Điều khiển bộ cách ly dao động bằng thuật toán skyhook

Đây là công nghệ sử dụng các bộ cảm biến để đo dao động, sử dụng bộ điều khiển để phân tích dao động và sinh ra tín hiệu điều khiển gửi đến các bộ cản có thể điều chỉnh được độ cản một c

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS LÃ ĐỨC VIỆT

Hà Nội – Năm 2018

Tôi xin cam đoan các nội dung, số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Ký tên

Dương Đức Chiến

Đại c Qu c Gia Hà Nội,bằn sự biết ơn và kín tr n ,em xin ửi lời cảm ơn c ân

t àn đến Ban Gi m iệu,c c p òn ,k oa t uộc rườn Đại c K oa H c ự Nhiên-Đại c Qu c Gia Hà Nội và c c Gi o sư,P.Gi o sư, iến sĩ đã n iệt t n ướn dẫn, iản dạy và tạo m i điều kiện t u n lợi iúp đỡ em tron su t qu tr n

c t p,n iên cứu và oàn t iện đề tài n iên cứu k oa c này

Đặc biệt,em xin bày tỏ lòn biết ơn sâu sắc tới PGS S.Lã Đức Việt,n ười t ầy đã trực tiếp ướn dẫn, iúp đỡ em tron qu tr n t ực iện đề tài

uy n iên điều kiện về năn lực bản t ân còn ạn c ế,đề tài n iên cứu k oa c

c ắc c ắn k ôn tr n k ỏi n ữn t iếu sót.Kín mon n n được sự đón óp ý kiến của c c t ầy cô i o,bạn bè và đồn n iệp để bài n iên cứu của em được oàn t iện ơn

Em xin trân tr n cảm ơn!

Hà Nội,29 t n 11 năm 2018

c iả

Dươn Đức C iến

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

MỞ ĐẦU 5

CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT VỀ BỘ CÁCH LY DAO ĐỘNG THỤ ĐỘNG 7

1.1 Tổng quan về bộ cách ly dao động 7

1.2 Cách ly lực truyền tới nền móng 10

1.3 Cách ly dao động với chuyển động nền 12

1.4 Cách ly va đập 17

1.5 Kết luận chương I 20

CHƯƠNG II: BỘ CÁCH LY DAO ĐỘNG DẠNG BÁN CHỦ ĐỘNG 22

2.1 Tổng quan 22

2.2 Các thiết bị bán chủ động 25

2.3 Cản bán chủ động so sánh với cản thụ động 27

2.4 Điều khiển skyhook 29

2.5 Điều khiển bật tắt tốt nhất trên lý thuyết 36

2.6 Kết luận chương II 42

CHƯƠNG III: PHÂN TÍCH GIẢI TÍCH THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN SKYHOOK 43

3.1 Đặt bài toán 43

3.3 Kiểm tra tính đứng đắn của lời giải giải tích 51

3.4 Những kết luận rút ra từ lời giải giải tích 54

3.5 Đáp ứng với kích động di tần tuyến tính 59

3.6 Kết luận chương III 63

KẾT LUẬN 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

MỞ ĐẦU

Cách ly dao động là cần thiết trong trường hợp các thiết bị nhạy cảm với dao động được đỡ bởi nền bị dao động Một số ví dụ cho trường hợp này tương ứng với kính viễn vọng trên tàu vũ trụ, công cụ máy chính xác trong phân xướng hay ghế hành khách trong ô tô Cách ly dao động dạng thụ động được sử dụng rộng rãi để đỡ các thiết bị và bảo vệ nó khỏi dao động của nền Tuy nhiên bộ cách ly dạng thụ động kinh điển chịu sự thỏa hiệp cố hữu giữa sự cách ly kém ở tần số cao với sự khuếch đại dao động ở tần số cộng hưởng của giá đỡ Điều này được thể hiện qua sự tồn tại của điểm

cố định trên đồ thị đáp ứng tần số mà tại đó tỷ số truyền không thể thay đổi bởi bộ cách ly dạng thụ động

Để khắc phục các hạn chế của bộ cách ly thụ động, hiện nay người ta đang phát triển các bộ cách ly dạng bán chủ động Đây là công nghệ sử dụng các bộ cảm biến để

đo dao động, sử dụng bộ điều khiển để phân tích dao động và sinh ra tín hiệu điều khiển gửi đến các bộ cản có thể điều chỉnh được độ cản một cách nhanh chóng Một thuật toán phổ biến và hiệu quả để điều khiển bộ cản bán chủ động là thuật toán bật tắt skyhook Tuy nhiên bộ cách ly dao động với thuật toán bật tắt skyhook không có lời giải giải tích và phần lớn các phân tích trong quá khứ là bằng phương pháp số

Luận văn trình bày lời giải giải tích xấp xỉ cho bộ cách ly dao động bán chủ động điều khiển bằng thuật toán bật tắt skyhook Lời giải giải tích đưa ra được những kết luận hữu ích cho bộ điều khiển Mục tiêu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu của luận văn bao gồm:

Mục tiêu của luận văn là đưa ra lời giải giải tích của đáp ứng của bộ cách ly

dao động điều khiển bằng thuật toán bật tắt skyhook Trên phương diện lý thuyết, mục tiêu của luận văn là đưa ra công thức giải tích và dẫn ra các kết luận hữu ích từ công thức đó Trên phương diện mô phỏng số, mục tiêu của luận văn là chứng tỏ độ tin cậy của lời giải giải tích

Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn là bộ cách ly dao động của hệ dao động 1

bậc tự do, được điều khiển bởi thuật toán bật tắt skyhook

Về phương pháp nghiên cứu, luận văn sử dụng phương pháp cân bằng điều

hòa cùng kỹ thuật tịnh tiến thời gian để tìm ra nghiệm giải tích dạng đơn giản Thông qua mô phỏng số trên phần mềm Matlab sẽ đánh giá độ tin cậy của lời giải

Nội dung của luận văn bao gồm phần mở đầu, kết luận và ba chương bao gồm:

Chương 1 Lý thuyết về bộ cách ly dao động thụ động: Chương này trình bày

tổng quan và lý thuyết cơ bản về bộ cách ly dao động dạng thụ động Những hạn chế của bộ cách ly thụ động sẽ được làm rõ để là tiền đề cho sự phát triển của bộ cách ly dạng bán chủ động

Chương 2 Bộ cách ly dao động dạng bán chủ động: Chương này trình bày

tổng quan và một số thuật toán điều khiển cơ bản của bộ cách ly dạng bán chủ động

Chương 3 Phân tích giải tích thuật toán điều khiển skyhook: Chương này

đưa ra lời giải giải tích của bài toán cùng với các kết luận hữu ích rút ra từ lời giải đó Các tính toán số sẽ được thực hiện để khẳng định độ tin cậy của lời giải giải tích

Kết luận chung Trình bày các kết quả chính đã thu được trong luận văn

CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT VỀ BỘ CÁCH LY DAO ĐỘNG THỤ ĐỘNG

1.1 Tổng quan về bộ cách ly dao động

Cách ly dao động là một quy trình mà theo đó các hiệu ứng không mong muốn của dao động được giảm đi [3] Về cơ bản, nó liên quan đến việc chèn một thành phần đàn hồi (hoặc cách ly) giữa khối lượng dao động (hoặc thiết bị hoặc tải trọng) và nguồn dao động để độ giảm đáp ứng động lực của hệ thống có thể đạt được trong điều kiện xác định của kích thích dao động Một hệ thống cách ly được gọi là chủ động hoặc thụ động phụ thuộc vào việc có cần nguồn điện bên ngoài để bộ cách ly thực hiện chức năng của nó hay không Một bộ cách ly thụ động bao gồm một thành phần đàn hồi (độ cứng) và một bộ tiêu tán năng lượng (độ cản) Ví dụ về các bộ cách ly thụ động bao gồm lò xo kim loại, xốp, lò xo khí nén và lò xo đàn hồi (cao su) Hình 1 cho thấy các giá đỡ lò xo và khí nén điển hình có thể được sử dụng như các bộ cách ly thụ động và hình 2 minh họa việc sử dụng các bộ cách ly thụ động trong máy dập tốc độ cao

Hình 1: (a) Bệ lò xo không cản; (b) Bệ lò xo có cản; (c) Bệ cao su khí nén

Hình 2: Máy dập tốc độ cao gắn trên giá đỡ cao su khí nén

Cách ly dao động có thể được trong hai loại tình huống (hình 3) Trong loại đầu tiên, nền của máy rung được bảo vệ khỏi các lực mất cân bằng lớn Trong loại thứ hai, hệ thống được bảo vệ khỏi chuyển động của nền

Hình 3: Bộ cách ly dao động

Loại cách ly đầu tiên được sử dụng khi khối lượng (hoặc máy) chịu lực hoặc kích thích Ví dụ, trong rèn và dập ép, lực đẩy lớn tác động lên đối tượng được rèn hoặc ép Những tác động này được truyền đến đế nền của máy rèn hoặc dập, có thể làm hỏng không chỉ nền móng mà còn có thể làm hỏng các kết cấu và máy móc xung quanh hoặc gần đó Chúng cũng có thể gây khó chịu cho người vận hành các máy này Tương

tự như vậy, trong trường hợp các máy quay và tịnh tiến các lực không cân bằng cố hữu được truyền tới đế hoặc nền của máy Trong những trường hợp như vậy lực truyền tới

đế thay đổi điều hòa và các ứng suất tạo thành trong bu lông nền cũng thay đổi một cách điều hòa vốn có thể hiện tượng mỏi Ngay cả khi lực truyền không phải là điều hòa cường độ của nó được giới hạn ở các giá trị an toàn cho phép Trong các ứng dụng này, chúng ta có thể chèn một bộ cách ly (ở dạng độ cứng và / hoặc giảm xóc) giữa khối lượng chịu lực hoặc kích thích và đế hoặc nền móng để giảm lực truyền tới đế hoặc nền móng Điều này được gọi là cách ly lực Trong nhiều ứng dụng, bộ cách ly cũng được thiết kế để giảm chuyển động dao động của khối lượng dưới lực tác động (như trong trường hợp máy rèn hoặc dập) Do đó cả sự truyền tải lực và chuyển dịch trở nên quan trọng

Loại cách ly thứ hai được sử dụng khi khối lượng được bảo vệ khỏi chuyển động hoặc kích thích nền Khi nền chịu dao động, khối lượng m sẽ không chỉ chịu một dịch chuyển x (t) mà còn là một lực Sự dịch chuyển khối lượng x (t) được mong đợi nhỏ hơn sự dịch chuyển của gốc y (t) Ví dụ, một dụng cụ hoặc thiết bị tinh tế phải được bảo vệ khỏi chuyển động của thùng chứa hoặc bao bì của nó (như khi chiếc xe mang gói dụng cụ chịu dao động trong khi di chuyển trên một con đường gồ ghề) Lực truyền tới khối lượng cũng cần phải giảm Ví dụ, gói hoặc thùng chứa phải được thiết

kế đúng cách để tránh truyền lực lớn tới thiết bị tinh vi bên trong để tránh hư hỏng Lực truyền tới khối lượng m được cho bởi:

               

t

F t mx t k x t y t c x t y t (1) trong đó y (t) là chuyển dịch của nền, x t   y t là chuyển dịch tương đối của lò xo,

và x t   y t là vận tốc tương đối của bộ cản Trong trường hợp này, chúng ta có thể chèn một bộ cách ly (cung cấp độ cứng hoặc độ cản) giữa đế chịu lực hoặc kích động

và khối lượng để giảm chuyển động hoặc lực truyền tới khối lượng

Do đó cả cách ly chuyển dịch và cách ly lực cũng trở nên quan trọng trong trường hợp này Cần lưu ý rằng hiệu quả của một bộ cách ly phụ thuộc vào bản chất của lực hoặc kích động Ví dụ, một bộ cách ly được thiết kế để giảm lực truyền tới đế hoặc móng do lực va chạm của việc rèn hoặc dập có thể không hiệu quả nếu nhiễu là lực không cân

bằng điều hòa Tương tự, một bộ cách ly được thiết kế để xử lý kích động điều hòa ở một tần số cụ thể có thể không hiệu quả đối với các tần số khác hoặc các loại kích động khác như kích động dạng bước nhảy

và độ cản và được mô hình hóa như một lò xo k và một bộ giảm chấn c,như được biểu diễn trong hình 4 (b)

Hình 4: Máy và thành phần đàn hồi trên nền cứng

Giả thiết rằng hoạt động của máy tạo ra một lực thay đổi điều hòa Phương trình chuyển động của máy (khối lượng m) được cho bởi:

2 2 2

F X

k m  c



(4)

T f

trong đó r là tỷ số tần số Sự thay đổi của Tf theo tỷ số tần số được cho trên hình 5

Hình 5: Sự thay đổi của tỷ số truyền Tf theo r

Để đạt được sự cách ly, lực được truyền tới nền cần phải nhỏ hơn lực kích động Có thể thấy từ hình 5, tần số kích động phải lớn hơn 2 lần tần số tự nhiên của hệ thống

để đạt được sự cách ly dao động

Đối với các giá trị nhỏ của tỷ số cản và với tỷ số tần số r>1, tỷ số truyền lực được cho bởi phương trình (8) có thể xấp xỉ bởi:

2 2

11

1

f t

f

f

T F

độ lớn đến vô hạn ở cộng hưởng

- Mặc dù độ cản làm giảm biên độ của khối lượng (X) cho tất cả các tần số, nó làm giảm lực lớn nhất truyền tới nền chỉ khi r  2 Trên giá trị đó, việc bổ sung cản làm tăng lực truyền xuống

- Nếu tốc độ của máy (tần số cưỡng bức) thay đổi, chúng ta phải thỏa hiệp sự lựa chọn

độ cản để giảm thiểu lực truyền xuống Lượng cản cần đủ để hạn chế biên độ X và lực truyền xuống khi đi qua cộng hưởng, nhưng không quá nhiều làm tăng không cần thiết lực truyền xuống ở tốc độ hoạt động

1.3 Cách ly dao động với chuyển động nền

Trong một số ứng dụng, nền của hệ thống phải chịu chuyển động dao động Ví dụ, nền của một máy như tua-bin trong nhà máy điện có thể chịu chuyển động mặt đất trong một trận động đất Trong trường hợp không có hệ thống cách ly được thiết kế phù hợp, chuyển động của đế được truyền tới khối lượng (tuabin) có thể gây hư hỏng và mất điện Tương tự, một dụng cụ tinh tế (khối lượng) có thể phải được bảo vệ khỏi lực hoặc va chạm khi gói chứa dụng cụ bị bất ngờ bị rơi từ một độ cao

Ngoài ra, nếu thiết bị được vận chuyển thì chiếc xe mang nó có thể bị dao động khi nó

di chuyển trên một con đường gồ ghề với ổ gà Trong trường hợp này, cũng như vậy,

sự cách ly thích hợp sẽ được sử dụng để bảo vệ thiết bị chống lại sự dịch chuyển quá mức hoặc lực truyền từ chuyển động của nền

Đôi khi nền của một hệ thống gồm lò xo – khối lượng - giảm chấn chịu chuyển động điều hòa, như trong hình 6 (a)

mx cx kxkycykY tc Y t A  t (11) trong đó :

 2 2

   

2 2

1 2

Y theo phương trình (17) được thể hiện

trong hình 7, với các giá trị khác nhau của r và ζ

Hình 7: Biến đối của Td theo r

Các khía cạnh sau đây của sự truyền chuyển dịch, có thể được chú ý trong hình 7:

- Đối với một hệ thống không cản, sự truyền chuyển dịch tiến tới vô hạn ở cộng hưởng Do đó thiết bị cách ly không cản được thiết kế để đảm bảo tần số tự nhiên của

hệ thống cách xa tần số kích thích

- Đối với một hệ có cản, độ truyền chuyển dịch (và đó cũng là biên độ chuyển dịch) đạt được giá trị tối đa tại các tỷ số tần số gần 1 Biên độ dịch chuyển lớn nhất của khối lượng có thể lớn hơn biên độ của chuyển động nền, nghĩa là chuyển động nền có thể bị khuếch đại bởi một hệ số lớn

- Độ truyền chuyển dịch gần bằng 1 cho các giá trị nhỏ của tỷ số tần số (r) và chính xác bằng 1 tại r  2

- Tỷ số truyền chuyển dịch lớn hơn 1 với r  2 và nhỏ hơn 1 với r  2 Lưu ý rằng giá trị tỷ số cản nhỏ hơn tương ứng với giá trị Td lớn hơn với r  2 giá trị Td nhỏ hơn với r  2 Đây là một hạn chế cơ bản của bộ cách ly dạng thụ động

Trong hình 6, một lực F được truyền đến nền do phản lực từ lò xo và bộ cản Lực này

2 22

F r

- Tỷ số truyền lực (Tf) sẽ bằng 2 ở tỷ số tần số r  2 cho tất cả các giá trị của tỷ số cản (ζ)

- Với r  2, một giá trị thấp hơn của tỷ số cản tương ứng với giá trị thấp hơn của độ truyền lực

- Với r  2, đối với bất kỳ giá trị cụ thể nào của tỷ số cản, độ truyền lực tăng lên theo r Thể hiện này trái ngược với thể hiện của tỷ số truyền chuyển dịch

- Tỷ số truyền lực gần bằng không ở các giá trị nhỏ của tỷ số tần số r và đạt được giá trị tối đa tại giá trị r gần 1

1.4 Cách ly va đập

Tải trọng va đập (shock load) liên quan đến việc áp dụng một lực trong một thời gian ngắn, thường là trong một khoảng thời gian ít hơn một chu kỳ tự nhiên của hệ thống Các lực có liên quan đến búa rèn, máy đột dập, các vụ nổ là những ví dụ về các lực va đập Sự cách ly va đập có thể được định nghĩa là một quy trình mà theo đó các tác động không mong muốn của va đập được giảm đi Ta chú ý rằng sự cách ly dao động với nhiễu điều hòa (đầu vào) xảy ra với tỷ số tần số r  2, với một giá trị nhỏ hơn của tỷ số cản dẫn đến sự cách ly tốt hơn Ngược lại, sự cách ly va đập phải xảy ra trên một dải tần số rộng, thường là với các giá trị lớn của ζ Do đó, thiết kế cách ly dao động tốt lại là thiết kế cách ly va đập kém và ngược lại Mặc dù có sự khác biệt, các nguyên tắc cơ bản liên quan đến sự cách ly va đập cũng tương tự như các nguyên lý của sự cách ly rung Tuy nhiên, các phương trình là khác nhau do tính chất tức thời của va đập

Một tải va đập thời gian ngắn F (t), được áp dụng trong một khoảng thời gian T nên có thể được coi là một xung:

 0

Điều này chỉ ra rằng việc áp dụng tải trọng va đập thời gian ngắn có thể được coi là tương đương với việc đưa vận tốc ban đầu cho hệ thống Do đó, đáp ứng của hệ thống dưới tải va đập có thể được xác định là nghiệm dao động tự do với vận tốc ban đầu được xác định

2 2

11

trong đó C và 1' C2' làcác hằng số tùy ý xác định từ các điều kiện đầu

Với các điều kiện đầu x t 0x0 và x t 0x0 với các hằng số được xác định bằng:

' ' 0 0

1 0; 2 2

1

n n

    là tần số của dao động có cản Lực truyền xuống nền Ft do lò

xo và giảm chấn được xác định bởi:

cập Trong đó luận văn đi sâu về vấn đề độ cản của bộ cách ly Trong trường hợp độ cản là cố định thì tồn tại giá trị tỷ số tần số bằng 2 mà tại đó tỷ số truyền luôn bằng

1, bộ cách ly dạng thụ động không thể giảm được tỷ số truyền Chương sau sẽ tập trung xem xét trường hợp mà độ cản có thể thay đổi được theo thời gian tùy thuộc vào một thuật toán điều khiển thích hợp nào đó

CHƯƠNG II: BỘ CÁCH LY DAO ĐỘNG DẠNG BÁN CHỦ ĐỘNG

Cách ly dao động có thể đạt được bằng các phương thức thụ động, bán chủ động và chủ động Cho đến khoảng năm 1990, chỉ có các biện pháp kiểm soát thụ động thường được xem xét cho các hệ thống kỹ thuật thực tế và lý thuyết cơ bản cho các biện pháp này đã được trình bày kỹ lưỡng trong nhiều tài liệu, ví dụ [4] Theo truyền thống, các

kỹ sư đã giải quyết được vấn đề cách ly dao động bằng cách thiết kế các hệ thống thụ động dựa trên các vật liệu phù hợp chẳng hạn như cao su để tách rời động lực thiết bị khỏi động lực của nền Thông thường dao động của nền có dạng sóng không thể đoán trước và các bộ cách ly thụ động phải giải quyết vấn đề với phổ kích thích băng thông rộng Tuy nhiên, dạng thụ động thông thường của bộ cách ly nói chung cho một hệ thống một bậc tự do là một sự thỏa hiệp giữa (a) cách ly ở tần số cao hơn đòi hỏi giá trị độ cản thấp và (b) kiểm soát dao động tại cộng hưởng đòi hỏi giá trị độ cản cao Đó

là sự thỏa hiệp cố hữu trong hiệu quả của một hệ thống cách ly thụ động

Mặc dù nhiều vấn đề dao động được giải quyết một cách đơn giản và đáng tin cậy với các thiết bị thụ động, rõ ràng là có các giới hạn riêng biệt về hiệu quả khi chỉ sử dụng các thiết bị thụ động Người ta thấy rằng hệ thống cách ly với các thông số có thể được điều chỉnh theo sự thay đổi của kích động và các đặc tính của phản ứng có thể tạo ra hiệu quả cách ly tốt hơn so với các hệ thống thụ động với các thông số cố định Các hệ thống điều khiển chủ động có thể được sử dụng khi yêu cầu hiệu quả cao hơn và kỹ thuật thụ động một mình không thể thực hiện đầy đủ (hoặc khi hoàn thành một nhiệm

vụ thậm chí không thể với các thiết bị thụ động) Điều khiển chủ động sử dụng các bộ truyền lực vừa thêm vừa tiêu hao năng lượng từ hệ thống dựa trên các tín hiệu thu được từ các cảm biến khác nhau Hệ thống điều khiển chủ động đã chứng minh hiệu quả vượt trội so với hiệu quả của các hệ thống thụ động tốt nhất có thể Tuy nhiên một điều rõ ràng là các hệ thống chủ động nói chung đắt đỏ hơn, phức tạp hơn và kém tin cậy hơn so với các hệ thống thụ động Hạn chế chính trong việc áp dụng một hệ thống chủ động cho sự cách ly dao động là việc cần có năng lượng từ bên ngoài Do đó việc triển khai các hệ thống dao động chủ động chỉ hạn chế trong các trường hợp mà hiệu quả đạt được vượt quá những bất lợi do chi phí, sự phức tạp và trọng lượng tăng lên Bằng cách nhận ra cả lợi ích về hiệu quả cũng như hạn chế của hệ thống chủ động do

đó khái niệm kiểm soát dao động bán chủ động đã được phát triển [1]

Điều khiển dao động bán chủ động đề cập đến việc sử dụng các thiết bị có các đặc tính biến đổi để điều khiển hoặc dập tắt dao động của hệ động lực Khái niệm này liên quan đến ứng dụng một thiết bị có thể điều khiển được mà không yêu cầu nguồn năng lượng bên ngoài đáng kể để vận hành Thiết bị bán chủ động có thể đáp ứng các tín hiệu phản hồi được đo từ một hệ thống dao động để kiểm soát các dao động không mong muốn Các tính chất động của hệ thống bán chủ động có thể thay đổi theo thời gian Nhưng chúng chỉ có thể tiêu tán năng lượng, tức là chúng không thể đưa năng lượng vào hệ thống Do đó thiết bị không sử dụng đáng kể năng lượng bên ngoài so với các hệ thống chủ động đầy đủ

Hệ thống bán chủ động rơi vào ba loại: độ cứng biến đổi, độ cản biến đổi và khối lượng biến đổi Do khối lượng không thể thay đổi trong một thời gian ngắn nên trong hầu hết các trường hợp chỉ có 2 dạng đầu tiên là được xem xét Ở dạng đầu tiên, độ cứng của hệ thống được điều chỉnh để thiết lập một điều kiện không cộng hưởng Ở dạng thứ hai, các thiết bị bán chủ động được hoạt động theo chiến lược điều khiển độ cản bán chủ động để tạo ra lực cản thụ động Đó cũng là dạng cách ly bán chủ động được xem xét trong luận văn này

Các tài liệu đã xuất bản về điều khiển cản bán chủ động cho cách ly dao động,thảo luận về các chiến lược điều khiển và các thiết bị Các thảo luận này có thể được phân loại theo như hình 9

Hình 9: Tổng quan về các phương pháp cách ly dao động trong các tài liệu nghiên cứu Hình 9 cho thấy có bốn cách được thiết lập để cách ly dao động Cách ly dao động bán chủ động có thể được thực hiện bằng cách điều khiển khối lượng, độ cứng và độ cản

Kể từ khi xuất hiện vào những năm 1970, các bộ giảm chấn bán chủ động đã tìm thấy ứng dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật và ngày càng thu hút được nhiều sự chú ý hiện nay do khả năng đạt được hiệu quả vượt trội so với bộ giảm chấn thụ động thông thường Để đạt được điều này, thuật toán điều khiển để điểu chỉnh bộ giảm chấn là một trong những yếu tố quyết định sự thành công hay thất bại của một chiến lược kiểm soát cụ thể Các thiết bị mà độ cản có thể thay đổi được là một điểm quan trọng khác

để đảm bảo hiệu quả mong muốn Thuộc tính của bộ giảm chấn bán chủ động như giới hạn trên và giới hạn dưới của hệ số giảm chấn và việc nó chuyển đổi nhanh như thế nào là đặc biệt quan trọng

Hệ thống điều khiển bán chủ động đã được đề xuất trong những năm 1970 khi các bằng sáng chế được cấp cho bộ giảm xóc sử dụng khối lượng được đỡ đàn hồi để kích hoạt van thủy lực (không cần nguồn điện) hoặc sử dụng van điện từ để điều khiển lưu

lượng chất lỏng (đòi hỏi một lượng điện nhỏ) [1] Kể từ đó, một lượng lớn các nghiên cứu về hệ thống bán chủ động đã thực sự được thực hiện trong lĩnh vực kỹ thuật cho các ứng dụng trong dao động ô tô, dao động kết cấu và cách ly dao động

2.2 Các thiết bị bán chủ động

Các thiết bị bán chủ động là các thiết bị thụ động có các thuộc tính có thể thay đổi theo thời gian, với tốc độ có thể so sánh được với đại lượng chu kỳ dao động Với mục đích điều khiển cản bán chủ động, các thiết bị tiêu tán năng lượng khác nhau đã được sử dụng để đạt được độ cản mong muốn Các thiết bị này bao gồm giảm chấn thủy lực, giảm chấn điện biến (Electrorheological: ER) và từ biến (Magnetorheological: MR), các thiết bị ma sát bán chủ động và các thiết bị điện từ

(1) Bộ giảm chấn thủy lực

Bộ giảm chấn thủy lực bán chủ động thường bao gồm cách bố trí xi lanh pit tông thủy lực với cơ cấu van điều khiển Các hệ số cản biến đổi có thể đạt được bằng cách điều chế diện tích khe mà chất lỏng chảy qua (hình 10) Van điều khiển có thể có dạng van điện từ (solenoid) để điều khiển bật tắt hoặc van trợ động (servo) để điều khiển biến thiên liên tục Bộ giảm chấn chất lỏng nhớt đã tìm thấy nhiều ứng dụng trong việc cách ly dao động trong hàng không và điều khiển đáp ứng do động đất gây ra

Hình 10: Bộ giảm chấn có khe thay đổi được

(2) Bộ giảm chấn ER và MR

Bộ giảm chấn ER và MR (hình 11) bao gồm một xi lanh thủy lực chứa các hạt phân cực có kích thước micron trong một chất lỏng (thường là dầu) Cả hai vật liệu ER và

MR đều có khả năng thay đổi từ chất lỏng nhớt chảy tự do sang trạng thái bán rắn trong cỡ phần nghìn giây khi chịu điện hoặc từ trường [8] Các thiết bị này đáng tin cậy về mặt cơ học, vì chúng không chứa bất kỳ bộ phận chuyển động nào Thông tin chi tiết hơn về việc sử dụng bộ giảm chấn ER và MR để kiểm soát rung có thể được tìm thấy trong [8]

Hình 11: Một ví dụ về bộ giảm chấn MR

(3) Thiết bị ma sát bán chủ động

Các thiết bị ma sát bán chủ động sử dụng lực tạo ra bởi ma sát bề mặt để tiêu tán năng lượng Một bộ giảm chấn ma sát lý tưởng có thể được coi như một phần tử lực ma sát trong đó độ lớn bằng tích của hệ số ma sát và lực ép tại mặt ma sát và dấu của vận tốc của chuyển động Bằng việc sử dụng các thiết bị cơ học để thay đổi lực ép giữa 2 mặt

ma sát nên độ cản của thiết bị có thể thay đổi được (hình 12)

Hình 12: Bộ đệm trượt có ma sát điều khiển được

(4) Giảm chấn điện từ

Bộ giảm chấn điện từ sử dụng sự tương tác giữa chuyển động của cuộn dây và từ trường của nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện để tạo ra hiệu ứng cản Khi một cuộn dây của giảm chấn điện từ được nối tắt hoặc kết nối với điện trở bên ngoài, thiết

bị sẽ trở thành một bộ giảm chấn cơ học tuyến tính Mức độ cản có thể thay đổi bằng cách thay đổi điện trở bên ngoài hoặc cường độ của từ trường

Khi điện trở bên ngoài thay đổi thì hệ số cản cũng thay đổi Ở trạng thái mạch hở, hệ

số cản triệt tiêu, trong khi nếu cuộn dây được nối tắt thì hệ số đạt giá trị cực đại Vì điện trở hiệu dụng có thể được thay đổi nhanh chóng bằng điện tử, một bộ truyền động điện có thể hoạt động như một bộ giảm chấn bán chủ động trong các phương tiện giao thông hoặc trong hệ thống treo cách ly dao động

2.3 Cản bán chủ động so sánh với cản thụ động

Bộ giảm chấn bán chủ động là loại thiết bị có đặc tính cản có thể thay đổi để giảm dao động truyền từ nguồn đến máy thu Hình 13 cho thấy sơ đồ của hệ thống một bậc tự do với bộ giảm chấn thụ động thông thường, bán chủ động và chủ động hoàn toàn

Hình 13: Sơ đồ của hệ 1 bậc tự do với các dạng khác nhau của giảm chấn (a) giảm chấn thụ động thông thường; (b) giảm chấn bán chủ động; và (c) thiết bị chủ động Trong cả hai bộ giảm chấn thụ động và bán chủ động, cường độ của lực giảm chấn phụ thuộc vào vận tốc dọc theo bộ giảm chấn Tuy nhiên, đường cong lực theo vận tốc của từng loại không giống nhau Trong cản thụ động, bộ giảm chấn có một đặc tính được xác định trước theo đơn vị lực / vận tốc như trong Hình 14

Hình 14: Mối quan hệ giữa lực giảm chấn và vận tốc tương đối đối với một bộ giảm

thể điều chỉnh được Giá trị độ cản có thể được điều chỉnh bởi bộ điều khiển được lập trình cho bất kỳ loại chiến lược điều khiển nào

Bộ giảm chấn bán chủ động có thể thuộc loại bật tắt hoặc loại biến thiên liên tục Bộ giảm chấn thuộc loại đầu tiên được bật tắt, theo một thuật toán điều khiển phù hợp giữa các trạng thái độ cản bật và tắt Ở trạng thái bật, hệ số cản có độ lớn tương đối cao được chọn trước Thuật ngữ hệ số cản liên quan đến tỷ số của lực giảm chấn được tạo ra bởi bộ giảm chấn với vận tốc tương đối trên bộ giảm chấn, không nhất thiết là một hằng số Ở trạng thái tắt, hệ số cản của bộ giảm chấn có cường độ tương đối thấp

Nó có thể gần như bằng không, nhưng trong nhiều ứng dụng thực tế thì giá trị lớn hơn

0 là cần thiết Một bộ giảm chấn bán chủ động biến thiên liên tục cũng được chuyển đổi giữa các trạng thái bật và tắt Tuy nhiên, khi một bộ giảm chấn biến đổi liên tục ở trạng thái bật thì hệ số cản và lực giảm chấn tương ứng có thể được thay đổi trong một phạm vi giá trị Khái niệm độ cản bán chủ động được minh họa trong Hình 15 (a) và (b)

Hình 15: Khái niệm giảm chấn bán chủ động (a) giảm chấn bật tắt; (b) giảm chấn biến

đổi liên tục

Phần được tô đen của đồ thị trong hình 15 (b) thể hiện phạm vi của các hệ số cản có thể có Hệ số cản của bộ giảm chấn bán chủ động loại bật tắt là một hàm không liên tục trong miền thời gian,như có thể thấy trong hình 16 (a) Hệ số cản của bộ giảm chấn loại bán chủ động liên tục là một hàm liên tục như trong hình 16 (b)

Hình 16: Đặc tính của giảm chấn bán chủ động trên miền thời gian (a) giảm chấn bật

tắt; (b) giảm chấn biến đổi liên tục

2.4 Điều khiển skyhook

Hệ thống bán chủ động ban đầu dựa trên điều khiển bán chủ động skyhook lần đầu tiên được đề xuất bởi Karnopp [1] để mô phỏng bộ giảm chấn skyhook Cái tên

“skyhook” bắt nguồn từ thực tế nó là một bộ giảm chấn thụ động được nối với một bầu trời tưởng tượng Hình 17 (a) cho thấy sự sắp xếp của hệ thống SDOF với bộ giảm chấn skyhook

Hình 17: Hệ thống skyhook và hệ thống chủ động tương đương của nó (a) Sơ đồ của

hệ 1 bậc tự do với giảm chấn skyhook; (b) hệ chủ động

Xem xét hệ thống một bậc tự do (SDOF) với bộ giảm chấn skyhook trong hình 17 (a),

có thể thực tế hóa hệ này bằng cách sử dụng điều khiển hoàn toàn chủ động với lực chủ động được cho trên hình 17 (b) là:

Hình 18: Sơ đồ hệ 1 bậc tự do với giảm chấn bán chủ động

Thiết bị bán chủ động được lắp đặt ở vị trí của bộ giảm chấn thông thường và là thiết

bị thụ động, nhưng lực do thiết bị tạo ra có thể điều khiển được Các tín hiệu kích động

và đáp ứng được đưa vào bộ điều khiển để cung cấp lực giảm chấn mong muốn

Thiết bị thụ động chỉ có thể hấp thụ năng lượng dao động, do đó tích của lực giảm chấn Fsa và vận tốc tương đối xx phải lớn hơn hoặc bằng 0: