Stochastyczna półaktywna metoda sterowania strukturą oparta na tłumikach magnetoreologicznych z uwzględnieniem opóźnienia czasowego

Summary

W tym artykule zaproponowano metodę stochastycznego optymalnego sterowania półaktywnego z kompensacją opóźnienia czasowego (SOSC-PSO), która ma na celu utrzymanie niezawodności konstrukcji kontrolowanych przez tłumiki MR.

Abstract

Zastosowanie tłumików magnetoreologicznych (MR) w półaktywnych systemach sterowania stoi przed kluczowym wyzwaniem: opóźnieniem czasowym spowodowanym procesami sprzężenia zwrotnego, co zmniejsza niezawodność konstrukcji inżynierii lądowej pod wpływem wzbudzeń stochastycznych. W artykule zaproponowano metodę stochastycznego optymalnego sterowania półaktywnego z kompensacją opóźnienia czasowego (SOSC-PSO), wykorzystując teorię fizycznego stochastycznego sterowania optymalnego (PSO) w celu rozwiązania tego problemu i utrzymania niezawodności strukturalnej. Proponowana metoda wyprowadza półaktywną siłę sterowania jako funkcję zarówno aktualnych, jak i poprzednich stanów, kompensując opóźnienia czasowe w procesie sterowania. Aby zoptymalizować skuteczność sterowania, kluczowe parametry są dostrajane w oparciu o kryterium niezawodności systemu. Analizy walidacyjne konstrukcji o pojedynczym i wielu stopniach swobody pod stochastycznymi wzbudzeniami sejsmicznymi pokazują, że opóźnienia czasowe znacznie pogarszają działanie tłumików MR. Jednak metoda SOSC-PSO z kompensacją opóźnienia czasowego znacznie poprawia skuteczność sterowania, a dzięki zoptymalizowanym parametrom zwiększa niezawodność systemu kontroli strukturalnej w porównaniu z metodami bez optymalizacji parametrów.

Introduction

Poprawa wydajności konstrukcji inżynierskich w obliczu katastrofalnych zdarzeń, takich jak trzęsienia ziemi i ekstremalne wiatry, pozostaje głównym problemem w społeczności inżynierii lądowej. Udowodniono, że kontrola strukturalna, skuteczna technika redukcji drgań, zwiększa zarówno bezpieczeństwo, jak i funkcjonalność takich konstrukcji^1,2,3. W ciągu ostatnich kilku dekad opracowano w tym celu różne zaawansowane metody i technologie. Metody te można ogólnie podzielić na cztery kategorie w zależności od rodzaju energii wykorzystywanej do napędzania urządzeń sterujących: aktywne, półaktywne, pasywne i hybrydowe systemy sterowania^4,5,6,7.

W aktywnym sterowaniu, wymagana siła sterowania jest bezpośrednio stosowana przez urządzenia sterujące, co wymaga znacznej ilości energii^8,9,10. Z kolei sterowanie półaktywne polega na dostosowaniu właściwości urządzeń sterujących (takich jak tłumienie czy sztywność) w oparciu o sygnały sterujące, wymagając znacznie mniej energii w porównaniu z systemami aktywnymi¹¹. Z kolei sterowanie pasywne opiera się na rozpraszaniu energii bez żadnego zewnętrznego dopływu energii do systemu^12,13,14. Systemy hybrydowe łączą w sobie cechy aktywnych/półaktywnych i pasywnych strategii sterowania, aby osiągnąć bardziej efektywną wydajność¹⁵. Wśród tych podejść, sterowanie półaktywne jest uważane za szczególnie obiecujące ze względu na równowagę między niskim zużyciem energii a wysoką wydajnością^16,17,18. Tłumik magnetoreologiczny (MR), o doskonałej charakterystyce tłumienia dynamicznego, jest uważany za jedno z najskuteczniejszych półaktywnych urządzeń sterujących^19,20,21,22.

Jednak pojawia się wyzwanie w półaktywnych systemach sterowania, które wykorzystują tłumiki MR, ponieważ logika sprzężenia zwrotnego nieuchronnie wprowadza opóźnienia czasowe. Opóźnienia te są zazwyczaj spowodowane kilkoma czynnikami^23,24,25, w tym: (i) pozyskiwanie i przetwarzanie danych z czujników, (ii) obliczanie wymaganej siły sterującej przez sterownik²⁶, (iii) transmisja sygnału przez przetworniki do tłumików MR²⁷, oraz (iv) rzeczywiste generowanie siły przez same tłumiki MR²⁸. Takie opóźnienia czasowe mogą prowadzić do rozbieżności między wytworzonej siłą sterującą a siłą oczekiwaną przez konstrukcję, znacznie pogarszając skuteczność sterowania²⁹. Niestety, większość istniejących algorytmów sterowania amortyzatorami MR nie uwzględnia tych opóźnień.

Dodatkowo, ze względu na wrodzoną losowość zdarzeń katastroficznych, każdy skuteczny półaktywny algorytm sterowania musi być w stanie utrzymać wydajność w warunkach wzbudzeń stochastycznych. Metoda liniowego kwadratowego sterowania gaussowskiego (LQG), klasyczna technika optymalizacji stochastycznej, została zbadana w celu łagodzenia drgań w konstrukcjach wyposażonych w tłumiki MR. Na przykład Dyke i in. zaproponowali optymalną strategię sterowania LQG w celu poprawy reakcji sejsmicznej konstrukcji wyposażonych w amortyzatory MR, wykorzystując sprzężenie zwrotne przyspieszenia³⁰. Ying i in. wprowadzili nieprzyciętą, półaktywną stochastyczną optymalną strategię sterowania dla struktur nieliniowych z tłumikami MR, obejmującą uśrednianie stochastyczne i techniki programowania dynamicznego³¹. W innych badaniach zastosowano sterowanie LQG oparte na modalach w celu poprawy właściwości sejsmicznych budynków izolowanych od podstawy¹⁹ i przeanalizowano jego skuteczność w ograniczaniu drgań w wieżach turbin wiatrowych³². Jednak klasyczne metody LQG, które zakładają biały szum Gaussa, nie nadają się dobrze do modelowania niestacjonarnej, niegaussowskiej natury rzeczywistych wzbudzeń, takich jak trzęsienia ziemi czy silne wiatry. Aby rozwiązać ten problem, opracowano koncepcję optymalnej kontroli stochastycznej (PSO) opartej na fizyce^33,34, która pokonuje ograniczenia tradycyjnych metod LQG i oferuje dokładniejsze ramy do obsługi różnych wzbudzeń stochastycznych³⁵. Badania wykazały, że półaktywna stochastyczna kontrola optymalna oparta na PSO znacznie poprawia tłumienie drgań zarówno w konstrukcjach liniowych, jak i nieliniowych poddanych stochastycznym siłom sejsmicznym³⁶.

Dlatego istnieje pilna potrzeba solidnej metody półaktywnej kontroli, która kompensuje opóźnienia czasowe, zwiększając niezawodność struktur kontrolowanych przez amortyzatory MR^25,37. Ponadto, aby zapewnić optymalną wydajność sterowania przy wzbudzeniach stochastycznych, niezbędna jest optymalizacja krytycznych parametrów proponowanej metody sterowania przy użyciu podejścia opartego na niezawodności. W związku z tym w niniejszej pracy zaproponowano metodę stochastycznego optymalnego sterowania półaktywnego z kompensacją opóźnienia czasowego (SOSC-PSO) w celu poprawy niezawodności konstrukcji z tłumikami MR.

Protocol

1. Stochastyczna optymalna półaktywna metoda sterowania

Ponieważ efekt sterowania amortyzatora MR jest znacznie wpływający przez nieunikniony opóźnienie czasowe, opracowano półaktywną metodę sterowania z algorytmem kompensacji opóźnienia czasowego w celu zwiększenia wydajności sterowanej struktury. Ponadto przypadkowość zadana w zewnętrznych pobudzeniach powoduje wyraźne niepewności odpowiedzi dynamicznych. Wprowadzono sterowanie PSO w celu optymalizacji krytycznych parametrów zaproponowanej metody w celu zapewnienia niezawodności systemu sterowania strukturą.

1.1 Algorytm kompensacji półaktywnego sterowania

Bez utraty ogólności, rozważymy strukturę n-stopniową (n-DOF) sterowaną amortyzatorami MR z opóźnieniem czasowym, dla której równanie ruchu poddanego losowym pobudzeniom jest dane przez:

(1)

Gdzie reprezentują macierze mas, tłumienia i sztywności struktury o wymiarach n x n; n reprezentuje liczbę stopni swobody sterowanej struktury. Wektory przemieszczenia, prędkości i przyspieszenia struktury są reprezentowane odpowiednio przez . Małe kropki i kropki nad symbolami reprezentują pierwsze i drugie pochodne czasowe. U_s (t - t_D) reprezentuje wektor r-wymiarowy opóźnionej siły sterującej amortyzatorów MR, a r reprezentuje liczbę amortyzatorów; t oznacza czas; t_D oznacza opóźnienie czasowe, zakładane jako jednolite dla wszystkich amortyzatorów w niniejszym badaniu, gdzie , przy czym integralna liczba , a oznacza okres próbkowania. reprezentuje p-wymiarowy wektor losowych pobudzeń, a reprezentuje wektor parametrów losowych charakteryzujący przypadkowość związaną z zewnętrznymi pobudzeniami. Wymiar zależy od modelu stosowanego do zewnętrznych pobudzeń, ale nie jest związany z mechanicznymi stopniami swobody struktury. B_s i D są macierzami n x r i n x p, które określają lokalizację amortyzatorów i zewnętrznych pobudzeń, odpowiednio. W reprezentacji przestrzeni stanów, równ. (1) jest zapisane jako:

(2)

Gdzie reprezentuje 2n-wymiarowy wektor stanu; reprezentuje macierz układu 2n x 2n;

Results

Dążąc do wpływu opóźnienia czasowego na skuteczność kontroli metodą opartą na tłumiku MR, w tym artykule zaproponowano półaktywną metodę kontroli z kompensacją opóźnienia czasowego. W proponowanej metodzie parametry krytyczne są optymalizowane w oparciu o kryterium niezawodności. Porównując skuteczność kontroli, nasuwa się następujące wnioski:

(1) Metoda kontroli półaktywnej oparta na amortyzatorze MR jest bardziej odporna niż metoda kontroli aktywnej. Nawet z opóźnieniem czasowym, półaktywne ...

Discussion

Wraz z wprowadzeniem Fizycznej Stochastycznej Teorii Sterowania Optymalnego (PSO), w niniejszej pracy zaproponowano metodę Stochastic Optimal Semi-active Control z kompensacją opóźnienia czasowego (SOSC-PSO), która ma na celu utrzymanie niezawodności konstrukcji kontrolowanych przez tłumiki MR. Aby skompensować opóźnienie czasowe w proponowanej metodzie, półaktywna siła sterująca jest wyprowadzana jako funkcja nie tylko obecnych stanów, ale także stanów i sił sterujących w poprzednich krokach czasowych w dyskretnej przes...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
MATLAB	MathWorks	2016	Używanie do obliczania proponowanej metody