Điều khiển tối ưu dao động bằng kết hợp nhiều bộ giảm chấn động lực
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.11 MB, 317 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VŨ ĐỨC PHÚC
ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU DAO ĐỘNG BẰNG KẾT HỢP
NHIỀU BỘ GIẢM CHẤN ĐỘNG LỰC
LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC
Hà Nội – 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VŨ ĐỨC PHÚC
ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU DAO ĐỘNG BẰNG KẾT HỢP
NHIỀU BỘ GIẢM CHẤN ĐỘNG LỰC
NGÀNH: CƠ HỌC
MÃ SỐ: 9440109
LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1.
GS.TSKH NGUYỄN VĂN KHANG
2.
PGS.TS NGUYỄN PHONG ĐIỀN
Hà Nội – 2020
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng
dẫn của tập thể hướng dẫn là GS.TSKH Nguyễn Văn Khang và PGS.TS Nguyễn
Phong Điền. Các số liệu, kết quả tính tốn trong Luận án này là trung thực và chưa
từng được tác giả khác công bố.
Hà Nội, tháng 02 năm 2020
TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
NGHIÊN CỨU SINH
GS.TSKH Nguyễn Văn Khang PGS.TS Nguyễn Phong Điền Vũ Đức Phúc
ii
LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin trân trọng cảm ơn GS.TSKH Nguyễn Văn Khang và PGS.TS
Nguyễn Phong Điền đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện, động viên, truyền cảm hứng
và niềm say mê nghiên cứu cho tác giả trong suốt q trình học tập, thực hiện và hồn
thành luận án.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Viện Cơ khí, Phịng Đào tạo Trường Đại học
Bách khoa Hà Nội, đặc biệt là các Thầy, Cô trong bộ môn Cơ học ứng dụng đã tạo
điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập, nghiên cứu thực hiện luận
án.
Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, lãnh đạo Khoa Cơ khí
trường Đại học SPKT Hưng Yên đã có sự hỗ trợ kinh phí và tạo điều kiện về thời gian
cho tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tồn thể gia đình, bạn bè,
đồng nghiệp những người đã luôn chia sẻ, động viên, giúp đỡ tác giả học tập, nghiên
cứu và hoàn thành luận án này.
Nghiên cứu sinh
Vũ Đức Phúc
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ iii
MỤC LỤC ......................................................................................................................iv
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................... vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ..................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................................xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..................................................................... xiii
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
Mục đích nghiên cứu của luận án ....................................................................................2
Đối tượng nghiên cứu ......................................................................................................2
Các phương pháp nghiên cứu ..........................................................................................2
Nội dung của luận án .......................................................................................................2
Bố cục của luận án ...........................................................................................................3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG BẰNG BỘ
GIẢM CHẤN ĐỘNG LỰC ............................................................................................ 4
1.1. Bài toán điều khiển dao động bằng bộ giảm chấn động lực.....................................4
1.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ........................................................................... 8
1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước ...........................................................................13
1.4. Xác định vấn đề nghiên cứu ...................................................................................16
CHƯƠNG 2. ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU DAO ĐỘNG CỦA HỆ CHÍNH CĨ CẢN
BẰNG NHIỀU BỘ GIẢM CHẤN ĐỘNG LỰC ĐƠN TẦN SỐ DỰA TRÊN
PHƯƠNG PHÁP CỦA DEN-HARTOG ......................................................................17
2.1. Mơ hình cơ học hệ chính có cản lắp nhiều bộ giảm chấn động lực ....................... 17
2.1.1. Thiết lập phương trình vi phân dao động của hệ chính có cản lắp nhiều bộ giảm
chấn động lực.................................................................................................................17
2.1.2. Nghiệm cưỡng bức bình ổn cho hệ phương trình vi phân dao động của hệ chính
có cản lắp nhiều bộ giảm chấn động lực .......................................................................18
2.1.3. Hàm đáp ứng tần số của hệ lắp nhiều bộ giảm chấn động lực ............................19
2.2. Mở rộng công thức của Den – Hartog xác định các tham số tối ưu của hệ nhiều bộ
giảm chấn động lực đơn tần số cho hệ chính khơng cản ...............................................21
2.3. Thiết kế tối ưu các tham số của hệ nhiều bộ giảm chấn động lực đơn tần số lắp
trên hệ chính có cản bằng phương pháp tuyến tính hóa tương đương ..........................33
iv
2.3.1. Tiêu chuẩn bình phương tối thiểu ........................................................................33
2.3.2. Tiêu chuẩn đối ngẫu ............................................................................................ 38
Kết luận chương 2 .........................................................................................................41
CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU DAO ĐỘNG CỦA HỆ CHÍNH CĨ CẢN
BẰNG NHIỀU BỘ GIẢM CHẤN ĐỘNG LỰC ĐA TẦN SỐ DỰA TRÊN PHƯƠNG
PHÁP TAGUCHI ..........................................................................................................42
3.1. Mơ hình dao động tương đương của hệ nhiều bộ giảm chấn chất lỏng và nhiều bộ
giảm chấn khối lượng- cản nhớt .................................................................................... 42
3.2. Thiết kế các tham số tối ưu của các bộ giảm chấn động lực đa tần số bằng phương
pháp thực nghiệm của Fujino và đồng nghiệp ...............................................................46
3.2.1. Phương pháp phân tích ........................................................................................46
3.2.2. Khảo sát hiệu quả điều khiển dao động khi sử dụng hệ nhiều bộ giảm chấn chất
lỏng đa tần số .................................................................................................................47
3.3. Thiết kế tối ưu các tham số của hệ nhiều bộ giảm chấn động lực lắp trên hệ chính
có cản dựa trên phương pháp Taguchi .......................................................................... 50
3.3.1. Ý tưởng của phương pháp Taguchi .....................................................................50
3.3.2. Một thuật toán mới thiết kế tối ưu các tham số của hệ nhiều bộ giảm chấn động
lực đa tần số dựa trên phương pháp Taguchi ................................................................52
3.4. So sánh hiệu quả điều khiển dao động của hệ lắp 5 bộ giảm chấn động lực đơn tần
số và đa tần số ................................................................................................................66
3.5. So sánh hiệu quả điều khiển dao động của hệ lắp 5 bộ giảm chấn động lực đơn tần
số giữa hai phương pháp ................................................................................................67
Kết luận chương 3 .........................................................................................................69
CHƯƠNG 4. ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU DAO ĐỘNG UỐN CƯỠNG BỨC CỦA DẦM
EULER - BERNOULLI CÓ CẢN BẰNG NHIỀU BỘ GIẢM CHẤN ĐỘNG LỰC .. 70
4.1. Dao động uốn cưỡng bức của dầm Euler – Bernoulli có lắp nhiều bộ giảm chấn
động lực ......................................................................................................................... 70
4.1.1. Thiết lập hệ phương trình dao động uốn cưỡng bức của dầm gắn nhiều bộ giảm
chấn động lực.................................................................................................................70
4.1.2. Rời rạc hóa dầm liên tục bằng phương pháp Ritz-Galerkin ................................ 72
4.1.3. Dạng ma trận của phương trình vi phân chuyển động của dầm lắp nhiều bộ giảm
chấn động lực.................................................................................................................75
v
4.2. Hàm đáp ứng tần số của dầm lắp nhiều bộ giảm chấn động lực ............................79
4.3. Điều khiển tối ưu dao động uốn cưỡng bức của dầm có cản bằng nhiều bộ giảm
chấn động lực dựa trên phương pháp Taguchi .............................................................. 81
4.3.1. Điều khiển dao động uốn cưỡng bức của dầm hai đầu bản lề bằng các bộ giảm
chấn động lực.................................................................................................................81
4.3.2. Điều khiển dao động uốn cưỡng bức của dầm một đầu ngàm một đầu tự do bằng
nhiều bộ giảm chấn động lực.........................................................................................93
Kết luận chương 4 .......................................................................................................100
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................101
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ......................103
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................104
PHỤ LỤC A ................................................................................................................115
PHỤ LỤC B.................................................................................................................118
PHỤ LỤC C.................................................................................................................125
vi
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
Tên tiếng anh
Ý nghĩa
viết tắt
ANOVA
Analysis of variance
Phân tích phương sai
ANOM
Analysis of Mean
Phân tích giá trị trung bình
BPTT
Least squares
Bình phương tối thiểu
DVA
Dynamic Vibration Absorber
Bộ giảm chấn động lực
DVAs
Dynamic Vibration Absorbers
Nhiều bộ giảm chấn động lực
GAs
Genetic Algorithms
Thuật giải di truyền
MTLD
Multiple Tuned Liquid Damper
Hệ giảm chấn chất lỏng đa tần số
MTMD
Multiple Tuned Mass Damper
Hệ giảm chấn khối lượng đa tần số
SDVA
Single
Dynamic
Vibration Hệ giảm chấn động lực đơn tần số
Absorbers
STLD
Single Tuned Liquid Damper
Hệ giảm chấn chất lỏng đơn tần số
STMD
Single Tuned Mass Damper
Hệ giảm chấn khối lượng đơn tần số
SNR
Signal to noise ratio
Tỷ số nhiễu tín hiệu
TMD
Tuned Mass Damper
Bộ giảm chấn khối lượng – cản nhớt
TLD
Tuned Liquid Damper
Bộ giảm chấn chất lỏng
TMDs
Tuned Mass Dampers
Nhiều giảm chấn khối lượng – cản nhớt
TLDs
Tuned Liquid Dampers
Nhiều giảm chấn chất lỏng
vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ký hiệu
Ý nghĩa
Đơn vị
b
Bề rộng thùng chất lỏng
m
ca
Hệ số cản của bộ giảm chấn động lực
Ns/m
cj
Hệ số cản của bộ giảm chấn động lực thứ j
Ns/m
cs
Hệ số cản của hệ chính
Ns/m
c(i)
Hệ số cản trong của dầm
1/s
c(e)
Hệ số cản ngoài của dầm
s/m2
dj
Hệ số cản các bộ giảm chấn động lực thứ j trên dầm
Ns/m
D
Miền lấy tích phân
D
Ma trận cản của hệ
f
Hàm mục tiêu có trọng số
F0
Biên độ ngoại lực kích động
N
f TLD
Tần số thùng chất lỏng
Hz
f(t)
Véc tơ lực kích động
N
g
Gia tốc trọng trường
m/s2
H(Ω)
Hàm đáp ứng tần số
HA
Biên độ hàm đáp ứng tần số tại đỉnh cộng hưởng A
Hj
Giá trị của hàm mục tiêu tại thí nghiệm thứ j
ho
Chiều cao mực nước trong thùng chất lỏng
H opt
Giá trị mong muốn của hàm mục tiêu
H
HT
m
Biên độ hàm đáp ứng tần số tại đỉnh cực đại S
Biên độ hàm đáp ứng tần số tại đỉnh cực đại T
ka
Độ cứng của bộ giảm chấn động lực
N/m
ke
Độ cứng hệ quy đổi tương đương
N/m
kj
Độ cứng của bộ giảm chấn động lực thứ j
N/m
ks
Độ cứng của hệ chính
N/m
K
Ma trận độ cứng của hệ
viii
l
Chiều dài thùng chất lỏng
m
L
Chiều dài dầm Euler –Bernoulli
m
m
Khối lượng chất lỏng
kg
ma
Khối lượng bộ giảm chấn động lực
kg
mj
Khối lượng bộ giảm chấn động lực thứ j
kg
ms
Khối lượng hệ chính
kg
M
Ma trận khối lượng của hệ
N hoặc na
Số bộ giảm chấn động lực
nj
Số thí nghiệm thứ j
po
Biên độ lực kích động lên dầm
S
Phiếm hàm
SNR
Tỷ số nhiễu tín hiệu
T
Động năng của hệ
uj
Dịch chuyển bộ giảm chấn động lực thứ j lắp trên dầm
m
V
Thể tích khối chất lỏng
m3
xa
Dịch chuyển của bộ giảm chấn động lực
xˆa
Biên độ phức dịch chuyển của bộ giảm chấn động lực
xj
Dịch chuyển của bộ giảm chấn động lực thứ j
xj
Trung bình các kết quả thí nghiệm nhóm j
x ij
Kết quả thí nghiệm thứ j
Xk
Hàm riêng thứ k của dầm
Xr
Hàm riêng thứ r của dầm
xs
Dịch chuyển của hệ chính
xˆ s
Biên độ phức dịch chuyển hệ chính
w j
Độ võng của dầm tại vị trí lắp bộ giảm chấn động lực thứ j
Tỷ lệ tần số giữa tần số hệ chính và DVA
j
Tỷ lệ tần số giữa tần số hệ chính và DVA thứ j
opt
Tỷ lệ tần số tối ưu của bộ giảm chấn động lực
Bộ
N
m
ix
Tỷ lệ tần số giữa tần số ngoại lực và hệ chính
c
Khoảng chênh tần số giữa các bộ giảm chấn động lực
e
Tần số dao động riêng hệ quy đổi
Rad/s
i
Tần số dao động riêng bộ giảm chấn động lực thứ i
Rad/s
0
Tần số trung tâm của hệ MTMD
Rad/s
s
Tần số dao động riêng của hệ chính
Rad/s
Tỷ lệ khối lượng
a
Tỷ số cản của bộ giảm chấn động lực
Tỷ số cản của bộ giảm chấn động lực thứ j
j
opt
Tỷ số cản tối ưu của bộ giảm chấn động lực
Khối lượng riêng của chất lỏng
kg/m3
Độ nhớt động học của chất lỏng
m2/s
Thế năng của hệ
Hàm hao tán của hệ
R
Bề rộng giải tần số
x
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Thơng số hệ chính khơng cản .......................................................................28
Bảng 2.2. Các tham số tối ưu của hệ 2 bộ DVA đơn tần số lắp trên hệ chính không cản
.......................................................................................................................................28
Bảng 2.3. Giá trị hàm |H(Ω)| và dịch chuyển của hệ chính khi khơng lắp và lắp 2 bộ
DVA...............................................................................................................................29
Bảng 2.4. Các tham số tối ưu, giá trị |H max| và dao động của hệ khi lắp 1,2,5 bộ DVA
.......................................................................................................................................31
Bảng 2.5. Kết quả giá trị |Hmax| và dịch chuyển của hệ khi lắp 1,2,5 bộ DVA ...........32
Bảng 2.6. Bộ số liệu hệ chính có cản và các tham số tối ưu tìm được bằng tiêu chuẩn
BPTT .............................................................................................................................36
Bảng 2.7. Giá trị mô đun của hàm đáp ứng tần số và dịch chuyển của hệ khi lắp 1,2,5
bộ DVA..........................................................................................................................38
Bảng 2.8. Các tham số tối ưu của các bộ DVAs tìm được bằng tiêu chuẩn đối ngẫu...39
Bảng 2.9. Giá trị mô đun của hàm đáp ứng tần số và dịch chuyển của hệ tại
Ω=77,4597 .....................................................................................................................39
Bảng 2.10. Giá trị tham số tối ưu, biên độ dao động lớn nhất của hệ chính khi lắp 1,2,5
bộ DVA với tiêu chuẩn đối ngẫu ...................................................................................40
Bảng 3.1. Số liệu hệ chính có cản lắp nhiều bộ TLD ....................................................47
Bảng 3.2. Tham số các thùng chất lỏng.........................................................................48
Bảng 3.3. Tham số các bộ TMDs tương đương của các bộ TLDs ................................49
Bảng 3.4. Các đặc trưng chất lượng theo định nghĩa của Taguchi................................51
Bảng 3.5. Tham số kết cấu hệ chính có cản lắp nhiều bộ giảm chấn đa tần số.............52
Bảng 3.6. Tham số các bộ giảm chấn và các phân mức cho mỗi tham số ....................54
Bảng 3.7. Mảng L27 và kết quả tỷ lệ tín hiệu nhiễu SNR của các thí nghiệm ............. 55
Bảng 3.8. Giá trị độ lệch bình phương trung bình của các tham số điều khiển ở mức
1,2,3 ...............................................................................................................................57
Bảng 3.9. Giá trị các phân mức mới cho các tham số của hệ 5 bộ DVA đa tần số .......59
Bảng 3.10. Các giá trị nhiễu (SNR)i của các tham số điều khiển..................................59
Bảng 3.11. Giá trị kỳ vọng toán và phương sai theo hàng của SNR ............................. 61
Bảng 3.12. Giá trị tối ưu của các bộ DVAs trong hệ DVAs đa tần số .........................61
Bảng 3.13. Giá trị tối ưu của các tham số của hệ 5 bộ DVA khác nhau với hàm mục
tiêu có trọng số với các trọng số khác nhau ..................................................................63
Bảng 3.14. Tham số các thùng chất lỏng tương đương với các bộ ™Ds ....................65
xi
Bảng 3.15. Tham số các bộ DVA giống nhau và khác nhau tìm được theo Taguchi và
Fujino .............................................................................................................................66
Bảng 3.16. So sánh giá trị tham số tối ưu của DVAs và hiệu quả của hệ 5 bộ DVA ứng
với 2 phương pháp ......................................................................................................... 68
Bảng 4.1. Tham số của dầm hai đầu bản lề ...................................................................82
Bảng 4.2. Tham số điều khiển và các mức cho mỗi tham số ........................................83
Bảng 4.3. Mảng L18 và kết quả phân tích SNR ............................................................84
Bảng 4.4. Giá trị độ lệch bình phương trung bình của các tham số điều khiển ở mức
1,2,3 ...............................................................................................................................85
Bảng 4.5. Tham số điều khiển và các mức mới cho mỗi tham số .................................86
Bảng 4.6. Giá trị (SNR)i trung bình của các tham số điều khiển sau các bước lặp ......86
Bảng 4.7. Phân tích giá trị kỳ vọng toán và phương sai của các giá trị SNR sau các thí
nghiệm đối với dầm hai đầu bản lề................................................................................87
Bảng 4.8. Giá trị các tham số tối ưu của các bộ DVA từ hàm mục tiêu là mô đun của
hàm đáp ứng tần số ........................................................................................................ 87
Bảng 4.9. Bộ tham số của các bộ DVA tìm được từ hàm mục tiêu có trọng số ...........89
Bảng 4.10. So sánh giá trị các tham số tối ưu của các bộ DVA tìm được từ hai hàm
mục tiêu ......................................................................................................................... 90
Bảng 4.11. Biên độ dao động tại giữa dầm hai đầu bản lề khi lắp các bộ TMD ở các vị
trí khác nhau ..................................................................................................................91
Bảng 4.12. Tham số của dầm một đầu ngàm một đầu tự do ......................................... 93
Bảng 4.13. Tham số điều khiển của các bộ ™Ds lắp trên dầm một đầu ngàm một đầu
tự do và các mức của chúng .......................................................................................... 94
Bảng 4.14. Mảng L18, giá trị mô đunn của hàm đáp ứng tần số và tỷ lệ SNR .............95
Bảng 4.15. Phân tích giá trị trung bình và phương sai giữa các lần thí nghiệm của dầm
một đầu ngàm, một đầu tự do ........................................................................................ 96
Bảng 4.16. Phân tích giá trị trung bình và phương sai của SNR trong các lần lặp với
dầm một đầu ngàm, một đầu tự do ................................................................................ 96
Bảng 4.17. Các tham số tối ưu của dầm một đầu ngàm một đầu tự do với hàm mục tiêu
không trọng số ...............................................................................................................97
Bảng 4.18. Các tham số tối ưu của dầm một đầu ngàm một đầu tự do với hàm mục tiêu
có trọng số .....................................................................................................................98
Bảng 4.19. Hiệu quả điều khiển dao động khi lắp các bộ ™Ds ở các vị trí khác nhau
trên dầm một đầu ngàm, một đầu tự do .......................................................................100
xii
