Tóm tắt 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: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án "Ứng dụng lý thuyết mờ và đại số gia tử trong điều khiển dao động kết cấu" nhằm 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.... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt 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 Ngành: Cơ học Mã số: 9440109 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC Hà Nội - 2021
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Bùi Hải Lê TS. Bùi Văn Bình Phản biện 1: GS.TSKH Nguyễn Đông Anh Phản biện 2: GS.TS. Phạm Chí Vĩnh Phản biện 3: PGS.TSKH. Nguyễn Cát Hồ Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi giờ, ngày tháng năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐH Bách khoa Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Dao động là hiện tượng xảy ra trong hầu hết các kết cấu, máy móc và các hệ động lực. Hiện tượng dao động có thể bắt gặp trong cuộc sống hàng ngày hay trong các hệ kỹ thuật. 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 [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. Các dao động không mong muốn 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 đ 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 và độ bền của các thiết bị [2].Một trong 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 đ 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 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 đ được nghiên cứu, ứng dụng rộng r i 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 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) đ chỉ ra những ưu điểm của bộ điều khiển này so với bộ điều khiển dựa trên lý thuyết mờ [3]. Trang 1
Tuy nhiên, đến nay hướng tiếp cận sử dụng l 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 kh ng chắc chắn (uncertain structures), tr điều khiển (time delay). - Điều khiển bán chủ động (semi active control), điều khiển lai (hybrid control). - hát triển bộ điều khiển nơ ron-mờ (neuro-fuzzy 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. Trên cơ sở phân tích các 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. 2. 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. 3. Đối tƣợng nghiên cứu 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. 4. Phạm vi nghiên cứu Trang 2
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 đ xử lý. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu Luận án có sử dụng các phương pháp: - hương pháp nghiên cứu lý thuyết, phân tích, tổng hợp được sử dụng để tóm lược khái quát các kết quả nghiên cứu đ 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. - hương 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 đ có trước đây. 6. Những đóng góp mới của luận án - Đề xuất phương án tối ưu với biến thiết kế là tham số mờ của các biến trạng thái 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 areto của các hàm mục tiêu. - Đề xuất 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 m hình được điều khiển. - Các kết quả m phỏng cho thấy các đề xuất trên đ cải tiến đáng kể hiệu quả của bộ điều khiển dựa trên l thuyết Đại số gia tử (Hedge-Algebras- based controller, HAC) trong bài toán điều khiển chủ động dao động kết cấu. 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Các bài toán nghiên cứu trong luận án: điều khiển tối ưu dao động của kết cấu nhiều bậc tự do sử dụng l thuyết mờ và Đại số gia tử. Trong đó, tập Trang 3
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 l thuyết cũng như đề xuất 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 l 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 l 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 l thuyết mờ và đại số gia tử. 8. Cấu trúc luận án Mở đầu Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Thiết kế tối ưu bộ điều khiển HAC Chương 4: Kết quả tính toán số. Kết luận và kiến nghị Các công trình đã công bố của tác giả liên quan đến đề tài luận án Tài liệu tham khảo Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tóm lƣợc về dao động kết cấu 1.2. Các phƣơng pháp làm giảm dao động có hại của kết cấu 1.3. Điều khiển chủ động dao động kết cấu 1.3.1. Khái niệm 1.3.2. Máy kích động và các phương thức điều khiển chủ động 1.3.2.1. Các loại máy kích động 1.3.2.2. Các phương thức điều khiển 1.3.3. Phương trình trạng thái kết cấu được điều khiển chủ động 1.4. Tình hình nghiên cứu và một số nhận xét 1.4.1. Tình hình nghiên cứu 1.4.2. Một số nhận xét Trang 4
1.5. Đề xuất nội dung nghiên cứu của luận án Dựa vào những l do nêu trên, trong luận án này tập trung vào vấn đề điều khiển chủ động dao động của kết cấu nhiều bậc tự do sử dụng l thuyết mờ và Đại số gia tử. Trong đó, tập trung vào điều chỉnh/cải tiến để nâng cao hiệu quả hoạt động của bộ điều khiển theo 2 hướng: - Thiết kế tối ưu đa mục tiêu tham số mờ của các biến ng n ngữ. - Tối ưu hệ luật sử dụng sử dụng hệ số điều chỉnh (tuning coefficient) luật điều khiển. 1.6. Kết luận chƣơng Dao động có hại của các kết cấu là vấn đề kh ng thể tránh được trong thực tế kỹ thuật và việc nghiên cứu bài toán giảm dao động có hại của các kết cấu vẫn mang tính thời sự. Nhiều phương pháp, phương tiện và phương tiện giảm dao động của các kết cấu khác nhau đ được nghiên cứu và ứng dụng. Các nghiên cứu trong luận án sẽ tập trung vào tối ưu bộ điều khiển chủ động kết cấu dựa trên l thuyết mờ và đại số gia tử. Trên cơ sở phân tích ưu, nhược điểm của các c ng trình nghiên cứu được c ng bố trên các tạp chí/hội nghị uy tín, NCS đ đề xuất các nội dung cần nghiên cứu trong luận án là: (1) Thiết kế tối ưu đa mục tiêu tham số mờ của các biến ng n ngữ; (2) Tối ưu hệ luật sử dụng sử dụng hệ số điều chỉnh (tuning coefficient) luật điều khiển. Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Mô hình nghiên cứu tổng quát Xét mô hình kết cấu tòa nhà n tầng một khoang chịu động đất được trang bị các giằng chủ động ở một số tầng trong [77]. Hệ thống giằng chủ động này có nhiều bộ truyền động thủy lực điều khiển van servo được gắn trên hệ thống giằng của cấu trúc. Mỗi tầng của cấu trúc tòa nhà có thể hoặc có thiết bị truyền động hoặc không có thiết bị điều khiển. Các sàn không có thiết bị điều khiển sẽ không cần hệ thống giằng. Khi kết cấu tòa nhà n tầng được trang bị r bộ truyền động, r ≤ n, các phương trình chuyển động của một hệ thống cấu trúc th ng minh như vậy dưới tác dụng của địa chấn có thể là cấu trúc th ng minh dưới tác dụng hệ thống điều khiển chủ động [77]. Các phương trình chuyển động của hệ kết cấu với thiết bị truyền động có thể được viết lại thành dạng ma trận như [77]: M x(t ) C x(t ) x(t )   u(t )  xg (t ) (2.3) 2.2. Điều khiển dựa trên lý thuyết mờ 2.2.1. Các khái niệm 2.2.1.1. Tập mờ Trang 5
2.2.1.2. Các phép toán trên tập mờ 2.2.1.3. Hợp thành mờ 2.2.1.4. Giải mờ 2.2.1.5. Biến ngôn ngữ 2.2.2. Bộ điều khiển chủ động kết cấu dựa trên lý thuyết mờ Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của FC tỉ lệ - vi phân 2.2.2.1. Mờ hóa 2.2.2.2. Cơ sở luật mờ 2.2.2.3. Hợp thành mờ 2.2.2.4. Giải mờ 2.2.3. Nhận xét về bộ điều khiển mờ truyền thống 2.3. Điều khiển dựa trên lý thuyết đại số gia tử 2.3.1. Giới thiệu 2.3.2. Ý tưởng và các công thức cơ bản của HA 2.3.2.1. Sơ đồ điều khiển Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của HAC tỉ lệ - vi phân 2.3.2.2. Chuẩn hóa và giải chuẩn 2.3.2.3. Cơ sở luật HA 2.3.2.4. Hợp thành HA 2.4. Giới thiệu tối ƣu và tối ƣu đa mục tiêu 2.4.1. Bài toán tối ưu 2.4.1.1. Khái niệm về bài toán tối ưu 2.4.1.2. Phân loại bài toán tối ưu 2.4.2. Các dạng bài toán tối ưu kết cấu 2.4.2.1. Các bài toán tối ưu tiết diện ngang Trang 6
2.4.2.2. Bài toán tối ưu hình dáng 2.4.2.3. Bài toán tối ưu cấu trúc 2.4.2.4. Bài toán tối ưu tổng chi phí 2.4.3. Bài tóa tối ưu đa mục tiêu 2.5. Kết luận chƣơng Trong chương này, các cơ sở l thuyết chính được tóm lại như sau: • Các phương trình Lagrange loại II được áp dụng để thiết lập các phương trình vi phân chuyển động, các phương trình chuyển động của hệ kết cấu với thiết bị truyền động có thể được viết lại thành dạng ma trận và dưới dạng kh ng gian trạng thái. • L thuyết mờ và bộ điều khiển dựa trên l thuyết mờ được giới thiệu lại tóm lược, các ưu nhược điểm của bộ điều khiển này cũng được nêu ra. • L thuyết đại số gia tử và bộ điều khiển dựa trên l thuyết đại số gia tử được giới thiệu lại tóm lược, các ưu nhược điểm của bộ điều khiển này cũng được nêu ra. • L thuyết tối ưu và tối ưu đa mục tiêu đ được trình bày cùng các dạng bài toán tối ưu cũng được giới thiệu. Chƣơng 3. THIẾT KẾ TỐI ƢU BỘ ĐIỀU KHIỂN HAC 3.1. Ảnh hƣởng của các tham số mờ đến hiệu quả điều khiển của HAC Để thiết kế tối ưu trước hết cần khảo sát tham số mờ ảnh hưởng đến biến đầu ra đồng thời ảnh hưởng đến hiệu quả điều khiển của bộ điều khiển. 3.1.1. Xét trường hợp các tham số độc lập fm(c) = (h) = 0.5 Trang 7
Hình 3.2. Lưới số HA (phẳng) khi fm(c) = (h) = 0.5 3.1.2. Xét trường hợp các tham số độc lập fm(c) = 0.3 và (h) = 0.7 Hình 3.3 Các ánh xạ ngữ nghĩa định lượng  khi  = 0.3;  = 0.7 Trang 8
3.1.3. Xét trường hợp các tham số độc lập fm(c) = 0.4 và (h) = 0.6 Hình 3.6. Lưới số HA (không phẳng) khi fm(c) = 0.6, (h) = 0.4 Kiểm nghiệm số khi thay đổi hai tham số và với cùng giá trị biến đầu vào. Kết quả biến điều khiển us thu được như bảng: Bảng 3.4. Khảo sát ảnh hưởng khi tham số mờ thay đổi Nhận xét: Như vậy có thể thấy sự thay đổi giá trị của các tham số mờ của các biến trạng thái và biến điều khiển ảnh hưởng lớn đến giá trị SQM của các biến và giá trị biến điều khiển đầu ra. Điều này cũng có nghĩa là các tham số mờ của các biến ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả điều khiển của HAC. Vì vậy, trong mục tiếp theo (mục 3.2), tác giả trình bày bài toán tối ưu đa mục tiêu bộ điều khiển HAC dựa trên sự thay đổi của các tham số mờ của các biến trạng thái và biến điều khiển. 3.2. Tối ƣu tham số mờ của các biến ngôn ngữ của bộ điều khiển dựa trên đại số gia tử Trang 9
Trong mục này, các bộ điều khiển mở dựa trên lý thuyết đại số gia tử tối ưu (opHACs) được xây dựng dựa trên bài toán tối ưu sau: với các hàm mục tiêu phù hợp với đối tượng kết cấu: Cực tiểu hóa chuyển vị tầng dưới cùng (an toàn kết cấu):  di  t   F1  max    min (3.7) t ,i  d   max  Cực tiểu hóa gia tốc tuyệt đối lớn nhất của tầng trên cùng (sức chịu đựng của con người):  xai  t   F2  max    min (3.8) t ,i  x   a max  Cực tiểu hóa lực điều khiển trung bình (giới hạn của máy kích động): 1 n u t  F3   T 1 umax t  min (3.9) Để thực hiện các bài toán tối ưu đa mục tiêu với các mục tiêu trên, cần phải kết nhập các hàm mục tiêu riêng rẽ thành hàm mục tiêu chung thông qua các trọng số như sau: + Với 2 mục tiêu F1 và F2: F12  1  k12  F1  k12 F2  min + Với 2 mục tiêu F1 và F3 F13  1  k13  F1  k13 F3  min + Với 2 mục tiêu F2 và F3 F23  1  k23  F2  k23 F3  min 3.3. Thiết kế tối ƣu hệ số điều chỉnh của luật điều khiển của HAC Kiểm nghiệm số sự thay đổi của hệ số điều chỉnh ảnh hưởng đến kết quả của biến đầu ra được thể hiện trong bảng 3.5 với cùng số liệu biến đầu vào như bảng 3.4. Bảng 3.5 Khảo sát số ảnh hưởng của hệ số điều chỉnh đến kết quả biến đầu ra Hệ số turning x1s x1s us [0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0] 0.55 0.62 0.8908 [67 100 50 100 0 0 100 50 0 0 100 0 81 20]/100 0.8705 [1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1] 0.8850 Trang 10
Thực chất của điều chỉnh cơ sở luật là việc thay đổi vị trí của điểm A trong mặt phẳng đi qua các điểm biểu di n các luật điều khiển mờ của SQS dựa trên mức độ quan trọng của các luật điều khiển mờ của HAC. - Đề xuất này đơn giản vì hoạt động của nó chỉ sử dụng các phép biến đổi tuyến tính. - Sau khi điều chỉnh cơ sở luật, hình dạng của SQS là biểu di n hình học của cơ sở luật không bị thay đổi, hoặc đặc tính quan trọng là tính đơn điệu của cơ sở luật được giữ nguyên. - So với phương pháp điều chỉnh dựa trên việc thay đổi hệ số trọng số của cơ sở luật của bộ điều khiển mờ truyền thống (FC), tính năng đơn điệu của cơ sở luật điều chỉnh có thể kh ng được đảm bảo. Do đó, bộ điều khiển tHAC được thiết kế tối ưu dựa trên cơ sở luật mờ được điều chỉnh bởi "hệ số điều chỉnh". Việc điều chỉnh cơ sở luật ban đầu để có được hệ luật mới phù hợp hơn với một đối tượng được điều khiển cụ thể có thể được thực hiện với các hàm mục tiêu do người thiết kế lựa chọn. 3.4. Thuật toán điều khiển và chƣơng trình tính 3.5. Kết luận chƣơng Trong chương này, tác giả đ trình bày về: - Ảnh hưởng của các tham số mờ của các biến đến hiệu quả điều khiển của HAC, từ đó đưa ra nhận xét về khả năng sử dụng các tham số mờ của các biến trạng thái và biến điều khiển làm biết thiết kế khi tối ưu HAC. - Thiết kế tối ưu đa mục tiêu HAC dưa trên các tham số mờ của các biến với các hàm mục tiêu phù hợp với đối tượng được điều khiển và trình bày cách kết nhập các hàm mục tiêu riêng rẽ thành hàm mục tiêu chung sử dụng trọng số thể hiện mức độ trade-off giữa các mục tiêu - Thiết kế tối ưu hệ số điều chỉnh của các luật điều khiển của bộ điều khiển dựa trên đại số gia tử. Trong đó, hệ số điều chỉnh của các luật điều khiển được đề xuất dựa trên sự thay đổi vị trí của điểm nội suy trên mặt luật. Hệ số này thể hiện mức độ ảnh hưởng của luật trong quá trình điều khiển. Sự thay đổi của hệ số điều chỉnh này có thể được dùng làm biến thiết kế trong quá trình tối ưu HAC. Các đóng góp mới trong chương này được thể hiện trong các công bố sau đây của tác giả: - Multi-objective optimal design of fuzzy controller for structural vibration control using Hedge-algebras approach, Artif Intell Rev 50:569–595 (ISI uy tín) - A new approach for tuning control rule based on hedge-algebras theory and application in structural vibration control, Journal of Vibration and Control (ISI Q1) Trang 11
Chƣơng 4. MÔ PHỎNG SỐ 4.1. Thiết kế tối ƣu HAC dựa trên tham số mờ của các biến 4.1.1. Mô hình khảo sát Hình 4.1a. Mô hình kết cấu nhà 3 tầng chịu tải gia tốc tại liên kết Xét mô hình kết cấu ba tầng gắn thiết bị truyền động chịu kích thích bởi động đất thể hiện trong Hình 4.1 nghiên cứu bởi Du và cộng sự (2011) [15] Trong đó, các th ng số kết cấu đưa ra là mi = 1000 kg, ci = 1,407 kNs/m, và ki = 980kN/m, i = 1÷3. 4.1.2. Các thông số của bộ điều khiển HAC 4.1.3. Các thông số của bộ điều khiển tối ưu opHACs Hàm mục tiêu: F1, F2, F3 được mô tả trong mục 3.2   Biến thiết kế: fm(c )  [0.3, 0.7] ; (h )  [0.3, 0.7] Ràng buộc: không có (mục 3.1) Dữ liệu huấn luyện: Số liệu trận động đất El Centro năm 1940 (nguồn [98,99]) trong đó gia tốc nền được nhân với một tỷ lệ để đạt giá trị cực đại 0,112g. Bộ điều khiển cho các hàm mục tiêu lần lượt được ký hiệu là: opHAC1, opHAC2, opHAC3 4.1.4. Kết quả số SQM tối ưu của các biến ngôn ngữ cho bộ điều khiển opHAC1_El, opHAC2_El và opHAC3_El lần lượt được biểu di n trong Hình 4.2 ÷ 4.4 cho thấy sự khác biệt giữa các thông số tối ưu thích hợp cho những hàm mục tiêu khác nhau. 1 1 0.8 0.8 opHAC2_El opHAC1_El 0.6 0.6 SQMs,  SQMs,  0.4 0.4 x1 x1 dx1/dt dx1/dt 0.2 0.2 u u 0 0 VNe Ne LNe W LPo Po VPo VNe Ne LNe W LPo Po VPo Hình 4.3 SQMs tối ưu của các biến Hình 4.4 SQMs tối ưu của các biến ngôn ngữ cho bộ điều khiển ngôn ngữ cho bộ điều khiển opHAC1_El opHAC2_El Trang 12
1 0.8 opHAC3_El Hình 4.5 SQMs tối ưu của các biến ngôn ngữ 0.6 cho bộ điều khiển opHAC3_El SQMs,  0.4 x1 dx1/dt 0.2 u 0 VNe Ne LNe W LPo Po VPo Có thể thấy rằng các bộ điều khiển đề xuất đưa ra các kết quả tốt đối với tiêu chí làm giảm chuyển vị tầng dưới cùng cũng như gia tốc tuyệt đối tầng trên cùng. Tiêu chí có hệ số giảm cao hơn đối với opHAC2_El và opHAC1_El nếu so sánh với các bộ điều khiển hiện tại. Đáp ứng theo thời gian của chuyển vị tại tầng 1, gia tốc tuyệt đối của tầng 3 và lực điều khiển được lần lượt thể hiện trong Hình 4.6-4.8. 0.015 6 (m) El Centro earthquake (m/s2) El Centro earthquake 0.01 4 0.005 2 0 0 -0.005 -2 -0.01 -4 Uncontrolled FC HAC opHAC1_El -0.015 Uncontrolled FC HAC opHAC2_El 0 5 10 15 -6 Time (s) 0 5 10 15 Th 800 (N) El Centro earthquake Time (s) Th 600 400 200 0 -200 -400 -600 FC HAC opHAC3_El -800 0 5 10 15 Time (s) Th Hình 4.6 -8. Đáp ứng theo thời gian của chuyển vị - gia tốc – lực điều khiển Từ quan điểm tối ưu hóa đa mục tiêu, tập Pareto mô tả mức độ tranh chấp giữa các hàm chức năng được thể hiện trong Hình 4.9 – 4.11. Các tập pareto này thu được 0.49 khi thay đổi các trọng số trong hàm mục tiêu opHAC1_El chung trong khoảng từ 0 đến 1. 0.48 F2 0.47 opHAC2_El Hình 4.9 Tập Pareto giữa hàm mục tiêu F1 và F2 0.46 0.45 0.405 0.41 0.415 0.42 0.425 F1 Trang 13
0.5 0.6 opHAC1_El opHAC2_El 0.55 0.45 0.5 F3 0.45 F3 0.4 opHAC4_El 0.4 opHAC3_El 0.35 opHAC3_El 0.35 0.3 0.44 0.46 0.48 0.5 0.52 0.54 0.56 0.58 0.6 0.3 0.4 0.42 0.44 0.46 0.48 0.5 0.52 F2 F1 Hình 4.10 Tập Pareto giữa hàm Hình 4.11 Tập Pareto giữa hàm mục tiêu F2 mục tiêu F1 và F3 và F3 Như vậy tập Pareto trong Hình 4.9 - 4.11 cung cấp nhiều giải pháp cân bằng để tạo ra những lựa chọn thích hợp dựa trên các yêu cầu thực tế mà cần được xem xét cẩn thận. Với mục đích xác định một giải pháp chấp nhận được theo tiêu chuẩn tập Pareto bi u di n mức độ tranh chấp giữa các hàm mục tiêu, và, opHAC thứ tư được ký hiệu bởi opHAC4_El được đề xuất trong Hình 4.11 cho kết quả cân bằng với các mục tiêu đề xuất. SQM tối ưu của các biến ngôn ngữ trong bộ điều khiển opHAC4_El được biểu di n trên hình 4.12. 1 0.8 opHAC4_El 0.6 SQMs,  0.4 x1 dx1/dt 0.2 u 0 VNe Ne LNe LPo W Po VPo Hình 4.12 SQMs tối ưu của các biên Hình 4.13 Quan hệ biến thiên (%) của các ngôn ngữ bộ điều khiển opHAC4_El hàm mục tiêu F1 , F2 và F3 So sánh với các kết quả được tính toán bởi FC truyền thống, có thể nhận thấy rằng: các kết quả đạt được bởi opHAC4_El là giải pháp thích hợp nhất khi giảm 9.6% và giảm 15% trong khi chỉ tăng 3.7%. Các bộ điều khiển HAC, opHAC1_El và opHAC2_El cung cấp các kết quả tốt hơn theo tiêu chuẩn và nhưng tệ hơn theo tiêu chuẩn. Để giảm tiêu chuẩn 13.5% khi sử dụng bộ điều khiển opHAC1_El hoặc tiêu chuẩn F2 15.7% khi sử dụng opHAC2_El, tiêu chuẩn phải tăng ít nhất 16.2% hoặc 34.3% tương ứng. Th ng thường, các kết cấu có thể chịu các tải trọng động ngẫu nhiên và do đó, hai trận động đất điển hình là Northridge 1994 và Imperial Valley 1979 với gia tốc nền Trang 14
được nhân với một tỷ lệ để đạt giá trị cực đại là 0.112g, được xem xét trong những mô phỏng tiếp theo để đánh giá hiệu quả của các bộ điều khiển đề xuất. 0.015 6 (m) Northridge earthquake (m/s2) Northridge earthquake 0.01 4 0.005 2 0 0 -0.005 -2 -0.01 -4 Uncontrolled FC HAC opHAC1_El Uncontrolled FC HAC opHAC2_El -0.015 -6 0 5 10 15 0 5 10 15 Time (s) Time (s) Hình 4.14 – 16 Đáp ứng theo thời gian chuyển vị - gia tốc – lực điều khiển 4 0.01 (m/s2) Imperial Valley earthquake (m) Imperial Valley earthquake 3 2 0.005 1 0 0 -1 -2 -0.005 -3 Uncontrolled FC HAC opHAC2_El Uncontrolled FC HAC opHAC1_El -4 -0.01 0 5 10 15 0 5 10 15 Time (s) Time (s) 800 (N) Imperial Valley earthquake 600 400 200 0 -200 -400 -600 FC HAC opHAC3_El -800 0 5 10 15 Time (s) Hình 4.17 – 19 Đáp ứng theo thời gian chuyển vị - vận tốc – lực điều khiển trong động đất Iperial Valley 30 J1 F1 J2 F2 J3 F3 Northridge earthquake 20 10 0 Hình 4.20 Quan hệ biến -10 thiên (%) của các hàm mục -20 tiêu F1, F2 và F3 -30 FC HAC opHAC1_El opHAC2_El opHAC3_El opHAC4_El FC HAC opHAC1_El opHAC2_El opHAC3_El opHAC4_El Trang 15
80 J1 F1 J2 F2 J3 F3 Imperial Valley earthquake 60 40 Hình 4.21 Quan hệ biến 20 thiên (%) của các hàm mục 0 tiêu F1, F2 và F3 -20 FC HAC opHAC1_El opHAC2_El opHAC3_El opHAC4_El FC HAC opHAC1_El opHAC2_El opHAC3_El opHAC4_El Có thể nhận thấy rằng các kết quả đạt được từ HAC tốt hơn so với FC truyền thống theo các tiêu chuẩn và và mỗi opHAC cũng cung cấp các kết quả tốt nhất theo các hàm mục tiêu của nó cho hai trường hợp động đất trên. Bộ điều khiển opHAC4_El cũng cung cấp lần lượt các giải pháp thích hợp nhất cho cả hai trường hợp động đất ở Northridge 1994 và Imperial Valley 1979. Các kết quả trên bảng 4.2 chỉ ra rằng CPU time của HAC giảm nhiều hơn 90% khi so sánh với FC truyền thống. Với mục đích đánh giá mức độ gần tối ưu của opHAC dựa trên dữ liệu từ trận động đất El Centro khi sử dụng những bộ điều khiển này để điều khiển kết cấu chịu các trận động đất khác nhau, các bộ điều khiển tối ưu dựa trên dữ liệu từ trận động đất El Centro (opHAC1_El, opHAC2_El và opHAC3_El) và các bộ điều khiển tối ưu dựa trên dữ liệu của trận động đất Northridg và Imperial Valley (opHAC1_No, opHAC2_No và opHAC3_No - opHAC1_Im, opHAC2_Im, và opHAC3_Im) được biểu di n trong Bảng 4.3 và Bảng 4.4. Trang 16
Sự biến thiên mà nhỏ hơn 5% được biểu di n trong Bảng 4.3-4.4 chỉ ra rằng các bộ điều khiển tối ưu dựa trên dữ liệu của trận động đất El Centro có thể được xem xét như là các bộ điều khiển gần tối ưu dựa trên những vấn đề từ các trận động đất khác với các lỗi chấp nhận được. 4.2. Thiết kế tối ƣu HAC dựa trên hệ số điều chỉnh của các luật điều khiển 4.2.1. Mô hình dầm công xôn Hình 4.22 Mô hình dầm công xôn Phương trình trạng thái: [M ]{q}  [C]{q}  [ K ]{q}  { f } (4.10) Bài toán tối ưu được thiết lập, với sơ đồ điều khiển như hình 2.9 với Tải ban đầu hình sin: (Nm) Tải i=hình xung như hình vẽ Vận tốc đầu: Độ võng ban đầu là do lực tĩnh 100 mN (tác dụng vào đầu tự do dầm) Trang 17
Kết quả mô phỏng số thu được: Hình 4.23 Sự phân bố hệ số điều chỉnh cho bộ điều khiển HAC Hình 4.23 cho thấy: Luật thứ 2,3,4 5,7, 12,14 có mức tác động cao đến bộ điều khiển tHAC. Luật thứ 1, 6, 8, 9, 11, 13 ,15 có mức tác động thấp với bộ điều khiển tHAC Trong trường hợp kích thích hình sin, các đáp ứng theo thời gian của độ võng tại đầu tự do của dầm và mô men điều khiển được biểu di n trong Hình 4.24, 4.25. 20 20 Không điều khiển HAC tHAC HAC tHAC Độ võng tại đầu tự do (mm) Mô men điều khiển (Nmm) 10 10 0 0 -10 -10 Tải hình Sin Tải hình Sin -20 -20 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 Thời gian (s) Thời gian (s) Hình 4.24 và 4.25 Đáp ứng theo thời gian của độ võng đầu tự do của dầm và mô men lực điều khiển Để đơn giản đánh giá độ ổn định và độ bền vững thông qua các mô phỏng số của bộ điều khiển được đề xuất tHAC, các tải trọng bên ngoài khác được xem xét và chiều cao h của mặt cắt ngang của dầm, thông số quan trọng nhất liên quan đến độ cứng uốn của dầm, thay đổi 20%. Độ võng lớn nhất ở đầu tự do của dầm được sắp xếp trong Bảng 4.5 trong đó là biến thiên (%) của biên độ dao động của đầu tự do của dầm khi sử dụng bộ điều khiển tHAC so với khi sử dụng bộ điều khiển HAC. Trang 18