Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tóm lược về dao động kết cấu Dao động là một hiện tượng phổ biến trong tự nhiên và trong kỹ thuật. Dao động là một quá trình trong đó có môt đại lượng vật lý (hóa học, sinh học, …) thay đổi theo thời gian mà 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, công trình,…) [1, 2].
Các quá trình dao động thường là các quá trình thay đổi đa dạng theo thời gian. Trong tính toán hoặc trong đo đạc các quá trình dao động người ta thường phân thành dao động tuần hoàn và không tuần hoàn, trong đó, một dạng đặc biệt của các dao động tuần hoàn là dao động điều hòa [4]. Các quá trình dao động được phân loại tùy theo các quan điểm, các căn cứ khác nhau [4]. (1) Căn cứ vào cơ cấu gây nên dao động người ta phân thành: Dao động tự do, Dao động cưỡng bức, Dao động tham số, Tự dao động, Dao động hỗn độn, Dao động ngẫu nhiên.
(2) Căn cứ vào số bậc tự do người ta phân thành: 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. (3) Căn cứ vào phương trình chuyển động người ta phân thành: Dao động tuyến tính, Dao động phi tuyến. (4) Căn cứ vào dạng chuyển động người ta phân thành: Dao động dọc, Dao động xoắn, Dao động uốn. Đã có nhiều bài toán dao động kết cấu đã được đặt ra và nghiên cứu như: Những bài toán cơ bản [4].
Dao động của các kết cấu công trình và giảm chấn bằng các thiết bị tiêu tán năng lượng [2]. Dao động trong bảo hộ lao động [5]. Các phương pháp làm 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 dòng chảy ít nhất.
Giải pháp này áp dụng cho kết cấu chịu tải do dòng 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 không 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]. Trong khuôn khổ luận án NCS tập trung vào giải pháp với công cụ tương ứng: “Ứng dụng lý thuyết mờ và đại số gia tử điều khiển dao động kết cấu” trong bài toán điều khiển chủ động dao động của kết cấu nhiều bậc tự do chịu tải gia tốc tại liên kết và kết cấu dầm chịu uốn. Đặc biệt là các kết quả tối ưu và điều chỉnh hệ luật điều khiển định tính của HAC, hiệu quả điểu khiển và tốc độ xử lý của HAC cũng được đề cập.
Ngoài ra, các đối tượng dầm công xôn, khung giàn không gian và con lắc ngược cũng được nghiên cứu và khảo sát với bộ điều khiển HAC. Điều khiển chủ động dao động kết cấu 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 chia thành 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).1 dưới đây thể hiện sơ đồ nguyên lý của các phương pháp điều khiển dao động kết cấu [1, 2] 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 khối lượng, độ cứng và hệ số cản của thiết bị điều khiển; kj, cj lần lượt là độ cứng và hệ số cản của phần nối; A là máy kích động, S là cảm biến đo, C0 là bộ điều khiển.1 Các phương pháp điều khiển dao động kết cấu Điều khiển bị động là phương pháp sử dụng kết cấu phụ có tác dụng tiêu tán năng lượng dẫn đến giảm dao động cho kết cấu. Điều khiển bán chủ động và điều khiển chủ động là các phương pháp điều khiển các hệ động lực được mô tả bởi các phương trình chuyển động.
Đầu ra là các đại lượng cơ học như dịch chuyển, vận tốc, gia tốc.; đầu ra được đo bằng các bộ cảm biến. Đầu vào nhiễu được sinh ra bởi các tác động của môi trường như gió, động đất, sóng, va chạm, phương tiện vận tải hay bất kỳ các nguồn gây dao động nào khác; đầu vào là các đại lượng cơ học như lực, mômen, gia tốc,. được tạo ra bởi các máy kích động thích hợp. Lực điều khiển tác động vào kết cấu trực tiếp (điều khiển chủ động) hay gián tiếp thông qua thiết bị tiêu 7 luan an tán năng lượng (điều khiển bán chủ động).
Như vậy, một hệ điều khiển chủ động bao gồm 3 phần chính: Các cảm biến để đo đáp ứng hoặc kích động ngoài hoặc cả hai, bộ điều khiển là các máy tính được tích hợp các thuật toán điều khiển thích hợp và các máy kích động sinh lực tác động vào kết cấu cần được điều khiển. Bộ điều khiển được coi như một bộ xử lý thông tin để khép kín vòng lặp điều khiển. Vai trò của bộ điều khiển là cung cấp tín hiệu điều khiển như một hàm của các tín hiệu đo. Vì vậy, khi thiết kế, bộ điều khiển được coi như một đối tượng toán học và được mô tả trong khuôn khổ của lý thuyết điều khiển nói chung.
Nếu đầu vào của hệ được điều khiển (tức là kích động ngoài) được giám sát và điều khiển thì người ta gọi hệ là được điều khiển chu trình hở (open-loop control) hay điều khiển dẫn tiếp (feedforward control). Nếu đầu ra của hệ được điều khiển (tức là các đáp ứng) được giám sát và điều khiển thì người ta gọi hệ là được điều khiển chu trình đóng (closed-loop control) hay điều khiển hồi tiếp hoặc phản hồi (feedback control). Trường hợp cả đầu vào và đầu ra của hệ được giám sát và điều khiển thì sẽ dẫn tới khái niệm điều khiển chu trình đóng mở (closed-open loop control) hay điều khiển hồi tiếp - dẫn tiếp (feedback-feedforward control). Về mặt vật lý, hiệu quả của điều khiển hồi tiếp là làm thay đổi các tham số của kết cấu (độ cứng và độ cản) để kết cấu có thể phản ứng tốt hơn với kích động ngoài, hiệu quả của điều khiển dẫn tiếp là làm giảm hoặc triệt tiêu kích động ngoài.
Một vòng lặp của điều khiển chủ động trải qua 3 bước bao gồm đo đạc, xử lý tín hiệu và sinh lực điều khiển. Hiệu quả của điều khiển phụ thuộc vào khả năng thực hiện chính xác 3 bước này. Các yếu tố quyết định bao gồm công nghệ cảm biến, khả năng xử lý của máy tính, thuật toán điều khiển thích hợp, khả năng, độ chính xác và tốc độ của máy kích động, như hiệu quả của cơ cấu tác động lực, công nghệ vật liệu mới và cơ khí chính xác,. Máy kích động và các phương thức điều khiển chủ động 1.
Các loại máy kích động Tất cả các thiết bị khi được điều khiển có khả năng sinh lực đều được coi là máy kích động. Máy kích động có nhiều loại với nguyên lý hoạt động và khả năng sinh lực khác nhau, phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể. Có những loại cỡ rất nhỏ ứng dụng trong các lĩnh vực của cơ điện tử, lại có những loại cỡ rất lớn ứng dụng trong điều khiển kết cấu công trình. Có thể kể đến một số loại máy kích động trong thực tế như sau [2]: Máy kích động dạng thuỷ lực sinh ra lực bằng cách tạo ra áp suất trên bề mặt của đầu pittông trong xi lanh nhờ vào dòng chất lỏng được bơm vào hoặc ra xy lanh.
Loại này có khả năng lớn nhất khoảng vài trăm meganewton. Máy kích động dạng môtơ điện sinh lực nhờ vào chuyển động quay của các mô 8 luan an tơ điện. Nếu cần thiết, máy kích động loại này có thêm hệ thống truyền động biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến. Loại này có khả năng lớn nhất khoảng vài trăm kilonewton.
Máy kích động dạng điện từ là loại máy kích động không sử dụng sự tương tác giữa các thiết bị cơ khí mà sử dụng lực từ giữa 2 dòng điện. Loại này có khả năng lớn nhất khoảng vài kilonewton. Ba loại máy kích động kể trên được phát triển trong nhiều lĩnh vực điều khiển chuyển động và đã được nghiên cứu khá nhiều về mặt công nghệ để có thể trở thành sản phẩm thương mại. Hiện nay, người ta cũng đang phát triển các loại máy kích động mới dựa trên các bộ giảm chấn có van đóng mở, hoặc dựa trên các vật liệu thông minh.