تعداد صفحات: ۶۷ | قابل ویرایش
فهرست مطالب
گفتار نخست:……………… کلیات ۱
۱-۱) مقدمه ۱
۱-۲) بیان موضوع و اهمیت آن ۲
۱-۳) چارچوب پژوهش ۴
۱-۴) موضوعات بررسی شده در هر گفتار ۴
گفتار دوم:………………… کنترل متمرکز سازه‌ها ۵
۲-۱) مقدمه ۵
۲-۲) الگوریتمهای کنترل ۵
۲-۲-۱) کنترل بهینه و کنترل لحظه‌ای ۵
۲-۲-۲) کنترل فضای مودی (IMSC) 6
۲-۲-۳) کنترل حالت مرزی (Bounded State Control) 6
۲-۲-۴) روش کنترل پیش‌بینی ۷
۲-۲-۵) روش کنترل مود لغزشی (Sliding Mode Control) 8
۲-۲-۶) روش کنترل .. ۹
۲-۲-۷) روش‌های کنترل هوشمند (Smart Control Methods) 10
۲-۳) ملاحظات ویژه عملی (Practical consideration) 13
۲-۳-۱) خطاهای مدل‌سازی و اثرات سرریزشدگی (Spillover) 13
۲-۳-۲-) تأخیر زمانی (Time Delay) 14
۲-۳-۳) اثرات غیرخطی سازه‌ای ۱۶
۲-۳-۴) ناویژه بودن مشخصات سازه‌ای و محدود بودن تعداد کنترلرها و حسگرها ۱۷
گفتار سوم: کنترل نامتمرکز سازه‌ها و بررسی کارهای انجام شده (Decentralized Control) 18
۳-۱) مقدمه ۱۸
۳-۲) کنترل متمرکز در حالت کلی ۱۸
۳-۳) کنترل غیرمتمرکز در سازه‌های مهندسی عمران و پژوهش‌های انجام شده ۲۱
گفتار چهارم:………….. پژوهش پیشنهادی ۲۷
۴-۱) ضرورت پژوهش ۲۷
۴-۲) اهداف پژوهش ۲۸
۴-۳) مدل سازه‌ای و معادلات حرکت ۳۶
۴-۴) رکوردهای زلزله و مدل‌های مورد استفاده ۴۶
۴-۵) مروری بر الگوریتم کنترل ۴۶
۴-۶) برنامه زمان‌بندی پژوهش ۵۰
مراجع ۵۱
مقدمه
تامین پایداری سازه‌های عمرانی در برابر بارهای وارده بر آنها هدف اصلی طراحان و مهندسان عمران می‌باشد. هنوز هم ساختما‌ن‌ها، پل‌ها و دیگر سازه‌های ساخت بشر به عنوان سازه‌هایی غیرفعال به لحاظ پایداری تابع جرم و صلبیت خود در برابر بارهای خارجی بوده و توانایی مشخصی برای اینگونه بارها دارند.
در چند دهه اخیر به دلایلی چون نرمی زیاد و اجتناب‌ناپذیر سازه‌های بلند، وجود محدودیت‌هایی در خصوص میزان لرزش حداکثر به لحاظ آسایش ساکنین، نیاز به ترازهای بالاتر ایمنی در سازه‌هایی با کاربردهای پراهمیت و همینطور ارزش بالای وسایل و تجهیزات داخلی و نصب شده در این سازه‌ها سبب شده‌اند که در نظر گرفتن ملاحظاتی ویژه برای سازه‌ها و محدود کردن دامنه لرزش آنها ضرورت یابد.
بدین لحاظ روش‌های گوناگونی برای محدود کردن پاسخ سازه‌ها به تحریکات خارجی در قالب سیستم‌های کنترل غیرفعال (Passive Control) و کنترل نیمه فعال (Semi-Active Control) و کنترل فعال (Active Control) در چند دهه اخیر ابداع و ارائه شده و برخی از آنها عملاً مورد استفاده قرار گرفته‌اند.
در حوزه سیستم‌های کنترل غیرفعال روش‌هایی نظیر جدایش لرزه‌ای پی سازه (Base Isolated)، میراگرهای جرمی (TMD)، میراگرهای مایع (TLD) برای نیروی باد و میراگرهایی نظیر میراگرهای اصطکاکی، میراگرهای ویسکوالاستیک (FVD, SVD) و انواع گوناگون دیگر به کار گرفته شده‌اند.
در حوزه سیستم‌های فعال می‌توان به میراگرهای جرمی فعال (AMD)، سیستم کابل‌های فعال (AT)، القا کننده‌های پالسی (PIC)، سیستم‌های با سختی متغیر فعال و …. اشاره نمود که با استفاده از انرژی خارجی قابل بهره‌برداری می‌باشند.
بیان موضوع و اهمیت آن
با توجه به محدود بودن میزان عملکرد سیستم‌های کنترل غیرفعال در سال‌های اخیر، کنترل فعال سازه‌ها به صورت شاخص‌تری نمود پیدا کرده و مورد توجه پژوهشگران و حتی طراحان قرار گرفته است.
ایده کنترل و الگوریتمهای مورد استفاده در آن پیش از آنکه در مهندسی عمران کاربردی شوند در سایر رشته‌های مهندسی نظیر برق، مکانیک، هوافضا و الکترونیک کاربرد گسترده‌ای داشته و دارند. هرچند در این رشته‌ها سیستم‌های موردنظر جهت کنترل مشابه موارد موجود در زمینه مهندسی عمران حجیم و با تعداد درجات آزادی بالا نبوده است.
کنترل فعال سازه‌های عمرانی، به طور کلی شامل دو بخش مکانیزم‌های اعمال نیرو و نیز الگوریتمهای مورد نیاز جهت تعیین مقدار نیروی کنترل می‌باشند. در این راستا، از الگوریتمهای کنترل نسبت به تعیین نیروهای مورد نیاز اقدام و سپس به کنترل‌کننده‌ها (Actuators) فرمان اعمال نیرو را میدهد. در کنترل فعال، از الگوریتمهای گوناگونی که دارای دیدگاه‌های کنترلی متفاوتی می‌باشند، استفاده می‌شود.
الگوریتم‌هایی نظیر کنترل بهینه، کنترل بهینه لحظه‌ای (Instantaneous Optimal Control)، جاگذاری قطبی (Pole Assignment)، کنترل فضای مودی (IMSC)، پالس کنترل و الگوریتمهای مقاوم (Robust) مانند ، ، کنترل مود لغزش (Sliding Mode Control) و غیره از جمله الگوریتمهای به کار رفته در کنترل سازه می‌باشند. هدف نهایی کلیه این روش، کاهش نیروی اعمال شده به سیستم با هدف حفظ عملکرد سیستم کنترل شده است.
کنترل بهینه و کنترل بهینه لحظه‌ای
یکی از نخستین الگوریتمهای کنترل می‌باشند. در این الگوریتم‌ها نسبت به تعریف یک شاخص عملکرد J اقدام شده و با توجه به کمینه شدن این شاخص، نیروهای کنترل که رابطه‌ای خطی با جابجایی سیستم سازه‌ای دارند، محاسبه می‌شوند. در این الگوریتم هدف محاسبه ماتریس بهره (Gain Matrix) می‌باشد.
در روش (کنترل کلاسیک) به دلیل نیاز به حل معادله ریکاتی، داشتن تمامی تاریخچه زمانی زلزله از پیش الزامی می‌باشد که با توجه به نامشخص بودن بار لرزه‌ای این کار عملاً ناممکن است. برای برطرف کردن این کاستی روش کنترل بهینه لحظه‌ای (Instantaneous Optimal Control) توسط (Yang) برای سازه‌هایی با رفتار خطی و غیرخطی ارائه شد [۲].
در این مورد تاجبخش و رفویی (Tadjbakhsh & Rofooei) با استفاده از پسخور (Feed back) شتاب، سرعت و تغییر مکان، نیروی کنترل را تعیین کردند [۳]. در این مقاله با تعریف یک معیار عملکرد با بهره‌گیری از مشخصه‌های شتاب، سرعت و تغییر مکان و بهینه کردن آن، نیروی کنترل محاسبه شده است.
یانگ و همکاران (Yang et al) نیز یک کنترل کننده چندجمله‌ای بهینه را برای کنترل سازه‌های غیرخطی یا هیسترتیک ارائه کردند [۴]. در این مقاله، معیار عملکرد به صورت تابعی چندجمله‌ای از حالت‌های غیرخطی می‌باشد که با بهره‌گیری از معادله همیلتن ـ ژاکوبی ـ بلمن کمینه می‌گردد.
این معیار، تمامی ویژگی‌های یک تابع لیاپانوف را ارضا می‌کند. کنترل کننده بهینه، مجموع چند جمله‌ای‌هایی غیرخطی از حالت‌ها می‌باشد. علاوه بر آن ماتریس‌های بهره (Gain Matrices) برای بخش‌های گوناگون کنترل کننده از حل معادلات ریکاتی و لیاپانوف بدست می‌آیند. در این روش نتایج مشابه‌سازی نشان می‌دهند که درصد کاهش بیشینه پاسخ سازه با افزایش شدت زلزله کم می‌شود که ویژگی مطلوبی می‌باشد.
روش کنترل پیش بین (Predictive Control Method)
در این کنترل، از الگوریتمهای پیش‌بینی گوناگون در پیش‌بینی پاسخ و شتابنگاشت زمین‌لرزه استفاده می‌شود. گلاک و همکاران (Gluck et al) از این روش در حالتی که میراگرهای ER در سازه وجود دارد بهره گرفتند[۵]. در این روش کنترل از الگوریتم (Linear Auto-Regressive With Exogenous Input-LARX) برای پیش‌بینی سرعت‌ها و تغییر مکانهای سازه استفاده می‌شود، تا بدین وسیله بتوان بر مشکل تأخیر زمانی (Time Delay) غلبه کرد.
در این مقاله تغییر مکان‌ها و سرعت‌های سازه‌ای در دو حالت با یکدیگر مقایسه شده‌اند. یکی در هنگامی که نیروهای کنترل بهینه از زلزله پیش‌بینی شده به دست می‌آید و دیگری هنگامی که شتابنگاشت زلزله از پیش تعیین شده است. این مقایسه، کارآیی روش ارائه شده را نشان میدهد.
یامادا و تاکوجی (yamada & Takuji) برای سیستم سختی متغیر (AVS) این الگوریتم را به کار بردند[۶]. آنها ابتدا دانسته‌های ارتعاش لرزه‌ای موجود را به عنوان مدل شناسایی به صورت یک مدل (Auto-Regressive) AR درآورده و سپس دانسته‌های آتی زلزله را با بهره‌گیری از مدل AR پیش‌بینی کردند و پاسخ‌های آینده بر اساس ارتعاش پیش‌بینی شده محاسبه شدند. در این مقاله، کلیدهای ON-OFF (خاموش ـ روشن) بکار گرفته شده و معیار کنترل حالتی است که انرژی ورودی به سیستم را کمینه می‌کند.
مراجع
- Yao, J. T. P., “Concept of Structural Control”, ASCE, J. ofStructural Engineering, 9S(7), 1567-1574, 1972.
- Yang, J.N., Akbarpour, A., and Ghaemmaghami, P., “Optimal control algorithms for earthquake excited building structures “Structural Control Proc. 2nd Int. Symp on Structural Control, H.H.E. Leipholz, ed., Martinus Nijhoff Amsterdam, The Netherlands, 748-761, 1985.
- Tadjbakhsh, I.G., Rofooei, F.R., “Optimal hybrid control of structures under earthquake excitation”, Earthq. Engrg. Struct. Dyn. 21, 233-252, 1992.
- Yang, J. N., Akbarpour, A., and Ghaemmaghami, P., “New optimal control algorithms for structuraJ control”, J. Engrg. Mech., ASCE, 113(9), 1369-1386, 1987.
- Gluck, J., Ribakov, Y., Dancygier, A.N.,”Predictive active control of MDOF stnictures”, Earthq. EngTg. Stnict. Dyn. 29, 109-125, 2000.
- Yamada, K., Takuji, K., “Control algorithm for estimating future responses of active variable stiffhess structures”, Earthq. Engrg. Struct. Dyn. 24,1085-1099, 1995.
- Mei, G., Kareem, A., Kantor, J.C., “Real-time predictive control of stnictures under earthquakes”, Proc. of 2nd World Conference in Structural Control, 1584-1594, 1998.
- Yang, J.N., Wu, J.C., Reinhom, A.M, Riley, M., Schmitendorf, W.E., Jabbari, F., “Experimental verification of H∞ and sliding-mode control for seismically excited buildings”, J. Struct. Engrg. ASCE, Jan., 1996.
- Adhikari, R., Yamaguchi, H., Yamazaki, T., “Modal space sliding-mode control of structures “Earthq. Engrg, Struct. Dyn. 27, 1303-1314, 1998.
