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

- 1 2 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Đề tài: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG VIỆC TỐI ƯU HÓA THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIẢM XÓC THỤ ĐỘNG CỦA XE KHÁCH Tác giả luận văn: Nguyễn Xuân An Khóa: 2013B Người hướng dẫn: TS Nguyễn Chí Hưng Từ khóa (Keyword): A study on control theory in Design optimization of public transportations passive suspensions A.
- NỘI DUNG TÓM TẮT 1.1 Lý do chọn đề tài Chúng ta đang sống trong một thời đại phát triển vũ bão của khoa học kỹ thuật trong đó phải kể đến sự đóng góp to lớn của ngành cơ điện tử với những ứng dụng từ dân dụng đến các ngành nghề mũi nhọn.
- Cơ điện tử có thể hiểu là sự kết hợp phức hợp của các ngành cơ khí, điện tử, và tin học.
- Phương tiện giao thông đảm trách việc vận chuyển, đi lại của con người, đối với Việt Nam giao thông đi lại phổ biến là xe khách trong các thành phố, tỉnh với nhau.
- Số lượng ô tô trên cả nước đến là 1.428.002 xe đến là 1.448978 chiếc, dự báo theo báo cáo này đến năm 2020, định hướng phát triển phương tiện vận tải gồm ô tô các loại có khoảng 3,2 - 3,5 triệu xe, trong đó xe con 57%, xe khách 14% và xe tải 29%.
- Với số liệu trên chúng ta thấy phương tiện vận tải tăng nhanh về số lượng trong khi đường sá chưa được xây mới, duy tu, bảo dưỡng tương ứng dẫn đến tình trạng quá tải, xuống cấp và hỏng hóc của phương tiện, gia tăng TNGT gây mất mát về người, thất thoát tài sản.
- Trong khi Việt Nam là quốc gia đang phát triển, việc ứng dụng cơ điện tử vào tăng tuổi thọ phương tiện giao thông phù hợp với khả năng kinh tế và điều kiện phát triển thực tế.
- Trong hoạt động của xe, hệ thống giảm xóc có một vai trò quan trọng: giảm chấn động, nâng cao độ êm dịu, tăng độ an toàn của xe, giảm thiểu dao động dọc và ngang.
- Trong các loại giảm xóc, hệ thống giảm xóc thụ động hiện nay vẫn được sử dụng trong hầu hết các loại phương tiện giao thông công cộng tuy khả năng đáp ứng của hệ thống có lúc không tốt do địa hình, bởi chúng có chi phí đầu tư rẻ tiền nhất và khả năng làm việc đáng tin cậy nhất.
- Mặc dù trên thị trường đã có các chủng loại khác như giảm xóc bán chủ động (semi-active suspension system) hoặc giảm xóc chủ động (active suspension system) có khả năng đáp ứng yêu cầu làm việc tốt, nhưng chúng vẫn không thể thay thế hoàn toàn được hệ thống giảm xóc thụ động (passive suspension system) trong các ứng dụng của phương tiện giao thông công cộng với yêu cầu chất lượng đáp ứng vừa phải.
- Hệ thống giảm xóc bị động, chủ động và bán chủ động nằm trong hệ thống treo ô tô nhằm giảm biên độ dao động thẳng đứng của thân xe.
- Hệ thống giảm xóc bị động được thiết kế phụ thuộc vào từng chủng loại mặt đường và các yêu cầu thiết kế cụ thể, nó giới hạn chủng loại đường mà các phương tiện giao thông có thể tham gia bởi hệ thống này có các thông số về độ cứng cũng như cản nhớt cố định, tuy nhiên hệ thống này có một ưu điểm rất lớn đó là nhỏ gọn, chi phí thấp, cũng vì thế nó được sử dụng trên thực tế.
- Trong khi hệ thống treo khác như chủ động hay bán chủ động thì có thể đáp ứng phù hợp cho mọi địa hình và mọi kiểu đường xá, nhưng giá thành sản xuất của hệ thống này rất cao, yêu cầu một hệ thống điều khiển đáp ứng hiện đại.
- Cũng vì thế mà chỉ sử dụng cho một vài mục đích cho xe cao cấp.
- Ngoài ra hệ thống này còn cần một nguồn năng lượng để cung cấp cho hệ thống treo, điều đó cũng không tốt cho những hình thức vận tải thông dụng hiện nay.
- 5 6 Trong việc thiết kế và chế tạo hệ thống giảm xóc thụ động cho xe chở khách hiện tại ở Việt Nam hầu như vẫn chưa được chú trọng một cách hệ thống.
- Việc thiết kế, chế tạo chỉ dựa theo kinh nghiệm đơn lẻ hoặc chúng ta nhập ngoại toàn bộ hệ thống này theo các mẫu chủng loại cố định.
- Trong gia công chế tạo chúng ta lại thiết kế và chế tạo riêng khung sườn xe buýt nên việc đáp ứng của hệ thống giảm xóc nhập ngoại còn nhiều hạn chế.
- Chúng ta nhận thấy trong các phương pháp chế tạo hệ giảm xóc thụ động tiến hành từ trước đến nay theo nguyên tắc 3 điểm thì phương pháp sử dụng H∞ có ưu điểm giảm biên độ rõ rệt ở điểm cực đại.
- Tuy nhiên phương pháp này cũng còn có mặt tồn tại trong thực tế đó là tính kích ứng chưa rõ rệt, hiệu quả làm việc còn chưa cao.
- Xuất phát từ điều kiện thực tế Việt Nam, tác giả chọn đề tài này phù hợp với tình hình thực tế, khả năng của bản thân để từng bước thiết kế chế tạo giảm xóc thụ động cho xe khách.
- Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Chí Hưng và các cộng sự trong Bộ môn Máy và Rô-bôt công nghiệp- Đại học Bách Khoa Hà Nội cũng như bạn bè đồng nghiệp Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội đã nhiệt tình chỉ bảo, giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài này, việc hoàn thành trong một thời gian ngắn trong khi nội dung rộng không tránh khỏi sơ sót, mong các thầy cô bạn bè chỉ bảo để hoàn thiện hơn.
- Để có thể giảm các dao động không mong muốn lên khung xe và truyền trực tiếp đến hành khách thì hầu hết các phương tiện được thiết kế và trang bị bộ giảm xóc.
- Bộ giảm xóc có nhiều kiểu khác nhau.
- Nếu phân loại theo nguyên lý làm việc thì chúng bao gồm bộ giảm xóc thụ động, bán chủ động và chủ động.
- Bộ giảm xóc thụ động thường sử dụng các lò xo và phần tử cản dạng thủy lực hoặc dầu.
- Độ cứng của lò xo và độ cản của phần tử cản thường được xác định ngay trong giai đoạn thiết kế và không thể thay đổi trong quá trính sử dụng.
- 7 8 Với bộ giảm xóc chủ động thì phần tử cản được thay thế bởi một bộ phát động lực nhằm triệt tiêu dao động.
- Trong trường hợp này bộ giảm xóc hoạt động như một hệ dao động cưỡng bức với ngoại lực được xác định phụ thuộc vào tương tác giữa bánh xe và mặt đường.
- Việc này chỉ có thể thực hiện được với việc xây dựng chính xác mô hình cơ học của phương tiện cũng như việc áp dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến.
- Một hệ thống treo thụ động có khả năng lưu trữ năng lượng thông qua lò xo và phân tán nó thông qua một van tiết lưu.
- 1.3 Tóm tắt Theo truyền thống, thiết kế hệ thống treo ô tô đã được thỏa mãn giữa ba tiêu chí mâu thuẫn cụ thể là xử lý đường, tải và sự an toàn của hành khách.
- Hệ thống treo phải hỗ trợ phương tiện, cung cấp hướng kiểm soát sử dụng thao tác xử lý và cung cấp cách ly hiệu quả của hành khách và tải trọng khi vận hành, xe tốt đòi hỏi một hệ thống treo mềm mại, triệt tiêu dao động.
- xử lý tốt đòi hỏi một thiết kế hoàn hảo của hệ thống treo.
- Do những yêu cầu mâu thuẫn nhau, thiết kế hệ thống treo phải tối ưu của hai vấn đề này.
- Một hệ thống treo có giảm xóc thụ động có khả năng lưu trữ năng lượng thông qua một lò xo và tiêu tán nó thông qua hệ thống van tiết lưu.
- Các thông số của nó thường được cố định, được lựa chọn để đạt được một mức độ nhất định tối ưu giữa việc xử lý đường, tải trọng và an toàn.
- Một hệ thống giảm xóc chủ động có khả năng lưu trữ, tiêu tan và điều tiết năng lượng cho hệ thống.
- Có thể thay đổi các thông số của nó phụ thuộc vào mạch điều khiển tự động .Hệ thống treo bao gồm các hệ thống lò xo, giảm xóc và các kết nối bánh vào thân xe.
- Trong ý nghĩa khác, hệ thống treo là một cơ chế vật lý tách thân xe từ bánh xe.
- Chức năng của hệ thống treo xe là để giảm thiểu khả năng tăng tốc tải trọng thẳng đứng truyền trực tiếp cho hành khách, cung cấp sự thoải mái khi đi đường.
- Có ba loại hệ thống treo: thụ động, bán chủ động và hệ thống treo chủ động.
- Hệ thống treo truyền thống bao gồm lò xo và bộ giảm chấn được gọi là giảm xóc thụ động, nếu hệ thống treo được điều khiển bên ngoài được biết đến như một hệ thống treo bán chủ động hoặc chủ động.
- 9 10 Với vấn đề nêu trên, trong đề tài này tác giả thực hiện việc tính toán và thiết kế bộ giảm xóc thụ động với định hướng ứng dụng cho xe buýt được thiết kế và chế tạo tại Việt Nam.
- Trên cơ sở phân tích các phương pháp thiết kế hiện tại, tác giả đề xuất phương pháp thiết kế đơn giản và hiệu quả.
- Dựa vào lý thuyết về hệ dao động và lý thuyết điều khiển tối ưu H-infinity, phương pháp thiết kế này cho phép giảm thời gian tính toán và đưa ra được bộ thông số tối ưu cho bộ giảm xóc.
- Kết quả đạt được có thể ứng dụng nhằm phát triển và nâng cao chất lượng xe buýt được sản xuất tại Việt Nam.
- Kết quả của đề tài được thưc hiện với các nội dung chính như sau.
- Xây dựng mô hình cho bài toán thiết kế phù hợp với điều kiện giao thông Việt Nam.
- Xây dựng thuật toán nhằm sử dụng lý thuyết điều khiển để tối ưu hóa các thông số của bộ giảm xóc thụ động.
- Sử dụng lý thuyết điều khiển để tối ưu các thông số trong hệ thống điều khiển.
- Mô phỏng, đánh giá hiệu quả và khả năng ứng dụng của đề tài.
- 1.4 Phương pháp nghiên cứu a) Nhận biết được hoạt động giảm xóc thụ động của thành phần hệ thống treo - Nghiên cứu Tài liệu về hệ thống treo chủ động và thụ động - Xác định các loại thành phần hệ thống treo thụ động.
- Nghiên cứu tổng thể về kiểm soát tín hiệu b) Mô hình hóa hệ thống giảm xóc và thiết lập mô hình toán học giảm xóc thụ động - Bằng cách sử dụng định luật vật lý từ các thành phần hệ thống treo xây dựng mô hình phương trình không gian của xe.
- Sử dụng các phương trình ma trận cho trước xây dựng phương trình không gian trạng thái.
- c) Thực hiện điều khiển LQR vào hệ thống.
- Rà soát tài liệu về kỹ thuật điều khiển.
- Sử dụng LQR để so sánh hiệu suất đầu ra so sánh với giảm xóc thụ động d) Mô phỏng máy tính 11 12 - Biến đổi các phương trình không gian thành sơ đồ SIMULINK.
- Mô phỏng điều khiển bằng sử dụng MATLAB / Simulink.
- Nhận xét, đánh giá từ kết quả đó 1.5 Kết luận Đề tài này tập trung vào việc ứng dụng lý thuyết điều khiển phản hồi trong việc thiết kế hệ giảm xóc thụ động cho phương tiện giao thông công cộng (xe buýt).
- Mục đích của việc thiết kế là dập tắt các đỉnh cường độ của đường phản hồi tần số của thân xe tại tần số cộng hưởng.
- Mục tiêu đạt được là hiệu năng của hệ thống thiết kế dựa trên lý thuyết điều khiển tốt hơn khá nhiều so với hệ thống thiết kế bằng phương pháp cổ điển.
- Áp dụng lý thuyết điều khiển phản hồi trong thiết kế hệ thống giảm xóc thụ động của xe buýt là một trong những giải pháp có thể tránh được các hạn chế của phương pháp cổ điển.
- Trong ứng dụng này, thiết kế hệ giảm xóc thụ động tương tự như bài toán thiết kế bộ điều khiển với cấu trúc phân cấp và các ràng buộc thêm vào trong sự đối xứng của phương tiện và giới hạn của thông số thiết kế.
- Do đó, rất nhiều vấn đề khó khăn trong hệ thống cơ khí thụ động có thể vượt qua trong khuôn khổ của lý thuyết điều khiển cấu trúc.
- Ưu điểm của việc ứng dụng lý thuyết điều khiển trong thiết kế hệ giảm xóc thụ động làm số bậc tự do có thể tăng lên cho tới khi mô hình đạt tới mô hình thực tế và kết quả thiết kế không phụ thuộc vào kinh nghiệm của người thiết kế như trong việc sử dụng phương pháp cổ điển.
- Mặt khác các hạn chế của việc ứng dụng lý thuyết điều khiển trong thiết kế hệ giảm xóc thụ động được giải quyết thông qua giải bài toán BMI.
- Có nhiều nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiển khảo sát bài toán tối ưu phân cấp H và vô số các kỹ thuật được đề xuất nhằm tìm cực tiểu địa phương của bài toán BMI nhưng không một giải thuật nào có thể đảm bảo sự hội tụ của điểm cực tiểu địa phương hoặc điểm ổn định.
- Nó phụ thuộc vào sự lựa chọn giá trị khởi tạo mà sự hội tụ nghiệm có thể chậm hoặc thậm chí không xảy ra.
- Trong đề tài này bài toán BMI được giải quyết bằng cách sử dụng giải thuật tùy chọn.
- Giá trị khởi tạo cho giải thuật tùy chọn là giá trị của các thông số được tối ưu bằng cách sử dụng phương pháp tối ưu cổ điển.
- Một điều rõ ràng được chỉ ra là kết quả thiết kế bằng 13 14 cách sử dụng bài toán cổ điển là khá sát so với giá trị tối ưu.
- Do đó giải thuật có thể hội tụ nhanh hơn.
- Cho các nghiên cứu tiếp theo cần tiếp tục phát triển giải thuật mới mà nó có thể tìm cực tiểu địa phương của bài toán BMI và đảm bảo rằng điểm tối ưu địa phương luôn hội tụ.
- Kết quả của đề tài là bước cơ bản góp phần nâng cao chất lượng thiết kế cho các hệ giảm xóc thụ động hướng đến ứng dụng cho các xe buýt hiện đang được sản xuất tại Việt Nam.
- Đề tài cần tiếp tục phát triển hướng đến một chương trình tính toán hoàn chỉnh và đầy đủ.

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt