Recent studies integrating vibration control and structural health monitoring (SHM) use control devices and control algorithms to enable system identification and damage detection. In this study real-time SHM is used to enhance structural vibration control and reduce damage. A newly proposed control algorithm, including integrated real-time SHM and semi-active control strategy, is presented to mitigate both damage and seismic response of the main structure under strong seismic ground motion. The semi-active independently variable stiffness (SAIVS) device is used as semi-active control device in this investigation. The proper stiffness of SAIVS device is obtained using a new developed semi-active control algorithm based on real-time damage tracking of structure by damage detection algorithm based on identified system Markov parameters (DDA/ISMP) method. A three bay five story steel braced frame structure, which is equipped with one SAIVS device at each story, is employed to illustrate the efficiency of the proposed algorithm. The obtained results show that the proposed control algorithm could significantly decrease damage in most parts of the structure. Also, the dynamic response of the structure is effectively reduced by using the proposed control algorithm during four strong earthquakes. In comparison to passive on and off cases, the results demonstrate that the performance of the proposed control algorithm in decreasing both damage and dynamic responses of structure is significantly enhanced than the passive cases. Furthermore, from the energy consumption point of view the maximum and the cumulative control force in the proposed control algorithm is less than the passive-on case, considerably.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.15
no.4
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pp.81-89
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2015
Damped outrigger systems have been proposed as a novel energy dissipation system to protect tall buildings from severe earthquakes and strong wind loads. In this study, semi-active damping devices such as magnetorheological (MR) dampers instead of passive dampers are installed vertically between the outrigger and perimeter columns to achieve large and adaptable energy dissipation. Control performance of semi-active outrigger damper system mainly depends on the control algorithm. Fuzzy logic control algorithm was used to generate command voltage sent to MR damper. Genetic algorithm was used to optimize the fuzzy logic controller. An artificial earthquake load was generated for numerical simulation. A simplified numerical model of damped outrigger system was developed. Based on numerical analyses, it has been shown that the semi-active damped outrigger system can effectively reduce both displacement and acceleration responses of the tall building in comparison with a passive outrigger damper system.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.10
no.1
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pp.103-110
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2010
In this study, the possibility of seismic response control of semi-active tuned mass damper (TMD) for spatial structures has been investigated. To this end, an arch structure was used as an example structure because it has primary characteristics of spatial structures and it is a comparatively simple structure. A TMD and semi-active TMD were applied to the example arch structure and the seismic control performance of them were evaluated based on the numerical simulation. In order to regulate the damping force of the semi-active TMD, groundhook control algorithm, which is widely used for semi-active control, was used. El Centro (1940) and Northridge (1994) earthquakes and harmonic ground motion were used for performance evaluation of passive TMD and semi-active TMD. Based on the analytical results, the passive TMD could effectively reduce the seismic responses of the arch structure and it has been shown that the semi-active TMD more effectively decreased the dynamic responses of the arch structure compared to the passive TMD with respect to all the excitations used in this study.
This paper presents a theoretical study of a model predictive control (MPC) strategy employed in semi-active control system with magnetorheological (MR) dampers to reduce the responses of seismically excited structures. The MPC scheme is based on a prediction model of the system response to obtain the control actions by minimizing an objective function, which can compensate for the effect of time delay that occurred in real application. As an example, a 5-story building frame equipped with two 20 kN MR dampers is presented to demonstrate the performance of the proposed MPC scheme for addressing time delay and reducing the structural responses under different earthquakes, in which the predictive length l = 5 and the delayed time step d = 10, 20, 40, 60, 100 are considered. Comparison with passive-off, passive-on, and linear quadratic Gaussian (LQG) control strategy indicates that MPC scheme exhibits good control performance similar to the LQG control strategy, both have better control effectiveness than two passive control methods for most cases, and the MPC scheme used in semi-active control system show more effectiveness and robustness for addressing time delay and protecting structures during earthquakes.
Control systems have been greatly studied in recent years and can be classified as: passive, active, semi-active or hybrid systems. Most forms of control systems have been applied in a centralized manner where all the information is sent to a central node where control the algorithm is then calculated. One of the possible problems of centralized control is the difficulty to scale its application. In this paper, a completely decentralized control algorithm is analytically implemented. The algorithm considers that each of the control systems makes the best decision based solely on the information collected at its location. Semi-active control is used in preference to active control because it has minimal energy consumption, little to no possibility of destabilization, a reduction in the possibility of data saturation, and a reduction in the response time in comparison to centralized control.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.26
no.2
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pp.165-171
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2016
A prosthetic knee for above-knee (AK) amputee is categorized into passive and active type. The passive prosthetic knee is generally made by elastic material. Although AK amputee can easily walk by using passive prosthetic leg, knee joint motions are not similar to ordinary persons. The active prosthetic leg can control the knee angle owing to the actuator and microprocessor. However, the active type is not cost-effective and the stability may be lost due to the malfunction of sensors. In order to resolve these disadvantages of passive and active type, a semi-active prosthetic knee which can control the knee angle is proposed in this work. The proposed semi-active one requires a less input energy but provides active type performance. In order to achieve this goal, in this work, a semi-active prosthetic knee using magneto-rheological (MR) damper for AK amputees is designed. The MR damper can support the weight of body by using less energy than actuator of active prosthetic. It can control knee angle by inducing the magnetic field at the time of stance phase. This salient characteristic is evaluated and presented in this work.
Zheng Lu;Mengyao Zhou;Jiawei Zhang;Zhikuang Huang;Sami F. Masri
Smart Structures and Systems
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v.31
no.5
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pp.455-467
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2023
Impact damper is a passive damping system that controls undesirable vibration with mass block impacting with stops fixed to the excited structure, introducing momentum exchange and energy dissipation. However, harmful momentum exchange may occur in the random excitation increasing structural response. Based on the mechanism of impact damping system, a semi-active impact damper (SAID) with controllable impact timing as well as a semi-active control strategy is proposed to enhance the seismic performance of engineering structures in this paper. Comparative experimental studies were conducted to investigate the damping performances of the passive impact damper and SAID. The extreme working conditions for SAID were also discussed and approaches to enhance the damping effect under high-intensity excitations were proposed. A numerical simulation model of SAID attached to a frame structure was established to further explore the damping mechanism. The experimental and numerical results show that the SAID has better control effect than the traditional passive impact damper and can effectively broaden the damping frequency band. The parametric studies illustrate the mass ratio and impact damping ratio of SAID can significantly influence the vibration control effect by affecting the impact force.
One of the main shortcomings in the current passive base isolation system is lack of adaptability. The recent research and development of a novel adaptive seismic isolator based on magnetorheological elastomer (MRE) material has created an opportunity to add adaptability to base isolation systems for civil structures. The new MRE based base isolator is able to significantly alter its shear modulus or lateral stiffness with the applied magnetic field or electric current, which makes it a competitive candidate to develop an adaptive base isolation system. This paper aims at exploring suitable control algorithms for such adaptive base isolation system by developing a close-loop semi-active control system for a building structure equipped with MRE base isolators. The MRE base isolator is simulated by a numerical model derived from experimental characterization based on the Bouc-Wen Model, which is able to describe the force-displacement response of the device accurately. The parameters of Bouc-Wen Model such as the stiffness and the damping coefficients are described as functions of the applied current. The state-space model is built by analyzing the dynamic property of the structure embedded with MRE base isolators. A Lyapunov-based controller is designed to adaptively vary the current applied to MRE base isolator to suppress the quake-induced vibrations. The proposed control method is applied to a widely used benchmark base-isolated structure by numerical simulation. The performance of the adaptive base isolation system was evaluated through comparison with optimal passive base isolation system and a passive base isolation system with optimized base shear. It is concluded that the adaptive base isolation system with proposed Lyapunov-based semi-active control surpasses the performance of other two passive systems in protecting the civil structures under seismic events.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.14
no.1
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pp.17-23
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2004
The semi-active suspension system is getting widely adopted in passenger vehicles for its ability to improve ride comfort over the passive suspension system while not degrading driving safety. A key to the success is to develop practical controllers that yield performance enhancement over the passive damper under various driving conditions. To this end, several control strategies have been studied and evaluated in this research in consideration of practical aspects such as nonlinearity and dynamics of the damper. From simulation results. it has been observed that, with the proposed control schemes, ride comfort can be significantly upgraded while suppressing degradation of driving safety.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2007.04a
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pp.607-612
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2007
A conventional passive TMD is only effective when it is tuned properly. In many practical applications, inevitable off-tuning of a TMD occurs because the mass in a building floor could change by moving furnishings, people gathering, etc. When TMDs are off tuned, TMDs their effectiveness is sharply reduced. This paper discusses the application of MR-TMD, semi-active damper, for the reduction of floor vibrations due to machine and human movements. Here, the groundhook and skyhook algorithm are applied to a single degree of freedom system representative of building floors. And displacement and velocity base control method are applied to reduce t100r vibration. The performance of the STMD is compared to that of the equivalent passive TMD. Comparison of the results demonstrates the efficiency and robustness of STMD with respect to equivalent TMD.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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