1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.4. Tình hình nghiên cứu và một số nhận xét
Căn cứ vào giải pháp để giảm dao động có hại của kết cấu được nghiên cứu trong luận án, trong phần này, tác giả trình bày về một số ứng dụng và phân tích tình hình nghiên cứu về điều khiển chủ động kết cấu điều khiển không sử dụng lý ,
thuyết mờ, điều khiển dựa trên lý thuyết mờ, điều khiển dựa trên mơ hình, điều khiển dựa trên lý thuyết đại số gia tử. Qua đó, tác giả rút ra một số nhật xét để làm cơ sở đề xuất nội dung nghiên cứu của luận án.
1.4.1. Tình hình nghiên cứu
1.4.1.1. Một số ứng dụng về điều khiển chủ động kết cấu
Điều khiển chủ động là phương pháp đã được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực giao thơng vận tải, rơ bốt, máy móc thiết bị, hàng khơng vũ trụ. Đối với kết cấu cơng trình, điều khiển chủ động là giải pháp giảm dao động bằng cách sử dụng các máy kích động (được điều khiển bởi máy tính) tạo ra các lực tác động vào kết cấu hoặc sử dụng các thiết bị tiêu tán năng lượng có thể điều khiển được [ ]. Trong thực 2 tế, đã có rất nhiều ứng dụng của điều khiển chủ động để giảm dao động của kết cấu. Các ví dụ điển hình có thể kể đến như sau:
* Tòa nhà Kyobashi Seiwa - Nhật Bản (Hình 1.5, Hình 1.6) sử dụng hệ thống điều khiển chủ động AMD (Active Mass Damper) với mục đích giảm đáp ứng của kết cấu khi chịu tải trọng động đất (gia tốc 10cm/s2) và tải trọng gió (vận tốc 20m/s) xuống còn khoảng bằng 1/3 giá trị khi chưa được điều khiển [6, 8 ].
Trang 13
Hình 1.5. Tịa nhà Kyobashi Seiwa và thiết bị AMD
Hình 1.6. Thiết bị AMD chính và AMD phụ
* Tháp Yokohama Landmark - Nhật Bản sử dụng hệ thống điều khiển chủ động dạng khối lượng được treo bằng hệ thống cáp treo [6, 9]. Ảnh chụp tòa nhà và hệ thống điều khiển chủ động được thể hiện trên Hình 1. . Để tăng khả năng sinh 7 công của lực điều khiển, cơ cấu con lắc 3 tầng được sử dụng. Sơ đồ cấu tạo của cơ cấu điều khiển chủ động được cho trên Hình 1.8.
Trang 14
Hình 1.7. Tháp Yokohama Landmark và AMD dạng con lắc
Hình 1.8. Sơ đồ cấu tạo của AMD
* Tháp truyền hình Nanjing Trung Quốc (Hình 1.- 9, Hình 1.10) cao 340m lúc đầu được thiết kế lắp đặt hệ thống điều khiển bị động thông thường. Tuy nhiên sự hạn chế về không gian đã khiến cho giải pháp này khơng thực hiện được. Thay vào đó, do có kích cỡ nhỏ hơn nên hệ thống điều khiển chủ động dạng AMD đã được sử dụng [6, 10, 11].
Trang 15
Hình 1.9. Tháp truyền hình Nanjing, AMD dạng đai và máy kích động
Hình 1.10. Sơ đồ của AMD lắp tại tháp truyền hình Nanjing
1.4.1.2. Điều khiển không sử dụng lý thuyết mờ
Điều khiển không sử dụng lý thuyết mờ đã được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật với các thuật toán, phương thức và đối tượng điều khiển khác nhau. Một số kết quả nghiên cứu đáng chú ý trên thế giới có thể kể đến: Ahn [12] giới thiệu hệ thống cách ly chủ động rung động khí nén sử dụng các cấu trúc giảm độ cứng cho ghế ngồi của xe. Pan vcs [13] điều khiển phi tuyến dựa trên quan sát trạng thái mở rộng đối với hệ thống treo chủ động của xe với các ng buộc về hiệu suất. Gan vcs [ ] trình bày điều khiển thích nghi dao rà 14 động của ghế ngồi để giảm mức độ rung truyền đến ghế và cơ thể người dưới sự kích thích chu kỳ tần số thấp. Teng vcs [ ] phân tích ảnh hưởng của độ trễ thời 15 gian đến hệ thống điều khiển giảm xóc chủ động sử dụng khối lượng bằng phương pháp gán cực. Pakos và Wójcicki [16] trình bày điều khiển dao động của cầu bộ hành dây văng bằng cách sử dụng thay đổi lực căng của cáp. Crusells-Girona và Aparicio [17] thực hiện điều khiển chủ động dao động cầu dây văng cho các trường hợp bán tĩnh tải. Abdeljaber vcs [ ] trình bày điều khiển chủ động dao động của 18 các tấm đúc hẫng sử dụng vật liệu áp điện và mạng thần kinh nhân tạo. Schaper vcs [19] trình bày điều khiển góc xiên 2 bậc tự do của cần cẩu bao gồm ước tính trạng
Trang 16
thái và tạo quỹ đạo tham chiếu. Li vcs [ ] trình bày một chiến lược điều khiển cho 20 khớp FJM để triệt tiêu rung động do nhiễu bên ngoài và chuyển động đầu vào.
Cheng vcs [21] giới thiệu các kết cấu thông minh, các hệ thống mới để giảm
dao động của kết cấu do địa chấn gây ra. Spencer vcs [22] giới thiệu về một hệ thống c ch chấn nền sử dụng c c bộ giảm chấn thá á ơng minh, ví dụ như bộ giảm chấn chất lỏng từ tính, có thể thích nghi và bảo vệ kết cấu chống lại các kích thích địa chấn với các đặc tính khác nhau. Bộ giảm chấn thông minh được chứng minh là một giải pháp thay thế, cải tiến hiệu quả so với hệ thống giảm chấn tuyến tính bị động. Thenozhi và Yu [23] phân tích độ ổn định của điều khiển dao động chủ động của các kết cấu tịa nhà tuyến tính và phi tuyến bằng bộ điều khiển PD/PID. Đóng góp lý thuyết của nghiên cứu này là sự ổn định của điều khiển AMD PD/PID cho các kế cấu tt òa nhà đã được chứng minh. Các tác giả sử dụng điều kiện ổn định theo lý thuyết Lyapunov đ điều chỉnh ể các độ lợi của PD/PID. Kết quả l thuyết lý à áp dụng thành công cho một v dụ số í là một nguy n mẫu tê òa nhà hai tầng. Kết quả cho thấy rằng mặc dù các độ lợi đã chọn không tối ưu, bộ điều khiển vẫn đảm bảo hiệu quả điều khiển ổn định. Yanik vcs [24] trình bày thuật toán điều khiển dao động của các kết cấu 3 chiều Để mô phỏng ứng xử của các kết cấu thực chính xác hơ. n, các tác giả sử dụng các mơ hình thực tế và phức tạp hơn trong việc đánh giá hiệu quả, thiết kế bộ điều khiển và các thuật toán điều khiển Chuyển vị xoay và tịnh tiến của tòa . nhà theo hai hướng được phân tích cho ba trường hợp gồm khơng được điều khiển, bộ điều khiển đề xuất theo chỉ số hiệu quả điều khiển và bộ điều khiển theo luật điều khiển tối ưu tuyến tính cổ điển CLOC (Classical optimal active control). So sánh giữa các kết quả tính tốn cho thấy rằng thuật toán được đề xuất cho hiệu quả tốt hơn thuật tốn điều khiển tối ưu tuyến tính cổ điển.
Bên cạnh đó, các tác giả trong nước cũng đã cơng bố một số cơng trình nghiên cứu như sau: Nguyen Dong Anh và La Duc Viet [25] trình bày điều khiển tối ưu trong điều khiển chủ động kết cấu. Nguyen Dong Anh và La Duc Viet [26] trình bày một phiên bản của thuật toán điều khiển nhận dạng cho các hệ thống phi tuyến được điều khiển phản hồi. Tiếp đó, trong [27] các tác giả đã giới thiệu ột cách tiếp m cận để mở rộng thuật toán nhận dạng cho điều khiển phản hồi đầu ra. La Duc Viet và Nguyen Dong Anh [28] trình bày thuật tốn điều khiển nhận dạng hồi tiếp – dẫn tiếp cho các kết cấu được điều khiển phản hồi Trong [29], các tác giả mở rộng thuật . toán nhận dạng để điều khiển phản hồi chủ động của hệ thống trong điều kiện đo hạn chế đáp ứng.
1.4.1.3. Điều khiển dựa trên lý thuyết mờ
Điều khiển mờ dựa trên lý thuyết tập mờ được giới thiệu bởi Zadeh vào năm 1965 [30 ]. Từ đó đến nay, lý thuyết này được phát triển mạnh mẽ [31-34]. Do có nhiều ưu điểm như tính linh hoạt và tính đơn giản trong thiết kế, hiệu quả cao trong việc thực hiện, cũng như sự ổn định và tính thích nghi trong việc điều khiển các hệ thống phức tạp có các tham số không chắc chắn, phi tuyến và thường được sử dụng trong các hệ thống điều khiển quá trình. Các ứng dụng thực tế có thể kể đến như điều khiển dao động một số bộ phận của xe ô tô như hệ thống treo, ghế ngồi [35-
Trang 17
37], điều khiển mờ thích nghi của một cơ cấu tự động trong máy gia công bằng tia - lửa điện [38], điều khiển mờ kết hợp mạng thần kinh nhân tạo và thuật tốn di truyền cho kết cấu tấm nhơm mỏng ngàm 4 cạnh [39], dao động dầm công xon sử dụng vật liệu composite graphite/epoxy hoặc được gắn những cặp áp điện kích thích/cảm biến [40-43], điều khiển lai gồm điều khiển giám sát mờ (FSC) kết hợp các bộ điều khiển phụ cho cầu dây văng [44] và điều khiển logic mờ tự điều chỉnh (STFLC) cho cần trục [ ] chịu kích thích động đất45 , triệt tiêu dao động của cấu trúc
giàn xoay áp điện thông minh bằng điều khiển mờ mạng thần kinh nhân tạo kết - hợp với thuật toán di truyền [46],… Trong lĩnh vực điều khiển dao động của các kết cấu/cơng trình dạng nhà cao tầng chịu tác động của tải trọng động đất, điều khiển mờ kết hợp lý thuyết điều khiển tối ưu, thuật tốn tiến hóa thuật tốn di truyền sử , , dụng thiết bị điều khiển chủ động khối lượng AMD/ATMD hoặc thiết bị giảm chấn dạng chất lỏng,... như sau:
Park vcs [47] nghiên cứu một kỹ thuật giám sát mờ sử dụng lý thuyết điều khiển tối ưu và logic mờ để điều khiển chủ động kết cấu tịa nhà 3 tầng chịu kích thích động đất. Bộ điều khiển được phát triển bao gồm bộ giám sát mờ và các bộ điều khiển phụ sử dụng phương pháp LQR. Bộ giám sát mờ liên tục điều chỉnh các bộ điều khiển phụ bằng cách đánh giá đáp ứng hiện tại của kết cấu thông qua cơ chế suy luận mờ. Sự kết hợp giữa điều khiển tối ưu và logic mờ trở thành một cách tiếp cận khả thi để bảo toàn những ưu điểm của hai cách tiếp cận. Tiếp theo trong [48], Park vcs trình bày phương pháp điều khiển lai được kết hợp gồm điều khiển mờ và điều khiển tối ưu trong không gian trạng thái để điều khiển dao động của tịa nhà 6 tầng chịu kích thích động đất. Các kết quả cho thấy rằng ph ng pháp điều khiển ươ được đề xuất cho vận tốc và chuyển vị các tầng giảm đáng kể đồng thời yêu cầu lực , điều khiển nhỏ ơ h n. -Dawod vcs [49Al ] đã trình bày các kết quả lý thuyết và thực nghiệm trên bàn rung điều khiển mờ chủ động mơ hình nhà 5 tầng sử dụng thiết bị điều khiển chủ động khối lượng AMD Các . tác giả đã chỉ ra các ưu điểm của bộ điều khiển logic mờ là tính thích nghi, áp dụng được với hệ phi tuyến và có các tham số không chắc chắn. Kết quả thực nghiệm đã cho thấy tiềm năng của việc sử dụng bộ điều khiển mờ trong điều khiển chủ động kết cấu. Reigles và Symans [50] đã trình bày các kết quả số để minh chứng hiệu quả của một bộ điều khiển giám sát mờ cho kết cấu chịu tải động đất sử dụng thiết bị giảm chấn chất lỏng. Dounis vcs [51] đã trình bày quy trình thiết kế một bộ điều khiển logic mờ kết hợp thuật tốn tiến hóa (EFLC) cho kết cấu 6 bậc tự do chịu tải trọng động đất sử dụng bộ giảm chấn MR với mục tiêu giảm chuyển vị tuyệt đối của kết cấu. Kết cấu được điều khiển thông qua một lực điều khiển duy nhất đặt ở tầng đầu tiên của kết cấu sử , dụng bộ điều khiển logic mờ tiến hóa để tính tốn trong thời gian thực. Bên cạnh
đó, các tham số ng được cũ tối ưu bằng cách sử dụng thuật toán di truyền (GA). Pourzeynali vcs [52] giới thiệu việc ứng dụng kết hợp các thuật toán di truyền và logic mờ (GFLC) để thiết kế và tối ưu hóa các tham số khác nhau của bộ điều khiển chủ động dạng ATMD để có được kết quả tốt nhất trong việc giảm dao động của tòa nhà 11 tầng dưới tác dụng của động đất. Để so sánh, các thơng số của bộ điều khiển hoạt động được tính bằng phương pháp FLC và GFLC. Bộ điều khiển được thiết kế dựa trên biến đầu vào (chuyển vị và vận tốc của tầng trên cùng), mỗi biến có 2 5 hàm thuộc dạng hình thang và 1 biến đầu ra (lực điều khiển) với 7 hàm thuộc dạng tam giác. Từ kết quả nghiên cứu, cho thấy rằng GFLC hiệu quả hơn FLC, ối ưu hóa t
Trang 18
GA là một cơng cụ hữu ích để tối ưu hóa đa mục tiêu FLC dựa trên nhiều biến thiết kế khác nhau. Guclu và Yazici [53] đã thiết kế các bộ điều khiển mờ và tỉ lệ - vi phân (PD) để điều khiển chủ động một tòa nhà 15 tầng trong thực tế sử dụng thiết bị điều khiển chủ động khối lượng ATMD. Kết quả mô phỏng cho thấy việc sử dụng bộ điều khiển logic mờ đáp ứng tốt khi hấp thụ dao động do ảnh hưởng của động đất. Bộ điều khiển đạt được các yêu cầu về sự an toàn của kết cấu và mức độ thoải mái cho con người. Bộ điều khiển logic mờ được thiết kế cũng có hiệu quả điều khiển tốt hơn bộ điều khiển PD. Li vcs [54] trình bày một thuật tốn điều khiển dựa trên logic mờ để điều khiển dao động của tịa nhà 20 tầng có gắn thiết bị AMD chịu kích thích động đất được mơ hình hóa dạng kết cấu phi tuyến. Một sơ đồ điều khiển sử dụng cả AMD và bộ giảm chấn giữa các tầng được đề xuất để điều khiển dao động phi tuyến của kết cấu nhà cao tầng. Mô phỏng số cho thấy rằng sự kết hợp của
AMD và bộ giảm chấn giữa các tầng có thể loại bỏ hiện tượng IRA (Interstory response amplification) và giảm dao động tốt hơn khi chỉ sử dụng độc lập AMD hoặc chỉ ử dụng các bộ giảm chấn giữa các tầng, không chỉ chuyển vị so với mặt s đất mà cả chuyển vị tương đối giữa các tầng. Uz và Hadi [55] thiết kế tối ư bộ điều u khiển bán chủ động cho hai tòa nhà liền kề 10 và 20 tầng được kết nối bởi bộ giảm chấn MR dựa trên việc tích hợp logic mờ và thuật tốn di truyền đa mục tiêu Một . bộ điều khiển mờ tích hợp được sử dụng để cung cấp mối quan hệ t ng tác giữa ươ lực điều khiển và điện áp đầu vào cho bộ giảm chấn MR. Ngoài ra, bộ điều khiển LQR và bộ điều khiển H2/LQG cũng được sử dụng để so sánh với kết quả thu được bằng bộ điều khiển mờ. Các tác giả đánh giá mục tiêu chính của thiết kế tối ưu không chỉ là giảm phản ứng địa chấn mà cịn bao gồm cả giảm thiểu chi phí của hệ thống giảm chấn thơng qua tập Pareto. Kết quả cho thấy, việc giảm số lượng bộ giảm chấn cho phép tăng hiệu quả của hệ thống. Park và Ok [56] điều khiển mờ theo mơ hình MRFC (Modal-space reference-model-tracking fuzzy control) của các kết cấu chịu kích thích động đấ MRFC được đề xuất bao gồm một bộ điều khiển t. cơ bản một mơ hình tham chiếu và một bộ điều chỉnh mờ. ộ điều khiển cơ bản , B được chọn trong số các bộ điều khiển thông thường như LQR hoặc LQG,... sau đó được thiết kế tối ưu cho việc điều khiển dao động của kết cấu Mơ hình tham chiếu . cho phép gán hiệu quả mục tiêu trong không gian trạng thái và logic mờ được áp dụng để giảm thiểu sự khác biệt về hiệu quả giữa kết cấu và mơ hình tham chiếu. Bất chấp sự hỏng hóc của cơ cấu chấp hành hoặc sự khơng chắc chắn trong mơ hình kết cấu, kết cấu có thể tuân theo đáp ứng mong muốn. Do đó, bộ điều khiển được đề xuất có thể đạt được hiệu quả mong muốn bằng cách phân phối lại lực điều khiển cần thiết cho các cơ cấu chấp hành khơng bị hư hại cịn lại. Điều này cũng đồng nghĩa với việc hệ thống điều khiển chịu được sự cố mà không cần sử dụng đến các hệ thống dự phòng.
1.4.1.4. Điều khiển dựa trên mơ hình
Điều khiển dựa trên mơ hình là phương pháp điều khiển trong đó có sử dụng mơ hình/tham số của đối tượng để tính tốn tín hiệu của từng vòng lặp điều khiển. Cần phân biệt với phương pháp điều khiển thông thường như các bộ điều khiển sớm - trễ pha hay PID kinh điển chỉ sử dụng mơ hình của đối tượng khi thiết kế bộ điều khiển chứ khơng sử dụng mơ hình khi hệ thống điều khiển đang vận hành [57 Các ].