Luận án tiến sĩ ngành kỹ thuật cơ khí và cơ kỹ thuật tối ưu hoá dòng năng lượng dao động trong điều khiển hệ port controlled hamiltonian

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu tơi Các số liệu kết trình bày luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Nghiên cứu sinh Phan Thị Trà My LỜI CẢM ƠN Luận án hoàn thành hướng dẫn khoa học PGS.TS Lã Đức Việt TS Lưu Xuân Hùng Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến Thầy, người tận tâm giúp đỡ tơi q trình nghiên cứu Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến Thầy giảng dạy thời gian học chun đề khn khổ chương trình đào tạo Tiến sĩ, cán Học viện Khoa học Cơng nghệ, nhóm nghiên cứu Viện Cơ học giúp đỡ, hỗ trợ tài liệu, kinh nghiệm để hoàn thành luận án Xin gửi lời cảm ơn đến Viện Cơ học cán phòng Cơ học Cơng trình hỗ trợ tạo điều kiện thời gian cho tơi hồn thành luận án Cuối xin gửi lời cảm ơn đến gia đình tôi, người gần gũi động lực cho tơi suốt q trình học tập nghiên cứu Tác giả Luận án Phan Thị Trà My MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN Danh mục ký hiệu, viết tắt Danh mục hình vẽ Danh mục bảng 11 MỞ ĐẦU 12 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 15 1.1 Điều khiển dao động 15 1.2 Phân tích dòng lượng 17 1.3 Hệ PCH (Port Controlled Hamiltonian Systems) 19 1.4 Tình hình nghiên cứu vấn đề đặt luận án 22 1.4.1 Tình hình nghiên cứu 22 1.4.2 Vấn đề đặt luận án 24 1.5 Kết luận Chương 25 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG NĂNG LƯỢNG TRONG BỘ CÁCH LY DAO ĐỘNG 26 2.1 Khái niệm cách ly dao động 26 2.2 Dòng lượng cách ly dao động 30 2.3 Ảnh hưởng độ giảm chấn đến dòng lượng 32 2.4 Điều khiển cản bật tắt dựa dòng lượng 36 2.5 Hiệu chỉnh luật điều khiển dựa điều khiển cản bật tắt tối ưu 38 2.6 Kết luận chương 45 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN DỊNG NĂNG LƯỢNG TRONG MƠ HÌNH MỘT PHẦN TƯ Ô TÔ 46 3.1 Khái niệm hệ thống treo ô tô 46 3.2 Các công thức dòng lượng 48 3.3 Ảnh hưởng độ cản giảm xóc lên dịng lượng trung bình 54 3.4 Điều khiển cản bật tắt dựa dòng lượng 57 3.5 Hiệu chỉnh thuật toán điều khiển dựa cản bật tắt tối ưu 59 3.6 Kết luận chương 65 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ LẮP BỘ GIẢM CHẤN KHỐI LƯỢNG 66 4.1 Khái niệm giảm chấn khối lượng TMD 66 4.2 Các cơng thức dịng lượng 71 4.3 Ảnh hưởng tham số giảm chấn khối lượng lên dòng lượng 77 4.4 Điều khiển cản bật tắt dựa dòng lượng 80 4.4.1 Thuật tốn tối đa dịng lượng vào TMD - phiên 81 4.4.2 Thuật tốn tối thiểu dịng lượng vào tồn hệ thống - phiên 82 4.5 Hiệu chỉnh dựa cản bật tắt tối ưu 83 4.6 Ví dụ tính tốn số 88 4.7 Kết luận chương 93 KẾT LUẬN 94 Hướng nghiên cứu 94 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO 97 Phụ lục 1: Đoạn mã MATLAB cho mục 2.4 105 Phụ lục 2: Đoạn mã MATLAB cho mục 2.5 106 Phụ lục 3: Đoạn mã MATLAB cho mục 3.3 107 Phụ lục 4: Mơ hình Simulink đoạn mã MATLAB cho mục 3.4 108 Phụ lục 5: Đoạn mã MATLAB cho mục 3.5 109 Phụ lục 6: Đoạn mã MATLAB cho mục 4.3 111 Phụ lục 7: Đoạn mã MATLAB cho mục 4.6 112 Danh mục ký hiệu, viết tắt PCH Port Controlled Hamilton TMD Tuned Mass Damper, giảm chấn khối lượng DVA Dynamic Vibration Absorber, hấp thụ động lực L Phiếm hàm Lagrange T Động V Thế  Hàm hao tán Q Véc tơ lực suy rộng tổng quát q Véc tơ tọa độ suy rộng p Véc tơ động lượng suy rộng z Véc tơ trạng thái hệ thống H Hàm Hamilton u Đầu vào G Ma trận phân bố đầu vào J Ma trận hệ thống thể tương tác bảo toàn R Ma trận hệ thống thể tương tác bị tiêu tán y Đầu H Dòng lượng P Dòng lượng đưa vào hệ Pdd Dòng lượng dao động Ptb Dịng lượng trung bình Pm Dịng lượng cực đại phi thứ nguyên r Chuyển động r0 Biên độ chuyển động x Chuyển dịch hệ xp Biên độ phức x xd Chuyển dịch tương đối TMD so với hệ bậc tự xa Chuyển dịch tương đối TMD so với hệ nhiều bậc tự xdp Biên độ phức xd xs Chuyển dịch thân xe xsp Biên độ phức xs xt Chuyển dịch khối lượng không treo xtp Biên độ phức xt xr Biên dạng mặt đường x0 Biên độ biên dạng mặt đường xr xst Biến dạng lò xo xtr Biến dạng bánh xe m Khối lượng md Khối lượng TMD hệ bậc tự ma Khối lượng TMD hệ nhiều bậc tự Ms Khối lượng 1/4 ô tô Mt Tổng khối lượng phận không treo mô hình ¼ tơ k Độ cứng khối lượng m kd Độ cứng TMD bậc tự ka Độ cứng TMD hệ nhiều bậc tự K Độ cứng lò xo treo Kt Độ cứng lốp c Hệ số cản cách ly cd Hệ số cản TMD hệ bậc tự ca Hệ số cản TMD hệ nhiều bậc tự b Hệ số cản giảm xóc tơ  Tỷ số cản 1 Tần số kích động n Tần số riêng cách ly s Tần số riêng hệ mơ hình giảm chấn khối lượng bậc tự  Tần số đầu vào kích động d Tần số riêng TMD  Tỷ số khối lượng mơ hình giảm chấn khối lượng bậc tự  Tỷ số tần số riêng hệ TMD hệ  Tỷ số tần số đầu vào kích động tần số riêng hệ  Tham số hiệu chỉnh f Đầu vào kích động điều hịa f0 Biên độ đầu vào kích động f  Pha đầu vào kích động f  Pha TMD hệ nhiều bậc tự zout Đầu ra, đại lượng cần kiểm soát dao động  Thời gian phi thứ nguyên A Ma trận hệ thống D Ma trận định vị cản với độ cản bật tắt c Hf Véc tơ định vị đầu vào JL Chỉ số đáp ứng tối ưu tìm trường hợp lý tưởng JA Chỉ số đánh giá biên độ đáp ứng cần đánh giá EJ Chỉ số bám s Véc tơ định vị đầu vào hệ TMD nhiều bậc tự r Véc tơ định vị khối lượng mục tiêu cần giảm giao động hệ TMD nhiều bậc tự v Véc tơ định vị TMD hệ nhiều bậc tự Danh mục hình vẽ Hình 1.1: Hệ bậc tự di chuyển vị trí cân 16 Hình 2.1: (a) Bệ lị xo khơng cản; (b) Bệ lị xo có cản; (c) Bệ cao su khí nén 26 Hình 2.2: Máy dập tốc độ cao gắn giá đỡ cao su khí nén 27 Hình 2.3: Bộ cách ly dao động 27 Hình 2.4: Tổng quan phương pháp cách ly dao động tài liệu nghiên cứu 29 Hình 2.5: Mơ hình cách ly dao động 30 Hình 2.6: Biên độ dao động trường hợp =1 37 Hình 2.7: Biên độ dao động trường hợp = 37 Hình 2.8: Biên độ dao động trường hợp =2 38 Hình 2.9: Minh họa thời điểm chuyển chu kỳ kích động 39 Hình 3.1 Hệ thống treo tơ 46 Hình 3.2: Mơ tả phần tư tơ cho hệ thống treo 47 Hình 3.3: Mơ hình phần tư tơ 49 Hình 3.4: Dịng lượng trung bình với độ cản giảm xóc khác 56 Hình 3.5: Đáp ứng tần số từ mặt đường tới chuyển dịch thân xe 57 Hình 3.6: Đáp ứng tần số từ mặt đường tới biến dạng lốp 57 Hình 3.7: Đáp ứng tần số biên độ dao động khối lượng thân xe 58 Hình 3.8: Đáp ứng tần số biên độ dao động thân xe 64 Hình 4.1: Mơ hình giảm chấn khối lượng Frahm [66] 66 Hình 4.2 Ảnh chụp TMD chuyển động tịnh tiến 67 Hình 4.3: TMD với lớp đệm cao su 67 Hình 4.4 TMD dạng lăn 68 Hình 4.5 TMD dạng lắc 68 Hình 4.6 Chất lỏng sóng sánh để hấp thụ dao động cao ốc 69 Hình 4.7 TMD dạng cột chất lỏng dao động 69 Hình 4.8 Giảm chấn sử dụng chất lỏng sóng sánh lắp đặt vào tháp cầu Bãi Cháy 69 10 Hình 4.9 Các dạng thức điều khiển TMD 70 Hình 4.10: Mơ hình hệ lắp đặt TMD 72 Hình 4.11: Dịng lượng cực đại truyền vào toàn hệ với =5% ( 1 = 0.9524,  = 0.1303; opt = 0.9561,  opt = 0.1336 ) 78 Hình 4.12: Dịng lượng cực đại truyền vào toàn hệ với =1% ( = 0.9909,  = 0.0593; opt = 0.9901,  opt = 0.0609 ) 78 Hình 4.13: Dịng lượng cực đại truyền vào hệ với =5% ( = 0.9524,  = 0.1303; opt = 0.91,  opt = 0.20 ) 79 Hình 4.14: Dịng lượng cực đại truyền vào hệ với =1% ( = 0.9909,  = 0.0593; opt = 0.98,  opt = 0.09 ) 79 Hình 4.15: Hệ nhiều bậc tự tổng quát gắn với TMD 80 Hình 4.16: Hệ bậc tự gắn với TMD có cản bật tắt 88 Hình 4.17: Đáp ứng tần số TMD gắn với khối lượng #1; Dấu tròn: điểm dừng 91 Hình 4.18: Đáp ứng tần số TMD gắn với khối lượng #2; Dấu tròn: điểm dừng 92 Hình 4.19: Đáp ứng tần số TMD gắn với khối lượng #3; Dấu trịn: điểm dừng 92 Hình 4.20: Đáp ứng tần số TMD gắn với khối lượng #4; Dấu tròn: điểm dừng 92 100 34 Margolis, D.: Retrofitting active control into passive vibration isolation systems Journal of Vibration and Acoustics, Transactions of the American Society of Mechanical Engineers 120, 104–110 (1998) 35 Xing, J.T., Xiong, Y.P., Price, W.G.: Passive-active vibration isolation systems with zero or infinite dynamic modulus: theoretical and conceptual design strategies Journal of Sound and Vibration 286, 615–636 (2005) 36 Wang, H., Xing, J.T., Price, W.G., Li, W.: An investigation of an active landing gear system to reduce aircraft vibrations caused by landing impacts and runway excitations Journal of Sound and Vibration 317, 50–66 (2008) 37 Unruh, J.F.: Structure-borne noise control for propeller aircraft In: American Institute of Aeronautics and Astronautics Conference, vol (1987) 38 Gardonio, P., Elliott, S.J.: Active control of structure-borne and airborne sound transmission through double panel Journal of Aircraft 36(6), 1023– 1032 (1999) 39 Luzzato, E., Ortola, E.: The characterization of energy flow paths in the study of dynamic systems using S.E.A theory Journal of Sound and Vibration 123(1), 189–197 (1988) 40 Leo, D.J., Inman, D.J.: A quadratic programming approach to the design of active-passive vibration isolation systems Journal of Sound and Vibration 220, 807–825 (1999) 41 Pare, T.E., How, J.P.: Hybrid H2 control design for vibration isolation Journal of Sound and Vibration 226, 25–39 (1999) 42 Pan, J.Q., Hansen, C.H.: Active control of power flow from a vibrating rigid body to a flexible panel through two active isolators Journal of the Acoustical Society of America 93, 1947–1953 (1993) 43 Pan, J.Q., Hansen, C.H.: Power transmission from a vibrating source through an intermediate flexible panel to a flexible cylinder Journal of Vibration and Acoustics Transactions of the ASME 116, 496–505 (1994) 44 Xiong, Y.P., Xing, J.T., Price, W.G.: Active control of bridge vibrations considering the vehicle-bridge dynamic interactions In: Proceeding of the 101 Asia-Pacific Vibration Conference, vol 2, pp 1227–1232 Nanyang Technological University, Singapore (1999) 45 Xiong, Y.P., Xing, J.T., Price, W.G.: A progressive method of power flow analysis for complex coupled dynamic systems In: Yan, H., Li, W (eds.) CFDM 2000 – International onference on Frontiers of Design and Manufacturing, 4th Young Scientists Conference n Manufacturing Science, Zhejiang University, Hangzhou, China, June 17-19, pp.502–507 International Academic Publishers, Beijing (2000a) 46 Xiong, Y.P., Xing, J.T., Price, W.G.: A generalized mobility progressive method of power flow analysis for complex coupled dynamic systems In: ICTAM 2000-20th International Congress of Theoretical and Applied Mechanics, Chicago, Illinois, USA, August 27-September (2000b) 47 Xiong, Y.P., Xing, J.T., Price, W.G.: Power flow analysis of complex coupled systems by progressive approaches Journal of Sound and Vibration 239, 275–295 (2001) 48 Nguyễn Đông Anh, Lã Đức Việt, Giảm dao động thiết bị tiêu tán lượng, NXB Khoa học tự nhiên Công nghệ, 2008 49 Nguyễn Viễn Quốc, Nghiên cứu phát triển hệ thống phản hồi lực dùng lưu chất điện từ biến, Đề tài nghiên cứu Quỹ Nafosted, mã số 107.01-2015.32 50 Nguyễn Quốc Hưng, Phát triển hệ thống ly hợp lưu chất MRF để điều khiển mô men đầu động AC, Đề tài nghiên cứu Quỹ Nafosted, mã số 107.01-2016.32 51 Nguyễn Quốc Hưng, Phát triển phanh lưu chất MRF hệ với biên dạng rơ to hình lược, Đề tài nghiên cứu Quỹ Nafosted, mã số 107.01-2018.335 52 F Casciati, G Magonette, F Marazzi, Technology of Semi-active Devices and Applications in Vibration Mitigation, Wiley, UK, (2006) 53 S.M Savaresi, C Poussot-Vassal, C Spelta, O Sename, L Dugard, SemiActive Suspension Control, Design for Vehicles, Butterworth-Heinemann (UK), (2010) 102 54 H Eric Tseng & Davor Hrovat: State of the art survey: active and semiactive suspension control, Vehicle System Dynamics: International Journal of Vehicle Mechanics and Mobility, DOI: 10.1080/00423114.2015.1037313, (2015) 55 Fabio Casciati, José Rodellar and Umut Yildirim, Active and Semi-active Control of Structures: A Review of Recent ATMDnces, Proceedings of the 8th International Conference on Structural Dynamics, EURODYN 2011, ISBN 978-90-760-1931-4, Leuven, Belgium, 4-6 July, (2011) 56 Yalla S.K., Kareem A., Kantor J.C., Semi-active tuned liquid column dampers for vibration control of structures, Engineering Structures 23: 1469– 1479, (2001) 57 E I Rivin, Vibration isolation of industrial machinery Basic considerations, Sound and Vibration, Vol 12, November 1978, pp 14-19 58 Harris, C.M., Shock and vibration handbook 1987: McGRAW-HILL 59 M.J Crosby, D.C Karnopp, R Harwood, Vibration control using a semiactive force generator, Transactions of the ASME, Journal of Engineering for Industry 96 (2) (1974) 619–626 60 Rao S.S (2010), Mechanical vibrations, Prentice Hall, NJ 61 J.N Potter, S.A Neild, D.J Wagg, Generalisation and Optimisation of SemiActive, On-Off Switching Controllers for Single Degree-of-Freedom Systems, Journal of Sound and Vibration, 329, 2450–2462, (2010) 62 Y.J Shen, L Wang, S.P Yang and G.S Gao, Nonlinear Dynamical Analysis and Parameters Optimization of Four Semi-Active On-Off Dynamic Vibration Absorbers, Journal of Vibration and Control 19(1), 143–160, (2013) 63 VD La, C Adam, General on-off damping controller for semi-active Tuned Liquid Column Damper, J Vib Control (2016) https://doi.org/10.1177/1077546316648080 64 J.H.Koo, M Ahmadian, , M Setareh, T.M Murray, In Search of Suitable Control Methods for Semi-active Tuned Vibration Absorbers, Journal of Vibration and Control, Vol 10, No 2, 163-174, (2004) 103 65 Frahm H (1909), Device for Damped Vibrations of Bodies, U.S Patent No 989958, Oct 30 66 Den Hartog J.P (1956), Mechanical Vibration, 4th Edition, McGraw-Hill 67 T Asami and O Nishihara, Closed-Form Exact Solution to H∞ Optimization of Dynamic Vibration Absorbers (Application to Different Transfer Functions and Damping Systems), Journal of Vibration and Acoustics 125, 398–405, (2003) 68 M.B Ozer, T.J Royston, Extending Den Hartog's Vibration Absorber Technique to Multi Degree of Freedom Systems, Journal of Vibration and Acoustics, 127, pp 341–350, (2005) 69 M.B Ozer, T.J Royston, Application of Sherman–Morrison Matrix Inversion Formula to Damped Vibration Absorbers Attached to MultiDegree of Freedom Systems, Journal of Sound and Vibration, 283, pp 1235– 1249, (2005) 70 F.Petit, M Loccufier and D Aeyels On the Attachment Location of Dynamic Vibration Absorbers Journal of Vibration and Acoustics, Vol 131 / 034501-1, (2009) 71 N Nematipoor, M R Ashory, E Jamshidi, Imposing nodes for linear structures during harmonic excitations using SMURF method, Archive of Applied Mechanics, Volume 82, Issue 5, pp 631-642, (2012) 72 B Noori, A Farshidianfar, Optimum design of dynamic vibration absorbers for a beam, based on H∞ and H2 Optimization, Archive of Applied Mechanics, Volume 83, Issue 12, pp 1773-1787, (2013) 73 J.H.Koo, M Ahmadian, , M Setareh, T.M Murray, In Search of Suitable Control Methods for Semi-active Tuned Vibration Absorbers, Journal of Vibration and Control, Vol 10, No 2, 163-174, (2004) 74 L.D.Viet, N.B.Nghi, N.N.Hieu, D.T.Hung, N.N.Linh, L.X.Hung, On a combination of ground-hook controllers for semi-active tuned mass dampers, Journal of Mechanical Science and Technology, 28 (6), 2059-2064, (2014) 104 75 Yongjun Shen, Mehdi Ahmadian, Nonlinear Dynamical Analysis on Four Semi-Active Dynamic Vibration Absorbers with Time Delay, Shock and Vibration, 20, 649–663, (2013) 76 M Couillard, P Micheau, P Masson, Improved Clipped Periodic Optimal Control for Semi-Active Harmonic Disturbance Rejection, Journal of Sound and Vibration, 318, 737–756, (2008) 77 Y.J Shen, L.Wang, S.P Yang and G.S Gao, Nonlinear Dynamical Analysis and Parameters Optimization of Four Semi-Active On-Off Dynamic Vibration Absorbers, Journal of Vibration and Control 19(1), 143–160, (2013) 78 L.D.Viet, Semi-active On–off Damping Control of a Dynamic Vibration Absorber using Coriolis Force, Journal of Sound and Vibration, 331, 3429– 3436, (2012) 105 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Đoạn mã MATLAB cho mục 2.4 function main om=2;ch=2;cl=0.3; [t1,y1]=ode45(@ptvp,[0 10*2*pi/om],[0;0],[],om,cl,cl); [t2,y2]=ode45(@ptvp,t1,[0;0],[],om,ch,ch); [t3,y3]=ode45(@ptvp,t1,[0;0],[],om,ch,cl); function dy=ptvp(t,y,om,ch,cl) dy(1,1)=y(2); r=cos(om*t);dr=-om*sin(om*t); dieukien=sign((dr-y(2))*y(2)); if dieukien