بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی اثر تاخیر زمانی در کنترل نیمه فعال سازه ها با استفاده از میراگرهای هیدرولیکی
خلاصه
از جمله روشهای کنترل نیمه فعال سازه ها استفاده از میراگرهای هیدرولیکی می باشد که در راس مهاربندهایV یا معکوس V نصب می شوند. میراگر هیدرولیکی 1SSASD، میراگر قابل بازنشانی 2RSASDو محرک میراگر نیمه فعال 3SADA از نمونه های میراگر های هیدرولیکی بشمار می آیند. وجه مشترک این قطعات در این است که با، باز و بسته شدن شیر هیدرولیکی تعبیه شده درآنها، مهاربند متصل به این قطعات می تواند به سیستم سازه متصل یا از آن جدا گردد. در این مقاله به بررسی عملکرد این سه میراگر هیدرولیکی پرداخته شده و اثر تاخیر زمانی در آنها مورد بررسی قرار گرفته و در ادامه با ارائه مدل عددی یک سیستم یک درجه آزادی اثر تاخیر زمانی در عملکرد این قطعات مدلسازی شد و در انتها نیز استفاده از شبکه فازی-عصبی بعنوان راهکاری برای کنترل اثر تاخیر زمانی در این قطعات پیشنهاد گردید.نتایج این مدلسازی ها نشان می دهد که سیستم های کنترل نیمه فعال میراگرهای هیدرولیکی قادرند به نحو مطلوبی پاسخ جابجایی سازه را نسبت به حالت کنترل غیر فعال کاهش دهند. همچنین مشخص گردید که با احتساب اثر تاخیر زمانی در این قطعات سطح مطلوب عملکرد آنها تنزل می یابد و نتایج بکارگیری کنترل کننده شبکه فازی-عصبی نیز نشان داد که از طریق پیش بینی وضعیت جابجایی سیستم می توان تا حد مطلوبی اثر تاخیر زمانی در عملکرد میراگر های هیدرولیکی را کاهش داد.
کلمات کلیدی: کنترل نیمه فعال، میراگرهای هیدرولیکی، تاخیر زمانی ، کنترل سازه ها ، شبکه فازی-عصبی
1. مقدمه
کنترل اثر مخرب نیروهای دینامیکی ناشی از زلزله و بادهای شدید بر روی سازه ها از دیرباز توجه مهندسین عمران را به خود جلب کرده است و امروزه نیز روند صعودی ساخت و ساز در مناطق لرزه خیز و تلاش برای کاهش تلفات جانی و مالی که نتیجه اغلب زلزله ها هستند و همینطور گسترش استفاده از کامپیوتر ها در سیستم های کنترل سازه و امکان تولید قطعات با پیچیدگیهای بیشتر و کارکردهای موثرتر باعث شده، توجه مهندسین به امر کنترل سازه ها دو چندان شود.
برای اتلاف انرژی ناشی از زلزله ها، کاهش خسارات سازه ای و جلوگیری از خرابی آنها، روشها و سیستمهای گوناگونی بوجود آمده اند که شامل سیستمهای کنترل فعال، نیمه فعال، غیر فعال و ترکیبی می باشد.[1] در این بین سیستمهای نیمه فعال بدلیل موثرتر بودن نسبت به سیستمهای غیر فعال و کم هزینه تر بودن نسبت به سیستمهای فعال مورد توجه بیشتری قرار گرفته اند. از مهمترین مزایای سیستمهای کنترل نیمه فعال توانایی کارکرد آنها با ولتاژی در حدود ولتاژ یک باطری می باشد و این در حالی است که در حین زمین لرزه های شدید احتمال قطع منابع انرژی می باشد.از جمله روشهای کنترل نیمه فعال سازه ها در سالهای اخیر استفاده از میراگرهای هیدرولیکی می باشد که در راس مهاربندهای V یا معکوس V نصب می شوند. ایده استفاده از این سیستم اولین بار توسط کُبُری بمنظور دستیابی به سازه های با سختی متغیر مطرح شد.[2] در این نوع سیستم مهاربند از طریق اتصال با پیستون متحرک در سیال لزج موجود در محفظه سیستم و با، باز یا بسته شدن شیر هیدرولیکی تعبیه شده در آن می تواند به سیستم سازه متصل یا از آن جدا شود. چنانچه شیر واقع در مسیر لوله متصل کننده باز باشد، پیستون می تواند آزادانه در داخل سیلندر حرکت کند و این به معنی جدا بودن مهاربند از سازه است و چنانچه شیر بسته باشد پیستون قادر به حرکت نخواهد بود و مهاربند به سازه متصل می شود. سیستم میراگر هیدرولیکی سویچ شونده SSASD و سیستم میراگر هیدرولیکی قابل بازنشانی RSASD دو سیستم کنترلی می باشند که با این مکانیزم عمل می کنند. از نمونه های اخیر این نوع سیستمها، سیستم محرک میراگر نیمه فعالSADA می باشد که در سال 2009 توسط اوجی پیشنهاد شد.[3] این سیستم با بهره گیری از روشهای کنترل فازی که امروزه بعنوان جایگزین یا کامل کننده استراتژی های مرسوم کنترلی در بسیاری از امور مهندسی، بخصوص در کنترل لرزه ای سازه ها بکار گرفته می شود، قادر است علاوه بر جذب قسمت عمده نیروی ناشی از زمین لرزه، مقدار دلخواهی از آن را نیز میرا کند.
از جمله مشکلات سیستمهای میراگر هیدرولیکی که باعث افت کارایی آنها می شود مسئله تاخیر زمانی است، یعنی تفاوت زمان بین لحظه دریافت اطلاعات توسط حسگرها و زمان فعالسازی قطعه کنترلی که واضح است، برای دستیابی به یک مدل صحیح از یک سیستم واقعی احتساب این زمان تاخیر اگر چه کسری از ثانیه باشد برای نزدیک تر ساختن مدل سیستم به واقعیت آن، امری ضروری است. این امر بخصوص در مبحث کنترل از اهمیت بیشتری برخوردار است، چرا که تاخیر در تکمیل یک فرآیند تحت کنترل، مستقیما روی سیستم کنترل و پایداری سیستم تحت کنترل تاثیر گذار است.[4]
در این تحقیق اثر تاخیر زمانی در کنترل سازه ها با استفاده از سه نوع سیستم میراگر هیدرولیکی سویچ شونده و قابل بازنشانی و محرک میراگر نیمه فعال بررسی شده و همچنین با معرفی یک مدل چند درجه آزادی و آنالیز عددی آن پاسخ های این سه سیستم کنترلی در حالت بدون تاخیر و همراه تاخیر زمانی مورد مقایسه قرار گرفته است. و در نهایت با استفاده از سیستم شبکه فازی-عصبی یک راه حل برای کنترل اثر تاخیر زمانی در این سیستمها پیشنهاد گردیده است. .آنالیز عددی این مدل ها با استفاده از نرم افزار متلب و جعبه ابزار فازی و شبکه فازی-عصبی همچنین با بکارگیری مفهوم فضای حالت در حل معادلات دیفرانسیل[5]، انجام گرفته است.
2. سیستم های کنترل میراگر هیدرولیکی
در این بخش به معرفی سه نمونه از میراگر های هیدرولیکی می پردازیم.
-1 سیستم میراگر هیدرولیکی سویچ شونده SSASD
-2 سیستم میراگر هیدرولیکی قابل بازنشانی RSASD
-3 محرک میراگر نیمه فعال SADA
بخشهای تشکیل دهنده اولین نوع میراگر هیدرولیکی( قطعه سویچ شونده SSASDکه) توسط کُبُری AVS نامگذاری شد در شکل (1) نشان داده شده است. این بخش ها عبارتند از : سیلندر با عملکرد دو طرفه،پیستون و لوله متصل کننده دو طرف سیلندر. پیستون بوسیله دو دستک به تیر متصل میشود و سیلندر نیز به مهاربند متصل می شود. درون پیستون و لوله های فرعی، سیال هیدرولیکی قرار دارد چنانچه شیر واقع در مسیر لوله متصل کننده باز باشد، پیستون می تواند آزادانه در داخل سیلندر حرکت کند و این به معنی جدا بودن مهاربند از سازه است. در غیر این صورت مهاربند به سازه متصل است. با اتصال و قطع اتصال مهاربند به سازه می توان به سازه با سختی متغیر دست یافت و هدف از تغییر سختی در این حالت نیز، جذب انرژی کمتر سازه از زمین لرزه می باشد.
شکل-1نمایی از قطعه AVS
در قطعه SSASD در لحظاتی که سازه از نقطه تعادل خود دور می شود شیر کنترل بسته و در لحظاتی که سازه به نقطه تعادل خود نزدیک می شود شیر کنترل باز می باشد بعبارت دیگر سازه با سختی حداکثر از نقطه تعادل دور شود و با سختی حداقل به آن نزدیک می شود. قانون کنترلی عبارت اخیر را می توان به صورت زیر بیان کرد.
مشخصات مکانیکی سیستم میراگر هیدرولیکی قابل بازنشانیRSASD نیز همانند قطعه سویچ شونده SSASD می باشد.تفاوت این دو سیستم در زمانهای باز و بسته شدن شیر اتصال دو طرف سیلند می باشد (زمانهایی که مهاربند متصل به قطعه از سازه جدا یا به آن وصل است). در قطعه RSASD جابجایی ایجاد شده در مهاربند که بیان کننده انرژی ذخیره شده در آن است در مدت زمان کوتاهی با قطع و وصل شدن قطعه از سیستم خارج می شود. معادله حرکت سیستم یک درجه آزادی مجهز به این قطعه را می توان به صورت رابطه زیر نوشت:
m و C و k به ترتیب جرم، میرایی و سختی سیستم یک درجه آزادی می باشند. برای تعیین زمان بازنشانی تاکنون قوانین کنترلی مختلفی ارائه شده اند که روابط زیر نمونه هایی از این قوانین می باشند6] و.[7
که از تابع پایداری لیاپانوف حاصل می شود.[8] در این تحقیق از قانون زیر استفاده می کنیم.
سیستم کنترل محرک میراگر نیمه فعالSADA نوعی از میراگرهای هیدرولیکی و از طبقه سیستمهای کنترل نیمه فعال می باشد. وجه تمایز سیستم کنترل سازه SADA با دیگر سیستمهای کنترلی مشابه مانند RSASD و SSASD در این مشخصه می باشد که سیستمهای مشابه همگی سعی در کاهش جذب انرژی ناشی از زلزله توسط سازه دارند، ولی سیستم SADA علاوه بر این، سعی در جذب انرژی ورودی و بکارگیری آن در جهت کاهش دامنه ارتعاش سازه نیز دارد.
در شکل((2 مشخصات مکانیکی قطعه SADA نمایش داده شده است. این قطعه تشکیل شده است از، دو مسیر فرعی که دو طرف سیلندر را به یکدیگر متصل می کنند و یک سیلندر با عملگر دوگانه و شیرهایی یکطرفه که به صورت معکوس قرار داده شده اند.پیستون بوسیله دو دستک به تیر متصل میشود و سیلندر نیز به مهاربند متصل می شود. درون پیستون و لوله های فرعی، سیال هیدرولیکی قرار دارد.
شکل-2 سیستم کنترلSADA
اگر هر دو شیر یکطرفه بسته باشند، مهاربند به تیر متصل است و چنانچه یکی از شیرها باز شود، مهاربند از سیستم سازه جدا می شود و پیستون درون سیلندر قادر به حرکت به سمت راست یا چپ می باشد. در هنگام زمین لرزه در حین ارتعاش سازه در لحظات مناسب که طبق قانون کنترل این قطعه تعیین می شود، شیر یکطرفه که مانع حرکت نسبی پیستون و سیلندر شده است، باز می شود و سیلندر در اثر فشاری که از طرف مایع هیدرولیکی به آن وارد می شود به سمت دیگر پیستون حرکت می کند و در لحظه برگشت بدلیل یکطرفه بودن شیر، دوباره قطعه قفل شده و مانع حرکت نسبی پیستون وسیلندر می شود. در این هنگام مهاربند دوباره وارد سیستم می شود، ولی با نیرویی عکس جهت قبلی خود. قانونی که زمان فعال سازی این قطعه را مشخص می کند همانند قانون کنترلی مربوط به زمان بازنشانی قطعه RSASD در نظر گرفته شده است.
که درآن Uسرعت طبقه و Usمقدار جابجایی مطلق مهاربند و Ust میزان جابجایی ذخیره شده می باشد. در این سیستم کنترلی، برای رسیدن به پاسخهای بهینه در هر بار فعالسازی می بایست مقداری از انرژی ذخیره شده از سیستم خارج گردد که این امر می تواند با میرا شدن بخشی از انرژی با گذر سیال از مسیر فرعی و تبدیل شدن انرژی به حرارت صورت پذیرد و میزان میرایی را می توان با تنظیم قطردریچه عبور سیال در مسیر فرعی تعیین نمود. روش دیگر برای میرا نمودن بخش دلخواهی از انرژی ورودی، استفاده از سیال های هیدرولیکی می باشد که با قرار گرفتن در محیط مغناطیسی و یا با گذر شارالکتریکی از آنها، ویسکوزیته آنها تغییر می کند مانند سیالات1MR و 2ER که در این حالت با تنظیم قدرت میدان مغناطیسی یا میزان شارالکتریکی گذرنده از سیال، ویسکوزیته سیال و در نتیجه میرایی دلخواه قابل تنظیم خواهد بود.[9]
