This dissertation proposes effective, reliable and simple active, semiactive, and hybrid control algorithms based on fuzzy theory using active hydraulic actuators and semiactive MR dampers to reduce structural responses due to seismic and wind loads. Moreover, the simple semiactive fuzzy control system using a MR damper for vibration suppression of the building structure subjected to ground accelerations has been experimentally investigated by a shaking table test.
A simple and efficient semiactive fuzzy control method using an MR damper is presented for seismic response reduction. Only one controller compared with a semiactive clipped-optimal controller which is very efficient controller to reduce seismic response using MR damper produces directly the desired command voltage using fuzzy rule inference as the desired force demanded is varied so that the actuator can produce forces as close as possible to the desirable forces. This type controller has all advantages of the fuzzy control algorithm in previous studies.
The hybrid control systems combining active fuzzy controller using hydraulic actuators and semiactive fuzzy controller using MR dampers are implemented for bench-mark problem with linear elastomeric isolation system and nonlinear frictional isolation system, respectively. When a control method based on fuzzy algorithm to a structure is used for vibration reduction, it is inherent robust, easy to treat the uncertainties of input data from the ground motion and structural vibration sensors and able to handle the non-linear behavior of the structure because of no need of exact mathematical model of the structure easily. Therefore, the fuzzy algorithm could be applied simply to linear and nonlinear base isolated systems.
An active/semiactive modal-fuzzy control method is presented for seismic response reduction. The major issue in this study is based on the fuzzy algorithm adding modal approach for seismic response reduction. In the case of combination of fuzzy and modal approach, the proposed algorithm is very easy to select fuzzy input variables by means of just first few modal coordinates having information of all state variables and the whole system. In other words, a modal-fuzzy control algorithm proposed can be magnified the efficiency caused by belonging their' own advantages simultaneously. The effectiveness of the proposed method in reducing the structural responses has been demonstrated via a six-story building structure with hydraulic actuators for a wide amplitude range of loading conditions and for historic earthquake and stay-cable structure with MR damper for wind load.
A simple modified energy dissipation algorithm is presented for seismic response reduction. The MR damper, such as an efficient semiactive device, was con-trolled using an original Maximum Energy Dissipation Algorithm (MEDA), as well as a newly pro-posed modified Variable Energy Dissipation Algorithm (VEDA) that supplies continuously varying command voltages. For original MEDA, that command voltage takes zero or the maximum value, in some situations when the dominant frequencies of the system under control are low, large changes in the forces applied to the structure may result in high local acceleration values. The VEDA was proposing a modification to the original MEDA to reduce this effect.
The simple semiactive fuzzy control system using a MR damper for vibration suppression of the building structure subjected to ground accelerations has been experimentally investigated by a shaking table test. The efficacy of these systems in reducing the structural responses for a wide range of loading conditions has been demonstrated in a series of experiments conducted at the Structural Dynamics and Vibration Control Laboratory (SDVC) at Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST). The control performance of the semiactive fuzzy control systems is compared with that of the passively operated MR damper-based control systems. It was very easy to design a system according to control objectives for reducing the responses of the structures. Results for the semiactive fuzzy control systems were compared to those where the MR damper was operated in a passive mode (i.e., with a constant voltage being sent to the MR damper). An optimization was performed experimentally to obtain the optimal passive damper configuration. As compared to the optimal passive system, the semiactive fuzzy control systems achieved satisfactory vibration reductions over the entire range of earth-quake intensities considered. These results indicate that the semiactive fuzzy control systems can be effective over a wide range of ground motion intensities and characteristics.
본 논문은 지진, 바람 하중을 받는 구조물의 진동 저감을 위해 퍼지 이론을 기반으로 한 효과적이고, 능률적이며, 그리고 간단한 능동, 반능동, 그리고 복합제어 시스템을 개발하였다. 또한, MR 댐퍼가 설치된 모형 빌딩 구조물의 반능동 퍼지 제어시스템을 설계하여, 이를 진동대 실험을 통한 성능을 검증하였다. 본 연구에서 사용된 퍼지 알고리즘을 기반으로 한 제어시스템은 강인하며, 지반 거동 그리고 센서를 통해 측정된 응답과 같은 입력 데이터를 다루기가 아주 용이하며, 무엇보다 시스템의 수학적인 모델을 필요로 하지 않기 때문에, 구조물의 비선형 거동을 다루기가 아주 쉽다.
현재 각광받고 있는 반능동 제어기의 하나인 MR 댐퍼를 이용한 간단하면서도, 효과적인 반능동 퍼지 제어시스템을 소개하였다. 기존에 널리 사용되는 반능동 Clipped-optimal 제어기와는 다르게, 하나의 단일화된 제어시스템으로 구조물이 필요로 하는 제어력과 가깝게 설계하는 것이 가능하였다. 제안된 방법의 경우, 기존의 퍼지 알고리즘을 지니고 있는 장점을 모두 가지고 있다. 본 논문에서는 지진하중을 받는 3층 전단 빌딩의 MR 댐퍼 제어를 위해 반능동 퍼지 제어시스템을 구현하고 그 성능을 평가하였다.
수동제어 장치와 능동, 그리고 반능동 제어 장치가 결합된 복합제어시스템을 벤치마크 빌딩의 진동 저감을 위해 적용하였다. 수동제어 장치로 사용된 선형 탄성받침과 비선형 마찰형포트받침의 큰 변형을 퍼지 알고리즘을 기반으로 설계된 능동, 그리고 반능동 제어시스템을 통해 줄일 수 있었으며, 그 성능 또한 기존의 제어기와 비교하였다.
모드제어는 선택된 소수의 저차 모드만을 제어한다. 이 소수의 저차 모드를 입력값으로 사용하여 능동, 그리고 반능동 퍼지제어기를 제안하였다. 즉, 모달 접근 방법을 통해 제어기의 크기가 축소되어 설계가 용이할 뿐만 아니라, 전체 자유도에 대한 정보를 포함된 제어기 설계가 가능하다. 무엇보다 퍼지 제어기의 도입으로 기존의 퍼지 제어기의 장점 모두 가지고 있다. 본 논문에서는 능동 모달-퍼지 제어기를 6층 전단 빌딩에, 반능동 모달-퍼지 제어기를 사장 케이블에 각각 적용하여, 그 성능을 비교하였다.
간단한 반능동 제어알고리즘의 하나인 Lyapunov 직접법을 사용하는 최대 에너지 소산 알고리즘(MEDA)은 제어장치가 설치된 곳의 국부변위 등에 의해 제어력을 결정하므로, 특별한 제어기 설계가 필요하지 않다. 하지만, 반능동 제어의 경우 입력 전압이 0 또는 최대값으로 설정되어, 국부 위치에서의 가속도 증가하는 현상이 나타난다. 이를 보완하기 위한 가변 에너지 소산 알고리즘(VEDA)를 제안하였다. 이는 제어력과 입력전압을 선형으로 가정하여, 제어력의 변화에 따라 변화하는 입력전압을 가하는 것이다. 이를 위해 수치예제로 3층 전단 빌딩을 이용하여, 그 성능을 기존 연구의 결과와 비교하였다.
마지막으로, MR 댐퍼가 설치된 지진 하중을 받는 3층 전단 빌딩을 제작하여, 반능동 퍼지 제어시스템을 실험적으로 성능을 평가하였다. 다양한 하중 조건 하에 제안된 시스템의 성능과 효율성을 검증하기 위해 KAIST의 건설 및 환경공학과 구조동역학 및 진동제어 연구실에 설치된 진동대를 통하여 실험을 수행하였다. 반능동 퍼지 제어시스템은 센서를 통하여 구조물의 거동을 인식하고 퍼지 제어알고리즘에 따라 반능동 MR 댐퍼의 특성을 변화시켜 구조물의 진동을 억제하게 된다. 성능 평가를 위하여 수동으로 작동되는 MR 댐퍼 시스템, 그리고 최적 수동 제어시스템 결과의 비교하였다.
