The number of cable-stayed bridges has been increasing worldwide, causing issues in maintaining the structural safety and integrity of bridges. The stay cable, one of the most critical members in cable-stayed bridges, is vulnerable to wind-induced vibrations owing to its inherent low damping capacity. Thus, vibration mitigation of stay cables has been an important issue both in academia and practice. While a semi-active control scheme shows effective vibration reduction compared to a passive control scheme, real-world applications are quite limited because it requires complicated equipment, including for data acquisition, and power supply. This study aims to develop an Arduino-based integrated cable vibration control system implementing a semi-active control algorithm. The integrated control system is built on the low-cost, low-power Arduino platform, embedding a semi-active control algorithm. A MEMS accelerometer is installed in the platform to conduct a state feedback for the semi-active control. The Linear Quadratic Gaussian control is applied to estimate a cable state and obtain a control gain, and the clipped optimal algorithm is implemented to control the damping device. This study selects the magnetorheological damper as a semi-active damping device, controlled by the proposed control system. The developed integrated system is applied to a laboratory size cable with a series of experimental studies for identifying the effect of the system on cable vibration reduction. The semi-active control embedded in the integrated system is compared with free and passive mode cases and is shown to reduce the vibration of stay-cables effectively.
We develop a new method of simultaneous optimization of trajectory and shape of redundant flexible manipulators for collision-free utilizing the B-spline function and a mathematical programming method We adopt an approximate flexible manipulator model which consists of rigid bar elements and spring elements. We use B-spline function for determining the approximate trajectory and the expressions of the outline of obstacles. The used total performance index consists of 2 performance indices. The first is the driving energy, and the second is the trajectory deviation which is caused by the approximate modeling for the flexible manipulator. We design optimal collision-free trajectory of flexible manipulators by searching optimum positions of the control points for B-spline approximation which minimize the performance index subject to constraint condition for collision-free. Some examinations through numerical examples show the effectiveness of the method
A method of damage detection based on the moving harmonic excitation and continuous wavelet transforms is presented. The applied excitation is used as a moving actuator and its frequency and speed parameters can be adjusted for an amplified response. The continuous wavelet transforms, CWT, is used for cracks detection based on the resulting amplified signal. It is demonstrated that this identification procedure is largely better than the classical ones based on eigenfrequencies or on the eigenmodes wavelet transformed. For vibration responses, free and forced vibration analyses of multi-cracked beams are investigated based on both analytical and numerical methodological approaches. Cracks are modeled through rotational springs whose compliances are evaluated using linear elastic fracture mechanics. Based on the obtained forced responses, multi-cracks positions are accurately identified and the CWT identification can be highly improved by adjusting the frequency and the speed excitation parameters.
This paper concerns the design and application of an electro-rheological (ER) fluid damper to semiactive vibration control of rotor systems. In particular, the system under present study is constructed structurally flexible in order to explore multiple critical speeds within operation range. To this end, the dynamic models of the proposed ER damper and its associated amplifier are derived in the first place. Subsequently entire rotor system model is assembled along with the dynamics of the end effector based on a finite element method enabling prediction as to its free and forced vibration characteristics. Next, an artificial intelligent (AI) feedback controller is synthesized taking into account the peculiarity of Coulomb damping effect in rotor applications. Finally, computational and experimental results are presented including model validation and control performances. In practice, such an AI control proved effective whether the spin speed was either before or after critical speeds.
Compressive sensing (CS) is a newly developed data acquisition and processing technique that takes advantage of the sparse structure in signals. Normally signals in their primitive space or format are reconstructed from their compressed measurements for further treatments, such as modal analysis for vibration data. This approach causes problems such as leakage, loss of fidelity, etc., and the computation of reconstruction itself is costly as well. Therefore, it is appealing to directly work on the compressed data without prior reconstruction of the original data. In this paper, a direct approach for modal analysis of damped systems is proposed by decomposing the compressed measurements with an appropriate dictionary. The damped free vibration function is adopted to form atoms in the dictionary for the following sparse decomposition. Compared with the normally used Fourier bases, the damped free vibration function spans a space with both the frequency and damping as the control variables. In order to efficiently search the enormous two-dimension dictionary with frequency and damping as variables, a two-step strategy is implemented combined with the Orthogonal Matching Pursuit (OMP) to determine the optimal atom in the dictionary, which greatly reduces the computation of the sparse decomposition. The performance of the proposed method is demonstrated by a numerical and an experimental example, and advantages of the method are revealed by comparison with another such kind method using POD technique.
A cantilever beam with a mass and a spring at the end can be use to model a miniature flexible arm. It is necessary to know the natural frequencies and mode shapes to discuss its free vibration, especially when modal analysis is employed. A beam is clamped-free. In this paper we look at the lateral vibration of beams that have step changes in the properties of their cross sections. The frequency equation is derived by Bernoulli-Euler formulation and is sloved by the separation of variable. The parameters of the beam, 'mass and spring stiffness' are defined as nondimensionalized parameters for wide application of the results. According to the change of eigenvalues and mode shape are presented for this beam. The results presented are the eigenvalues and the natural frequencies for the first three modes of vibration. Results show that the parameters have a significant effect on the natural frequency.
Flexible behaviors in new aerospace structures can lead to a degradation of their control and guidance system and undesired performance. The objectives of the current work are to analyze the vibration resulting from the propulsion force on a Single Stage to Orbit (SSTO) launch vehicle (LV). This is modeled as a follower force on a free-free Euler-Bernoulli beam consisting of two concentrated masses at the two free ends. Once the effects on the oscillation of the actuators are studied, a solution to reduce these oscillations will also be developed. To pursue this goal, the stability of the beam model is studied using Ritz method. It is determined that the transverse and rotary inertia of the concentrated masses cause a change in the critical follower force. A new dynamic model and an adaptive control system for an SSTO LV have been developed that allow the aerospace structure to run on its maximum bearable propulsion force with the optimum effects on the oscillation of its actuators. Simulation results show that such a control model provides an effective way to reduce the undesirable oscillations of the actuators.
This paper addresses the control of free and dynamic response of composite rotating pretwisted blade modeled as non-uniform thin-walled beam fixed at the certain presetting and pretwisted angle and incorporating piezoelectric induced damping capabilities. A distributed piezoelectric actuator pair is used to suppress the vibrations caused by external disturbances. The blade model incorporates non-uniform features such as transverse shear, secondary warping and includes the centrifugal and Coriolis force field. A velocity feedback control law relating the piezoelectiriccally induced transversal bending moment at the beam tip with the appropriately selected kinematical response quantity is used and the beneficial effects upon the closed loop eigenvibration and dynamic characteristics of the blade are highlighted.
In this paper, sliding mode control (SMC) is designed and applied to an elastic structure to suppress some of its vibration modes. The system is an elastic beam clamped on one end and the designed controller uses only the deflection measurement of the free end. The infinite dimensional mathematical model of the beam is reduced to an ordinary differential equation set to represent the behavior of required modes. Since the states of the finite dimensional model are not physically measurable quantities, an observer is designed to estimate these states by measuring the tip deflection of the beam. The performance of the observer is important because the observed states are used in the SMC design. In this study, by using the output information, an observer is designed and tested to estimate the states of the finite dimensional model of the beam. Then the designed SMC is applied to the experimental beam system which gives satisfactory suppressed vibrations.
This study focuses on demonstrating the effectiveness of vibration control of tuned rotary mass damper (TRMD) for reducing the bidirectional and torsional response of the irregular asymmetric structure with voided slabs under earthquake excitations. The TRMD arranged in plane of one-story eccentric structure is proposed as a distributed tuned rotary mass damper (DTRMD) system. Lagrange's equation is used to derive the equations of motion of the controlled system. The optimum position and number of TRMD are numerically investigated under harmonic excitation and the control effects of different distributions are discussed. Furthermore, a shaking table test is conducted under different excitation cases, including free vibration, forced vibration and seismic wave to investigate the absorption performance of the device. The numerical simulations of different distributions of the TRMDs show that the DTRMDs are more effective in reduction of the displacement response of the asymmetric structure under the same mass ratio, even when the degree of eccentricity becomes large. However, with small degree of eccentricity, the unreasonable asymmetrical arrangement may cause the increase of the peak value of the rotational angular displacement. Finally, the experimental investigations exhibit similar results of translational displacement of the structure. It is concluded that the vibration of the irregular asymmetric structure can be controlled more economically and effectively by reducing the mass ratio through reducing the quantity of TRMDs at the high stiffness end.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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