A non-clipped semi-active stochastic optimal control strategy for nonlinear structural systems with MR dampers is developed based on the stochastic averaging method and stochastic dynamical programming principle. A nonlinear stochastic control structure is first modeled as a semi-actively controlled, stochastically excited and dissipated Hamiltonian system. The control force of an MR damper is separated into passive and semi-active parts. The passive control force components, coupled in structural mode space, are incorporated in the drift coefficients by directly using the stochastic averaging method. Then the stochastic dynamical programming principle is applied to establish a dynamical programming equation, from which the semi-active optimal control law is determined and implementable by MR dampers without clipping in terms of the Bingham model. Under the condition on the control performance function given in section 3, the expressions of nonlinear and linear non-clipped semi-active optimal control force components are obtained as well as the non-clipped semi-active LQG control force, and thus the value function and semi-active nonlinear optimal control force are actually existent according to the developed strategy. An example of the controlled stochastic hysteretic column is given to illustrate the application and effectiveness of the developed semi-active optimal control strategy.
In this paper, through the study on locations of structural transducers for active control of the radiated sound from the vibrating plate, the active structural acoustic control (ASAC) system is proposed. And, for the evaluation of the proposed location, the experiment of the active structural acoustic control is implemented using the multi-channel filtered-x LMS algorithm and an additional filter (Acoustic Prediction Filter) to estimate the radiated sound using the acceleration signals of the plate. The structural transducers are piezoceramic actuator (PZT) and accelerometer. PZT is used as an actuator to reduce the vibration and the radiated sound. To maximize the control performance, each PZT actuator is located at the position that has the largest control sensitivity of the plate bending moment in the direction of x and y coordinates and the optimal PZT location is validated experimentally. Also, to find the acoustic prediction filter accurately, two accelerometers are located at the positions that have the largest radiation efficiencies of the plate, and the proposed locations are validated by simulation using the Rayleigh integral. The multi-channel filtered-x LMS algorithm is introduced to control a complex 2-D structural vibration mode. Finding the locations of structural transducers for active structural acoustic control of the radiated sound, the active structural acoustic control (ASAC) system can be presented and validated by experiments using a real time control system.
This paper presents and compares three feedback control strategies for active control of noise inside a 3-D vibro-acoustic cavity. These are a) control strategy based on direct output feedback (DOFB) b) control strategy based on linear quadratic regulator (LQR) to reduce structural vibrations and c) LQR control strategy with a weighting scheme based on structural-acoustic coupling coefficients. The first two strategies are indirect control strategies in which noise reduction is achieved through active vibration control (AVC), termed as AVC-DOFB and AVC-LQR respectively. The third direct strategy is based on active structural-acoustic control (ASAC). This strategy is an LQR based optimal control strategy in which the coupling between the various structural and the acoustic modes is used to design the controller. The strategy is termed as ASAC-LQR. A numerical model of a 3-D rectangular box cavity with a flexible plate (glued with piezoelectric patches) and with other five surfaces treated rigid is developed using finite element (FE) method. A single pair of collocated piezoelectric patches is used for sensing the vibrations and applying control forces on the structure. A comparison of frequency response function (FRF) of structural nodal acceleration, acoustic nodal pressure, and piezoelectric actuation voltage is carried out. It is found that the AVC-DOFB control strategy gives equal importance to all the modes. The AVC-LQR control strategy tries to consume the control effort to damp all the structural modes. It is seen that the ASAC-LQR control strategy utilizes the control effort more intelligently by adding higher damping to those structural modes that matter more for reducing the interior noise.
Significant progress has been achieved in the active control of civil-engineering structures, not only in the control algorithm, but also in control testing of the scaled model and full-scale building. At the present time, most algorithms used in the active control of civil engineering structures are based on the various active control techniques. In this paper represents active control method, by using pole assignment for reducing structural vibration under excited load. Numerical simulations are performed to assess the effectiveness of pole assignment control system. The relative displacement of structure system is significantly reduced.
Control systems are used to limit structural lateral deflections during large external loads such as winds and earthquakes. Most recently, the semi-active control approach has grown in popularity due to inexpensive control devices that consume little power. As a result, recently designed control systems have employed many semi-active control devices for the control of a structure. In the future, it is envisioned that structural control systems will be large-scale systems defined by high actuation and sensor densities. Decentralized control approaches have been used to control large-scale systems that are too complex for a traditional centralized approach, such as linear quadratic regulation (LQR). This paper describes the derivation of energy market-based control (EMBC), a decentralized approach that models the structural control system as a competitive marketplace. The interaction of free-market buyers and sellers result in an optimal allocation of limited control system resources such as control energy. The Kajima-Shizuoka Building and a 20-story benchmark structure are selected as illustrative examples to be used for comparison of the EMBC and centralized LQR approaches.
Chase, J. Geoffrey;Barroso, Luciana R.;Hunt, Stephen
Structural Engineering and Mechanics
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제18권3호
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pp.287-301
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2004
Structural acceleration regulation is a means of managing structural response energy and enhancing the performance of civil structures undergoing large seismic events. A quadratic output regulator that minimizes a measure including the total structural acceleration energy is developed and tested on a realistic non-linear, semi-active structural control case study. Suites of large scaled earthquakes are used to statistically quantify the impact of this type of control in terms of changes in the statistical distribution of controlled structural response. This approach includes the impulses due to control inputs and is shown to be more effective than a typical displacement focused control approach, by providing equivalent or better performance in terms of displacement and hysteretic energy reductions, while also significantly reducing peak story accelerations and the associated damage and occupant injury. For earthquake engineers faced with the dilemma of balancing displacement and acceleration demands this control approach can significantly reduce that concern, reducing structural damage and improving occupant safety.
Wireless smart sensors, which have become popular for monitoring applications, are an attractive option for implementing structural control systems, due to their onboard sensing, processing, and communication capabilities. However, wireless smart sensors pose inherent challenges for control, including delays from communication, acquisition hardware, and processing time. Previous research in wireless control, which focused on semi-active systems, has found that sampling rate along with time delays can significantly impact control performance. However, because semi-active systems are guaranteed stable, these issues are typically neglected in the control design. This work achieves active control with smart sensors in an experimental setting. Because active systems are not inherently stable, all the elements of the control loop must be addressed, including data acquisition hardware, processing performance, and control design at slow sampling rates. The sensing hardware is shown to have a significant impact on the control design and performance. Ultimately, the smart sensor active control system achieves comparable performance to the traditional tethered system.
This study proposes an innovative control approach to suppress the responses of a beam structural system under moving forces. The proposed control algorithm is a synthesis of the adaptive input estimation method (AIEM) and linear quadratic Gaussian (LQG) controller. Using the synthesis algorithm the moving forces can be estimated using AIEM while the LQG controller offers proper control forces to effectively suppress the beam structural system responses. Active control numerical simulations of the beam structural system are performed to evaluate the feasibility and effectiveness of the proposed control technique. The numerical simulation results show that the proposed method has more robust active control performance than the conventional LQG method.
Ulusoy, Serdar;Bekdas, Gebrail;Nigdeli, Sinan Melih
Structural Engineering and Mechanics
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제75권2호
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pp.175-191
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2020
In this study, multi-story structures are actively controlled using metaheuristic algorithms. The soil conditions such as dense, normal and soft soil are considered under near-fault ground motions consisting of two types of impulsive motions called directivity effect (fault normal component) and the flint step (fault parallel component). In the active tendon-controlled structure, Proportional-Integral-Derivative (PID) type controller optimized by the proposed algorithms was used to achieve a control signal and to produce a corresponding control force. As the novelty of the study, the parameters of PID controller were determined by different metaheuristic algorithms to find the best one for seismic structures. These algorithms are flower pollination algorithm (FPA), teaching learning based optimization (TLBO) and Jaya Algorithm (JA). Furthermore, since the influence of time delay on the structural responses is an important issue for active control systems, it should be considered in the optimization process and time domain analyses. The proposed method was applied for a 15-story structural model and the feasible results were found by limiting the maximum control force for the near-fault records defined in FEMA P-695. Finally, it was determined that the active control using metaheuristic algorithms optimally reduced the structural responses and can be applied for the buildings with the soil-structure interaction (SSI).
Recently, constructions of large and slender structures have been increased owing to the advancement of the structural technologies and that of the new light-weight and high-strength construction materials. Consequently, vibration problems of those slender structures have become a new issue in the area of structural engineering. Active control for those structures is the method that keeps the structures safe from the external loads, especially dynamic loads, by enforcing active forces derived from control devices. In this paper, a procedure for the instantaneous optimal control for structural vibration is presented. Numerical method and experiment are performed for evaluating the effectiveness of active control for reducing vibration of structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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