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 cơng trình nghiên cứu sử dụng các thuật toán điều khiển khác nhau. Các thuật tốn 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 tồn 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 thơng 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 mơ 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 mơ 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 khơng 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 địi 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 cơng nghệ mơ phỏng lai thời gian thực.
Tài liệu tham khảo [18] đã trình bày bài tốn 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 mơ hình một nửa xe ơ tơ, 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 cơng nghệ tính tốn mềm như mạng nơ-ron, logic mờ hoặc các thuật tốn 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 tốn dựa trên cơng nghệ tính tốn mềm, các lý thuyết điều khiển thơng thường địi hỏi trước tiên phải có được một mơ hình tốn 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 mơ hình tốn học chính xác để mơ 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.
1.4.2. Điều khiển dao động kết cấu sử dụng lý thuyết mờ
Một số kết quả nghiên cứu trong điềukhiển mờ, tối ưu tham số mờ và tối ưu hệ luật điều khiển mờ trong điều khiển dao động kết cấu có thể được liệt kê và phân tích như sau:
Dựa trên lý thuyết tập mờ do Zadeh đưa ra năm 1965, bộ điều khiển mờ rất linh hoạt, dễ sử dụng và đã được ứng dụng thành công trong nhiều bài tốn lý thuyếtcũng như thực tiễn nói chung và trong điều khiển dao động của các kết cấu trong thực tế.
Bài toán ổn định bền vững cho các hệ thống mờ để điều khiển xe tải đã được thực hiện trong [22].
Kỹ thuật giám sát mờ để điều khiển chủ động kết cấu nhà cao tầng bị kích thích bởi động đất bằng cách điều chỉnh độ lợi điều khiển được thiết kế trước tại mọi thời điểm sử dụng trạng thái của kết cấu thông qua cơ chế suy luận mờ đã được đề suất trong [23].
Trong tài liệu tham khảo [24] đã thiết kế một bộ điều khiển mờ bán chủ động sử dụng một giẩm chấntừ động lực học để giảm đáp ứng động đất của một kết cấu nhà ba tầng dựa trên phương pháp suy luận mờ của Mamdani.
Nhiều ứng dụng của bộ điều khiển mờ trong các lĩnh vực khác nhau đã được đề cập trong [20, 25, 26].
Một cách tiếp cận cho các mô hình mờ và điều khiển mờ các hệ thống phi tuyến với các tham số khơng chắc chắn được trình bày dựa trên ba loại mơ hình mờ, gồm mơ hình mờ Mamdani, mơ hình mờ Takagi-Sugeno và mơ hình mờ hypebol với một số bài toán quan trọng trong hệ thống điều khiển mờ [27].
Trong tài liệu [28] đã nghiên cứu vấn đề thiết kế bộ lọc của bộ điều khiển mờ mờ H∞ dựa trên mơ hình mờ Takagi-Sugeno để ước lượng tín hiệu của các hệ thống thời gian rời rạc phi tuyến với nhiều thời gian trễ và nhiễu có giới hạn khơng xác định.
Hai loại bộ điều khiển, bộ điều khiển kết cấu thay đổi và bộ điều khiển mờ trượt, để giảm đáp ứng động của một tòa nhà với thiết bị điều khiển khối lượng chủ động đã được phát triển trong [29].
Trong [30] hai bộ điều khiển mờ, trong trường hợp có và khơng có kiến thức/kinh nghiệm về quy trình điều khiển, cho các hệ thống phi tuyến thời gian rời rạc được đề suấtvới mục đích ổn định hệ thống.
Tài liệu [31] đã thiết kế bộ điều khiển logic mờ cho kết cấu nhiều bậc tự do với thiết bị điều khiển khối lượng chủ động để triệt tiêu các dao động do động đất gây ra.
Trong [32] tính ổn định bền vững của hệ thống điều khiển được nối mạng thông qua công cụ ước lượng mờ được nghiên cứu, trong đó đối tượng được điều khiển là một mơ hình hệ thống phi tuyến với nhiễu bên ngồi, có thể được biểu diễn bằng mơ hình mờ Takagi-Sugeno.
Các tác giả [33] trình bày nghiên cứu tổng quan về các kỹ thuật điều khiển thông minh, bao gồm cả điều khiển logic mờ và điều khiển mạng nơ ron, cho các ổ đĩa động cơ DC không chổi than để cung cấp hướng dẫn và tài liệu tham khảo cho các nhà nghiên cứu và kỹ sư làm việc trong lĩnh vực này.
Trong [34] bộ điều khiển H∞ dựa trên mơ hình mờ Takagi–Sugeno cho một phần tửxe ô tô hai bậc tự do bán chủ động thiết bị cản từ biến (magnetorheological) có kể đến động lực học của máy kích động đã được nghiên cứu trong bộ điều khiển tổng hợp.
Trong [35], các bài toán điều khiển ổn định và bên vững đối với hệ thống mờ thời gian rời rạc theo mơ hình mờ Takagi-Sugeno với nhiều trạng thái trễ đã được khảo sát.
Mối quan hệ giữa logic mờ và q trình gia cơng đã được đề cập trong [36] với các phân tích được thực hiện trên các kỹ thuật logic mờ được sử dụng trong quá trình gia cơng liên quan đến dự đốn, lựa chọn, giám sát, điều khiển và tối ưu hóa q trình gia cơng.
b. Điều khiển mờ tối ưu dựa trên sự thay đổi các tham số của hàm thuộc của các biến ngôn ngữ đầu vào và đầu ra:
Một số thuật toán tối ưu, chẳng hạn như thuật toán di truyền (GA) hoặc tối ưu hóa bầy đàn (PSO), v.v., đã được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển mờ tối ưu dựa trên các hàm mục tiêu là giảm thiểu năng lượng điều khiển hoặc đáp ứng của kết cấu để nâng cao hiệu suất điều khiển trong điều khiển dao động kết cấu.
Thuật tốn tối ưu hóa đa mục tiêu dựa theo sự di chuyển liên tục của đàn kiến, được mã hóa theo luật để thiết kế bộ điều khiển mờ và ứng dụng vào điều khiển đa mục tiêu của robot di động bám theo quỹ đạo đã được đề suất trong [37].
Trong tài liệu [38] đã thiết kế bộ điều khiển logic mờ tối ưu đa mục tiêu cho các kết cấu xây dựng chịu tải động đấtđể giảm thiểu hai mục tiêu, gia tốc cực đại và chuyển vị tương đối của kết cấu.
Bộ điều khiển mờ trượt dựa trên thuật toán di truyền để giảm các đáp ứng động cũng như đảm bảo an toàn và ổn định của một kết cấu tịa nhà chịu các tác động bên ngồi đã được thiết kế trong [39].
Thiết kế tối ưu đa mục tiêu được áp dụng để tối ưu hóa bộ điều khiển logic mờ trong việc giảm đáp ứng động của kết cấu chịu tải động đất trong [40] sử dụng các tham số của hàm liên thuộc đầu vào và đầu ra làm biến thiết kế.
Trong tài liệu [41] thuật toán di truyền được sử dụng để xác định hình dạng tối ưu và loại hàm liên thuộc trong một hệ thống mờ.
Các vấn đề về thiết kế tối ưu bộ điều khiển mờ trong điều khiển chủ động các cơng trình chịu động đất được trình bày trong [7-9] bằng cách điều chỉnh các tham số của các hàm liên thuộc đầu vào và đầu ra dựa trên quan điểm đa mục tiêu.
Việc sử dụng tối ưu hóa bầy đán với sự kết hợp của các biến liên tục và rời rạc để thiết kế tối ưu bộ điều khiển mờ đã được đề suất trong [10] để điều khiển chủ động các dầm áp điện thơng minh, trong đó các tham số (tọa độ các đỉnh) của hàm liên thuộc hình tam giác và hình thang được coi là các biến thiết kế.
Trong tài liệu [11] các tham số của hàm liên thuộc đầu vào đã được điều chỉnh để tăng hiệu suất của bộ điều khiển trong điều khiển vị trí và hướng của tay
máy song 3-RRR (revolute-revolute-revolute) mà không làm tăng mô-men xoắn điều khiển tối đa của hệ thống.
Một hệ thống điều khiển mờ tối ưu đa mục tiêu để giảm đáp ứng của một tịa nhà cao tầng bị kích động bởi tải trọng gió đã được đề suấttrong [12], trong đó các tham số của hàm liên thuộc Gaussian của các biến đầu vào và đầu ra được điều chỉnh trong q trình tối ưu hóa.
Hình dạng của các hàm liên thuộc của các biến ngôn ngữ đã được điều chỉnh trong [13] để cải thiện hiệu suất của bộ điều khiển logic mờ trong điều khiển tích cực hệ thống gạt mưa ơ tơ.
Tài liệu [14] việc triệt tiêu dao động của một tấm áp điện thông minh sử dụng bộ điều khiển mờ được tối ưu hóa bằng cách điều chỉnh các tham số của các hàm liên thuộc hình thang và tam giác của các biến đầu vào và đầu ra đã được xem xét.
Nhìn chung, các cách tiếp cận tối ưu bộ điền khiển mờ kể trên tập trung vào biến thiết kế là sự thay đổi hình dạng của các hàm liên thuộc của các biến trạng thái và biến điều khiển. Trong trường hợp hàm liên thuộc dạng tam giác, sự thay đổi của biến thiết kế được thể hiện như Hình 1.10. Như vậy, với biến ngơn ngữ được mờ hóa với n hàm liên thuộc tam giác sẽ có 3n biến thiết kế là tọa độ các đỉnh của các hàm liên thuộc. Cách tiếp này sẽ dẫn đến số lượng lớn biến thiết kế khi tối ưu các bộ điều khiển mờ truyền thống.