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 the determination of control laws of semi-active suspension system, optimal control theory is applied, which used in the design of fully active suspension system and in the performance index sense. Optimal semi-active control laws are designed, and the computer program is developed fur estimation of performance In the time and frequency domain. It is certified that in the semi-active control system, it is desirable to minimize the spring constant and damping coefficient as possible in the given constraints. The effect of performance improvement which is almost equal to fully active type is obtained.
The semi-active optimal vibration control of nonlinear torsion-bar suspension vehicle systems under random road excitations is an important research subject, and the boundedness of MR dampers and the uncertainty of vehicle systems are necessary to consider. In this paper, the differential equations of motion of the coupling torsion-bar suspension vehicle system with MR damper under random road excitation are derived and then transformed into strongly nonlinear stochastic coupling vibration equations. The dynamical programming equation is derived based on the stochastic dynamical programming principle firstly for the nonlinear stochastic system. The semi-active bounded parametric optimal control law is determined by the programming equation and MR damper dynamics. Then for the uncertain nonlinear stochastic system, the minimax dynamical programming equation is derived based on the minimax stochastic dynamical programming principle. The worst-case disturbances and corresponding semi-active bounded parametric optimal control are obtained from the programming equation under the bounded disturbance constraints and MR damper dynamics. The control strategy for the nonlinear stochastic vibration of the uncertain torsion-bar suspension vehicle system is developed. The good effectiveness of the proposed control is illustrated with numerical results. The control performances for the vehicle system with different bounds of MR damper under different vehicle speeds and random road excitations are discussed.
Computer simulation is carried out for passive, active, and semi-active suspension system. Each RMS and frequency response to road profile input is calculated for comparison and evaluation of the performance. The vibration analysis and active control of the quarter model of a vehicle suspension is studied in order to evaluate the alternative control laws. This paper derives an optimal closed-loop feedback law for the semi-active suspension that justifies the clipped optimal approach.
This paper proposes a GA-based optimal fuzzy control technique for the vibration control of earthquakeexcited adjacent structures interconnected with semi-active magneto-rheological(MR) dampers. Rule-based fuzzy logic controllers are designed first by implementing heuristic knowledge and the genetic algorithm(GA) is then introduced to optimally tune the fuzzy controllers for enhancing the seismic performance of semi-active control system. For practical implementation, the fuzzy controller simply uses locally measured responses of the dampers involved and directly returns the input voltage to the magneto-rheological dampers in real time through the fuzzy inference mechanism. The local measurement based fuzzy controller provides optimal damping force in a decentralized manner so that it does not require a primary central controller unlike the conventional semi-active control techniques. As a result, it can avoid the unbridgeable discrepancy between the desired control force and the actual damper force that may occur in the conventional control approaches. The validity and effectiveness of the proposed control method are shown numerically on two 20-story earthquake-excited buildings interconnected with MR dampers.
Seismic response control method of the bridge structures with semi-active control device, i.e., magneto-rheological (MR) damper, is studied in this paper. Design of various kinds of clipped optimal controller and fuzzy controller are suggested as a semi-active control algorithm. For determining the control force of MR damper, clipped optimal control method adopts bi-state approach, but the fuzzy control method continuously quantifies input currents through fuzzy inference mechanism to finely modulate the damper force. To investigate the performances of the suggested control techniques, numerical simulations of a multi-span continuous bridge system subjected to various earthquakes are performed, and their performances are compared with each other. From the comparison of results, it is shown that the fuzzy control system can provide well-balanced control force between girder and pier in the view point of structural safety and stability and be quite effective in reducing both girder and pier displacements over the existing control method.
In this study magneto-rheological damper, a kind of semi-active device, is used to reduce the response of pier and girder of bridge structure subjected to seismic excitation and as a effective semi-active control method fuzzy control technique considering nonlinear behavior of the damper dynamics. By Numerical simulations of a nine span continuous bridge system subjected to various earthquakes, fuzzy control technique is compared with existing clipped optimal control technique in control performance which reduces displacement of pier and girder simultaneously. In the comparison of the control performance within a control force limit, it is confirmed that presented fuzzy control technique more efficiently reduce the pier and girder displacement than clipped optimal control technique based on optimal control theory.
In this paper, magneto-rheological(MR) damper is studied for vibration control of large infra structures under earthquake. Generally, active control devices need a large control force and a high power supply system to reduce the vibration effectively. Large and miss tuned control force may induce the dangerous situation such that the generated large control force acts to amplify the structural vibration. Recently, to overcome the weaknesses of the active control, the semi-active control method is suggested by many researchers. Semi-active control uses the passive control device of which the characteristics can be modified. Control force of the semi-active device is not generated from the actuator with power supply. It is generated as a dynamic reaction force of the device same as in the passive control case, so the control system is inherently stable and robust. Unlike the case of passive control, control force of semi-active control is adjusted depending on the measured response of the structure, so the vibration can be reduced more effectively against various unknown environmental loads. Magneto-rheological(MR) damper is one of the semi-active devices. Dynamic characteristics of the MR material can be changed by applying the magnetic fields. So the control of MR damper needs only small power. Response time of MR to the input voltage is very short, so the high performance control is possible. MR damper has a high force capacity so it is adequate to the vibration control of large infra structure. Because MR damper has a nonlinear property, normal control method used in active control may not be effective. Clipped optimal control, modified bang-bang control etc. have been suggested to MR damper by many researchers. In this study, sliding mode fuzzy control(SMFC) is applied to MR damper. Genetic algorithm is used for the controller tuning. To verify the applicability of MR damper and suggested algorithm, numerical simulation on the aseismic control is carried out. Simulation model is three-story building structure, which was used in the paper of Dyke, et al. The control performance is compared with clipped optimal control. The present results indicate that the SMFC algorithm can reduce the earthquake-induced vibration very effectively.
In this study a control law and performance potential of semi-active suspensions for a tractor/semi-trailer have been investigated. The control law for airbag semi-active suspensions modeled in this study is developed using feedback linearization and Linear Quadratic (LQ) optimal control method. Inherent nonlinearity of the airbag suspensions has been considered in the control law development. It has been shown that the proposed semi-active control law provides better performance than that of well known sky-hook damping control strategy.
Two novel semi-active control methods for a seismically excited nonlinear benchmark building equipped with magnetorheological dampers are presented and evaluated in this paper. While a primary controller is designed to estimate the optimal control force of a magnetorheological (MR) damper, the required voltage input for the damper to produce such desired control force is achieved using two different methods. The first technique uses an optimal compact Takagi-Sugeno-Kang (TSK) fuzzy inverse model of MR damper to predict the required voltage to actuate the MR dampers (TSKFInv). The other voltage regulator introduced here works based on the maximum and minimum capacities of MR damper at each time-step (MaxMin). Both semi-active algorithms developed here, use acceleration feedback only. The results demonstrate that both TSKFInv and MaxMin algorithms are quite effective in seismic response reduction for wide range of motions from moderate to severe seismic events, compared with the passive systems and performs better than original and Modified clipped optimal controller systems, known as COC and MCOC.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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