Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết điều khiển tự động trong việc tối ưu hóa thiết kế hệ thống giảm xóc thụ động của xe khách

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ
BỘ MÔN CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY VÀ ROBOT

LUẬN VĂN

TỐT NGHIỆP CAO HỌC
CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

Đề tài
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
TRONG VIỆC TỐI ƢU HÓA THIẾT KẾ HỆ GIẢM XÓC THỤ ĐỘNG CỦA
XE KHÁCH

Học viên thực hiện
Nguyễn Xuân An – CB 130485

Giáo viên hƣớng dẫn
TS. NGUYỄN CHÍ HƢNG

HÀ NỘI, 4/2016


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ
BỘ MÔN CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY VÀ ROBOT

NGUYỄN XUÂN AN

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ
ĐỘNG TRONG VIỆC TỐI ƢU HÓA THIẾT KẾ HỆ GIẢM XÓC THỤ
ĐỘNG CỦA XE KHÁCH

GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN:
TS. NGUYỄN CHÍ HƢNG

HÀ NỘI, 3/2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CỘNG HOÀ XÀ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐHBK HÀ NỘI

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ
Họ và tên ........................................................... Khóa: .......Ngành: ........................
............................................................ Khóa: ......Ngành: ........................
............................................................ Khóa: ......Ngành: ........................
Tên đề tài: ................................................................................................................
...................................................................................................................................
Các số liệu ban đầu: .................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
Nội dung các phần thuyết minh và bản vẽ:
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................

...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
Hƣớng dẫn thực hiện:
Phần

Họ tên người hướng dẫn

...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: ................ Ngày hoàn thành nhiệm vụ: ..................

TRƢỞNG BỘ MÔN
(ký, ghi rõ họ tên)

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
(ký, ghi rõ họ tên)

HỌC VIÊN THỰC HIỆN
(ký, ghi rõ họ tên)


NHẬN XÉT CỦA NGƢỜI HƢỚNG DẪN
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................

...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
Điểm đánh giá (cho từng Học viên):

Ngày

tháng

năm

201...

Ngƣời hƣớng dẫn (ký tên)


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BẢN NHẬN XÉT CỦA NGƢỜI PHẢN BIỆN
Tên đề tài: ................................................................................................................
................................................................................................................
Họ và tên ngƣời phản biện .......................................................................................
1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
2. Nhận xét của ngƣời duyệt:
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................

...................................................................................................................................
Điểm đánh giá (cho từng sinh viên):

Ngày

tháng

năm

Ngƣời duyệt (ký tên)


MỤC LỤC

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT ............................................. A-III
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................ B-V
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................... C-VI
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................... 7
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI..................................................8
PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................... 8
1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................ 8
2. Lịch sử nghiên cứu ...................................................................................10
3. Mục tiêu ...................................................................................................12
4. Phạm vi công việc cho dự án này là: ....................................................... 12
5. Tóm tắt .....................................................................................................12
PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.................................................................15
CHƢƠNG 1. LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG .......................... 15
1.1 Lý thuyết chung .....................................................................................15
1.2 Quá trình thiết lập một hệ thống điều khiển ..........................................19
1.3 Tuyến tính hóa ....................................................................................... 21

CHƢƠNG 2. LÝ THUYẾT GIẢM XÓC THỤ ĐỘNG .......................... 22
2.1 Hệ giảm xóc thụ động ............................................................................22
2.2 Hệ thống giảm xóc bị động, bán chủ động và chủ động ........................ 22
2.3 Hệ giảm xóc điều chỉnh đƣợc ................................................................ 24
2.4 Hệ giảm xóc bán chủ động .....................................................................25
2.5 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của bộ giảm xóc thụ động ....................26
CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ GIẢM XÓC THỤ ĐỘNG
TRÊN XE BUS TẠI VIỆT NAM ......................................................................29
3.1 Đặt vấn đề .............................................................................................. 29
3.2 Giải quyết vấn đề: ..................................................................................31
PHẦN II: ÁP DỤNG LÝ THUYẾT VÀO BÀI TOÁN ........................... 40

NGUYỄN XUÂN AN


CHƢƠNG 4. THIẾT KẾ HỆ GIẢM XÓC THỤ ĐỘNG TRÊN XE
KHÁCH
4.1 Thông số ban đầu ...................................................................................40
4.2 Thiết kế hệ giảm xóc thụ động bằng lý thuyết điểm cố định – Fixed
Point Theory .........................................................................................................40
4.3 Thiết kế hệ giảm xóc thụ động bằng lý thuyết điều khiển .....................43
4.4 Minh họa và so sánh...............................................................................43
4.5 Lý thuyết điều khiển H∞ và bài toán điều khiển dựa vào BMI .............46
CHƢƠNG TRÌNH MATLAB ...................................................................50
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................59

NGUYỄN XUÂN AN


A.

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT

Ký hiệu

Ý nghĩa

GTVT:

Giao thông vận tải

TNGT:

Tai nạn giao thông

HTTĐ:

Hệ thống tự động –

ĐKTĐ:

Điều khiển tự động

BTQHTT:

Bài toán quy hoạch tuyến tính

LMI:

Hệ thống liên tục thời gian

BMI:

Ma trận tuyến tính phi đối xứng

Mp:

Khối lƣợng ghế hành khách (kg)

M:

Khối lƣợng lò xo (kg)

M1 & M3:

Khối lƣợng phía trƣớc bên trái và bên phải không có nhíp tƣơng

ứng (kg)
M2 & M4:

Khối lƣợng phía sau bên trái và bên phải không có nhíp tƣơng ứng

(kg)
Kp:

Độ cứng ghế hành khách N/m)

K1 & K3:

Độ cứng phía trƣớc bên trái và bên phải lò xo tƣơng ứng (N/m)

K2 & K4:

Độ cứng phía sau bên trái và bên phải lò xo tƣơng ứng (N/m)

Kt:

Độ cứng lốp xe (N/m)

Cp:

Hệ số cản của ghế hành khách (Ns/m)

C1 & C3:

Hệ số cản phía trƣớc mặt trái và phải hệ thống giảm xóc tƣơng ứng

(Ns/m)
C2 & C4:

Hệ số cản phía sau mặt trái và phải hệ thống giảm xóc tƣơng ứng

(Ns/m)
F1 & F3:

Lực truyền động phía trƣớc bên trái và bên phải tƣơng ứng (N)

F2 & F4:

Lực truyền động phía sau bên trái và bên phải tƣơng ứng (N)

a & b:

Vị trí C.G từ phía trục trƣớc và sau tƣơng ứng (m)

2W:

2 bánh xe (m)

Xp & Yp:

Hoành độ và tung độ (m)

Ix:

Mô men xoắn trục x (kg-m2)

Iy:

Mô men xoắn trục y (kg-m2)

NGUYỄN XUÂN AN


Q1 & Q3:

Đƣờng vào ở phía trƣớc bên trái và bên phải tƣơng ứng.

Q2 & Q4:

Đƣờng vào ở phía sau bên trái và bên phải tƣơng ứng.

NGUYỄN XUÂN AN


B.

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển tự động .......................................15
Hình 1.2: Sơ đồ nguyên tắc điều khiển theo sai lệch............................................16
Hình 1.3: Sơ đồ nguyên tắc điều khiển bù nhiễu ..................................................16
Hình 1.4: Sơ đồ nguyên tắc điều khiển hỗn hợp...................................................17
Hình 1.5: Mô hình toán học của Hệ thống điều khiển ..........................................20
Hình 1.6: Sơ đồ khối biểu diễn hệ thống điều khiển trong không gian trạng thái 21
Hình 2..1. Sự dàn xếp giảm xóc cho bộ giảm xóc thụ động .................................22
Hình 2.2. Bộ giảm xóc thụ động (passive suspension) và chủ động (active
suspension)............................................................................................................23
Hình 2.3. So sánh hệ giảm xóc thụ động và chủ động .........................................24
Hình 2.4. Hệ giảm xóc điều chỉnh đƣợc ............................................................... 25
Hình 2.5. Hệ giảm xóc thụ động và hệ giảm xóc bán chủ động ........................... 25
Hình 2.6. Mô hình bộ giảm xóc bán chủ động kiểu Skyhook .............................. 26
Hình 2.7. Thiết kế của một bộ giảm xóc thụ động: ..............................................27
Hình 2.8. Cấu tạo của phần tử cản trong thực tế ..................................................28
Hình 3.1: Sơ đồ khối giải BTQHTT .....................................................................31
Hình 3.2. Mô hình cơ học của hệ giảm xóc thụ động trong xe buýt ....................32
Hình 3.3. Sơ đồ của hệ điều khiển phản hồi tƣơng đƣơng ...................................39
Hình 4.1. Mô hình hệ giảm xóc hai bậc tự do ...................................................... 41
Hình 4.2. Ba điểm cố định trên đƣờng phản hồi tần số ........................................42
Hình 4.3. Độ lợi điều khiển của phản hồi tần số x3(s)/u1(s) ................................ 44

Hình 4.4. Độ lợi điều khiển của phản hồi tần số x3(s)/u2(s) ................................ 44
Hình 4.5. Độ lợi điều khiển của phản hồi tần số x4(s)/u1(s) ................................ 45
Hình 4.6. Độ lợi điều khiển của phản hồi tần số x4(s)/u2(s) ................................ 45
Hình 4.7. Lƣu đồ tổng quát ...................................................................................46
Hình 4.8. Đồ thị so sánh biên độ theo tần số ........................................................ 55
Hình 4.9. Đáp ứng tần số, pha toàn miền ............................................................ 56

NGUYỄN XUÂN AN


C.

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 4.1. Thông số cho trƣớc của mô hình tỷ lệ của xe buýt .............................. 40
Bảng 4.2. Giá trị khởi tạo cho giải thuật tùy chọn ...............................................40
Bảng 4.3. Thông số thiết kế cuối cùng .................................................................40
Bảng 4.4. Thông số cho trƣớc của mô hình tỷ lệ của xe ......................................43
Bảng 4.5. Kết quả thiết kế bằng phƣơng pháp 3 điểm cố định ............................ 43
Bảng 4.6. Thông số cho trƣớc của mô hình tỷ lệ của xe buýt .............................. 49
Bảng 4.7. Giá trị khởi tạo cho giải thuật tùy chọn ...............................................49
Bảng 4.8. Thông số thiết kế cuối cùng .................................................................49

NGUYỄN XUÂN AN


D.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan luận văn khoa học này là công trình khoa học của cá nhân tôi
thực hiện, nội dung chƣa từng có luận văn nào trƣớc đó đề cập. Nếu có gì sai tôi
hoàn toàn chịu trách nhiệm!

Nguyễn Xuân An - CB130485

7


E.

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
F.

PHẦN MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Chúng ta đang sống trong một thời đại phát triển vũ bão của khoa học kỹ
thuật trong đó phải kể đến sự đóng góp to lớn của ngành cơ điện tử với những ứng
dụng từ dân dụng đến các ngành nghề mũi nhọn. Cơ điện tử có thể hiểu là sự kết
hợp phức hợp của các ngành cơ khí, điện tử, và tin học. Bản chất của cơ điện tử là
sự ―liên kết cộng năng của nhiều lĩnh vực để tạo ra những sản phẩm mới có những
tính năng vƣợt trội‖. Sự liên kết cộng năng này mang lại nhiều cơ hội và không ít
thách thức cho sự phát triển của chính cơ điện tử và các ngành nghề khác nhƣ giao
thông vận tải.
Phƣơng tiện giao thông đảm trách việc vận chuyển, đi lại của con ngƣời, đối
với Việt Nam giao thông đi lại phổ biến là xe khách trong các thành phố, tỉnh với
nhau. Theo báo cáo chỉnh Chiến lƣợc phát triển GTVT Việt Nam đến năm 2020 và
tầm nhìn đến năm 2030: Khối lƣợng vận tải hành khách đã tăng từ 677,3 triệu lƣợt
hành khách năm 2001 lên 2011,1 triệu hành khách năm 2010, tốc độ tăng trƣởng

bình quân đạt 12,9%/năm và lƣợng luân chuyển hành khách tăng từ 23.394,9 triệu
lƣợt HK.km năm 2001 lên 69.197,4 triệu lƣợt HK.km năm 2010, tốc độ tăng trƣởng
bình quân là 12,8%/năm. Số lƣợng ô tô trên cả nƣớc đến 31/12/2011 là 1.428.002
xe đến 31/03/2012 là 1.448978 chiếc, dự báo theo báo cáo này đến năm 2020, định
hƣớng phát triển phƣơng tiện vận tải gồm ô tô các loại có khoảng 3,2 - 3,5 triệu xe,
trong đó xe con 57%, xe khách 14% và xe tải 29%. Xu hƣớng ‖đƣờng bộ hóa‖ ngày
càng rõ nét. Tỷ lệ đảm nhận của các phƣơng thức vận tải đối với hành khách bằng
đƣờng bộ là 91,4%, đƣờng sắt 0,5%, đƣờng thủy nội địa 7,2%, hàng không 1%.
Với số liệu trên chúng ta thấy phƣơng tiện vận tải tăng nhanh về số lƣợng
trong khi đƣờng sá chƣa đƣợc xây mới, duy tu, bảo dƣỡng tƣơng ứng dẫn đến tình
trạng quá tải, xuống cấp và hỏng hóc của phƣơng tiện, gia tăng TNGT gây mất mát
về ngƣời, thất thoát tài sản. Trong khi Việt Nam là quốc gia đang phát triển, việc
8


ứng dụng cơ điện tử vào tăng tuổi thọ phƣơng tiện giao thông phù hợp với khả năng
kinh tế và điều kiện phát triển thực tế.
Trong hoạt động của xe, hệ thống giảm xóc có một vai trò quan trọng: giảm
chấn động, nâng cao độ êm dịu, tăng độ an toàn của xe, giảm thiểu dao động dọc và
ngang. Trong các loại giảm xóc, hệ thống giảm xóc thụ động hiện nay vẫn đƣợc sử
dụng trong hầu hết các loại phƣơng tiện giao thông công cộng tuy khả năng đáp ứng
của hệ thống có lúc không tốt do địa hình, bởi chúng có chi phí đầu tƣ rẻ tiền nhất
và khả năng làm việc đáng tin cậy nhất. Mặc dù trên thị trƣờng đã có các chủng loại
khác nhƣ giảm xóc bán chủ động (semi-active suspension system) hoặc giảm xóc
chủ động (active suspension system) có khả năng đáp ứng yêu cầu làm việc tốt,
nhƣng chúng vẫn không thể thay thế hoàn toàn đƣợc hệ thống giảm xóc thụ động
(passive suspension system) trong các ứng dụng của phƣơng tiện giao thông công
cộng với yêu cầu chất lƣợng đáp ứng vừa phải.
Hệ thống giảm xóc bị động, chủ động và bán chủ động nằm trong hệ thống
treo ô tô nhằm giảm biên độ dao động thẳng đứng của thân xe. Hệ thống giảm xóc

bị động đƣợc thiết kế phụ thuộc vào từng chủng loại mặt đƣờng và các yêu cầu thiết
kế cụ thể, nó giới hạn chủng loại đƣờng mà các phƣơng tiện giao thông có thể tham
gia bởi hệ thống này có các thông số về độ cứng cũng nhƣ cản nhớt cố định, tuy
nhiên hệ thống này có một ƣu điểm rất lớn đó là nhỏ gọn, chi phí thấp, cũng vì thế
nó đƣợc sử dụng trên thực tế. Trong khi hệ thống treo khác nhƣ chủ động hay bán
chủ động thì có thể đáp ứng phù hợp cho mọi địa hình và mọi kiểu đƣờng xá, nhƣng
giá thành sản xuất của hệ thống này rất cao, yêu cầu một hệ thống điều khiển đáp
ứng hiện đại. Cũng vì thế mà chỉ sử dụng cho một vài mục đích cho xe cao cấp.
Ngoài ra hệ thống này còn cần một nguồn năng lƣợng để cung cấp cho hệ thống
treo, điều đó cũng không tốt cho những hình thức vận tải thông dụng hiện nay.
Trong việc thiết kế và chế tạo hệ thống giảm xóc thụ động cho xe chở khách
hiện tại ở Việt Nam hầu nhƣ vẫn chƣa đƣợc chú trọng một cách hệ thống. Việc thiết
kế, chế tạo chỉ dựa theo kinh nghiệm đơn lẻ hoặc chúng ta nhập ngoại toàn bộ hệ
thống này theo các mẫu chủng loại cố định. Trong gia công chế tạo chúng ta lại

9


thiết kế và chế tạo riêng khung sƣờn xe buýt nên việc đáp ứng của hệ thống giảm
xóc nhập ngoại còn nhiều hạn chế.
Chúng ta nhận thấy trong các phƣơng pháp chế tạo hệ giảm xóc thụ động
tiến hành từ trƣớc đến nay theo nguyên tắc 3 điểm thì phƣơng pháp sử dụng H∞ có
ƣu điểm giảm biên độ rõ rệt ở điểm cực đại.
Tuy nhiên phƣơng pháp này cũng còn có mặt tồn tại trong thực tế đó là tính
kích ứng chƣa rõ rệt, hiệu quả làm việc còn chƣa cao.
Xuất phát từ điều kiện thực tế Việt Nam, tác giả chọn đề tài này phù hợp với
tình hình thực tế, khả năng của bản thân để từng bƣớc thiết kế chế tạo giảm xóc thụ
động cho xe khách.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Chí Hƣng và các cộng sự trong Bộ
môn Máy và Rô-bôt công nghiệp- Đại học Bách Khoa Hà Nội cũng nhƣ bạn bè

đồng nghiệp Trƣờng Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội đã nhiệt tình chỉ bảo, giúp
đỡ tôi hoàn thành đề tài này, việc hoàn thành trong một thời gian ngắn trong khi nội
dung rộng không tránh khỏi sơ sót, mong các thầy cô bạn bè chỉ bảo để hoàn thiện
hơn.
2. Lịch sử nghiên cứu
Những công nghệ này cho phép các nhà sản xuất xe hơi để đạt đƣợc một
mức độ cao hơn về chất lƣợng xe bằng cách giữ cho lốp xe vuông góc với đƣờng
trong mọi tình huống, cho phép kiểm soát tình huống tốt hơn. Một máy tính đặt trên
xe theo dõi chuyển động cơ thể từ các cảm biến trên mọi chỗ trên phƣơng tiện và sử
dụng dữ liệu tính bằng kỹ thuật điều khiển phù hợp, kiểm soát hoạt động của hệ
thống giảm xóc chủ động và bán chủ động. Hệ thống này hầu nhƣ loại bỏ cảm giác
của cơ thể và can thiệp trong nhiều tình huống lái xe khác bao gồm cua, tăng tốc và
phanh.
Hiện nay phƣơng pháp mô phỏng số đang đƣợc sử dụng rộng rãi để nghiên
cứu các cơ hệ đặc biệt là hệ dao động của ô tô. Cùng với sự phát triển của máy tính,
quá trình mô phỏng đó thể hiện đƣợc tính ƣu việt của nó, đặc biệt là có thể mô tả
đƣợc cả các hệ phi tuyến cũng nhƣ các quá trình vật lý phức tạp.
10


Trong thời gian vừa qua có nhiều tác giả trong và ngoài nƣớc đó đề cập đến
vấn đề nghiên cứu dao động của ô tô, tuy nhiên do tính phức tạp của vấn đề này,
phần lớn tác giả đó phải sử dụng giả thiết đơn giản hoá để chuyển hệ dao động thực
tế về hệ dao động tuyến tính hoặc phi tuyến yếu.
Trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng đó có rất nhiều phần mềm
tính toán với khả năng ứng dụng cao. Thực tế đó cho thấy Matlab -Simulink là một
trong những phần mềm có khả năng ứng dụng rất cao trong việc giải các bài toán kỹ
thuật bằng các tính năng chuyên biệt nhƣ: lập trình, xử lý số và đồ hoạ để mô
phỏng, phân tích một hệ thống động...
Việc mô hình hóa đang, mô phỏng, đánh giá, thử nghiệm đang là hƣớng đi

mới trong việc thiết kế, chế tạo dựa vào thực nghiệm và điều chỉnh vì đỡ đƣợc thời
gian nghiên cứu, thiết kế và công sức.

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu.
Để có thể giảm các dao động không mong muốn lên khung xe và truyền trực
tiếp đến hành khách thì hầu hết các phƣơng tiện đƣợc thiết kế và trang bị bộ giảm
xóc. Bộ giảm xóc có nhiều kiểu khác nhau. Nếu phân loại theo nguyên lý làm việc
thì chúng bao gồm bộ giảm xóc thụ động, bán chủ động và chủ động.
Bộ giảm xóc thụ động thƣờng sử dụng các lò xo và phần tử cản dạng thủy
lực hoặc dầu. Do đó năng lƣợng sốc gây ra dao động không mong muốn chỉ đƣợc
tích lũy trong các lò xo và tiêu tán thông qua phần tử cản. Độ cứng của lò xo và độ
cản của phần tử cản thƣờng đƣợc xác định ngay trong giai đoạn thiết kế và không
thể thay đổi trong quá trính sử dụng.
Với bộ giảm xóc chủ động thì phần tử cản đƣợc thay thế bởi một bộ phát
động lực nhằm triệt tiêu dao động. Trong trƣờng hợp này bộ giảm xóc hoạt động
nhƣ một hệ dao động cƣỡng bức với ngoại lực đƣợc xác định phụ thuộc vào tƣơng
tác giữa bánh xe và mặt đƣờng. Việc này chỉ có thể thực hiện đƣợc với việc xây

11


dựng chính xác mô hình cơ học của phƣơng tiện cũng nhƣ việc áp dụng các thuật
toán điều khiển tiên tiến.
Một hệ thống treo thụ động có khả năng lƣu trữ năng lƣợng thông qua lò xo
và phân tán nó thông qua một van tiết lƣu. Các thông số của nó thƣờng đƣợc cố
định, đƣợc lựa chọn để đạt đƣợc một mức độ nhất định của sự thỏa hiệp giữa việc
xử lý đƣờng, mang tải và đi xe thoải mái.
3. Mục tiêu
Mục tiêu của dự án này là:
- Xây dựng các mô hình hệ thống giảm xóc thụ động.

- Để thiết lập mô hình toán học thiết kế giảm xóc thụ động
- Mô phỏng trên MATLAB/Simulink
4. Phạm vi công việc cho dự án này là:
- Thiết lập các phƣơng trình toán học cho hệ giảm xóc thụ động cho mô hình
xe khách cho mục đích nghiên cứu.
- Thực hiện LQR (tối ƣu hóa)
- Nghiên cứu mô phỏng máy tính bằng cách sử dụng MATLAB / Simulink

5. Tóm tắt
Theo truyền thống, thiết kế hệ thống treo ô tô đã đƣợc thỏa mãn giữa ba tiêu
chí mâu thuẫn cụ thể là xử lý đƣờng, tải và sự an toàn của hành khách. Hệ thống
treo phải hỗ trợ phƣơng tiện, cung cấp hƣớng kiểm soát sử dụng thao tác xử lý và
cung cấp cách ly hiệu quả của hành khách và tải trọng khi vận hành, xe tốt đòi hỏi
một hệ thống treo mềm mại, triệt tiêu dao động. xử lý tốt đòi hỏi một thiết kế hoàn
hảo của hệ thống treo. Do những yêu cầu mâu thuẫn nhau, thiết kế hệ thống treo
phải tối ƣu của hai vấn đề này.
Một hệ thống treo có giảm xóc thụ động có khả năng lƣu trữ năng lƣợng
thông qua một lò xo và tiêu tán nó thông qua hệ thống van tiết lƣu. Các thông số
của nó thƣờng đƣợc cố định, đƣợc lựa chọn để đạt đƣợc một mức độ nhất định tối
ƣu giữa việc xử lý đƣờng, tải trọng và an toàn.

12


Một hệ thống giảm xóc chủ động có khả năng lƣu trữ, tiêu tan và điều tiết
năng lƣợng cho hệ thống. Có thể thay đổi các thông số của nó phụ thuộc vào mạch
điều khiển tự động .Hệ thống treo bao gồm các hệ thống lò xo, giảm xóc và các kết
nối bánh vào thân xe. Trong ý nghĩa khác, hệ thống treo là một cơ chế vật lý tách
thân xe từ bánh xe. Chức năng của hệ thống treo xe là để giảm thiểu khả năng tăng
tốc tải trọng thẳng đứng truyền trực tiếp cho hành khách, cung cấp sự thoải mái khi

đi đƣờng. Có ba loại hệ thống treo: thụ động, bán chủ động và hệ thống treo chủ
động. Hệ thống treo truyền thống bao gồm lò xo và bộ giảm chấn đƣợc gọi là giảm
xóc thụ động, nếu hệ thống treo đƣợc điều khiển bên ngoài đƣợc biết đến nhƣ một
hệ thống treo bán chủ động hoặc chủ động.
Với vấn đề nêu trên, trong đề tài này tác giả thực hiện việc tính toán và thiết
kế bộ giảm xóc thụ động với định hƣớng ứng dụng cho xe buýt đƣợc thiết kế và chế
tạo tại Việt Nam. Trên cơ sở phân tích các phƣơng pháp thiết kế hiện tại, tác giả đề
xuất phƣơng pháp thiết kế đơn giản và hiệu quả. Dựa vào lý thuyết về hệ dao động
và lý thuyết điều khiển tối ƣu H-infinity, phƣơng pháp thiết kế này cho phép giảm
thời gian tính toán và đƣa ra đƣợc bộ thông số tối ƣu cho bộ giảm xóc. Kết quả đạt
đƣợc có thể ứng dụng nhằm phát triển và nâng cao chất lƣợng xe buýt đƣợc sản
xuất tại Việt Nam. Kết quả của đề tài đƣợc thƣc hiện với các nội dung chính nhƣ
sau:
- Xây dựng mô hình cho bài toán thiết kế phù hợp với điều kiện giao thông
Việt Nam;
- Xây dựng phƣơng trình chuyển động và đƣa ra phƣơng hƣớng giải phƣơng
trình đó;
- Xây dựng thuật toán nhằm sử dụng lý thuyết điều khiển để tối ƣu hóa các
thông số của bộ giảm xóc thụ động;
- Sử dụng lý thuyết điều khiển để tối ƣu các thông số trong hệ thống điều
khiển;
- Mô phỏng, đánh giá hiệu quả và khả năng ứng dụng của đề tài.
Phƣơng pháp nghiên cứu

13


a) Nhận biết đƣợc hoạt động giảm xóc thụ động của thành phần hệ thống treo
- Nghiên cứu Tài liệu về hệ thống treo chủ động và thụ động
- Xác định các loại thành phần hệ thống treo thụ động.

- Nghiên cứu tổng thể về kiểm soát tín hiệu
b) Mô hình hóa hệ thống giảm xóc và thiết lập mô hình toán học giảm xóc thụ động
- Bằng cách sử dụng định luật vật lý từ các thành phần hệ thống treo xây
dựng mô hình phƣơng trình không gian của xe.
- Sử dụng các phƣơng trình ma trận cho trƣớc xây dựng phƣơng trình không
gian trạng thái.
c) Thực hiện điều khiển LQR vào hệ thống.
- Rà soát tài liệu về kỹ thuật điều khiển.
- Sử dụng LQR để so sánh hiệu suất đầu ra so sánh với giảm xóc thụ động
d) Mô phỏng máy tính
- Biến đổi các phƣơng trình không gian thành sơ đồ SIMULINK.
- Mô phỏng điều khiển bằng sử dụng MATLAB / Simulink.
e) Phân tích kết quả
- Quan sát các kết quả sơ bộ.
- Nhận xét, đánh giá từ kết quả đó

14


G.

PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chƣơng 1. LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
1.1 Lý thuyết chung

Điều khiển là tập hợp tất cả các tác động có mục đích nhằm điều khiển một
quá trình này hay quá trình kia theo một quy luật hay một chƣơng trình cho trƣớc.
Điều khiển học là một bộ môn khoa học nghiên cứu nguyên tắc xây dựng các hệ
điều khiển.

Quá trình điều khiển hoặc điều chỉnh đƣợc thực hiện mà không có sự tham
gia trực tiếp của con ngƣời, thì chúng ta gọi đó là quá trình điều khiển và điều chỉnh
tự động.
Tập hợp tất cả các thiết bị mà nhờ đó quá trình điều khiển đƣợc thực hiện gọi
là hệ thống điều khiển .
Tập hợp tất cả các thiết bị kỹ thuật, đảm bảo ĐK hoặc ĐC tự động một quá
trình nào đó đƣợc gọi là hệ thống ĐK hoặc ĐC tự động (đôi khi gọi tắt là hệ thống
tự động – HTTĐ).
Các phần tử cơ bản của hệ thống điều khiển tự động
Đối tƣợng điều khiển (Object), Thiết bị điều khiển (Controller), Thiết bị đo
lƣờng (Measuring device).
- Sơ đồ tổng quát
C

Hình 1.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển tự động
Mọi hệ thống điều khiển tự động đều bao gồm 3 bộ phận cơ bản:
Thiết bị điều khiển C (Controller device).
Đối tƣợng điều khiển (Object device).
Thiết bị đo lƣờng (Measuring device).
15


u(t) tín hiệu vào; e(t) Sại lệch điều khiển; x(t) Tín hiệu điều khiển; y(t) Tín hiệu ra;
z(t) Tín hiệu phản hồi
Các nguyên tắc điều khiển cơ bản
Có 3 nguyên tắc điều khiển cơ bản:
- Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch (Hình 1.2).
C

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên tắc điều khiển theo sai lệch

Tín hiệu ra y(t) đƣợc đƣa vào so sánh với tín hiệu vào u(t) nhằm tạo nên tín hiệu tác
động lên đầu vào bộ điều khiển C nhằm tạo tín hiệu điều khiển đối tƣợng O.
- Nguyên tắc điều khiển theo phƣơng pháp bù nhiễu (Hình 1.3)

C

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên tắc điều khiển bù nhiễu
Nguyên tắc bù nhiễu là sử dụng thiết bị bù K để giảm ảnh hƣởng của nhiễu là
nguyên nhân trực tiếp gây ra hậu quả cho hệ thống (hình 1.3).
- Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch và bù nhiễu (Hình 1.4)

16


C

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên tắc điều khiển hỗn hợp
Nguyên tắc điều khiển hỗn hợp là phối hợp cả hai nguyên tắc trên, vừa có
hồi tiếp theo sai lệch vừa dùng các thiết bị để bù nhiễu.
Phân loại các hệ thống điều khiển tự động.
Phân loại theo nguyên lý xây dựng.
Các phần tử đƣợc phân chia thành các loại: hệ thống ĐK theo mạch hở, hệ
thống ĐK theo mạch kín và hệ thống ĐK hỗn hợp .
Ngoài những nguyên lý trên, từ những năm 60 của thế kỷ XX, trên cơ sở áp
dụng điều khiển học trong cơ thể sống vào kỹ thuật đã ra đời một loại hình hệ thống
tự động mô phỏng hoạt động của cơ thể sống: đó là các hệ tự chỉnh, thích nghi.
Nguyên lý tự chỉnh và thích nghi không đòi hỏi phải biết đầy đủ các đặc tính của
quá trình điều khiển và trong quá trình làm việc, các hệ thống này tự chỉnh và thích
nghi với các điều kiện bên ngoài thay đổi.
Lý thuyết các hệ ĐK tự chỉnh và thích nghi đã trở thành một nhánh phát triển

quan trọng của lý thuyết ĐKTĐ.
Vì hầu hết các hệ thống ĐKTĐ trong kỹ thuật là những hệ mạch kín và quá
trình điều khiển các thiết bị kỹ thuật chung quy lại là quá trình điều chỉnh các tham
số của nó, nếu dƣới đây chúng ta sẽ đề cập đến sự phân loại các hệ thống ĐKTĐ
mạch kín và lý thuyết về các hệ đó.
* Phân loại theo tính chất của lượng vào.
Tuỳ theo tính chất của tác động đầu vào, các hệ thống ĐKTĐ có 3 loại:

17


Hệ thống ổn định tự động (điều chỉnh theo hằng số) là hệ thống có lƣợng vào
không đổi. Nhiệm vụ của hệ thống là duy trì một hoặc một vài đại lƣợng vật lý ở giá
trị không đổi. Thí dụ nhƣ hệ thống ĐKTĐ tốc độ động cơ nhiệt, hệ thống ĐKTĐ
điện áp, tần số của máy phát, hệ ổn định đƣờng bay của máy bay khi góc lái không
thay đổi ...
Hệ thống điều chỉnh theo chƣơng trình là hệ thống có lƣợng vào là các hàm
đã biết trƣớc, có thể dƣới dạng chƣơng trình.Thí dụ hệ điều khiển đƣờng bay định
trƣớc của máy bay không ngƣời lái, hệ thống điều khiển các máy công cụ: bào, phay
với chƣơng trình định trƣớc trong bộ nhớ máy tính...
Hệ tự động bám, gọi tắt là hệ bám là hệ thống có lƣợng vào là các hàm thời
gian không biết trƣớc, có thể thay đổi theo quy luật bất kỳ. Nhiệm vụ của hệ là bảo
đảm lƣợng ra phải "bám" theo sự thay đổi của lƣợng vào. Thí dụ các hệ nhƣ là hệ
bám đồng bộ góc, các hệ bám vô tuyến điện tử của các đài radar...
* Phân loại theo dạng tín hiệu sử dụng trong hệ thống.
Theo dạng tín hiệu sử dụng trong hệ thống, chúng ta có các tác động liên tục
và các hệ thống gián đoạn (hay hệ rời rạc).
Hệ tác động liên tục (gọi tắt là hệ liên tục) là hệ mà tất cả các phẩn tử của hệ
có lƣợng ra là các hàm liên tục theo thời gian.
Tín hiệu dƣới dạng hàm liên tục có thể là tín hiệu một chiều (chƣa biến điệu)

hoặc tín hiệu xoay chiều (đã đƣợc biến điệu) tƣơng ứng chúng ta có hệ ĐKTĐ một
chiều (DC) và hệ thống ĐKTĐ xoay chiều (AC) (thí dụ hệ thống bám đồng bộ công
suất nhỏ dùng động cơ chấp hành 2 pha).
Hệ tác động gián đoạn (gọi tắt là hệ gián đoạn hay hệ rời rạc) là các hệ có
chứa ít nhất một phần tử gián đoạn, tức là phần tử có lƣợng vào là một hàm liên tục
và lƣợng ra là một hàm gián đoạn theo thời gian.
Tuỳ theo tính chất gián đoạn của lƣợng ra, các hệ gián đoạn có thể phân chia
thành các loại: hệ thống ĐKTĐ xung, hệ thống ĐKTĐ kiểu rơ le và hệ thống
ĐKTĐ số.

18


Nếu sự gián đoạn của tín hiệu ra xẩy ra qua những thời gian xác định (ta gọi
là gián đoạn theo thời gian) khi tín hiệu vào thay đổi, thì ta có hệ ĐKTĐ xung.
Nếu sự gián đoạn của tín hiệu xẩy ra khi tín hiệu vào qua những giá trị ngƣỡng xác
định nào đó (chúng ta gọi là gián đoạn theo mức), thì có thể ĐKTĐ kiểu rơle. Hệ
rơle thực chất là hệ phi tuyến, vì đặc tính tĩnh của nó là hàm phi tuyến. Đây là đối
tƣợng nghiên cứu của một phần quan trọng trong lý thuyêt ĐK .
Nếu phần tử gián đoạn có tín hiệu ra dƣới dạng mã số (gián đoạn cả theo
mức và cả theo thời gian), thì ta có hệ ĐKTĐ số. Hệ thống ĐKTĐ số là hệ chứa các
thiết bị số (các bộ biến đổi A/D, D/A, máy tính điện tử (PC), bộ vi xử lý.
* Phân loại theo dạng phương trình toán học mô tả hệ thống.
Về mặt toán học, các hệ thống ĐKTĐ đều có thể mô tả bằng các phƣơng
trình toán học: phƣơng trình tĩnh và phƣơng trình động. Dựa vào tính chất của các
phƣơng trình, chúng ta phân biệt hệ thống ĐKTĐ tuyến tính và hệ ĐKTĐ không
tuyến tính (phi tuyến).
Hệ thống ĐKTĐ tuyến tính là hệ thống đƣợc mô tả bằng phƣơng trình toán
học tuyến tính. Tính chất tuyến tính của các phần tử và của cả hệ thống ĐKTĐ chỉ
là tính chất lý tƣởng. Vì vậy, các phƣơng trình toán học của hệ thống là các phƣơng

trình đã đƣợc tuyến tính hoá, tức là thay các sự phụ thuộc gần đúng tuyến tính.
Hệ tuyến tính có phƣơng trình động học với các tham số không thay đổi thì
gọi là hệ ĐKTĐ tuyến tính có tham số không thay đổi, hay hệ ĐKTĐ tuyến tính
dừng, còn nếu hệ thống có phƣơng trình với tham số thay đổi thì gọi là hệ ĐKTĐ
tuyến tính có tham số biến thiên, hay hệ ĐKTĐ tuyến tính không dừng.
Hệ thống ĐKTĐ phi tuyến là hệ thống đƣợc mô tả bằng phƣơng trình toán học phi
tuyến. Hệ phi tuyến là hệ có chứa các phần tử phi tuyến điển hình, thí dụ đó là hệ có
chứa các phần tử rơle.
1.2 Quá trình thiết lập một hệ thống điều khiển

Bƣớc 1: Chuyển đổi các yêu cầu kỹ thuật thành một hệ thống vật lý.

19


Bƣớc 2: Vẽ sơ đồ khối chức năng. Chuyển đổi sự miêu tả đặc tính hệ thống thành
một sơ đồ khối chức năng. Đây là sự miêu tả về các phần chi tiết của hệ thống và
mối quan hệ giữa chúng.
Bƣớc 3: Thiết lập sơ đồ nguyên lí.
Bƣớc 4: Sử dụng sơ đồ nguyên lý thiết lập sơ đồ khối hoặc graph tín hiệu hoặc biểu
diễn không gian trạng thái.
Bƣớc 5: Rút gọn sơ đồ khối.
Bƣớc 6: Phân tích và thiết kế.
Mô hình toán học hệ điều khiển tự động
Mỗi hệ thống có thể chia làm nhiều phần sẽ thuận tiện hơn và mỗi phần sẽ đƣợc
biễu diễn bằng 1 hàm toán học gọi là hàm truyền đạt (transfer function)
Đầu vào

Đầu ra

Đầu ra

Đầu vào

Hình 1.5: Mô hình toán học của Hệ thống điều khiển

Để có thể mô phỏng đƣợc một hệ thống trên máy tính thì mô hình toán học
của đối tƣợng phải đƣợc biểu diến trên không gian trạng thái. Vì vậy khi ta đa mô
hình của đối tƣợng biểu diễn bằng hàm truyền đạt ta phải chuyển sang phƣơng trình
trạng thái.
Chọn các biến trạng thái, mỗi biến trạng thái đƣợc xác định bởi đạo hàm của
biến trạng thái trƣớc đó.
Sơ đồ khối
A(t) - Ma trận hệ thống.
B(t) - Ma trận điều khiển hay mạ trận đầu vào.
20