This paper presents topology optimization of geometrically and materially nonlinear structures using a bi-directional evolutionary optimization (BESO) method. To maximum the stiffness of nonlinear structures under prescribed design load, the complementary work is selected as the objective function of the optimization. An optimal design can be obtained by gradually removing inefficient material and adding efficient ones. The proposed method can be applied to a series of geometrically and/or materially nonlinear structures. The results show considerable differences in topologies and stiffness of the optimal designs for linear and nonlinear structures. It is found that the optimal designs for nonlinear structures are much stiffer than those for linear structures when large design loads (which result in significantly nonlinear deformations) are applied.
International Journal of Control, Automation, and Systems
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제6권2호
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pp.160-170
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2008
Temperature control of an enclosed thermal system which has many applications including Rapid Thermal Processing (RTP) of semiconductor wafers showed an input-constraint violation for nonlinear controllers due to inherent strong coupling between the elements [1]. In this paper, a constrained nonlinear optimal control design is developed, which accommodates input constraints using the linear algebraic equivalence of the nonlinear controllers, for the temperature control of an enclosed thermal process. First, it will be shown that design of nonlinear controllers is equivalent to solving a set of linear algebraic equations-the linear algebraic equivalence of nonlinear controllers (LAENC). Then an input-constrained nonlinear optimal controller is designed based on that LAENC using the constrained linear least squares method. Through numerical simulations, it is demonstrated that the proposed controller achieves the equivalent performances to the classical nonlinear controllers with less total energy consumption. Moreover, it generates the practical control solution, in other words, control solutions do not violate the input-constraints.
In this paper, a design of an integral augmented nonlinear optimal variable structure system(INOVSS) is presented for the prescribed output control of uncertain MIMO systems under persistent disturbances. This algorithm basically concerns removing the problems of the reaching phase and combining with the nonlinear optimal control theory. By means of an integral nonlinear sliding surface, the reaching phase is completely removed. The ideal sliding dynamics of the integral nonlinear sliding surface is obtained in the form of the nonlinear state equation and is designed by using the nonlinear optimal control theory, which means the design of the integral nonlinear sliding surface and equivalent control input. The homogeneous $2{\upsilon}(\kappa)$ form is defined in order to easily select the $2{\upsilon}$ or even $(\kappa)-form$ higher order nonlinear terms in the suggested sliding surface. The corresponding nonlinear control input is designed in order to generate the sliding mode on the predetermined transformed new surface by means of diagonalization method. As a result, the whole sliding output from a given initial state to origin is completely guaranteed against persistent disturbances. The prediction/predetermination of output is enable. Moreover, the better performance by the nonlinear sliding surface than that of the linear sliding surface can be obtained. Through an illustrative example, the usefulness of the algorithm is shown.
In this paper we apply the maximum principle to design of time optimal nonlinear sampled-data control systems. We introduce the general design procedures and the mathematical formalas for time optimal processes and trajectories. Then we show the application of the technique to determine the optimal control signal, control sequence, switching time and sampling period to the given 4th order process.
In this paper, a near optimal decentralized observer-controller design method is proposed for ramp metering systems based on SDRE (State Dependent Riccati Equation) approach. The optimal nonlinear observer gain is parameterized in terms of the solution matrix of an SDRE. This paper gives a simple algorithm to compute the near optimal observer gain. The optimal control design problem is also considered. Finally, numerical simulation results are given to illuminate the effectiveness and practicality of the proposed design method.
We propose a near optimal controller design method for ramp metering based on SDRE (State Dependent Riccati Equation) approach. We parameterize the optimal nonlinear controller in terms of the solution matrices of an SDRE. We also give a simple algorithm to obtain the controller gain. Finally we give numerical results to show the effectiveness of the proposed near optimal traffic controller design method.
비선형모형에 대한 최적실험은 주어지는 모수의 초기값에 의존하는 특징이 있음에도 불구하고 비선형모형에 대한 최적실험은 비선형모형이 주류인 생물이나 화학공학 통계분야에서는 끊임없이 연구되어 왔다. 본 연구에서는 실험자가 다수의 실험목적을 가지고 있는 환경에서 상충되는 목적간의 균형을 맞추는 관점에서 비선형 모형에 대한 최적실험 기준을 제약 실험으로 살펴보았다. 문헌에서 존재하는 기존의 방법 뿐 아니라 새로운 융합기준도 적용하였는데 시나리오 별로 그 적용 형태를 몇 가지 비선형 모형을 통하여 알아보았다.
대부분의 경우, 비선형 최적 제어 문제는 헤밀톤-야코비 방정식(Hamilton-Jacobi equations)을 풀어야하는데, HJEs는 해석적으로 답을 구하기가 매우 어렵다. 그래서 이러한 어려움은 비선형 시스템에 피드백 선형화를 적용하여, 선형화된 시스템을 얻고, 선형화된 선형 시스템에 대한 최적 제어 문제를 고려하게 되었다. 본 논문에서는 간단한 비선형 시스템의 예에 최적 제어 설계 기법과 피드백 선형화 제어기, 선형 제어기를 적용하여, 최적 성능을 평가함으로서, 피드백 선형화 최적 제어가 적용되는 비선형 시스템의 조건을 제시한다.
In order to solve the conflict problem between the ride comfort and the road holding, the optimal design of shock absorber that minimizes the r.m.s. of sprung mass vertical acceleration and pitch rate with the understeer characteristics constraints in the high speed stability is proposed. The design of experiments and the nonlinear optimization algorithm are used together to obtain the optimal design of shock absorber. The second order regression models of the input variables(front and rear damping coefficients) and the output variables (ride comfort index and road holding one) are obtained by the central composite design in the design of experiments. Then the optimal design of shock absorber can be systematically adjusted with applying the nonlinear optimization algorithm to the obtained second order regression model. The frequency response analysis of sprung mass acceleration and pitch rate shows the effectiveness of the proposed optimal design of shock absorber in the sprung mass resonance range with the understeer characteristics constraints.
An optimal design method with nonlinear elastic analysis is presented. The proposed nonlinear elastic method overcomes the drawback of the conventional LRFD method that accounts for nonlinear effect by using the moment amplification factors of $B_1$ and $B_2$. The genetic algorithm used is a procedure based on Darwinian notions of survival of the fittest, where selection, crossover, and mutation operators are employed to look for high performance ones among sections in the database. They are satisfied with the constraint functions and give the lightest weight to the structure. The objective function taken is the total weight of the steel structure and the constraint functions are strength, serviceability, and ductility requirement. Case studies of a planar portal frame, a space two-story frame, and a three-dimensional steel arch bridge are presented.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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