Điều khiển kết cấu chịu tải trọng động đất với hệ cản biến thiên

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -[ \ HỒ HỒNG ĐỨC THỊNH ĐIỀU KHIỂN KẾT CẤU CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT VỚI HỆ CẢN BIẾN THIÊN Chuyên ngành: Xây Dựng Dân Dụng – Công Nghiệp Mã số ngành : 23.04.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2009 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP, HỒ CHÍ MINH Ngày tháng năm ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày tháng năm 2009 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: HỒ HOÀNG ĐỨC THỊNH Giới tính : Nam / Nữ Ngày, tháng, năm sinh : 01-03-1981 Nơi sinh : Bình Phước Chuyên ngành : Xây Dựng Dân Dụng Cơng nghiệp Khố (Năm trúng tuyển) : K2005 Mã số học viên: 02105519 1- TÊN ĐỀ TÀI: Điều khiển kết cấu chịu tải trọng động đất với hệ cản biến thiên 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: 2.1 Tổng quan hệ thống điều khiển kết cấu 2.2 Khảo sát khả giảm chấn công trình sử dụng thiết bị hệ cản biến thiên 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 01-2009 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 13-07-2009 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS TS CHU QUỐC THẮNG Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) PGS TS CHU QUỐC THẮNG TRƯỞNG BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) Lời cảm ơn Sau nhiều tháng tích cực học tập thực luận văn, bảo, động viên, kích lệ thầy bạn bè để vượt qua khó khăn định, tơi hoàn thành luận văn cao học theo định Phòng Đào Tạo Sau Đại Học trường Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh Nhưng để có kiến thức q báu hơm trường, xin chân thành cảm ơn tất bạn bè, thầy cô giúp đỡ học tập thực luận văn này, đặc biệt thầy hướng dẫn PGS.TS CHU QUỐC THẮNG tận tình bảo truyền đạt kiến thức quý báu cho Tôi xin chân thành cảm ơn cảm ơn thầy cô thư viện trường ĐH Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện cho tơi tìm tài liệu để thực luận văn Sau cùng, xin cảm ơn gia đình tơi tạo điều kiện cho tơi học tập động viên năm học vừa qua Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2009 TÓM TẮT LUẬN VĂN Sự hấp dẫn ngành điều khiển học phát triển ngày lớn mạnh lĩnh vực điều khiển kết cấu cơng trình hấp dẫn tác giả thực đề tài luận văn thạc sĩ khảo sát khả giảm đáp ứng kết cấu lắp thiết bị có hệ cản biến thiên Luận văn giới thiệu tổng quan hệ thống điều khiển kết cấu, sơ lược công trình nghiên cứu Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Tác giả giới thiệu hệ thống điều khiển kết cấu sử dụng giới Luận văn tập trung khảo sát, phân tích hiệu giảm đáp ứng thiết bị có hệ cản biến thiên thuật toán điều khiển tối ưu “Closed – loop control” dựa lý thuyết điều khiển tối ưu (Instantaneous Optimal Control theory) có hiệu chỉnh ma trận Qv để phù hợp với toán điều khiển bán chủ động Bên cạnh so sánh kết với dạng điều khiển bị động Từ đưa nhận xét kiến nghị hiệu thiết bị giảm chấn khả ứng dụng vào mục tiêu giảm chấn cơng trình MỤC LỤC TĨM TẮT LUẬN VĂN .1 Chương MỞ ĐẦU 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 TỔNG QUAN 1.2.1 Các hệ thống điều khiển kết cấu 1.2.2 Một số cơng trình điều khiển dao động nghiên cứu Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TpHCM: 1.3 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN 1.4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.6 TỔ CHỨC LUẬN VĂN Chương 2.1 GIỚI THIỆU THIẾT BỊ .6 GIỚI THIỆU THIẾT BỊ CẢN NHỚT 2.1.1 Mô tả thiết bị cản nhớt (Fluid Viscous Devices (FVD))[12][19].6 2.1.2 Lực sinh FVD 2.1.3 Hệ bậc tự có hệ cản nhớt tuyến tính 2.1.4 Hệ nhiều bậc tự có hệ cản nhớt tuyến tính 2.2 MÔ TẢ THIẾT BỊ HỆ CẢN BIẾN THIÊN (Variable Damping Semi- Active Devices (VDSA))[1][2] .10 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 3.1 HỆ MỘT BẬC TƯ DO (SDOF)[1][2] .11 3.2 HỆ NHIỀU BẬC TỰ DO (MDOF)[1][2] 14 3.3 ĐIỀU KHIỂN BÁN CHỦ ĐỘNG .19 3.3.1 Khái niệm mơ hình khơng gian trạng thái [15] 19 3.3.2 Thuật tốn điều khiển bình phương tuyến tính (Linear Quadratic Regulator (LQR))[1][2][3][5] 21 3.4 LỰA CHỌN HỆ SỐ CẢN CHO KẾT CẤU .25 3.5 ĐƠN GIẢN HĨA CƠNG THỨC TÍNH VẬN TỐC MỖI TẦNG 25 3.6 LƯU ĐỒ TÍNH TỐN 27 Chương 4.1 VÍ DỤ TÍNH TỐN 28 KẾT CẤU TẦNG (SDOF) .28 4.1.1 Mô tả kết cấu 28 4.1.2 Ứng dụng thuật tốn điều khiển vịng lặp kín (Close Loop Control) 4.1.3 Mô tả trận động đất 29 4.1.4 Đáp ứng kết cấu với tải động đất 32 4.2 KẾT CẤU NHIỀU TẦNG (MDOF) 41 4.2.1 Mô tả kết cấu 41 4.2.2 Ứng dụng thuật tốn điều khiển vịng lặp kín (Close Loop Control) 4.2.3 Lựa chọn vị trí đặt thiết bị điều khiển VDSA 43 4.2.4 Đáp ứng kết cấu với tải động đất 47 Chương KẾT LUẬN VÀ HUỚNG PHÁT TRIỂN 63 5.1 KẾT LUẬN 63 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 PHỤ LỤC 66 figure; plot(t,Xg/g ); grid on; axis tight; title('Gia toc nen cua tran dong dat ElCentro'); xlabel('Thoi gian [s]'); ylabel('Gia toc nen [g]'); figure; plot(t,Xpg*2.54 ); grid on; axis tight; title('Van toc nen cua tran dong dat ElCentro'); xlabel('Thoi gian [s]'); ylabel('Van toc [cm/s]'); Xppg=cumtrapz(t,Xpg); figure; plot(t,Xppg*2.54); grid on; axis tight; title('Chuyen vi nen cua tran dong dat ElCentro'); xlabel('Thoi gian [s]'); ylabel('Chuyen vi [cm]'); nn=length(t); dampi(1)=0; for i=2:nn z=[U(i-1);Up(i-1)]; M =diag(M); K =diag(k); [Phi,lam] = eig(K,M); Phi = Phi * diag(1 / sqrt( diag(Phi'*M*Phi) )); [ws,id] = sort( sqrt(diag(lam)) ); Phi = Phi(:,id); Ts =2*pi./ws; Mi = inv(M) ; Cs=2*zita*ws*M; C=Cs+(CoA+CoB)*(a^2/(a^2+(h-w)^2)); A=[0,1;-Mi*K,-Mi*C]; Cpr=(1/2)*Mi*D*(CoA-CoB)*(a*(h-w)/(a^2+(h-w)^2)); B=[0;Cpr]; H=[0;-E]; I=[1,0;0,1]; %% New matrices Av=[0,1]; Sv=1; Qv=1*1e1; A2=Q+Av'*Qv*Av; A3=Av'*Qv*Sv; [T,lam1] = eig(A); [ws1,id] = sort( sqrt(diag(lam1)) ); lam2=diag(ws1); lam11=inv(T)*A*T; d=(exp(lam11*dt))*inv(T)*(z+dt/2*(B*Uc(i-1)+H*Xg(i-1))); Zt=(inv(I+(dt^2)/4*B*inv(R)*B'*A2)*(T*d(dt^2/4)*B*inv(R)*B'*A3*Xpg(i)+dt/2*H*Xg(i))); Điều khiển kết cấu chịu tải trọng động đất với hệ cản biến thiên 67 Uc(i)=-(dt/2*inv(R)*B')*(A2*Zt+A3*Xpg(i)); U(i)=(Zt(1)); Up(i)=(Zt(2)); Zc=0.43+0.37*sign(U(i)*Up(i)); Ac{i}=-Mi*C*Up(i)-Mi*K*U(i)-E*Xg(i)+Cpr; Act(i)=Ac{i}; w=h-a*(abs((CoA+CoB)/abs(Uc(i)/Up(i))-1))^(1/2); dampi(i)=C*Up(i); if w>Wmax w=Wmax; end if wWmax w=Wmax; end if w