Điều khiển hệ thống treo chủ động dùng lý thuyết h và điều khiển thích nghi phi tuyến

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đề tài:

ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TREO CHỦ
ĐỘNG DÙNG LÝ THUYẾT H∞ VÀ ĐIỀU
KHIỂN THÍCH NGHI PHI TUYẾN

GVHD : TS. BÙI TRỌNG HIẾU
HVTH : HỒNG NGỌC TRUNG
MSHV : 00405080

TP Hồ Chí Minh, Tháng 07 Năm 2007


Luận văn thạc só

Chương 6

CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: ....................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1:..........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2:..........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . . tháng . . . . . năm . . . .

GVHD: TS. Bùi Trọng Hiếu

2

HVTH: Hồng Ngọc Trung


Luận văn thạc só

Chương 6

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
------------------oOo--Tp. HCM, ngày . . . . tháng . . . . năm . . . . . .

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . ..Giới tính : Nam

/ Nữ

Ngày, tháng, năm sinh : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nơi sinh : . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Chuyên ngành : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Khoá (Năm trúng tuyển) : . . . . . . . . . . .
1- TÊN ĐỀ TÀI: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .
.....................

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.................................................................
.................................................................
................................................................
.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.................................................................
.................................................................
.................................................
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ): . . . . . . .
.................................................................
................
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông
qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

GVHD: TS. Bùi Trọng Hiếu

CHỦ NHIỆM BỘ MƠN
QUẢN LÝ CHUN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

3

HVTH: Hồng Ngọc Trung


Luận văn thạc só

Chương 6

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này, trước tiên em xin bày tỏ lòng
biết ơn chân thành đến Q Thầy Cô thuộc khoa Cơ Khí – trường
Đai Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, những người đã
tận tình dạy bảo và truyền đạt những kiến thức q báu cho em
trong suốt thời gian em học tập tại trường, nhất là thời gian em
nghiên cứu và thực hiện luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn thầy TS. Bùi Trọng Hiếu, người
đã trực tiếp hướng dẫn em trong suốt quá trình làm luận văn,
người đã cho em những kiến thức q báu và đã tạo mọi điều
kiện tốt nhất cho em hoàn tất đề tài này.
Em xin chân thành cảm ơn Q Thầy Cô đã dành những thời
gian q báu để thảo luận, nhận xét và bổ sung thêm những kiến
thức tốt hơn cho luận văn này.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 01/07/2007
Học viên thực hiện
HỒNG NGỌC TRUNG

GVHD: TS. Bùi Trọng Hiếu

4

HVTH: Hồng Ngọc Trung


Luận văn thạc só

Chương 6

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Luận văn này trình bày điều khiển hệ thống treo chủ động với mô hình ½ xe
dùng lý thuyết H∞ và phương pháp điều khiển thích nghi phi tuyến. Mô hình ½ xe
có các chuyển động thẳng đứng và chuyển động lắc dọc của thân xe. Trong hệ
thống treo chủ động, bộ điều khiển phải thực hiện tốt các chức năng như: tối thiểu
hoá các dao động do nhiễu từ mặt đường đến gia tốc chuyển động thẳng đứng và
gia tốc lắc dọc của thân xe. Hệ thống điều khiển phải đảm bảo độ ổn định với sự
thay đổi của các thông số hệ thống. So với các phương pháp điều khiển khác,
điều khiển H∞ được thiết kế để đảm bảo độ ổn định cho hệ thống vòng kín với sự
hiện diện của nhiễu và các thông số không chắc chắn. Sự thay đổi của các thông
số hệ thống được giải quyết bằng mô hình không chắc chắn nhân và độ ổn định
của hệ thống được đảm bảo từ lý thuyết độ lợi nhỏ. Hệ thống chủ động với điều
khiển H∞ có thể làm giảm gia tốc chuyển động thẳng đứng và chuyển động lắc
dọc của thân xe. Tính phi tuyến của bộ truyền dẫn thuỷ lực được xử lý bằng điều
khiển thích nghi phi tuyến dựa trên cơ sở phương pháp back-stepping. Hiệu quả
của bộ điều khiển này sẽ được thấy rõ qua kết quả phân tích trong cả hai miền
tần số và miền thời gian.
Luận văn bao gồm các nội dung chính như sau:
Chương 1: Tổng quan
Giới thiệu sơ lược về hệ thống treo chủ động, lịch sử phát triển và tình

hình nghiên cứu hệ thống treo chủ động hiện nay ở trong và ngoài nước, từ
đó đưa ra hướng nghiên cứu kế tiếp. Chương này đưa ra phương pháp để
nghiên cứu và phạm vi của đề tài .

GVHD: TS. Bùi Trọng Hiếu

5

HVTH: Hồng Ngọc Trung


Luận văn thạc só

Chương 6

Chương 2: Mô hình hóa hệ thống
Chương này xây dựng mô hình tính toán cho hệ thống treo chủ động,
mô hình ½ xe và mô hình tính toán cho bộ truyền dẫn thuỷ lực. Chọn các
biến trạng thái và lập ra các phương trình trạng thái để chuẩn bị cho bước
thiết kế bộ điều khiển. Xây dựng hàm truyền hệ thống và xác định các điểm
bất biến trong hệ thống. Nghiên cứu và xây dựng các hàm truyền cho hệ
thống treo bị động. Đưa ra phương trình động lực học cho bộ truyền dẫn thuỷ
lực trong mô hình ½ xe.
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển H∞ cho thân xe
Đưa ra công thức và phương pháp giải bài toán điều khiển H∞ . Sự thay
đổi của các thông số hệ thống được giải quyết bằng mô hình độ không chắc
chắn nhân và độ ổn định của hệ thống được đảm bảo từ lý thuyết độ lợi nhỏ.
Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển thích nghi phi tuyến cho bộ truyền
dẫn thuỷ lực
Tính phi tuyến của bộ truyền dẫn thuỷ lực được xử lý bằng điều khiển

thích nghi phi tuyến dựa trên cơ sở phương pháp back-stepping.
Chương 5: Kết quả mô phỏng
Từ các thông số ban đầu đưa vào bài toán thiết kế, kết quả được mô
phỏng trong hai miền tần số và thời gian. Đánh giá hiệu quả làm việc của bộ
điều khiển dựa trên sự so sánh của ba hệ: hệ bị động, hệ chủ động với ngõ
vào là giá trị thực và hệ chủ động với ngõ vào là giá trị mong muốn.
Chương 6: Kết luận
Ngoài ra luận văn này còn có phần tài liệu tham khảo và phần phụ lục về
các chương trình Matlab, là công cụ trợ giúp mô phỏng.

GVHD: TS. Bùi Trọng Hiếu

6

HVTH: Hồng Ngọc Trung


Luận văn thạc só

Chương 6

NỘI DUNG LUẬN VĂN
Trang
DANH MỤC HÌNH

9

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

11

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

14

1.1. Tổng quan về hệ thống treo chủ động

15

1.2. Lịch sử phát triển và tình hình nghiên cứu

17

1.2.1. Lịch sử phát triển và tình hình nghiên cứu ở ngoài nước

17

1.2.2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước

18

1.3. Mục tiêu, phương pháp nghiên cứu và phạm vi của đề tài

19

1.3.1. Mục tiêu của đề tài

19

1.3.2. Phương pháp nghiên cứu

19

1.3.3. Phạm vi của đề tài

20

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG
2.1. Mô hình ½ xe

21
22

2.1.1. Mô hình ½ xe

22

2.1.2. Phương trình trạng thái

23

2.1.3. Xây dựng hàm truyền hệ thống

27

2.1.4. Điểm bất biến của hệ thống

29

2.1.5. Hệ bị động

32

GVHD: TS. Bùi Trọng Hiếu

7

HVTH: Hồng Ngọc Trung


Luận văn thạc só

Chương 6

2.2. Mô hình hóa bộ truyền dẫn thuỷ lực

34

2.2.1. Mô hình bộ truyền dẫn thuỷ lực và phương trình động
34

lực học
2.2.2. Phương trình động lực học của bộ truyền dẫn thuỷ lực

36

trong mô hình ½ xe

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN H∞ CHO THÂN XE

38

3.1. Sơ bộ về bộ điều khiển H∞

39

3.2. Công thức và phương pháp giải H∞

45

3.3. Các thông số không chắc chắn và chọn hàm trọng số

48

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI PHI
TUYẾN CHO BỘ TRUYỀN DẪN THUỶ LỰC

51

4.1. Sơ bộ về phương pháp back-stepping

52

4.2. Thiết kế bộ điều khiển thích nghi phi tuyến

52

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

55

5.1. Kết quả mô phỏng trong miền tần số

60

5.2. Kết quả mô phỏng trong miền thời gian

65

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN

71

BÀI BÁO THAM DỰ HỘI NGHỊ

73

TÀI LIỆU THAM KHẢO

74

PHỤ LỤC

77

GVHD: TS. Bùi Trọng Hiếu

8

HVTH: Hồng Ngọc Trung

Luận văn thạc só

Chương 6

Danh mục hình
Trang
Hình 2.1

Mô hình hệ thống treo chủ động ¼ xe

22

Hình 2.2

Mô hình tính toán hệ thống treo chủ động

23

Hình 2.3

Sơ đồ khối của hệ bị động

33

Hình 2.4

Mô hình bộ truyền dẫn thuỷ lực

34

Hình 3.1

Sơ đồ của hệ thống treo chủ động với điều khiển H∞

39

Hình 3.2

Sơ đồkhối hai ngõ của điều khiển H∞

45

Hình 3.3

Sơ đồ hệ thống có hồi tiếp với độ không chắc chắn nhân

49

Hình 5.1

Sơ đồ không gian trạng thái thực của bộ điều khiển H∞

58

Hình 5.2

Đồ thị độ không chắc chắn nhân và hàm trọng số W1

61

Hình 5.3

Đồ thị độ không chắc chắn nhân và hàm trọng số W2

61

Hình 5.4

Đồ thị gia tốc thẳng đứng của thân xe

62

Hình 5.5

Đồ thị gia tốc lắc dọc của thân xe

62

Hình 5.6

Đồ thị chuyển vị thẳng đứng của hệ thống treo trước

63

Hình 5.7

Đồ thị chuyển vị thẳng đứng của hệ thống treo sau

63

Hình 5.8

Đồ thị độ biến dạng của lốp xe trước

64

Hình 5.9

Đồ thị độ biến dạng của lốp xe sau

64

Hình 5.10

Đồ thị gia tốc thẳng đứng của thân xe với nhiễu dạng step

65

Hình 5.11

Đồ thị gia tốc lắc dọc của thân xe với nhiễu dạng step

66

Hình 5.12

Đồ thị độ biến dạng của lốp xe trước với nhiễu dạng step

66

Hình 5.13

Đồ thị độ biến dạng của lốp xe sau với nhiễu dạng step

67

GVHD: TS. Bùi Trọng Hiếu

9

HVTH: Hồng Ngọc Trung


Luận văn thạc só

Chương 6

Hình 5.14

Đồ thị gia tốc thẳng đứng của thân xe với nhiễu dạng sin

67

Hình 5.15

Đồ thị gia tốc lắc dọc của thân xe với nhiễu dạng sin

68

Hình 5.16

Đồ thị chuyển vị thẳng đứng của hệ thống treo trước với nhiễu dạng
sin

Hình 5.17

68

Đồ thị chuyển vị thẳng đứng của hệ thống treo sau với nhiễu
dạng sin

69

Hình 5.18

Đồ thị độ biến dạng của lốp xe trước với nhiễu dạng sin

69

Hình 5.19

Đồ thị độ biến dạng của lốp xe sau với nhiễu dạng sin

70

GVHD: TS. Bùi Trọng Hiếu

10

HVTH: Hồng Ngoïc Trung


Luận văn thạc só

Chương 6

Danh mục các ký hiệu
Ký hiệu

Mô tả

C.G

trọng tâm của xe

ms

khối lượng thân xe

J

moment quán tính thân xe

θ

góc lắc dọc của thân xe

[rad]

lf

khoảng cách từ trọng tâm đến trục trước của xe

[m]

lr

khoảng cách từ trọng tâm đến trục sau của xe

[m]

zs

độ dịch chuyển thẳng đứng của thân xe

[m]

z sf

chuyển vị thẳng đứng của khối lượng phân bố trên trục trước

[m]

z sr

chuyển vị thẳng đứng của khối lượng phân bố trên trục sau

[m]

ksf

độ cứng lò xo của hệ thống treo trục trước

bsf

hệ số giảm chấn của hệ thống treo trục trước

uf

lực chủ động của phần trước

[N]

ur

lực chủ động của phần sau

[N]

ksr

độ cứng lò xo của hệ thống treo trục sau

bsr

hệ số giảm chấn của hệ thống treo trục sau

z uf

độ dịch chuyển thẳng đứng của trục bánh xe trước

[m]

z ur

độ dịch chuyển thẳng đứng của trục bánh xe sau

[m]

muf

khối lượng bánh xe trước và trục trước

[kg]

mur

khối lượng bánh xe sau và trục sau

[kg]

ktf

độ cứng lốp xe trước

[N/m]

ktr

độ cứng lốp xe sau

[N/m]

GVHD: TS. Bùi Trọng Hiếu

Đơn vị

[kg]
[N.m.s2]

11

[N/m]
[N.s/m]

[N/m]
[N.s/m]

HVTH: Hồng Ngọc Trung


Luận văn thạc só

Chương 6

z rf

độ dịch chuyển thẳng đứng của mặt đường tại bánh trước

[m]

z rr

độ dịch chuyển thẳng đứng của mặt đường tại bánh sau

[m]

ps

áp suất dầu vào van

[N/m2]

pr

áp suất dầu hồi bơm từ van

[N/m2]

pu

áp suất ngăn trên của xilanh lực

[N/m2]

pl

áp suất ngăn dưới của xilanh lực

[N/m2]

xv

vị trí của van trượt

[m]

xvf , xvr

vị trí van trượt cho hệ thống treo phần trước, phần sau

[m]

u

lực chủ động mong muốn của xilanh lực

[N]

mu

khối lượng không giảm lắc

[kg]

Vt

thể tích tổng thể xilanh lực

[m3]

βe

mun đàn hồi tác động

[N/m2]

βef , βer

mun đàn hồi tác động của piston trước và sau

[N/m2]

A

diện tích trung bình của Piston

[m2]

Af , Ar

diện tích trung bình của piston trước và sau

[m2]

Ctp

hệ số tổng do rò rỉ dầu

[m5/Ns]

Ctmf , Ctmr hệ số tổng do rò rỉ dầu của piston trước và sau
QL

lưu lượng dầu vào xilanh

Cd

hệ số thoát dầu thuỷ lực

Cdf , Cdr

hệ số thoát dầu thuỷ lực của piston trước và sau

w

gradient tiết diện van trượt

wf , wr

gradient tiết diện van trượt trước và sau

ρ

tỉ trọng khối dầu thuỷ lực

ρf , ρs

tỉ trọng khối dầu thuỷ lực của piston trước và sau

GVHD: TS. Bùi Trọng Hiếu

[m5/Ns]
[lít]

12

HVTH: Hồng Ngọc Trung


Luận văn thạc só

Chương 6

psf, psr

áp suất dầu vào piston trước và sau

[N/m2]

τ

hằng số thời gian của van trượt

[giây]

τf , τ s

hằng số thời gian của van trượt trước và sau

[giây]

i

cường độ dòng điện nạp cho van trượt

[A]

if , ir

cường độ dòng điện nạp cho van trượt trước và sau

[A]

u df , u rd

lực chủ động mong muốn được tính toán từ bộ điều khiển H∞

[N]

GVHD: TS. Bùi Trọng Hiếu

13

HVTH: Hồng Ngọc Trung


Luận văn thạc só

Chương 6

Chương 1

TỔNG QUAN

GVHD: TS. Bùi Trọng Hiếu

14

HVTH: Hồng Ngọc Trung


Luận văn thạc só

Chương 6

1.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TREO CHỦ ĐỘNG
Trong nền phát triển công nghiệp ôtô như hiện nay, với sự cạnh tranh rất
khốc liệt, mỗi cải tiến tốt trên ôtô đều mang lại lợi nhuận rất lớn cho các nhà sản
xuất ôtô. Các nhà thiết kế ôtô phải liên tục cải tiến không ngừng, từ cải tiến về
hình dáng, màu sắc, kích thước bên ngoài đến những cải tiến về kết cấu bên
trong của xe. Hệ thống treo là kết cấu mà các nhà thiết kế xe ôtô và các nhà
khoa học luôn quan tâm hàng đầu, vì nó là yếu tố quyết định đến chất lượng của
xe.
Vai trò chính của hệ thống treo là cải thiện độ thoải mái cho hành khách và
nâng cao độ an toàn khi lái xe. Phần kết cấu cơ khí của hệ thống treo thông
thường bao gồm một lò xo và một giảm chấn. Với chỉ cấu trúc cơ khí như vậy thì
hệ thống treo bị động có rất nhiều hạn chế, vì cấu trúc cơ khí này chỉ có thể tích

trữ hay tiêu hao năng lượng. Để khắc phục những nhược điểm trên, hệ thống treo
chủ động đã được các nhà khoa học nghiên cứu với nhiều phương pháp khác
nhau.
Hệ thống treo chủ động phải cung cấp được nhiều tính năng cạnh tranh cao,
chẳng hạn như: tạo độ thoải mái cho hành khách, tối thiểu hoá được hành trình
dao động của toàn bộ khối lượng được treo và độ biến dạng của lốp xe để đảm
bảo an toàn khi điều khiển xe. Vì những lý do này, bộ điều khiển tuyến tính bậc
hai đã được sử dụng, bộ điều khiển này về cơ bản có thể tối thiểu hoá các thông
số mà có thể ảnh hưởng tới độ thoải mái của hành khách Các thông số đó là: gia
tốc chuyển động thẳng đứng của thân xe, sự xóc mạnh của thân xe, độ chuyển vị
của hệ thống treo và độ biến dạng của lốp xe.
Mục đích của bộ điều khiển là duy trì tính ổn định của hệ thống vòng kín dù
có sự thay đổi của các thông số trong hệ thống. Thông thường giả thiết rằng các
thông số của hệ thống là bất biến theo thời gian để phù hợp với các lý thuyết điều

GVHD: TS. Bùi Trọng Hiếu

15

HVTH: Hồng Ngọc Trung


Luận văn thạc só

Chương 6

khiển tuyến tính, nhưng trên thực tế, các thông số này là biến đổi theo thời gian.
Khi các thông số thay đổi, các đặc tính tốt của bộ điều khiển được thiết kế dựa
trên lý thuyết điều khiển tuyến tính bị thay đổi. Vì vậy, bộ điều khiển được thiết
kế phải hạn chế sự thay đổi này càng nhỏ càng tốt.

Những nghiên cứu trước đây đều giả thuyết bộ truyền dẫn thuỷ lực là lý
tưởng để dùng cho hệ thống treo với mô hình tuyến tính. Nhưng hầu hết những bộ
truyền dẫn thuỷ lực đều có đặc tính phi tuyến. Do đó, để giải quyết những vấn đề
phức tạp này, nhiều nghiên cứu gần đây đã xem xét đến tính động và tính phi
tuyến của bộ truyền dẫn thuỷ lực.
Từ những nhận xét trên, hướng nghiên cứu của đề tài là: thiết kế bộ điều
khiển hệ thống treo chủ động cho mô hình ½ xe dùng lý thuyết H∞ và phương
pháp điều khiển thích nghi phi tuyến. Hệ thống được chia làm hai phần: phần
tuyến tính là toàn bộ hệ thống ngoại trừ bộ truyền dẫn thuỷ lực và phần phi tuyến
chính là bộ truyền dẫn thuỷ lực. Phần tuyến tính được xử lý bằng phương pháp
điều khiển H∞, đảm bảo được độ ổn định của hệ thống điều khiển vòng kín dưới
sự hiện diện của độ không chắc chắn (uncertainty) và tối thiểu hoá những tác
động của nhiễu. Sự thay đổi của các thông số hệ thống được giải quyết bằng mô
hình độ không chắc chắn nhân (multiplicative uncertainty). Trong bộ truyền dẫn
thuỷ lực có một vài yếu tố chưa xác định như môđun đàn hồi của dầu thuỷ lực là
yếu tố tác động mạnh đến tính động của bộ truyền dẫn thuỷ lực. Trong luận văn
này bộ truyền dẫn thuỷ lực phi tuyến được xử lý bằng bộ điều khiển thích nghi
phi tuyến trên cơ sở phương pháp backstepping. Sai số giữa lực tác động tính
được từ bộ điều khiển H∞ với lực tác động tạo ra bởi bộ truyền động thuỷ lực được
xem như là nhiễu tác động đến hệ thống tuyến tính.

GVHD: TS. Bùi Trọng Hiếu

16

HVTH: Hồng Ngọc Trung


Luận văn thạc só

Chương 6

1.2. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
1.2.1. Lịch sử phát triển và tình hình nghiên cứu ngoài nước
Hệ thống treo chủ động đã được nghiên cứu vào những năm của thập niên
1930. Tuy nhiên, những nghiên cứu ứng dụng thực tế bắt đầu từ năm 1950. Lúc
này có rất nhiều bộ điều khiển khác nhau được dùng để điều khiển hệ thống treo
chủ động như: bộ điều khiển PID, bộ điều khiển LQR hay bộ điều khiển LTR …
Bộ điều khiển H∞ bắt đầu được nghiên cứu vào khoảng cuối thập niên 1980, với
các nghiên cứu nổi bật như:
-

J. C. Doye, K. Glover, P. P. Khargonekar, and B. A. Francis [2], (1989), đã
thành công khi đưa ra công thức không gian trạng thái đơn giản cho tất cả
các bộ điều khiển, nhất là dùng để giải quyết các bài toán thiết kế bộ điều
khiển dùng lý thuyết H2 và H∞.

-

M. Yamashita, K. Fujimori, C. Uhlik, P. Kawatani, và H. Kimura [3],
(1990), thiết kế bộ điều khiển hệ thống treo dùng lý thuyết H∞ đầu tiên với
mô hình ¼ xe. Kết quả phân tích, tác giả so sánh hệ thống treo chủ động
dùng lý thuyết H∞ với hệ thống treo bị động.

-

A. Alleyne, P. D. Neuhaus, J.K. Hedrick, [6], (1993), tác giả ứng dụng lý
thuyết điều khiển phi tuyến cho hệ thống treo điều khiển bằng điện, trong
bài này tác giả quan tâm đến tính phi tuyến của van thuỷ lực và dùng bộ
điều khiển LQG cho mô hình ¼ xe.

-

Những nghiên cứu gần ñaây [4], [5], [7], [8], [9], [10], [11], [13], [14], [15].
hoặc thiết kế hệ thống treo chủ động dùng lý thuyết H∞ [4], [5], [7], [10],
[15] hoặc dùng phương pháp điều khiển thích nghi phi tuyến cho van thuỷ
lực [8], [9], [11], [13] hoặc kết hợp hai bộ đều khiển này [14], nhưng tất cả
điều chỉ ứng dụng cho mô hình ¼ xe.

GVHD: TS. Bùi Trọng Hiếu

17

HVTH: Hồng Ngọc Trung


Luận văn thạc só

-

Chương 6

Đối với mô hình ½ xe, các tác giả Damien SAMMIER, Olivier SENAME
và Lue DUGARD [16], (2000) đã ứng dụng lý thuyết H∞ để thiết kế bộ
điều khiển cho hệ thống treo chủ động. Bộ điều khiển H∞ nhiều biến được
phát triển để tạo sự thoải mái cho hành khách hay cải thiện hoạt động cho
xe. Nhưng trong bài này tác giả chưa nghiên cứu đến bộ truyền dẫn thuỷ
lực.

1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước

-

Tác giả Nguyễn Tấn Tiến [12], (1998), thiết kế bộ điều khiển hệ thống
treo chủ động dùng lý thuyết H∞ với mô hình ¼ xe. Kết quả phân tích được
tác giả trình bày trên cả hai hệ thống chủ động và bị động, để so sánh tính
hiệu quả của bộ điều khiển đã thiết kế. Ngoài ra tác giả còn xây dựng
được một mô hình hệ thống treo thực nghiệm để kiểm chứng lại kết quả
phân tích hệ thống treo dùng lý thuyết H∞ . Nhưng trong bài này tác giả
chưa nghiên cứu đến bộ truyền dẫn thuỷ lực.

-

Các tác giả Nguyễn Tấn Tiến, Bùi Trọng Hiếu, Trần Thiên Phúc và Sang
Bong Kim[17], (2001), đã thiết kế bộ điều khiển hệ thống treo chủ động
dùng lý thuyết H∞ và điều khiển thích nghi phi tuyến với mô hình ¼ xe.
Trong bài này các tác giả cũng dùng lý thuyết H∞ để thiết kế bộ điều khiển
hệ thống treo chủ động, bộ điều khiển đạt được độ cứng vững dưới sự hiện
diện của độ không chắc chắn (uncertainty). Ngoài ra các tác giả còn thiết
kế bộ điều khiển thích nghi phi tuyến trên cơ sở phương pháp backstepping để xử lý tính phi tuyến và các thông số không chắc chắn của bộ
truyền dẫn thuỷ lực.
Cả hai bài báo trên các tác giả đều thiết kế bộ điều khiển hệ thống treo

chủ động dùng lý thuyết H∞ và điều khiển thích nghi phi tuyến, nhưng chỉ

GVHD: TS. Bùi Trọng Hiếu

18

HVTH: Hồng Ngọc Trung

Luận văn thạc só

Chương 6

dừng ở mô hình ¼ xe. Hướng nghiên cứu kế tiếp là phát triển mô hình áp
dụng trên mô hình ½ xe và mô hình đầy đủ(full-car).

1.3. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ PHẠM
VI CỦA ĐỀ TÀI
1.3.1. Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của đề tài là thiết kế bộ điều khiển hệ thống treo chủ động cho
mô hình ½ xe dùng lý thuyết H∞ và phương pháp điều khiển thích nghi phi
tuyến để:
-

Tối thiểu hoá gia tốc chuyển động theo phương đứng và gia tốc lắc của
thân xe để tạo độ thoải mái cho hành khách khi ngồi trên xe ôtô.

-

Tối thiểu hoá hành trình dao động của toàn bộ khối lượng được treo và độ
biến dạng của lốp xe để đảm bảo an toàn khi điều khiển xe.

1.3.2. Phương pháp nghiên cứu
Để đạt được các mục tiêu đã đề ra ở trên, hệ thống treo chủ động này được
chia làm hai phần chính: phần tuyến tính là toàn bộ hệ thống trừ bộ truyền dẫn
thuỷ lực và phần phi tuyến chính là bộ truyền dẫn thuỷ lực. Mỗi phần được xử
lý như sau:
-

Phần tuyến tính được xử lý bằng phương pháp điều khiển H∞, đảm bảo
được độ ổn định của hệ thống điều khiển vòng kín dưới sự hiện diện của
độ không chắc chắn (uncertainty) và tối thiểu hoá những tác động của
nhiễu. Sự thay đổi của các thông số hệ thống được giải quyết bằng mô
hình độ không chắc chắn nhân (multiplicative uncertainty).

-

Trong bộ truyền dẫn thuỷ lực có một vài yếu tố chưa xác định như môđun
đàn hồi của dầu thuỷ lực mà nó có tác động mạnh đến tính động của bộ

GVHD: TS. Bùi Trọng Hiếu

19

HVTH: Hồng Ngoïc Trung


Luận văn thạc só

Chương 6

truyền dẫn thuỷ lực. Do đó phần phi tuyến của bộ truyền dẫn thuỷ lực
được xử lý bằng điều khiển thích nghi phi tuyến trên cơ sở phương pháp
back-stepping.
1.3.3. Phạm vi của đề tài
Để xe ô tô đạt được chất lượng hoạt động tốt thì bộ điều khiển hệ thống
treo phải tối thiểu hoá được các thông số ảnh hưởng đến độ thoải mái của hành
khách trên xe. Các thông số đó là: gia tốc thân xe theo phương đứng, gia tốc lắc

dọc, gia tốc lắc ngang và gia tốc xoay vòng của thân xe. Mô hình ½ xe là mô
hình phẳng chỉ với hai thông số là gia tốc thân xe theo phương đứng và gia tốc lắc
dọc của thân xe mà thiếu đi các thông số gia tốc lắc ngang và gia tốc xoay vòng
của thân xe. Tuy nhiên, mô hình ½ xe vẫn có những ưu điểm đó là sử dụng năng
lượng để điều khiển hệ thống treo thấp hơn, chi phí thấp và quá trình phân tích,
thiết kế đơn giản hơn. Nên trong luận văn này nghiên cứu trên mô hình ½ xe.

GVHD: TS. Bùi Trọng Hiếu

20

HVTH: Hồng Ngọc Trung


Luận văn thạc só

Chương 6

Chương 2

MÔ HÌNH HÓA
HỆ THỐNG

GVHD: TS. Bùi Trọng Hiếu

21

HVTH: Hồng Ngọc Trung

Luận văn thạc só

Chương 6

2.1. MÔ HÌNH ½ XE

Ổ bi đỡ
(đỡ thân xe)
(khối lượng có giảm lắc)
Lò xo

Bộ giảm xóc

Lốp xe

Trục bánh xe
(khối lượng không có
giảm lắc)

a. Hệ thống treo thực

b. Mô hình tính toán

Hình 2.1 Mô hình hệ thống treo chuỷ ủoọng ẳ xe
2.1.1.

Moõ hỡnh ẵ xe
Moõ hỡnh ẵ xe được trình bày như hình 2.2, mô hình này dùng cho việc

nghiên cứu hệ thống treo xe ôtô ở dạng bị động và dạng chủ động.

GVHD: TS. Bùi Trọng Hiếu

22

HVTH: Hồng Ngọc Trung


Luận văn thạc só

Chương 6

lr

lf
Trước

v

zsf

zs

Sau
zsr

θ
ms, J
ksf

zuf

bsf

bsr
uf

ur

ktf

zrf

zur

mur

muf

ksr

ktr

zrr

Mặt đường

Hình 2.2 Mô hình tính toán hệ thống treo chủ động
Mô hình ½ xe bao gồm khối lượng thân xe (hay phần khối lượng có giảm
lắc) liên kết với hai khối lượng bánh xe trước và bánh xe sau (hay hai khối

lượng không giảm lắc). Hệ thống treo giữa phần khối lượng có giảm lắc và
hai khối lượng không có giảm lắc được mô phỏng bằng các phần tử lò xo và
giảm chấn tuyến tính, còn lốp xe được mô phỏng bằng một lò xo tuyến tính.

2.1.2.

Phương trình trạng thái
Giả thiết rằng lốp xe không tách rời khỏi mặt đường và các thông số zs,

zuf, zur có thể đo được từ vị trí cân bằng tónh. Độ cứng của lò xo trong hệ
thống treo và độ cứng của lốp xe là tuyến tính trong khoảng hoạt động của
nó. Từ sơ đồ mô hình trong hình 2.2.
™ Xét phần khối lượng ms ta có sơ đồ phân tích lực tác động như sau:

GVHD: TS. Bùi Trọng Hiếu

23

HVTH: Hồng Ngọc Trung


Luận văn thạc só

Chương 6

Áp dụng định luật II Newton ta có các phương trình chuyển động như
sau:
ms &z&s = − k sf ( z sf − zuf ) − bsf ( z& sf − z&uf ) + u f − k sr ( z sr − zur ) −
− bsr ( z& sr − z&ur ) + u r

Jθ&& = k sf ( z sf − zuf )l f + bsf ( z& sf − z&uf )l f − u f l f − k sr ( z sr − zu )lr −
− bsr ( z&sr − z&ur )lr + u r lr

(2.1)

(2.2)

™ Xét phần khối lượng muf ta coù:
muf &z&uf = k sf ( z sf − z uf ) + bsf ( z& sf − z&uf ) − u f − k tf ( z uf − z rf )

(2.3)

™ Tương tự với phần khối lượng mur ta coù:
mur &z&ur = k sr ( z sr − z ur ) + bsr ( z& sr − z&ur ) − u r − k tr ( z ur − z rr )

(2.4)

Chọn biến trạng thái xp với xp = [x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8]T nhö sau:
x1 = z sf − zuf : độ lệch hệ thống treo trước

x2 = z& s

: vận tốc tuyệt đối của khối lượng có giảm lắc

x3 = θ&

: vận tốc góc của khối lượng có giảm lắc

x4 = z sr − zur : độ lệch hệ thống treo sau
x5 = zuf − z rf : độ lệch lốp trước

x6 = zur − z rr : độ lệch lốp sau
x7 = z&uf

: vận tốc của khối lượng không có giảm lắc trước

x8 = z&ur

: vận tốc của khối lượng không có giảm lắc sau

Vì góc θ nhỏ nên ta có:

GVHD: TS. Bùi Trọng Hiếu

24

HVTH: Hồng Ngọc Trung


Luận văn thạc só

Chương 6

z sf = z s − l f θ ⇒ z& sf = z& s − l f θ&

(2.5)

z sr = z s + lrθ ⇒ z&sr = z&s + lrθ&

(2.6)

và

Thế vào các công thức chuyển động trên ta được:
x&1 = z& sf − z&uf = x2 − l f x3 − x7

x& 2 = −

k sf
ms

bsf

x1 −

ms

( x2 − l f x3 − x7 ) +

k
1
u f − sr x4 −
ms
ms

b
1
− sr ( x2 + lr x3 − x8 ) +
ur
ms

ms

x& 3 =

l f k sf
J

x1 +

l f bsf
J

( x 2 − l f x3 − x7 ) −

uflf
J

− lr

k sr
x4 −
J

b
ul
− l r sr ( x 2 + l r x3 − x8 ) + r r
J
J

x& 4 = z&sr − z&ur = z&s + lrθ& − z&ur = x2 + lr x3 − x8

(2.7)

(2.8)

(2.9)

x&5 = z&uf − z&rf = x7 − z& rf

(2.10)

x& 6 = x8 − z&rr

(2.11)

x& 7 =

x&8 =

k sf
muf

x1 +

bsf
muf

( x2 − l f x3 − x7 ) −

k

1
u f − tf x5
muf
muf

k sr
b
k
1
x4 + sr ( x2 + lr x3 − x8 ) −
u r − tr x6
mur
mur
mur
mur

(2.12)

(2.13)

™ Sau cùng lập được các phương trình không gian trạng thái tuyến tính như

sau:

GVHD: TS. Bùi Trọng Hiếu

25

HVTH: Hồng Ngọc Trung