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.
Vibration is an undesirable phenomenon in a dynamic system like lightly damped aerospace structures and active vibration control has gradually been employed to suppress vibration. The objective of the current investigation is to introduce an active torsional magneto-rheological (MR) fluid based damper for vibration control of a typical nose landing gear. They offer the adaptability of active control devices without requiring the associated large power sources. A torsional damper is designed and developed based on Bingham plastic shear flow model. The numerical analysis is carried out to estimate the damping coefficient and damping force. The designed damper is fabricated and an experimental setup is also established to characterize the damper and these results are compared with the analytical results. A typical FE model of Nose landing gear is developed to study the effectiveness of the damper. Open loop response analysis has been carried out and response levels are monitored at the piston tip of a nose landing gear for various loading conditions without damper and with MR-damper as semi-active device. The closed-loop full state feedback control scheme by the pole-placement technique is also applied to control the landing gear instability of an aircraft.
A new hybrid damping technique for vibration reduction in flexible structures, wherein a combination of layers of hard passive damping alloys and active (smart) magnetostrictive material is used to reduce vibrations, is proposed. While most conventional vibration control treatments are based exclusively on either passive or active based systems, this technique aims to combine the advantages of these systems and simultaneously, to overcome the inherent disadvantages in the individual systems. Two types of combined damping systems are idealized and studied here, viz., the Noninteractive system and the Interactive system. Frequency domain studies are carried out to investigate their performance. Finite element simulations using previously developed smart beam elements are carried out on typical metallic and laminated composite cantilever beams treated with hybrid damping. The influence of various parameters like excitation levels, frequency (mode) and control gain on the damping performance is investigated. It is shown that the proposed system could be used effectively to dampen the structural vibration over a wide frequency range. The interaction between the active and passive damping layers is brought out by a comparative study of the combined systems. Illustrative comparisons with 'only passive' and 'only active' damping schemes are also made. The influence and the mode dependence of control gain in a hybrid system is clearly illustrated. This study also demonstrates the significance and the exploitation of strain dependency of passive damping on the overall damping of the hybrid system. Further, the influence of the depthwise location of damping layers in laminated structures is also investigated.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2008.04a
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pp.299-304
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2008
Dynamic characteristics of smart hull structure are investigated and active vibration control performance is evaluated. Dynamic model of smart hull structure with surface bonded Macro-fiber Composite (MFC) actuators is established by analytical method. Equations of motion of the host hull structure are derived based on Donnell-Mushtari equilibrium equations for a thin cylindrical shell. A general model for the interaction between hull structure and MFC actuator is included in the dynamic model. Modal analysis is then conducted and mode shapes and corresponding natural frequencies are investigated. After constructing of the optimal control algorithm, active vibration control performance of the proposed system is evaluated. It has been shown that structural vibration can be reduced effectively with proper control input.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.18
no.8
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pp.832-840
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2008
Dynamic characteristics of smart hull structure are investigated and active vibration control performance is evaluated. Dynamic model of smart hull structure with surface bonded macro-fiber composite(MFC) actuators is established by analytical method. Equations of motion of the host hull structure are derived based on Donnell-Mushtari equilibrium equations for a thin cylindrical shell. A general model for the interaction between hull structure and MFC actuator is included in the dynamic model. Modal analysis is then conducted and mode shapes and corresponding natural frequencies are investigated. After constructing of the optimal control algorithm, active vibration control performance of the proposed system is evaluated. It has been shown that structural vibration can be reduced effectively with proper control input.
This paper presents the application of a semi-active fuzzy based control system for seismic response reduction of a single degree-of-freedom (SDOF) framed structure using a Magnetorheological (MR) damper. Semi-active vibration control with MR dampers has been shown to be a viable approach to protect building structures from earthquake excitation. Moreover, intelligent damping systems based on soft-computing techniques such as fuzzy logic models have the inherent robustness to deal with typical uncertainties and non-linearities present in civil engineering structures. Thus, the proposed semi-active control system uses fuzzy logic based models to simulate the behavior of MR damper and also to develop the control algorithm that computes the required control signal to command the actuator. The results of the numerical simulations show the effectiveness of the suggested semi-active control system in reducing the response of the SDOF structure.
The natural frequencies of a long span bridge vary during its construction and it is thus difficult to apply traditional tuned liquid column dampers (TLCD) with a fixed configuration to reduce bridge vibration. The restriction of TLCD imposed by frequency tuning requirement also make it difficult to be applied to structure with either very low or high natural frequency. A semi-active tuned liquid column damper (SATLCD), whose natural frequency can be altered by active control of liquid column pressure, is studied in this paper. The principle of SATLCD with adaptive tuning capacity is first introduced. The analytical models are then developed for lateral vibration of a structure with SATLCD and torsional vibration of a structure with SATLCD, respectively, under either harmonic or white noise excitation. The non-linear damping property of SATLCD is linearized by an equivalent linearization technique. Extensive parametric studies are finally carried out in the frequency domain to find the beneficial parameters by which the maximum vibration reduction can be achieved. The key parameters investigated include the distance from the centre line of SATLCD to the rotational axis of a structure, the ratio of horizontal length to the total length of liquid column, head loss coefficient, and frequency offset ratio. The investigations demonstrate that SATLCD can provide a greater flexibility for its application in practice and achieve a high degree of vibration reduction. The sensitivity of SATLCD to the frequency offset between the damper and structure can be improved by adapting its frequency precisely to the measured structural frequency.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.17
no.7
s.94
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pp.1649-1657
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1993
This paper reports on a proof-of-concept experimental investigation focused on evaluating the vibration characteristics and control of smart hollow cantilever beams filled with an electro-rheological(ER) fluid. The beams are considered to be of uniform viscoelastic materials and modelled as a viscously-damped harmonic oscillator. Electric field-dependent natural frequencies, loss factors and complex moduli are evaluated and compared among three different beams : two types of different volume fraction of ER fluid and one type of different particle concentration of ER fluid by weight. Modal characteristics of the beams are observed in both the absence and the presence of electric potentials. It is also shown that by constructing active control algorithm the removal of structural resonances and the suppression of tip deflection are obtained. This result provides the feasiblility of ER fluids as an active vibration control element.
Magneto-Rheological (MR) dampers are being used increasingly because of their adaptability to control algorithms and reliability of passive systems. In this paper, an extensive investigation on performance of MR dampers in semi-active and passive modes has been carried out. It is observed that the overall energy dissipation by MR dampers in passive-on modes is higher than that in semi-active modes for most of the competitive semi-active controllers. Based on the energy dissipation pattern, a novel semi-active controller, termed as "Simple Passive Semi-Active Controller", has been proposed for MR dampers. This controller can be emulated by a simple passive hardware proposed in this paper. The proposed concept of controller "hardware emulation" is innovative and can also be implemented for other semi-active devices for control algorithms of certain form. The effectiveness and reliability of the proposed controller has been investigated extensively through numerical simulations. It has been demonstrated that the proposed controller is competitive to or more effective than other widely used / investigated semi-active controllers.
Some of the control systems used in engineering structures that use sensors and decision systems have some time delay reducing efficiency of the control system or even might make it unstable. In this research, in addition to considering the effect of the time delay in vibration control process, predictive control is used to compensate the time delay. A semi-active vibration control approach with the help of magneto-rheological dampers is implemented. In addition to using fuzzy inference system to determine the appropriate control voltage for MR damper, structural behavior prediction system and specifying future responses are also used such that the time delays occurring within control process are overcome. For this purpose, determination of prediction horizon is conducted for one, five, and ten steps ahead for single degree of freedom structures with periods ranging from 0.1 to 4 seconds, subjected to twenty earthquake excitations. The amount of time delay applied to the control system is 0.1 seconds. The obtained results indicate that for 0.1 second time delay, average prediction error values compared to the case without time delay is 3.47 percent. Having 0.1 second time delay in a semi-active control system reduces its efficiency by 11.46 percent; while after providing the control system with structure behavior prediction, the difference in the results for the control system without time delay is just 1.35 percent on average; indicating a 10.11 percent performance improvement for the control system.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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