1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
-Hệ thống giảm chấn (Suspension System) là hệ thống có nhiệm vụ dập
tắt các dao động nhằm chống sóc 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). Trước đây trong các hệ thống giảm chấn người ta
thường sử dụng các hệ thống giảm chấn thụ động sử dụng thủy lực, các hệ
thống này 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, 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.
-Trong những năm gần đây xu hướng sử dụng hệ thống giảm chấn tích
cực điện từ thay thế cho các hệ thống giảm chấn thủy lực đang được nghiên
cứu và triển khai. Thay vì sử dụng hệ thống xi lanh và pit tông dầu để tạo ra
và điều chỉnh lực cản dịu nhằm dập tắt dao động thì người ta sử dụng động cơ
để điều chỉnh lực cản dịu[2]. Để điều chỉnh lực cản dịu một cách linh hoạt về
chiều, cường độ và thời gian dập tắt dao động người ta có thể dùng động cơ
để tạo chuyển động quay, ví dụ như có thể sử dụng động cơ xoay chiều đồng
bộ kích thích vĩnh cửu (PMSM permanent magnet synchronous machine) [5].

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 với mục đích 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.
- Mục tiêu cụ thể
3
• 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 để điều khiển linh hoạt
lực cản dịu về chiều và độ lớn để dập tắt dao động theo yêu
cầu.
• Mô phỏng và đánh giá
• 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 PD mờ thích nghi
• Thiết kế các bộ điều khiển lực và điều khiển dòng cho động cơ

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: Tổng quan về hệ thống giảm chấn
Chương 2: Mô hình hóa hệ thống giảm chấn tích cực
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển dập tắt dao động 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.
Chương 1 Tổng quan về hệ thống giảm chấn
1.1 Giới thiệu chung về các 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. Mô hình hệ thống giảm chấn điển hình
được mô tả như hình vẽ sau đây:
5
1.2 Phân loại hệ thống giảm chấn
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 b
s
bằng hằng số, không thay đổi được. Lực cản dịu sinh ra
bởi phần tử này chỉ phụ thuộc vào vận tốc x
us

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.
1.3 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống giảm chấn tích cực điện từ
• 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
1.4 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 . 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
7
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

us
m
là khối lượng của khối treo,
,
s s
k b
lần lượt là độ cứng
của phần tử lò xo và hệ số cản dịu của khối cản dịu,
s
m
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,
us
x
là khoảng dịch chuyển của khối treo và
s
x
là khoảng dịch
chuyển của khối thân trên. Phương trình động học của hệ thống giảm chấn
thụ động được mô tả như sau:
( ) ( )
( ) ( ) ( )
us us
us us
s s s s s s s
us us s s s s t us s

= −


=

&
&
(2.4)

Từ cách đặt biến trạng thái này, ta chuyển hệ 2.2 về dạng không gian trạng
thái sau đây:
s
z Az BF Ld
= + +
&
&
trong đó

1
2
3
4
z
z
z
z
z
 
 
 

m m m m
,
9

[ ]
[ ]

us
0 1/ 0 1/ , 0 0 1 0
T T
s
B m m L
= − = −
Phần tiếp sau sẽ nghiên cứu về ảnh hưởng của các tham số hệ thống
đến đặc tính động học của hệ.
2.2 Mô phỏng đáp ứng của hệ
• Khối lượng khối thân trên:
400
=
s
m kg
• Khối lượng khối treo:
50
=
us
m kg
• Độ cứng của phần tử lò xo:
20000 /
=
s

0.02
0.04
xs(t)
0 5 10 15
-0.02
0
0.02
0.04
xus(t)
0 5 10 15
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
t(s)
xs(t)-xus(t)
Hình 2-6 Đáp ứng của hệ thống giảm chấn với tác động dao động dạng xung
vuông
10
Từ hình vẽ ta nhận thấy rằng khi chịu tác động của nhiễu d(t) thành
phần x
us
(t) dao động có dạng gần giống với dạng dao động của d(t), dạng gần
giống này phụ thuộc vào phần tử có đặc tính lò xo k
t
, khi k
t
càng lớn thì x
us

-0.05
0
0.05
xs(t)
0 5 10 15
-0.15
-0.1
-0.05
0
0.05
xus(t)
0 5 10 15
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
t(s)
xs(t)-xus(t)
Hình 2-7 Đáp ứng của hệ thống giảm chấn với tác động dao động có dạng
bất kỳ
11
2.3 Các hàm truyền đáp ứng tần số của hệ thống
( ) ( ) ( )
2
us us
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
us us s s s s t us
m s X s k X s X s b s X s X s k X s D s
= − − + − − −

sự biến thiên của khối treo so với chính nó.
( ) ( )
( )
( ) ( )
( )
2 2
us us
dus
4 3 2
us us us
( ) ( )
( )
( )
s s s s s us
us
s s s s t s s t s t s
s m m s b m m s k m m
X s D s
G s
D s
m m s b m m s k k m k m s k b s k k
− + + + +
−
= =
+ + + + + + +
• Hàm truyền liên hệ giữa độ lệch giữa
s
( ) ( )x t d t
−
với

• Hệ số tự cảm của các cuộn dây stator là hằng số đối với bất kỳ vị trí
nào của phần di chuyển
• Chiều dài của rotor là vô hạn để ta có thể bỏ qua các hiệu ứng đầu
cuối
• Mô hình mạch từ không kể đến hiện tượng bão hòa từ
L B M
U a b c
F t
T e ta
i_ a b c
P h i_a b c
F e
x
id q
u d q
12

2
1 2
2
d
d s d q
p
q
q s q d
p
e m q
p
e t
d dx

=



 
− + + =
 ÷

 


Mô hình của động cơ tuyến tính như hình vẽ sau, trong đó đầu vào U
abc
là điện áp pha A, B, C cấp cho LBM, F
t
là mô men cản (gây ra do khối lượng
của khối treo), các đầu ra là các dòng điện i
abc
,
,
ψ
abc
lực do LBM tạo ra F
e
,
chiều dài di chuyển của rotor x, các dòng điện và điện áp trên hệ tọa độ dq
,
dq dq
i u
và góc quay quy đổi.

Hình 2-15 Các đáp ứng dòng và áp của động cơ LBM
13
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
-4
-3
-2
-1
0
x 10
-3
Teta
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
-1.5
-1
-0.5
0
x 10
-5
x
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
-0.02
0
0.02
0.04
time(s)
Fe
Hình 2-16 Các đáp ứng về khoảng cách dịch chuyển của rotor, lực và giá trị
θ
của LBM
2.5 Mô hình của cả hệ thống có kể động cơ tuyến tính


= + −




=



 
− + + =

 ÷
 


=

e
d
d s d q
p
q
q s q d
p
e m q
p
e t
z Az BF Ld


Chương 3 Thiết kế bộ điều khiển dập tắt dao động cho hệ thống giảm
chấn tích cực
3.1 Đặt vấn đề
Để thiết kế được bộ điều khiển dập tắt dao động cho hệ thống giảm
chấn tích cực, ta sẽ thiết kế hai bộ điều khiển đó là:
Bộ điều khiển dập tắt dao động, bộ điều khiển này nhận tín hiệu x
s
(t)
và tính toán ra lực cần thiết để đưa tới tác động vào hệ thống giảm chấn.
Bộ điều khiển thứ hai là bộ điều khiển LBM, bộ điều khiển này gồm
hai bộ điều khiển con đó là bộ điều khiển lực và bộ điều khiển dòng cho
LBM. Bộ điều khiển lực nhận giá trị lực đặt từ bộ điều khiển dập tắt dao
15
động, tính toán ra giá trị dòng điện đặt đưa tới cho LBM, giá trị dòng đặt này
được đưa tới làm giá trị đặt cho bộ điều khiển dòng nhằm tính toán giá trị điện
áp đặt cho LBM. Sơ đồ hệ thống điều khiển như sau:
3.2 Thiết kế bộ điều khiển dập tắt dao động dùng điều khiển PD mờ
thích nghi
Lực đặt được tính từ sai lệch của xs(t) so với giá trị 0, được xác định
bằng công thức sau đây:
( ) ( )
( ) ( ),
 
 
= +
 ÷
 ÷
 
 

0.03
0.04
time(s)
xs(t)
Hình 3-9 Đặc tính của x
s
(t) khi tác động nhiễu có dạng xung vuông
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
-0.02
-0.01
0
0.01
0.02
0.03
0.04
xus(t)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
time(s)
xs(t)-xus(t)
Hình 3-10 Đặc tính của x
us
(t) và x
s
(t)-x
us

3.3 Thiết kế bộ điều khiển lực và điều khiển dòng
+ Bộ điều khiển dòng i
d
, căn cứ vào sai lệch giữa dòng i
dref
(dòng i
d
đặt) và dòng id thực để xác định thành phần điện áp u
d
, phương trình bộ điều
khiển sử dụng luật điều khiển PID với các tham số như sau:
( ) ( )
( )
0
( ) ( )
60.9685 20.7976 10.2
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
20 20 20
τ τ τ
−
−
= − + − +
∫
t
dref d
d dref d dref d
d i t i t
u t i t i t i i d
dt
+ Bộ điều khiển dòng iq, tương tự dùng để xác định thành phần điện

m
de t
I t Ke t K e d K
dt
trong đó
( )
−
= −
fe e ref e
e t F F

-3711.3
-104250, 0
I D
K
K K
=
= =
19
3.4 Sơ đồ mô phỏng tổng thể hệ thống
Trường hợp nhiễu d(t) có dạng xung vuông
+ Các trạng thái của hệ thống giảm chấn
0 1 2 3 4 5 6
0
0.5
1
1.5
Nhieu d(t)
Trang thai cua he thong giam chan
0 1 2 3 4 5 6 7

-10
-5
0
x 10
-5
xs(t)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
-15
-10
-5
0
5
x 10
-5
xus(t)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
-2
-1
0
1
2
x 10
-4
time(s)
xs(t)-xus(t)
3.5 Kết luận chương 3
Chương 3 đã của luận văn đã đưa ra cấu trúc điều khiển dập tắt dao động cho
hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng LBM. Cấu trúc điều khiển gồm 03
mạch vòng, mạch vòng điều khiển ngoài cùng là mạch vòng điều khiển dập
tắt dao động, mạch vòng này cung cấp giá trị lực đặt để đưa tới mạch vòng

chấn tích cực nhờ sử dụng động cơ quay trục cam, hình dạng dao động này
được quyết định bởi hình dạng của cam, để đặc trưng cho các dao động trong
thực tế, cam được chế tạo sao cho dạng dao động d(t) có những đoạn biến
thiên nhanh, có những đoạn bằng phẳng và có những đoạn biến thiên chậm.
Hình 4-12 là so sánh giữa hai trường hợp có giảm chấn tích cực và
không giảm chấn tích cực, qua so sánh này cho ta thấy tác dụng của hệ thống
giảm chấn tích cực, biên độ dao động được giảm đi khá nhiều. Tuy nhiên
trong thực tế thực nghiệm ta thấy có sự dao động với biên độ nhỏ của khối
thân trên trong trường hợp có giảm chấn tích cực, điều này được lý giải là do
sử dụng LBM 2 cuộn dây cho nên lực giảm chấn không được linh hoạt nhiều
về độ lớn và chiều bằng LBM 3 cuộn dây.
4.3 Kết luận chương 4
Chương 4 trình bày về mô hình thí nghiệm thực của hệ thống giảm chấn
tích cực sử dụng động cơ LBM 2 cuộn dây tự tạo tại phòng thí nghiệm bộ
môn Đo lường – Điều khiển, Khoa Điện Tử. Mô hình thực nghiệm đã hoạt
động được, đã cài đặt thuật toán điều khiển, chạy thực nghiệm và thu được
23
các kết quả như nêu trên. Do thời gian hạn hẹp, các thông số của hệ thống
giảm chấn chưa được điều chỉnh hợp lý cho nên kết quả thực nghiệm bước
đầu đã phản ánh tính đúng đắn thuật toán điều khiển, tuy nhiên chất lượng
điều khiển chưa được như mong muốn. Đây là vấn đề nghiên cứu tiếp trong
tương lai.
Kết luận chung của luận văn
Luận văn với tên đề tài “Nghiên cứu phương pháp điều khiển dập tắt
dao động cho hệ thống giảm chấn tích cực” đã thực hiện được những nội
dung được trình bày trong các chương một cách tóm tắt như sau:
a. Chương 1: Đã thực hiện 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.

hình sát với lý thuyết đã nghiên cứu.
• Lựa chọn các thông số của hệ thống như độ cứng của lò xo, các khối
lượng thân trên và khối treo một cách phù hợp.
• Thực hiện sử dụng cấu trúc lo xo bao quanh bên ngoài LBM, tạo sự cân
đối trong chuyển động của hệ thống giảm chấn.
• Nghiên cứu, điều chỉnh và hiệu chỉnh luật điều khiển mở và cơ cấu hiệu
chỉnh thích nghi nhằm nâng cao hơn nữa chất lượng giảm chấn. Tính đến
các giải pháp thay đổi hình dáng và hàm liên thuộc của bộ điều khiển mờ
thích nghi.