This study deals with the optimal design of a hybrid control system composed of a combination of active control system and passive control system for effective seismic performance improvement of two adjacent structures. The proposed hybrid control system adopts a configuration of installing an active control device in one building and connecting two adjacent structures with a passive control device so that the one-side active control force can be bi-directionally applied to both buildings through the passive connecting devices. In order to derive the optimal performance of the proposed system, the design parameters of the passive and active control systems were searched using the genetic algorithm. Numerical simulations of 10-story and 8-story buildings have been performed to verify the effectiveness of the proposed technique. For the purpose of comparison, the conventional independent control system with two identical active control systems being installed separately for each structure was also optimally designed and its seismic response has been evaluated as well. From the comparative results of the two control systems, it is demonstrated that the proposed hybrid control system requires larger control force for its one-side active control device than the conventional independent control system does for each of both-side active devices, but quite less than the total control force required for both-side devices of the independent control system, while maintaining similar seismic performance. Therefore, the proposed system is more economical and reliable than the conventional independent control system with two identical active devices.
The most common used control device on tall buildings and high-rise structures is active and passive tuned mass damper (ATMD and TMD). The major advantages of ATMD and TMD are discussed. The existing installations of various passive/active control devices on real structures are listed. A set of parameter optimization methods is proposed to determine optimal parameters of passive tuned mass dampers under wind excitation. Simplified formulas for determining the optimal parameters are proposed so that the design of a TMD can be carried out easily. Optimal design of wind-induced vibration control of frame structures is investigated. A thirty-story tall building is used as an example to demonstrate the procedure and to verify the efficiency of ATMD and TMD with the optimal parameters.
This paper deals with the problem of generating the energy optimal trajectory which is intended to enhance the target tracking performance of a passive homing missile. Noticing that the essence of passive target tracking is the range estimation problem, the target information gathered by passive measurements can be readily analyzed by introducing the range estimator designed in line-of-sight(LOS) frame. Moreover, for the linear filter structure of the suggested range estimator, the cost function associated with the target information is clearly expressed as a function of the line-of-sight rate. Based on this idea, the optimal missile trajectory maximizing the target information is obtained by solving the saddle point problem for an indefinite quadratic cost which consists of the target information and the energy. It is shown that, different from the previous heuristic approaches, the guidance command producing the optimal passive homing trajectory is produced by the modified proportional navigation guidance law whose navigation constant is determined by the weighting coefficient for target information cost.
A new structure-vibration-control approach is proposed which uses a passive coupling element between two parallel structures to reduce the seismic response of a system due to earthquake excitation. Dynamic characteristics of the two coupled single-degree-freedom systems subject to stationary white-noise excitation are examined by means of statistical energy analysis (SEA) techniques. Optimal parameters of the passive coupling element such as damping and stiffness under different circumstances are determined with an emphasis on the influence of the structural parameters of the system on the optimal parameters and control effectiveness. Numerical results including the root mean square values of the response due to the filtered white-noise excitation and the time-histories of response to El Centro 1940 NS excitation are presented.
A smart tuned mass damper (TMD) was developed to provide better control performance than a passive TMD for reduction of earthquake induced-responses. Because a passive TMD was developed decades ago, optimal design methods for structural parameters of a TMD, such as damping constant and stiffness, have been developed already. However, studies of optimal design method for structural parameters of a smart TMD were little performed to date. Therefore, parameter studies of structural properties of a smart TMD were conducted in this paper to develop optimal design method of a smart TMD under seismic excitation. A retractable-roof spatial structure was used as an example structure. Because dynamic characteristics of a retractable-roof spatial structure is changed based on opened or closed roof condition, control performance of smart TMD under off-tuning was investigated. Because mass ratio of TMD and smart TMD mainly affect control performance, variation of control performance due to mass ratio was investigated. Parameter studies of structural properties of a smart TMD was performed to find optimal damping constant and stiffness and it was compared with the results of optimal passive TMD design method. The design process developed in this study is expected to be used for preliminary design of a smart TMD for a retractable-roof spatial structure.
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.
Vibration isolation of mechanical systems, in general is achieved through either passive or active vibration control system. Although passive vibration isolators offer simple and reliable means to protect mechanical system from vibration environment, passive vibration isolator has inherent performance limitation. Whereas, active vibration isolator provide significantly superior vibration-isolation performance. Recently, many studied and applications are carried out in this field. In this study, vibration-isolation characteristics of active vibration control system using electromagnetic force actuator are investigated. Some control algorithms. Optimal Feedforward are used for active vibration isolation. Form the experimental results of each control algorithms, active vibration isolation characteristics are investigated.
The semi-active impact damper (SAID) is proposed to improve the damping efficiency of traditional passive impact dampers. In order to investigate its damping mechanism and vibration control effects on realistic engineering structures, a 20-story nonlinear benchmark building is used as the main structure. The studies on system parameters, including the mass ratio, damping ratio, rigid coefficient, and the intensity of excitation are carried out, and their effects both on linear and nonlinear indexes are evaluated. The damping mechanism is herein further investigated and some suggestions for the design in high-rise buildings are also proposed. To validate the superiority of SAID, an optimal passive particle impact damper ($PID_{opt}$) is also investigated as a control group, in which the parameters of the SAID remain the same, and the optimal parameters of the $PID_{opt}$ are designed by differential evolution algorithm based on a reduced-order model. The numerical simulation shows that the SAID has better control effects than that of the optimized passive particle impact damper, not only for linear indexes (e.g., root mean square response), but also for nonlinear indexes (e.g., component energy consumption and hinge joint curvature).
An optimal design method for hybrid structural control system of building structures subject to earthquake excitation is presented in this paper. Designing a hybrid structural control system nay be defined as a process that optimizes the capacities and configuration of passive and active control systems as well as structural members. The optimal design proceeds by formulating the optimization problem via a multi-stage goal programming technique and, then, by finding reasonable solution to the optimization problem by means of a goal-updating genetic algorithm. The process of the integrated optimization design is illustrated by a numerical simulation of a nine-story building structure subject to earthquake excitation. The effectiveness of the proposed method is demonstrated by comparing the optimally designed results with those of a hybrid structural control system where structural members, passive and active control systems are uniformly distributed.
Kamalzare, Mahmoud;Johnson, Erik A.;Wojtkiewicz, Steven F.
Smart Structures and Systems
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제15권3호
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pp.847-862
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2015
Typical base isolated buildings are designed so that the superstructure remains elastic in design-level earthquakes, though the isolation layer is often quite nonlinear using, e.g., hysteretic elements such as lead-rubber bearings and friction pendulum bearings. Similarly, other well-performing structural control systems keep the structure within the linear range except during the most extreme of excitations. Design optimization of these isolators or other structural control systems requires computationally-expensive response simulations of the (mostly or fully) linear structural system with the nonlinear structural control devices. Standard nonlinear structural analysis algorithms ignore the localized nature of these nonlinearities when computing responses. This paper proposes an approach for the computationally-efficient optimal design of passive isolators by extending a methodology previously developed by the authors for accelerating the response calculation of mostly linear systems with local features (linear or nonlinear, deterministic or random). The methodology is explained and applied to a numerical example of a base isolated building with a hysteretic isolation layer. The computational efficiency of the proposed approach is shown to be significant for this simple problem, and is expected to be even more dramatic for more complex systems.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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