MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.. 1
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TREO.. 3
1.1.Hệ thống treo trên ô tô…………………………………………………….3
1.1.1. Công dụng…………………………………………………………….3
1.1.2. Yêu cầu……….……………………………………………………….4
1.2.Các chỉ tiêu đánh giá hệ thống treo………………...……………………...4
1.2.1. Chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu…………………………………………..5
1.2.2. Chỉ tiêu về an toàn chuyển động và tải trọng tác dụng xuống nền đường…………………………………………………………………….......6
1.3. Cấu tạo chung hệ thống treo……………………………………………...8
1.3.1. Bộ phận đàn hồi…………………………… ………………………...8
1.3.2. Bộ phận giảm chấn………………………… ………………………...8
1.3.3. Thanh ổn định và các đòn dẫn hướng...…… ………………………...9
1.3.4. Các chi tiết phụ.…………………………… ………………………....9
1.4. Phân loại hệ thống treo…………………………………………….........10
1.4.1. Hệ thống treo phụ thuộc………………… ……………………….....10
1.4.2. Hệ thống treo độc lập…………………… ……………………….....10
CHƯƠNG 2
PHÂN TÍCH KẾT CẤU HỆ THỐNG TREO.. 12
2.1. Các khái niệm cơ bản................................................................................12
2.1.1. Khối lượng được treo và không được treo..........................................12
2.1.2. Hệ thống treo bị động, tích cực và bán tích cực..................................13
2.2. Hệ thống treo bị động……………………………………………………15
2.2.1. Phân loại hệ thống treo bị động……………………………………...15
2.2.2. Phần tử dẫn hướng…………………………………………………..16
2.2.3. Phần tử đàn hồi………………………………………………………19
2.2.4. Phần tử ổn định……………………………………………………...20
2.2.4. Phần tử giảm chấn…………………………………………………...21
2.3. Giảm chấn bán tích cực và vai trò của nó.………………………………26
2.3.1. Giảm chấn thủy lực điều khiển điện tử……………………………...26
2.3.2. Giảm chấn lưu biến từ MR…………...……………………………...28
2.4. Các nguyên tắc điều khiển hệ thống treo..………………………………38
2.4.1. Phương pháp điều khiển dập tắt dao động khối lượng phần treo…....38
2.4.2. Phương pháp điều khiển dập tắt dao động khối lượng phần không treo….............................................................................................................39
2.4.3. Phương pháp điều khiển kết hợp …………...…………………….....40
CHƯƠNG 3
KHẢO SÁT HỆ THỐNG TREO BỊ ĐỘNG.. 42
3.1. Khảo sát các thông số ảnh hưởng tới độ êm dịu và an toàn chuyển động của ô tô với mô hình 1/2 xe………………………………………………….42
3.1.1. Các giả thiết.........................................................................................42
3.1.2. Tính toán các thông số cơ bản của hệ thống treo……………………44
3.1.3. Thiết lập phương trình vi phân dao động……………………………44
3.1.4. Mô tả toán học mặt đường…………………………………………..47
3.1.5. Áp dụng không gian trạng thái giải PTVP dao động………………..48
3.1.6. Khảo sát các thông số ảnh hưởng dựa trên ĐTTSBĐ…...…………..50
3.2. Nghiên cứu giải pháp điều khiển hệ thống treo bán tích cực……………57
3.2.1. Cơ sở lý thuyết điều khiển…………………………………………..57
3.2.2. Các phương pháp điều khiển………………………………………...60
3.2.3. Điều khiển tối ưu, xây dựng mô hình khảo sát hệ thống treo điều khiển bán tích cực dựa trên giải pháp điều khiển tối ưu…………………...63
3.3. Khảo sát các thông số ảnh hưởng dựa trên ĐTTSBĐ……...……………71
3.3.1. Xác định hàm truyền của hệ thống…………..………………………71
3.3.2. Mô phỏng hệ thống treo bán tích cực với giải pháp điều khiển tối ưu………………………………...................................................................72
3.3.3. Luật điều khiển bán tích cực…………………...…………………...75
3.3.4. Kết quả và nhận xét…………………………….…………………...76
CHƯƠNG 4
KHẢO SÁT HỆ THỐNG TREO TRÊN MÔ HÌNH THỰC.. 79
4.1. Giới thiệu chung về mô hình…………………………………………….79
4.1.1. Thiết kế cơ khí……………………………………………………….79
4.1.2. Đối tượng điều khiển………………………………………………...80
4.2. Phần thiết kế điều khiển…………………………………………………82
4.2.1. Mạch điện tử………………………………………………………..82
4.2.2. Giải thuật - Lưu đồ chương trình……………………………………91
KẾT LUẬN.. 98
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………..……………………...99
PHỤ LỤC………………………………………………….…………………100
MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của nền công nghiệp ô tô trên thế giới, Ngành Công nghiệp Ô tô Việt Nam cũng đang từng bước phát triển với nhiều nhà máy được xây dựng, tỷ lệ nội địa hóa của xe ngày càng cao. Tuy nhiên, cũng phải nhìn vào thực tế, chúng ta nhận thấy Ngành Công nghiệp Ô tô của đất nước chúng ta còn quá non trẻ, phát triển thiếu sự đồng bộ với các Ngành Công nghiệp khác, đặc biệt là Ngành Công nghệ Vật liệu. Tỷ lệ nội địa hóa cao nhưng sự nội địa hóa đó chỉ là xét về mặt số lượng còn về mặt chất lượng hay thực chất là các chi tiết, những cụm chi tiết cơ bản và quan trọng chúng ta chưa thể tự sản xuất. Do đó sự đóng góp của Ngành công nghiệp Ô tô cho GDP của Đất nước còn thấp. Một điều đáng nói nữa là chúng ta chưa đào tạo được một đội ngũ kỹ sư và thợ lành nghề để phục vụ cho sự phát triển của Ngành Công nghiệp Ô tô. Đất nước ta với diện tích trồng cao su thuộc vào loại nhất nhì trên thế giới nhưng chúng ta chưa phát huy đươc lợi thế này để phụ vụ cho sự phát triển của Ngành Công nghiệp Ô tô nói riêng, rất nhiều chi tiết làm bằng vật liệu cao su hay có nguồn gốc từ cao su, chúng ta phải nhập khẩu hay chế tạo nhưng chất lượng, tuổi thọ rất thấp.
Trong những năm qua, cùng với sự phát triển của Đất nước, Quân đội ta cũng đang được quan tâm đầu tư phát triển với một số ngành và nhóm ngành được đầu tư để tiến thẳng lên hiện đại. Tuy nhiên tình hình kinh tế của Đất nước còn gặp nhiều khó khăn, nên nhiều loại vũ khí trang bị đã bị xuống cấp mà chưa thể thay mới.
Vũ khí trang bị nói chung và trang bị Xe - Máy nói riêng phần nhiều là chúng ta mua hay được viện trợ từ thời Liên Xô (cũ) và Trung Quốc, hiện nay đã qua nhiều năm sử dụng, nhất là trong thời gian chiến tranh ác liệt. Do đó chất lượng thấp, mức tiêu hao nhiên liệu tăng cao và vấn đề quan trọng là nguồn vật tư cung ứng khan hiến do các nước cung cấp đã ngừng dây chuyền sản xuất.
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của Khoa học và Kỹ thuật, chiến tranh hiện nay đã diễn khác xa so với chiến tranh của Thế kỷ trước. Qua vài cuộc chiến tranh mà Mỹ và các nước trong Khối NATO tiến hành, chúng ta thấy chiến tranh diễn ra với tốc độ nhanh, hỏa lực mạnh và chính xác cao. Độ chính xác của hỏa lực không chỉ về vị trí mà chúng có thể điều chỉnh chính xác cả sức công phá. Để thích ứng với chiến tranh hiện đại diễn biến nhanh đó thì sức cơ động của Quân đội phải nhanh, nhanh chóng khi triển khai và cơ động tới vị trí khác.
Sức cơ động của Quân đội ta vẫn phần nhiều là bằng ô tô, thêm vào đó hiện nay đã có nhiều Đề tài cải tiến và lắp đạt một số loại hỏa lực trên xe ô tô. Do vậy yêu cầu của ô tô hiện nay là phải chạy với tốc độ cao, độ êm dịu tốt cùng với đó là bảo đảm an toàn cho người và hàng hóa trên xe. Hệ thống treo bị động hiện đang lắp trên các nhiều loại ô tô khó có thể đáp ứng được điều trên. Vì thế việc nghiên cứu, cải tiến hệ thống treo là yêu cầu cần thiết.
Đề tài “Nghiên cứu giải pháp điều khiển hệ thống treo bán tích cực” sẽ đáp ứng được yêu cầu đó. Trong đồ án này, đối tượng nghiên cứu là hệ thống treo xe GAZ-66, là cơ sở cho việc nghiên cứu chung các loại xe khác. Nội dung của đồ án ngoài phần mở đầu, kết luận được trình bày trong 04 chương. Để hiểu chung về hệ thống treo, phần chương một sẽ giới thiệu chung về hệ thống treo trên ô tô. Nội dung phần chương hai sẽ phân tích kết cấu của hệ thống treo trên xe GAZ- 66. Khảo sát hệ thống treo bị động, từ đó đề xuất phương án điều khiển là nội dung phần chương ba. Trong chương bốn sẽ tiến hành xây dựng và khảo sát trên mô hình thực 1/4 xe để có được kết quả khách quan.
CHƯƠNG I
GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG TREO
Nội dung chính trong chương này là nêu lên công dụng, yêu cầu chung, phân loại của hệ thống treo trên ô tô, đồng thời chỉ rõ công dụng, cấu tạo và yêu cầu của từng phần tử . Đưa ra các chỉ tiêu đánh giá hệ thống treo.
1.1. Công dụng và yêu cầu của hệ thống treo trên ô tô
1.1.1. Công dụng
Hệ thống treo ở đây được hiểu là hệ thống liên kết mềm giữa bánh xe và khung xe hoặc vỏ xe.
Mối liên kết treo của xe là mối liên kết đàn hồi có công dụng chính sau đây:
+ Trong lúc xe chạy, hệ thống treo cùng với các lốp xe sẽ tiếp nhận và làm tắt các dao động, rung động và chấn động do mặt đường không bằng phẳng, để bảo vệ hành khách và hàng hóa, làm cho xe chạy ổn định hơn.
1.1.2. Yêu cầu
Trên hệ thống treo, sự liên kết giữa bánh xe và khung vỏ cần thiết phải mềm nhưng cũng phải đủ khả năng để truyền lực, quan hệ này được thể hiện ở các yêu cầu chính sau đây:
+ Hệ thống treo phải phù hợp với điều kiện sử dụng theo tính năng kỹ thuật của xe (xe chạy trên đường tốt hay xe chạy trên các loại đường khác nhau, hay đường đồi núi, xe du lịch hay chở hàng, chở vật liệu…).
+ Bánh xe có thể chuyển dịch trong một giới hạn nhất định.
1.2. Phân loại hệ thống treo
Có nhiều tiêu chí để phân loại hệ thống treo, tuy nhiên một cách tổng quát, theo quan điểm điều khiển, hệ thống treo trên ô tô gồm hai loại đó là hệ thống treo không có điều khiển (loại bị động) và hệ thống treo có điều khiển.
1.2.1. Phân loại hệ thống treo có điều khiển
Hệ thống treo có điều khiển có thể phân loại như sau:
+ Theo mức độ điều khiển : hệ thống treo bán tích cực ; hệ thống treo tích cực; hệ thống treo thích nghi.
+ Theo kỹ thuật điều khiển: điều khiển ON/OFF ; Điều khiển tỉ lệ vi phân, tích phân PID ; điều khiển thông minh....
+ Theo tín hiệu phản hồi: điều khiển theo phản hồi trạng thái; điều khiển theo phản hồi tín hiệu ra.
1.2.2. Phân loại hệ thống treo bị động
Theo đặc điểm kết cấu, hệ thống treo bị động được chia thành ba nhóm chính gồm: hệ thống treo phụ thuộc, hệ thống treo độc lập và hệ thống treo cân bằng.
a) Hệ thống treo phụ thuộc
Cả hai bánh xe được đỡ bằng một hộp cầu xe hoặc dầm cầu xe. Vì thế cả hai bánh cùng chuyển động với nhau.
Loại hệ thống treo này có những đặc tính sau:
+ Cấu tạo đơn giản, ít chi tiết, vì thế dễ bảo dưỡng.
+ Có độ cứng vững để chịu được tải nặng.
+ Khi xe vào đường vòng, thân xe ít bị nghiêng.
b) Hệ thống treo độc lập
Mỗi bánh xe được lắp trên một tay đỡ riêng, gắn vào thân xe. Vì vậy bánh xe bên trái và bên phải chuyển động độc lập với nhau.
Loại hệ thống treo độc lập này có những đặc tính sau:
+ Khối lượng không được treo nhỏ nên xe chạy êm hơn.
+ Các lò xo không liên quan đến việc định vị bánh xe, vì thế có thể sử dụng các lòxo mềm.
1.3. Cấu tạo chung hệ thống treo
Hệ thống treo trên ô tô hiện nay rất đa dạng và chúng thường được cấu tạo bởi các bộ phận sau.
1.3.1. Bộ phận đàn hồi
Là bộ phận nối mềm giữa bánh xe và thùng xe, làm giảm nhẹ các tải trọng động tác dụng từ bánh xe lên khung, đảm bảo độ êm dịu cần thiết khi di chuyển nhằm biến đổi tần số dao động cho phù hợp với cơ thể con người (khoảng 60 – 80 lần/phút).
Bộ phận đàn hồi có thể bố trí khác nhau trên xe nhưng nó cho phép bánh xe có thể dịch chuyển theo phương thẳng đứng.
1.3.2. Bộ phận giảm chấn
Trên xe ôtô giảm chấn được sử dụng với các mục đích sau:
+ Giảm và dập tắt các va đập truyền lên khung khi bánh xe lăn trên nền đường không bằng phẳng nhằm bảo vệ được bộ phận đàn hồi và tăng tính tiện nghi cho người sử dụng.
+ Đảm bảo dao động của phần không treo (unsprung) ở mức độ nhỏ nhất, nhằm làm tốt sự tiếp xúc của bánh xe với mặt đường đảm bảo tính năng lái và tăng tốc cũng như chuyển động an toàn.
Năng lượng dao động của thân xe và của bánh xe được hấp thụ bởi các giảm chấn trên cơ sở biến cơ năng thành nhiệt năng. Có các loại giảm chấn sau:
+ Theo tỉ số của hệ số cản Kn trong hành trình nén (lúc lốp tiến gần khung) và hệ số cản Kt trong hành trình trả (lúc lốp đi xa khung). Theo đặc điểm này giảm chấn thuỷ lực được chia thành loại tác dụng hai chiều có đường đặt tính đối xứng (Kn=Kt) và đường đặc tính không đối xứng (Kn < Kt) và loại tác dụng một chiều Kn≈0
+ Có hay không van giảm tải.
Phổ biến nhất hiện nay là loại giảm chấn hai chiều có đường đặc tính không đối xứng và có van giảm tải. Trường hợp này lực cản giảm chấn trong hành trình nén tăng chậm hơn trong hành trình trả.
1.3.4. Các chi tiết phụ
Trên xe con các vấu cao su thường được đặt kết hợp trong vỏ của giảm chấn vừa tăng cứng vừa hạn chế hành trình của piston nhằm hạn chế hành trình làm việc của bánh xe. Ngoài ra còn có đệm cao su cũng có tác dụng giảm chấn.
1.4. Các chỉ tiêu đánh giá hệ thống treo
Khi ô tô chuyển động trên đường dao động xuất hiện trong toàn bộ hệ thống của xe dưới tác động kích thích của các mấp mô biên dạng đường. Dao động của ô tô ảnh hưởng đến bản thân người lái và hành khách, hàng hoá chuyên chở trên xe, độ bền, tuổi thọ của các kết cấu ô tô.
Khi nói đến dao động của ô tô theo quan điểm của chế độ sử dụng thì: độ êm dịu chuyển động của ô tô có thể hiểu là tập hợp các tính chất đảm bảo hạn chế các tác động của dao động có ảnh hưởng xấu tới con người, hàng hoá và các kết cấu của ô tô.
1.4.1. Chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động
Dựa vào các công trình nghiên cứu của nước ngoài và các tài liệu của viện khoa học kĩ thuật bảo hộ lao động Việt Nam, đưa ra một số chỉ tiêu đặc trưng cho độ êm dịu chuyển động của ô tô như sau:
a) Chỉ tiêu về tần số
Con người khi tham gia vào giao thông cũng là một hệ dao động, “đi lại” là hoạt động thường xuyên của con người đã trở thành một thói quen. Khi con người đi lại tương đương với hệ thực hiện dao động, tuỳ thuộc vào hình dáng, trọng lượng riêng, thói quen từng người mà số lần bước trong một phút thường trong khoảng
b) Chỉ tiêu về gia tốc dao động
Chỉ tiêu này được xác định dựa trên cơ sở trị số bình phương trung bình của gia tốc theo các phương X, Y, Z. Các số liệu trên có thể xem là gần đúng để đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô, bởi vì nó dựa trên cơ sở số liệu thống kê. Mặt khác, điều quan trọng hơn là dao động ô tô truyền cho con người thực chất là tác động ngẫu nhiên với dải tần số rộng và phức tạp cả theo hướng tác dụng.
1.4.2. Chỉ tiêu về an toàn chuyển động và tải trọng tác dụng xuống nền đường
Theo quan điểm về an toàn chuyển động (xét theo khía cạnh về tính điều khiển) và tải trọng tác dụng xuống nền đường thì trị số lực tác dụng thẳng đứng giữa bánh xe với đường cũng là thông số quan trọng để đánh giá. Lực động xác định phức tạp hơn vì nó phụ thuộc vào tính chất dao động của ô tô, vận tốc chuyển động và độ mấp mô biên dạng đường.
Đối với hầu hết các loại xe, nhất là đối với xe ô tô quân sự, đều khải chuyển động trên các loại đường khác nhau. Do đó để đáp ứng được các chỉ tiêu về êm dịu và an toàn chuyển động nêu trên, thì hệ thống treo của xe phải thích ứng được với các điều kiện đường thay đổi. Vì vậy cần thiết phải điều khiển hệ thống treo.
CHƯƠNG II
PHÂN TÍCH KẾT CẤU HỆ THỐNG TREO TRÊN ÔTÔ
Để làm cơ sở cho việc nghiên cứu và đề xuất giải pháp điều khiển hệ thống treo, trong chương 2, em phân tích kết cấu của hệ thống treo bị động trên xe GAZ- 66 và cấu tạo của giảm chấn có điều khiển gồm: giảm chấn thủy lực điều khiển điện tử (loại van xoay), giảm chấn loại MR.
2.1. Hệ thống treo xe GAZ-66
2.1.1. Giới thiệu chung về xe GAZ- 66
Xe GAZ- 66 với công thức bánh xe 4x4, là loại ôtô tải hạng trung, được sản xuất từ năm 1964 tại nhà máy ôtô Gorki (Liên Xô). Các thế hệ trước đó gồm: GAZ-51, GAZ-53. Trước đây xe GAZ-66 là phương tiện vận chuyển chính cho bộ binh cơ giới của quân đội Liên Xô. Nó rất phổ biến với lực lượng vũ trang của nhiều nước trong đó có Việt Nam. Hiện nay xe GAZ-66 vẫn còn được sử dụng rộng rãi ở nước ta, đặc biệt là trong lĩnh vực Quân sự.
2.1.1. Đặc tính chiến kỹ thuật của xe GAZ - 66
Các thông số kĩ thuật cơ bản của xe GAZ-66 được chỉ ra trong bảng.
2.1.2. Phân tích kết cấu hệ thống treo xe GAZ-66
Hệ thống treo xe GAZ-66 với hai cầu trước và sau đều là treo phụ thuộc, sử dụng loại nhíp nửa elip. Trên hình 2.3, thể hiện cấu tạo của hệ thống treo trước.
a) Kết cấu nhíp
Để tăng độ bền lâu thì tất cả các lá nhíp đều được nhiệt luyện ở mặt trên. Để tránh xê dịch các lá nhíp với nhau người ta sử dụng bu lông giữa và 4 đai nhíp. Các đai nhíp được tán chặt vào 1 trong các lá nhíp và được bắt chặt bằng các bu lông.
b) Kết cấu giảm chấn
+ Cấu tạo giảm chấn:
Giảm chấn ống thuỷ lực bao gồm hai lớp vỏ, vỏ trong cùng và vỏ ngoài có dạng hình trụ. Vỏ trong là một xi lanh thuỷ lực có độ bóng cao làm giảm tổn hao ma sát giữa pít tông và xi lanh. Ở đuôi của xi lanh thuỷ lực có một cụm van nén. Bao quanh lớp vỏ trong là lớp vỏ ngoài, không gian giữa hai lớp vỏ là khoang bù thể tích chất lỏng.
2.2. Giảm chấn bán tích cực và vai trò của nó đối với hệ thống treo bán tích cực
Vấn đề trung tâm của hệ thống treo bán tích cực là bộ điều khiển giảm chấn bán tích cực. Mô hình của giảm chấn bán tích cực là yếu tố quyết định tới việc phân loại và phân tích hệ thống treo. Trong nhiều ứng dụng thực tế, đặc tính của giảm chấn sinh ra là phi tuyến, chúng cần phải được nghiêm cứu kỹ ở dạng mô hình để được kết quả thực tế.
2.2.1. Giảm chấn thủy lực điều khiển điện tử kiểu van xoay
Giảm chấn này có một động cơ điện một chiều gắn trên đỉnh giảm chấn và được điều khiển bằng bộ xử lý điện tử trung tâm để xoay cần piston, tạo ra các trạng thái làm việc khác nhau. Thực chất sự thay đổi hệ số cản giảm chấn dựa trên nguyên tắc thay đổi tiết diện của các lỗ tiết lưu.
2.2.1. Giảm chấn lưu biến từ MR
Giảm chấn lưu biến từ (MRD) là một trong số những giảm chấn bán tích cực có triển vọng phát triển nhất để sử dụng trong kỹ thuật ô tô ngày nay. Điều cốt yếu của MRD là chất lỏng lưu biến từ, một dạng đặc biệt của chất lỏng. Đặc tính lưu biến của nó có thể thay đổi theo cường độ từ trường bên ngoại đặt vào, bằng việc điều khiển cường độ từ trường có thể tạo ra sự thay đổi của hệ số dập tắt dao động của giảm chấn.
2.3. Các nguyên tắc điều khiển hệ thống treo
2.3.1. Phương pháp điều khiển dập tắt dao động phần khối lượng được treo
Đây là phương pháp điều khiển hiệu quả vì nó dập tắt dao động của hệ thống với một tốc độ nhanh. Ta hãy tưởng tượng có một giảm chấn nối phần khối lượng được treo với một điểm nào đó trên không trung (bên trái).
2.3.2. Phương pháp điều khiển dập tắt dao động phần khối lượng không được treo
Trong phương pháp này, một giảm chấn bán tích cực nối giữa phần khối lượng không được treo và một điểm cố định, trường hợp này là một điểm ở mặt đường. Phương pháp này dập tắt dao động khi nó chưa truyền lên khung xe.
Trong chương tiếp theo, nội dung là tiến hành xây dựng mô hình khảo sát đối với hệ thống treo bị động. Nghiên cứu cơ sở về lý thuyết điều khiển, từ đó nghiên cứu giải pháp điều khiển hệ thống treo bán tích cực.
CHƯƠNG III
KHẢO SÁT DAO ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TREO BỊ ĐỘNG
Với mỗi hệ thống bất kỳ, trước khi tiến hành khảo sát, chúng ta cần nghiên cứu kỹ các tiêu chí đánh giá chất lượng của hệ thống. Với hệ thống treo các tiêu chí đó là độ êm dịu và độ an toàn chuyển động. Trong chương 3 này, em xin phép được khảo sát dao động của hệ thống treo bị động với mô hình 1/2 xe. Từ đó nghiên cứu đề xuất giải pháp điều khiển hệ thống treo bán tích cực.
3.1. Khảo sát các thống số ảnh hưởng đến độ êm dịu và an toàn chuyển động của ô tô hai cầu với mô hình 1/2
3.1.1. Các giả thiết
Dao động của một vật rắn trong không gian có sáu bậc tự do: ba bậc tự do tịnh tiến theo các trục: X, Y, Z và ba bậc tự do quay quanh các trục đó.Tuy nhiên trong thực tế khảo sát dao động của ô tô ở mô hình 1/2 người ta thấy thường chỉ có hai dao động có tác động lớn nhất đến con người và hàng hoá trên xe, đó là dao động tịnh tiến theo trục thẳng đứng z và dao động góc quanh trục Y. Từ đó ta có các giả thiết.
- Trọng tâm của xe nằm trong mặt phẳng đối xứng dọc xe.
- Không xét ảnh hưởng các tác động ngang và dọc của đường lên dao động khối lượng của xe
- Các đặc tính đàn hồi giảm chấn là tuyến tính.
- Đường tâm trục cầu xe dao động trong các mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng đối xứng dọc xe.
Ta có:
+ a, b : Khoảng cách từ trọng tâm xe đến tâm cầu trước và tâm cầu sau.
+ L : Chiều dài cơ sở của xe.
+M, m1, m2: Khối lượng phần treo, khối lượng phần không treo trước, khối lượng phần không treo sau [kg].
+CTt, CTs : Hệ số cứng trước và sau của treo [N/m].
+KTt, KTs : Hệ số cản của giảm chấn [Ns/m].
+CLt,CLs : Độ cứng của lốp xe trước và sau [N/m].
+KLt,KLs : Hệ số cản của lốp trước và sau [Ns/m].
+z0t , z0s : Độ cao mấp mô mặt đường [m].
3.1.2. Tính toán các thông số cơ bản của hệ thống treo
Ta cần tiến hành tính toán các thông số cơ bản của hệ thống treo như: Tần số dao động riêng của khối lượng phần treo, tần số dao động riêng của khối lượng phần không treo, hệ số dập tắt dao động của thân xe cũng như hành trình tĩnh hành trình động của bánh xe.
3.1.5. Áp dụng không gian trạng thái giải phương trình vi phân dao động
Trạng thái của một hệ thống là tập hợp nhỏ nhất các biến (gọi là biến trạng thái) mà nếu biết giá trị của các biến này tại thời điểm và biết các tín hiệu vào tại thời điểm. Ta hoàn toàn có thể xác định được đáp ứng của hệ thống tại mọi thời điểm. Vì vậy đây là một phương pháp rất thuận lợi cho việc xây dựng đặc tính tần sô biên độ của hệ thống.
Bằng cách sử dụng các biến trạng thái, ta có thể chuyển phương trình vi phân bậc n mô tả hệ thống thành hệ gồm n phương trình vi phân bậc nhất (hệ phương trình trạng thái).
Từ hình trên cho thấy ảnh hưởng của tỷ số khối lượng không treo và treo tác động lên chuyển dịch phần khối lượng treo. Ở vùng cộng hưởng tần số thấp sự thay đổi rất ít ảnh hưởng tới chuyển dịch phần khối lượng treo hay có nghĩa là sự thay đổi của tỷ số m/M sẽ không làm thay đổi tới khả năng cách ly dao động của khối lượng phần treo.
3.2. Nghiên cứu giải pháp điều khiển hệ thống treo bán tích cực
3.2.1. Cơ sở lý thuyết điều khiển
Điều khiển là quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin và tác động lên hệ thống để đáp ứng của hệ thống “gần” với mục đích định trước. Điều khiển tự động là quá trình điều khiển không có sự tác động của con người. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển.
a) Các nguyên tắc điều khiển
+ Nguyên tắc thông tin phản hồi
Muốn hệ thống điều khiển có chất lượng cao thì bắt buộc phải có phải hồi thông tin, tức là phải đo lường được các tín hiệu từ đối tượng.
*Các sơ đồ điều khiển dựa trên nguyên tắc phản hồi thông tin:
- Sơ đồ điều khiển bù nhiễu;
- Sơ đồ điều khiển san bằng sai lệch;
- Sơ đồ điều khiển phối hợp.
+ Nguyên tắc đa dạng tương xứng
Muốn quá trình điều khiển có chất lượng thì sự đa dạng của bộ điều khiển phải tương xứng với sự đa dạng của đối tượng. Tính đa dạng của bộ điều khiển thể hiện ở khả năng thu thập thông tin, lưu trứ thông tin, truyền tin, phân tích sử lý, chọn quyết định,...
+ Nguyên tắc dự trữ
Vì nguyên tắc 3 luôn coi thông tin chưa đầy đủ phải đề phòng các bất trác xảy ra và không được dùng toàn bộ lực lượng trong điều kiện bình thường. Vốn dự trữ không sử dụng, nhưng cần để đảm bảo hệ thống vận hành an toàn
+ Nguyên tắc phân cấp
Một hệ thống điều khiển phức tạp cần xây dựng nhiều lớp điều khiển bổ sung cho trung tâm. Cấu trúc phân cấp thường sử dụng là cấu trúc hình cây.
Đa số hệ thống điều khiển có thể chia 3 cất:
- Cấp thực thi: điều khiển thiết bị, đọc tín hiệu từ cảm biến.
- Cấp phối hợp;
b) Phân loại hệ thống điều khiển
+ Dựa trên mô tả toán học của hệ thống
- Hệ thống liên tục: hệ thống liên tục được mô tả bằng phương trình vi phân.
- Hệ thống rời rạc: hệ thống được mô tả bằng phương trình sai phân.
- Hệ thống tuyến tính: hệ thống được mô tả bởi hệ phương trình vi phân/ sai phân phi tuyến.
+ Dựa trên số ngõ vào – ngõ ra của hệ thống
- Hệ thống một ngõ vào – một ngõ ra: hệ SISO ( Single Input – Single Output).
- Hệ thống nhiều ngõ vào – nhiều ngõ ra: hệ MIMO (Multi Input – Multi Output).
- Hệ thống kết hợp: có thể là SIMO hoặc MISO.
+ Dựa theo chiến lược điều khiển
Mục tiêu điều khiển thường gặp nhất là sai số giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào chuẩn càng nhỏ càng tốt. Tùy theo dạng tín hiệu vào mà ta có các dạng điều khiển sau:
- Điều khiển ổn định hóa: nếu tín hiệu chuẩn r(t) = const.
- Điều khiển theo chương trình: tín hiệu vào r(t) là hàm thay đổi theo thời gian nhưng đã biết trước.
3.2.2. Các phương pháp điều khiển
a) Các phương pháp điều khiển thông thường
+ Các phương pháp điều khiển kinh điển
Bao gồm các phương pháp điều khiển đơn giản nhưng có cơ sở toán học chặt chẽ. Sử dụng các công thức toán học để phân tích và thiết kế hệ thống cho phép bảo đảm tính ổn định và bền vững. Thông thường không hiệu quả khi điều khiển hệ phi tuyến.
+ Các PP điều khiển hiện đại
- Điều khiển tối ưu:
Một hệ điều khiển được thiết kế ở chế độ làm việc tốt nhất là hệ luôn ở trạng thái tối ưu theo một tiêu chuẩn chất lượng nào đó (đạt được giá trị cực trị ). Trạng thái tối ưu có đạt được hay không tùy thuộc vào yêu cầu chất lượng đặt ra, vào sự hiểu biết về đối tượng và các tác động lên đối tượng, vào điều kiện làm việc của hệ điều khiển …
- Điều khiển bền vững:
Hệ thống điều khiển bền vững làm cho chất lượng của sản phẩm ổn định, không phụ thuộc vào sự thay đổi của đối tượng cũng như của nhiễu tác động lên hệ thống. Mục đích của điều khiển bền vững là chất lượng vòng kín được duy trì mặc dù có những sự thay đổi trong đối tượng.
- Điều khiển mờ:
Bộ điều khiển logic mờ điều khiển hệ thống treo cũng giống như các bộ điều khiển logic mờ khác hoạt động theo ba bước cơ bản gồm:
Mờ hóa: chuyển các giá trị của biến trạng thái sang biến ngôn ngữ, thông qua hàm liên thuộc xác định hàm trọng lượng.
Suy luận mờ: các biến ngôn ngữ gán cho đầu ra của hệ thống được xác định nhờ bộ quy tắc chuẩn với chỉ tiêu của phiến hàm chất lượng.
b) Các phương pháp điều khiển thông minh
Sử dụng nhiều cách tiếp cận tính toán thông minh nhân tạo khác nhau như mạng Neuron, Xác suất Bayesian, logic mờ, máy học, lập trình tiến hóa và giải thuật di truyền để điều khiển một hệ thống động lực.
Có thể phân loại như sau:
- Trí tuệ nhân tạo và hệ chuyên gia.
- Giải thuật di truyền.
3.2.3. Điều khiển tối ưu, xây dựng mô hình khảo sát hệ thống treo điều khiển bán tích cực dựa trên giải pháp điều khiển tối ưu.
Trong thực tế có một số tham số rất ít biến đổi như: Khối lượng không được treo (cầu xe), độ cứng của lốp (nếu không có hệ thống bơm lốp điều khiển tự động theo hệ số bám)…Như vậy, ta chỉ có thể điều chỉnh được độ cứng và hệ số cản của hệ thống treo.
3.3. Khảo sát các thông số ảnh hưởng dựa trên đặc tính tần số biên độ
3.3.1. Xác định hàm truyền của hệ thống
Đối với hệ thống treo bị động.
Với hệ thống treo bị động hàm truyền đạt từ kích thích là đạo hàm của biên dạng mặt đường q đến đặc tính đầu ra y.
Đối với hệ thống LQR.
Đối với hệ thống LQR với phản hồi âm ta có hàm truyền đạt giữa tín hiệu điều khiển u và các trạng thái x.
3.3.2. Mô phỏng hệ thống treo bán tích cực với giải pháp điều khiển tối ưu và so sánh và hệ thống treo bị động
Sau khi tiến hành khảo sát cơ sở lý thuyết mô hình phẳng tương đương của ô tô hai cầu ta tiến hành xây dựng các đặc tính tần số biên độ.
Mục tiêu cần đạt được là thiết kế bộ điều khiển với mong muốn nâng cao độ êm dịu chuyển động vì vậy trong phiếm hàm chất lượng, chỉ tiêu về gia tốc là quan trọng nhất. Tương ứng với các giá trị bình phương trung bình của các trạng thái như trên thì các hệ số đánh giá chất lượng của hệ thống sẽ có giá trị như sau:
r1=1000 ; r2=10; r3=1000; r4=1;
r5=1000 ; r6=10; r7=1000; r8=1; (3.46)
Ta coi kích thích của biên dạng đường với sai số của các cảm biến đo vận tốc tương đối là hoàn toàn độc lập với nhau do vậy N = [0].
3.2.3. Luật điều khiển bán tích cực
Trong hệ thống điều khiển bán tích cực phản hồi u luôn trái dấu với vận tốc tương đối giữa khối lượng phần treo và phần không treo vì đối tượng điều khiển thực sự là hệ số cản giảm chấn.
3.4. Kết quả và nhận xét
Trên cơ sở đã phân tích lý thuyết, ứng dụng phần mềm Matlap-Simulink tiến hành khảo sát xác định một số tham số tối ưu, đưa ra một số nhận xét sau:
a. Khảo sát trong miền tần số đối với bộ điều khiển LQR (không tính nhiễu đo lường và kích thích).
+ Đặc tính TSBĐ gia tốc phần treo
Trên hình, do không tính đến nhiễu đo lường và kích thích mặt đường mà biên độ giảm nhanh ở vùng cộng hưởng thấp, biên độ gia tốc giảm đáng kể so với hệ thống treo bị động, như vậy với bộ LQR thì độ êm dịu của xe cải thiện đáng kể trong lúc chuyển động.
+ Đặc tính TSBĐ vận tốc tương đối phần treo so với phần không treo (Z2- Z1)/Z0
Từ đồ thị hình 3.21, ta thấy biên độ tăng nhanh ở vùng cộng hưởng tần số thấp và tần số cao nhưng ở khoảng làm việc thì lại không tăng, điều này có thể do vận tốc phần không treo tăng ở vùng cộng hưởng thấp và cao, do gia tốc của nó tăng để dập tắt nhanh dao động.
Để làm cơ sở cho việc nghiên cứu giải pháp điều khiển thực tế. Giả thiết rằng ta đã chuyển được hệ thống treo phụ thuộc của xe GAZ-66 thành hệ thống treo độc lập. Bởi vì bản chất quá trình điều khiển là điều khiển phần tử. Khi một phần tử điều khiển được thì có thể tiến hành điều khiển cả hệ thống. Tiến hành nghiên cứu các giải pháp điều khiển thông thường trên mô hình 1/4.
CHƯƠNG IV
KHẢO SÁT HỆ THỐNG TREO BÁN TÍCH CỰC TRÊN MÔ HÌNH THỰC
Trong chương 3 đã tập trung nghiên cứu giải pháp điều khiển hệ thống treo bán tích cực với bộ điều khiển PID. Với các vấn đề về mặt lý thuyết đã được giải quyết. Trên cơ sở đó, trong chương 4 sẽ tiến hành thiết kế và xây dựng mô hình khảo sát thực tế với dạng mô hình 1/4 xe.
4.1. Giới thiệu chung về mô hình
4.1.1. Phần thiết kế cơ khí
Phần thiết kế cơ khí bao gồm khung đỡ bằng thép, bộ phận tạo dao động bằng trục lệch tâm.
a) Phần khung
Kích thước khung:
- Chiều cao H = 875 mm;
- Chiều rộng B = 600 mm;
- Chiều dài giảm chấn L = 600 mm;
- Đường kính bánh xe R = 600 mm.
Giảm chấn được lắp nghiêng một góc δ = 30, bánh xe được đặt nghiêng một góc γ = 20. Phần khối lượng được treo đặt lên 30 kg.
b) Phần tạo dao động
+ Cơ cấu tạo dao động dạng bậc: sử dụng trục lệch tâm e = 20mm.
Động cơ sử dụng để truyền động là động cơ điện một chiều, công suất Pđm = 250 w, số vòng quay nđc = 150 vg/ph.
4.1.2. Đối tượng điều khiển
Đối tượng điều khiển là loại giảm chấn thủy lực điều khiển điện tử dạng van xoay.
Giảm chấn thủy lực được thiết kế có gắn một động cơ bước phía trong để điều khiển các lỗ tiết lưu.
4.2. Phần thiết kế điều khiển
4.2.1. Mạch điện tử
Hệ thống điện tử được xây dựng trên 1 bảng mạch in chính, và 3 mạch in phụ là 3 modul rời được thiết kế để phù hợp với giải pháp điều khiển dập tắt dao động khối lượng phần treo. Các bản mạch này nối với nhau bằng dây truyền tín hiêu và kết nối với những nguồn điện khác nhau để cách ly xung nhiễu.
a. Nguồn điện
Sử dụng hai loại nguồn điện khác nhau:
- Nguồn xoay chiều 220/50Hz.
Bộ nguồn cho vi điều khiển và các mạch thu nhận tín hiệu từ cảm biến được tách rời so với bộ nguồn cung cấp cho động cơ để hạn chế nhiễu tín hiệu từ động cơ lên hoạt động của vi điều khiển và các cảm biến. Các diode được dùng để tránh shock xung điện về nguồn.
b. Mạch công suất điều khiển động cơ bước
Mạch điều khiển động cơ có điện áp 24V, dòng điện hoạt động 5-10A, dòng điện khởi động tối đa 20A, điều khiển tốc độ bằng PWM với tần số 9.7665 kHz, độ phân giải 10bit/hướng.
c. Mạch điều khiển trung tâm
Giới thiệu vi điều khiển Microchip PIC 18F4550:
Vi điều khiển PIC 18F4550 có dạng chip 40 chân. Chúng được phân biệt với họ
16Fxxx qua bốn đặc điểm:
+ Những thiết bị PIC18FXXX có bộ nhớ chương trình cực nhanh gấp hai lần các laoij chíp PIC16,17 và dữ liệu RAM của những thiết bị PIC18FXXX lần lượt là 32Kb và 1536 byte, 16Kb và 768 byte.
+ Cung cấp kênh 8 A/D 10 bit.
+ PIC18F4XXX cung cấp 5 port I/O.
4.2.2. Giải thuật - Lưu đồ chương trình
Chương trình điều khiển mô hình hệ thống treo được chia ra làm 4 phần như sau:
+Chương trình chính.
+Hai module ngắt cao và thấp.
+Giải thuật điều khiển động cơ và cập nhật tín hiệu từ cảm biến.
+Các chương trình con ứng với từng giải pháp điều khiển cụ thể.
Việc tính toán và thu nhận giá trị các cảm biến trong chương trình con sẽ được thực hiện trong các ngắt. Có nghĩa là khi ngắt hoạt động tại các thời điểm thì chương trình chỉ ưu tiên thực thi chương trình trong ngắt, mà không làm ảnh hưởng đến các thống số khác.
KẾT LUẬN
Qua việc nghiên cứu, có thể khẳng định các giải pháp điều khiển hệ thống treo sẽ nâng cao chất lượng, độ êm dịu, an toàn chuyển động của xe và các loại hàng hoá khi vận chuyển trên đường. Đối các ô tô quân sự, đặc biệt là đối với xe chỉ huy, việc tạo độ êm dịu và an toàn chuyển động là yếu tố quan trọng, đảm bảo cho công tác chỉ huy tác chiến được thuận lợi.
Cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, ngành công nghiệp ô tô đã và đang phát triển mạnh mẽ. Tuy nhiên, các chủng loại ô tô quân sự của ta vẫn chủ yếu là ô tô nhập của Nga và các nước XHCN cũ, đã xuống cấp khá nhiều theo thời gian. Mặt khác, các loại xe vận chuyển, xe chỉ huy của các nước tư bản ngày càng được sử dụng rộng rãi. Vì thế việc nghiên cứu, ứng dụng hệ thống treo điều khiển là một vấn đề cần quan tâm để đáp ứng được những yêu cầu xây dựng quân đội chính quy, tinh nhuệ trong thời gian tới.
Trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp ²Nghiên cứu giải pháp điều khiển hệ thống treo bán tích cực² đã giúp tôi có được phương pháp nghiên cứu một cách khoa học, đồng thời có cơ hội tìm hiểu sâu hơn về hệ thống treo, thấy được những ưu nhược điểm của từng bộ phận trên hệ thống và khả năng áp dụng trong thực tế của hệ thống treo điều khiển.
Trong quá trình làm đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót, do vậy tôi rất mong nhận được sự đóng góp, giúp đỡ của các thầy và bạn đọc để đề tài cuả tôi được hoàn chỉnh hơn.
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn thầy: Tiến sĩ ……………, các thầy trong bộ môn Ô tô, cùng toàn thể các đồng chí trong đơn vị đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm đồ án.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà nội, ngày … tháng … năm 20…
Sinh viên thực hiện
…………….
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.TS Nguyễn Phúc Hiểu, TS Vũ Đức Lập “Lý thuyết ôtô quân sự” NXB QĐND 2002.
2. TS Vũ Đức Lập “Dao động ôtô” HVKTQS 1994.
3. Nguyễn Tăng Cường, Nguyễn Ngọc Bích, Lê Chung, Nguyễn Hữu Thung “Lý thuyết điều khiển tự động” tập 1, HVKTQS – 1998.
4. PGS-TS Nguyễn Tăng Cường, TS Lê Chung, PGS - TS Phạm Ngọc Phúc “Phân tích và tổng hợp điều khiển trong không gian trạng thái”, HVKTQS - 1999.
5. Nguyễn Doãn Phước “Lý thuyết điềuvkhiển tuyến tính” NXB KHKT 2009.
6. Nguyễn Phùng Quang “Matlap & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động” NXB KHKT 2000.
"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"