Khảo sát khả năng giảm chấn của thiết bị mr damper dựa trên lý thuyết điều khiển mờ

Chương 1: Giới Thiệu Chương GIỚI THIỆU 1.1 Tổng quan điều khiển kết cấu: Hiện nay, với ngành công nghiệp khác, ngành xây dựng đạt thành tựu bậc, lónh vực công nghệ vật liệu Con người phát minh loại vật liệu nhẹ, cường độ cao để đáp ứng nhu cầu xây dựng kết cấu ngày cao hơn, nhẹ Một kết cấu cao độ mảnh lớn Khi thiết kế kết cấu có độ mảnh cao, người kỹ sư phải quan tâm tới tải trọng động sóng, gió, giao thông, động đất,… Những tải trọng gây dao động cho kết cấu Tùy mức độ dao động, kết cấu bị hư hại, chí sụp đổ hoàn toàn Những thiệt hại động đất gây vô lớn Sau số hình ảnh kết cấu bị hư hại trận động đất Kôbê (xảy Nhật Bản, năm 1995) gây Hình 1.1 Sụp Đổ Cầu Do Động Đất Chương 1: Giới Thiệu Hình 1.2 Sụp Đổ Nhà / Cầu Do Động Đất Động đất tượng tự nhiên, xảy thường xuyên với lịch sử phát triển trái đất Hơn nữa, vùng đông dân cư Nhật Bản, Thổ Nhó Kỳ, Indonesia…, tần suất xảy trận động đất cao Trong đợt sóng thần vừa qua vùng biển Thái Bình Dương (năm 2004), thiệt hại động đất gây vô lớn Do đó, vấn đề điều khiển kết cấu chống lại tác hại tải trọng động lưu tâm nghiên cứu giới nhiều năm qua Theo định luật bảo toàn chuyển hóa lượng, ta có: E = Ek + Es + Eh + Ed (1.1) E: toaøn lượng đầu vào tác động vào kết cấu, tải trọng đầu vào cần quan tâm gió động hay tải động đất Chương 1: Giới Thiệu Ek: động kết cấu Es: lượng biến dạng đàn hồi kết cấu Eh: lượng tiêu tán biến dạng miền đàn hồi kết cấu, dẫn tới hư hại kết cấu Ed: lượng tiêu tán thiết bị giảm chấn phụ trợ Với kết cấu truyền thống, vế phải phương trình thành phần Ed, tức thiết bị giảm chấn Khi có thành phần Ed (có lắp đặt hệ cản) thông qua điều khiển kết cấu, thành phần lượng khác giảm Một phần lương E tiêu tán thiết bị Điều đặc biệt có ý nghóa việc giảm thành phần Eh bên Như vậy, mục đích điều khiển kết cấu hấp thu phản ánh lại lượng sinh gây tải trọng động Một hệ thống điều khiển kết cấu cần phải thỏa mãn yêu cầu sau: • An toàn: phải bảo đảm cho kết cấu không bị phá hoại • Kinh tế: chi phí thiết bị, lắp đặt vận hành phải thấp chi phí truyền thống • Tính ứng dụng: sử dụng cho nhiều dạng kết cấu Hiện nay, giới tồn phương pháp điều khiển kết cấu: điều khiển bị động, điều khiển chủ động điều khiển bán chủ động Điều khiển bị động (Passive Control ) giúp hấp thu phần lượng gió, động đất,… Do đó, kết cấu cần điều khiển phải tiêu tán lượng so với trường hợp hệ cản Thiết bị tiêu tán gắn vào kết cấu, thường thiết kế tối ưu với tải trọng động riêng biệt Loại hệ cản phổ biến, người sử dụng từ lâu Đặc biệt, ta không cần lượng Chương 1: Giới Thiệu bên để vận hành hệ cản Sơ đồ sau mô tả làm việc kết cấu với hệ cản bị động Hình 1.3 Mô Hình Làm Việc Của Hệ Cản Bị Động Các hệ cản bị động sử dụng phổ biến giới là: • Hệ cản kim lọai (Metallic Damper) • Hệ cản ma sát (Friction Damper) • Hệ cản đàn nhớt ( Viscoelastic Damper) • Hệ cản chất lỏng nhớt (Viscous Fluid Damper) • Hệ cản va chạm • Hệ cản điều chỉnh khối lượng ( Tuned Mass Damper) • Hệ cản điều chỉnh chất lỏng (Tuned Liquid Damper) Chi tiết loại hệ cản tham khảo tài liệu [7] Một ví dụ điển hình hệ cản bị động (Hệ cản điều chỉnh khối lượng) Hình 1.4 Mô Hình Hệ Cản TMD Chương 1: Giới Thiệu Điều khiển chủ động (Active Control) thu nhận trạng thái kết cấu thông sensơ đo đạc, từ đưa định điều khiển lực (thông qua hệ thống điều khiển ) để đưa kết cấu trạng thái mong muốn Cơ chế điều chỉnh phải diễn kịp thời khoảng thời gian ngắn Với đặc điểm này, hệ chủ động có ưu điểm hệ bị động mặt, thích nghi với thay đổi môi trường điều khiển tác động trước Tuy vậy, độ tin cậy điều khiển không cao hiệu phụ thuộc nhiều vào ổn định nguồn lượng cung cấp, nguồn lượng thường phải có công suất lớn Mặt khác, vấn đề bảo trì tốn phức tạp Thường phải cần nguồn lượng lớn để vận hành hệ cản chủ dộng Hình 1.5 Mô Hình Làm Việc Của Hệ Cản Chủ Động Điều khiển bán chủ động (SemiActive Control): hệ lónh vực điều khiển kết cấu điều khiển bán chủ động Hệ cản bán chủ động (semiactive control system) đời nhằm tận dụng ưu điểm hệ cản bị động hệ cản chủ động Hệ cản có độ tin cậy cao, nguồn lượng cung cấp thấp nhiều so với hệ cản chủ động Một nguồn lượng lí đó, hệ thống làm việc hệ cản bị động Thường, hệ cản thiết kế theo nguyên lí bị động, gắn trực tiếp vào kết cấu Khi làm việc, ta thay đổi đặc tính học hệ cản, cần lượng Chương 1: Giới Thiệu lượng nhỏ Hệ cản MR Damper đời cách mạng thật trình nghiên cứu giải pháp điều khiển kết cấu Luận văn khảo sát làm việc hệ cản Một số loại hệ cản bán chủ động thông dụng là: Hệ cản có lỗ van thay đổi (Variable Orifice Damper) Hình 1.6 Mô Hình Của Hệ Cản Thay Đổi Lỗ Van Hệ cản thay đổi lực ma sát (Variable Friction Damper) Hệ cản điều khiển chất lỏng (Controllable Fluid Damper) Hai thiết bị thuôc loại hệ cản ER Damper MR Damper Trong đó, hệ cản cản MR đời phát triển sau hệ cản ER Nguyên lý làm việc hệ cản giống Tuy nhiên, hệ cản MR có nhiều đặc điểm trội Ta thay đổi đặc tính học chất lỏng bên hệ cản, hay ta thay đổi khả tiêu tán lượng Luận văn tập trung khảo sát hệ cản MR 1.2 Điều khiển bán chủ động hệ cản MR Trong trình phát triển điều khiển kết cấu với hệ cản MR, nhiều thuật giải điều khiển nghiên cứu đưa vào thực tế sử dụng Đầu tiên thuật giải điều khiển ‘Skyhook’ áp dụng cho hệ thống treo, Karnoop et al (1974) Thuật giải ứng dụng cho hệ bậc tự do, làm việc hệ cản bị động Chương 1: Giới Thiệu Năm 1990, Feng and Shinozukah phát triển thuật giải điều khiển ‘bang bang’ ứng dụng cho việc điều khiển kết cấu cầu Những năm gần đây, chiến lược điều khiển dựa vào lý thuyết độ bền Lyapunov ứng dụng cho hệ cản ER (Brogan 1991; Leitmann 1994) Mục tiêu thuật giải tối thiểu tốc độ thay đổi hàm Lyapunov McClamroch and Gavin (1995) đề nghị thuật giải tương tự để phát triển thuật giải điều khiển ‘decentralized bang bang’ Thuật giải điều khiển với mục tiêu làm cực tiểu hóa tổng lượng kết cấu Thuật giải điều khiển ‘modulated homogeneous friction’ ( Inaudi 1997 ), phát triển cho hệ cản thay đổi lực ma sát Một số thuật giải khác nghiên cứu ứng dụng thập niên 90 là: • Clipped-Optimal Control [4] • Fuzzy Logic Control (điều khiển logic mờ) (Sun Goto 1994) [11] Tác giả đề xuất thuật toán điều khiển ứng dụng cho cầu Trong phương pháp trên, điều khiển logic mờ phương pháp điều khiển mới, trình điều khiển linh động so với phương pháp truyền thống Hơn nữa, điều khiển logic mờ giải toán ứng xử phi tuyến kết cấu Những thuận lợi việc chọn thuật giải điều khiển mờ là: không chắn (uncertainty) liệu đầu vào xử lí dễ dàng lí thuyết điều khiển mờ (fuzzy control theory) so với lí thuyết điều khiển cổ điển (classical control theory ) Như trình bày bên trên, hệ cản MR đời sau so với loại hệ cản khác, hệ cản ER (lưu biến điện) Tại Việt Nam chưa có tác giả nghiên cứu hệ cản điều khiển kết cấu Hơn nữa, giải pháp điều khiển chủ động bán chủ động mẻ Việt Nam Về giải pháp điều khiển chủ động, Lê Phú Cường (EMMC 7) ứng dụng cho hệ cản ATMD Riêng giải pháp điều khiển bán chủ động kết cấu chưa có tác giả Việt 10 Chương 1: Giới Thiệu Nam nghiên cứu Riêng thuật giải điều khiển mờ, nhiều luận văn cao học (tại trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh) ứng dụng lónh vực điện, tin học Như vậy, hệ cản MR thuật giải điều khiển mờ ứng dụng cho kết cấu mẻ Việt Nam Trong luận văn này, tác giả khảo sát hệ cản MR, số thuật giải bán chủ động, đặc biệt thuật giải điều khiển mờ 1.3 Mục tiêu luận văn Nghiên cứu chế làm việc hệ cản MR nhằm điều khiển dao động công trình Khảo sát thuật giải điều khiển mờ (Fuzzy Control Algorithm) thuật giải tối ưu đơn giản hóa (Clipped-Optimal Control Algorithm) Luận văn tập trung khảo sát chi tiết điều khiển mờ Sau so sánh hai thuật giải điều khiển đại 1.4 Nội Dung Luận văn Luận văn gồm chương Chương 1: Giới thiệu tổng quan điều khiển kết cấu điều khiển bán chủ động, thuật điều khiển nghiên cứu giới Qua đó, tác giả xác định mục tiêu luận văn Chương 2: Trình bày chế làm việc hệ cản MR Luận văn nêu mô hình chất lưu MR, mô hình học MR Damper Ứng với mô hình, công thức tính lực xác định Và mô hình chọn để khảo sát khả giảm chấn mô hình Bouc-Wen Cuối cùng, luận văn trình bày số hình thức lắp đặt thực tế MR Damper 11 Chương 1: Giới Thiệu Chương 3: Mô hình phân tích đáp ứng hệ thống kết cấu chịu lực điều khiển tổng quát Luận văn tập trung phân tích mô hình không gian trạng thái Chương 4: trình bày sơ lược thuật toán Clipped-Optimal Control Chương 5: trình bày sơ lược lý thuyết logic mờ Qua đó, ứng dụng logic mờ cho toán điều khiển Chương 6: Ví dụ tính toán cụ thể Trong chương này, luận văn phân tích kết cấu với hỗ trợ công cụ mô Simulink Qua đó, khảo sát khả giảm chấn hệ cản MR ứng với thuật giải điều khiển, đặc biệt thuật giải điều khiển mờ Ngoài ra, luận văn khảo sát hiệu điều khiển bán chủ động thay đổi hệ số tỉ lệ K tập mờ Chương 7: Kết luận kiến nghị Phần Tài liệu Tham Khảo 12 Chương 2: Cơ Sở Hoạt Động Hệ Cản MR Chương CƠ SỞ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ CẢN MR 2.1 Chất lưu MR MR chữ viết tắt thuật ngữ Magneto-Rheological, tạm dịch lưu biến từ Chất lưu MR thuộc loại chất lưu điều khiển Vì thế, gọi loại vật liệu thông minh (Smart Material) Nó Jacob Rabinow khám phá phát triển vào năm 1948 Mỹ Nó gồm thành phần sau: • Các hạt có kích thước nhỏ tới vài micron (3 tới micron), bị từ hóa Loại hạt sử dụng nhiều hạt sắt nguyên chất (pure iron) Các hạt trạng thái treo lơ lửng từ trường qua • Dung môi chứa hạt trên, làm môi trường cho hạt di chuyển Ngoài thành phần hạt trên, người ta đưa thêm vào số phụ gia để tránh tượng hạt chìm xuống tác động trọng lực tăng cường khả treo lơ lửng dung môi Cơ chế hoạt động chất lưu MR thể hình vẽ sau: Hình 2.1 Mô Hình Chất Lưu MR 13 Chương 6: Ứng Dụng Tính Toán Trên hình 6.8 6.9, ta thấy độ lệch tầng trường hợp điều khiển giảm đáng kể so với trường hợp điều khiển Passive-Off Hiệu thuật giải điều khiển mờ không cao thuật giải Clipped-Optimal Đặc biệt, hiệu giảm chấn thể rõ nét tầng tầng trường hợp điều khiển Hiện tượng giải thích sau: tầng tầng vị trí gần hệ cản MR nhất, độ lệch tầng bị MR Damper cản trở trực tiếp Như vậy, kết cho thấy hiệu giảm chấn rõ nét giải thuật điều khiển mờ hệ cản MR so với trường hợp không điều khiển trường hợp Passive-Off Có thể hiệu số trường hợp thấp thuật giải Clipped – Optimal, không đáng kể Như trình bày chương 5, điều khiển mờ thuật giải điều khiển tối ưu Trong đó, thuật giải ClippedOptimal bắt nguồn từ lời giải tối ưu; kết mô từ thuật giải liên quan tới xác mô hình toán học, liên quan sai số sen sơ đo đạc, không chắn tải trọng kích động (động đất) Với điều khiển mờ, trình điều khiển lại không cần tính xác mô hình toán, hay số liệu đo đạc Điều khiển mờ cho giá trị biến mờ dao động phạm vi định, ví dụ sai số sen sơ đo đạc Đó đặc điểm linh động điều khiển logic mờ Các hình vẽ mô tả chi tiết đáp ứng chuyển vị, vận tốc gia tốc tầng đỉnh theo thời gian Như đề cập bên trên, khoảng thời gian hiển thị hình vẽ {1, 10}s 85 Chương 6: Ứng Dụng Tính Toán Hình 6.9 Hình 6.9 mô tả lịch sử chuyển vị sàn đỉnh trường hợp điều khiển, so sánh với trường hợp không điều khiển (Uncontrolled) 86 Chương 6: Ứng Dụng Tính Toán Hình 6.10 Hình 6.10, mô tả vận tốc sàn đỉnh trường hợp điều khiển, so sánh với trường hợp không điều khiển 87 Chương 6: Ứng Dụng Tính Toán Hình 6.11 Hình 6.10, mô tả gia tốc sàn đỉnh trường hợp điều khiển, so sánh với trường hợp không điều khiển 88 Chương 6: Ứng Dụng Tính Toán Bên kết mô với trận động đất Elcentro Sau số kết ứng với trận động đất khác TRẬN ĐỘNG ĐẤT KÔBÊ (1) x1 (cm) x2 (cm) x3 (cm) d1 (m) d2 (m) d3 (m) v1 (m/s) v2 (m/s) v3 (m/s) a3 (m/s2) (2) (3) (4) (5) Uncontrolled PassiveOff SemiActi ve LQR SemiActive Fuzzy 0.7043 1.1195 1.3481 0.0088 0.0050 0.0027 0.2467 0.3923 0.4728 16.2270 0.5807 0.9005 1.0733 0.0058 0.0032 0.0017 0.1059 0.1590 0.1730 7.0562 0.4702 0.7119 0.8375 0.0047 0.0025 0.0013 0.0472 0.0764 0.0993 2.9452 0.4701 0.7395 0.8724 0.0047 0.0027 0.0014 0.0658 0.1025 0.1179 4.5339 (6) (7) (8) Độ giảm đáp ứng (%) Passive- SemiActive SemiActive Off LQR Fuzzy 17.551 19.564 20.383 33.706 35.885 36.127 57.099 59.484 63.409 56.515 33.236 36.409 37.876 46.317 49.651 52.234 80.889 80.521 78.987 81.85 33.252 33.948 35.283 46.33 45.08 48.096 73.312 73.882 75.073 72.059 Bảng 6.7 TRẬN ĐỘNG ĐẤT HACH (1) x1 (cm) x2 (cm) x3 (cm) d1 (cm) d2 (cm) d3 (cm) v1 (m/s) v2 (m/s) v3 (m/s) a3 (m/s) (2) (3) (4) (5) Uncontrolled PassiveOff SemiActi ve LQR SemiActiv e Fuzzy 0.2587 0.4061 0.4859 0.0036 0.0020 0.0011 0.0845 0.1325 0.1583 5.3594 0.1075 0.1783 0.2171 0.0022 0.0014 0.0007 0.0400 0.0615 0.0639 3.0603 0.0816 0.1256 0.1469 0.0013 0.0008 0.0004 0.0173 0.0260 0.0357 1.1645 0.0762 0.1180 0.1448 0.0012 0.0008 0.0004 0.0146 0.0257 0.0328 1.2881 Bảng 6.8 89 (6) (7) (8) Độ giảm đáp ứng (%) Passive- SemiActive SemiActive Off LQR Fuzzy 58.443 56.094 55.313 39.88 32.658 31.93 52.695 53.589 59.633 42.899 68.461 69.076 69.764 65.029 58.5 61.63 79.534 80.382 77.42 78.271 70.566 70.952 70.193 67.557 58.986 61.247 82.702 80.592 79.296 75.965 Chương 6: Ứng Dụng Tính Toán TRẬN ĐỘNG ĐẤT NORTHIDGE (1) x1 (cm) x2 (cm) x3 (cm) d1 (cm) d2 (cm) d3 (cm) v1 (m/s) v2 (m/s) v3 (m/s) a3 (m/s) (2) (3) (4) (5) Uncontrolled PassiveOff SemiActi ve LQR SemiActive Fuzzy 0.7575 1.2071 1.4603 0.0092 0.0051 0.0027 0.2647 0.4119 0.4866 15.9790 0.5748 0.8923 1.0547 0.0061 0.0035 0.0019 0.1370 0.2141 0.2447 8.2794 0.4800 0.7367 0.9230 0.0048 0.0034 0.0019 0.1359 0.2019 0.2459 7.0152 0.5108 0.8019 0.9923 0.0051 0.0036 0.0019 0.1087 0.2089 0.2717 7.7287 (6) (7) (8) Độ giảm đáp ứng (%) Passive- SemiActive SemiActive Off LQR Fuzzy 24.117 26.081 27.778 34.384 30.905 31.041 48.227 48.01 49.714 48.186 36.638 38.969 36.797 48.11 33.722 30.746 48.646 50.988 49.465 56.097 32.565 33.568 32.047 44.774 29.376 27.711 58.917 49.287 44.167 51.632 Bảng 6.9 Cũng kết mô với trận động đất Elcentro, đáp ứng kết cấu với trận động đất lại giảm đáng kể so với trường hợp không điều khiển (Uncontrolled) Hiệu kháng chấn chiến lược điều khiển SemiActive với thuật giải điều khiển mờ lớn Hơn nữa, lượng cung cấp cho trình điều khiển không đáng kể, điện vài V, ta dùng pin bình thường Chỉ cần điện thay đổi theo quy luật điều khiển mờ (