Mô phỏng số điều khiển kết cấu hồi tiếp chủ động một số hệ cơ học bằng kỹ thuật nhận dạng kích động

Dao động nếu quá mức nhất định thường gây nên nhiều tác hại nghiêm trọng cho các hệ cơ kỹ thuật. Trong những năm gần đây nhờ sự phát triển của máy tính điện tử, của các thiết bị đo cũng như của các cơ cấu tạo lực ( actuator)...nhiều kỹ thuật đã được đề xuất nhằm giảm thiểu, khống chế, điều khiển các dao động loại này. Trong bài báo này, phương pháp điều khiển dao động chủ động hồi tiếp sử dụng thông tin phản hồi của chuyển vị của hệ động lực đo được nhờ các bộ...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Mô phỏng số điều khiển kết cấu hồi tiếp chủ động một số hệ cơ học bằng kỹ thuật nhận dạng kích động m« pháng sè ®iÒu khiÓn kÕt cÊu håi tiÕp chñ ®éng mét sè hÖ c¬ häc b»ng kü thuËt nhËn d¹ng kÝch ®éng NguyÔn §«ng Anh1 - Ninh Quang H¶i2 1- ViÖn C¬ Häc, 264 §éi CÊn Hµnéi 2- Tr−êng §¹i Häc KiÕn Tróc Hµ néi Tãm t¾t. Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y ®· xuÊt hiÖn nhiÒu ph−¬ng ph¸p, kh¸i niÖm ®iÒu khiÓn míi rÊt hÊp dÉn ch¼ng h¹n nh− ®iÒu khiÓn dùa trªn ®é tin cËy cña Spencer vµ c¸c ®ång sù, ®iÒu khiÓn tr¹ng th¸i h¹n ®Þnh cña Lee and Kozin, Del Grosso vµ Zucchini, ®iÒu khiÓn tham sè vµ dù ®o¸n cu¶ Lai vµ Wang, Rodellar vµ c¸c céng sù, ®iÒu khiÓn dùa trªn c¸c thiÕt bÞ th«ng minh sö dông fuzzy logic... cña Casciati, Faravelli vµ Torelli, Faravelli vµ Venini, Fu, Widrow vµ Lehr. Bµi b¸o nªu tãm t¾t kü thuËt ®iÒu khiÓn håi tiÕp chñ ®éng dùa trªn sù nhËn d¹ng kÝch ®éng bªn ngoµi míi ®−îc ®Ò xuÊt gÇn ®©y. Ph−¬ng ph¸p dùa trªn sù kÕt hîp gi÷a viÖc thu thËp th«ng tin tõ c¸c thiÕt bÞ ®o víi viÖc sö lý cña m¸y tÝnh d· ®−îc trang bÞ thuËt to¸n ®Ó ®iÒu khiÓn c¸c actuator s¶n sinh ra lùc thÝch hîp nh»m gi¶m thiÓu c¸c dao ®éng cã h¹i ®èi víi hÖ ®éng lùc. §Ó minh ho¹, nh÷ng m« pháng sè ph©n tÝch mét vµi hÖ c¬ kü thuËt còng ®−îc tr×nh bµy cho ta thÊy hiÖu qu¶ cña ph−¬ng ph¸p trong viÖc ®iÒu khiÓn dao ®éng. 1. Giíi thiÖu Dao ®éng nÕu qu¸ møc nhÊt ®Þnh th−êng g©y nªn nhiÒu t¸c h¹i nghiªm träng cho c¸c hÖ c¬ kü thuËt. Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y nhê sù ph¸t triÓn cña m¸y tÝnh ®iÖn tö, cña c¸c thiÕt bÞ ®o còng nh− cña c¸c c¬ cÊu t¹o lùc (actuator)... nhiÒu kü thuËt ®· ®−îc ®Ò xuÊt nh»m gi¶m thiÓu, khèng chÕ, ®iÒu khiÓn c¸c dao ®éng lo¹i nµy. Trong bµi b¸o nµy, ph−¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn dao ®éng chñ ®éng håi tiÕp sö dông th«ng tin ph¶n håi cña chuyÓn vÞ cña hÖ ®éng lùc ®o ®−îc nhê c¸c bé c¶m biÕn. Mét siªu m¸y tÝnh ®· ®−îc gµi ®Æt mét thuËt to¸n ®iÒu khiÓn sÏ ra lÖnh cho c¸c actuators t¹o ra lùc thÝch hîp ®Ó lo¹i bá mét phÇn hoÆc c©n b»ng nhiÔu lùc bªn ngoµi. Nhê ®ã, dao ®éng cña hÖ c¬ häc sÏ ®−îc kiÒm chÕ. Ngoµi viÖc tr×nh bµy c¬ së cña thuËt to¸n ®iÒu khiÓn dùa trªn sù nhËn d¹ng kÝch ®éng bªn ngoµi, bµi b¸o cßn minh ho¹ b»ng nh÷ng m« pháng sè ph−¬ng ph¸p nµy trªn mét vµi hÖ dao ®éng cô thÓ. KÕt qu¶ cho thÊy tÝnh hiÖu qu¶ cña kü thuËt ®Ò xuÊt. 2. L−îc ®å ®iÒu khiÓn dao ®éng håi tiÕp chñ ®éng siªu m¸y tÝnh, thuËt to¸n ®iÒu khiÓn c¸c ®Çu ®o actuator ngo¹i kÝch ®éng hÖ ®éng lùc ®¸p øng H×nh 1. L−îc ®å ®iÒu khiÓn dao ®éng håi tiÕp chñ ®éng Mét siªu m¸y tÝnh víi thuËt ®iÒu khiÓn ®−îc l¾p vµo hÖ ®éng lùc, nã sö lý c¸c th«ng tin, d÷ liÖu thu thËp ®−îc tõ nh÷ng m¸y ®o vµ ®iÒu khiÓn hÖ ®éng lùc tr−íc nh÷ng t¸c ®éng cña m«i tr−êng. L−îc ®å tæng qu¸t cña ®iÒu khiÓn dao ®éng håi tiÕp chñ ®éng ®−îc tr×nh bµy trong H×nh 1. 3. m« h×nh to¸n häc cña hÖ dao ®éng cã ®iÒu khiÓn Gi¶ sö r»ng hÖ ®éng lùc cã ®iÒu khiÓn håi tiÕp chñ ®éng ®−îc m« h×nh ho¸ bëi hÖ nhiÒu bËc tù do cã ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng ®−îc m« t¶ bëi ph−¬ng tr×nh vi ph©n phi tuyÕn M&&( t ) + G (z( t ), z( t )) = u ( t ) + f ( t ) z & (1) trong ®ã M lµ ma trËn n×n, z(t)=(z1(t), z2(t),...,zn(t)) lµ vÐc t¬ chuyÓn vÞ n×1, G lµ vÐc t¬ hµm phi tuyÕn cña c¸c thµnh phÇn chuyÓn vÞ vµ vËn tèc, f(t) = (f1(t), f2(t),...,fn(t)) lµ vÐc t¬ n×1 biÓu diÔn kÝch ®éng ngoµi. V× ë ®©y ta xÐt ®iÒu khiÓn håi tiÕp chñ ®éng nªn vÐc t¬ n×1 lùc ®iÒu khiÓn u(t) ®−îc t¹o ra bëi c¸c actuator ®−îc chän nh− hµm cña ®¸p øng tr¹ng th¸i. Tr−íc hÕt ta xÐt dao ®éng kh«ng chÞu kÝch ®éng ngoµi còng nh− lùc ®iÒu khiÓn M&&( t ) + G (z( t ), z( t )) = 0 z & (2) Theo thuËt ng÷ cña lý thuyÕt æn ®Þnh ta gi¶ thiÕt r»ng vÞ trÝ c©n b»ng z = 0, z = 0 cña hÖ (2) & lµ æn ®Þnh theo nghÜa Lyapunov. Víi gi¶ thiÕt nµy bµi to¸n ®iÒu khiÓn hÖ (1) lµ ®i t×m lùc ®iÒu khiÓn chñ ®éng u(t) cÇn thiÕt ®Ó gi÷ chuÈn chuyÓn vÞ nhá h¬n gi¸ trÞ ®· cho ®èi víi mäi nhiÔu ®éng nhá h¬n gi¸ trÞ nµo ®ã mét khi c¸c gi¸ trÞ ban ®Çu cña c¸c chuÈn chuyÓn vÞ vµ vËn tèc ®ñ nhá. VÒ ph−¬ng diÖn to¸n häc ®iÒu nµy cã nghÜa lµ t×m u ( t ) = u (z( t ), z( t ), &&( t )) sao cho z( t ) < δ nÕu z( t 0 ) < ε , z( t 0 ) < ε1 vµ f ( t ) < ε 2 & z & (3) ë ®©y . lµ chuÈn, δ, ε, ε1 vµ ε2 lµ c¸c sè d−¬ng nhá. V× mäi actuator ®Òu cã c«ng suÊt giíi h¹n u ( t ) ≤ u 0 . V× hÖ dao ®éng kh«ng bÞ nhiÔu lµ æn ®Þnh nªn râ rµng r»ng luËt ®iÒu khiÓn tèt ë ®©y lµ u(t) = - µf(t) víi 0 < µ ≤1 (4) trong ®ã µ ®−îc chän tõ ®iÒu kiÖn µ f (t) ≤ u 0 (5) Thùc vËy, víi luËt ®iÒu khiÓn (4) th× kÝch ®éng ngoµi ®−îc lo¹i bá mét phÇn (µ f(t)+u(t) = f(t) - µf(t-∆) (7) D−êng nh− lµ nÕu ∆ ®ñ nhá vµ µ gÇn 1 th× lùc tæng hîp t¸c dông lªn hÖ dao ®éng còng sÏ rÊt nhá. 4. LuËt ®iÒu khiÓn LuËt ®iÒu khiÓn ®−îc x©y dùng ®Ó chØ ra c¸ch nhËn d¹ng lÞch sö ngo¹i kÝch ®éng víi thêi gian trÔ (NguyÔn ®«ng Anh [1]). §Ó thuËn tiÖn ta cho M trong ph−¬ng tr×nh (1) lµ ma trËn ®¬n vÞ. Gi¶ sö T lµ thêi gian ngo¹i lùc t¸c ®éng. H¬n thÕ, gi¶ thiÕt r»ng ta cã thÓ ®o ®−îc mäi thµnh phÇn cña vÐc t¬ chuyÓn vÞ cña hÖ dao ®éng còn ...