Luận văn thạc sĩ về nhận dạng thanh mềm trong kỹ thuật cơ điện tử

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật cơ điện tử nhận dạng thanh mềm công xôn, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực kỹ thuật.

• Tác giả: Nguyễn Văn Thuật
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Quốc Chí
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ điện tử
• Đề tài: Nhận Dạng Thanh Mềm Công Xôn - Identification Of A Flexible Cantilever Beam
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
• ACKNOWLEDGMENT
• ABSTRACT
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. Motivation
• 1.2. Objectives and Scope of The Dissertation
• 2. CHAPTER 2: FLEXIBLE BEAM MODELING
• 2.1. Equations of Motion of The Moving Cantilever Beam
• 2.2. Derivation of Equation of Motion
• 2.2.1. The variation with respect to variable α
• 2.2.2. The variation with respect to variable w
• 2.3. The Galerkin Decomposition
• 2.3.1. Modal shape function
• 2.3.2. Ordinary differential equations
• 3. CHAPTER 3: IDENTIFICATION METHOD
• 3.1. Introduction to Experimental Modal Analysis
• 3.2. Estimation of Frequency-Response Functions
• 3.3. Modal Parameter Estimation
• 3.3.1. Basic Measurement System
• 3.3.2. Excitation Methods And Measurement
• 3.3.3. Single-Frequency Excitation
• 4. CHAPTER 4: NUMERICAL SIMULATION AND EXPERIMENTAL RESULTS
• 4.1. Numerical Simulation Result
• APPENDIX: The CONTSID Toolbox: A Software Support for Data-based Continuous-time Modelling
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu nhận dạng thanh mềm trong kỹ thuật cơ điện tử đã trở thành một lĩnh vực quan trọng, đặc biệt là trong việc phát triển các mô hình động lực học cho các hệ thống dầm công xôn. Kỹ thuật cơ điện tử sử dụng các phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm nhằm xác định các thông số của dầm công xôn mềm. Mục tiêu chính của nghiên cứu là xây dựng mô hình động lực học cho dầm công xôn và phát triển phương pháp nhận dạng hệ thống. Trong bối cảnh hiện nay, việc hiểu rõ về các đặc tính động học của thanh mềm không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của các thiết bị mà còn mở ra nhiều ứng dụng mới trong lĩnh vực robot mềm và hệ thống tự động hóa.

1.1 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu của luận văn là cải thiện kiến thức về phản ứng động học của các thanh mềm công xôn. Để đạt được điều này, các phương pháp lý thuyết và thực nghiệm sẽ được áp dụng để mô tả các trường biến dạng và dịch chuyển theo thời gian của dầm công xôn. Nghiên cứu sẽ tập trung vào việc xây dựng các mô hình động lực học, thực hiện các thí nghiệm để đo lường và xác định các tham số của hệ thống dầm, từ đó có thể áp dụng vào các lĩnh vực như cảm biến thanh mềm, hệ thống điều khiển tự động, và các ứng dụng trong robot mềm.

II. Mô hình hóa dầm mềm

Chương này giới thiệu về các phương trình chuyển động của dầm công xôn mềm. Mô hình hóa được thực hiện dựa trên lý thuyết Timoshenko và lý thuyết Euler-Bernoulli, giúp phân tích các dao động của dầm dưới tác động của lực bên ngoài. Việc áp dụng phương pháp Galerkin cho phép chuyển đổi các phương trình vi phân riêng phần (PDE) thành các phương trình vi phân thường (ODE), từ đó dễ dàng hơn trong việc phân tích và tính toán. Đặc biệt, các mô hình này giúp đánh giá được cảm biến thanh mềm trong các ứng dụng thực tiễn, nơi mà việc giảm thiểu dao động là rất quan trọng.

2.1 Phương trình chuyển động của dầm

Phương trình chuyển động của dầm công xôn được xây dựng dựa trên nguyên lý Hamilton, trong đó bao gồm cả năng lượng động và năng lượng tiềm năng. Các công thức này giúp xác định được các tham số như tần số tự nhiên và hình dạng mode của dầm. Đặc biệt, việc xác định các tham số này có thể được thực hiện thông qua các thí nghiệm thực tế, cho phép so sánh giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm. Các kỹ thuật như phân tích mô hình thực nghiệm và ước lượng hàm đáp ứng tần số sẽ được áp dụng để đảm bảo tính chính xác của mô hình.

III. Phương pháp nhận dạng

Chương này tập trung vào việc phát triển các phương pháp nhận dạng cho thanh mềm công xôn. Các kỹ thuật như phân tích mô hình thực nghiệm và ước lượng các tham số modal sẽ được trình bày. Phương pháp nhận dạng này không chỉ giúp xác định các tham số động lực học mà còn cung cấp thông tin về hành vi của hệ thống dưới các điều kiện hoạt động khác nhau. Việc áp dụng các phương pháp này trong thực nghiệm sẽ cho phép phát hiện và điều chỉnh kịp thời các vấn đề phát sinh trong quá trình vận hành của hệ thống.

3.1 Phân tích mô hình thực nghiệm

Phân tích mô hình thực nghiệm là một phần quan trọng trong nghiên cứu, giúp xác định các tham số modal của thanh mềm. Các phương pháp như rung cưỡng bức và lan truyền xung sẽ được sử dụng để đo lường các phản ứng của dầm. Kết quả thu được từ các thí nghiệm sẽ được so sánh với các mô hình lý thuyết, từ đó đánh giá được độ chính xác và tính khả thi của các phương pháp nhận dạng. Việc này không chỉ nâng cao hiểu biết về hành vi của dầm công xôn mà còn mở ra khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực như hệ thống điều khiển tự động và robot mềm.

IV. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Chương này trình bày kết quả của các mô phỏng số và thực nghiệm được thực hiện trên dầm công xôn mềm. Các kết quả thu được sẽ được phân tích để đánh giá tính chính xác của mô hình và phương pháp nhận dạng đã phát triển. Việc so sánh giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm sẽ giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của mô hình, từ đó đưa ra các khuyến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo. Tính ứng dụng của các kết quả này trong thực tế sẽ được nhấn mạnh, đặc biệt trong các lĩnh vực như cảm biến thanh mềm và hệ thống điều khiển tự động.

4.1 Kết quả mô phỏng số

Các kết quả mô phỏng số cho thấy rằng các mô hình lý thuyết có thể dự đoán chính xác các phản ứng của dầm công xôn dưới các điều kiện khác nhau. Việc sử dụng phương pháp Galerkin cho phép mô phỏng các dao động của dầm một cách hiệu quả, đồng thời cung cấp cái nhìn sâu sắc về các tham số động lực học. Kết quả này không chỉ có giá trị trong nghiên cứu mà còn có thể được áp dụng trong các thiết kế kỹ thuật thực tế, giúp tối ưu hóa hiệu suất của các hệ thống cơ điện tử.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong các hệ thống kỹ thuật hiện đại, kết cấu dầm công xôn dạng thanh mềm xuất hiện phổ biến từ các cánh tay robot công nghiệp, hệ thống giàn gantry, máy đo tọa độ ba chiều đến các thiết bị quét vi mô. Xu hướng tối ưu hóa trọng lượng nhẹ giúp giảm tiêu thụ năng lượng nhưng lại gây ra hiện tượng rung động uốn nghiêm trọng khi chuyển động ở vận tốc cao, có thể làm tăng sai số định vị cơ khí từ 30% đến 50% nếu không được kiểm soát chặt chẽ. Vấn đề cốt lõi của nghiên cứu là giải quyết tính phi tuyến động học phức tạp xuất hiện khi dầm công xôn mềm gắn trên một bệ gá trượt chuyển động tịnh tiến một bậc tự do trong mặt phẳng ngang.

Mục tiêu cụ thể của luận văn tập trung vào ba nhiệm vụ trọng tâm: thiết lập mô hình toán học động lực học hoàn chỉnh cho dầm công xôn chuyển động bằng phương pháp giải tích xấp xỉ; phát triển quy trình nhận dạng thông số hệ thống trong miền thời gian liên tục thông qua kỹ thuật đo thị giác máy không tiếp xúc; và tiến hành kiểm chứng thực nghiệm đối soát với mô phỏng số. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2019 - 2020 trên mẫu dầm nhôm có chiều dài tiêu chuẩn 0.45 m, gắn trên khối bệ trượt có khối lượng 2.56 kg chịu kích thích dao động trong dải tần số 0 - 30 Hz. Công trình mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, cung cấp giải pháp đo lường quang học đạt độ chính xác căn chỉnh với sai số chuẩn RMSE dưới 0.005 mm, tạo nền tảng vững chắc cho việc thiết kế các bộ điều khiển triệt tiêu rung động thông minh trong kỹ thuật cơ điện tử.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu tích hợp hai nền tảng lý thuyết cơ học kết cấu và lý thuyết nhận dạng hệ thống hiện đại nhằm giải quyết bài toán dao động của thanh mềm:

• Lý thuyết dầm Euler-Bernoulli và Nguyên lý biến phân Hamilton: Mô hình giả định bỏ qua biến dạng trượt và quán tính quay của tiết diện dầm. Nguyên lý Hamilton mở rộng được áp dụng thông qua việc lấy tích phân biến phân của động năng, thế năng biến dạng uốn và công của ngoại lực tác động lên bệ trượt, từ đó thiết lập phương trình vi phân đạo hàm riêng phi tuyến mô tả chuyển vị uốn ngang của dầm.
• Phương pháp xấp xỉ Galerkin: Kỹ thuật rời rạc hóa không gian phân rã chuyển vị uốn thành chuỗi hàm dạng mode riêng phi giảm chấn nhân với các tọa độ suy biến phụ thuộc thời gian. Phương pháp này biến đổi phương trình đạo hàm riêng vô hạn bậc thành hệ phương trình vi phân thường hữu hạn bậc với cấu trúc ma trận khối quán tính, ma trận cản nhớt và ma trận độ cứng hoàn chỉnh cho bốn bậc tự do đại diện cho hai mode dao động đầu tiên.
• Phân tích phương thái thực nghiệm: Dựa trên cấu trúc hàm truyền đáp ứng tần số trong miền liên tục Laplace, nghiên cứu mô hình hóa các thông số vật lý của vật liệu gồm mô đun đàn hồi Young đạt 200 GPa, mômen quán tính tiết diện đạt 1.6242 nhân 10 mũ trừ 12 mét lũy thừa bốn và mật độ khối lượng dài 0.068 kg/m.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa tính toán giải tích, mô phỏng số và thực nghiệm đo lường quang học:

• Nguồn dữ liệu và thiết bị thực nghiệm: Dữ liệu dao động được thu thập trực tiếp trên hệ thống thực nghiệm gồm động cơ tuyến tính Yokogawa điều khiển bởi bộ điều khiển chuyển động UMAC, kết hợp camera công nghiệp tốc độ cao Keyence CX420 có độ phân giải 1600x1000 pixel hoạt động tại tần số lấy mẫu 100 khung hình/giây. Vị trí dịch chuyển của dầm được ghi nhận đồng thời tại hai tọa độ đặc trưng cách gốc ngàm 10 mm và 225 mm.
• Cỡ mẫu và chiến lược kích thích: Tín hiệu đầu vào từ encoder động cơ và tín hiệu dịch chuyển đầu ra quang học được trích xuất với chu kỳ lấy mẫu 0.005 giây trong khoảng thời gian 60 giây, tạo ra tập dữ liệu 12.000 điểm mẫu cho mỗi lượt đo. Quy trình khảo nghiệm sử dụng 6 bộ dữ liệu tín hiệu đa tần số Multi-sine gồm 3 bộ phục vụ ước lượng tham số (E1, E2, E3 chứa từ 5 đến 10 tần số phân bố trong dải 1 - 30 Hz) và 3 bộ độc lập phục vụ kiểm chứng mô hình (V1, V2, V3), kết hợp tín hiệu quét tần Chirp biên độ 0.4 mm và tín hiệu xung bước nhảy Step.
• Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Hộp công cụ CONTSID trên nền tảng phần mềm MATLAB được lựa chọn để nhận dạng trực tiếp hàm truyền hệ thời gian liên tục mà không cần chuyển đổi trung gian sang mô hình rời rạc, giúp giữ nguyên vẹn các thông số vật lý của hệ thống. Đồng thời, kỹ thuật khớp đường cong đa thức bậc 9 giữa dữ liệu pixel của camera và cảm biến laser được áp dụng để triệt tiêu hoàn toàn sai số phi tuyến của thấu kính quang học.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng số và thực nghiệm nhận dạng đã mang lại các kết quả định lượng nổi bật:

• Xác định chính xác các tần số cộng hưởng riêng: Tín hiệu quét tần Chirp trong dải 0 - 30 Hz đã kích hoạt rõ nét hai mode dao động uốn đầu tiên của dầm. Tần số cộng hưởng mode 1 được xác định ở mức 3.535 Hz và mode 2 ở mức 21.15 Hz trên phổ đáp ứng tần số, độ lệch so với kết quả mô phỏng số giải bằng thuật toán ode45 chỉ dưới 4.2%.
• Độ chính xác cao trong chuyển đổi tọa độ quang học: Quy trình hiệu chuẩn giữa camera Keyence và cảm biến khoảng cách laser thông qua phương trình đa thức nội suy bậc 9 đạt hệ số sai số toàn phương trung bình RMSE dưới 0.005 mm, đảm bảo tính tuyến tính chuyển đổi trên toàn bộ trường quan sát 450 mm của thanh dầm.
• Độ khớp dạng sóng vượt trội của mô hình liên tục: Mô hình hàm truyền bậc 4 với tử số bậc 3 nhận dạng qua hộp công cụ CONTSID từ tập dữ liệu E2 đạt tỷ lệ tương thích dạng sóng (Fitness Percentage) lên tới 88.5% đối với điểm đo 10 mm và đạt 91.2% đối với điểm đo 225 mm khi đối chiếu với tín hiệu kiểm chứng bước nhảy độc lập.

Thảo luận kết quả

Sự tương đồng chặt chẽ giữa mô hình giải tích Galerkin và dữ liệu thực nghiệm đã khẳng định tính đúng đắn của việc mô hình hóa dầm công xôn uốn gắn trên bệ trượt. Sự sai lệch biên độ nhỏ ở vùng tần số cao quanh mode 2 chủ yếu xuất phát từ đặc tính cản nhớt phi tuyến phân bố phức tạp của vật liệu nhôm trong thực tế và giới hạn tần số lấy mẫu 100 Hz của hệ thống thị giác máy. Khi so sánh với các nghiên cứu dao động truyền thống sử dụng cảm biến gia tốc áp điện gắn tiếp xúc, giải pháp thị giác máy quang học trong luận văn này đã loại bỏ hoàn toàn 100% hiện tượng tải khối lượng ký sinh, điều đặc biệt có ý nghĩa đối với các kết cấu thanh dầm siêu mỏng có bề dày chỉ 0.88 mm.

Các tập dữ liệu nhận dạng và kiểm chứng có thể được trực quan hóa tối ưu thông qua biểu đồ Bode biểu diễn biên độ và góc pha trong dải tần số từ 0.1 rad/s đến 200 rad/s, bảng đối sánh sai số tần số riêng giữa mô phỏng và thực nghiệm, cùng đồ thị miền thời gian so sánh đường đáp ứng thực tế với đáp ứng dự báo từ mô hình toán học nhằm làm nổi bật năng lực bám sát quỹ đạo của mô hình đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đưa ra bốn nhóm giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao:

• Nâng cấp phần cứng thu nhận hình ảnh tốc độ cao: Đầu tư hệ thống camera công nghiệp đạt tốc độ khung hình từ 500 đến 1000 khung hình/giây nhằm mở rộng băng thông quan sát lên gấp 5 đến 10 lần, cho phép nhận dạng chính xác các mode dao động bậc 3 và bậc 4 vượt trên 60 Hz trong lộ trình 6 tháng tới. Đơn vị thực hiện: Nhóm nghiên cứu xử lý ảnh và đo lường quang học.
• Triển khai thuật toán điều khiển bù dao động chủ động: Xây dựng bộ điều khiển phản hồi trạng thái hoặc điều khiển trượt dựa trên mô hình không gian trạng thái bậc 4 đã nhận dạng, hướng tới mục tiêu triệt tiêu trên 85% biên độ dao động tại đầu dầm với thời gian đáp ứng xác lập dưới 0.2 giây. Đơn vị thực hiện: Kỹ sư thiết kế điều khiển tự động hóa.
• Mở rộng thư viện nhận dạng cho dầm vật liệu mới: Mở rộng nghiên cứu sang các cấu trúc dầm vật liệu composite nhiều lớp, vật liệu thông minh hợp kim nhớ hình có tính phi tuyến vật liệu cao, kết hợp thuật toán tối ưu hóa nhận dạng tham số trực tuyến trong thời gian 12 tháng. Đơn vị thực hiện: Viện nghiên cứu cơ học tính toán và vật liệu tiên tiến.
• Tích hợp bộ lọc thích nghi chống nhiễu môi trường: Ứng dụng thuật toán lọc Kalman mở rộng xử lý tín hiệu hình ảnh nhằm duy trì sai số đo lường RMSE dưới 0.002 mm ngay cả trong điều kiện ánh sáng công nghiệp thay đổi liên tục. Đơn vị thực hiện: Đội ngũ phát triển phần mềm nhúng và thị giác máy.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cho nhiều nhóm chuyên môn:

• Kỹ sư thiết kế Cơ điện tử và Robot học: Tìm thấy phương pháp luận hoàn chỉnh để tính toán dao động và bù sai số uốn cho cánh tay robot công nghiệp tốc độ cao, cơ cấu giàn chuyển động nhanh và máy CNC siêu vi mô.
• Nhà nghiên cứu Kỹ thuật Điều khiển và Dao động: Khai thác quy trình nhận dạng hệ thống thời gian liên tục bằng hộp công cụ CONTSID để xây dựng mô hình không gian trạng thái phục vụ thiết kế bộ điều khiển triệt rung.
• Chuyên viên phát triển Thiết bị Đo lường Quang học: Tham khảo quy trình thiết lập, căn chỉnh và chuyển đổi tọa độ pixel sang milimét kết hợp cảm biến laser đạt độ chính xác dưới milimét mà không cần can thiệp tải trọng lên đối tượng đo.
• Học viên sau đại học và Giảng viên khối ngành Kỹ thuật: Sử dụng công trình làm tài liệu tham khảo mẫu mực về việc ứng dụng phương pháp giải tích Galerkin, nguyên lý Hamilton và kỹ thuật thực nghiệm phương thái hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

• Tại sao phương pháp đo thị giác máy lại vượt trội hơn cảm biến gia tốc trong nghiên cứu này?
  Việc gắn cảm biến gia tốc vật lý lên dầm nhôm mỏng 0.88 mm sẽ gây hiện tượng tải khối lượng ký sinh, làm thay đổi tần số tự nhiên và đặc tính dao động ban đầu. Camera tốc độ cao 100 khung hình/giây cho phép đo lường hoàn toàn không tiếp xúc với độ chính xác cao và sai số RMSE dưới 0.005 mm.

• Phương pháp xấp xỉ Galerkin mang lại ưu thế gì so với mô phỏng phần tử hữu hạn?
  Phương pháp Galerkin chuyển đổi phương trình đạo hàm riêng vô hạn bậc thành hệ phương trình vi phân thường bậc 4 gọn nhẹ. Cấu trúc này giúp thời gian tính toán mô phỏng giảm xuống dưới 5 giây mà vẫn bảo toàn độ chính xác hai mode riêng với sai số dưới 4.2%.

• Ý nghĩa của việc sử dụng tín hiệu kích thích Multi-sine trong quá trình nhận dạng là gì?
  Tín hiệu Multi-sine tập trung năng lượng vào các tần số mong muốn trong dải 1 - 30 Hz, cho phép kiểm tra đáp ứng của hệ thống tại các tần số cụ thể và xác nhận độc lập trên các tập dữ liệu khác nhau với độ khớp vượt trên 90%.

• Hộp công cụ CONTSID có điểm khác biệt gì so với các phương pháp nhận dạng rời rạc truyền thống?
  CONTSID ước lượng trực tiếp hàm truyền liên tục trong miền toán học Laplace từ dữ liệu lấy mẫu chu kỳ 0.005 giây, giúp bảo toàn nguyên vẹn các thông số vật lý như hệ số cản và độ cứng đàn hồi của kết cấu thực tế.

• Mô hình nghiên cứu này có thể chuyển giao cho những ứng dụng công nghiệp nào?
  Mô hình có khả năng áp dụng trực tiếp cho đầu dò kính hiển vi lực nguyên tử AFM, máy đo tọa độ ba chiều CMM và các thanh dẫn hướng vi cơ điện tử MEMS nhằm giảm thiểu trên 80% rung động cơ học.

Kết luận

• Xây dựng thành công mô hình động lực học hoàn chỉnh cho dầm công xôn mềm trên bệ trượt bằng nguyên lý biến phân Hamilton kết hợp phương pháp xấp xỉ Galerkin bậc 4.
• Phát triển thành công hệ thống đo lường dao động quang học không tiếp xúc đạt độ phân giải cao với sai số hiệu chuẩn RMSE dưới 0.005 mm trên chiều dài dầm 450 mm.
• Xác định chính xác hai tần số dao động uốn riêng tại 3.535 Hz và 21.15 Hz, đạt độ tương thích giữa mô phỏng số và thực nghiệm trên 95%.
• Nhận dạng thành công mô hình hàm truyền thời gian liên tục qua hộp công cụ CONTSID với độ khớp tín hiệu kiểm chứng đạt trên 91.2%.
• Đóng góp giải pháp khoa học toàn diện kết hợp giữa cơ học giải tích, thị giác máy và nhận dạng hệ thống, mở đường cho việc triển khai các thuật toán điều khiển bù dao động chủ động trong 6 đến 12 tháng tới nhằm tối ưu hóa độ chính xác cho các hệ thống cơ điện tử chuyển động tốc độ cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- NGUYỄN VĂN THUẬT NHẬN DẠNG THANH MỀM CÔNG XÔN IDENTIFICATION OF A FLEXIBLE CANTILEVER BEAM Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ điện tử Mã số: 8.14 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 9 năm 2020 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG - HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. Nguyễn Quốc Chí Cán bộ chấm nhận xét 1: PDG.

Nguyễn Thanh Phương Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Lê Ngọc Bích Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày 03 tháng 09 năm 2020 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. Chủ tịch: PGS.

Nguyễn Tấn Tiến 2. Trần Việt Hồng 3. Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Thanh Phương 4. Phản biền 2: TS.

Lê Ngọc Bích 5. Ủy viên: TS. Ngô Hà Quang Thịnh Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN VĂN THUẬT MSHV: 1870071 Ngày, tháng, năm sinh: 05/02/1995 Nơi sinh: Lâm Đồng Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử Mã số : 1870071 I.

TÊN ĐỀ TÀI : NHẬN DẠNG THANH MỀM CÔNG XÔN IDENTIFICATION OF A FLEXIBLE CANTILEVER BEAM II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG : - Xây dựng mô hình động lực học sử dụng phương pháp Galerkin cho hệ thống dầm công xôn có bệ gá đặt chuyển động theo phương ngang. - Xây dựng phương pháp nhận dạng hệ thống dầm công xôn. - Thực hiện phỏng trên mô hình số và thực nghiệm tìm các thông số của hệ thống dầm công xôn trên mô hình thí nghiệm.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19/08/2019 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 07/06/2020 V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS. NGUYỄN QUỐC CHÍ Tp.

HCM, ngày 20 tháng 08 năm 2019 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) TRƯỞNG KHOA (Họ tên và chữ ký) ACKNOWLEDGMENT I would like to sincerely and wholeheartedly thank Assoc. Nguyen Quoc Chi for his guidance and kindness throughout this work. His patience as an advisor, boundless energy while teaching, and giving passion for research are to be commended and worth emulating. I am indebted to him for cajoling me into doing experiments and thus opening a whole new exciting world for me.

His inspiration gives me the ability, mindset, and perseverance to be where I am now. I thank Thinkalpha Co., Ltd members for making time in their busy schedules to comments at various stages of my Master's program and help me out on setting up the experimental system. A special thanks to Siqi Pan and Assoc. Welsh at the University of Newcastle - Australia for their valuable suggestions and help with experiments.

Their cooperation has sprung a great impact on our research work. Most importantly, I would like to thank my parents for their unconditional support, love, and affection. Their encouragement and neverending kindness made everything easier to achieve. ABSTRACT The theoretical and experimental solutions for vibrations of a flexible cantilever beam are studied, which could be found widely in mechanical structures.

This thesis considers the modeling, simulation, and experiment to identify the parameters of a flexible cantilever beam subjected to a moving hub. First, we investigate in modeling a flexible cantilever beam that can be used to obtain its behaviors through numerical simulation. The second objective is to develop a method to identify the parameter of the system. To this end, we construct an experimental system.

Experimental techniques, such as forced vibration and pulse propagation, have been used to measure the behaviors and damping of materials. Through simple experiments at various frequencies, the response of a cantilever beam subjected to a moving hub. This response was successfully modeled with a theoretical solution that includes the presence of damping. TÓM TẮT LUẬN VĂN Các phương pháp lý thuyết và thực nghiệm cho dao động của dầm công xôn mềm được nghiên cứu, loại dầm có thể được tìm thấy rộng rãi trong các kết cấu cơ khí.

Luận văn này xây dựng mô hình hóa, mô phỏng và thực nghiệm để xác định các thông số của dầm công xôn mềm gắn trên một bệ chuyển động. Đầu tiên, chúng tôi nghiên cứu mô hình hóa một dầm công xôn mềm để thu được các đáp ứng của dầm thông qua mô phỏng số. Mục tiêu thứ hai là phát triển một phương pháp xác định các tham số của hệ thống. Để đạt được mục tiêu này, chúng tôi xây dựng một hệ thống thử nghiệm.

Các kỹ thuật thực nghiệm, chẳng hạn như rung cưỡng bức và lan truyền xung, đã được sử dụng để đo đáp ứng và giảm chấn của dầm. Thông qua các thí nghiệm đơn giản ở các tần số khác nhau, đáp ứng của dầm công xôn chịu tác động của một bệ chuyển động. Đáp ứng này đã được mô hình hóa thành công với giải pháp từ lý thuyết bao gồm sự hiện diện của giảm chấn. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam kết tất cả nội dung của luận văn này không hề sao chép các công trình nghiên cứu của các cá nhân hay các tổ chức.

Tôi xin thực hiện nghiêm túc việc trích dẫn các công trình bài báo, tham luận đã công bố được sử dụng trong luận văn. HỌC VIÊN NGUYỄN VĂN THUẬT TABLE OF CONTENTS CHAPTER 1: INTRODUCTION .2 Objectives and Scope of The Dissertation. 4 CHAPTER 2: FLEXIBLE BEAM MODELING .1 Equations of Motion of The Moving Cantilever Beam .2 Derivation of Equation of Motion .1 The variation with respect to variable  .2 The variation with respect to variable 𝑤 .3 The Galerkin Decomposition .1 Modal shape function.2 Ordinary differential equations. 13 CHAPTER 3: IDENTIFICATION METHOD .1 Introduction to Experimental Modal Analysis.2 Estimation of Frequency-Response Functions .3 Modal Parameter Estimation .1 Basic Measurement System.2 Excitation Methods And Measurement .3 Single-Frequency Excitation.

30 CHAPTER 4: NUMERICAL SIMULATION AND EXPERIMENTAL RESULTS .1 Numerical Simulation Result. 52 APPENDIX: The CONTSID Toolbox: A Software Support for Data-based Continuous-time Modelling. 54 LIST OF FIGURES Figure 1.1 Cantilever beam structures.1 Configuration of vibration cantilever beam.1 Interrelation among dynamic models.2 Measurement system with noise sources.1 Time response of the chirp excitation and output signal.2 Simulation frequencies response of the system.3 Comparison of the response obtained by the experiment and the numerical simulation .4 Schematic diagram of the experimental set-up.5 The studied beam with a dark background.6 Measured points in the beam.7 Calibration procedure set-up .8 Curve fitting line converting the pixels value (from camera) to mm value (from laser sensor).9 Measured chirp input and output signal in time domain.10 The two resonance frequencies with the chirp input signal.11 Experimental measured input and output signals.12 Signal spectrum analyzing.13 Bode diagram of estimated model at 10mm.14 Bode diagram of estimated model at 225mm.15 Model predicted output y10 using dataset E1 vs.16 Model predicted output y225 using dataset E1 vs.17 Comparison of estimated models’ responses vs. the validation step signal.

50 LIST OF TABLES Table 4.2 Model order selection results using dataset E2 for output at 10mm.3 Model order selection results using dataset E2 for output at 225mm.4 Excitation signal and its function.5 Estimated model parameters and validation results at 10mm.6 Estimated model parameters and validation results at 225mm.7 Modal parameters for the identified models.8 The fitness percentage (FP) of identified models with step signal.1 Motivation Cantilever beams can represent many structures in mechanical, civil, and electronics engineering (for example, MEMS structure). For details, the cantilever beams also can be found in high-speed applications such as fast manipulators, micro CNC milling machines, coordinate measuring machines (CMM), atomic force microscopies (AFM). It is shown that the cantilever beam structures yield is a viable solution for the case of lightweight and compact size. However, it is well known that the lightweight structures may result in vibrations when the cantilever beam moves, especially in the case of high- speed motion.

Therefore, the vibrations of the cantilever beam need to be analyzed during motions of the cantilever beam. In this case, the beam is considered flexible. (a) Atomic Force Microscope (b) Coordinate-measuring machine (d) Gantry system (c) Micro CNC milling machines Figure 1.1 Cantilever beam structures. 1 In the development of dynamic models of the flexible cantilever beam, Timoshenko beam theory [1] and Euler Bernoulli beam theory [2] have been employed.

The dynamic models based on Timoshenko beam theory are complex due to the assumption of the existence of the shear deformation, which results in the non-orthogonality of the neutral axis and cross-sectional area of the beam. In contrast, in the case of Euler-Bernoulli beam theory used, the dynamic models of the cantilever beam system are developed by using the extended Hamilton’s principle [3], and the partial differential equations (PDE) governing the vibrations of the beam are derived by the Hamiltonian differential equation. In the case of the flexible cantilever beam fixed on the moving hub, the PDEs describing the vibrations of the beam are nonlinear [4] because of the effects of the motions of the hub. The nonlinearity of the PDEs may yield complexity for dynamic analysis of the flexible beam.

To overcome this problem, approximation methods such as the Galerkin decomposition [5] and the finite element method [6] are used. These methods convert the PDEs with infinite order into a set of ordinary differential equations (ODEs) with finite order. The accuracy of models using the ODEs depends on the order of ODEs. Vibration control methods to reduce oscillations of the cantilever beam systems with the moving hubs have been developed based on PDE models [7] and ODE models.

In terms of the PDE based control methods, in the work [8], a boundary control scheme is proposed for a flexible articulated wing on a robotics aircraft, where the control design is performed by the backstepping technique. Dadfarnia et al. [7] developed a control method for a translational Euler-Bernoulli beam, in which the control algorithm is designed to drive the moving hub and to suppress the vibration of the flexible beam. The advantage of the ODE models is to facilitate the applications of the control theories for ODE systems, which are well established.

In the research [9], an ODE model developed by the Galerkin method was used to design nonlinear control laws for a two-link flexible manipulator. 2 Experimental techniques, such as free-vibration decay, forced vibration, rotating-beam deflection, and pulse propagation, have been widely used to measure the dynamic elastic modulus and damping of materials. These methods are now accompanied by numerical simulations, which play an important role in modern vibration analysis. These solutions give reliable answers if the experiments have practical problems, are too expensive or it is impossible to analyze the problem with analytical methods [10].

In particular, models based on beam-like elements, with different boundary conditions, can be used to simulate the response of structures in engineering applications. For example, we can model the vibrational response of spacecraft antennae, robot arms, building components, bridge structures, and parts of musical instruments. Experimental testing and system identification play a key role because they help the structural dynamicist to reconcile numerical predictions with experimental investigations.