Điều khiển chủ động là phương pháp được nhiều nhà khoa học trong, ngoài nước quan tâm từ lâu và đã được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực giao thông vận tải, rô bốt, máy móc, hàng không vũ trụ. Điều khiển chủ độngkết cấu công trình là
giải pháp nhằm 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 [2]. Đã có rất nhiều ứng dụng của điều khiển chủ động để giảm dao động của kết cấuđược thực hiện trên thực tế.
Hình 1.5 Tòa nhà Kyobashi Seiwa và thiết bị AMD
Hình 1.6 Thiết bị AMD chính và AMD phụđược lắp đặt trên kết cấu công trình
Trong hình 1.5 và hình 1.6 là tòa nhà Kyobashi Seiwa - Nhật Bản có sử dụng hệ thống điều khiển chủ động AMD (Active mass damper) với kết quả thu được giảm đáp ứng của kết cấu khi chịu tải trọng động đất (gia tốc 10 cm/s2) và tải trọng gió (vận tốc 20 m/s) xuống còn khoảng bằng 1/3 giá trị khi chưa được điều khiển
[7, 8].
Tháp Yokohama Landmark - Nhật Bản sử dụng hệ thống điều khiển chủ động có dạng khối lượng được treo bằng hệ thống cáp treobố trí như trên Hình 1.7a [7, 9] để tăng khả năng sinh công của lực điều khiển, cơ cấu con lắc 3 tầng được sử dụng. Cấu tạo của cơ cấu điều khiểnchủ động được cho trên Hình 1.7b.
Tháp truyền hình Nanjing - Trung Quốc (Hình 1.8) cao 340m lúc đầu được thiết kế lắp đặt hệ thống điều khiển thụ động thông thường. Tuy nhiên sự hạn chế về không gian đã khiến cho giải pháp này không 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
Hình 1.7a Sơ đồ cấu tạo của AMD và vị trí lắp đặt thiết bị trên công trình
Hình 1.7b Sơ đồ cấu tạo của AMD
Hình 1.9 AMD lắp tại tháp truyền hình Nanjing
Điều khiển chủ động kết cấu là lĩnh vực được nhiều nhà khoa học trong nước và quốc tế quan tâm từ lâu với nhiều công trình nghiên cứu sử dụng các thuật toán điều khiển khác nhau. Các thuật toán này có thể được tóm tắt trong một số vấn đề
sau [7]:
Điều khiển phi tuyến bắt đầu phát triển mạnh từ thập niên 1960 cả về phân tích và thiết kế. Các phương pháp phân tích hệ thống điều khiển phi tuyến có thể kể đến như phương pháp hàm mô tả, phương pháp mặt phẳng pha, phân tích ổn định Lyapunov, tiêu chuẩn Popov… Các phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển phi tuyến gồm có phương pháp hồi tiếp tuyến tính hóa, phương pháp điều khiển trượt, phương pháp cuốn chiếu…
Điều khiển tối ưu là phương pháp điều khiển trong đó bộ điều khiển được thiết kế sao cho tối thiểu một hàm chỉ tiêu chất lượng như quy hoạch động Bellman, nguyên lý cực đại Pontryagin, điều khiển tối ưu tuyến tính (bộ quan sát và
bộ lọc tối ưu Kalman Bucy, điều khiển tối ưu LQR (Linear Quadratic Regulator -
bộ điều chỉnh cho hệ tuyến tính với chỉ tiêu dạng toàn phương) và LQG (Linear Quadratic Gaussian - bộ điều chỉnh cho hệ tuyến tính với chỉ tiêu dạng toàn phương và ngẫu nhiên Gauss) trên miền thời gian.
Điều khiển thích nghi là phương pháp điều khiển trong đó các thông số của bộ điều khiển được điều chỉnh tự động khi điều kiện làm việc thay đổi nhằm đạt được chất lượng tối ưu. Các nghiên cứu về điều khiển thích nghi có thể kể đến như hệ thống điều khiển theo mô hình tham chiếu, tính ổn định, tính bền vững của hệ thống thích nghi, các giải thuật điều khiển học.
Điều khiển bền vững là phương pháp điều khiển trong đó bộ điều khiển được thiết kế sao cho tính ổn định và chất lượng của hệ thống vẫn đảm bảo khi các yếu tố không chắc chắn và/hoặc nhiễu loạn nằm trong giới hạn định trước như điều khiển tối ưu chuẩn H2 trên miền tần số, điều khiển bền vững mô tả sự bất định dựa trên chuẩn H∞và lý thuyết µ-synthesis.
Trong những thập kỷ gần đây, các nghiên cứu về điều khiển chủ động dao động của kết cấu được quan tâm nhiều.
Tài liệu tham khảo [13] trình bày tối ưu hóa tham số và phân tích mô phỏng của hệ thống treo xe trên xe ô tô được điều khiển bởi bộ giảm chấn chất lỏng từ
tính.
Ảnh hưởng của sự tương tác của cấu trúc điều khiển giữa hệ điều khiển khối lượng giảm chấn sử dụng thiết bị điện từ cải tiến và kết cấu thí nghiệm được nghiên cứu trong [14].
Trong tài liệu [15] đã nghiên cứu một cách tiếp cận điều khiển với giới hạn của máy kích động đối với điều khiển chủ động dao động các kết cấu nhà cao tầng có kể đến vấn đề tham số không chắc chắn và trễ thời gian đầu vào.
Các tác giả trong tài liệu [16] đã nghiên cứu bài toán giảm các dao động do gió gây ra ở tháp Canton sử dụng chiến lược điều khiển phản hồi tăng độ lợi biến liên tục, trong đó, một cặp thiết bị điều khiển khối lượng chủ động được lắp đặt trên đỉnh của kết cấu chính được sử dụng như các máy kích động của hệ thống.
Do đòi hỏi về kinh phí lớn và sự khó khăn khi thí nghiệm các hệ thống điều khiển khối lượng chủ động ở kích thước thực, phương pháp thử nghiệm hệ thống
con (subsystem) điều khiển khối lượng chủ động hoạt động thời gian thực đã được đề suất trong [17] có tham chiếu đến công nghệ mô phỏng lai thời gian thực.
Tài liệu tham khảo [18] đã trình bày bài toán điều khiển chủ động trong cầu dây văng chịu tải trọng gần tĩnh (quasi-static load), trái ngược với cách tiếp cận điển hình đối với kết cấu chịu gió hoặc động đất mạnh.
Vấn đề điều khiển phản hồi đầu ra tĩnh của hệ thống treo chủ động trong [19]
đã đượcnghiên cứu với mô hình một nửa xe ô tô, với các ràng buộc về kết cấu như biến dạng của hệ thống treo, giới hạn của máy kích động và các dữ liệu ràng buộc của bộ điều khiển.
Trong [20] điều khiển thông minh dựa trên các công nghệ tính toán mềmnhư mạng nơ-ron, logic mờ hoặc các thuật toán tiến hóa, v.v., đã được phát triển mạnh mẽvà ứng dụng phổ biến trong các hệ thống điều khiển dao động kết cấu.
Trong số đó, bên cạnh các thuật toán dựa trên công nghệ tính toán mềm, các lý thuyết điều khiển thông thường đòi hỏi trước tiên phải có được một mô hình toán học chính xác cho một kết cấu thực tế và sau đó thiết kế bộ điều khiển. Vì kết cấu nói chung là những hệ thống nhiều bậc tự do phức tạp, nên rất khó tìm ra một mô hình toán học chính xác để mô tả ứng xử của kết cấu [21]. Vì vậy, điều khiển mờ, phương pháp điều khiển dựa trên các hệ luật định tính được thiết lập nhờ kinh nghiệm của chuyên gia hoặc phân tích mối quan hệ đầu vào và đầu ra của hệ thống, sẽ có lợi thế trong những trường hợp này.