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

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔN G NGHI ỆP

NGUYỄN VĂN CƯỜNG

ÁP DỤNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU 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

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Văn Cường
Sinh ngày 29 tháng 08 năm 1983
Học viên lớp cao học khoá 14 CH.TĐH 01 - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp
Thái Nguyên.
Tôi xin cam đoan luận văn “Áp dụng điều khiển tối ưu LQG cho hệ
thống giảm chấn tích cực” 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 25 tháng 07 năm 2014

Học viên

Nguyễn Văn Cường

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

/>

3

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 “ Áp dụng điều
khiển tối ưu LQG cho hệ thống giảm chấn tích cực ” 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 Trường 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 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 25 tháng 07 năm 2014
Tác giả

Nguyễn Văn Cường

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

/>

4

LỜ I C A M Đ O A N
i

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

i

iiMỤC LỤC
iv D A N H M Ụ C C Á C C H Ữ V I Ế T T Ắ T
viLỜI NÓI ĐẦU
1
1. Tính cấp thiết của đề tài
1
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG GIẢM CHẤN TÍC
H 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 Ưu điểm và nhược 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 hướng điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực

13

1.1.1

Các ứng dụng

13

1.1.2

Các xu hướng điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực

14

1.5 Kết luận chương 1

14

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG GIẢM CH
ẤN TÍCHCỰC
15
2.1 Phương 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 chương 2

33

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU LQG CHO HỆ THỐN
G GIẢMCHẤN TÍCH CỰC
34
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

5

3.1

Đặt vấn đề

34

3.2

Thiết kế bộ điều khiển tối ưu 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 ưu LQG

36

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

/>

6

3.2.3
3.3

Mô phỏng hệ thống

38

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

Trường hợp nhiễu d(t) có dạng xung vuông

47

3.4.2

Trường 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

3.5

Kết luận chương 3

53
54

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG GIẢ
M 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 chương 4

61

KẾT LUẬN CHUNG LUẬN VĂN

62

TÀI LIỆU THAM KHẢO

64

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

/>

7

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 X s (s) / D(s)

24

Hình 2-11 Quan hệ giữa tần số và tỷ số X us (s) D(s) / D(s)

24

Hình 2-12 Quan hệ giữa tần số và tỷ số X s (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

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

của LBM 31

/>

vii

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
39
LQG
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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

51
/>

8

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 xus(t)

59

Hình 4-10 Dao động của khối thân trên xs(t)

59

Hình 4-11 Sai lệch xs(t) – xus(t)

60

Hình 4-12 So sánh giữa 2 trường hợp có giảm chấn tích cực và không giảm chấn
60

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

/>

9

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

LQG

Linear Quadratic Gaussian

Tuyến tính
Gaussian

LQR

Linear Quadratic Regulator

Bộ đ

PID

Proportional- Intergral- Derivative

LBM

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

–

-

Động cơ tuyến tính

/>

1

1. Tính cấp thiết của đề tài

LỜI NÓI ĐẦU

- Để chống dao động cho các phương 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 người 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 trước từ bên ngoài vào để duy trì
sự cân bằng. Trước đây người ta thường 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 người ta sử

dụng cơ cấu cản dịu để dập tắt các dao động này. Các hệ thống giảm chấn thụ động
có nhược 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 dưỡng (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, nhược
điểm nữa là lực cản dịu để dập tắt dao động không thể điều chỉnh được vì không thể
đưa thêm nguồn năng lượng bên ngoài vào để điều chỉnh chính lực cản dịu này
được, chính vì vậy nó được gọi là giảm chấn thụ động. Để khắc phục nhược điểm
đó người ta phát triển hệ thống giảm chấn thủy lực tích cực (Hydraulic Active
suspension systems), để thay đổi được lực cản dịu người ta sử dụng thêm máy bơm
dầu để điều chỉnh áp lực dầu trong xi lanh khi đó ta có thể thay đổi được lực cản
dịu. Tuy nhiên ngoài nhược 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 hưởng đến tính ổn định của hệ.
- Xu hướng 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 được
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


hệ thống giảm chấn tích cực điện từ đã khắc phục được các ưu nhược điểm của hệ
thống giảm chấn thủy lực và mang lại những ưu điểm như 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 cường 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 dưỡng
Có thể chế tạo cho các hệ thống có kích thước nhỏ
Nhược điểm: Việc tạo ra hệ thống điều khiển linh hoạt về chiều và cường 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 được 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,
cường 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
phương pháp điều khiển dập tắt dao động đã được áp dụng như phương pháp điều
khiển mờ, phương pháp điều khiển tuyến tính hóa v.v. Tuy nhiên, với phương pháp
điều khiển mờ có một khó khăn là việc lựa chọn tập mờ và luật hợp thành cần phải
thử nghiệm khá nhiều, phương pháp tuyến tính hóa chính xác đòi hòi thực hiện
phép biến đổi hệ trục tọa độ phi tuyến cho nên việc lập trình tương 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 phương 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 lượng yêu cầu sử dụng phương
pháp điều khiển tối ưu LQG, tác động điều khiển được thực hiện tính toán để đưa ra
lực cản dịu làm sao cho các dao động nhanh chóng đưa về giá trị 0, phương pháp
điều khiển tối ưu LQG có hàm mục tiêu là giảm thiểu sự thay đổi các biến trạng thái
trong hệ cũng như tác động đầu vào của hệ, nhằm nhanh chóng đưa hệ về trạng thái
cân bằng. Hệ thống giảm chấn tích cực được áp dụng rộng rãi trong thực tiễn, đặc
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

biệt là trên các phương tiện vận tải, cho các hệ thống bệ đỡ cho các thiết bị tránh
rung động như trên tàu thủy v.v. Sự thành công của phương 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 hướng ứng dụng vào thực
tế công nghiệp Việt Nam, đặc biệt là trong lĩnh vực nội địa hóa việc chế tạo sản
xuất phương tiện vận tải, với hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyến
tính ta có thể cài đặt vào các phương tiện vận tải hoàn toàn sử dụng năng lượng
điện, dẫn đến khả năng chúng ta có tận dụng khả năng tái tạo năng lượng điện, chế
tạo được các phương tiện tiết kiệm năng lượng, không ô nhiễm môi trường phù hợp
với chủ trương của chính phủ trong việc khuyến khích sử dụng năng lượng 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 được rất nhiều đặc tính ổn định của hệ thống,
mang lại chất lượng 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 thước 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 ưu LQG với mục
đích điều khiển lực cản dịu sao cho hệ thống ít dao động nhất và năng lượng sử
dụng cho dập tắt dao động là ít nhất. Để làm được điều này luận văn cũng thiết kế
các mạch vòng điều khiển bên trong như điều khiển lực và điều khiển dòng cho
động cơ tuyến tính sao cho tạo ra lực cản dịu giống như 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 ưu
LQG để điều khiển lực cản dịu saocho hệ thống ít dao động nhất và
năng lượng sử dụng cho dập tắt dao động là ít nhất

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 được trong luận văn
Xây dựng được mô hình tổng quát của hệ thống giảm chấn tích cực sử
dụng động cơ tuyến tính
Thiết kế được bộ điều khiển dập tắt dao động sử dụng bộ điều khiển tối
ưu 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 được mô hình hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động cơ
tuyến tính tại phòng thí nghiệm
Cài đặt được chương 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 ưu điểm của hệ thống
giảm chấn tích cực. Các ứng dụng của hệ thống giảm chấn, phân tích ưu
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

chương 1 của luận văn
b. Xây dựng mô hình của hệ thống giảm chấn tích cực, xác định các thông
số ảnh hưởng 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 được thực hiện trong chương 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
ưu LQG. Tác động điều khiển được thực hiện tính toán thông qua các sai
lệch đo được để cho ra tín hiệu đưa tới động cơ nhằm thực hiện lực giảm
chấn sao cho thời gian dập tắt dao động là nhanh nhất, tác động điều

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

/>

khiển là ít nhất. Bộ điều khiển được mô phỏng trên Matlab/Simulink. Nội
dung này được thực hiện ở chương 3 của luận văn.
d. Xây dựng mô hình hệ thống giảm chấn tích cực thực tế tại phòng thí
nghiệm bộ môn Đo lường – Điều khiển, khoa điện tử. Hệ thống được điều
khiển bằng Matlab/Simulink điều khiển thực, thuật toán điều khiển được
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 chương với bố cục như sau:
Chương 1: Giới thiệu về hệ thống giảm chấn tích cực
Chương 2: Mô hình hóa hệ thống giảm chấn tích cực
Chương 3: Áp dụng điều khiển tối ưu LQG cho hệ thống giảm chấn
tích cực

Chương 4: Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống giảm chấn tích
cực
Phần cuối là kết luận chung của đề tài.

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

/>

CHƯƠNG 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 phương tiện vận tải, ví dụ như ôtô,
hệ thống giảm chấn người ta còn gọi là hệ thống treo, hệ thống này có nhiệm vụ
làm giảm ảnh hưởng của lực tác động ở bề mặt đường lên sàn và thân xe, giúp duy
trì thân xe và sàn xe cân bằng, giảm bớt sự khó chịu cho con người khỏi những
chấn động và những va chạm không biết trước từ mặt đường 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
được mô tả như hình vẽ sau đây:
ms

Khối thân trên

Phần tử có đặc tính lò
xo

xs
ks

bs
mus

Khối cản dịu

Khối treo

xus
kt

d

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 trước với một dải tần số xác định, tác động này truyền đến
cho khối treo (suspension mass) có khối lượng là mus thông qua một phần tử có đặc

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

/>

tính lò xo kt, khối treo khi chịu tác động của d phần tử có đặc tính lò xo kt sẽ bị dao
động theo, mức độ dao động này được đánh giá thông qua xus, dao động xus tiếp tục
tác động lên khối thân trên (body mass) có khối lượng là ms 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 xus. Đối với một hệ thống giảm chấn lý tưởng, người ta

mong muốn với bất kỳ tác động nào của d, tác động này sẽ được dập tắt qua cặp ks,
bs, khi đó xs 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 được, tuy nhiên người ta có
thể lựa chọn các cặp ks, bs để sao cho sự ảnh hưởng của d (biến thiên trong một dải
nào đó xác định) đến khối thân trên là nhỏ nhất về biên độ cũng như 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 trường hoặc các cơ cấu cơ điện tử. Hình vẽ 1-2 sau đây
minh họa sự tác động của d lên xs và xus, ban đầu tất cả d, xs, xus đều bằng không, ở
trạng thái cân bằng, tại thời điểm từ 1 -2s, d thay đổi dưới dạng lực dạng xung
vuông, qua kt sẽ làm cho khối treo dao động, xus thay đổi như hình b, và tiếp tục xus
tác động lên khối thân trên qua cặp ks, bs làm cho xs thay đổi như hình c. Sau khi d
hết tác động, khoảng thời gian từ 2s trở đi, xs và xus sẽ dao động thêm một khoảng
thời gian nữa, 4 giây sau thì xs và xus về 0. Khoảng thời gian này phụ thuộc vào các
hệ số kt, ks, bs, khối lượng khối treo cũng như khối lượng thân trên, biên độ và tần
số của d. Để giảm nhỏ khoảng thời gian này cũng như biên độ dao động xs, xus ta
cần phải tính toán, lựa chọn các hệ số ks, bs sao cho 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 d, 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.


xs (t)
t(s)
xus (t)
t(s)

d (t)
t(s)

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 bs bằng hằng số, không thay đổi được. Lực cản dịu sinh ra bởi phần tử
này chỉ phụ thuộc vào vận tốc xus thông qua hệ số cản dịu bs được miêu tả như sau:
Fs

bs

dxus
dt

(0.1)

Khi vận tốc của xus càng lớn hay mức độ dao động của xus càng lớn thì lực cản
dịu sinh ra bởi khối cản dịu càng lớn để dập tắt dao động của xus. Khi xus=0 ta có
Fs = 0 do đó lực cản dịu không ảnh hưởng đến hệ thống khi hệ ở trạng thái cân
bằng (d = 0, xs = 0 và xus = 0).


ms
ks

Fs

xs
bs

mus
xus

kt

d

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 được lực cản dịu vì hệ số b2 bằng hằng số, lực cản dịu lớn khi tốc độ của xus
lớn và nhỏ khi tốc độ của xus 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) như hình vẽ sau, trong đó khác với hệ thống giảm chấn thụ động là khối cản
dịu có lực cản dịu được sinh ra bằng cách sử dụng một nguồn năng lượng 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 được lực cản dịu một cách chủ động về độ lớn và chiều
nên nó được gọi là hệ thống giảm chấn tích cực. Do vậy ta có thể điều chỉnh được
lực cản dịu sao cho phù hợp với mục đích giảm chấn của hệ thống một cách linh
hoạt.
ms
ks

xs

Fs
mus
kt

xus
d

Hình 0-4 Hệ thống giảm chấn tích cực


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 thường ứng dụng cho các hệ thống
lớn, ví dụ như 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 như hình vẽ
sau, trong đó 5 là xi lanh và pitong dầu, 7 là van dẫn dầu và 8 là đường 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 đưa vào.

Cơ cấu điện từ

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 được sinh ra do từ trường mang bởi dòng điện đưa từ bên ngoài vào để

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 lượng 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 như 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 như minh họa ở hình vẽ sau, phần tử cản
dịu chủ động thường là cơ cấu điện từ. Hệ thống này thường dùng cho các hệ thống
lớn cần tăng tốc độ đáp ứng của lực cản dịu.
ms
bs

ks

xs
Fs
Khối cản dịu chủ

mus
kt

xus
d

Hình 0-7 Hệ thống giảm chấn bán chủ động

1.2 Ưu điểm và nhược 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 được
với dải tần càng rộng càng tốt của dao động. Các hệ thống giảm chấn thủy lực tuy
có ưu 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 được 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 người ta chuyển sang sử dụng các hệ thống giảm chấn điện từ
[1] vì chúng có các ưu điểm nổi bật sau đây:


Lực cản dịu để dập tắt dao động được 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 hưởng 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 được nâng cao, đáp ứng được 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 dưỡng trong quá
trình sử dụng
Với những ưu điểm nêu trên, hệ thống giảm chấn tích cực điện từ cũng có
nhược điểm đó là cần phải sử dụng nguồn năng lượng điện riêng cho nó, do đó vấn
đề năng lượng là một trở ngại của hệ thống này, tuy nhiên vấn đề này có thể được
giải quyết bằng các chiến lược sử dụng ngay các lực gây dao động bên ngoài để
biến đổi ngược thành năng lượng điện, tích lũy vào ắc quy để cung cấp cho hệ
thống giảm chấn, điều này làm giảm nhu cầu sử dụng năng lượng và có thể tiết
kiệm được năng lượng điện hoặc thậm chí có thể không cần sử dụng nguồn năng
lượng điện bên ngoài. Mặt khác để hệ thống giảm chấn có chất lượng 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 trước 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 nhược điểm của phương pháp
này là tồn tại ma sát giữa các bánh răng, tốc độ chậm và kém linh hoạt [3]. Hiện
nay xu hướng xử dụng động cơ tuyến tính tạo chuyển động thẳng trực tiếp có ưu
điểm là lực điện từ được 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 được 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


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 thường, stator và trục dịch
chuyển tuyến tính, có thể coi là đường 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.
Như đã đề cập ở trên, lực điện từ có thể được 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 hướng 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 phương tiện vận tải như:
-

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
hưởng của lực tác động từ mặt đường 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 phương tiện vận tải [4]


Hình 0-10 Hệ thống cân bằng ghế trên các phương 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 tương
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 hướng 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 H2 H∞ [7], sử dụng phương pháp điều khiển tuyến tính hóa chính xác [8]

1.5 Kết luận chương 1
Chương 1 đã trình bày tổng quát về hệ thống giảm chấn, các ưu 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 ưu
nhược điểm trên chương 1 trình bày về việc ứng dụng động cơ tuyến tính trong hệ
thống giảm chấn tích cực, các xu hướng 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 được trong
luận văn.


CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG

GIẢM CHẤN TÍCH CỰC
2.1 Phương trình động học hệ thống giảm chấn tích cực
Trước hết ta xét hệ thống giảm chấn thụ động được mô tả như hình 2-1 sau.
ms

Khối thân trên
Phần tử có đặc
tính lò xo

xs
bs

ks

Khối cản dịu

mus

xus

kt

d

Hình 0-1 Mô hình hệ thống giảm chấn thụ động
Gọi kt là độ cứng của của phần tử lò xo liên hệ giữa bề mặt tạo dao động và
khối treo, mus là khối lượng của khối treo, ks ,
bs

lần lượt là độ cứng của phần tử lò

xo và hệ số cản dịu của khối cản dịu, ms là khối lượng của khối thân trên.
Đặt các biến trạng thái: d là nhiễu tác động từ bên ngoài vào gây ra dao
động, xus là khoảng dịch chuyển của khối treo và xs là khoảng dịch chuyển của
khối thân trên. Theo [6] phương trình động học của hệ thống giảm chấn thụ động
được mô tả như sau:
ms xs ks xs
mus xus

k s xs

xus
x

b s x s
b x

us

kt xus

s

x s
x

us

ms
ks

0

(2.1)

xr
0

us

xs

Fs
mus
kt

xus
d

Hình 0-2 Mô hình hệ thống giảm chấn tích cực