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

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 - 2020 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: Phản biện 2: Phản biện 3: 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 20 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 cơng 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 mơ 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 toán 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 mơ 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 tử, đồng thời vào tình hình ứng dụng thực tế giải pháp giảm Trang 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 công 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 Phương pháp nghiên cứu luận án Trang * Phương pháp phân tích, tổng hợp: Được sử dụng để nghiên cứu kết có trước tác giả nước * Biến đổi giải tích: Thiết lập cơng thức tường minh điều khiển dựa đại số gia tử * Thuật toán số: Xây dựng thuật toán 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 mô 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   A1u   A2  x0 (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  di  t   J1  max  (2.14)  t ,i  d  max   * Gia tốc tuyệt đối J2, liên quan đến khả chịu đựng người, thường xảy tầng cùng:  xai  t   J  max  (2.15)  t ,i  x  a max   đây, di(t) dmax 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: (2.25) xi  a0i ,  ; xi  b0i , b0i  ; ui  c0i , c0i  2.2.2.1 Mờ hóa: Mờ hóa với khoảng xác định (2.25) biến trạng thái xi (5 hàm thuộc tam giác), xi (3 hàm thuộc tam giác) biến điều khiển ui (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 thể 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; khơng phụ thuộc hồn tồn 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 thức HA: độ đo tính mờ gia tử () phần tử sinh (fm); ánh xạ ngữ nghĩa định lượng - SQMs () Với tập phần 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   = 0.5;  = 0.5 Trang 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 uis 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 ln 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 us (A) x1s (A) x1s (A) x1s x1s Hình 3.3 Lưới số HA (phẳng) fm(c) = (h) = 0.5 Trang 2c c x1  x1 (3.5) 3a 3b 3.1.2 Xét trường hợp tham số độc lập fm(c) = 0.4 (h) = 0.6 u us 16 15 14 13 us (A) A 12 11 (b) (a) 10 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 u x1  x1  0.03c cho tam giác (b) (3.11) 7a 7b 3.1.3 Xét trường hợp tham số độc lập fm(c) = 0.6 (h) = 0.4 u us 16 us (A) 14 A 15 (a) (b) 12 13 11 10 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) 64a 8b 320 39c c 3c u x1  x1  cho tam giác (b) 64a 4b 320 u Trang (3.16) (3.17) * Tuy nhiên, có số hạn chế 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 khơng đổi, giới hạn 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 Không điều khiển Uncontrolled HAFC HAC [108] Bậc tự Chuyển vị x10, m 0.4 [108] -0.2 El Centro -0.4 10 20 30 Thời gian, s 40 50 El Centro 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 Mô 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 J1, J2 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 J2 thay đổi chậm,  > 20 ms, tiêu J1 J2 thay đổi nhanh gây ổn định điều khiển; kết điều khiển điều khiển deHAC tốt so với deFC cho tiêu J1 J2 4.2.1.3 Điều khiển trượt dao động kết cấu dựa đại số gia tử Bảng 4.1 Chỉ tiêu J1, J2 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 J1 J2 với giá trị cực đại lực điều khiển (500N) Có thể thấy kết Hình 4.8 minh họa rõ 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 trị 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 J1 0.462 0.429 0.571 0.357 J2 0.584 0.557 0.747 0.564 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 J2 Chỉ tiêu J1 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 phạm 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 J1 J2 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 de-HAC de-sHAC de-sHAC 0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Thời gian trễ (ms) 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Thời gian trễ (ms) Hình 4.11 Thay đổi tiêu J1, J2 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, ci = 1.407 kNs/m, ki = 980 kN/m i = ÷ [63, 118] Gia tốc kích động x0 lấy từ số liệu trận động đất El Centro 1940, Northridge 1994, Imperial Valley 1979 Livermore 1980 nhân với tỉ lệ để gia tốc cực đại 0,112g 4.2.2.2 Mô điều khiển trễ sử dụng HAC Trang 14 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) 10 20 26 27 Nghiệm phương trình (3.32) -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 tiêu J1 J2 trình bày Bảng 4.4 trường hợp trận động đất El Centro thời gian trễ 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 J1 J2 trường hợp El Centro, umax = 700N τ = ms Bộ điều LQR MBBC SSMC Lim et Du et FC HAC khiển [118] [118] [118] al [118] al [63] J1 0.657 0.381 0.388 0.396 0.41 0.468 0.432 J2 0.584 0.548 0.560 0.543 0.53 0.530 0.523 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 J2 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 J1 J2 tính tốn thể Hình 4.13 - 4.15 cho trường hợp động đất, trận động đất El Centro, Northridge Imperial Valley Có thể thấy từ Hình 4.13 - 4.15 giá trị cực đại Trang 15 lực điều khiển (umax) tăng lên, tiêu J1 J2 giảm xuống, hiệu điều khiển điều khiển tăng lên Trong vùng giới hạn ổn định hệ thống (τ ≤ 26 ms), tiêu J1 thu từ HAC nhỏ từ FC hầu hết trường hợp mơ Hình 4.13 Sự thay đổi (%) J1 J2 với thời gian trễ, El Centro Hình 4.14 4.15 Sự thay đổi (%) J1 J2 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 động thay đổi ngẫu nhiên khoảng τ = ÷ 20 ms (dữ liệu ngẫu nhiên tạo cách sử dụng lệnh “random” Trang 16 phần mềm Matlab thể Hình 4.16) Các tiêu J1 J2 trường hợp lập thành bảng Bảng 4.5 Bảng 4.5 Các tiêu J1 J2 trường hợp động đất, τ ngẫu nhiên Động đất El Centro Northridge Imperial Valley Bộ điều khiển FC HAC FC HAC FC HAC J1 0.496 0.464 0.719 0.695 0.645 0.628 J2 0.592 0.578 0.691 0.709 0.744 0.758 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 J1 J2 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 0.015 Không điều khiển FC -0.005 -0.01 El Centro, random -0.015 12 15 6 Không điều khiển 12 15 Thời gian (s) FC HAC Chuyển vị tương đối tầng (m) Gia tốc tuyệt đối tầng (m/s2 ) Thời gian (s) -2 -4 El Centro, 20 ms 0.015 Không điều khiển FC HAC 0.01 0.005 -0.005 -0.01 El Centro, random -0.015 -6 12 15 1000 FC 800 12 15 Thời gian (s) Thời gian (s) 1000 HAC FC 800 600 600 400 400 Lực điều khiển (N) Lực điều khiển (N) HAC 0.01 0.005 200 -200 -400 -600 HAC 200 -200 -400 -600 -800 -800 El Centro, 20 ms -1000 El Centro, random -1000 12 15 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 Bảng 4.6 Giá trị cực đại tiêu trường hợp El Centro Trang 17 Bộ điều khiển J1 J2 LQR [118] 0.657 0.584 MBBC [118] 0.381 0.548 SSMC [118] 0.388 0.560 Lim et al [118] 0.396 0.543 Du et al [63] 0.410 0.530 SMC sHAC 0.519 0.623 0.378 0.531 Kết cho thấy điều khiển đề xuất cung cấp kết tốt việc giảm chuyển vị tương đối cực đại tầng cao J1 gia tốc tuyệt đối cực đại J2 Tiêu chí J1 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 Không điều khiển SMC sHAC El Centro sHAC 1 0.005 0.01 Chuyển vị tương đối cực đại (m) 0.015 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 rõ hiệu điều khiển khả giảm tượng “chattering” sHAC so với SMC Tương tự, trận động đất Northridge Livermore, kết mô thể tương ứng Hình 4.21 - 4.24 Một lần nữa, sHAC cung cấp kết tốt mặt hiệu điều khiển cho hai tiêu chí J1 J2 việc giảm tượng “chattering” so với SMC Trang 18 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 Tầng Tầng Không điều khiển SMC El Centro (+20%) Không điều khiển SMC sHAC 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) 3 SMC sHAC El Centro (-20%) 0.002 Tầng Tầng Không điều khiển Không điều khiển SMC El Centro (-20%) 0.004 0.006 0.008 0.01 Chuyển vị tương đối cực đại (m) 0.012 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 J1 gia tốc tuyệt đối J2 Hiệu điều khiển sHAC cao sFC tiêu J1 Bảng 4.7 Giá trị cực đại tiêu trường hợp El Centro, umax = 700N Bộ điều LQR MBBC SSMC Lim et Du et sFC sHAC khiển [118] [118] [118] al [118] al [63] J1 0.657 0.381 0.388 0.396 0.41 0.426 0.424 J2 0.584 0.548 0.560 0.543 0.53 0.498 0.509 Chuyển vị tương đối tầng (m) 0.015 Không điều khiển sFC Gia tốc tuyệt đối tầng (m/s ) 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 sHAC 0.01 0.005 -0.005 -0.01 Không điều khiển sFC sHAC -2 -4 El Centro El Centro -0.015 -6 12 15 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 El Centro -1000 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 sHAC 0.005 0.01 Chuyển vị tương đối cực đại (m) 0.015 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, umax = 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 rõ ràng cho hiệu hệ thống điều khiển 3 sFC El Centro (+20%) Tầng Tầng Không điều khiển sHAC Không điều khiển sFC 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 ) sFC El Centro (-20%) 0.002 Tầng Tầng Không điều khiển sHAC Không điều khiển sFC El Centro (-20%) 0.004 0.006 0.008 0.01 Chuyển vị tương đối cực đại (m) 0.012 0.014 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 0.66 0.76 0.64 0.74 Gia tốc tuyệt đối cực đại (m/s2 ) Gia tốc tuyệt đối cực đại (m/s2 ) 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 0.62 0.6 0.58 0.56 0.54 0.7 0.68 0.66 0.64 0.62 Northridge 0.52 0.56 0.72 0.57 0.58 0.59 0.6 Chuyển vị tương đối cực đại (m) 0.61 0.62 0.63 0.6 0.53 Imperial Valley 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 4.3.2.6 Thời gian tính toán điều khiển Bảng 4.8 So sánh thời gian tính tốn (s) điều khiển Trận động Imperial El Centro Northridge Trung bình đất Valley FC 152.749 158.341 160.590 157.227 HACold 7.926 8.071 8.061 8.019 HAC 6.603 6.809 6.720 6.711 sFC 160.286 165.258 166.620 164.055 sHACold 8.321 8.405 8.556 8.428 sHAC 6.934 7.004 7.130 7.023 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 sHACold 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 rõ 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 mô số hiệu điều khiển HACs FCs tương đối giống nhau, việc sử dụng HACs giảm đáng kể thời gian tính tốn (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 nước 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 công thức tường minh vào toán 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 mô 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 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 công 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 Ngoài 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 toán 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 CƠNG 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 tồn 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 ... 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. .. 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. .. x,x,x,u Kết thúc Hình 3.8 Sơ đồ thuật tốn điều khiển chủ động kết cấu 3.5 Kết luận chương Trong chương này, điều khiển dao động kết cấu dựa mơ hình sử dụng lý thuyết mờ đại số gia tử trình bày Các kết