Model Predictive Control (MPC) is an advanced control approach that uses the current states of the system model to predict its future behavior. In this article, according to the seismic dynamics of structural systems, the Predictive Functional Control (PFC) method is used to solve the control problem. Although conventional PFC is an efficient control method, its performance may be impaired due to problems such as uncertainty in the structure of state sensors and process equations, as well as actuator saturation. Therefore, it requires the utilization of appropriate estimation algorithms in order to accurately evaluate responses and implement actuator saturation. Accordingly, an extended PFC is presented based on the H-ifinity (H∞) filter (HPFC) while considering simultaneously the saturation actuator. Accordingly, an extended PFC is presented based on the H-ifinity (H∞) filter (HPFC) while considering the saturation actuator. Thus, the structural responses are formulated by two estimation models using the H∞ filter. First, the H∞ filter estimates responses using a performance bound (𝜃). Second, the H∞ filter is converted into a Kalman filter in a special case by considering the 𝜃 equal to zero. Therefore, the scheme based on the Kalman filter (KPFC) is considered a comparative model. The proposed method is evaluated through numerical studies on a building equipped with an Active Tuned Mass Damper (ATMD) under near and far-field earthquakes. Finally, HPFC is compared with classical (CPFC) and comparative (KPFC) schemes. The results show that HPFC has an acceptable efficiency in boosting the accuracy of CPFC and KPFC approaches under earthquakes, as well as maintaining a descending trend in structural responses.
Mohammed Fasil;R. Sajeeb;Nizar A. Assi;Muhammad K. Rahman
Earthquakes and Structures
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v.24
no.1
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pp.21-36
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2023
Structural vibrations generated by earthquakes and wind loads can be controlled by varying the structural parameters such as mass, stiffness, damping ratio, and geometry and providing a certain amount of passive or active reaction forces. A Double-Tuned Mass Dampers (DTMDs) system, which is simple and more effective than the conventional single tuned mass damper (TMD) system for vibration mitigation is presented. Two TMDs tuned to the first two natural frequencies were used to control vibrations. Experimental investigations were carried out on a three degrees-of-freedom frame model to investigate the effectiveness of DTMDs systems in controlling displacements, accelerations, and base shear. Numerical models were developed and validated against the experimental results. The validation showed a good match between the experimental and numerical results. The validated model was employed to investigate the behavior of a five degrees-of-freedom shear building structure, wherein mass dampers with different mass ratios were considered. The effectiveness of the DTMDs system was investigated for harmonic, seismic, and white noise base excitations. The proposed system was capable of significantly reducing the story displacements, accelerations, and base shears at the first and second natural frequencies, as compared to conventional single TMD.
Computational Structural Engineering : An International Journal
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v.3
no.1
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pp.61-68
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2003
A recently developed semi-active control system employing magneto-rheological (MR) fluid dampers is applied to vibration control of a wind excited tall building. The semi-active control system with MR fluid dampers appears to have the reliability of passive control devices and the adaptability of fully active control systems. The system requires only small power source, which is critical during severe events, when the main power source may fail. Numerical simulation studies are performed to demonstrate the efficiency of the MR dampers on the third ASCE benchmark problem. Multiple MR dampers are assumed to be installed in the 76-story building. Genetic algorithm is applied to determine the optimal locations and capacities of the MR dampers. Clipped optimal controller is designed to control the MR dampers based on the acceleration feedback. To verify the robustness with respect to the variation of the external wind force, several cases with different wind forces are considered in the numerical simulation. Simulation results show that the semi-actively controlled MR dampers can effectively reduce both the peak and RMS responses the tall building under various wind force conditions. The control performance of the MR dampers for wind is found to be fairly similar to the performance of an active tuned mass damper.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2009.10a
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pp.185-189
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2009
It is very important to control the vibration transmitted from external utilities and the transient response due to the internal sources for the precision equipment, which is very sensitive to the vibration environment. The anti-vibration tables that use air springs have been widely used due to their excellent isolation performance, but the systems with high flexibility have the critical problem of large transient response by the impulsive force of the moving mass in operation of the equipment. In this paper, the hybrid vibration control system is proposed, which is combined the air springs with the semi-active MR dampers in order to satisfy the performances of isolation and vibration reduction simutaneously.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.16
no.3
s.108
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pp.298-306
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2006
In our previous paper, we developed a robust saturation controller for the linear time-invariant (LTI) system involving both actuator's saturation and structured real parameter uncertainties. This controller can only guarantee the closed-loop robust stability of the system in the presence of actuator's saturation. But we cannot analytically make any comment on control performance of this controller. In this paper, we suggest a method to use linear matrix inequality (LMI) optimization problem which can analytically explain control performance of this robust saturation controller only in nominal system. The availability of design method using LMI optimization problem for this robust saturation controller is verified through a numerical example for the building with an active mass damper (AMD) system.
In this research, a neural network (NN) method was developed, which combines H-infinity and fuzzy control for the purpose of stabilization and stability analysis of nonlinear systems. The H-infinity criterion is derived from the Lyapunov fuzzy method, and it is defined as a fuzzy combination of quadratic Lyapunov functions. Based on the stability criterion, the nonlinear system is guaranteed to be stable, so it is transformed to be a linear matrix inequality (LMI) problem. Since the demo active vibration control system to the tuning of the algorithm sequence developed a controller in a manner, it could effectively improve the control performance, by reducing the wind's excitation configuration in response to increase in the cost efficiency, and the control actuator.
The problem of optimal stochastic GA control of the system with uncertain parameters and unsure noise covariates is studied. First, without knowing the explicit form of the dynamic system, the open-loop determinism problem with path optimization is solved. Next, Gaussian linear quadratic controllers (LQG) are designed for linear systems that depend on the nominal path. A robust genetic neural network (NN) fuzzy controller is synthesized, which consists of a Kalman filter and an optimal controller to assure the asymptotic stability of the discrete control system. A simulation is performed to prove the suitability and performance of the recommended algorithm. The results indicated that the recommended method is a feasible method to improve the performance of active tuned mass damper (ATMD) shear buildings under random earthquake disturbances.
A family of smart tuned mass dampers (STMDs) with variable frequency and damping properties is analyzed under harmonic excitations and ground motions. Two types of STMDs are studied: one is realized by a semi-active independently variable stiffness (SAIVS) device and the other is realized by a pendulum with an adjustable length. Based on the feedback signal, the angle of the SAIVS device or the length of the pendulum is adjusted by using a servomotor such that the frequency of the STMD matches the dominant excitation frequency in real-time. Closed-form solutions are derived for the two types of STMDs under harmonic excitations and ground motions. Results indicate that a small damping ratio (zero damping is the best theoretically) and an appropriate mass ratio can produce significant reduction when compared to the case with no tuned mass damper. Experiments are conducted to verify the theoretical result of the smart pendulum TMD (SPTMD). Frequency tuning of the SPTMD is implemented through tracking and analyzing the signal of the excitation using a short time Fourier transformation (STFT) based control algorithm. It is found that the theoretical model can predict the structural responses well. Both the SAIVS STMD and the SPTMD can significantly attenuate the structural responses and outperform the conventional passive TMDs.
This paper aims to inspect the effectiveness of the Simple Adaptive Control Method (SACM) to control the response of asymmetric buildings with rotationally non-linear behavior under seismic loads. SACM is a direct control method and was previously used to improve the performance of linear and non-linear structures. In most of these studies, the modeled structures were two-dimensional shear buildings. In reality, the building plans might be asymmetric, which cause the buildings to experience torsional motions under earthquake excitation. In this study, SACM is used to improve the performance of asymmetric buildings, and unlike conventional linear models, the non-linear inertial coupling terms are considered in the equations of motion. SACM performance is compared with the Linear Quadratic Regulator (LQR) algorithm. Moreover, the LQR algorithm is modified, so that it is appropriate for rotationally non-linear buildings. Active tuned mass dampers are used to improve the performance of the modeled buildings. The results show that SACM is successful in reducing the response of asymmetric buildings with rotationally non-linear behavior under earthquake excitation. Furthermore, the results of the SACM were very close to those of the LQR algorithm.
Considerable achievements in developing structural regulators as an important method for vibration control have been made over the last few decades. The use of large quantities of cables in traditional wired control systems to connect sensors, controllers, and actuators makes the structural regulators complicated and expensive. A wireless decentralized control experimental platform based on Wi-Fi unit is designed and implemented in this study. Centralized and decentralized control strategies as sample controllers are employed in this control system. An optimal control algorithm based on Kalman estimator is embedded in the dSPACE controller and the DSP controller. To examine the performance of this control scheme, a three-story steel structure is developed with active mass dampers installed on each floor as the wireless communication platform. Experimental results show that the wireless decentralized control exhibits good control performance and has various potential applications in industrial control systems. The proposed experimental system may become a benchmark platform for the validation of the corresponding wireless control algorithm.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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