Ứng dụng lý thuyết mờ và đại số gia tử trong điều khiển dao động kết cấu TT

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 Cơng trình hồn 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 Đơng Anh Phản biện 2: GS.TS Phạm Chí Vĩnh Phản biện 3: PGS.TSKH Nguyễn Cát Hồ Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi giờ, ngày tháng năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Dao động tượng xảy hầu hết kết cấu, máy móc hệ động lực Hiện tượng dao động bắt gặp sống hàng ngày hay hệ kỹ thuật Các trình dao động thường trình thay đổi đa dạng theo thời gian Trong tính tốn đo đạc q trình dao động [1] dạng đặc biệt dao động tuần hồn dao động điều hịa Các trình dao động phân loại tùy theo quan điểm, khác Các dao động không mong muốn gây mỏi kết cấu làm giảm sức bền, độ an toàn kết cấu làm giảm độ xác, độ tin cậy thiết bị hệ thống Giải toán giảm dao động không mong muốn kết cấu đ đặt từ lâu ngày quan tâm nhằm đảm bảo độ an toàn kết cấu, máy móc tăng cường độ tin cậy độ bền thiết bị [2].Một tiêu quan trọng thiết kế kết cấu kỹ thuật giảm biên độ đáp ứng, chuyển vị, vận tốc, lực… kết cấu tác dụng tải trọng động bên ngồi (gió, động đất…) Trước đây, phương pháp phổ biến để giảm dao động tăng cường độ cứng cho kết cấu Tuy nhiên phương pháp gặp phải vấn đề chi phí độ phức tạp mà cơng nghệ khơng cho phép Vì thế, vài thập kỷ gần đây, giới đ phát triển công nghệ sử dụng thiết bị tiêu tán lượng để giảm dao động Việc sử dụng thiết bị tiêu tán lượng có nhiều ưu điểm tính kinh tế, hiệu quả, tăng tuổi thọ cơng trình, cài đặt thay đơn giản Ước tính, sử dụng thiết bị tiêu tán lượng chiếm 25% chi phí so với việc gia cố kết cấu cho phận thép bê tơng Trong q trình lắp đặt, hệ thống trạng thái làm việc Với hiệu kinh tế kỹ thật, công nghệ sử dụng thiết bị tiêu tán lượng trở thành hướng triển vọng để nghiên cứu ứng dụng phát triển Bên cạnh việc sử dụng thiết tiêu tán lượng nói trên, giải pháp khác giảm dao động có hại đặt thêm lực để giảm biên độ dao động cách sử dụng máy kích động điều khiển máy tính nhằm tạo lực tác động vào kết cấu [3] Điều khiển chủ động kết cấu sử dụng lý thuyết mờ đ nghiên cứu, ứng dụng rộng r i điều khiển dao động kết cấu thu thành tựu đáng kể Thêm vào đó, kết nghiên cứu gần công bố nhiều tác giả điều khiển chủ động kết cấu dựa lý thuyết đại số gia tử (Hedge-Algebras, HA) đ ưu điểm điều khiển so với điều khiển dựa lý thuyết mờ [3] Trang Tuy nhiên, đến hướng tiếp cận sử dụng l thuyết mờ đại số gia tử nhiều vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu điều khiển dao động kết cấu như: - Các toán giới hạn máy kích động (actuator saturation), kết cấu với tham số kh ng chắn (uncertain structures), tr điều khiển (time delay) - Điều khiển bán chủ động (semi active control), điều khiển lai (hybrid control) - hát triển điều khiển nơ ron-mờ (neuro-fuzzy controller) dựa HA - Nghiên cứu tính ổn định, bền vững phương án tối ưu điều khiển mờ dựa đại số gia tử - Tối ưu tham số mờ biến ngôn ngữ (chuyển vị, vận tốc, lực điều khiển,…) tối ưu hệ luật điều khiển, hệ luật điều khiển sử dụng kinh nghiệm quan sát chun gia nên khơng thực phù hợp với đối tượng điều khiển cụ thể Trên sở phân tích kết nghiên cứu có, vào thực tế ứng dụng giải pháp giảm dao động có hại kết cấu nước giới, đề tài luận án: “Ứng dụng lý thuyết mờ đại số gia tử điều khiển dao động kết cấu” đặt thực Mục đích nghiên cứu luận án - Cải thiện hiệu hoạt động mở rộng khả ứng dụng điều khiển mờ dựa lý thuyết mờ đại số gia tử để điều khiển dao động kết cấu Cụ thể sau: - Tối ưu tham số mờ biến trạng thái (chuyển vị, vận tốc) biến điều khiển (lực điều khiển) quan điểm đa mục tiêu - Tối ưu hóa hệ luật điều khiển định tính dạng quan hệ “NẾUTHÌ” giá trị ngôn ngữ biến ngôn ngữ Đối tƣợng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu chủ yếu luận án mơ hình kết cấu hữu hạn bậc tự chịu tải gia tốc liên kết Ngồi mơ hình dầm chịu dao động uốn, mơ hình khung giàn khơng gian lắc nghiên cứu khảo sát Phạm vi nghiên cứu Trang Các toán nghiên cứu luận án tập trung vào vấn đề điều khiển chủ động dao động kết cấu nhiều bậc tự chịu tải gia tốc liên kết sử dụng lý thuyết mờ Đại số gia tử Do đó, số yêu cầu sau chưa đề cập khuôn khổ nội dung nghiên cứu luận án chuyển vị cho phép, ứng suất cho phép, yếu tố phi tuyến mơ hình tính bền vững, thích nghi,… điều khiển điều khiển chủ động kết cấu Dữ liệu kích động gia tốc liên kết luận án lấy từ nguồn liệu tải trọng động đất đ xử lý Phƣơng pháp nghiên cứu Luận án có sử dụng phương pháp: - hương pháp nghiên cứu lý thuyết, phân tích, tổng hợp sử dụng để tóm lược khái quát kết nghiên cứu đ có nghiên cứu thuật toán số phần xây dựng thuật toán, chương trình tính phần mềm Matlab để điều khiển dao động kết cấu sử dụng lý thuyết mờ đại số gia tử - hương pháp so sánh đánh giá để nhận xét kết nghiên cứu hiệu phương pháp trình bày luận án nghiên cứu đ có trước Những đóng góp luận án - Đề xuất phương án tối ưu với biến thiết kế tham số mờ biến trạng thái thái biến điều khiển, cụ thể độ đo tính mờ từ nguyên thủy (primary term) âm độ tính mờ gia tử (hedge), quan điểm tối ưu đa mục tiêu lựa chọn phương án tối ưu phù hợp dựa vào tập areto hàm mục tiêu - Đề xuất hệ số điều chỉnh luật điều khiển định tính, từ tối ưu hệ luật điều khiển sử dụng biến thiết kế hệ số điều chỉnh để thu hệ luật “phù hợp hơn” với m hình điều khiển - Các kết m cho thấy đề xuất đ cải tiến đáng kể hiệu điều khiển dựa l thuyết Đại số gia tử (Hedge-Algebrasbased controller, HAC) toán điều khiển chủ động dao động kết cấu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Các toán nghiên cứu luận án: điều khiển tối ưu dao động kết cấu nhiều bậc tự sử dụng l thuyết mờ Đại số gia tử Trong đó, tập Trang trung vào điều chỉnh/cải tiến/tối ưu để nâng cao hiệu hoạt động điều khiển Luận án có đóng góp định mặt l thuyết đề xuất hướng tiếp cận thực tế Luận án thu đóng góp tốn điều khiển dao động kết cấu sử dụng l thuyết mờ đại số gia tử, đặc biệt kết tối ưu điều chỉnh hệ luật điều khiển định tính HAC; hiệu điều khiển tốc độ xử l HAC; ứng dụng HAC cho dạng kết cấu khác Kết nghiên cứu Luận án làm phong phú thêm tạo sở khoa học để xây dựng phát triển nghiên cứu điều khiển kết cấu sử dụng l thuyết mờ đại số gia tử Cấu trúc luận án Mở đầu Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Thiết kế tối ưu điều khiển HAC Chương 4: Kết tính tốn số Kết luận kiến nghị Các cơng trình cơng bố tác giả liên quan đến đề tài luận án Tài liệu tham khảo Chƣơng TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tóm lƣợc dao động kết cấu 1.2 Các phƣơng pháp làm giảm dao động có hại kết cấu 1.3 Điều khiển chủ động dao động kết cấu 1.3.1 Khái niệm 1.3.2 Máy kích động 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 điều khiển chủ động 1.4 Tình hình nghiên cứu số nhận xét 1.4.1 Tình hình nghiên cứu 1.4.2 Một số nhận xét Trang 1.5 Đề xuất nội dung nghiên cứu luận án Dựa vào l nêu trên, luận án tập trung vào vấn đề điều khiển chủ động dao động kết cấu nhiều bậc tự sử dụng l thuyết mờ Đại số gia tử Trong đó, tập trung vào điều chỉnh/cải tiến để nâng cao hiệu hoạt động điều khiển theo hướng: - Thiết kế tối ưu đa mục tiêu tham số mờ 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 kết cấu vấn đề kh ng thể tránh thực tế kỹ thuật việc nghiên cứu toán giảm dao động có hại kết cấu mang tính thời Nhiều phương pháp, phương tiện phương tiện giảm dao động kết cấu khác đ nghiên cứu ứng dụng Các nghiên cứu luận án tập trung vào tối ưu điều khiển chủ động kết cấu dựa l thuyết mờ đại số gia tử Trên sở phân tích ưu, nhược điểm c ng trình nghiên cứu c ng bố tạp chí/hội nghị uy tín, NCS đ đề xuất nội dung cần nghiên cứu luận án là: (1) Thiết kế tối ưu đa mục tiêu tham số mờ biến ng n ngữ; (2) Tối ưu hệ luật sử dụng sử dụng hệ số điều chỉnh (tuning coefficient) luật điều khiển Chƣơng CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Mô hình nghiên cứu tổng qt Xét mơ hình kết cấu tòa nhà n tầng khoang chịu động đất trang bị giằng chủ động số tầng [77] Hệ thống giằng chủ động có nhiều truyền động thủy lực điều khiển van servo gắn hệ thống giằng cấu trúc Mỗi tầng cấu trúc tịa nhà có thiết bị truyền động khơng có thiết bị điều khiển Các sàn khơng có thiết bị điều khiển khơng cần hệ thống giằng Khi kết cấu tòa nhà n tầng trang bị r truyền động, r ≤ n, phương trình chuyển động hệ thống cấu trúc th ng minh tác dụng địa chấn cấu trúc th ng minh tác dụng hệ thống điều khiển chủ động [77] Các phương trình chuyển động hệ kết cấu với thiết bị truyền động viết lại thành dạng ma trận [77]: M x(t ) C x(t ) x(t )   u(t )  xg (t ) (2.3) 2.2 Điều khiển dựa lý thuyết mờ 2.2.1 Các khái niệm 2.2.1.1 Tập mờ Trang 2.2.1.2 Các phép toán 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 lý thuyết mờ Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động 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 điều khiển mờ truyền thống 2.3 Điều khiển dựa lý thuyết đại số gia tử 2.3.1 Giới thiệu 2.3.2 Ý tưởng công thức HA 2.3.2.1 Sơ đồ điều khiển Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý hoạt động HAC tỉ lệ - vi phân 2.3.2.2 Chuẩn hóa giải chuẩn 2.3.2.3 Cơ sở luật HA 2.3.2.4 Hợp thành HA 2.4 Giới thiệu tối ƣu tối ƣu đa mục tiêu 2.4.1 Bài toán tối ưu 2.4.1.1 Khái niệm toán tối ưu 2.4.1.2 Phân loại toán tối ưu 2.4.2 Các dạng toán tối ưu kết cấu 2.4.2.1 Các toán tối ưu tiết diện ngang Trang 2.4.2.2 Bài tốn 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, sở l thuyết tóm lại sau: • Các phương trình Lagrange loại II áp dụng để thiết lập phương trình vi phân chuyển động, phương trình chuyển động hệ kết cấu với thiết bị truyền động viết lại thành dạng ma trận dạng kh ng gian trạng thái • L thuyết mờ điều khiển dựa l thuyết mờ giới thiệu lại tóm lược, ưu nhược điểm điều khiển nêu • L thuyết đại số gia tử điều khiển dựa l thuyết đại số gia tử giới thiệu lại tóm lược, ưu nhược điểm điều khiển nêu • L thuyết tối ưu tối ưu đa mục tiêu đ trình bày dạng toán tối ưu giới thiệu Chƣơng THIẾT KẾ TỐI ƢU BỘ ĐIỀU KHIỂN HAC 3.1 Ảnh hƣởng tham số mờ đến hiệu điều khiển HAC Để thiết kế tối ưu trước hết cần khảo sát tham số mờ ảnh hưởng đến biến đầu đồng thời ảnh hưởng đến hiệu điều khiển điều khiển 3.1.1 Xét trường hợp tham số độc lập fm(c) = (h) = 0.5 Trang Hình 3.2 Lưới số HA (phẳng) fm(c) = (h) = 0.5 3.1.2 Xét trường hợp tham số độc lập fm(c) = 0.3 (h) = 0.7 Hình 3.3 Các ánh xạ ngữ nghĩa định lượng   = 0.3;  = 0.7 Trang Thực chất điều chỉnh sở luật việc thay đổi vị trí điểm A mặt phẳng qua điểm biểu di n luật điều khiển mờ SQS dựa mức độ quan trọng luật điều khiển mờ HAC - Đề xuất đơn giản hoạt động sử dụng phép biến đổi tuyến tính - Sau điều chỉnh sở luật, hình dạng SQS biểu di n hình học sở luật khơng bị thay đổi, đặc tính quan trọng tính đơn điệu sở luật giữ nguyên - So với phương pháp điều chỉnh dựa việc thay đổi hệ số trọng số sở luật điều khiển mờ truyền thống (FC), tính đơn điệu sở luật điều chỉnh kh ng đảm bảo Do đó, điều khiển tHAC thiết kế tối ưu dựa sở luật mờ điều chỉnh "hệ số điều chỉnh" Việc điều chỉnh sở luật ban đầu để có hệ luật phù hợp với đối tượng điều khiển cụ thể thực với hàm mục tiêu người thiết kế lựa chọn 3.4 Thuật tốn điều khiển chƣơng trình tính 3.5 Kết luận chƣơng Trong chương này, tác giả đ trình bày về: - Ảnh hưởng tham số mờ biến đến hiệu điều khiển HAC, từ đưa nhận xét khả sử dụng tham số mờ biến trạng thái biến điều khiển làm biết thiết kế tối ưu HAC - Thiết kế tối ưu đa mục tiêu HAC dưa tham số mờ biến với hàm mục tiêu phù hợp với đối tượng điều khiển trình bày cách kết nhập hàm mục tiêu riêng rẽ thành hàm mục tiêu chung sử dụng trọng số thể mức độ trade-off mục tiêu - Thiết kế tối ưu hệ số điều chỉnh luật điều khiển điều khiển dựa đại số gia tử Trong đó, hệ số điều chỉnh luật điều khiển đề xuất dựa thay đổi vị trí điểm nội suy mặt luật Hệ số thể mức độ ảnh hưởng luật trình điều khiển Sự thay đổi hệ số điều chỉnh dùng làm biến thiết kế trình tối ưu HAC Các đóng góp chương thể công bố sau 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 MÔ PHỎNG SỐ 4.1 Thiết kế tối ƣu HAC dựa tham số mờ biến 4.1.1 Mơ hình khảo sát Hình 4.1a Mơ hình kết cấu nhà tầng chịu tải gia tốc liên kết Xét mơ hình kết cấu ba tầng gắn thiết bị truyền động chịu kích thích động đất thể Hình 4.1 nghiên cứu Du cộng (2011) [15] Trong đó, th ng số kết cấu đưa mi = 1000 kg, ci = 1,407 kNs/m, ki = 980kN/m, i = 1÷3 4.1.2 Các thông số điều khiển HAC 4.1.3 Các thông số điều khiển tối ưu opHACs Hàm mục tiêu: F1, F2, F3 mô tả mục 3.2   Biến thiết kế: fm(c )  [0.3, 0.7] ; (h )  [0.3, 0.7] Ràng buộc: khơng có (mục 3.1) Dữ liệu huấn luyện: Số liệu trận động đất El Centro năm 1940 (nguồn [98,99]) gia tốc nhân với tỷ lệ để đạt giá trị cực đại 0,112g Bộ điều khiển cho hàm mục tiêu ký hiệu là: opHAC1, opHAC2, opHAC3 4.1.4 Kết số SQM tối ưu biến ngôn ngữ cho điều khiển opHAC1_El, opHAC2_El opHAC3_El biểu di n Hình 4.2 ÷ 4.4 cho thấy khác biệt thơng số tối ưu thích hợp cho hàm mục tiêu khác 1 0.8 0.8 opHAC1_El x1 Hình 4.3 SQMs tối ưu biến ngôn ngữ cho điều khiển opHAC1_El LPo W LNe Ne u VNe VPo LPo W LNe Ne dx1/dt 0.2 u VNe 0.4 dx1/dt 0.2 VPo x1 0.6 Po SQMs,  0.4 Po SQMs,  opHAC2_El 0.6 Hình 4.4 SQMs tối ưu biến ngôn ngữ cho điều khiển opHAC2_El Trang 12 Hình 4.5 SQMs tối ưu biến ngôn ngữ cho điều khiển opHAC3_El 0.8 0.4 x1 dx1/dt 0.2 VPo LPo W LNe VNe Ne u Po SQMs,  opHAC3_El 0.6 Có thể thấy điều khiển đề xuất đưa kết tốt tiêu chí làm giảm chuyển vị tầng gia tốc tuyệt đối tầng Tiêu chí có hệ số giảm cao opHAC2_El opHAC1_El so sánh với điều khiển Đáp ứng theo thời gian chuyển vị tầng 1, gia tốc tuyệt đối tầng lực điều khiển thể Hình 4.6-4.8 0.015 (m) (m/s2) El Centro earthquake 0.01 0.005 El Centro earthquake -0.005 -2 -0.01 -0.015 Uncontrolled FC HAC -4 opHAC1_El 10 15 Time (s) Th -6 Uncontrolled FC HAC opHAC2_El 10 15 Time (s) 800 (N) El Centro earthquake 600 Th 400 200 -200 -400 -600 -800 FC HAC 10 opHAC3_El 15 Time (s) Th chuyển vị - gia tốc – lực điều khiển Hình 4.6 -8 Đáp ứng theo thời gian Từ quan điểm tối ưu hóa đa mục tiêu, tập Pareto mô tả mức độ tranh chấp hàm chức thể Hình 4.9 – 4.11 Các tập pareto thu thay đổi trọng số hàm mục tiêu 0.49 opHAC1_El chung khoảng từ đến 0.48 F2 0.47 Hình 4.9 Tập Pareto hàm mục tiêu F1 F2 opHAC2_El 0.46 0.45 0.405 0.41 0.415 F1 0.42 0.425 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 0.3 0.4 opHAC3_El 0.35 0.3 0.44 0.42 0.44 0.46 F1 0.48 0.5 0.52 Hình 4.10 Tập Pareto hàm mục tiêu F1 F3 0.46 0.48 0.5 0.52 F2 0.54 0.56 0.58 0.6 Hình 4.11 Tập Pareto hàm mục tiêu F2 F3 Như tập Pareto Hình 4.9 - 4.11 cung cấp nhiều giải pháp cân để tạo lựa chọn thích hợp dựa yêu cầu thực tế mà cần xem xét cẩn thận Với mục đích xác định giải pháp chấp nhận theo tiêu chuẩn tập Pareto bi u di n mức độ tranh chấp hàm mục tiêu, và, opHAC thứ tư ký hiệu opHAC4_El đề xuất Hình 4.11 cho kết cân với mục tiêu đề xuất SQM tối ưu biến ngôn ngữ điều khiển opHAC4_El biểu di n hình 4.12 0.8 0.4 x1 dx1/dt 0.2 VPo Po LPo W LNe u Ne VNe SQMs,  opHAC4_El 0.6 Hình 4.12 SQMs tối ưu biên ngơn ngữ điều khiển opHAC4_El Hình 4.13 Quan hệ biến thiên (%) hàm mục tiêu F1 , F2 F3 So sánh với kết tính tốn FC truyền thống, nhận thấy rằng: kết đạt opHAC4_El giải pháp thích hợp giảm 9.6% giảm 15% tăng 3.7% Các điều khiển HAC, opHAC1_El opHAC2_El cung cấp kết tốt theo tiêu chuẩn tệ theo tiêu chuẩn Để giảm tiêu chuẩn 13.5% sử dụng điều khiển opHAC1_El tiêu chuẩn F2 15.7% sử dụng opHAC2_El, tiêu chuẩn phải tăng 16.2% 34.3% tương ứng Th ng thường, kết cấu chịu tải trọng động ngẫu nhiên đó, hai trận động đất điển hình Northridge 1994 Imperial Valley 1979 với gia tốc Trang 14 nhân với tỷ lệ để đạt giá trị cực đại 0.112g, xem xét mô để đánh giá hiệu điều khiển đề xuất 0.015 (m) Northridge earthquake 0.01 0.005 0 -0.005 -2 -0.01 -0.015 (m/s2) Northridge earthquake -4 Uncontrolled FC HAC opHAC1_El 10 -6 15 Uncontrolled FC HAC opHAC2_El 10 Time (s) 15 Time (s) Hình 4.14 – 16 Đáp ứng theo thời gian chuyển vị - gia tốc – lực điều khiển (m/s2) 0.01 Imperial Valley earthquake (m) Imperial Valley earthquake 0.005 0 -1 -0.005 -2 -3 -4 Uncontrolled FC HAC opHAC2_El 10 15 -0.01 Uncontrolled FC HAC opHAC1_El 10 15 Time (s) Time (s) 800 Imperial Valley earthquake (N) 600 400 200 -200 -400 -600 -800 FC HAC 10 opHAC3_El 15 Time (s) Hình 4.17 – 19 Đáp ứng theo thời gian chuyển vị - vận tốc – lực điều khiển động đất Iperial Valley 30 J11 F FJ2 Northridge earthquake J33 F 20 10 Hình 4.20 Quan hệ biến thiên (%) hàm mục tiêu F1, F2 F3 -10 -20 -30 FC FC HAC HAC opHAC1_El opHAC1_El opHAC2_El opHAC2_El opHAC3_El opHAC3_El opHAC4_El opHAC4_El Trang 15 80 FJ1 FJ2 Imperial Valley earthquake F J33 60 Hình 4.21 Quan hệ biến thiên (%) hàm mục tiêu F1, F2 F3 40 20 -20 FC FC HAC HAC opHAC1_El opHAC1_El opHAC2_El opHAC2_El opHAC3_El opHAC3_El opHAC4_El opHAC4_El Có thể nhận thấy kết đạt từ HAC tốt so với FC truyền thống theo tiêu chuẩn và opHAC cung cấp kết tốt theo hàm mục tiêu cho hai trường hợp động đất Bộ điều khiển opHAC4_El cung cấp giải pháp thích hợp cho hai trường hợp động đất Northridge 1994 Imperial Valley 1979 Các kết bảng 4.2 CPU time HAC giảm nhiều 90% so sánh với FC truyền thống Với mục đích đánh giá mức độ gần tối ưu opHAC dựa liệu từ trận động đất El Centro sử dụng điều khiển để điều khiển kết cấu chịu trận động đất khác nhau, điều khiển tối ưu dựa liệu từ trận động đất El Centro (opHAC1_El, opHAC2_El opHAC3_El) điều khiển tối ưu dựa liệu trận động đất Northridg Imperial Valley (opHAC1_No, opHAC2_No opHAC3_No - opHAC1_Im, opHAC2_Im, opHAC3_Im) biểu di n Bảng 4.3 Bảng 4.4 Trang 16 Sự biến thiên mà nhỏ 5% biểu di n Bảng 4.3-4.4 điều khiển tối ưu dựa liệu trận động đất El Centro xem xét điều khiển gần tối ưu dựa vấn đề từ trận động đất khác với lỗi chấp nhận 4.2 Thiết kế tối ƣu HAC dựa hệ số điều chỉnh luật điều khiển 4.2.1 Mơ hình dầm cơng xơn Hình 4.22 Mơ hình dầm cơng xơn Phương trình trạng thái: [M ]{q}  [C]{q}  [ K ]{q}  { f } Bài toán tối ưu thiết lập, với sơ đồ điều khiển hình 2.9 với Tải ban đầu hình sin: (4.10) (Nm) Tải i=hình xung hình vẽ Vận tốc đầu: Độ võng ban đầu lực tĩnh 100 mN (tác dụng vào đầu tự dầm) Trang 17 Kết mơ số thu được: Hình 4.23 Sự phân bố hệ số điều chỉnh cho điều khiển HAC 20 Không điều khiển HAC 20 tHAC 10 -10 Mô men điều khiển (Nmm) Độ võng đầu tự (mm) Hình 4.23 cho thấy: Luật thứ 2,3,4 5,7, 12,14 có mức tác động cao đến điều khiển tHAC Luật thứ 1, 6, 8, 9, 11, 13 ,15 có mức tác động thấp với điều khiển tHAC Trong trường hợp kích thích hình sin, đáp ứng theo thời gian độ võng đầu tự dầm mô men điều khiển biểu di n Hình 4.24, 4.25 HAC tHAC 10 -10 Tải hình Sin -20 Thời gian (s) Tải hình Sin -20 Thời gian (s) Hình 4.24 4.25 Đáp ứng theo thời gian độ võng đầu tự dầm mô men lực điều khiển Để đơn giản đánh giá độ ổn định độ bền vững thông qua mô số điều khiển đề xuất tHAC, tải trọng bên khác xem xét chiều cao h mặt cắt ngang dầm, thông số quan trọng liên quan đến độ cứng uốn dầm, thay đổi 20% Độ võng lớn đầu tự dầm xếp Bảng 4.5 biến thiên (%) biên độ dao động đầu tự dầm sử dụng điều khiển tHAC so với sử dụng điều khiển HAC Trang 18 Các đáp ứng theo thời gian độ võng đầu tự dầm với tải hình xung, vận tốc đầu độ võng ban đầu Hình 4.26, 4.27 4.28 Đáp ứng theo thời gian độ võng đầu tự dầm Có thể thấy giảm độ võng đầu tự dầm tình sử dụng tHAC nhiều so với trường hợp sử dụng HAC Do đó, sau điều chỉnh sở luật, điều khiển tHAC cung cấp hiệu suất cao điều khiển, nói cách khác, sở quy tắc phù hợp với đối tượng điều khiển bảo tồn đặc tính đơn điệu hệ luật 4.2.2 Mơ hình tịa nhà tầng Xét kết cấu hình 4.1a th ng số ban đầu mục 4.1.1 Bài toán tối ưu xây dựng: Hàm mục tiêu: F1  Biến thiết kế: i  0,1 , i = ÷ 15 Dữ liệu huấn luyện: Đầu vào kích thích số liệu trận động đất El Centro 1940, Northridge 1994, Imperial Valley 1979 trình tối ưu điều khiển dựa đại số gia tử điều chỉnh Kết mô thu được: Trang 19 Sự thay đổi hệ số điều chỉnh α thể Hình 4.30 (a) điều khiển tHAC1 Hình 4.30 (b) điều khiển tHAC2 Hình 4.30 Phân phối hệ số điều chỉnh cho tHAC1 (a) tHAC2 (b) Các luật thứ 4, 7, 12 có mức độ quan trọng cao mức độ ảnh hưởng cao đến điều khiển tHAC1 luật thứ 4, 6, 7, 9, 10, 12 15 có mức độ quan trọng cao mức tác động cao đến điều khiển tHAC2 Kết mô sử dụng liệu trận động đất El Centro xếp Bảng 4.6 liên quan đến độ chuyển vị tương đối lớn F1 gia tốc tuyệt đối lớn F2 điều khiển tHAC1 tHAC2 cho kết tốt đáng kể hai tiêu chí F1 F2 với giá trị cực đại lực điều khiển điều khiển Các đáp ứng theo thời gian chuyển vị tầng (mm), gia tốc tuyệt đối tầng lực điều khiển (N) trường hợp động đất El Centro trình bày Hình 4.31 Sự thay đổi (%) hàm mục tiêu với trường hợp điều khiển so với trường hợp kh ng điều khiển thể tương ứng Hình 4.32- 4.33 Trang 20 Hình 4.32 4.33 Sự thay đổi % với tiêu chuyển vị gia tốc tuyệt đối Trong trường hợp động đất Northridge, Imperial Valley, Duzce, Friuli, Kern County, Kocaeli Livermore, kết thu từ điều khiển tHAC1 tHAC2 tốt so với điều khiển lại xét theo hai tiêu F1 F2 Minh họa kết Storey drift of the first floor (m) 0.015 Uncontrolled FC HAC tHAC1 0.01 0.005 -0.005 -0.01 Northridge earthquake -0.015 12 15 Absolute acceleration of the third floor (m/s2) Time (s) Uncontrolled FC HAC tHAC2 -2 -4 Northridge earthquake -6 12 15 Time (s) Hình 4.34 4.35 Đáp ứng theo thời gian chuyển vị tầng gia tốc tuyệt đối tầng Trang 21 Uncontrolled FC HAC tHAC1 0.005 Uncontrolled FC HAC tHAC1 tHAC2 -0.005 Floor Storey drift of the first floor (m) 0.01 Imperial Valley earthquake -0.01 12 Time (s) Uncontrolled FC HAC 0.002 0.004 0.006 Max Storey drift (m) tHAC2 0.008 0.01 Floor Absolute acceleration of the third floor (m/s2) Imperial Valley earthquake 15 Imperial Valley earthquake -1 -2 Uncontrolled FC HAC tHAC1 tHAC2 -3 Max Absolute acceleration (m/s2) Imperial Valley earthquake -4 12 15 Time (s) Hình 4.36 4.37 Đáp ứng theo thời gian chuyển vị tầng gia tốc tuyệt đối tầng Uncontrolled FC HAC tHAC1 0.005 -0.005 Floor Storey drift of the first floor (m) 0.01 Friuli earthquake Friuli earthquake -0.01 12 15 Uncontrolled FC HAC 0.002 tHAC2 0.004 0.006 Max Storey drift (m) 0.008 0.01 3 Floor Absolute acceleration of the third floor (m/s2) Time (s) Uncontrolled FC HAC tHAC1 tHAC2 Friuli earthquake -1 -2 -3 -4 Friuli earthquake Uncontrolled FC HAC tHAC1 tHAC2 Max Absolute acceleration (m/s2) -5 12 15 Time (s) Hình 4.38 4.39 Đáp ứng theo thời gian chuyển vị tầng gia tốc tuyệt đối tầng Do đó, sau điều chỉnh sở luật, điều khiển dựa đại số gia tử điều chỉnh đưa hiệu cao điều khiển, nói cách khác, sở luật phù hợp với đối tượng điều khiển đảm bảo đặc tính đơn điệu hệ luật tương tự hệ luật ban đầu ban đầu 4.3 Các kết mơ khác 4.3.1 Bài tốn rời rạc bậc tự Trang 22 4.3.2 Điều khiển tối ưu HAC dựa khoảng xác định biến trạng thái 4.3.3 Điều khiển tối ưu đa mục tiêu tham số mờ HAC 4.3.4 Bài toán rời rạc bậc tự 4.3.5 Điều khiển kết cấu khung không gian dựa HAC với trợ giúp phần mềm ANSYS 4.3.6 Khảo sát ảnh hưởng trọng số luật mờ đến hiệu điều khiển lắc 4.4 Kết luận chƣơng Trong chương này, mô số thực để nghiên cứu hiệu điều khiển dựa lý thuyết Đại số gia tử tối ưu theo hướng sau: - Tối ưu sử dụng biến thiết kế tham số mờ biến trạng thái (chuyển vị vận tốc) biến điều khiển (lực điều khiển) - Tối ưu sử dụng biến thiết kế hệ số điều chỉnh (tuning) luật điều khiển định tính + Hàm mục tiêu lựa chọn phù hợp với đối tượng điều khiển liên quan đến an toàn kết cấu, sức chịu đựng người giới hạn máy kích động gồm: cực tiểu chuyển vị, vận tốc gia tốc lớn nhất, cực tiểu lượng để điều khiển, … + Các ràng buộc liên quan đến trình tối ưu điều khiển HAC loại bỏ tính chất trội lý thuyết HA lu n đảm bảo thứ tự ngữ nghĩa giá trị ngôn ngữ biến + Các kết mô số cho thấy điều khiển dựa lý thuyết đại số gia tử thể nhiều ưu điểm so sánh với điều khiển mờ th ng thường nhờ d dàng thiết lập, tối ưu hóa đơn giản, cấu trúc chặt chẽ thời gian tính toán (C U time) nhanh nhiều Các tập areto xây dựng rõ mức độ tranh chấp (trade-off) mục tiêu tối ưu, từ người thiết kế lựa chọn cấu hình phù hợp cho điều khiển tối ưu HAC với mục tiêu quan tâm Hệ số điều chỉnh luật mờ, đại diện cho mức độ quan trọng mức độ ảnh hưởng luật mờ, dựa lý thuyết HA đề xuất cho thấy việc tối ưu hệ số này, hệ luật phù hợp với đối tượng điều khiển cho hiệu điều khiển cao + Ngoài ra, số kết mô khác thực để minh họa rõ ưu điểm lý thuyết đại số gia tử áp dụng vào điều khiển mơ hình học số minh họa khác liên quan đến điều khiển mờ truyền thống việc kết hợp HAC với phần mềm công nghiệp Trang 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Luận án tập trung nghiên cứu toán thiết kế tối ưu điều khiển mờ dựa l thuyết đại số gia tử cho điều khiển chủ động kết cấu Các đóng góp Luận án bao gồm: - Đề xuất phương án tối ưu với biến thiết kế tham số mờ biến trạng thái thái biến điều khiển, cụ thể độ đo tính mờ từ nguyên thủy (primary term) âm độ tính mờ gia tử (hedge) âm, quan điểm tối ưu đa mục tiêu lựa chọn phương án tối ưu phù hợp dựa vào tập areto hàm mục tiêu - Đề xuất hệ số điều chỉnh luật điều khiển định tính, từ tối ưu hệ luật điều khiển sử dụng biến thiết kế hệ số điều chỉnh để thu hệ luật “phù hợp hơn” với m hình điều khiển - Các kết m cho thấy đề xuất đ cải tiến đáng kể hiệu điều khiển dựa l thuyết Đại số gia tử (Hedge-Algebrasbased controller, HAC) toán điều khiển chủ động dao động kết cấu Th ng qua đóng góp này, luận án: - Sơ đồ thuật tốn, chương trình tính ng n ngữ Matlab đ tác giả thiết lập cho dạng toán kể - M số thực số lượng đáng kể toán cho nhiều lớp đối tượng khác như: hệ nhiều bậc tự chịu tải gia tốc liên kết (m hình nhà cao tầng chịu tải động đất), dầm chịu dao động uốn lắc ngược Kết nghiên cứu Luận án đ làm phong phú thêm tạo sở khoa học để xây dựng phát triển nghiên cứu điều khiển m hình học sử dụng l thuyết mờ đại số gia tử Ngoài nội dung đ nghiên cứu luận án, số vấn đề sau trở thành nghiên cứu phát triển tương lai: - Ứng dụng l thuyết đại số gia tử để thiết kế điều khiển mờ trượt, thích nghi, bền vững, tr … đặc biệt ứng dụng đại số gia tử c ng nghệ tính tốn mềm để điều khiển m hình học phức tạp, phi tuyến,… - Ứng dụng l thuyết đại số lĩnh vực trí tuệ nhân tạo trí tuệ nhân tạo tính tốn, học máy, học sâu, khai phá liệu, trích rút tri thức,… để ứng dụng toán học / Trang 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Hai Le Bui, Quy Cao Tran, Control of a pendulum using Hedge algebras Containing actuator saturation, Tạp chí Khoa học Công nghệ 53 (6) (2015) 695-705, DOI: 10.15625/0866-708X/53/6/5215 Trần Quý Cao, Bùi Hải Lê, Bùi Văn Bình, Điều khiển tối ưu dao động kết cấu sử dụng Đại số gia tử dựa khoảng xác định biến trạng thái, Kỷ yếu Hội nghị khoa học công nghệ tồn quốc Cơ khí – Động lực 2016 Trần Quý Cao, Bùi Hải Lê, Bùi Văn Bình, Điều khiển tối ưu đa mục tiêu dao động kết cấu sử dụng Đại số gia tử dựa tham số mờ, Kỷ yếu Hội nghị khoa học cơng nghệ tồn quốc Cơ khí – Động lực 2016 Trần Quý Cao, Bùi Hải Lê, Bùi Văn Bình, Khảo sát ảnh hưởng trọng số luật mờ đến hiệu điều khiển dao động lắc, Tuyển tập cơng trình khoa học Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X, năm 2017 Bùi Hải Lê, Bùi Văn Bình, Trần Quý Cao, Tiếp cận đại số gia tử điều khiển kết cấu công trình chịu động đất, Hội nghị quốc tế Khoa học Công nghệ, Kỷ niệm 50 năm truyền thống trường Đại học Điện Lực, năm 2017 Trần Quý Cao, Lê Anh Tuấn, Bùi Hải Lê, Điều khiển chủ động kết cấu dựa Đại số gia tử với hỗ trợ phần mềm ANSYS, Tuyển tập cơng trình Hội nghị Khoa học tàn quốc Cơ học Vật rắn lần thứ XIV, năm 2018 Van – Bình Bui, Quy-Cao Tran, Hai-Le Bui, Multi-objective optimal design of fuzzy controller for structural vibration control using Hedgealgebras approach, Artif Intell Rev (2018) 50:569–595, DOI: 10.1007/s10462-017-9549-3 (ISI uy tín) Hai-le Bui, Quy-Cao Tran, A new approach for tuning control rule based on hedge-algebras theory and application in structural vibration control, Journal of Vibration and Control (JVC) 2020, Vol.0(0) I-15, DOI: 10.1177/1077546320964307 (ISI Q1) ... nhằm tạo lực tác động vào kết cấu [3] Điều khiển chủ động kết cấu sử dụng lý thuyết mờ đ nghiên cứu, ứng dụng rộng r i điều khiển dao động kết cấu thu thành tựu đáng kể Thêm vào đó, kết nghiên cứu... điều khiển cụ thể Trên sở phân tích kết nghiên cứu có, vào thực tế ứng dụng giải pháp giảm dao động có hại kết cấu nước giới, đề tài luận án: ? ?Ứng dụng lý thuyết mờ đại số gia tử điều khiển dao. .. khiển dao động kết cấu? ?? đặt thực Mục đích nghiên cứu luận án - Cải thiện hiệu hoạt động mở rộng khả ứng dụng điều khiển mờ dựa lý thuyết mờ đại số gia tử để điều khiển dao động kết cấu Cụ thể