Điều khiển dao động kết cấu dựa trên mô hình sử dụng lý thuyết mờ và đại số gia tử247

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ TÙNG ANH ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG KẾT CẤU DỰA TRÊN MƠ HÌNH SỬ DỤNG LÝ THUYẾT MỜ VÀ ĐẠI SỐ GIA TỬ 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 Đông Anh Phản biện 2: GS.TSKH Đỗ Sanh 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 14 giờ, ngày 22 tháng 01 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 thường gặp tự nhiên kỹ thuật [1] Dao động có lợi có hại tùy thuộc vào trường hợp cụ thể Đối với hệ kỹ thuật, nhiều dạng dao động có hại Các dao động có hại ảnh hưởng đến an toàn, trạng thái sức khỏe tâm sinh lý người; đến độ bền, độ ổn định kết cấu công trình; đến độ xác máy móc, phương tiện, thiết bị dây chuyền sản xuất Như hệ kỹ thuật nói chung, thấy yêu cầu giảm dao động có hại cần thiết [2] Vấn đề giảm dao động có hại kết cấu, hệ kỹ thuật quan tâm hàng đầu nhiều quan nghiên cứu khoa học, nhà khoa học, sở nghiên cứu ứng dụng Hiện nay, loại dao động ngày nguy hiểm cần quan tâm thích đáng 03 lý sau [2]: Sự tăng lên quy mô kết cấu, tốc độ máy móc cường độ kích động ngồi; Sự cấp thiết việc giảm giá thành, chi phí sản xuất lắp dựng kết cấu khối lớn; Yêu cầu cao đảm bảo an toàn cho kết cấu quan trọng Đối với kết cấu cơng trình, điều khiển chủ động giải pháp giảm dao động cách sử dụng máy kích động điều khiển máy tính nhằm tạo lực tác động vào kết cấu sử dụng thiết bị tiêu tán lượng điều khiển Điều khiển chủ động kết cấu sử dụng lý thuyết mờ nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi 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 ưu điểm điều khiển so với điều khiển dựa lý thuyết mờ Ngoài ra, hướng nghiên cứu điều khiển dao động kết cấu dựa mơ hình quan tâm với thuật tốn điều khiển thích nghi, điều khiển theo liệu mẫu, điều khiển on/off, điều khiển trễ, để nâng cao tính ổn định, bền vững hiệu hệ thống điều khiển Chính vậy, hướng nghiên cứu điều khiển chủ động kết cấu sử dụng lý thuyết đại số gia tử dựa mô hình khả thi mở rộng thêm phạm vi ứng dụng lý thuyết đại số gia tử Với mong muốn kế thừa phát triển kết nghiên cứu trước điều khiển dựa lý thuyết mờ lý thuyết đại số gia Trang tử, đồng thời vào tình hình ứng dụng thực tế giải pháp giảm dao động có hại cho kết cấu nước giới, góp phần tiếp cận thực tiễn nên tác giả lựa chọn vấn đề “Điều khiển dao động kết cấu dựa mơ hình sử dụng lý thuyết mờ đại số gia tử” làm đề tài nghiên cứu Mục đích nghiên cứu luận án Mục đích trọng tâm luận án thiết kế điều khiển chủ động dao động kết cấu dựa mơ hình sử dụng lý thuyết mờ lý thuyết đại số gia tử Trong đó, nhiệm vụ thiết lập cơng thức tường minh thể mối quan hệ biến trạng thái (chuyển vị vận tốc) với biến điều khiển (lực điều khiển) điều khiển dựa lý thuyết đại số gia tử ứng dụng công thức tường minh vào điều khiển dao động kết cấu dựa mơ hình gồm khảo sát ổn định hệ có trễ, điều khiển trễ điều khiển chế độ trượt Nội dung nghiên cứu luận án * Nghiên cứu sở lý thuyết điều khiển dựa lý thuyết mờ điều khiển dựa lý thuyết đại số gia tử để thiết lập công thức tường minh điều khiển dựa lý thuyết đại số gia tử * Nghiên cứu sở lý thuyết điều khiển dao động kết cấu dựa mơ hình * Từ đó, thiết lập thuật tốn chương trình tính cho phép điều khiển chủ động dao động kết cấu dựa mơ hình sử dụng lý thuyết mờ đại số gia tử * Kiểm nghiệm tính đắn hiệu việc áp dụng công thức tường minh điều khiển chủ động kết cấu dựa mơ hình trượt mơ hình trễ chịu tải gia tốc liên kết Đối tượng nghiên cứu luận án Đối tượng nghiên cứu luận án mơ hình kết cấu hữu hạn bậc tự chịu tải gia tốc liên kết Phạm vi nghiên cứu luận án Các toán nghiên cứu luận án tốn tuyến tính Với nội dung luận án điều khiển trượt điều khiển trễ dao động kết cấu sử dụng lý thuyết đại số gia tử so sánh hiệu điều khiển với số điều khiển khác trường hợp không điều khiển nên số tiêu chuẩn vấn đề sau chưa đề cập khuôn khổ luận án chuyển vị cho phép, ứng suất cho phép vấn đề thích nghi điều khiển điều khiển chủ động kết cấu Trang Phương pháp nghiên cứu luận án * Phương pháp phân tích, tổng hợp: Được sử dụng để nghiên cứu kết có trước tác giả ngồi nước * Biến đổi giải tích: Thiết lập công thức tường minh điều khiển dựa đại số gia tử * Thuật toán số: Xây dựng thuật tốn chương trình tính tốn ngơn ngữ lập trình Matlab để điều khiển chủ động kết cấu * Phương pháp so sánh, đánh giá: Được sử dụng để nhận xét kết quả, hiệu thu phương pháp đề xuất với nghiên cứu công bố trước Cấu trúc luận án Luận án gồm có: Mở đầu, chương, kết luận kiến nghị, cơng trình cơng bố tác giả liên quan đến luận án, tài liệu tham khảo TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Chương trình bày nghiên cứu tổng quan phương pháp giảm dao động có hại kết cấu, phương pháp điều khiển dao động kết cấu; điều khiển chủ động; máy kích động phương thức điều khiển chủ động; phương trình trạng thái kết cấu điều khiển chủ động Trong đó, phân tích tập trung vào nội dung điều chủ động kết cấu dựa mơ hình, điều khiển chủ động kết cấu sử dụng lý thuyết mờ đại số gia tử nhà khoa học nước, rút vấn đề cần nghiên cứu phát triển Từ xác định nội dung phạm vi nghiên cứu cho đề tài CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Mơ hình nghiên cứu tổng qt Xét mơ hình kết cấu hữu hạn bậc tự do, chịu gia tốc kích động x0 liên kết [106] Các phương trình chuyển động hệ kết cấu với thiết bị truyền động viết lại thành dạng ma trận [105]: M x C x K x u x0 (2.6) Phương trình (2.6) viết dạng không gian trạng thái: z A z A u A 0x (2.9) Hai tiêu quan trọng kết cấu định nghĩa: * Chuyển vị tương đối J1 , liên quan đến an toàn kết cấu, thường xảy tầng 1: Trang J1 max t ,i di t (2.14) d max * Gia tốc tuyệt đối J2 , liên quan đến khả chịu đựng người, thường xảy tầng cùng: xai t (2.15) J2 max t ,i xa max đây, di(t) d max chuyển vị tầng thứ i chuyển vị cực đại, xai ( t) xa max gia tốc tuyệt đối tầng thứ i gia tốc tuyệt đối cực đại trường hợp điều khiển không điều khiển 2.2 Điều khiển dựa lý thuyết mờ 2.2.1 Khái niệm: Trình bày khái niệm tập mờ; phép toán tập mờ; hợp thành mờ; khử mờ biến ngôn ngữ 2.2.2 Bộ điều khiển chủ động kết cấu dựa lý thuyết mờ Cơ sở luật FC xi xi ui Mờ hóa Giải mờ Suy luận FC Kết cấu Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động FC tỉ lệ - vi phân Khoảng xác định biến trạng thái xi , xi biến điều khiển ui: xi a 0i ,a i ;xi b0i ,b0i ;ui c 0i ,c 0i (2.25) 2.2.2.1 Mờ hóa: Mờ hóa với khoảng xác định (2.25) biến trạng thái x i (5 hàm thuộc tam giác), x i (3 hàm thuộc tam giác) biến điều khiển u i (7 hàm thuộc tam giác) [53] 2.2.2.2 Cơ sở luật mờ: Gồm 15 luật điều khiển [53] trình bày bảng FAM dựa vào kinh nghiệm tri thức chuyên gia th ể suy luận định tính (Bảng 2.1) Trang Bảng 2.1 Bảng FAM 2.2.2.3 Hợp thành mờ: Sử dụng hợp thành mờ theo Mamdani 2.2.2.4 Giải mờ: Sử dụng phương pháp giải mờ trọng tâm 2.2.3 Nhận xét điều khiển mờ truyền thống * Ưu điểm: Hoạt động theo chế suy luận định tính dựa ưu điểm dễ dàng tận dụng kinh nghiệm chuyên gia; đơn giản thiết lập; tính khả thi cao hệ phức tạp phi tuyến; không phụ thuộc hoàn toàn vào tham số hệ nên dễ dàng sử dụng lại tham số hệ thay đổi * Hạn chế: Phải thận trọng mờ hóa để đảm bảo thứ tự ngữ nghĩa giá trị ngôn ngữ; bước mờ hóa, hợp thành giải mờ rắc rối mặt thao tác; nhiều luật hoạt động vịng lặp điều khiển; khó khăn tối ưu cần nhiều tham số độc lập ràng buộc để thiết kế điều khiển 2.3 Điều khiển dựa lý thuyết đại số gia tử 2.3.1 Khái niệm: Trình bày tổng quan đại số gia tử (HA); ý tưởng công th ức HA: độ đo tính mờ gia tử ( ) phần tử sinh (fm); ánh xạ ngữ nghĩa định lượng - SQMs ( ) Với tập ph ần tử sinh G = {Small, Big}; C = {0, W, 1}; tập gia tử H = {Little, Very} tất SQMs tính tốn với tham số độc lập: SQMs phần tử trung hòa ( ) tổng độ đo tính mờ gia tử âm ( ) Ví dụ, = 0.5; = 0.5, SQMs biểu diễn Hình 2.6 Hình 2.6 Các ánh xạ ngữ nghĩa định lượng Trang = 0.5; = 0.5 2.3.2 Bộ điều khiển chủ động kết cấu dựa đại số gia tử Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý hoạt động HAC tỉ lệ - vi phân 2.3.2.1 Ngữ nghĩa hóa giải ngữ nghĩa: xi , xi ui tương ứng thay xis , xis u is chuyển đổi từ miền thực sang miền ngữ nghĩa - miền chứa giá trị ngữ nghĩa định lượng 2.3.2.2 Cơ sở luật HA: Được trình bày bảng SAM với giá trị ngữ nghĩa định lượng xây dựng dựa sở luật mờ - bảng FAM (Bảng 2.1) Bảng 2.3 Bảng 2.3 Bảng SAM 2.3.2.3 Hợp thành HA: Luật hợp thành HA sử dụng mặt cong ngữ nghĩa định lượng (Hình 2.13) uis U 0.5 0.8 X2 X1 0.7 0.6 0.5 xis 0.4 0.3 0.2 0.7 0.6 0.5 x is 0.4 0.3 Hình 2.13 Mặt cong ngữ nghĩa định lượng 2.3.3 Nhận xét điều khiển dựa đại số gia tử Trang HA có tính cấu trúc đảm bảo thứ tự ngữ nghĩa giá trị ngơn ngữ; bước ngữ nghĩa hóa, hợp thành HA giải ngữ nghĩa đơn giản bước ánh xạ nội suy tuyến tính; có 01 luật hoạt động vịng lặp điều khiển; cần 02 tham số độc lập (ánh xạ ngữ nghĩa định lượng phần tử trung hòa tổng độ đo tính mờ gia tử âm) để mơ tả tồn giá trị ngơn ngữ biến ngôn ngữ Như vậy, ứng dụng HA vào điều khiển khắc phục hạn chế FC phân tích mục 2.2.3 2.4 Kết luận chương Trong chương này, sở lý 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 không gian trạng thái * Các lý thuyết mờ/ đại số gia tử điều khiển dựa lý thuyết mờ/ đại số gia tử giới thiệu lại tóm lược, ưu nhược điểm điều khiển nêu ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG KẾT CẤU DỰA TRÊN MƠ HÌNH SỬ DỤNG LÝ THUYẾT MỜ VÀ ĐẠI SỐ GIA TỬ 3.1 Thiết lập công thức tường minh điều khiển dựa đại số gia tử Công thức tường minh thiết lập để thể mối quan hệ biến điều khiển (lực điều khiển) biến trạng thái (chuyển vị vận tốc) sau: 3.1.1 Xét trường hợp tham số độc lập fm(c ) = (h ) = 0.5 us A u s(A) x1s(A) x1s(A) x1s x1s Hình 3.3 Lưới số HA (phẳng) fm(c ) = (h ) = 0.5 Trang 2c c (3.5) x1 x1 3a 3b 3.1.2 Xét trường hợp tham số độc lập fm(c ) = 0.4 (h ) = 0.6 u us 16 14 u s(A) A 12 (b) (a) 10 15 13 11 x1s(A) x1s(A) x1s x1s Hình 3.5 Lưới số HA (khơng phẳng) fm(c) = 0.4, (h ) = 0.6 5c 2c x1 x1 cho tam giác (a) (3.10) 7a 7b 5c 3c (3.11) u x1 x1 0.03 c cho tam giác (b) 7a 7b 3.1.3 Xét trường hợp tham số độc lập fm(c ) = 0.6 (h ) = 0.4 u us u s(A) (a) 10 14 A 16 (b) 12 15 13 11 x1s(A) x1s(A) x1s x1s Hình 3.6 Lưới số HA (không phẳng) fm(c) = 0.6, (h ) = 0.4 39c 3c 5c x1 x1 cho tam giác (a) 64 a 8b 320 39c 3c c u x1 x1 cho tam giác (b) 64 a 4b 320 u Trang (3.16) (3.17) * Tuy nhiên, có số hạn ch ế sau đây: Thứ nhất, cần thiết phải bổ sung điều khiển bật/tắt (on/off, switch) lưới số HA không phẳng Thứ hai, giải pháp đánh giá độ ổn định hệ thống với trễ thời gian đầu vào chưa tổng quát số giả định đơn giản sử dụng trễ thời gian đầu vào τ không đổi, giới h ạn phân tích cho độ ổn định hệ thống chưa xem xét, * Việc ứng dụng công thức tường minh vào điều khiển trễ cho phép dễ dàng xác định thời gian trễ tới hạn hệ thống * Việc ứng dụng công thức tường minh vào điều khiển trượt cho phép dễ dàng xác định lực điều khiển u thay phải sử dụng thao tác phức tạp tập mờ mô tả điều khiển mờ - trượt trước * Sơ đồ thuật toán điều khiển chủ động kết cấu dựa lý thuyết mờ đại số gia tử thể MÔ PHỎNG SỐ 4.1 Kiểm chuẩn mơ hình Kết tính tốn so sánh với cơng trình nghiên cứu điều khiển dao động kết cấu 10 bậc tự công bố [105] Các kết từ Hình 4.3 4.4 chứng minh độ tin cậy thuật tốn chương trình tính 10 Khơng điều khiển HAC HAF 0.2 HAC [108] [108] -0.2 El Centro -0.4 Khô ng điềukhiển Uncontrolled HAFC Bậc tự Chuyển vị x10 , m 0.4 10 20 30 40 Thời gian, s 50 El Cent ro 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Chuyển vị cực đại, m Hình 4.3 4.4 So sánh chuyển vị theo thời gian x10 chuyển vị cực đại kết cấu 10 bậc tự 4.2 Mơ số 4.2.1 Bài tốn hệ rời rạc bậc tự 4.2.1.1 Mơ hình nghiên cứu Hình 4.5 Mơ hình kết cấu bậc tự chịu tải gia tốc Trang 11 Trong đó, m = 1000 kg, c = 1.407 kNs/m, k = 980 kN/m gia tốc kích động x0 lấy từ số liệu trận động đất El Centro năm 1940, nhân với tỉ lệ để gia tốc cực đại 0.112g [63] 4.2.1.2 Điều khiển trễ dao động kết cấu dựa đại số gia tử Hình 4.6 Thay đổi tiêu J 1, J theo thời gian trễ Hình 4.7 Chuyển vị, gia tốc kết cấu lực điều khiển = 15ms Từ kết thu thấy rằng: Trễ điều khiển tăng hiệu điều khiển giảm; < 20 ms, tiêu J1 J thay đổi chậm, > 20 ms, tiêu J J thay đổi nhanh gây ổn định điều khiển; kết điều khiển điều khiển deHAC tốt so với deFC cho tiêu J1 J 4.2.1.3 Điều khiển trượt dao động kết cấu dựa đại số gia tử Bảng 4.1 Chỉ tiêu J 1, J điều khiển Bộ điều khiển SMC HAC sHAC J1 0.806 0.369 0.340 J2 0.796 0.543 0.505 Từ Bảng 4.1, thấy sử dụng điều khiển sHAC cho kết tốt so với HAC SMC tiêu J J với giá trị cực đại lực điều khiển (500N) Có thể thấy kết Hình 4.8 minh họa r hiệu điều khiển sHAC so với HAC SMC khả giảm tượng “chattering” sHAC so sánh với SMC Trang 12 Hình 4.8 Chuyển vị tương đối, gia tốc tuyệt đối lực điều khiển 4.2.1.4 Điều khiển trượt dao động kết cấu dựa đại số gia tử có xét đến ảnh hưởng thời gian trễ Các giá tr ị tối đa chuẩn hóa phản hồi kết cấu xếp Bảng 4.2 Bộ điều khiển đề xuất tạo hiệu suất tốt de-sHAC việc giảm gia tốc tối đa với lực điều khiển thời gian trễ = 20 ms tồn đầu vào Bảng 4.2 Giá trị cực đại tiêu thời gian trễ thay đổi = ms = 20 ms Bộ điều khiển de-HAC de-sHAC de-HAC de-sHAC 0.462 0.429 0.571 0.357 J1 0.584 0.557 0.747 0.564 J2 Hình 4.9 4.10 Chuyển vị, gia tốc kết cấu lực điều khiển = ms = 20 ms Trang 13 1 0.8 0.8 Chỉ tiêu J Chỉ tiêu J Bộ điều khiển khả thi với độ trễ thời gian tối đa cho = 20 ms Điều có nghĩa điều khiển ổn định với hiệu suất lượng cực đại không chắn tham số giới hạn truyền động mô tả cho độ trễ thỏa mãn ph ạm vi - 20 ms Ngồi ra, thấy từ Hình 4.10 de-sHAC ổn định hiệu suất tương tự khơng có độ trễ thời gian trường hợp đầu vào Hình 4.9 Để xác nhận tính hiệu điều khiển thiết kế việc xử lý vấn đề trễ thời gian, tác động độ trễ thời gian đáp ứng kết cấu nghiên cứu cách tính giá trị J J so với độ trễ thời gian, Hình 4.11 Từ kết cho thấy hiệu điều khiển de-sHAC tốt so với de-HAC tương ứng giữ độ trễ thời gian tối đa ( max = 25 ms) de-HAC bị ổn định 0.6 0.4 0.6 0.4 0.2 0.2 de-HAC 0 10 15 20 de- sHAC 25 30 35 de-HAC 40 45 50 10 15 20 de- sHAC 25 30 35 40 45 50 Thời gian trễ (ms) Thời gian trễ (ms) Hình 4.11 Thay đổi tiêu J 1, J theo thời gian trễ 4.2.2 Bài toán hệ rời rạc bậc tự 4.2.2.1 Mơ hình nghiên cứu Hình 4.12 Mơ hình kết cấu bậc tự chịu tải gia tốc Trong đó, mi =1000 kg, c i = 1.407 kNs/m, k i = 980 kN/m i = ÷ [63, 118] Gia tốc kích động x0 lấy từ số liệu trận động đất El Centro 1940, №rthridge 1994, Imperial Valley 1979 Livermore 1980 nhân với tỉ lệ để gia tốc cực đại 0,112g Trang 14 4.2.2.2 Mô điều khiển trễ sử dụng HAC Nghiệm phương trình (3.32) với giá trị khác thời gian trễ τ tính tốn liệt kê Bảng 4.3 Có thể quan sát thấy từ Bảng 4.3, thời gian trễ lên đến 27ms bắt đầu xuất số cực hàm truyền có phần thực dương, theo tiêu chuẩn ổn định nêu mục 3.2 [114] hệ thống phản hồi ổn định Vì vậy, xác định thời gian trễ tới hạn τmax hệ thống khoảng 26ms Bảng 4.3 Nghiệm phương trình đặc trưng Thời gian trễ τ (ms) Nghiệm phương trình (3.32) 10 20 26 27 -4.243+56.535i -4.243-56.535i -3.695+40.382i -3.695-40.382i -0.579+14.632i -0.579-14.632i -1809.366+0i -3.987+57.995i -3.987-57.995i -2.956+41.342i -2.956-41.342i -0.484+14.681i -0.484-14.681i -415.646+0i -2.110+59.521i -2.110- 59.521i -1.796+42.063i -1.796-42.063i -0.382+14.720i -0.382-14.720i -240.577+0i -0.052+59.720i -0.052-59.720i -0.920+42.402i -0.920-42.402i -0.318+14.738i -0.318-14.738i -223.020+ 0i 0.329+59.639i 0.329-59.639i -0.759+42.455i -0.759-42.455i -0.307+14.741i -0.307-14.741i Các giá trị ch ỉ tiêu J1 J trình bày Bảng 4.4 trường hợp trận động đất El Centro thời gian tr ễ τ = ms, kết thu phương pháp khác đưa để so sánh Các thông số thiết kế, miền tham chiếu giá trị ngôn ngữ biến sở luật, điều khiển mờ thông thường FC tương tự HAC Kiểu suy luận Mamdani phương pháp bình quân gia quyền sử dụng phương pháp suy luận phương pháp khử mờ FC Bảng 4.4 Chỉ tiêu J J trường hợp El Centro, u max = 700N τ = ms SSMC Lim et Du et FC HAC Bộ điều LQR MBBC khiển [118] [118] [118] al [118] al [63] 0.657 0.381 0.388 0.396 0.41 0.468 0.432 J1 0.584 0.548 0.560 0.543 0.53 0.530 0.523 J2 Có thể thấy từ Bảng 4.4 HAC cho kết tốt hai tiêu với giá trị cực đại lực điều khiển (umax = 700 N [63, 118]) Hiệu HAC thiết kế việc giảm gia tốc tuyệt đối cực đại cao so với phương pháp khác So sánh HAC FC, tiêu J1 J thu từ HAC nhỏ so với tiêu tương ứng thu từ FC Để tiếp tục xác minh hiệu điều khiển HAC so với điều khiển FC với thời gian trễ đầu vào, thay đổi (%) tiêu J J tính tốn thể Hình 4.13 - 4.15 cho trường hợp động đất, trận động đất El Centro, Trang 15 №rthridge Imperial Valley Có thể thấy từ Hình 4.13 - 4.15 giá trị cực đại lực điều khiển (u max) tăng lên, tiêu J J2 giảm xuống, hiệu điều khiển điều khiển tăng lên Trong vùng giới hạn ổn định hệ thống (τ ≤ 26 ms), tiêu J thu từ HAC nhỏ từ FC hầu hết trường hợp mô Hình 4.13 Sự thay đổi (%) J J với thời gian trễ, El Centro Hình 4.14 4.15 Sự thay đổi (%) J J với thời gian trễ, Northridge Imperial Valley Như đề cập trên, độ trễ thời gian đầu vào hệ thống cấu thành từ nhiều yếu tố, giá trị ngẫu nhiên Để minh họa tượng này, giả định thời gian trễ truyền Trang 16 động thay đổi ngẫu nhiên khoảng τ = ÷ 20 ms (dữ liệu ngẫu nhiên tạo cách sử dụng lệnh “random” phần mềm Matlab thể Hình 4.16) Các tiêu J J2 trường hợp lập thành bảng Bảng 4.5 Bảng 4.5 Các tiêu J J trường hợp động đất, τ ngẫu nhiên Động đất El Centro №rthridge Imperial Valley Bộ điều khiển FC HAC FC HAC FC HAC 0.496 0.464 0.719 0.695 0.645 0.628 J1 0.592 0.578 0.691 0.709 0.744 0.758 J2 0.015 Không điều khiển FC HAC Chuyển vị tương đối tầng (m) Chuyển vị tương đối tầng (m) Để minh họa thêm, chuyển vị tầng 1, gia tốc tuyệt đối tầng lực điều khiển trường hợp trận động đất El Centro với umax = 700 N τ = 20 ms biểu diễn Hình 4.17 Chuyển vị tầng 1, gia tốc tuyệt đối tầng lực điều khiển trường hợp trận động đất El Centro với umax = 700 N τ ngẫu nhiên phạm vi ÷ 20 ms, biểu diễn Hình 4.18 Có thể thấy hiệu HAC hai tiêu J J tốt so với FC với giá trị cực đại lực điều khiển liệu ngẫu nhiên thời gian trễ τ 0.01 0.005 -0.005 -0.01 El Centro, 20 ms -0.015 12 0.015 -0.005 -0.01 El Centro, random Thời gian (s) FC Không điều khiển HAC -2 -4 El Centro, 20 ms -6 12 0.015 FC Không điều khiển -0.005 -0.01 El Centro, random 1000 HAC FC 800 12 15 HAC 600 Lực điều khiển (N) Lực điều khiển (N) HAC 0.005 -0.015 15 600 400 200 -200 -400 -600 400 200 -200 -400 -600 -800 -1000 15 Thời gian (s) FC 800 12 0.01 Thời gian (s) 1000 Thời gian (s) Chuyển vị tương đối tầng (m) Gia tốc tuyệt đối tầng (m/s2) HAC 0.005 -0.015 15 FC Không điều khiển 0.01 -800 El Centro, 20 ms 12 -1000 15 El Centro, random 12 15 Thời gian (s) Thời gian (s) Hình 4.17 4.18 Chuyển vị tầng 1, gia tốc tuyệt đối tầng lực điều khiển (El Centro, u1max = 700 N τ = 20 ms, τ ngẫu nhiên) 4.2.2.3 Mô điều khiển trượt sử dụng HAC so sánh với điều khiển trượt SMC Trang 17 Bảng 4.6 Giá trị cực đại tiêu trường hợp El Centro Bộ điều LQR MBBC SSMC Lim et Du et SMC sHAC khiển [118] [118] [118] al [118] al [63] 0.657 0.381 0.388 0.396 0.410 0.519 0.378 J1 0.584 0.548 0.560 0.543 0.530 0.623 0.531 J2 Kết cho thấy r ằng điều khiển đề xuất cung cấp kết tốt việc giảm chuyển vị tương đối cực đại tầng cao J gia tốc tuyệt đối cực đại J Tiêu chí J có tỷ lệ giảm cao cho điều khiển sHAC so với điều khiển lại Hiệu điều khiển sHAC cao so với SMC cho hai tiêu chí J1 J2 Trong trường hợp trận động đất El Centro, phản ứng thời gian chuyển vị tương đối tầng một, gia tốc tuyệt đối tầng cùng, chuyển vị tầng lực điều khiển thể Hình 4.19 chuyển vị tương đối cực đại gia tốc tuyệt đối cực đại tầng thể Hình 4.20 Hình 4.19 Chuyển vị tầng 1, gia tốc tuyệt đối tầng cùng, chuyển vị tầng lực điều khiển (El Centro) 3 SMC El Centro Tầng Tầng Không điều khiển sHAC Không điều khiển 0.005 0.01 Chuyển vị tương đối cực đại (m) SMC El Centro 0.015 sHAC Gia tốc tuyệt đối cực đại (m/s2 ) Hình 4.20 Chuyển vị tương đối cực đại gia tốc tuyệt đối cực đại tầng (El Centro) Có thể nhấn mạnh rằng, kết Hình 4.19 - 4.20 minh họa cách r hiệu điều khiển khả giảm tượng “chattering” sHAC so với SMC Tương tự, trận động đất №rthridge Livermore, kết mô thể tương ứng Hình 4.21 - 4.24 Một lần nữa, sHAC cung cấp kết tốt mặt hiệu điều Trang 18 khiển cho hai tiêu chí J1 J việc giảm tượng “chattering” so với SMC Tiếp theo, độ mạnh điều khiển xác nhận đơn giản cách kiểm tra hiệu điều khiển thiết kế đo chuyển vị tương đối cực đại gia tốc tuyệt đối cực đại kết cấu giá trị khối lượng độ cứng kết cấu thay đổi khoảng ±20% Các kết trình bày Hình 4.25 - 4.27 cho tất trường hợp động đất cho thấy rõ mạnh mẽ điều khiển 3 SMC sHAC El Centro (+20%) Tầng Tầng Không điều khiển Không điều khiển SMC El Centro (+20%) 0.005 0.01 Chuyển vị tương đối cực đại (m) 0.015 sHAC Gia tốc tuyệt đối cực đại (m/s2) SMC sHAC El Centro (-20%) 0.002 Tầng Tầng Không điều khiển 0.004 0.006 0.008 0.01 Chuyển vị tương đối cực đại (m) 0.012 Không điều khiển SMC El Centro (-20%) 0.014 sHAC Gia tốc tuyệt đối cực đại (m/s2) Hình 4.25 Chuyển vị tương đối cực đại gia tốc tuyệt đối cực đại tầng với tham số m, k ngẫu nhiên (El Centro) 4.2.2.4 Mô điều khiển trượt sử dụng HAC so sánh với điều khiển mờ - trượt sFC Có thể thấy điều khiển đề xuất, sHAC, cung cấp kết tốt mặt chuyển vị J gia tốc tuyệt đối J Hiệu điều khiển sHAC cao sFC tiêu J1 Bảng 4.7 Giá trị cực đại tiêu trường hợp El Centro, u max = 700N Bộ điều LQR MBBC SSMC Lim et Du et sFC sHAC khiển [118] [118] [118] al [118] al [63] 0.657 0.381 0.388 0.396 0.41 0.426 0.424 J1 0.584 0.548 0.560 0.543 0.53 0.498 0.509 J2 Trong trường hợp trận động đất El Centro, chuyển vị tầng 1, gia tốc tuyệt đối tầng lực điều khiển thể Hình 4.28; chuyển vị cực đại gia tốc tuyệt đối tầng biểu diễn Hình 4.29, umax = 700 N Khơng điều khiển sFC sHAC Gia tốc tuyệt đối tầng (m/s ) Chuyển vị tương đối tầng (m) 0.015 0.01 0.005 -0.005 -0.01 -0.015 El Centro 12 15 Không điều khiển sFC sHAC -2 -4 -6 El Centro Thời gian (s) Thời gian (s) Trang 19 12 15 1000 sFC 800 sHAC Lực điều khiển (N) 600 400 200 -200 -400 -600 -800 -1000 El Centro 12 15 Thời gian (s) Hình 4.28 Chuyển vị tầng 1, gia tốc tuyệt đối tầng lực điều khiển (El Centro) 3 sFC El Centro Tầng Tầng Không điều khiển sHAC Không điều khiển sFC El Centro 0.005 0.01 Chuyển vị tương đối cực đại (m) 0.015 sHAC Gia tốc tuyệt đối cực đại (m/s2 ) Hình 4.29 Chuyển vị tương đối cực đại gia tốc tuyệt đối cực đại tầng (El Centro, u max = 700 N) Có thể thấy từ Hình 4.28 - 4.29 rằng, khơng có khác biệt đáng kể hiệu điều khiển sHAC sFC sHAC có khả làm giảm tượng “chattering” so với sFC Tương tự, trận động đất lại, Northridge Imperial Valley, kết mô thể Hình 4.30 - 4.33 Một lần nữa, sHAC kết tốt điều kiện làm giảm tượng “chattering” so với sFC Tiếp theo, hiệu điều khiển hệ thống xác thực đơn giản cách đo chuyển vị cực đại gia tốc tuyệt đối cực đại kết cấu giá trị khối lượng kết cấu độ cứng thay đổi ± 20% Các kết trình bày Hình 4.34 - 4.36 cho trường hợp động đất minh chứng r ràng cho hiệu hệ thống điều khiển 3 sFC El Centro (+20%) Tầng Tầng Không điều khiển sHAC 0.005 0.01 Chuyển vị tương đối cực đại (m) Không điều khiển 0.015 sFC El Centro (+20%) sHAC Gia tốc tuyệt đối cực đại (m/s2 ) 3 sFC El Centro (-20%) 0.002 Tầng Tầng Không điều khiển sHAC 0.004 0.006 0.008 0.01 Chuyển vị tương đối cực đại (m) 0.012 0.014 Không điều khiển sFC El Centro (-20%) sHAC Gia tốc tuyệt đối cực đại (m/s2 ) Hình 4.34 Chuyển vị tương đối cực đại gia tốc tuyệt đối cực đại tầng với tham số không chắn (El Centro) 4.2.2.5 Ảnh hưởng khoảng xác định biến trạng thái đến hiệu điều khiển Trong trường hợp động đất El Centro, quan hệ cân đạt chuyển vị tương đối cực đại gia tốc tuyệt đối cực đại Trang 20 tìm thấy Các kết tương tự phương pháp tối ưu đa mục tiêu (tập Pareto) Gia tốc tuyệt đối cực đại (m/s2 ) 0.57 0.56 0.55 0.54 0.53 0.52 0.51 0.5 0.49 0.48 0.426 El Centro 0.428 0.43 0.432 0.434 0.436 0.438 0.44 Chuyển vị tương đối cực đại (m) 0.442 0.444 0.446 Hình 4.37 Ảnh hưởng khoảng xác định biến trạng thái đến chuyển vị tương đối cực đại gia tốc tuyệt đối cực đại kết cấu trận động đất El Centro Đối với trường hợp động đất lại, mối quan hệ chuyển vị cực đại gia tốc tuyệt đối tương quan dương, dễ dàng lựa chọn giá trị thích hợp k1 k2 để tối ưu hóa hiệu điều khiển hệ thống 0.76 Gia tốc tuyệt đối cực đại (m/s 2) 0.64 Gia tốc tuyệt đối cực đại (m/s ) 0.66 0.62 0.6 0.58 0.56 0.54 0.52 0.56 №rthridge 0.57 0.58 0.59 0.6 0.61 Chuyển vị tương đối cực đại (m) 0.74 0.72 0.7 0.68 0.66 0.64 0.62 Imperial Valley 0.6 0.62 0.63 0.53 0.54 0.55 0.56 0.57 0.58 0.59 0.6 Chuyển vị tương đối cực đại (m) 0.61 0.62 0.63 Hình 4.38 4.39 Ảnh hưởng khoảng xác định biến trạng thái đến chuyển vị tương đối cực đại gia tốc tuyệt đối cực đại kết cấu trận động đất Northridge Imperial Valley 4.2.2.6 Thời gian tính tốn điều khiển Bảng 4.8 So sánh thời gian tính tốn (s) điều khiển Trận động Imperial El Centro №rthridge Trung bình đất Valley FC 152.749 158.341 160.590 157.227 HACold 7.926 8.071 8.061 8.019 6.711 HAC 6.603 6.809 6.720 sFC 160.286 165.258 166.620 164.055 sHACold 8.321 8.405 8.556 8.428 7.023 sHAC 6.934 7.004 7.130 Có thể thấy từ Bảng 4.8 thời gian CPU HACs dựa phương pháp [102] ngắn nhiều so với FCs tương ứng Tuy nhiên, việc sử dụng công thức tường minh HAC cho phép tiếp tục giảm thời gian tính tốn so với việc sử dụng phương pháp [102] điều khiển HACold sHAC old Đây ưu điểm đáng quan tâm Trang 21 4.3 Kết luận chương Trong chương này, mô số thực để nghiên cứu hiệu điều khiển trễ điều khiển trượt dao động kết cấu chịu tải trọng động đất Các kết tóm tắt sau: * Trễ điều khiển, giới hạn vật lý hệ thống, tránh khỏi Yếu tố ảnh hưởng lớn đến ổn định hiệu điều khiển hệ thống * Khi khảo sát ảnh hưởng thời gian trễ đầu vào đến hoạt động điều khiển sHAC chứng minh kết tốt so với điều khiển HAC trước * Bộ điều khiển mờ dựa đại số gia tử HAC đơn giản thiết lập có hiệu điều khiển cao so với điều khiển mờ FC truyền thống * Bộ điều khiển sHAC thiết kế dựa kết hợp điều khiển SMC truyền thống điều khiển HAC nên kế thừa ưu điểm điều khiển * Việc sử dụng điều khiển HACs đơn giản r ràng thiết kế, hiệu điều khiển làm giảm đáng kể tượng “chattering” so với điều khiển FCs * Công thức tường minh HAC cho phép dễ dàng đánh giá mức độ ảnh hưởng miền tham chiếu biến trạng thái đến hiệu điều khiển hệ thống * Có thể quan sát từ mơ số hiệu điều khiển HACs FCs tương đối giống nhau, việc sử dụng HACs giảm đáng kể thời gian tính toán (CPU time) KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Nghiên cứu điều khiển chủ động dao động kết cấu tác động động lực hướng nghiên cứu có ý nghĩa khoa học, thực tiễn quan tâm nghiên cứu n ước Luận án tác giả nghiên cứu Việt Nam lĩnh vực điều khiển chủ động dao động kết cấu dựa mơ hình sử dụng lý thuyết mờ đại số gia tử Trong đó, điểm đóng góp luận án tóm lược lại, bao gồm: Thứ nhất, tác giả nghiên cứu, tìm quy luật thiết lập công thức tường minh thể mối quan hệ biến điều khiển (lực điều khiển) với biến trạng thái (chuyển vị vận tốc) điều khiển dựa lý thuyết đại số gia tử Thứ hai, tác giả nghiên cứu ứng dụng cơng thức tường minh vào tốn khảo sát ổn định hệ Trang 22 có trễ, điều khiển trễ dao động kết cấu điều khiển trượt dao động kết cấu Thứ ba, sơ đồ thuật tốn, chương trình tính ngơn ngữ lập trình Matlab tác giả thiết lập cho dạng toán Thứ tư, để chứng minh hiệu điều khiển dựa đại số gia tử sử dụng công thức tường minh, mô số thực mơ hình kết cấu hữu hạn bậc tự chịu tải gia tốc liên kết - mô hình phổ biến điều khiển chủ động dao động kết cấu Trong mô này, hiệu điều khiển đề xuất so sánh với điều khiển trượt, điều khiển mờ - trượt số điều khiển khác Bên cạnh đó, việc đánh giá ảnh hưởng khoảng xác định biến trạng thái (chuyển vị vận tốc) đến hiệu điều khiển xác định thời gian tính tốn máy tính (CPU time) ứng dụng cơng thức tường minh vào thiết kế điều khiển dao động kết cấu đề cập đến Các kết tính tốn luận án góp phần làm phong phú thêm ứng dụng lý thuyết đại số gia tử cách tiếp cận tìm lời giải điều khiển chủ động dao động kết cấu Như vậy, khẳng định luận án vừa có ý nghĩa lý thuyết vừa có ý nghĩa bước đầu tiếp cận thực tiễn Trong luận án, toán nghiên cứu nhằm mục tiêu giảm dao động kết cấu Tuy nhiên, trường hợp cần tăng dao động (tạo rung) nội dung nghiên cứu luận án áp dụng tương tự Ngồi ra, số vấn đề cần quan tâm trở thành hướng nghiên cứu phát triển tương lai, cụ thể: (i) Ứng dụng lý thuyết đại số gia tử, công thức tường minh điều khiển dựa lý thuyết đại số gia tử để thiết kế điều khiển thích nghi, bền vững, điều khiển lai,… đặc biệt ứng dụng cơng nghệ tính tốn mềm (soft-computing) để điều khiển chủ động dao động kết cấu, kể kết cấu phức tạp, phi tuyến,… (ii) Ngữ nghĩa hóa giải ngữ nghĩa trường hợp khơng tuyến tính (iii) Đánh giá độ ổn định hệ thống thời gian trễ điều khiển ngẫu nhiên, trễ trạng thái xem xét giới hạn phân tích cho độ ổn định hệ thống (iv) Nghiên cứu cấu tạo lực điều khiển thời gian trễ cho phép (v) Đề cập thêm tiêu chuẩn chuyển vị cho phép, ứng suất cho phép,… kết cấu nghiên cứu điều khiển chủ động dao động kết cấu./ Trang 23 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Các kết luận án cơng bố 07 cơng trình khoa học, có 02 báo đăng tạp chí quốc tế ISI (SCIE), 01 báo đăng tạp chí quốc gia có uy tín, 04 báo cáo hội nghị khoa học tồn quốc có phản biện có số IBSN: Lê Tùng Anh, Bùi Hải Lê Bùi Văn Bình (07-08/10/2016), Điều khiển trượt dao động kết cấu sử dụng đại số gia tử, Tuyển tập cơng trình Hội nghị Khoa học toàn quốc lần thứ II Cơ kỹ thuật Tự động hóa, Hà Nội Lê Tùng Anh, Bùi Hải Lê Bùi Văn Bình (13/10/2016), Điều khiển trễ dao động kết cấu sử dụng đại số gia tử, Tuyển tập cơng trình Hội nghị Khoa học Cơng nghệ tồn quốc khí - động lực, Hà Nội Bui, H.-L., Le, T.-A., & Bui, V.-B (2017), Explicit formula of hedge-algebras-based fuzzy controller and applications in structural vibration control, Applied Soft Computing, 60, 150–166 http://doi:10.1016/j.asoc.2017.06.045 (SCIE-Q1, ISI uy tín theo Quyết định số 31/QĐ-HĐQL-NAFOSTED ngày 30/3/2016) Bùi Hải Lê, Bùi Văn Bình Lê Tùng Anh (08-09/12/2017), Ứng dụng công thức tường minh điều khiển dựa đại số gia tử điều khiển dao động kết cấu, Kỷ yếu Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X, Hà Nội Lê Tùng Anh, Bùi Hải Lê Bùi Văn Bình (09-10/4/2019), Ảnh hưởng tham số kết cấu đến hiệu điều khiển HAC điều khiển trượt dao động kết cấu, Kỷ yếu Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc kỷ niệm 40 năm thành lập Viện Cơ học, Hà Nội Duc-Trung Tran, Van-Binh Bui, Tung-Anh Le, Hai-Le Bui (2019), Vibration control of a structure using sliding-mode hedgealgebras-based controller, Soft Computing, Volume 23, Issue 6, pp 2047–2059 23: 2047 https://doi.org/10.1007/s00500-017-2919-6 (SCIE) Bui Hai Le, Le Tung Anh, Bui Van Binh, Nguyen Thai Tat Hoan (2019), Fuzzy sliding mode control of a structure based on hedge algebras containing input time delay, Vietnam Journal of Science and Technology, Volume 57, Issue 4, pp 513-523 http://doi.org/10.15625/2525-2518/57/4/13167 ... điều khiển dựa lý thuyết mờ điều khiển dựa lý thuyết đại số gia tử để thiết lập công thức tường minh điều khiển dựa lý thuyết đại số gia tử * Nghiên cứu sở lý thuyết điều khiển dao động kết cấu. .. gia tử giới thiệu lại tóm lược, ưu nhược điểm điều khiển nêu ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG KẾT CẤU DỰA TRÊN MƠ HÌNH SỬ DỤNG LÝ THUYẾT MỜ VÀ ĐẠI SỐ GIA TỬ 3.1 Thiết lập công thức tường minh điều khiển dựa. .. hiệu điều khiển dựa đại số gia tử sử dụng công thức tường minh, mô số thực mơ hình kết cấu hữu hạn bậc tự chịu tải gia tốc liên kết - mơ hình phổ biến điều khiển chủ động dao động kết cấu Trong mô