Vibration problems have raised debasement of quality in human life. Among them, micro-vibration problems in precision industry affect the quality of products and vibration problems in building structure due to the dynamic loads such as strong wind loads and earthquakes cause the safety and serviceability issues.
Firstly to address the micro-vibration problems, a hybrid mount system with air springs and piezo-stack actuator that can deliver excellent performance in the micro-vibration control of precision instruments is proposed. Air springs are one of the most popular products for vibration isolation and deliver good performance in general. Piezo-stack actuators are capable of controlling micro- and nano-level displacement with a fast response. In order to fully utilize the isolation and leveling performances of an air spring as a passive part, it is connected in series with a piezo-stack actuator serving as an active part. As control logic for the hybrid mount, the filtered-X LMS algorithm is applied. A hybrid mount system with four hybrid mounts is configured in order to ensure the performance of the hybrid mount and its performance is verified through a series of experimental tests.
With the micro-vibration problem in the precision instruments, structural control problem is dealt with. In this study, an active control methodology for structural control, time delay control (TDC) is proposed. It is a kind of adaptive control and cancels the uncertainties of unknown system dynamics and disturbances using direct estimation from time delay information, thus it can be applicable to not only linear time-invariant system but also nonlinear or time-varying systems. The structure and stability of the control system are discussed for the n-degree-of-freedom building structure. At the end, the control performance of the building control system is evaluated through series of numerical simulations and experimental tests.
인간 생활의 많은 분야에 있어서 진동문제는 질(Quality)의 저하를 야기시키는, 해결해야 할 과제로 존재하여 왔다. 그 중에서도 특히나 정밀 산업 현장에서의 미진동으로 인한 제품의 품질 저하문제와 강풍이나 지진 하중 등에 의해 발생하는 건물의 진동 발생으로 인한 거주자의 안락함을 해치는 사용성 문제는 해결해야 할 대표적인 진동 문제로 꼽힌다.
정밀 산업 현장에서는 매우 높은 정밀도를 요구하는 특성으로 인해 아주 작은 미진동일지라도 큰 문제가 된다. 이를 해결하기 위해 통상적으로 많이 사용하는 방법이 공기스프링이나 패드, 고무 마운트 등의 수동형 장치를 사용하여 지반과 절연시키는 것이다. 그러나 점차 높아지는 정밀 장비의 기술과 관련 장비의 대형화, 경량화 등으로 인해 필요로 하는 진동 절연 성능이 높아지는 환경에서 수동형 장치만으로는 그 성능에 한계가 존재해 능동이나 반능동의 제어 장치가 필요하게 되었다. 미진동 문제에는 간혹 특정 주파수 성분으로 인해 발생하는 문제가 있는데, 전반적인 주파수 범위에서는 진동 기준에 부합하지만, 주변 기계 장치나 환기 장치 등의 동작으로 인해 특정 주파수에서 진동 기준을 초과하게 된다. 이는 실제 현장에서 많이 발생 가능한 일이지만 이에 대한 연구는 수행된 바가 없다. 이에 본 논문에서는 이런 종류의 미진동 문제를 해결하고자 공기스프링과 압전가력기로 이루어진 복합형 마운트 시스템을 제안하였다. 공기스프링은 미진동 저감에 적합한 많은 특성으로 인해 여러 수동형 장치 중에서도 가장 널리 사용되고 있는 장치이며, 압전가력기는 매우 빠른 응답 속도로 마이크로, 나노 수준의 동작이 가능한 장치이다. 두 장치의 특성을 최대한으로 활용하기 위하여 두 장치는 서로 직렬로 연결하였다. 이를 위한 제어 알고리즘으로 filtered-X LMS 알고리즘을 사용하였다. 이 알고리즘은 앞먹임 제어 방법의 일종으로 특정 주파수 성분의 진동이 문제가 될 때 특히 높은 제어 효과를 발휘할 수 있다. 본 논문에서는 filtered-X LMS 알고리즘에 대해 논하고 미진동 방진 테이블에 대한 적용성에 대해 살펴보았다. 제안된 복합형 마운트 시스템과 filtered-X LMS 알고리즘의 제어 성능을 확인하기 위하여 미진동방진테이블에 대한 시작품을 제작하여 실험을 수행하였다. 실험에서 지반 가진은 시작품 바닥에 모터를 설치하여 일정한 주파수로 회전하도록 하여 발생시켰으며 회전 주파수를 기준 입력으로 하여 filtered-X LMS 제어기를 설계하였다. 일련의 실험 결과 제안한 복합형 마운트 시스템의 성능이 수동형 마운트와 비교하여 매우 우수한 절연 효과를 보였으며 특히 가진 주파수 성분의 진동에 대해서는 거의 제거하는 결과를 보였다.
정밀 산업 현장의 미진동 문제와 더불어 본 논문에서는 건물의 진동 제어 문제를 다루었다. 강풍이나 지진과 같은 외부 하중에 의해 발생하는 건물의 진동을 억제하기 위해서 통상적으로 수동형 혹은 능동/복합형의 동조질량 장치가 많이 사용된다. 수동형의 경우 건물의 특정주파수에 제어장치를 동조시켜 건물의 진동을 억제시키는 것으로 부가적인 제어 시스템이 필요하지 않지만, 건물의 동특성 변화나 자체의 성능 부족으로 인해 필요한 성능을 발현하지 못하는 경우가 있다. 이에 능동 제어 개념이 필요하게 되는데 이 때 적절한 제어 알고리즘의 선정이 중요하다. 토목 건축 구조물은 거대한 크기와 다양한 부재들로 인해 매우 많은 자유도를 갖고 있다. 이로 인해 기존의 능동 제어 알고리즘 설계에 필요한 건물의 수학적 모델링이 어려우며, 수학적 모델이 실제와 다를 경우 제어 성능이 떨어지거나 오히려 건물의 가진 시키게 될 수 있다. 따라서 건물 특성에 맞는 적응성과 강인성이 뛰어난 제어 알고리즘이 필요하다. 본 논문에서는 이런 특성을 갖고 있는 시간 지연 제어 기법을 건물 진동 저감에 적용하도록 제안하였다. 시간 지연 제어 기법은 강인성을 갖춘 적응 제어의 일종으로 시스템의 동역학을 처음부터 모른다고 가정하고 외란, 즉 외부하중과 함께 시간 지연된 계측 정보를 통해 직접 추정하여 제거하도록 한다. 이런 시간 지연 제어 기법을 이용한 건물의 진동 저감에 대한 적용성에 대해 논하였고 안정성 해석을 통해 안정성 확보를 위한 조건에 대해 살펴보았다. 마지막으로 수치해석을 통해 풍하중에 대한 제어 성능을 확인하였고, 진동대를 이용한 실험 연구를 통해 지반 가진에 대한 성능 또한 검토하였다. 수치해석 및 실험 결과, 제안 방법이 매우 간단하게 적용 가능하고 훌륭한 제어 성능을 보임을 확인하였다.
