Tối ưu hoá dòng năng lượng dao động trong điều khiển hệ port controlled hamiltonian

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Phan Thị Trà My TỐI ƯU HĨA DỊNG NĂNG LƯỢNG DAO ĐỘNG TRONG ĐIỀU KHIỂN HỆ PORT-CONTROLLED HAMILTONIAN LUẬN ÁN TIẾN SỸ NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ VÀ CƠ KỸ THUẬT Hà Nội - 2020 VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Phan Thị Trà My TỐI ƯU HĨA DỊNG NĂNG LƯỢNG DAO ĐỘNG TRONG ĐIỀU KHIỂN HỆ PORTCONTROLLED HAMILTONIAN Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 9520101 LUẬN ÁN TIẾN SỸ NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ VÀ CƠ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Lã Đức Việt TS Lưu Xuân Hùng Hà Nội – 2020 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 MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1.Điều khiển dao động 1.2.Phân tích dịng lượng 1.3.Hệ PCH (Port Controlled Hamiltonian Systems) 1.4.Tình hình nghiên cứu vấn đề đặt luận án 1.4.1 Tình hình nghiên cứu 1.4.2 Vấn đề đặt luận án 1.5.Kết luận Chương CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG NĂNG LƯỢNG TRONG BỘ CÁCH LY DAO ĐỘNG 2.1.Khái niệm cách ly dao động 2.2.Dòng lượng cách ly dao động 2.3.Ảnh hưởng độ giảm chấn đến dòng lượn 2.4.Điều khiển cản bật tắt dựa dòng lượng 2.5.Hiệu chỉnh luật điều khiển dựa điều khiển cản 2.6.Kết luận chương CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG NĂNG LƯỢNG TRONG MƠ HÌNH MỘT PHẦN TƯ Ơ TƠ 3.1.Khái niệm hệ thống treo ô tô 3.2 Các cơng thức dịng lượng 3.3 Ảnh hưởng độ cản giảm xóc lên dịng năn 3.4 Điều khiển cản bật tắt dựa dòng lượng 3.5 Hiệu chỉnh thuật toán điều khiển dựa cản bật 3.6 Kết luận chương CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ LẮP BỘ GIẢM CHẤN KHỐI LƯỢNG 4.1 Khái niệm giảm chấn khối lượng TMD 4.2 Các cơng thức dịng lượng 4.3 Ảnh hưởng tham số giảm chấn kh lượng 4.4 Điều khiển cản bật tắt dựa dòng lượng 4.4.1 Thuật tốn tối đa dịng lượng vào TMD - phiên 4.4.2 Thuật tốn tối thiểu dịng lượng vào tồn hệ thống - phiên 4.5 Hiệu chỉnh dựa cản bật tắt tối ưu 4.6 Ví dụ tính tốn số 4.7 Kết luận chương KẾT LUẬN Hướng nghiên cứu DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ TÀI LIỆU THAM KHẢO Phụ lục 1: Đoạn mã MATLAB cho mục 2.4 Phụ lục 2: Đoạn mã MATLAB cho mục 2.5 Phụ lục 3: Đoạn mã MATLAB cho mục 3.3 Phụ lục 4: Mơ hình Simulink đoạn mã MATLAB cho mục 3.4 Phụ lục 5: Đoạn mã MATLAB cho mục 3.5 Phụ lục 6: Đoạn mã MATLAB cho mục 4.3 Phụ lục 7: Đoạn mã MATLAB cho mục 4.6 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 Dòng lượng cực đại phi thứ r nguyên 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 xt xtp xr x0 xst xtr m m d m a M s Mt k kd ka K Kt c cd ca b s ối lượng không treo Biên độ phức xt Biên độ phức xs C h u y ể n Biên dạng mặt đường Biên độ biên dạng mặt đường xr Biến dạng lò xo Biến dạng bánh xe Khối lượng Khối lượng TMD hệ bậc tự Khối lượng TMD hệ nhiều bậc tự Khối lượng 1/4 ô tô Tổng khối lượng phận khơng treo mơ hình ¼ ô tô d Độ cứng khối lượng m ị Độ cứng TMD bậc tự c Độ cứng TMD hệ nhiều bậc tự h Độ cứng lò xo treo Độ cứng lốp c Hệ số cản cách ly ủ a k h Hệ số cản TMD hệ bậc tự Hệ số cản TMD hệ nhiều bậc tự Hệ số cản giảm xóc tơ Tỷ số cản Tần số kích động Tần số riêng cách ly Tần số riêng hệ mơ hình giảm chấn khối lượng bậc tự Tần số đầu vào kích động Tần số riêng TMD Tỷ số khối lượng mơ hình giảm chấn khối lượng bậc tự Tỷ số tần số riêng hệ TMD hệ 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, Semi- Active 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 semi- active 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 Semi- Active, 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 Multi-Degree 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