luận án tiến sĩ điều khiển dao động kết cấu dựa trên mô hình sử dụng lý thuyết mờ và đại số gia tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ TÙNG ANH

ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG KẾT CẤU DỰA TRÊN MƠ HÌNH
SỬ DỤNG LÝ THUYẾT MỜ VÀ ĐẠI SỐ GIA TỬ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC

Hà Nội - 2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ TÙNG ANH

ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG KẾT CẤU DỰA TRÊN MƠ HÌNH
SỬ DỤNG LÝ THUYẾT MỜ VÀ ĐẠI SỐ GIA TỬ

Ngành: Cơ học
Mã số: 9440109

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. BÙI HẢI LÊ
2. TS. BÙI VĂN BÌNH

Hà Nội - 2020

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan những nội dung trình bày trong luận án này được tôi nghiên
cứu dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Bùi Hải Lê và TS. Bùi Văn Bình.
Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa được ai cơng bố
trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Hà Nội,
ngày
NGƯỜI HƯỚNG DẪN

PGS.TS. Bùi Hải Lê

TS. Bùi Văn Bình

tháng 12 năm 2020

NGHIÊN CỨU SINH

Lê Tùng Anh


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc và chân thành nhất đến hai thầy hướng dẫn của
tôi là PGS.TS. 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 tơi trong suốt q trình nghiên cứu để tơi có thể hồn thành luận án
này.
Tơi cũng xin được gửi lời cám ơn đến các thành viên khác trong nhóm nghiên
cứu đã giúp đỡ trong trong suốt thời gian tôi thực hiện luận án.

Tôi xin trân trọng cảm ơn Bộ môn Cơ học vật liệu và kết cấu - Viện Cơ khí,
Phịng Đào tạo - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi, tận
tình giúp đỡ và đóng góp các ý kiến q báu cho tơi trong q trình thực hiện luận
án.
Cuối cùng, tơi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã
khuyến khích, hỗ trợ, động viên tơi trong suốt thời gian qua.
Hà Nội, ngày

tháng 12 năm 2020

NGHIÊN CỨU SINH

Lê Tùng Anh


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tóm lược về dao động kết cấu
1.2. Các giải pháp giảm dao động có hại của kết cấu
1.3. Điều khiển chủ động kết cấu
1.3.1. Khái niệm
1.3.2. Thuật tốn điều khiển chủ động
1.3.3. Máy kích động và các phương thức điều khiển chủ động

1.3.3.1. Các loại máy kích động
1.3.3.2. Các phương thức điều khiển
1.3.4. Phương trình trạng thái kết cấu được điều khiển chủ động
1.4. Tình hình nghiên cứu và một số nhận xét
1.4.1. Tình hình nghiên cứu
1.4.1.1. Một số ứng dụng về điều khiển chủ động kết cấu
1.4.1.2. Điều khiển không sử dụng lý thuyết mờ
1.4.1.3. Điều khiển dựa trên lý thuyết mờ
1.4.1.4. Điều khiển dựa trên mơ hình


1.4.1.5. Điều khiển dựa trên lý thuyết đại số gia tử
1.4.2. Một số nhận xét
1.5. Đề xuất nội dung nghiên cứu của luận án
1.6. Kết luận chương
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Mơ hình nghiên cứu tổng qt
2.2. Điều khiển dựa trên lý thuyết mờ
2.2.1. Các khái niệm
2.2.1.1. Tập mờ
2.2.1.2. Các phép toán trên tập mờ
2.2.1.3. Hợp thành mờ
2.2.1.4. Giải mờ
2.2.1.5. Biến ngôn ngữ
2.2.2. Bộ điều khiển chủ động kết cấu dựa trên lý thuyết mờ
2.2.2.1. Mờ hóa
2.2.2.2. Cơ sở luật mờ
2.2.2.3. Hợp thành mờ
2.2.2.4. Giải mờ
2.2.3. Nhận xét về bộ điều khiển mờ truyền thống

2.3. Điều khiển dựa trên lý thuyết đại số gia tử
2.3.1. Khái niệm
2.3.1.1. Giới thiệu
2.3.1.2. Ý tưởng và các công thức cơ bản của HA
2.3.2. Bộ điều khiển chủ động kết cấu dựa trên đại số gia tử
2.3.2.1. Ngữ nghĩa hóa và giải ngữ nghĩa


2.3.2.2. Cơ sở luật HA
2.3.2.3. Hợp thành HA
2.3.3. Nhận xét về bộ điều khiển dựa trên đại số gia tử
2.4. Kết luận chương
CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG KẾT CẤU DỰA TRÊN
MƠ HÌNH SỬ DỤNG LÝ THUYẾT MỜ VÀ ĐẠI SỐ GIA TỬ
3.1. Thiết lập công thức tường minh của bộ điều khiển dựa trên đại
số gia tử
−

−

3.1.1. Xét trường hợp các tham số độc lập fm(c ) = (h ) = 0.5
−

−

−

−

3.1.2. Xét trường hợp các tham số độc lập fm(c ) = 0.4 và (h ) = 0.6

3.1.3. Xét trường hợp các tham số độc lập fm(c ) = 0.6 và (h ) = 0.4
3.2. Áp dụng công thức tường minh của HAC trong điều khiển trễ
3.3. Áp dụng công thức tường minh của HAC trong điều khiển
trượt
3.4. Thuật tốn điều khiển và chương trình tính
3.5. Kết luận chương
CHƯƠNG 4. MƠ PHỎNG SỐ
4.1. Kiểm chuẩn mơ hình
4.2. Mơ phỏng số
4.2.1. Bài toán hệ rời rạc 01 bậc tự do
4.2.1.1. Mơ hình nghiên cứu
4.2.1.2. Điều khiển trễ dao động kết cấu dựa trên đại số gia tử
4.2.1.3. Điều khiển trượt dao động kết cấu dựa trên đại số gia tử
4.2.1.4. Điều khiển trượt dao động kết cấu dựa trên đại số gia tử
có xét đến ảnh hưởng của thời gian trễ
4.2.2. Bài toán hệ rời rạc 03 bậc tự do
4.2.2.1. Mơ hình nghiên cứu


4.2.2.2. Mô phỏng điều khiển trễ sử dụng HAC
4.2.2.3. Mô phỏng điều khiển trượt sử dụng HAC và so sánh với
điều khiển trượt SMC
4.2.2.4. Mô phỏng điều khiển trượt sử dụng HAC và so sánh với
điều khiển mờ - trượt sFC
4.2.2.5. Ảnh hưởng của khoảng xác định của các biến trạng thái
đến hiệu quả điều khiển
4.2.2.6. Thời gian tính tốn của các bộ điều khiển
4.3. Kết luận chương
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

TÀI LIỆU THAM KHẢO


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
[A],{A1},{A2}

Các ma trận trong phương trình khơng gian trạng thái

AX, AU

Các cấu trúc đại số gia tử

C

Tập chứa các phần tử đặc trưng cận phải, cận trái và trung hòa

[C]

Ma trận cản của kết cấu

ci

Cản của bậc tự do thứ i

c

+

Phần tử sinh dương

c-

Phần tử sinh âm

D

Tập nền

di(t)

Chuyển vị của tầng thứ i khi được điều khiển

dmax

Chuyển vị cực đại khi không điều khiển

e

Tên biến ngôn ngữ

E*, E**, F*, F**

Tập con của tập nền D

{Fe}

Véc tơ ngoại lực

{Fu}

Véc tơ lực điều khiển

fm

Độ đo tính mờ của các phần tử sinh

G

Tập các phần tử sinh

H

Tập các gia tử

H

+

Tập các gia tử dương

H

-

Tập các gia tử âm

+

Các gia tử dương

h

-

Các gia tử âm

J1

Chỉ tiêu chuyển vị tương đối

J2

Chỉ tiêu gia tốc tuyệt đối

h


[K]

ki
[M]

mi
n
P
Q
S
{S}
sat(ui)
T

t

T
min

{u}
W
X
x (t)
ai

x
a max

{x}

x
0


Y
{z}

1,2,3

{}

[]
1, 2

Bi
LNe
LPo
LBi
LSm
Ne
Po


Sm
VBi
VNe


VPo
VSm
W
Z
AFSM
AMD
ATMD
CLOC
CPU
deFC
deHAC
de-sHAC
DOF
DNN
EFLC
FAM

FC
FJM
FLC
FMB
FRBCs
FSC
FSMC
GA
GFLC


HA
HAC
IRA
LQG
LQR
MBBC
MR
MRFC
PD
PID
PVI
SAM
sFC
sHAC
SMC
SMFC
SQM
SSMC
STFLC

VSC


DANH MỤC CÁC BẢNG

Tên bảng
Bảng 2.1. Bảng FAM
Bảng 2.2. SQM của một số giá trị ngôn ngữ của X
Bảng 2.3. Bảng SAM
Bảng 3.1. Các giá trị ngôn ngữ với SQMs của các biến
−

−

Bảng 3.2. Biểu diễn số của cơ sở luật HA khi fm(c ) = (h ) = 0.5
−

−

Bảng 3.3. Biểu diễn số của cơ sở luật HA khi fm(c ) = 0.4, (h ) = 0.6
−

Bảng 3.4. Quan hệ giữa biến điều khiển và biến trạng thái khi fm(c ) =
−

0.4, (h ) = 0.6
−

−

Bảng 3.5. Biểu diễn số của cơ sở luật HA khi fm(c ) = 0.6, (h ) = 0.4
−

Bảng 3.6. Quan hệ giữa biến điều khiển và biến trạng thái khi fm(c ) =
−

0.6, (h ) = 0.4
Bảng 4.1. Chỉ tiêu J1, J2 của các bộ điều khiển
Bảng 4.2. Giá trị cực đại của các chỉ tiêu khi thời gian trễ thay đổi
Bảng 4.3. Nghiệm của phương trình đặc trưng
Bảng 4.4. Chỉ tiêu J1 và J2 trường hợp động đất El Centro, umax =
700N và τ = 0 ms
Bảng 4.5. Các chỉ tiêu J1 và J2 trong 3 trường hợp động đất, τ là ngẫu
nhiên
Bảng 4.6. Giá trị cực đại của các chỉ tiêu trong trường hợp động đất El
Centro
Bảng 4.7. Giá trị cực đại của các chỉ tiêu trong trường hợp động đất El
Centro, umax = 700N
Bảng 4.8. So sánh thời gian tính toán (s) của các bộ điều khiển


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Tên hình
Hình 1.1. Các phương pháp điều khiển dao động kết cấu
Hình 1.2. Phương thức điều khiển thứ nhất
Hình 1.3. Phương thức điều khiển thứ hai
Hình 1.4. Phương thức điều khiển thứ ba
Hình 1.5. Tịa nhà Kyobashi Seiwa và thiết bị AMD
Hình 1.6. Thiết bị AMD chính và AMD phụ
Hình 1.7. Tháp Yokohama Landmark và AMD dạng con lắc

Hình 1.8. Sơ đồ cấu tạo của AMD
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
Hình 2.1. Mơ hình kết cấu hữu hạn bậc tự do
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của FC tỉ lệ - vi phân
Hình 2.3. Mờ hóa chuyển vị
Hình 2.4. Mờ hóa vận tốc
Hình 2.5. Mờ hóa lực điều khiển
Hình 2.6. Các ánh xạ ngữ nghĩa định lượng khi = 0.5; = 0.5
Hình 2.7. Các ánh xạ ngữ nghĩa định lượng khi = 0.4; = 0.6
Hình 2.8. Các ánh xạ ngữ nghĩa định lượng khi = 0.6; = 0.4
Hình 2.9. Khoảng mờ của các thuật ngữ
Hình 2.10. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của HAFC tỉ lệ - vi phân
Hình 2.11. Đường cong ngữ nghĩa định lượng - phép nhân
Hình 2.12. Đường cong ngữ nghĩa định lượng - phép cộng


Tên hình
Hình 2.13. Mặt cong ngữ nghĩa định lượng
Hình 3.1. Phạm vi biểu diễn của các thuật ngữ chính
Hình 3.2. Sơ đồ chuẩn hóa các biến trạng thái
−

−

Hình 3.3. Lưới số HA (phẳng) khi fm(c ) = (h ) = 0.5
Hình 3.4. Giải chuẩn biến điều khiển
−

−

−

−

Hình 3.5. Lưới số HA (không phẳng) khi fm(c ) = 0.4, (h ) = 0.6
Hình 3.6. Lưới số HA (khơng phẳng) khi fm(c ) = 0.6, (h ) = 0.4
Hình 3.7. Sơ đồ ngun lý điều khiển trượt
Hình 3.8. Sơ đồ thuật tốn điều khiển chủ động kết cấu
Hình 3.9. Sơ đồ các khối điều khiển trễ, trượt dựa trên HAC
Hình 4.1. Mơ hình kết cấu 10 bậc tự do chịu tải gia tốc
Hình 4.2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của HAC cho u3 và u6
Hình 4.3. So sánh chuyển vị theo thời gian của x10
Hình 4.4. So sánh chuyển vị cực đại của 10 bậc tự do
Hình 4.5. Mơ hình kết cấu 1 bậc tự do chịu tải gia tốc
Hình 4.6. Thay đổi của các chỉ tiêu J1, J2 theo thời gian trễ
Hình 4.7. Chuyển vị, gia tốc của kết cấu và lực điều khiển khi = 15ms
Hình 4.8. Chuyển vị tương đối, gia tốc tuyệt đối và lực điều khiển
Hình 4.9. Chuyển vị, gia tốc của kết cấu và lực điều khiển khi = 0ms
Hình 4.10. Chuyển vị, gia tốc của kết cấu và lực điều khiển khi = 20
ms
Hình 4.11. Thay đổi của các chỉ tiêu J1, J2 theo thời gian trễ
Hình 4.12. Mơ hình kết cấu 3 bậc tự do chịu tải gia tốc
Hình 4.13. Sự thay đổi (%) của J1 và J2 với thời gian trễ, động đất El
Centro


Tên hình
Hình 4.14. Sự thay đổi (%) của J1 và J2 với thời gian trễ, động đất
Northridge

Hình 4.15. Sự thay đổi (%) của J1 và J2 với thời gian trễ, động đất
Imperial Valley
Hình 4.16. Dữ liệu ngẫu nhiên của thời gian trễ
Hình 4.17. Chuyển vị của tầng 1, gia tốc tuyệt đối của tầng trên cùng và
lực điều khiển (động đất El Centro, u1max = 700 N và τ = 20 ms)
Hình 4.18. Chuyển vị của tầng 1, gia tốc tuyệt đối của tầng trên cùng và
lực điều khiển (động đất El Centro, umax = 700 N và τ là ngẫu nhiên)
Hình 4.19. Chuyển vị của tầng 1, gia tốc tuyệt đối của tầng trên cùng và
lực điều khiển (động đất El Centro)
Hình 4.20. Chuyển vị tương đối cực đại và gia tốc tuyệt đối cực đại của
các tầng (động đất El Centro, umax = 700 N)
Hình 4.21. Chuyển vị của tầng 1, gia tốc tuyệt đối của tầng trên cùng và
lực điều khiển (động đất Northridge)
Hình 4.22. Chuyển vị tương đối cực đại và gia tốc tuyệt đối cực đại của
các tầng (động đất Northridge, umax = 700 N)
Hình 4.23. Chuyển vị của tầng 1, gia tốc tuyệt đối của tầng trên cùng và
lực điều khiển (động đất Imperial Valley)
Hình 4.24. Chuyển vị tương đối cực đại và gia tốc tuyệt đối cực đại của
các tầng (động đất Imperial Valley, umax = 700 N)
Hình 4.25. Chuyển vị tương đối cực đại và gia tốc tuyệt đối cực đại của
các tầng với các tham số không chắc chắn (động đất El Centro)
Hình 4.26. Chuyển vị tương đối cực đại và gia tốc tuyệt đối cực đại của
các tầng với các tham số khơng chắc chắn (động đất Northridge)
Hình 4.27. Chuyển vị tương đối cực đại và gia tốc tuyệt đối cực đại của
các tầng với các tham số không chắc chắn (động đất Imperial Valley)
Hình 4.28. Chuyển vị của tầng 1, gia tốc tuyệt đối của tầng trên cùng,
chuyển vị của tầng trên cùng và lực điều khiển (động đất El Centro)
Hình 4.29. Chuyển vị tương đối cực đại và gia tốc tuyệt đối cực đại của
các tầng (động đất El Centro)

Tên hình
Hình 4.30. Chuyển vị của tầng 1, gia tốc tuyệt đối của tầng trên cùng,
chuyển vị của tầng trên cùng và lực điều khiển (động đất Northridge)
Hình 4.31. Chuyển vị tương đối cực đại và gia tốc tuyệt đối cực đại của
các tầng (động đất Northridge)
Hình 4.32. Chuyển vị của tầng 1, gia tốc tuyệt đối của tầng trên cùng,
chuyển vị của tầng trên cùng và lực điều khiển (động đất Livermore)
Hình 4.33. Chuyển vị tương đối cực đại và gia tốc tuyệt đối cực đại của
các tầng (động đất Livermore)
Hình 4.34. Chuyển vị tương đối cực đại và gia tốc tuyệt đối cực đại của
các tầng với các tham số m, k ngẫu nhiên (động đất El Centro)
Hình 4.35. Chuyển vị tương đối cực đại và gia tốc tuyệt đối cực đại của
các tầng với các tham số m, k ngẫu nhiên (động đất Northridge)
Hình 4.36. Chuyển vị tương đối cực đại và gia tốc tuyệt đối cực đại của
các tầng với các tham số m, k ngẫu nhiên (động đất Livermore)
Hình 4.37. Ảnh hưởng của khoảng xác định của các biến trạng thái đến
chuyển vị tương đối cực đại và gia tốc tuyệt đối cực đại của kết cấu
trong trận động đất El Centro
Hình 4.38. Ảnh hưởng của khoảng xác định của các biến trạng thái đến
chuyển vị tương đối cực đại và gia tốc tuyệt đối cực đại của kết cấu
trong trận động đất Northridge
Hình 4.39. Ảnh hưởng của khoảng xác định của các biến trạng thái đến
chuyển vị tương đối cực đại và gia tốc tuyệt đối cực đại của kết cấu
trong trận động đất Imperial Valley


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Dao động là một hiện tượng phổ biến trong tự nhiên và trong kỹ thuật [1]. Dao

động có thể có lợi hoặc có hại tùy thuộc vào các trường hợp cụ thể. Đối với các hệ
kỹ thuật, rất nhiều các dạng dao động là có hại. Các dao động có hại này ảnh hưởng
đến sự an toàn, trạng thái sức khỏe và tâm sinh lý của con người; đến độ bền, độ ổn
định của kết cấu và cơng trình; đến độ chính xác của các máy móc, phương tiện,
thiết bị và các dây chuyền sản xuất. Như vậy trong các hệ kỹ thuật nói chung, có thể
thấy rằng yêu cầu giảm dao động có hại là rất cần thiết [2].
Vấn đề giảm dao động có hại của các kết cấu, các hệ kỹ thuật là một trong
những quan tâm hàng đầu của rất nhiều cơ quan nghiên cứu khoa học, nhà khoa
học, cơ sở nghiên cứu và ứng dụng. Dao động có hại xuất hiện trong khá nhiều lĩnh
vực như phương tiện giao thơng chịu kích động bề mặt tiếp xúc; tàu thuyền và các
cơng trình ngồi khơi chịu tác động của các tải trọng sóng, gió, dịng chảy và nhiệt
độ; các tháp vơ tuyến, các cơng trình cao tầng chịu tác động của tải trọng gió và
động đất; các cơng trình cầu nhịp lớn chịu tác động của các phương tiện vận tải; các
cơng trình cầu treo dây văng và dây võng chịu tải trọng gió, bão; các thiết bị, các
tua bin hoạt động với tốc độ cao,… Hiện nay, các loại dao động này ngày càng nguy
hiểm và cần được quan tâm thích đáng vì 03 lý do sau đây [2]: (i) Sự tăng lên về
quy mơ kết cấu, về tốc độ máy móc và cường độ kích động ngồi; (ii) Sự cấp thiết
về việc giảm giá thành, chi phí sản xuất và lắp dựng các kết cấu khối lớn; (iii) Yêu
cầu cao về đảm bảo an toàn cho các kết cấu quan trọng.
Trước đây, phương pháp phổ biến để giảm dao động là tăng cường độ cứng
cho kết cấu. Tuy nhiên phương pháp này gặp phải vấn đề về chi phí và độ phức tạp
mà cơng nghệ khơng 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 lượng để giảm dao động.
Việc sử dụng thiết bị tiêu tán năng lượng có nhiều ưu điểm như tính kinh tế, hiệu
quả, tăng tuổi thọ cơng trình, cài đặt và thay thế đơn giản. Ước tính, sử dụng thiết bị
tiêu tán năng lượng có thể chỉ chiếm 25% chi phí so với việc gia cố kết cấu cho các
bộ phận thép và bê tơng. Trong q 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 lượng trở thành một hướng triển vọng để nghiên cứu ứng dụng và phát
triển.

Bên cạnh việc sử dụng các thiết tiêu tán năng lượng như nói trên, một giải
pháp khác có thể giảm dao động có hại đó là đặt thêm lực để giảm biên độ dao động
kết cấu. 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 nhằm tạo ra
các lực tác động vào kết cấu.
Điều khiển chủ động kết cấu sử dụng lý thuyết mờ đã được nghiên cứu, ứng
dụng rộng rãi trong điều khiển dao động kết cấu và thu được những thành tựu đáng
kể. Thêm vào đó, các kết quả nghiên cứu gần đây và được công bố của nhiều tác giả


về điều khiển chủ động kết cấu dựa trên lý thuyết đại số gia tử đã chỉ ra những ưu
điểm của bộ điều khiển này so với bộ điều khiển dựa trên lý thuyết mờ. Ngoài ra,
hướng nghiên cứu điều khiển dao động kết cấu dựa trên mơ hình hiện nay cũng rất
được quan tâm với các thuật toán như điều khiển thích nghi, điều khiển theo dữ liệu
mẫu, điều khiển on/off, điều khiển trễ,... để nâng cao tính ổn định, bền vững và hiệu
quả của hệ thống điều khiển. Chính vì vậy, hướng nghiên cứu điều khiển chủ động
kết cấu sử dụng lý thuyết đại số gia tử dựa trên mơ hình là hết sức khả thi và mở
rộng thêm phạm vi ứng dụng của lý thuyết đại số gia tử.
Với mong muốn kế thừa và phát triển kết quả của những nghiên cứu trước đây
về điều khiển dựa trên lý thuyết mờ và lý thuyết đại số gia tử, đồng thời căn cứ vào
tình hình ứng dụng thực tế các giải pháp giảm dao động có hại cho kết cấu ở trong
nước và trên thế giới, góp phần tiếp cận thực tiễn nên tác giả lựa chọn vấn đề “Điều
khiển dao động kết cấu dựa trên mơ hình sử dụng lý thuyết mờ và đại số gia
tử” làm đề tài nghiên cứu.

2. Mục đích nghiên cứu của luận án
Mục đích trọng tâm của luận án là thiết kế được bộ điều khiển chủ động dao
động của kết cấu dựa trên mơ hình sử dụng lý thuyết mờ và lý thuyết đại số gia tử.
Trong đó, nhiệm vụ chính là thiết lập được công thức tường minh thể hiện mối quan
hệ giữa các biến trạng thái (chuyển vị và vận tốc) với biến điều khiển (lực điều

khiển) của bộ điều khiển dựa trên lý thuyết đại số gia tử và ứng dụng được công
thức tường minh này vào điều khiển dao động kết cấu dựa trên mơ hình gồm khảo
sát ổn định hệ khi có trễ, điều khiển trễ và điều khiển ở chế độ trượt.

3.

Nội dung nghiên cứu của luận án
* Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về điều khiển dựa trên lý thuyết mờ và điều

khiển dựa trên lý thuyết đại số gia tử để thiết lập công thức tường minh của bộ điều
khiển dựa trên lý thuyết đại số gia tử.
* Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về điều khiển dao động kết cấu dựa trên mơ

hình.
* Từ đó, thiết lập thuật tốn và chương trình tính cho phép điều khiển chủ
động dao động kết cấu dựa trên mơ hình sử dụng lý thuyết mờ và đại số gia tử.
* Kiểm nghiệm tính đúng đắn và hiệu quả của việc áp dụng công thức tường
minh trong điều khiển chủ động kết cấu dựa trên mơ hình trượt và mơ hình trễ chịu
tải gia tốc tại liên kết.

4. Đối tượng nghiên cứu của luận án


Đối tượng nghiên cứu của luận án là mơ hình kết cấu hữu hạn bậc tự do chịu
tải gia tốc tại liên kết.

5. Phạm vi nghiên cứu của luận án
Các bài toán được nghiên cứu trong luận án đều là những bài tốn tuyến tính.
Tải trọng động đất trong luận án được lấy từ các nguồn dữ liệu đã xử lý, gồm số
liệu gia tốc rời rạc theo thời gian. Với nội dung chính của luận án là khảo sát ổn

định hệ khi có trễ, điều khiển trễ và điều khiển trượt dao động kết cấu sử dụng lý
thuyết đại số gia tử và so sánh hiệu quả điều khiển với một số bộ điều khiển khác
cũng như trường hợp không được điều khiển nên một số tiêu chuẩn và vấn đề sau
chưa được đề cập trong khuôn khổ luận án như chuyển vị cho phép, ứng suất cho
phép và tính bền vững, thích nghi,… của bộ điều khiển trong điều khiển chủ động
kết cấu.

6.

Phương pháp nghiên cứu của luận án

* Phương pháp phân tích, tổng hợp: Được sử dụng để nghiên cứu các kết quả
đã có trước đây của các tác giả trong và ngoài nước.
* Biến đổi giải tích: Tìm quy luật, thiết lập cơng thức tường minh của bộ điều

khiển dựa trên lý thuyết đại số gia tử.

* Thuật toán số: Xây dựng thuật toán và chương trình tính tốn bằng ngơn ngữ

lập trình Matlab để điều khiển chủ động dao động của kết cấu.

* Phương pháp so sánh, đánh giá: Được sử dụng để nhận xét kết quả, hiệu quả

thu được của phương pháp đề xuất với các nghiên cứu đã công bố trước đây.

7.

Cấu trúc của luận án
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Trình bày nghiên cứu tổng quan về các phương pháp giảm dao động có hại của
kết cấu. Trong đó, các phân tích tập trung vào các nội dung về điều khiển sử dụng lý
thuyết mờ, điều khiển dựa trên mơ hình và điều khiển sử dụng lý thuyết đại số gia
tử. Qua đó, xác định nội dung nghiên cứu của luận án.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Trình bày mơ hình nghiên cứu tổng qt của bài tốn điều khiển chủ động kết
cấu; về lý thuyết mờ và lý thuyết đại số gia tử; về các bộ điều khiển chủ động kết
cấu dựa trên lý thuyết mờ và lý thuyết đại số gia tử.


Chương 3: Điều khiển dao động kết cấu dựa trên mơ hình sử dụng lý
thuyết mờ và đại số gia tử
Xây dựng công thức tường minh của bộ điều khiển dựa trên lý thuyết đại số
gia tử; ứng dụng công thức tường minh trong điều khiển dao động kết cấu dựa trên
mơ hình; thiết lập thuật tốn và chương trình tính cho dạng bài tốn này.
Chương 4: Mơ phỏng số
Kiểm chuẩn mơ hình và thực hiện mơ phỏng số; so sánh, đánh giá kết quả thu
được của phương pháp đề xuất với các phương pháp đã công bố trước đây.
Kết luận và kiến nghị:
Trình bày những kết quả chính và những đóng góp mới của luận án.
Danh mục các cơng trình đã cơng bố của luận án
Tài liệu tham khảo


TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.

Trong chương này, tác giả sẽ trình bày tổng quát các vấn đề về dao động kết

cấu, điều khiển chủ động dao động kết cấu, tình hình nghiên cứu và ứng dụng.
Trong đó, tập trung vào việc phân tích, nhận xét các cơng trình đã công bố liên quan
đến điều khiển dao động kết cấu sử dụng lý thuyết mờ (tiểu mục 1.4.1.3) và điều
khiển dao động kết cấu dựa trên mơ hình sử dụng lý thuyết mờ (tiểu mục 1.4.1.4)
cho đối tượng nhà cao tầng chịu tải trọng động đất, điều khiển dao động kết cấu sử
dụng lý thuyết đại số gia tử (tiểu mục 1.4.1.5). Từ đó, đề xuất nội dung nghiên cứu
của luận án.

1.1. Tóm lược về dao động kết cấu
Dao động, một hiện tượng thường gặp trong tự nhiên và kỹ thuật, là một q
trình trong đó một đại lượng vật lý thay đổi theo thời gian có một đặc điểm nào đó
lặp lại ít nhất một lần. Dao động kỹ thuật là dao động của các hệ kỹ thuật (các kết
cấu, các máy, các phương tiện giao thông vận tải, các cơng trình,…) [1, 2]. Các q
trình dao động thường là các quá trình thay đổi đa dạng theo thời gian. Trong tính
tốn hoặc trong đo đạc các q trình dao động người ta thường phân thành dao động
tuần hồn và khơng tuần hồn, trong đó, một dạng đặc biệt của các dao động tuần
hoàn là dao động điều hịa [1]. Các q trình dao động được phân loại tùy theo các
quan điểm, các căn cứ khác nhau [1]:
* Căn cứ vào cơ cấu gây nên dao động: Dao động tự do; dao động cưỡng bức;

dao động tham số; tự dao động; dao động hỗn độn; dao động ngẫu nhiên.

* Căn cứ vào số bậc tự do: Dao động của hệ một bậc tự do; dao động của hệ

nhiều bậc tự do; dao động của hệ vô hạn bậc tự do.

* Căn cứ vào phương trình chuyển động: Dao động tuyến tính; dao động phi

tuyến.
* Căn cứ vào dạng chuyển động: Dao động dọc; dao động xoắn; dao động

uốn.
Nhiều bài toán của dao động kết cấu đã được đặt ra và nghiên cứu như: Những
bài toán cơ bản [1]; dao động của các kết cấu cơng trình và giảm chấn bằng các thiết bị
tiêu tán năng lượng [2]; dao động trong bảo hộ lao động [3]; dao động máy [4].


1.2. Các giải pháp giảm dao động có hại của kết cấu
Các phương pháp giảm dao động có hại của kết cấu thường dựa trên cơ sở
giảm hoặc cách ly lực kích động, thay đổi tần số riêng để tránh cộng hưởng, tăng
cản cho cơ hệ, điều khiển chủ động/bán chủ động kết cấu [2]. Theo đó, các giải
pháp giảm dao động chính bao gồm [2]:
* Giảm hệ số khí động: Thiết kế kết cấu theo kiểu khí động để chắn dịng chảy
ít nhất. Giải pháp này áp dụng cho kết cấu chịu tải do dịng chảy (sóng hoặc gió).
* Tăng khối lượng kết cấu: Bổ sung khối lượng vào các vị trí dạng riêng dao
động mạnh. Giải pháp này ít có tác dụng trong trường hợp tải động đất, làm tăng chi
phí vật liệu, tăng chi phí gia cố móng.
* Tăng độ cứng kết cấu: Bổ sung các thanh giằng, các bức tường, các trụ đỡ…

Giải pháp này ít có tác dụng giảm gia tốc trong dao động tự do.

* Giảm độ cứng kết cấu: sử dụng các thiết bị cách ly nền. Giải pháp này chỉ áp

dụng với các trường hợp tải gia tốc nền như động đất và không giảm được đáp ứng
tĩnh.
* Thay đổi (phân bố lại) đồng thời độ cứng và khối lượng dẫn đến thay đổi tần

số riêng của kết cấu để tránh vùng cộng hưởng.

* Tăng độ cản kết cấu: Sử dụng các thiết bị tiêu tán năng lượng. Giải pháp này

có hiệu quả giảm cả chuyển dịch lẫn gia tốc và có tác dụng làm tăng độ tin cậy của
thiết kế. Tuy nhiên, giải pháp này khơng có hiệu quả với đáp ứng tĩnh và nếu cản
quá lớn sẽ gây hiện tượng cản quá tới hạn, không giảm được dao động tự do.

* Điều khiển chủ động/bán chủ động: Sử dụng các thiết bị sinh ra các lực được

điều khiển, tác động vào kết cấu để giảm dao động. Giải pháp này có thể đạt được
mục tiêu giảm dao động tối ưu. Ngày nay, với sự phát triển của khoa học và công
nghệ, các yếu tố cần thiết cho điều khiển chủ động/bán chủ động kết cấu như: các
đầu đo trực tuyến, bộ điều khiển tốc độ cao, máy tạo lực lớn và các thuật toán điều
khiển ổn định đã đáp ứng được yêu cầu thực tế. Vì vậy, giải pháp này ngày càng
được quan tâm và phổ biến.

1.3. Điều khiển chủ động kết cấu
1.3.1. Khái niệm
Điều khiển dao động kết cấu ngày càng được quan tâm trong nghiên cứu và
trong thực tế giảm dao động có hại của kết cấu, có thể được chia làm 4 dạng dựa
vào các phương pháp điều khiển, bao gồm: điều khiển bị động (passive control),
điều khiển bán chủ động (semi-active control), điều khiển chủ động (active control)
và điều khiển lai (hybrid control). Hình 1.1 dưới đây thể hiện sơ đồ nguyên lý của
các phương pháp điều khiển dao động kết cấu [2, 5]. Trong đó, M, K, C lần lượt là
khối lượng, độ cứng và hệ số cản của kết cấu được điều khiển; m, k, c lần lượt là