In recent years, research on active control of large structures such as buildings has been receiving increasing attention. With goal of protecting the building under earthquakes many control strategies have been developed. Linear quadratic regulator(LQR) formulation has been used extensively in many control systems designed for structural control applications. However one of the most difficult issues faced in control system design under severe earthquakes is actuator saturation. All control devices have limitation on the amount of force, torque, and flow rate that they can produce. To use the capacity of actuator fully researches on "saturation control" have been investigated for several decades. Several saturation control algorithms have been proposed as more effective ones than linear control algorithms for the control of the structural vibration when the peak response occurs during the first few cycles under earthquakes.
The purpose of this paper is to investigate the usefulness of the proposed saturation control algorithms for the structural vibration control under severe exciting loads from the practical point of view. As a result the modified bang-bang control algorithm is confirmed to be the most promising compared to others. However it is effective only under the certain range of the parameter determining the wave shape of control force and can be unstable outside of the range. Based on this investigation, a new method which can be stably applied to the structural vibration control under severe external excitations is proposed using the modified bang-bang control algorithm. And its usefulness is shown through simulation and experiment using a test structure with AMD(Active Mass Damper) under severe base excitations.
고층 건물 진동의 능동 제어 방법으로서 구조물의 최상층에 유압식 AMD를 설치, 이용하는 방법이 실용화 단계에 있는데 지진과 같은 큰 에너지를 갖는 외력이 구조물에 작용할 경우에 구조물의 진동 레벨을 줄이기 위해서는 구동기의 제어력이 크게 요구되지만 실제 구동기가 가지는 제어력은 한계를 가지고 있다. 따라서 실제 구동기의 거동은 구동기가 가지는 최대 제어력 근처 또는 그 이상인 경우가 생기게 된다. 하지만 기존의 AMD의 제어에 주로 사용된 LQ 제어와 같은 선형 이론은 구동기의 제어력 범위 내에서만 사용할 수 있으므로 이와 같은 경우에 대해서는 적합하지 못하다. 따라서 기존의 최적 제어 이론에 구동기의 제어력을 제한 조건으로 두어 최적의 제어력을 계산하는 뱅뱅 제어(Bang-Bang Control)이론을 적용함이 더욱 적합하다. 그러나 뱅뱅 제어 이론을 그대로 실제에 적용하기에는 문제점이 있으며 또한 구동기의 실제적인 성능을 고려 할 때 거의 불가능하다. 본 논문에서는 Wu등이 제안한 수정된 뱅뱅 제어(Modified Bang-Bang Control) 이론을 설계자가 고려한 이상의 과도한 외부 기진력에 대해 적용함에 있어 발생할 수 있는 문제점을 보이고 이를 극복하기 위한 제어 방법을 제시하였다. 먼저 지금까지 포화 제어(Saturation Control) 이론으로 제안된 뱅뱅 제어 이론, 준최적 뱅뱅 제어 이론과 수정된 뱅뱅 제어 이론에 대하여 살펴보고, 설계자가 고려한 지진 기진력보다 더 큰 지진 기진력이 온 경우 제어 시스템이 안정하게 작동하면서 구조물에 대하여 제어 성능을 내는 제어 방법을 제시하였다. 또한 실험에 이용될 유압식 AMD를 수학적으로 모델링하기 위해 이의 동특성을 파악하고, 시험 구조물(4기둥지지 후판구조물(가로×세로×높이=1200mm×800mm×1600mm))에 AMD를 설치하여 제어력의 한계를 넘는 외부의 기진력에 대한 제안된 방법의 유용성과 제어 성능을 수치실험과 실험을 수행하여 확인하였다.
