Time Delay를 고려한 Magnetorheological Dampers를 기반으로 한 Stochastic Semi-active Control Method of Structure

Summary

본 논문에서는 MR 댐퍼에 의해 제어되는 구조물의 신뢰성을 유지하도록 설계된 SOSC-PSO(Time Delay Compensation)를 사용한 확률적 최적 반능동 제어 방법을 제안합니다.

Abstract

반능동 제어 시스템에서 MR(Magnetorheological) 댐퍼를 사용하는 것은 피드백 프로세스로 인한 시간 지연이라는 주요 과제에 직면해 있으며, 이는 확률적 여기 하에서 토목 공학 구조물의 신뢰성을 감소시킵니다. 이 논문은 이 문제를 해결하고 구조적 신뢰성을 유지하기 위해 물리적 확률 최적 제어 이론(PSO)을 활용하여 시간 지연 보상(SOSC-PSO)을 사용하는 확률적 최적 반능동 제어 방법을 제안합니다. 제안된 방법은 반능동 제어력을 현재 상태와 이전 상태 모두의 함수로 도출하여 제어 프로세스의 시간 지연을 보상합니다. 제어 효율성을 최적화하기 위해 주요 매개변수는 시스템의 신뢰성 기준에 따라 조정됩니다. 확률적 지진 가진(stochastic seismic excitations) 하에서 단일 자유도 및 다중 자유도 구조에 대한 검증 분석은 시간 지연이 MR 댐퍼의 성능을 크게 손상시킨다는 것을 보여줍니다. 그러나 시간 지연 보상이 있는 SOSC-PSO 방법은 제어 효율성을 크게 향상시키고, 최적화된 매개변수를 통해 매개변수 최적화가 없는 방법을 넘어 구조 제어 시스템의 신뢰성을 향상시킵니다.

Introduction

지진 및 극심한 바람과 같은 재앙적인 사건에 직면하여 엔지니어링 구조물의 성능을 개선하는 것은 토목 공학 커뮤니티의 주요 관심사로 남아 있습니다. 진동을 줄이기 위한 효과적인 기술인 구조 제어는 이러한 구조물의 안전성과 기능을 모두 향상시키는 것으로 입증되었습니다 ^1,2,3. 지난 수십 년 동안 이를 위해 다양한 첨단 방법과 기술이 개발되었습니다. 이러한 방법은 제어 장치를 구동하는 데 사용되는 에너지 유형에 따라 능동, 반 능동, 수동 및 하이브리드 제어 시스템의 네 가지 범주로 크게 분류 할 수 있습니다 4,5,6,7.

능동 제어에서 필요한 제어력은 제어 장치를 통해 직접 적용되므로 상당한 양의 에너지가 필요합니다 ^8,9,10....

Protocol

1. 확률적 최적 반능동 제어 방식

MR 댐퍼의 제어 효과는 불가피한 시간 지연에 의해 큰 영향을 받기 때문에 제어 구조물의 성능을 높이기 위해 시간 지연 보상 알고리즘을 사용한 반능동 제어 방법이 개발됩니다. 게다가, 외부 흥분에 내재된 무작위성은 동적 반응의 명백한 불확실성을 야기합니다. PSO 제어는 구조 제어 시스템의 신뢰성을 보장하기 위해 제안된 방법의 중요한 매개변수를 최적화하기 위해 도입되었습니다.

1.1 semi-active control의 보상 알고리즘

일반성을 잃지 않고 시간 지연이 있는 MR 댐퍼에 의해 제어되는 n-DOF(n-Degree-Of-Freedoms) 구조를 고려하면 확률적 가진에 영향을 받는 모션 방정식은 다음과 같이 주어집니다.

(1)

여기서....

Results

본 논문에서는 MR 댐퍼 기반 방식의 제어 효과에 대한 시간 지연의 영향을 목표로 시간 지연 보상을 이용한 반능동 제어 방법을 제안한다. 제안된 방법에서 중요 매개변수는 신뢰성 기준에 따라 최적화됩니다. 통제 효과를 비교하면 다음과 같은 결론을 도출할 수 있습니다.

(1) MR 댐퍼를 기반으로 한 반능동 제어 방식은 능동 제어 방식보다 견고합니다. 시간 지연이 있더라도 반 능동 제어 시스템은 여전히 일부 제어 효과를 달성하지만 불안정하지는 않습니다.

(2) MR 댐퍼를 이용한 반능동 제어 방식의 제어 효율성은 시간 지연에 의해 크게 영향을 받으며, 이는 시간 지연과 함께 특징적인 주기적 변동을 보인다.

(3) 시간 지연 보상으로 반능동 제어 구조의 신뢰성이 획기적으로 향상되고 불확실성이 감소합니다.

Discussion

본 논문에서는 PSO(Physical Stochastic Optimal Control Theory)를 도입하여 MR 댐퍼에 의해 제어되는 구조물의 신뢰성을 유지하기 위해 설계된 SOSC-PSO(Time Delay Compensation)를 이용한 확률적 최적 반능동 제어 방법을 제안한다. 제안된 방법의 시간 지연을 보상하기 위해 반능동 제어력은 현재 상태뿐만 아니라 이산 상태 공간에서 이전 시간 단계의 상태 및 제어력의 함수로 파생됩니다. 신뢰성에 대한 최적의 제어 효율성을 달성하기 위해 SOSC-PSO 방법의 중요 매개변수는 구조 제어 시스템의 신뢰성 기준에 따라 최적화됩니다.

검증을 위해 확률적 지진 여기를 받고 MR 댐퍼에 의해 제어되는 단일 자유도 및 다중 자유도를 가진 구조를 조사합니다. 분석 결과, MR 댐퍼의 제어 효율성은 시간 지연에 의해 크게 저하되는 것으로 나타났습니다. 그럼에도 불구하고, 시간 지연 .......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
MATLAB	MathWorks	2016	제안된 방법의 계산에 사용