بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
کاربرد منطق فازي در کنترل نيمه فعال سازه ه اي مجهز به ميراگره اي MR
خلاصه
امروزه کنترل نيمه فعال به عنوان يکي از مناسب ترين راه هاي کاهش آسيب پذيري سازه ها مورد توجه محققين قرار گرفته است . اين روش بدون نياز به منبع انرژي خارجي پرقدرت ، سازگاري سيستم هاي فعال و پايداري تجهيزات غيرفعال را به صورت همزمان ارائه مي دهد. ميراگرهاي با سيال کنترل شونده توسط ميدان مغناطيسي (Magnetoorheological Damper) نمونه اي از تجهيزات نيمه فعال هستند که از مناسب ترين اين گونه ابزارها به شمار ميروند. ميراگرMR نسبت به اعمال ميدان مغناطيسي، با تغيير شديدي در رفتار جريان سيال عکس العمل نشان داده و از لحاظ ديناميکي رفتاري شديدا غير خطي دارند، در نتيجه کنترل آنها يک مبحث چالش برانگيز است . براي اين منظور پژوهشگران استفاده از کنترل فازي را به عنوان جايگزيني مناسب براي الگوريتم هاي کنترلي رايج پيشنهاد کرده اند چراکه اين کنترل کننده ها در عدم قطعيت ها و شرايط غيرخطي عملکرد خوبي دارند. در اين مقاله پس از معرفي ميراگرهاي MR و منطق فازي، پاسخ سازه ي کنترل شده با استفاده از الگوريتم فازي با دو حالت Passive-On و Passive-Off مقايسه شده است . نتايج حاکي از عملکرد مناسب کنترل کننده هاي فازي در کنترل ارتعاشات لرزه اي ميباشد.
کلمات کليدي: کنترل نيمه فعال ، کنترل فازي، ميراگر MR
١. مقدمه
در مهندسي عمران کاهش ارتعاشات ناشي از بارهاي ديناميکي وارد به سازه از قبيل زلزله و بادهاي قوي بسيار حائز اهميت است . يافتن ابزاري موثر براي حفاظت از ساختمان ها و محتويات آنها از موارد چالش برانگيزي است که امروزه مهندسين با آن مواجه هستند. پژوهش هاي انجام شده در ساليان گذشته نشان دادند که در طراحي مهندسي سازه ها محدوديت وجود دارد، چرا که قابليت ذاتي سازه ها براي مستهلک کردن انرژي ديگر کفايت نميکند. اگرچه با طراحي لرزه اي تا حدي ميتوان بر مشکل کنترل ارتعاشات سازه اي غلبه کرد اما عدم قطعيت ها در مدلسازي، افزايش طول عمر سازه و فاکتورهاي اقتصادي منجر شدند که نياز به توسعه استراتژي هاي ميراکننده ي اضافه نيز ايجاد شود.
ايده اي که براي تسهيلات ساخته شده از قبيل ساختمان ها و پل ها ارائه شده ، نظريه کنترل سازه ها است که براي اولين بار در سال ١٩٧٢ توسط ياو معرفي شد. تجهيزات کنترلي به طور کلي در چهار دسته غيرفعال ، فعال ، نيمه فعال و دوگانه طبقه بندي ميشوند. انتخاب يکي از اين تجهيزات به اولويتهاي مهندسي، نوع سازه ، مکان آن و طبيعت ديناميکي بارهاي لرزه اي وابسته است . از آنجا که سيستمهاي کنترل نيمه فعال ترکيبي از پايداري سيستمهاي غيرفعال و هوشمندي و قابليت سازگاري سيستم هاي فعال را ارائه مي دهد، توجه بسياري از محققين را به خود جلب کرده است . علاوه بر اين ، سيستم هاي نيمه فعال قادرند نيروهاي کنترلي بزرگي را با استفاده از منبع انرژي بسيار کم توليد کنند. مطالعات نشان داده اند که انتخاب صحيح يک سيستم نيمه فعال ، عملکرد رضايت بخش و کاهش موثر در پاسخ سازه ي کنترل شده را تضمين ميکند. نمونه هاي مختلفي از تجهيزات کنترل نيمه فعال تاکنون معرفي شده اند از قبيل : ميراگر جرمي تنظيم شده ، ميراگرهاي هيدروليکي، ميراگرهاي اصطکاکي، ميراگرهاي مايع ويسکوزيته و ميراگرهايي با سيال کنترل شونده (MR و ER).
در ساليان اخير، ميراگر MR به علت سادگي مکانيکي، نياز به منبع انرژي کم ، پايداري بالا، نيرومندي و گنجايش نيرويي بالا به عنوان يکي از تجهيزات نويدبخش در کنترل نيمه فعال معرفي شده است . در اين مقاله به منظور کنترل ارتعاشات سازه از ميراگر MR استفاده شده که ولتاژ ورودي به اين ميراگر در هر لحظه توسط سيسم فازي تعيين ميشود.
٢. ميراگرهاي نيمه فعال داراي سيال قابل کنترل ( MR)
سيالات کنترل شونده توسط ميدان مغناطيسي به دسته اي از سيالات قابل کنترل تعلق دارندکه نسبت به ميدان مغناطيسي اعمالي، با تغيير شديدي در رفتار جريان سيال ، عکس العمل نشان ميدهند. اين تغيير رفتار شامل تبديل از حالت مايع ويسکوز روان به ماده نيمه جامد با مقاومت تسليم کنترل شده و بالعکس ميباشد و زماني رخ ميدهد که سيال در معرض يک ميدان مغناطيسي قرار بگيرد. ميراگرهاي داراي سيال حساس به ميدان مغناطيسي، ميراگرهاي MR ناميده مي شوند. سيال MR که در سال ١٩٤٠ توسط Jacob Rabinow ابداع شده ، متشکل است از ذرات آهن بسيار ريزي که در آب يا سيالات ديگر غوطه ورند. اين ذرات تشکيل زنجيره هايي به موازات ميدان اعمالي ميدهند که محلول را غليظ کرده و مانع حرکت سيال ميگردند. نتيجتا اين پديده سبب ايجاد مقاوت تسليم شده که با شدت يافتن ميدان مغناطيسي اعمالي افزايش مي يابد. در کنترل سازه ولتاژ اعمالي بهينه در هر گام زماني توسط الگوريتم مناسبي انتخاب شده و به ميراگر اعمال مي شود.
مدل هاي زيادي براي توصيف چگونگي رفتار ميراگر تاکنون ارائه شده است که در اين پژهش از مدل Bouc-Wen که در سال ١٩٧٦
توسط Wen معرفي شده ، استفاده شده است . نيروي نهايي توليد شده بوسيله ي هر دمپر از معادلات زير به دست مي آيد:
مقادير پارامترهاي ذکر شده براي ميراگر kN١٠٠٠ که در اين مقاله به کار رفته به قرار جدول ١ است .
٣. کنترل کننده فازي
در کنترل نيمه فعال ، منطق فازي براي تغيير خصوصيات مکانيکي تجهيزات به کار مي رود. در اين پژوهش از سيستم فازي براي انتخاب بهترين ولتاژ اعمالي به ميراگر بهره گرفته ميشود.در سازه هايي که رفتار ديناميکي غيرخطي دارند مانند ميراگر MR ، استفاده از کنترل کننده هايي با منطق فازي براي حل مشکلات مدلسازي مورد استفاده قرار ميگيرد. در اين مقاله ، در طراحي سيستم کنترل ، پاسخ هاي سرعت و جابجايي نسبي در طبقه به عنوان ورودي و ولتاژ فرمان به عنوان خروجي سيستم فازي در نظر گرفته ميشود. براي فازي سازي ورودي ها و خروجي از ٣ تابع عضويت ذوذنقه اي مطابق شکل ١ استفاده شده است که نمادهاي به کار رفته (ZO ،S وL ) مخفف کلمات Zero،Small و Large هستند.
پس از تعريف توابع عضويت براي وروديها و خروجي سيستم به ايجاد پايگاه قواعد فازي پرداخته ميشود. براي ايجاد اين پايگاه از قواعد زباني بهره گرفته ميشود که پايه و اساس اين پايگاه ، قوانين اگر-آنگاه فازي مي باشند. در اين پژوهش براي بهينه سازي پايگاه قواعد و يافتن بهترين پايگاه از الگوريتم فرااکتشافي پرندگان يا تجمع ذرات (PSO) بهره گرفته شده است . در اين الگوريتم که از حرکت گروهي پرندگان الگو گرفته است ، هر پاسخ مساله به صورت يک ذره مدل مي شود سپس اين ذرات در فضاي پاسخ حرکت مي کنند و نتايج حاصله بر مبناي يک شاخص عملکرد محاسبه ميشود. در اين پژوهش هر پاسخ عبارت است از ٩ قاعده ي مورد نياز براي پايگاه قواعد و شاخص عملکرد نيز ميزان موفقيت در کاهش دريفت طبقات است که منجر به توليد قواعدي مطابق جدول ٢ شده است .
٤. نتايج عددي
ساختمان انتخابي براي اين مطالعه يک قاب برشي دو طبقه با جرم ton٦٩١=m در هر طبقه و سختي طبقه اول (N.m)٨^١٠*٩٢٤=K و سختي طبقه دوم (N.m)٨^١٠*٤٦٢=K است . اين سازه در طبقه ي اول با دو ميراگر kN١٠٠٠ و در طبقه دوم با يک ميراگر kN١٠٠٠ تجهيز شده است . نسبت ميرايي در اين سازه ١% لحاظ شده و اين سازه در معرض زمين لرزه هاي ال سنتر، نورثريج و طبس با مشخصات ارائه شده در جدول ٣ قرارگرفته است . نتايج حاصل از کنترل به روش فازي با دو حالت Passive-Off و Passive-On مقايسه شده است که در اين دو حالت ولتاژ ارسالي به ميراگر در طول زلزله ثابت و به ترتيب صفر و حداکثر ولتاژ خواهد بود.
در اشکال ٢، ٤ و ٦ تاريخچه زماني جابجايي طبقه دوم سازه براي حالت کنترل نشده وکنترل فازي براي هر يک از سه زلزله ي مورد بررسي نشان داده شده است ؛ همينطور حداکثر مقادير جابجايي مطلق و نسبي طبقات و شتاب مطلق طبقات نيز در جداول ٤ تا ٦ ارائه شده اند. علاوه بر اين دريفت طبقات نيز به منظور نشان دادن بهتر يکنواختي و کاهش دريفت ها در نمودارهاي ٣، ٥ و ٧ ترسيم شده است .
