Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu. Chương này trình bày tổng quan về các phương pháp kiểm soát dao động cũng như các công thức cơ bản về dòng năng lượng. Điều khiển dòng năng lượng trong bộ cách ly dao động.
Chương này trình bày các kết quả về tối ưu hóa tham số bộ giảm chấn dạng thụ động và đề xuất thuật toán điều khiển cho bộ giảm chấn bán chủ động của bộ cách ly dao động một bậc tự do. Điều khiển dòng năng lượng trong mô hình một phần tư ô tô. Chương này trình bày các kết quả về tối ưu hóa tham số bộ giảm xóc dạng thụ động và đề xuất thuật toán điều khiển cho bộ giảm xóc dạng bán chủ động của mô hình một phần tư ô tô 2 bậc tự do. Điều khiển dòng năng lượng trong hệ lắp bộ giảm chấn khối lượng.
Chương này trình bày các kết quả về tối ưu hóa lò xo và giảm chấn của bộ giảm chấn khối lượng dạng thụ động. Hai phiên bản điều khiển cũng được đề xuất cho bộ giảm chấn khối lượng dạng bán chủ động lắp đặt vào hệ 1 bậc tự do và hệ nhiều bậc tự do. Kết luận chung. Trình bày các kết quả chính đã thu được trong luận án và hướng nghiên cứu chính tiếp theo.
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Chương này tóm lược một số các khái niệm cơ bản về dòng năng lượng và điều khiển dao động. Một số các nghiên cứu trên thế giới về việc sử dụng phương pháp dòng năng lượng trong các hệ điều khiển kết cấu cũng được đề cập. Các hệ thức cơ bản của hệ PCH (Port Controlled Hamilton System) được giới thiệu để mô tả các hệ động lực và phương trình dòng năng lượng trong các hệ này. Điều khiển dao động Trong cơ học, dao động là chuyển động có giới hạn trong không gian, lặp đi lặp lại nhiều lần quanh vị trí cân bằng.
Điều khiển dao động (vibration control) là hướng nghiên cứu các thiết bị, phương pháp nhằm làm giảm các dao động có hại. Nếu phân loại theo mặt năng lượng thì các phương pháp điều khiển dao động cơ bản bao gồm điều khiển dạng thụ động, dạng chủ động và dạng bán chủ động. + Điều khiển thụ động: là phương pháp giảm dao động không sử dụng các nguồn năng lượng bổ sung từ bên ngoài. Sự chuyển năng lượng nếu có sẽ chỉ theo một chiều từ hệ ra ngoài.
+ Điều khiển chủ động: là phương pháp giảm dao động có sử dụng các nguồn năng lượng ngoài và nguồn năng lượng này có thể trực tiếp đưa vào kết cấu thông qua các cơ cấu chấp hành (actuator). + Điều khiển bán chủ động: là phương pháp giảm dao động có sử dụng nguồn năng lượng ngoài nhưng không đưa trực tiếp vào kết cấu chính mà đưa vào các thiết bị thụ động gắn vào kết cấu. Điều này có nghĩa là năng lượng được đưa ra khỏi kết cấu nhưng có sự điều tiết từ một nguồn năng lượng nhỏ bên ngoài. Đây còn được gọi là các thiết bị thụ động có điều khiển.
Phương pháp điều khiển bán chủ động có được sự đơn giản và tin cậy của phương pháp thụ động, đồng thời có được sự thích nghi của phương pháp chủ động. Để minh họa ý nghĩa năng lượng của ba phương pháp trên, ta xét hệ một bậc tự do có trạng thái di chuyển như trên hình 1. 16 Vị trí Hướng cân đang di bằng chuyển f m c k Hình 1.1: Hệ 1 bậc tự do đang di chuyển về vị trí cân bằng Trên hình 1.1, hệ dao động một bậc tự do có khối lượng m, được đỡ bởi lò xo có độ cứng k và bộ giảm chấn có độ cản c và chịu một lực điều khiển f tạo ra bởi bộ chấp hành. Khối lượng đang di chuyển về vị trí cân bằng.
Phương pháp điều khiển thụ động không sử dụng lực điều khiển f, đồng thời cố định các giá trị của c và k. Khi đó năng lượng của hệ chỉ có thể tiêu tán qua bộ giảm chấn. Trong trường hợp này, nếu bộ giảm chấn có độ cản quá lớn thì hệ đi về vị trí cân bằng rất chậm và năng lượng tiêu tán cũng bé. Ngược lại nếu độ cản quá bé thì năng lượng tiêu tán cũng thấp, hệ dao động qua lại theo nhiều chu kỳ.
Như vậy vấn đề đặt ra của phương pháp điều khiển thụ động là tối ưu hóa các tham số. Phương pháp điều khiển chủ động sử dụng lực điều khiển f để đưa khối lượng về vị trí cân bằng nhanh nhất. Trong trường hợp này, lực điều khiển cần cùng chiều với vận tốc của khối lượng tức là cần bổ sung thêm năng lượng vào hệ. Điều này ban đầu có vẻ phi lô gic nhưng thực tế bổ sung thêm năng lượng vào hệ là để hệ đạt đến trạng thái cân bằng nhanh hơn, sau đó lực điều khiển sẽ chuyển sang rút năng lượng ra khỏi hệ.
Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp điều khiển chủ động là thời gian trễ hoặc một số yếu tố khác có thể làm quá trình bổ sung năng lượng diễn ra không chính xác, hệ có thể trở nên mất ổn định do bị bổ sung năng lượng thừa. Do đó phương pháp điều khiển chủ động đòi hỏi những thuật toán điều khiển và phần cứng (bộ chấp hành và đầu đo) phức tạp. Phương pháp điều khiển bán chủ động thay đổi độ cản hoặc cả độ cản và độ cứng một cách nhanh chóng phụ thuộc vào trạng thái của hệ. Ví dụ như trạng thái của hệ trên hình 1.1, độ cản của hệ có thể đặt ở giá trị thấp để khối lượng trở về vị trí cân bằng nhanh hơn.
Khi về đến vị trí cân bằng thì độ cản lại được chuyển sang 17 giá trị lớn hơn. Như vậy, phương pháp điều khiển bán chủ động không đưa thêm năng lượng vào hệ nhưng có thể điều khiển được năng lượng tiêu tán qua bộ cản. Vấn đề đặt ra của phương pháp điều khiển bán chủ động là thuật toán thay đổi các đặc tính độ cản hoặc độ cứng phụ thuộc vào trạng thái của hệ. Từ ví dụ trên có thể thấy rõ ưu điểm và nhược điểm của từng phương pháp.
Trong thực tế, việc sử dụng phương pháp nào để điều khiển dao động phụ thuộc vào tính chất, đặc điểm và cả về mặt chi phí của từng kết cấu hay công trình cụ thể. Luận án này chỉ nghiên cứu điều khiển dạng thụ động và bán chủ động do sự hợp lý giữa hiệu quả và độ tin cậy của 2 phương pháp này. Phân tích dòng năng lượng Thông thường, việc phân tích dao động của một hệ kết cấu thường sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH). Về nguyên tắc phương pháp PTHH có thể sử dụng để phân tích cho bất kỳ kết cấu nào.
Tuy nhiên, ở miền tần số cao, việc sử dụng phương pháp này gặp phải khó khăn khi khối lượng công việc phân tích từng phần tử quá lớn và gia tăng quá nhanh khiến kết quả thu được có thể không đáng tin cậy. Do đó, một dạng phân tích khác được đề ra, trong đó một hệ thống được chia thành các hệ thống con, các tham số hệ con này được biểu diễn theo xác suất, và trạng thái dao động của hệ được biểu diễn dưới dạng tổng năng lượng dao động trung bình theo thời gian của mỗi hệ thống con, tức là thống kê năng lượng được đo trên toàn cục, chứ không phải là đo lường địa phương. Các đầu vào dao động được thể hiện dưới dạng năng lượng đầu vào trung bình theo thời gian, thay vì thể hiện qua lực ngoài hay chuyển vị như thông thường. Cân bằng năng lượng được đảm bảo rằng tổng năng lượng đầu vào vào một hệ con bằng tổng năng lượng tiêu tán trong hệ con đó và năng lượng tại các khớp nối với các hệ con khác.
Cách tiếp cận này được gọi là phân tích năng lượng bằng thống kê SEA (Statistical Energy Analysis) [1]. Mặc dù cách tiếp cận SEA này phù hợp ở miền tần số cao nhưng lại phụ thuộc vào một số giả định cơ bản, thêm vào đó là việc không thể biết rõ về sự phân bố của các biến đáp ứng trong các hệ thống con, dẫn đến bị hạn chế miền ứng dụng. Trong khi đó, ứng dụng của phân tích dòng năng lượng không hề bị giới hạn ở miền tần số cao. Khái niệm dòng năng lượng được thảo luận đầu tiên bởi Goyder và White [2- 18 4], phát triển từ khái niệm SEA này.
Trong nghiên cứu của họ, tốc độ thay đổi năng lượng dao động được sử dụng để mô tả phản ứng của hệ động lực học. Dòng năng lượng dao động (hay tốc độ trao đổi năng lượng) là sự kết hợp các tác động do lực và vận tốc cũng như góc pha tương đối của chúng, và do đó cung cấp một mô tả tốt về truyền dao động giữa các cấu trúc con. Các phương trình cân bằng của dòng năng lượng đưa ra một nền tảng cơ bản để nghiên cứu các hệ động lực bằng cách sử dụng phương pháp phân tích dòng năng lượng. Phương pháp này dựa vào việc sử dụng nguyên lý chung về bảo toàn và chuyển hóa năng lượng để khảo sát các hệ động lực.
Do đó, nó đưa ra một cách tiếp cận chung để phân tích các hệ thống có bản chất vật lý khác nhau như cơ, nhiệt, điện hay từ, ví dụ như hệ điều khiển, hệ siêu thanh, hệ chất lỏng, chất rắn hay các hệ phức tạp hơn liên quan đến khớp nối hoặc tương tác của chúng. Biến số được nghiên cứu trong phân tích dòng năng lượng là sự kết hợp các tác động do lực, vận tốc, và tích của chúng (công suất), tức là tốc độ thay đổi năng lượng. Sự kết hợp này đóng vai trò một tham số duy nhất để mô tả tính chất động lực và các đáp ứng của một hệ, chứa đựng và phản ánh đầy đủ thông tin về trạng thái cân bằng và chuyển động của hệ đó, và do đó khắc phục được các hạn chế trong việc nghiên cứu các đáp ứng lực và đáp ứng chuyển động riêng biệt. Ví dụ, việc thiết kế dựa trên các chỉ tiêu độ bền của ứng suất cực đại có thể đảm bảo ứng suất tối đa nằm trong phạm vi cho phép, nhưng với chuyển dịch cực đại, độ cứng của sản phẩm thiết kế có thể không được thỏa mãn.
Trong trường hợp ngược lại, thiết kế theo chỉ tiêu độ bền của biến dạng cực đại có thể thỏa mãn các đặc tính độ cứng, nhưng ứng suất cực đại của sản phẩm thiết kế có thể cao hơn mức cho phép.