A cable-stayed bridge has become a popular type of bridge throughout the world because of its aesthetic shape, structural efficiency, and economical construction. However, such a structure may be vulnerable to dynamic loads such as earthquakes and strong winds due to its flexibility, low structural damping, and so on. Structural control systems such as passive, active, semiactive, or combinations thereof, can provide an efficient means for seismic protection of cable-stayed bridges. This dissertation proposes an efficient robust hybrid control system for a seismically excited cable-stayed bridge.
The common usage of the term “hybrid control” implies the combined use of passive and active/semiactive control devices. Because multiple control devices are operating, hybrid control systems can alleviate some of the restrictions and limitations that exist when each control device is acting alone. The proposed hybrid control systems are based on the passive control devices combined with active or semiactive control devices. Lead rubber bearings are used as passive control devices to reduce the earthquake-induced forces in the bridge and to increase the control system robustness by the inherent reliability of lead rubber bearings. Hydraulic actuators or magnetorheological fluid dampers are used as additional active or semiactive devices to further reduce the responses, especially deck displacements (i.e., deformations of lead rubber bearings) and to increase the control system robustness by appropriate control algorithms. To verify the control performances of the proposed hybrid control systems, a set of numerical simulations is performed and the results are compared to those of passive, active, and semiactive control systems.
There are many differences between a real bridge and alternate mathematical model and many uncertainties on structures, control devices, input excitations, and so on. For example, the earthquake excitations are highly uncertain with respect to magnitude and arrival times and the reduced-order model for controller design shows large differences with the full-order mathematical model at high frequencies. Even if the proposed control system shows good performances in the numerical model, it will not necessarily mean that it will yield good performance in the as-built bridge, too. Therefore, robust control algorithms with various frequency dependent filters that guarantee the controller robustness are considered to improve the overall control system robustness and to enhance the applicability of the control system consequently. Four robust control algorithms, such as on-off type linear quadratic Gaussian, $H_2$, $H_∞$, and μ-synthesis algorithms are considered. Two kinds of robust analysis are performed with respect to the perturbation of structural stiffness and time delay of actuator or damper to verify the robustness of the proposed hybrid control systems.
사장교는 구조적인 효율성이나 경제성 등의 장점을 가지고 있어 세계적으로 건설이 증가하고 있다. 하지만 사장교는 매우 유연하고 낮은 구조감쇠 등으로 지진과 같은 동적하중에 매우 취약한 구조물이다. 수동, 능동, 반능동 또는 이들을 조합한 제어시스템은 지진하중을 받는 사장교에 효율적으로 사용될 수 있다. 하지만 사장교의 진동제어는 구조모델링, 제어시스템 설계 및 적용 등에 많은 복잡성을 가지고 있다. 본 논문에서는 효율적인 강인 복합제어 시스템을 지진하중을 받는 사장교의 진동제어를 위해 제안하였다.
복합제어란 수동과 능동/반능동 제어 장치를 결합한 것을 의미한다. 다중 제어장치로 인해 복합제어 시스템은 하나의 제어장치만을 사용했을 때 생길 수 있는 제한사항들을 완화시킬 수 있다. 제안된 복합제어 시스템은 수동제어 장치를 기반으로 능동이나 반능동제어 장치를 결합하였다. 수동제어 장치로 사용된 납면지받침은 교량에 전달되는 지진하중을 감소시키고 수동제어 장치가 가지고 있는 신뢰성을 바탕으로 전체 제어시스템의 강인성을 향상시킨다. 추가적인 능동 또는 반능동제어 장치로 사용된 유압식 가력기나 자기유변유체 감쇠기는 구조물의 응답, 특히 상판변위(납면진받침의 변형량)를 감소시키고 적절한 제어알고리즘을 통해 전체 제어시스템의 강인성을 향상시키는데 그 목적이 있다. 제안된 복합제어 시스템의 제어성능을 검증하기 위해 수치해석 결과를 수동, 능동 그리고 반능동 제어시스템의 결과와 비교하였다.
실제교량과 수치모델에는 많은 차이점이 있고 구조물, 제어장치, 입력하중 등에는 많은 불확실성이 있다. 예를 들어 지진하중은 크기와 도착시간에 많은 불확실성을 가지고 있으며 제어기 설계를 위해 사용되는 축소차수 모델은 전체차수 모델과 고주파 영역에서 많은 차이를 나타낸다. 따라서 제안된 제어방법이 수치모델에서 좋은 성능을 나타낸다고 할지라도 실제교량에서 제어성능을 보장하는 것은 아니다. 따라서 제어시스템의 강인성을 향상시키고 적용가능성을 확대시키기 위해 다양한 주파수 의존 필터를 사용한 강인제어 알고리즘을 고려하였다. 고려된 강인제어 알고리즘은 on-off type LQG, $H_2$, $H_∞$, and μ -synthesis 알고리즘이다. 구조강성의 교란과 가력기나 감쇠기의 시간지연에 따른 복합제어 시스템의 강인성을 조사하였다
