کنترل فعال نامتمرکز سازه‌های بلند با پسخور شتاب 11 ص

لینک دانلود و خرید پایین توضیحات

فرمت فایل word  و قابل ویرایش و پرینت

تعداد صفحات: 11

کنترل فعال نامتمرکز سازه‌های بلند با پسخور شتاب

چکیده:

پاسخ سازه‌های بزرگ مقیاس و بلند را می‌توان با بهره‌گیری از الگوریتم‌های کنترل فعال مناسب و بکار بردن عملگرها در طبقات کاهش داد و استفاده از روش‌های نوین کنترل جهت رسیدن به ترازهای ایمنی بالا در این راستا می‌باشد. در این مقاله روش کنترل نامتمرکز سازه‌های بلند با پسخور شتاب ارائه شده است. در روش کنترل نامتمرکز، یک سازه بزرگ به چند زیرسازه کوچکتر تقسیم شد و برای هر زیرسیستم، الگوریتم کنترل مخصوص آن استفاده می‌شود. زیرسیستم‌های مختلف با یکدیگر همپوشانی داشته و در نقاط مشترک با یکدیگر تبادل اطلاعات خواهند داشت. الگوریتم مورد استفاده جهت کنترل سازه، الگوریتم کنترل بهینه لحظه‌ای با بهره‌گیری از پسخور شتاب بوده و در انتها یک نمونه عددی جهت الگوریتم پیشنهاد شده در این مقاله و بررسی نتایج آن با حالت کنترل متمرکز ارائه گردیده است.

واژه‌های کلیدی: کنترل، نامتمرکز، سازه‌های بلند، پسخور.

1) مقدمه

سازه‌های بلند از انواع سیستم‌های سازه‌ای می‌باشند که ضرورتاً در کنترل لرزش‌های آن باید از کنترل غیرمتمرکز استفاده شود. این لرزش‌ها می‌توانند شامل دو دسته لرزش‌های کلی و لرزش‌های موضعی شوند. از طرفی با توجه به بزرگی این سازه‌ها، مطمئناً بهره‌گیری از یک مرکز کنترلی ارتعاشات برای این ساختمان‌ منطقی نبوده و باید از چند مرکز کنترل ارتعاشات استفاده شود.

در سازه‌های بلند از چندین نوع سیستم باربر گرانشی و زلزله استفاده می‌شود که غیرمتمرکز کردن کنترل سازه تا اندازه زیادی به سیستم باربر جانبی بستگی دارد. در واقع بحث نامتمرکز کردن کنترل در ترازها، در جهت بالا بردن ایمنی کنترل ارتعاشات سازه‌های بلند بوده و در این حالت در صورت از کار افتادن یکی از مغزهای کنترل با سری‌سازی خودکار سیستم می‌توان کنترل ارتعاشات سازه را به زیرسیستم سالم سپرد.

به طور کلی کنترل فعال (Active control) سازه‌ها شامل دو بخش الگوریتم‌های موردنیاز جهت بدست آوردن مقدار نیروی کنترل و مکانیزم‌های اعمال نیرو می‌باشد. در این نوع کنترل، از الگوریتم‌های گوناگونی که دارای دیدگاه‌های متفاوتی می‌باشند، استفاده می‌شود. الگوریتم‌هایی نظیر کنترل بهینه، کنترل بهینه لحظه‌ای (Instantaneous Optimal Control)، جایابی قطبی (Pole Assignment)، کنترل فضای مودی (IMSC)، پالس کنترل و الگوریتم‌های مقاوم (Robust) مانند H2، H∞، کنترل مود لغزشی (Sliding Mode Control) و غیره از جمله الگوریتم‌های بکار رفته در کنترل سازه می‌باشند.

کنترل غیرمتمرکز در آغاز در مورد سیستم‌های قدرت بکار رفته و سپس توسط افرادی مانند یانگ و سیلژاک (Yanng & Siljack) گسترش یافته است. در این کنترل، ونگ و دیویدسون (Wan g & Davidson) مساله پایداری سیستم را بررسی کردند. آنها یک شرط لازم و کافی را برای اینکه سیستم تحت قوانین کنترلی با پس‌خور محلی و جبران‌سازی دینامیکی پایدار باشد، بیان کردند. یانگ و همکاران (Yang et al) روش مود لغزشی را برای اینکه کنترل غیرمتمرکز سیستم‌های بزرگ مقیاس، زیر اثر ورودی خارجی و با وجود عامل تاخیر زمانی در متغیرهای حالت ارائه کردند. طرح کنترل شامل یک قانون کنترلی غیرمتمرکز و یک فوق صفحه سوئیچینگ از نوع انتگرالی است. آنها ابتدا قانون کنترل غیرمتمرکز را به گونه‌ای تعیین کردند تا شرایط رسیدن کلی (Global Reaching low) برقرار شود.

کنترل غیرمتمرکز در مهندسی عمران اولین بار توسط ویلیامز و ژو (Williams & Xu) در سازه‌های فضایی انعطاف‌پذیر بررسی شد. سپس ریاسیوتاکی و بوسالیس (Ryaciotaki & Boussalis) از روش کنترل تطبیقی مدل مرجع (Reference Adaptive Control Theory Model) برای تعیین قانون کنترلی غیرمتمرکز استفاده کردند. دیکس و همکاران (Dix et al) چندین روش غیرمتمرکز را برای سازه‌های فضایی بیان کردند. هینو و همکاران (Hino et al) در مورد مسئله کنترل یک سازه ساختمانی چند درجه آزادی مانند یک ساختمان بلندمرتبه با بهره‌گیری از کنترل تطبیقی ساده غیرمتمرکز بحث کرده‌اند. رفویی و منجمی‌نژاد (Rofooei & Monajeminejad) نسبت به کنترل نامتمرکز سازه‌های بلند با بهره‌گیری از کنترل بهینه لحظه‌ای اقدام نمودند. آنها ابتدا به بررسی دلایل ضرورت استفاده از کنترل غیرمتمرکز پرداخته شده و سپس با طراحی کنترل‌کننده‌ها و ماتریس بهره (Gain Matrix) به بررسی دو حالت کنترل یکی با بهره‌گیری از پس‌خور سرعت و دیگری کنترل با بهره‌گیری از پس‌خور سرعت و جابجایی پرداختند.

منجمی‌نژاد و رفویی در ارتباط با کنترل غیرمتمرکز در سازه‌های بلند، در ادامه به بررسی الگوریتم مود لغزشی (Sliding Mode) به صورت غیرمتمرکز پرداختند. مراحل طراحی کنترل‌کننده در روش مود لغزشی شامل دو مرحله است. مرحله اول شامل طراحی سطوح لغزش بوده و مرحله دوم طراحی رابطه کنترل یا قانون رسیدن (Reaching Law) را در بر می‌گیرد. باید توجه داشت که نامتمرکز بودن کنترل، قابلیت اعتماد به پایداری سیستم را افزایش داده و در صورت از کار افتادن کنترل یکی از زیرسیستم‌ها، سیستم کنترل دچار آسیب کلی نخواهد گردید. کنترل نامتمرکز می‌تواند در دو حالت با درنظر داشتن تاثیرات درجات آزادی مشترک بین زیرسیستم‌ها و یا بدون درنظر داشتن این تاثیرات انجام شود که البته در حالت با درنظر داشتن تاثیرات درجات آزادی به پایداری هر زیرسیستم و کل سیستم کنترل می‌توان اطمینان بیشتری داشت.

در مقاله حاضر کنترل متمرکز و نامتمرکز سازه‌های بلند در حالت سه بعدی با درنظر داشتن درجات آزادی مشترک بین زیرسازه‌ها و اثر دوگانه آنها بر یکدیگر بررسی گردیده است. الگوریتم مورد استفاده کنترل بهینه لحظه‌ای‌ (Instantaneous Optimal Control) می‌باشد که توسط آقایان یانگ و همکارانش بسط داده شده و از پس‌خور شتاب جهت محاسبه نیروهای کنترل استفاده گردیده است. روش نامتمرکز کردن کنترل در این مقاله بر اساس تعداد درجات آزادی بوده و نمونه‌های عددی نیز با بکارگیری الگوریتم کنترل نامتمرکز حل و نتایج آنها با حالت کنترل متمرکز مقایسه گردیده و ارائه شده‌اند.

2) روابط حاکم

1-2) کنترل نامتمرکز و روابط وابسته

مدل ساختمان برشی در حالت دو بعدی درنظر می‌باشد. در این مدل هر طبقه به صورت یک درجه آزادی مدل می‌شود که به دو تراز بالا و پایین بوسیله یک فنر برشی و یک میراگر متصل شده است. مقالات زیادی در حوزه کنترل سازه‌ها بر اساس این مدل نگاشته شده‌اند. منجمی‌نژاد و رفویی مدل سازه‌ای را به صورت ساختمان برشی درنظر گرفته است و روابط مربوطه را بدست آورده‌اند. در این حالت معادله دیفرانسیل حاکم بر رفتار دینامیکی یک مدل سازه‌ای دوبعدی به صورت زیر است:

(1)

که در آن M ماتریس جرم، K ماتریس سختی، C ماتریس میرایی، H ماتریس موقعیت کنترلر‌ها، U فرمان کنترلی، شتاب زلزله وارد بر ساختمان، بردار تغییر مکان‌های طبقات و {1} بردار ستونی است که تمام مولفه‌های آن عدد یک می‌باشد. ماتریس‌های رابطه به شرح زیر بوده و نحوه ریز کردن سیستم نیز مطابق شکل 1 می‌باشد.

شکل (1) مدل سازه‌ای یک ساختمان بلند

(2)

n: تعداد طبقات ساختمان؛

r: تعداد کنترل کننده‌ها؛

ki: سختی برشی طبقه iام؛

mi: وزن طبقه iام.

در این روابط، xi را می‌توان به دو صورت زیر تعریف کرد:

xire: جابجایی طبقه iام نسبت به یک دستگاه اینرسی (تغییر مکان اینرسی)