Luận án tiến sĩ: Ứng dụng lý thuyết mờ và đại số gia tử trong điều khiển dao động kết cấu - ĐH Bách Khoa Hà Nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN QUÝ CAO ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT MỜ VÀ ĐẠI SỐ GIA TỬ TRONG ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG KẾT CẤU LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC Hà Nội – 2021 luan an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN QUÝ CAO ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT MỜ VÀ ĐẠI SỐ GIA TỬ TRONG ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG KẾT CẤU Ngành: Cơ học Mã số: 9440109 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. BÙI HẢI LÊ TS. BÙI VĂN BÌNH Hà Nội – 2021 luan an LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Bùi Hải Lê và TS. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Hà Nội, ngày tháng năm 2021 NGƯỜI HƯỚNG DẪN NGHIÊN CỨU SINH PGS. Bùi Hải Lê TS. Bùi Văn Bình Trần Quý Cao i luan an LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến hai thầy hướng dẫn : PGS. Bùi Hải Lê – Viện Cơ Khí – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và TS.

Bùi Văn Bình – Khoa Cơ khí – Trường Đại học Điện lực. Các thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ, tạo điều kiện và động viên tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn đến các thành viên khác trong nhóm nghiên cứu, đồng nghiệp, bạn bè đã giúp đỡ trong suốt thời gian tôi thực hiện luận án. Tôi chân thành cảm ơn tập thể các thầy, cô Bộ môn Cơ học vật liệu và kết cấu, Viện Cơ khí, Viện đào tạo Sau đại học, trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ và hướng dẫn trong suốt thời gian tôi nghiên cứu tại trường.

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thành viên trong gia đình đã thông cảm, tạo điều kiện và chia sẻ những khó khăn trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 NGHIÊN CỨU SINH Trần Quý Cao ii luan an MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN.ii MỤC LỤC. iii DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. vi DANH MỤC HÌNH.

ix DANH MỤC BẢNG. xiii MỞ ĐẦU. 1 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU. Tóm lược về dao động kết cấu.

Các phương pháp làm giảm dao động có hại của kết cấu. Điều khiển chủ động dao động kết cấu. Máy kích động và các phương thức điều khiển chủ động. Các loại máy kích động.

Các phương thức điều khiển. Phương trình trạng thái điều khiển chủ động kết cấu. Tình hình nghiên cứu và một số nhận xét. Điều khiển chủ động kết cấu.

Điều khiển dao động kết cấu sử dụng lý thuyết mờ. Điều khiển sử dụng lý thuyết đại số gia tử. Đề suất nội dung nghiên cứu của luận án. Kết luận chương.

22 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT. Dao động của hệ rời rạc nhiều bậc tự do. Phương pháp điều khiển dựa trên lý thuyết mờ. Các phép toán trên tập mờ.

Hợp thành mờ. Biến ngôn ngữ. Bộ điều khiển chủ động kết cấu dựa trên lý thuyết mờ. 32 iii luan an 2.

Cơ sở luật mờ. Hợp thành mờ. Nhận xét về bộ điều khiển mờ truyền thống. Điều khiển dựa trên lý thuyết đại số gia tử.

Ý tưởng và các công thức cơ bản của HA. Chuẩn hóa và giải chuẩn. Cơ sở luật HA. Hợp thành HA.

Giới thiệu tối ưu và tối ưu đa mục tiêu. Bài toán tối ưu. Khái niệm bài toán tối ưu. Phân loại bài toán tối ưu.

Các dạng bài toán tối ưu kết cấu. Bài toán tối ưu tiết diện ngang. Bài toán tối ưu cấu trúc. Bài toán tối ưu tổng chi phí.

Bài toán tối ưu đa mục tiêu. Kết luận chương. 46 Chương 3: THIẾT KẾ TỐI ƯU BỘ ĐIỀU KHIỂN HAC. Ảnh hưởng của các tham số mờ của các biến đến hiệu quả điều khiển của HAC.

Xét trường hợp tham số độc lập fm(c) = 0. Xét trường hợp các tham số độc lập fm(c-) = 0. Xét trường hợp tham số độc lập fm(c) = 0. Tối ưu tham số mờ của các biến ngôn ngữ của bộ điều khiển dựa trên đại số gia tử.

Thiết kế tối ưu các hệ số điều chỉnh của luật điều khiển của HAC. Thuật toán và chương trình tính. 59 iv luan an 3. Kết luận chương.

60 Chương 4: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN SỐ. Thiết kế tối ưu HAC dựa trên tham số mờ của các biến. Mô hình khảo sát. Các thông số của bộ điều khiển HAC.

Các thông số của bộ điều khiển opHACs. Thiết kế tối ưu HAC dựa trên hệ số điều chỉnh của các luật điều khiển. Mô hình dầm công xôn. Mô hình tòa nhà 3 tầng.

Các kết quả mô phỏng khác. Bài toàn rời rạc 1 bậc tự do. Điều khiển tối ưu HAC dựa trên khoảng xác định của các biến trạng thái. Điều khiển tối ưu đa mục tiêu tham số mờ của HAC.

Bài toán rời rạc 5 bậc tự do. Điều khiển kết cấu khung không gian dựa trên HAC với sự trợ giúp của phần mềm ANSYS. Khảo sát ảnh hưởng của trọng số luật mờ đến hiệu quả điều khiển dao động của con lắc. Đối tượng khảo sát.

Mô phỏng số. Kết luận chương. 107 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 108 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ.

109 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 110 v luan an DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ABS Hệ thống giằng chủ động AMD Thiết bị giảm chấn chủ động CPU time Thời gian tính toán DOF Degree of Freedom FAM Fuzzy Associative Memory FC Bộ điều khiển mờ thông thường GA Thuật toán di truyền - Genetic Algorithm HA Đại số gia tử - Hedge Algebras HAC Bộ điều khiển mờ dựa trên đại số gia tử - Hedge Algebras Control KĐK Không điều khiển ĐK Điều khiển LQG Liner Quadratic Gaussian LQR Liner Quadratic Regulator m Số vòng lặp điều khiển MBBC Modified Bang-Bang Controller Mup, Mlow Giá trị ranh giới của miền tham chiếu của các biến trong miền SQM opHAC Bộ điều khiển tối ưu dựa trên lý thuyết đại số gia tử opHACi_El Bộ điều khiển tối ưu mờ dựa trên đại số gia tử sử dụng dữ liệu huấn luyện từ trận động đất ElCentro opHACi_Im Bộ điều khiển tối ưu mờ dựa trên đại số gia tử sử dụng dữ liệu huấn luyện từ trận động đất ở Imperial opHACi_No Bộ điều khiển tối ưu mờ dựa trên đại số gia tử sử dụng dữ liệu huấn luyện từ trận động đất ở Northridge PSO Tối ưu hóa bầy đàn SAM Semantic Associative Memory SQM Ánh xạ ngữ nghĩa định lượng - Semantically Quantifying Mapping SSMC Saturated sliding mode controller SQS Mặt ngữ nghĩa định lượng hay mặt luật C Tập hợp các hằng số cụ thể F1 Chuyển vị tầng dưới cùng F2 Gia tốc tuyệt đối tầng trên cùng F3 Lực điều khiển trung bình vi luan an  Giá trị ánh xạ ngữ nghĩa định lượng umax Giới hạn của máy kích động t Kích thước bước thời gian AX Cấu trúc đại số gia tử của một biến ngôn ngữ với tập hợp từ X của nó H Tập gia tử H− Tập gia tử âm H+ Tập gia tử dương h− Gia tử âm gx Ánh xạ chuẩn hóa gx 1 Ánh xạ giải chuẩn hóa G Tập hợp các điều khoản chính  (h  ) Độ đo tính mờ của h- V Rất L Hơi – Little Po Dương - Positive Ne Âm – Negative LNe Hơi âm - Little Negative VNe Rất âm – Very Negative LPo Hơi dương - Little Positive VPo Rất dương – Very Positive x0 Gia tốc nền xamax Gia tốc tuyệt đối cao nhất trong phản hồi không kiểm soát xai (t ) Gia tốc tuyệt đối của tầng thứ i trong phản ứng có kiểm soát c0 Giá trị biên của miền tham chiếu của biến điều khiển ci Hệ số cản của tầng thứ i ki Độ cứng của tầng thứ i mi Khối lượng của tầng thứ i c Tập hợp các phần tử sinh âm  c Tập hợp các phần tử sinh dương {x} Véc tơ bậc tự do của cơ cấu   Véc tơ hệ số cho gia tốc nền { } Vectơ hệ số cho gia tốc mặt đất của trận động đất {U }, u Vectơ lực điều khiển fm(c  ) Độ đo tính mờ của c− vii luan an di (t ) Chuyển vị của tầng thứ i trong trường hợp được điều khiển d max Chuyển vị lớn nhất trong trường hợp không được điều khiển a0 , b0 Giá trị biên của miền tham chiếu của các biến trạng thái 1 , 2 Các hằng số tích phân trong thuật toán Newmark [a, b] Miền tham chiếu của một biến ngôn ngữ T Tổng thời gian mô phỏng X Tập hợp từ của một biến ngôn ngữ [K] Ma trận độ cứng kết cấu [M] Ma trận khối lượng [C ] Ma trận cản kết cấu   Ma trận vị trí của các giằng chủ động viii luan an DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Các phương pháp điều khiển dao động kết cấu .2 Phương thức điều khiển thứ 1 .3 Phương thức điều khiển thứ 2 .4 Phương thức điều khiển thứ 3 .5 Tòa nhà Kyobashi Seiwa và thiết bị AMD.6 Thiết bị AMD chính và AMD phụ .7 Sơ đồ cấu tạo của AMD .8 Tháp truyền hình Nanjing, AMD dạng đai và máy kích động .9 AMD lắp tại tháp truyền hình Nanjing .10 Biến thiết kế khi tối ưu dạng của hàm thuộc tam giác .11 Tối ưu hóa hệ luật .1 Các cấu trúc tòa nhà thông minh có điều khiển chủ động: (a) giằng chủ động và (b) bộ giảm chấn khối chủ động .2 Mô hình và sơ đồ thân tự do cho các kết cấu có điều khiển giằng chủ động .3 Mô hình và sơ đồ thân tự do cho các cấu trúc với AMD .4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của FC tỉ lệ - vi phân.5 Mờ hóa chuyển vị xi .6 Mờ hóa vận tốc xi .7 Mờ hóa biến điều khiển ui.8 Ví dụ về mờ hóa không đảm bảo thứ tự ngữ nghĩa.9 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của HAC tỉ lệ - vi phân.11 Đường cong ngữ nghĩa định lượng – phép nhân .12 Đường cong ngữ nghĩa định lượng – phép cộng .13 Mặt cong ngữ nghĩa định lượng .14 Tập giải pháp khả thi và tập Pareto. Các ánh xạ ngữ nghĩa định lượng  khi  = 0.2 Lưới số HA (phẳng) khi fm(c) = (h) = 0.