Luận án Tiến sĩ Cơ học: Ứng dụng lý thuyết mờ và đại số gia tử trong điều khiển dao động kết cấu

Chia sẻ: Hương Hoa Cỏ Mới | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:130

Thêm vào BST

Báo xấu

28
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án là cải thiện hiệu quả hoạt động và mở rộng khả năng ứng dụng của bộ điều khiển mờ dựa trên lý thuyết mờ và đại số gia tử để điều khiển dao động kết cấu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Cơ học: Ứng dụng lý thuyết mờ và đại số gia tử trong điều khiển dao động kết cấu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN QUÝ CAO ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT MỜ VÀ ĐẠI SỐ GIA TỬ TRONG ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG KẾT CẤU LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC Hà Nội – 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN QUÝ CAO ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT MỜ VÀ ĐẠI SỐ GIA TỬ TRONG ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG KẾT CẤU Ngành: Cơ học Mã số: 9440109 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. BÙI HẢI LÊ TS. BÙI VĂN BÌNH Hà Nội – 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Bùi Hải Lê và TS. Bùi Văn Bình. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 NGƯỜI HƯỚNG DẪN NGHIÊN CỨU SINH PGS.TS. Bùi Hải Lê TS. Bùi Văn Bình Trần Quý Cao i
LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến hai thầy hướng dẫn : PGS.TS. Bùi Hải Lê – Viện Cơ Khí – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và TS. Bùi Văn Bình – Khoa Cơ khí – Trường Đại học Điện lực. Các thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ, tạo điều kiện và động viên tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn đến các thành viên khác trong nhóm nghiên cứu, đồng nghiệp, bạn bè đã giúp đỡ trong suốt thời gian tôi thực hiện luận án. Tôi chân thành cảm ơn tập thể các thầy, cô Bộ môn Cơ học vật liệu và kết cấu, Viện Cơ khí, Viện đào tạo Sau đại học, trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ và hướng dẫn trong suốt thời gian tôi nghiên cứu tại trường. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thành viên trong gia đình đã thông cảm, tạo điều kiện và chia sẻ những khó khăn trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 NGHIÊN CỨU SINH Trần Quý Cao ii
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN........................................................................................................ii MỤC LỤC ........................................................................................................... iii DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................................. vi DANH MỤC HÌNH ............................................................................................. ix DANH MỤC BẢNG.......................................................................................... xiii MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .................................. 5 1.1. Tóm lược về dao động kết cấu ............................................................................. 5 1.2. Các phương pháp làm giảm dao động có hại của kết cấu................................. 6 1.3. Điều khiển chủ động dao động kết cấu ............................................................... 7 1.3.1. Khái niệm .......................................................................................................... 7 1.3.2. Máy kích động và các phương thức điều khiển chủ động ............................ 8 1.3.2.1. Các loại máy kích động .................................................................................... 8 1.3.2.2. Các phương thức điều khiển ........................................................................... 9 1.3.3. Phương trình trạng thái điều khiển chủ động kết cấu ................................ 10 1.4. Tình hình nghiên cứu và một số nhận xét ........................................................ 11 1.4.1. Điều khiển chủ động kết cấu ......................................................................... 11 1.4.2. Điều khiển dao động kết cấu sử dụng lý thuyết mờ .................................... 15 1.4.3. Điều khiển sử dụng lý thuyết đại số gia tử ................................................... 21 1.5. Đề suất nội dung nghiên cứu của luận án ......................................................... 22 1.6. Kết luận chương .................................................................................................. 22 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...................................................................... 23 2.1. Dao động của hệ rời rạc nhiều bậc tự do .......................................................... 23 2.2. Phương pháp điều khiển dựa trên lý thuyết mờ .............................................. 29 2.2.1. Các khái niệm ................................................................................................. 29 2.2.1.1. Tập mờ ............................................................................................................. 29 2.2.1.2. Các phép toán trên tập mờ ............................................................................ 30 2.2.1.3. Hợp thành mờ ................................................................................................. 30 2.2.1.4. Giải mờ ............................................................................................................ 31 2.2.1.5. Biến ngôn ngữ ................................................................................................. 31 2.2.2. Bộ điều khiển chủ động kết cấu dựa trên lý thuyết mờ .............................. 32 iii
2.2.2.1. Mờ hóa ............................................................................................................. 32 2.2.2.2. Cơ sở luật mờ .................................................................................................. 33 2.2.2.3. Hợp thành mờ ................................................................................................. 34 2.2.2.4. Giải mờ ............................................................................................................ 35 2.2.3. Nhận xét về bộ điều khiển mờ truyền thống ................................................... 35 2.3. Điều khiển dựa trên lý thuyết đại số gia tử ...................................................... 36 2.3.1. Giới thiệu ......................................................................................................... 36 2.3.2. Ý tưởng và các công thức cơ bản của HA .................................................... 36 2.3.2.1. Sơ đồ điều khiển ............................................................................................. 38 2.3.2.2. Chuẩn hóa và giải chuẩn................................................................................ 39 2.3.2.3. Cơ sở luật HA ................................................................................................. 40 2.3.2.4. Hợp thành HA ................................................................................................ 40 2.4. Giới thiệu tối ưu và tối ưu đa mục tiêu ............................................................. 42 2.4.1. Bài toán tối ưu ................................................................................................. 42 2.4.1.1. Khái niệm bài toán tối ưu .............................................................................. 42 2.4.1.2. Phân loại bài toán tối ưu ................................................................................ 42 2.4.2. Các dạng bài toán tối ưu kết cấu................................................................... 43 2.4.2.1. Bài toán tối ưu tiết diện ngang ...................................................................... 43 2.4.2.2. Bài toán tối ưu cấu trúc ................................................................................. 44 2.4.2.3. Bài toán tối ưu tổng chi phí ........................................................................... 44 2.4.3. Bài toán tối ưu đa mục tiêu............................................................................ 45 2.5. Kết luận chương .................................................................................................. 46 Chương 3: THIẾT KẾ TỐI ƯU BỘ ĐIỀU KHIỂN HAC .............................. 47 3.1. Ảnh hưởng của các tham số mờ của các biến đến hiệu quả điều khiển của HAC ................................................................................................................. 47 3.1.1. Xét trường hợp tham số độc lập fm(c) = 0.5 và (h) = 0.5 ....................... 47 3.1.2. Xét trường hợp các tham số độc lập fm(c-) = 0.3 và (h-) = 0.7 .................. 49 3.1.3. Xét trường hợp tham số độc lập fm(c) = 0.4 và (h) = 0.6 ........................ 52 3.2. Tối ưu tham số mờ của các biến ngôn ngữ của bộ điều khiển dựa trên đại số gia tử. ........................................................................................................... 55 3.3. Thiết kế tối ưu các hệ số điều chỉnh của luật điều khiển của HAC................ 56 3.4. Thuật toán và chương trình tính ....................................................................... 59 iv
3.5. Kết luận chương .................................................................................................. 60 Chương 4: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN SỐ........................................................... 61 4.1. Thiết kế tối ưu HAC dựa trên tham số mờ của các biến................................. 61 4.1.1. Mô hình khảo sát ............................................................................................ 61 4.1.2. Các thông số của bộ điều khiển HAC ........................................................... 63 4.1.3. Các thông số của bộ điều khiển opHACs ..................................................... 64 4.2. Thiết kế tối ưu HAC dựa trên hệ số điều chỉnh của các luật điều khiển ....... 77 4.2.1. Mô hình dầm công xôn ................................................................................... 77 4.2.2. Mô hình tòa nhà 3 tầng .................................................................................. 83 4.3. Các kết quả mô phỏng khác ............................................................................... 90 4.3.1. Bài toàn rời rạc 1 bậc tự do ........................................................................... 90 4.3.1.1. Điều khiển tối ưu HAC dựa trên khoảng xác định của các biến trạng thái ................................................................................................................... 91 4.3.1.2. Điều khiển tối ưu đa mục tiêu tham số mờ của HAC ................................. 93 4.3.2. Bài toán rời rạc 5 bậc tự do ........................................................................... 95 4.3.3. Điều khiển kết cấu khung không gian dựa trên HAC với sự trợ giúp của phần mềm ANSYS ................................................................................... 98 4.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của trọng số luật mờ đến hiệu quả điều khiển dao động của con lắc ............................................................................................ 101 4.3.4.1. Đối tượng khảo sát ....................................................................................... 101 4.3.4.2. Mô phỏng số .................................................................................................. 103 4.4. Kết luận chương ................................................................................................ 107 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 108 KẾT LUẬN ........................................................................................................ 108 KIẾN NGHỊ....................................................................................................... 108 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ....................................... 109 CỦA LUẬN ÁN ................................................................................................. 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 110 v
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ABS Hệ thống giằng chủ động AMD Thiết bị giảm chấn chủ động CPU time Thời gian tính toán DOF Degree of Freedom FAM Fuzzy Associative Memory FC Bộ điều khiển mờ thông thường GA Thuật toán di truyền - Genetic Algorithm HA Đại số gia tử - Hedge Algebras HAC Bộ điều khiển mờ dựa trên đại số gia tử - Hedge Algebras Control KĐK Không điều khiển ĐK Điều khiển LQG Liner Quadratic Gaussian LQR Liner Quadratic Regulator m Số vòng lặp điều khiển MBBC Modified Bang-Bang Controller Mup, Mlow Giá trị ranh giới của miền tham chiếu của các biến trong miền SQM opHAC Bộ điều khiển tối ưu dựa trên lý thuyết đại số gia tử opHACi_El Bộ điều khiển tối ưu mờ dựa trên đại số gia tử sử dụng dữ liệu huấn luyện từ trận động đất ElCentro opHACi_Im Bộ điều khiển tối ưu mờ dựa trên đại số gia tử sử dụng dữ liệu huấn luyện từ trận động đất ở Imperial opHACi_No Bộ điều khiển tối ưu mờ dựa trên đại số gia tử sử dụng dữ liệu huấn luyện từ trận động đất ở Northridge PSO Tối ưu hóa bầy đàn SAM Semantic Associative Memory SQM Ánh xạ ngữ nghĩa định lượng - Semantically Quantifying Mapping SSMC Saturated sliding mode controller SQS Mặt ngữ nghĩa định lượng hay mặt luật C Tập hợp các hằng số cụ thể F1 Chuyển vị tầng dưới cùng F2 Gia tốc tuyệt đối tầng trên cùng F3 Lực điều khiển trung bình vi
 Giá trị ánh xạ ngữ nghĩa định lượng umax Giới hạn của máy kích động t Kích thước bước thời gian AX Cấu trúc đại số gia tử của một biến ngôn ngữ với tập hợp từ X của nó H Tập gia tử H− Tập gia tử âm H+ Tập gia tử dương h− Gia tử âm gx Ánh xạ chuẩn hóa gx 1 Ánh xạ giải chuẩn hóa G Tập hợp các điều khoản chính  (h  ) Độ đo tính mờ của h- V Rất L Hơi – Little Po Dương - Positive Ne Âm – Negative LNe Hơi âm - Little Negative VNe Rất âm – Very Negative LPo Hơi dương - Little Positive VPo Rất dương – Very Positive x0 Gia tốc nền xamax Gia tốc tuyệt đối cao nhất trong phản hồi không kiểm soát xai (t ) Gia tốc tuyệt đối của tầng thứ i trong phản ứng có kiểm soát c0 Giá trị biên của miền tham chiếu của biến điều khiển ci Hệ số cản của tầng thứ i ki Độ cứng của tầng thứ i mi Khối lượng của tầng thứ i c Tập hợp các phần tử sinh âm  c Tập hợp các phần tử sinh dương {x} Véc tơ bậc tự do của cơ cấu   Véc tơ hệ số cho gia tốc nền { } Vectơ hệ số cho gia tốc mặt đất của trận động đất {U }, u Vectơ lực điều khiển fm(c  ) Độ đo tính mờ của c− vii
di (t ) Chuyển vị của tầng thứ i trong trường hợp được điều khiển d max Chuyển vị lớn nhất trong trường hợp không được điều khiển a0 , b0 Giá trị biên của miền tham chiếu của các biến trạng thái 1 , 2 Các hằng số tích phân trong thuật toán Newmark [a, b] Miền tham chiếu của một biến ngôn ngữ T Tổng thời gian mô phỏng X Tập hợp từ của một biến ngôn ngữ [K] Ma trận độ cứng kết cấu [M] Ma trận khối lượng [C ] Ma trận cản kết cấu   Ma trận vị trí của các giằng chủ động viii
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Các phương pháp điều khiển dao động kết cấu ........................................... 7 Hình 1.2 Phương thức điều khiển thứ 1 ..................................................................... 9 Hình 1.3 Phương thức điều khiển thứ 2 ................................................................... 10 Hình 1.4 Phương thức điều khiển thứ 3 ................................................................... 10 Hình 1.5 Tòa nhà Kyobashi Seiwa và thiết bị AMD................................................ 12 Hình 1.6 Thiết bị AMD chính và AMD phụ ............................................................ 12 Hình 1.7 Sơ đồ cấu tạo của AMD ............................................................................ 13 Hình 1.8 Tháp truyền hình Nanjing, AMD dạng đai và máy kích động .................. 13 Hình 1.9 AMD lắp tại tháp truyền hình Nanjing ...................................................... 14 Hình 1.10 Biến thiết kế khi tối ưu dạng của hàm thuộc tam giác ............................ 18 Hình 1.11 Tối ưu hóa hệ luật .................................................................................... 20 Hình 2.1 Các cấu trúc tòa nhà thông minh có điều khiển chủ động: (a) giằng chủ động và (b) bộ giảm chấn khối chủ động .................................................. 23 Hình 2.2 Mô hình và sơ đồ thân tự do cho các kết cấu có điều khiển giằng chủ động ................................................................................................................... 24 Hình 2.3 Mô hình và sơ đồ thân tự do cho các cấu trúc với AMD .......................... 27 Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của FC tỉ lệ - vi phân. .................................... 32 Hình 2.5 Mờ hóa chuyển vị xi . ................................................................................ 33 Hình 2.6 Mờ hóa vận tốc xi . .................................................................................... 33 Hình 2.7 Mờ hóa biến điều khiển ui. ........................................................................ 33 Hình 2.8 Ví dụ về mờ hóa không đảm bảo thứ tự ngữ nghĩa. .................................. 35 Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của HAC tỉ lệ - vi phân.................................. 39 Hình 2.10 Chuẩn hóa ................................................................................................ 40 Hình 2.11 Đường cong ngữ nghĩa định lượng – phép nhân ..................................... 41 Hình 2.12 Đường cong ngữ nghĩa định lượng – phép cộng ..................................... 41 Hình 2.13 Mặt cong ngữ nghĩa định lượng .............................................................. 41 Hình 2.14 Tập giải pháp khả thi và tập Pareto ......................................................... 45 Hình 3.1. Các ánh xạ ngữ nghĩa định lượng  khi  = 0.5;  = 0.5 ........................ 48 Hình 3.2 Lưới số HA (phẳng) khi fm(c) = (h) = 0.5 ......................................... 49 Hình 3.3. Các ánh xạ ngữ nghĩa định lượng  khi  = 0.3;  = 0.7 ........................ 51 ix
Hình 3.4 Lưới số HA (không phẳng) với fm(c) = 0.3, (h) = 0.7 ....................... 51 Hình 3.5 Các ánh xạ ngữ nghĩa định lượng  khi  = 0.4;  = 0.6 ......................... 53 Hình 3.6 Lưới số HA (không phẳng) với trường hợp fm(c) = 0.4, (h) = 0.6 .... 53 Hình 3.7 Một số giá trị ngôn ngữ điển hình ............................................................. 54 Hình 3.8 Mặt cong ngữ nghĩa định lượng ................................................................ 57 Hình 3.9 Điều chỉnh các luật mờ .............................................................................. 57 Hình 3.10 Sơ đồ thuật toán điều khiển chủ động kết cấu ......................................... 60 Hình 4.1a. Mô hình kết cấu nhà 3 tầng chịu tải gia tốc tại liên kết .......................... 61 Hình 4.1b Sơ đồ điều khiển của bộ điều khiển......................................................... 62 Hình 4.2a chuẩn hóa các biên ngôn ngữ sang SQMs ............................................... 63 Hình 4.2b Giải ngữ nghĩa biến điều khiển ............................................................... 63 Hình 4.3 SQMs tối ưu của các biến ngôn ngữ cho bộ điều khiển opHAC1_El ....... 66 Hình 4.4 SQMs tối ưu của các biến ngôn ngữ cho bộ điều khiển opHAC2_El ....... 66 Hình 4.5 SQMs tối ưu của các biến ngôn ngữ cho bộ điều khiển opHAC3_El ....... 66 Hình 4.6 Đáp ứng theo thời gian của chuyển vị tầng thứ nhất ................................. 67 Hình 4.7 Đáp ứng theo thời gian của gia tốc tuyệt đối tầng thứ 3 ........................... 68 Hình 4.8 Đáp ứng theo thời gian của lực điều khiển ................................................ 68 Hình 4.9 Tập Pareto giữa hàm mục tiêu F1 và F2 .................................................... 69 Hình 4.10 Tập Pareto giữa hàm mục tiêu F1 và F3 .................................................. 69 Hình 4.11 Tập Pareto giữa hàm mục tiêu F2 và F3 .................................................. 69 Hình 4.12 SQMs tối ưu của các biên ngôn ngữ bộ điều khiển opHAC4_El............ 70 Hình 4.13 Quan hệ biến thiên (%) của các hàm mục tiêu F1 , F2 và F3 ..................... 70 Hình 4.14 Đáp ứng theo thời gian của chuyển vị tương đối của tầng một............... 71 Hình 4.15 Đáp ứng theo thời gian của gia tốc tuyệt đối tầng 3 ................................ 71 Hình 4.16 Đáp ứng theo thời gian của lực điều khiển .............................................. 72 Hình 4.17 Đáp ứng theo thời gian của chuyển vị tương đối tầng 1 ......................... 72 Hình 4.18 Đáp ứng theo thời gian của gia tốc tuyệt đối tầng 3 ................................ 72 Hình 4.19 Đáp ứng theo thời gian của luật điều khiển ............................................. 73 Hình 4.20 Quan hệ biến thiên (%) của các hàm mục tiêu F1 , F2 và F3 .................... 73 Hình 4.21 Quan hệ biến thiên (%) của các hàm mục tiêu F1 , F2 và F3 ................... 74 Hình 4.22a Mô hình dầm công xôn .......................................................................... 77 x
Hình 4.22b Tải hình xung ......................................................................................... 78 Hình 4.23 Sự phân bố hệ số điều chỉnh cho bộ điều khiển tHAC............................ 79 Hình 4.24 Đáp ứng theo thời gian của độ võng đầu tự do của dầm (mm) ............... 80 Hình 4.25 Đáp ứng theo thời gian của mômen điều khiển (Nmm)........................... 80 Hình 4.26 Đáp ứng theo thời gian của độ võng đầu tự do của dầm, tải trọng xung (h× 0,8) ...................................................................................................... 81 Hình 4.27 Đáp ứng theo thời gian của độ võng của đầu tự do của dầm, vận tốc ban đầu (h× 1.2) ............................................................................................... 82 Hình 4.28 Đáp ứng theo thời gian của độ võng của đầu tự do của dầm, độ võng ban đầu (h) ....................................................................................................... 82 Hình 4.29 Phân phối hệ số điều chỉnh cho tHAC1 (a) và tHAC2 (b) ...................... 83 Hình 4.30 Đáp ứng thời gian của chuyển vị tầng 1, gia tốc tuyệt đối ở tầng 3 và lực điều khiển u trong trận động đất El Centro .............................................. 85 Hình 4.31 Sự thay đổi % với chỉ tiêu chuyển vị....................................................... 86 Hình 4.32 Sự thay đổi % với chỉ tiêu gia tốc tuyệt đối ............................................ 86 Hình 4.33 Đáp ứng theo thời gian của chuyển vị tầng 1 và gia tốc tuyệt đối tầng 3 87 Hình 4.34 Chuyển vị và gia tốc lớn nhất của các tầng trong trận động đất Northridge ................................................................................................................... 88 Hình 4.35 Đáp ứng theo thời gian của chuyển vị tầng 1 và gia tốc tuyệt đối tầng trên cùng trong trận động đất Imperial Valley ................................................. 88 Hình 4.36 Chuyển vị tương đối và gia tốc tuyệt đối lớn nhất của các tầng ............. 89 Hình 4.37 Đáp ứng theo thời gian của chuyển vị tầng 1 và gia tốc tuyệt đối tầng trên cùng trong trận động đất Imperial Valley ................................................. 89 Hình 4.38 Chuyển vị và gia tốc lớn nhất của các tầng trong trận động đất Imperial90 Hình 4.39 Mô hình kết cấu 1 bậc tự do chịu tải gia tốc tại liên kết ......................... 90 Hình 4.40 Chuyển vị tương đối ................................................................................ 92 Hình 4.41 Gia tốc tuyệt đối ...................................................................................... 92 Hình 4.42 Lực điều khiển ......................................................................................... 92 Hình 4.43 Tập Pareto của các mục tiêu F1 và F2...................................................... 93 Hình 4.44 Chuyển vị tương đối ................................................................................ 94 Hình 4.45 Gia tốc tuyệt đối ...................................................................................... 95 Hình 4.46 Lực điều khiển ......................................................................................... 95 xi
Hình 4.47 Mô hình nhà 5 tầng chịu tải động đất ...................................................... 96 Hình 4.48 Chuyển vị tương đối của tầng 1 theo thời gian ....................................... 96 Hình 4.49 Gia tốc tuyệt đối của tầng 5 theo thời gian .............................................. 97 Hình 4.50 Lực điều khiển theo thời gian .................................................................. 97 Hình 4.51 Chuyển vị x3 (m) trong trường hợp không có điều khiển ........................ 98 Hình 4.52 Chuyển vị x3 (m) trong trường hợp có điều khiển ................................... 99 Hình 4.53 Mô hình khung không gian: a) Mô hình nguyên lý thực tế, b) Mô hình mô phỏng ................................................................................................... 99 Hình 4.54 Chuyển vị theo phương x (mm) của đỉnh khung ................................... 100 Hình 4.55 Gia tốc tuyệt đối theo phương x (m/s2) của đỉnh khung ....................... 100 Hình 4.56 Ứng suất tương đương lớn nhất (MPa) của kết cấu .............................. 100 Hình 4.57 Mô hình con lắc ..................................................................................... 101 Hình 4.58 Sơ đồ điều khiển .................................................................................... 101 Hình 4.59 Mờ hóa các biến ngôn ngữ .................................................................... 102 Hình 4.60 Suy luận mờ và giải mở của FC ............................................................ 102 Hình 4.61 Ảnh hưởng của trọng số a1 đối với luật 1 .............................................. 103 Hình 4.62 Ảnh hưởng của các trọng số luật đến thời gian đưa con lắc trở về vị trí cân bằng, điều kiện đầu 1 ........................................................................ 103 Hình 4.63 Ảnh hưởng của các trọng số luật đến thời gian đưa con lắc trở về vị trí cân bằng, điều kiện đầu 2 ........................................................................ 104 Hình 4.64 Ảnh hưởng của các trọng số luật đến thời gian đưa con lắc trở về vị trí cân bằng, đk đầu 3 ................................................................................... 104 Hình 4.65 Ảnh hưởng của các trọng số luật đến thời gian đưa con lắc trở về vị trí cân bằng, đk đầu 4 ................................................................................... 104 Hình 4.66 Đáp ứng của góc lệch và vận tốc góc của con lắc, điều kiện đầu 1 ...... 106 Hình 4.67 Đáp ứng của góc lệch và vận tốc góc của con lắc, điều kiện đầu 2 ...... 106 Hình 4.68 Đáp ứng của góc lệch và vận tốc góc của con lắc, điều kiện đầu 3 ...... 106 Hình 4.69 Đáp ứng của góc lệch và vận tốc góc của con lắc, điều kiện đầu 4 ...... 106 xii
DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Bảng FAM. ............................................................................................... 34 Bảng 2.2 Bảng tham chiếu của các biến ................................................................... 39 Bảng 2.3. Bảng SAM ................................................................................................ 40 Bảng 3.1. Biểu diễn số của cơ sở luật HA khi fm(c) = (h) = 0.5 ...................... 48 Bảng 3.2. Biểu diễn số của cơ sở luật HA khi fm(c) = 0.3, (h) = 0.7 ............... 51 Bảng 3.3 Biểu diễn số của cơ sở luật HA khi fm(c) = 0.4, (h) = 0.6 ................ 53 Bảng 3.4. Khảo sát ảnh hưởng khi tham số mờ thay đổi ......................................... 55 Bảng 3.5 Khảo sát số ảnh hưởng của hệ số điều chỉnh đến kết quả biến đầu ra ...... 58 Bảng 4.1 Các giá trị cực đại của các phản ứng của kết cấu trong trường hợp động đất ở El Centro .......................................................................................... 67 Bảng 4.2 So sánh thời gian CPU của các bộ điều khiển mờ truyền thống ............... 74 Bảng 4.3 So sánh giữa các bộ điều khiển mờ tối ưu trong trường hợp động đất ở Northridge ................................................................................................. 76 Bảng 4.4 So sánh giữa các bộ điều khiển mờ tối ưu trong trường hợp động đất Imperial Valley.......................................................................................... 76 Bảng 4.5 Giá trị lớn nhất của độ võng ở đầu tự do của dầm .................................... 81 Bảng 4.6. Kết quả mô phỏng .................................................................................... 84 Bảng 4.7 So sánh hiệu quả các bộ điều khiển .......................................................... 91 Bảng 4.8. Tỷ lệ thay đổi (%) của các mục tiêu ........................................................ 94 Bảng 4.9. Các chỉ tiêu F1 và F2 ................................................................................ 97 Bảng 4.10. Hệ luật mờ ban đầu .............................................................................. 102 Bảng 4.11 Hệ luật mờ mới 1 .................................................................................. 105 Bảng 4.12. Hệ luật mờ mới 2 ................................................................................. 105 xiii
MỞ ĐẦU Dao động là hiện tượng xảy ra trong hầu hết các kết cấu, máy móc và các hệ động lực. Trong cuộc sống hàng ngày hay trong các hệ kỹ thuật, hiện tượng dao động có thể dễ dàng được bắt gặp như dao động trong các máy, kết cấu công trình, phương tiện giao thông, những cây cầu... Các quá trình dao động thường là các quá trình thay đổi đa dạng theo thời gian. Các quá trình dao động trong tính toán hoặc trong đo đạc được phân thành dao động tuần hoàn và dao động không tuần hoàn [1] một dạng đặc biệt của các dao động tuần hoàn là dao động điều hòa. Các quá trình dao động được phân loại tùy theo các quan điểm, các căn cứ khác nhau. Có những dao động có lợi được dùng để tối ưu hóa một số kỹ thuật như đầm, kỹ thuật rung…Các dao động có hại gây mỏi kết cấu cũng như làm giảm sức bền, độ an toàn của kết cấu và làm giảm độ chính xác, độ tin cậy của các thiết bị trong hệ thống. Giải quyết những bài toán giảm dao động không mong muốn của kết cấu đã được đặt ra từ lâu và ngày càng được quan tâm nhằm đảm bảo độ an toàn của các kết cấu, máy móc và tăng cường độ tin cậy, độ bền của các thiết bị [2]. Một trong số những chỉ tiêu quan trọng khi thiết kế các kết cấu kỹ thuật là giảm biên độ của các đáp ứng, như chuyển vị, vận tốc, lực… của kết cấu dưới tác dụng của các tải trọng động bên ngoài (gió, động đất…). Trước đây, phương pháp phổ biến để giảm dao động là tăng cường độ cứng cho kết cấu. Tuy nhiên phương pháp này gặp phải vấn đề về chi phí và độ phức tạp mà công nghệ không cho phép. Vì thế, trong vài thập kỷ gần đây, trên thế giới đã phát triển công nghệ sử dụng các thiết bị tiêu tán năng lượng để giảm dao động. Việc sử dụng thiết bị tiêu tán năng lượng có nhiều ưu điểm như tính kinh tế, hiệu quả, tăng tuổi thọ công trình, cài đặt và thay thế đơn giản. Ước tính, sử dụng thiết bị tiêu tán năng lượng có thể chỉ chiếm 25% chi phí so với việc gia cố kết cấu cho các bộ phận thép và bê tông. Trong quá trình lắp đặt, hệ thống vẫn có thể đang ở trạng thái làm việc. Với hiệu quả về kinh tế và kỹ thật, công nghệ sử dụng các thiết bị tiêu tán năng lượng trở thành một hướng triển vọng để nghiên cứu ứng dụng và phát triển. Bên cạnh việc sử dụng các thiết bị tiêu tán năng lượng như nói trên, một giải pháp khác có thể giảm dao động có hại đó là đặt thêm lực để giảm biên độ dao động bằng cách sử dụng các máy kích động được điều khiển bởi máy tính nhằm tạo ra các lực tác động vào kết cấu [3]. Điều khiển chủ động kết cấu sử dụng lý thuyết mờ đã được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi trong điều khiển dao động kết cấu và thu được những thành tựu đáng kể. Thêm vào đó, các kết quả nghiên cứu gần đây và các kết quả được công bố của nhiều tác giả về điều khiển chủ động kết cấu dựa trên lý thuyết đại số gia tử (Hedge- Algebras, HA) đã chỉ ra những ưu điểm của bộ điều khiển này so với bộ điều khiển dựa trên lý thuyết mờ [3]. 1
Tuy nhiên, đến nay hướng tiếp cận sử dụng lý thuyết mờ và đại số gia tử còn nhiều vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu trong điều khiển dao động kết cấu như: - Các bài toán giới hạn của máy kích động (actuator saturation), kết cấu với các tham số không chắc chắn (uncertain structures), trễ điều khiển (time delay). - Điều khiển bán chủ động (semi active control), điều khiển lai (hybrid control). - Phát triển bộ điều khiển nơ ron-mờ (neuro- u y controller) dựa trên HA. - Nghiên cứu tính ổn định, bền vững và các phương án tối ưu các bộ điều khiển mờ dựa trên đại số gia tử. - Tối ưu tham số mờ của các biến ngôn ngữ (chuyển vị, vận tốc, lực điều khiển,…) và tối ưu hệ luật điều khiển, vì hệ luật điều khiển sử dụng kinh nghiệm hoặc quan sát của chuyên gia nên có thể không thực sự phù hợp với những đối tượng được điều khiển cụ thể. Dựa trên những phân tích kết quả nghiên cứu hiện có, căn cứ vào thực tế ứng dụng các giải pháp giảm dao động có hại của kết cấu ở trong nước và trên thế giới, đề tài luận án: “Ứng dụng lý thuyết mờ và đại số gia tử trong điều khiển dao động kết cấu” được đặt ra và thực hiện. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN Cải thiện hiệu quả hoạt động và mở rộng khả năng ứng dụng của bộ điều khiển mờ dựa trên lý thuyết mờ và đại số gia tử để điều khiển dao động kết cấu. Cụ thể như sau: - Tối ưu được các tham số mờ của các biến trạng thái (chuyển vị, vận tốc) và biến điều khiển (lực điều khiển) trên quan điểm đa mục tiêu. - Tối ưu hóa được hệ luật điều khiển định tính dưới dạng quan hệ “NẾU- THÌ” giữa các giá trị ngôn ngữ của các biến ngôn ngữ. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN Đối tượng nghiên cứu chủ yếu của luận án là mô hình kết cấu hữu hạn bậc tự do chịu tải gia tốc tại liên kết. Ngoài ra mô hình dầm chịu dao động uốn, mô hình khung giàn không gian và con lắc cũng được nghiên cứu khảo sát. PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN Các bài toán được nghiên cứu trong luận án được tập trung vào vấn đề điều khiển chủ động dao động của kết cấu nhiều bậc tự do chịu tải gia tốc tại liên kết sử dụng lý thuyết mờ và Đại số gia tử. Do đó, một số yêu cầu sau chưa được đề cập trong khuôn khổ nội dung nghiên cứu của luận án như chuyển vị cho phép, ứng suất cho phép, các yếu tố phi tuyến của mô hình và tính bền vững, thích nghi, … của bộ điều khiển trong điều khiển chủ động kết cấu. Dữ liệu kích động gia tốc tại liên kết trong luận án được lấy từ các nguồn dữ liệu tải trọng động đất đã xử lý. 2
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Luận án có sử dụng các phương pháp: - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, phân tích, tổng hợp được sử dụng để tóm lược khái quát các kết quả nghiên cứu đã có và nghiên cứu các thuật toán số trong phần xây dựng thuật toán, chương trình tính bằng phần mềm Matlab để điều khiển dao động kết cấu sử dụng lý thuyết mờ và đại số gia tử. - Phương pháp so sánh đánh giá để nhận xét các kết quả nghiên cứu và hiệu quả của phương pháp trình bày trong luận án và các nghiên cứu đã có trước đây. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN - Đề suất phương án tối ưu với biến thiết kế là tham số mờ của các biến trạng thái và biến điều khiển, cụ thể là độ đo tính mờ của các từ nguyên thủy (primary term) âm và độ tính mờ của các gia tử (hedge), trên quan điểm tối ưu đa mục tiêu và lựa chọn phương án tối ưu phù hợp dựa vào tập Pareto của các hàm mục tiêu. - Đề suất hệ số điều chỉnh của luật điều khiển định tính, từ đó tối ưu hệ luật điều khiển sử dụng các biến thiết kế là các hệ số điều chỉnh này để thu được hệ luật “phù hợp hơn” với mô hình được điều khiển. - Các kết quả mô phỏng cho thấy các đề suất trên đã cải tiến đáng kể hiệu quả của bộ điều khiển dựa trên lý thuyết Đại số gia tử (Hedge-Algebras-based controller, HAC) trong bài toán điều khiển chủ động dao động kết cấu. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIẾN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Các bài toán nghiên cứu trong luận án: điều khiển tối ưu dao động của kết cấu nhiều bậc tự do sử dụng lý thuyết mờ và Đại số gia tử. Trong đó, tập trung vào điều chỉnh/cải tiến/tối ưu để nâng cao hiệu quả hoạt động của bộ điều khiển. Luận án có những đóng góp nhất định về mặt lý thuyết cũng như đề suất hướng tiếp cận thực tế. Luận án cũng thu được những đóng góp mới trong bài toán điều khiển dao động kết cấu sử dụng lý thuyết mờ và đại số gia tử, đặc biệt là các kết quả tối ưu và điều chỉnh hệ luật điều khiển định tính của HAC; hiệu quả điều khiển và tốc độ xử lý của HAC; ứng dụng HAC cho các dạng kết cấu khác nhau. Kết quả nghiên cứu của Luận án làm phong phú thêm và tạo cơ sở khoa học để xây dựng và phát triển các nghiên cứu tiếp theo về điều khiển kết cấu sử dụng lý thuyết mờ và đại số gia tử. CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN Mở đầu Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu. 3
Trình bày các phương pháp và các ứng dụng về giảm dao động có hại của kết cấu. Phân tích các công trình nghiên cứu uy tín đã công bố liên quan đến đề tài luận án. Từ đó, đề suất nội dung nghiên cứu của luận án. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trình bày cơ sở lý thuyết về dao động kết cấu và dao động của hệ nhiều bậc tự do chịu tải gia tốc tại liên kết. Trình bày về lý thuyết tập mờ, bộ điều khiển mờ, lý thuyết đại số gia tử và bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử. Các phương pháp tối ưu và tối ưu đa mục tiêu. Chương 3: Thiết kế tối ưu bộ điều khiển HAC Thiết kế bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử. Thiết kế tối ưu đa mục tiêu HAC sử dụng tham số mờ của các biến. Tối ưu hệ luật sử dụng “hệ số điều chỉnh” của các luật điều khiển. Chương 4: Kết quả tính toán số. Kết quả mô phỏng khi tối ưu đa mục tiêu HAC sử dụng tham số mờ của các biến để điều khiển dao động kết cấu nhiều bậc tự do chịu tải gia tốc tại liên kết. Kết quả mô phỏng khi tối ưu hệ luật sử dụng “hệ số điều chỉnh” của các luật điều khiển để điều khiển dao động kết cấu dầm chịu uốn và kết cấu nhiều bậc tự do chịu tải gia tốc tại liên kết. Các kết quả mô phỏng số khác. Kết luận và kiến nghị Trình bày những kết quả chính và những đóng góp mới của luận án. Các công trình đã công bố của tác giả liên quan đến đề tài luận án Tài liệu tham khảo Phụ lục 4
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tóm lược về dao động kết cấu Dao động là một hiện tượng phổ biến trong tự nhiên và trong kỹ thuật. Dao động là một quá trình trong đó có môt đại lượng vật lý (hóa học, sinh học, …) thay đổi theo thời gian mà có một đặc điểm nào đó lặp lại ít nhất một lần. Dao động kỹ thuật là dao động của các hệ kỹ thuật (các kết cấu, các máy, các phương tiện giao thông vận tải, công trình,…) [1, 2]. Các quá trình dao động thường là các quá trình thay đổi đa dạng theo thời gian. Trong tính toán hoặc trong đo đạc các quá trình dao động người ta thường phân thành dao động tuần hoàn và không tuần hoàn, trong đó, một dạng đặc biệt của các dao động tuần hoàn là dao động điều hòa [4]. Các quá trình dao động được phân loại tùy theo các quan điểm, các căn cứ khác nhau [4]. (1) Căn cứ vào cơ cấu gây nên dao động người ta phân thành: Dao động tự do, Dao động cưỡng bức, Dao động tham số, Tự dao động, Dao động hỗn độn, Dao động ngẫu nhiên. (2) Căn cứ vào số bậc tự do người ta phân thành: Dao động của hệ một bậc tự do, Dao động của hệ nhiều bậc tự do, Dao động của hệ vô hạn bậc tự do. (3) Căn cứ vào phương trình chuyển động người ta phân thành: Dao động tuyến tính, Dao động phi tuyến. (4) Căn cứ vào dạng chuyển động người ta phân thành: Dao động dọc, Dao động xoắn, Dao động uốn. Đã có nhiều bài toán dao động kết cấu đã được đặt ra và nghiên cứu như: Những bài toán cơ bản [4]. Dao động của các kết cấu công trình và giảm chấn bằng các thiết bị tiêu tán năng lượng [2]. Dao động trong bảo hộ lao động [5]. Dao động máy [6]. 5