1. 8 Đáp ứng của hệ giảm chấn khi tác động kích thích dạng xung vuông

23
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

xg(t) [m]
xs(t) [m]
xus(t) [m]
xs(t) - xus(t) [m]

Thời gian (s)

Hình 1. 9 Đáp ứng của hệ khi tác động kích thích ngẫu nhiên

Dựa vào kết quả thu được ta thấy với kích thích nhỏ hệ cũng có thể dao động, vị
trí của khối thân trên và khối treo bị dịch chuyển. Điều này gây ảnh hưởng xấu đến
chất lượng (cảm giác thoải mái) khi đi xe. Do vậy, cần tác động ngoại lực vào hệ để
giảm thời gian dao động cũng như nhanh chóng đưa hệ trở về trạng thái đầu.

24
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN