Ứng dụng đại số gia tử trong bài toàn điều khiển chủ động kết cấu luận án tiến s

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NGUYỄN VIỆT HẢI ỨNG DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ TRONG BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHỦ ĐỘNG KẾT CẤU Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Vũ Nhƣ Lân THÁI NGUYÊN – 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn/ MỤC LỤC CHƢƠNG 1 BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHỦ ĐỘNG KẾT CẤU .2 Bài toán điều khiển chủ động kết cấu .3 Tổng kết chƣơng. 14 CHƢƠNG 2 LOGIC MỜ, ĐẠI SỐ GIA TỬ VÀ ỨNG DỤNG .2 Logic mờ và lập luận xấp xỉ .1 Khái niệm về tập mờ và logic mờ .2 Các khái niệm phục vụ tính toán .3 Các phép toán logic trên tập mờ .1 Phép hợp hai tập mờ .2 Phép giao hai tập mờ .3 Phép bù (phủ định) của một tập mờ .4 Quan hệ mờ .1 Khái niệm quan hệ mờ .2 Phép hợp thành .3 Biểu diễn hình học tập rõ và tập mờ, các phép tính cơ bản trên tập mờ …………………………………………………………………….5 Mở rộng ba phép tính cơ bản trên tập mờ .1 Định nghĩa giao mờ .2 Định nghĩa hợp mờ .3 Định nghĩa Bù mờ (phủ định mờ). 24 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.6 Tham số hóa các hàm T - norm, hàm S - norm và hàm Bù mờ C .7 Tích đề các mờ và quan hệ mờ .2 Quan hệ mờ .8 Nguyên lý mở rộng .9 Suy luận mờ (suy luận xấp xỉ) .1 Lập luận theo General Modus Ponens (GMP) .2 Lập luận theo quan hệ mờ .10 Biến ngôn ngữ .3 Điều khiển mờ .1 Cấu trúc hệ điều khiển mờ với Fuzzifier và Defuzzifier .3 Bộ giải nghĩa (Bộ giải mờ, Bộ làm rõ) .4 Cơ sở luật mờ (Fuzzy Rule Base) .5 Khối suy luận mờ (Fuzzy inference engine-FIE) .4 Một số khái niệm cơ bản về đại số gia tử .1 Đại số gia tử .2 Định lƣợng đại số gia tử .5 Ứng dụng đại số gia tử trong điều khiển .1 Lập luận xấp xỉ (LLXX) dựa trên đại số gia tử, giải bài toán LLXX bằng nội suy .2 Chuyển điều khiển mờ sang điều khiển dùng đại số gia tử.1 Điều khiển mờ kinh điển .2 Điều khiển sử dụng đại số gia tử.

46 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.3 Sơ đồ bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử (thay bằng sơ đồ mới). 47 CHƢƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN .1 Thiết kế bộ điều khiển mờ, bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử cho bài toán điều khiển chủ động kết cấu .1 Điều khiển chủ động kết cấu 1 bậc tự do chịu tải gia tốc tại liên kết .2 Thiết kế bộ điều khiển mờ (FLC) .3 Thiết kế bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử (HAC) .2 Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab .3 Đánh giá kết quả .4 Kết luận chƣơng. 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 73 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn/ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.

1 Sơ đồ thuật toán điều khiển GOAC [15]. 2 Kết cấu 1 bậc tự do chịu tải gia tốc x0 tại liên kết. Biểu diễn hàm thuộc. Biểu diễn giá đỡ.

4 Biểu diễn α-cut. 5 Biểu diễn tập rõ và tập mờ theo x. 6 Biểu diễn các phép tính cơ bản trên tập mờ. 7 Phạm vi các phép kết tảng theo tham số.

8 Ví dụ về quan hệ rõ và quan hệ mờ. 11 Cấu trúc hệ điều khiển mờ. 12Hàm thuộc dạng phổ biến. 13 Lập luận xấp xỉ với đại số gia tử.

14 Sơ đồ điều khiển sử dụng đại số gia tử. Sơ đồ thuật toán điều khiển GOAC [15]. Kết cấu 1 bậc tự do chịu tải gia tốc x0 tại liên kết. Sơ đồ mô phỏng với bộ điều khiển FLC sử dụng mô hình mờ Mamdani.

Bộ điều khiển FLC sử dụng mô hình mờ Mamdani. Các tập mờ cho biến vào x1. Các tập mờ cho biến vào x2 ( ). Các tập mờ cho biến vào u.

Hệ luật điều khiển. Mặt quan hệ vào – ra theo hệ luật điều khiển trong fuzzy. 56 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www. Sơ đồ mô phỏng với bộ điều khiển HAC.

Mặt quan hệ vào – ra theo hệ luật điều khiển trong đại số gia tử. Thuật toán thực hiện của bộ điều khiển HAC. Mô hình mô phỏng các hệ thống. Chuyển vị x theo thời gian, m = m0.

Lực điều khiển u theo thời gian, m = m0. Chuyển vị x theo thời gian, m = 0. Lực điều khiển u theo thời gian, m = 0. Chuyển vị x theo thời gian, m = 1.

Lực điều khiển u theo thời gian, m = 1. 68 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn/ DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2. 2 Một vài phép kết tảng (aggregation operations) với các hàm thuộc a, b  [0,1]. 3 Ma trận quan hệ "x gần bằng y".

4 Bảng chân lý với logic 2 trị. 5 Bảng chân lý với logic mờ. 6 Bảng chân lý cho luật IF-THEN rõ. 7 Bảng chân lý cho luật IF-THEN mờ:.

Mối quan hệ dấu của các gia tử và các phần tử sinh. Các gia tử và độ đo tính mở của chúng. Các giá trị ngôn ngữ. 60 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Việt Hải Sinh ngày: 27/09/1981 Học viên lớp cao học K11A - Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin và và Truyền thông – Thái Nguyên.

Hiện đang công tác tại: Trƣờng Cao đẳng công nghiệp – Thái Nguyên Xin cam đoan: Đề tài “Ứng dụng đại số gia tử trong bài toán điều khiển chủ động kết cấu” do thầy giáo TS. Vũ Nhƣ Lân hƣớng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng nhƣ nội dung trong đề cƣơng và yêu cầu của thầy giáo hƣớng dẫn.

Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trƣớc hội đồng khoa học và trƣớc pháp luật. Thái Nguyên, ngày 5 tháng 5 năm 2014 TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Việt Hải 8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn/ LỜI CẢM ƠN Sau sáu tháng nghiên cứu và làm việc nghiêm túc, đƣợc sự động viên, giúp đỡ và hƣớng dẫn tận tình của thày giáo hƣớng dẫn TS. Vũ Nhƣ Lân, luận văn với đề tài “Ứng dụng đại số gia tử trong bài toán điều khiển chủ động kết cấu” đã hoàn thành. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hƣớng dẫn TS.Vũ Nhƣ Lân đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này.

Trƣờng Cao đẳng công nghiệp Thái Nguyên đã tạo điều kiện về mặt thời gian giúp tôi yên tâm học tập. Khoa sau Đại học Trƣờng Đại học công nghệ thông tin và truyền thông đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng nhƣ thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, thực hiện và hoàn thành luận văn này. TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Việt Hải 9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn/ CHƢƠNG 1 BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHỦ ĐỘNG KẾT CẤU 1.1 Đặt vấn đề Để giảm những dao động có hại trong những hệ thống khi đang làm việc là một vấn đề đƣợc quan tâm hàng đầu trong các cơ quan nghiên cứu khoa học.

Dao động có hại xuất hiện khi hệ thống làm việc trong nhiều lĩnh vực nhƣ: phƣơng tiện giao thông chịu kích động bởi mặt đƣờng, các công trình xây dựng, táp vô tuyến, … chịu tác động bởi gió, động đất; các công trình ngoài khơi chịu tác động bởi gió, sóng biển; các cầu giao thông nhịp lớn chịu tác động của phƣơng tiện vận tải; các cầu treo chịu tải trọng gió bão; các thiết bị, tua bin, máy móc, … làm việc với tốc độ cao … Các loại dao động này ngày càng nguy hiểm và cần đƣợc quan tâm thích đáng vì các lí do: - Sự tăng lên đáng kể về quy mô kết cấu, về tốc độ máy móc và cƣờng độ kích động ngoài. - Sự cấp thiết về việc giám giá thành các công trình lớn. - Yêu cầu cao về an toàn cho các công trình quan trọng. Trƣớc đây, phƣơng pháp phổ biến để giảm dao động là tăng cƣờng độ cứng cho kết cấu.

Tuy nhiên phƣơng pháp này gặp phải vấn đề về chi phí và độ phức tạp mà công nghệ không cho phép. Vì thế, trong vài thập kỷ gần đây, trên thế giới đã phát triển công nghệ sử dụng các thiết bị tiêu tán năng lƣợng để giảm dao động. Việc sử dụng thiết bị tiêu tán năng lƣợng có nhiều ƣu điểm: kinh tế, hiệu quả, tăng tuổi thọ công trình, cài đặt và thay thế đơn giản. Ƣớc tính, sử dụng thết bị tiêu tán năng lƣợng có thể chỉ chiếm 25% chi phí so với việc gia cố kết cấu cho các bộ phận thép và bê tông.

Trong quá trình lắp đặt, hệ thống vẫn có thể đang ở trạng thái làm việc. Với hiệu quả về kinh tế và kỹ thật, công nghệ sử dụng các thiết bị tiêu tán năng lƣợng trở thành một hƣớng triển vọng để nghiên cứu ứng dụng và phát triển. Bên cạnh việc sử dụng các thiết tiêu tán năng lƣợng nhƣ nói trên, một phƣơng pháp khác có thể giảm dao động có hại đó là điều khiển chủ động kết cấu. Điều khiển chủ động là phƣơng pháp đã đƣợc sử dụng nhiều trong các lĩnh vực giao thông vận tải, rô bốt, máy móc thiết bị, hàng không vũ trụ.

Đối với kết cấu công trình, điều khiển chủ động là giải pháp giảm dao động bằng cách sử dụng các máy kích động (đƣợc điều 10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn/ khiển bởi máy tính) tạo ra các lực tác động vào kết cấu hoặc sử dụng các thiết bị tiêu tán năng lƣợng có thể điều khiển đƣợc [1]. Điều khiển chủ động kết cấu là lĩnh vực đƣợc nhiều nhà khoa học trong nƣớc và quốc tế quan tâm từ lâu với nhiều công trình nghiên cứu sử dụng các thuật toán điều khiển khác nhau [2-3]. Trong những năm gần đây, lý thuyết mờ ngày càng đƣợc sử dụng nhiều trong điều khiển chủ động kết cấu với nhiều hƣớng ứng dụng khác nhau.