بخشی از مقاله
چکیده
درسالهای اخیر، کاربردهای وسیع کنترل هماهنگ ساز، سبب شده است تا مهندسین و محققان، مطالعات گسترده ای را در کنترل پارامترهای مختلف انجام دهند. کنترل ارتعاش سازه ها با مینیمم نیروی های کنترلی، در برابر بارهای شدید باد و زلزله، انگیزه ای گردید تا در این گونه مسا ئل از سیستم هماهنگ ساز در جابجایی نسبی طبقات استفاده نمائیم.
در این مطالعه با توجه به زوج هماهنگ ساز مجاور هم، مقادیر اندازه تغییرمکان طبقات - e - ، تغییرمکان نسبی بین طبقات - - و خطای موقعیت توأم - - را مورد بررسی قرار گیرد. با استفاده از معاد له دیفرانسیل مربوط به معادله حرکت و معادله حالت، ضرایب را مشخص نموده و با استفاده از سیستم هماهنگ ساز، و اهداف کنترلی که همان تغییر مکان نسبی می باشد، جهت کمینه کردن نیروهای کنترلی برای یک سازه هفت طبقه تحت بارگذاری لرزه ای، پیاده سازی شده است وموفقیت آن در حفاظت لرزه ای ساختمان مورد ارزیابی قرار گرفته است.
برای این منظور از الگوریتم کنترلی ∞ در قالب کنترل هماهنگ ساز برای کاهش ارتعاش سازه استفاده گردید نتایج حاصل از مدل سازی با زلزله ی السنترو نشان داده شده است. نتایج حاصله، نشان داده است که سیستم هماهنگ ساز در الگوریتم کنترلی ارائه شده، نه تنها قادر است پاسخ ارتعاشی سازه را کاهش و تحت کنترل حفظ نماید، حتی قادر است اهداف کنترل هماهنگ ساز که همان حفظ ماکزیمم تغییر مکان نسبی حدود %1 ارتفاع طبقات را با کمینه سازی نیرو های کنترلی، نیز تامین نماید. نتایج شبیه سازی مسائل با کنترل معمولی و با کنترل بهمراه سیستم هماهنگ ساز برای جابجائی طبقات، جابجائی نسبی و شتاب سازه رسم گردیده است.
.1 مقدمه
بارهای دینامیکی شدید می توانند موجب خرابی سازه ها گردد، متخصصین تلاش می کنند تا تخریب در اثر بارهای فوق الذکر را کاهش دهند.
بکارگیری تکنولوژیهای کنترل لرزه ای، یکی از راهکارهای کاهش پاسخ سازه ها در برابر بارهای دینامیکی شدید می باشد، که کنترل سازه ها شامل کنترل غیرفعال، کنترل نیمه فعال، کنترل فعال می باشند. در سیستمهای فعال و نیمه فعال، سنسورها اطلاعات را از سازه در طول زمان بارگذاری دینامیکی جمع آوری و به کنترلکننده ارسال میکنند تا پس از پردازش، توسط یک الگوریتم کنترلی، نیروی کنترلی مناسب تعیین و سیگنال کنترلی به عملگرها ارسال می گردد و ارتعاشات سازه را کنترل می نماید. هدف الگوریتم های کنترلی، تعیین بهینه نیروی کنترلی و کاهش پاسخ ارتعاشی سازه میباشد
کاهش در پاسخ ارتعاشی باید به صورتی باشد تا نیروهای داخلی سازه نیز به مینیمم مقدار خود برسند. بدین منظور الگوریتم کنترلی باید طوری تنظیم شود تا جابجایی نسبی در بین درجات آزادی به مینیمم مقدار خود برسد، اصطلاحاٌ هماهنگ شوند. هماهنگی حرکتی در سیستمهایی که از چند عامل با مختصات مختلف، اما برای انجام یک هدف مشترک بطور هماهنگ تشکیل شده اند از اهمیت ویژه ای برخوردار است
در چنین کاربردهایی برای رسیدن به یک هدف مشترک، ابتدا باید مسیر یابی صحیح انجام و پایداری و هماهنگی در هر یک از زیر سیستم ها بوجود آید تا پایداری کل سیستم با مینیمم نیرو کنترلی، تامین گردد. هماهنگی حرکتی بین زیر سیستمها در حقیقت ارتباط بین حرکت نسبی آنها میباشد. در بسیاری از سیستمهای کنترلی علاوه بر نیاز به شروع وتوقف هماهنگ زیر سیستمها، هماهنگی بین موقعیت، سرعت و شتاب این زیر سیستمها نیز از اهمیت خاصی برخوردار میباشد.
همواره دینامیک مدل ریاضی که برای طراحی کنترل کننده بکار می رود با دینامیک واقعی سازه مطابقت نداشته و این عدم تطابق به دلیل نقص در سازه، تغییر جرم قرار گرفته روی سازه، تاثیر خستگی بر روی مصالح سازه، عدم شناسایی درست سازه و یا به دلیل عدم قرارگیری سنسورها و عملگرها در محل صحیح بوجود میآید. این عدم تطابق را میتوان بصورت دینامیک مدل نشده و با عدم قطعیت در مدل سازی بیان نمود.
هدف اصلی از کنترل کننده H∞، کنترل و تنظیم خروجیهای تنظیم شده میباشد، به گونهای که اغتشاشات ورودی و عدم قطعیت مدل، بر روی عملکرد سیستم تاثیری نداشته باشد. کنترل H∞، اثرات اغتشاشات و ورودیهای ناشناخته را کاهش میدهد، و عملکردی در جهت مینیمم سازی کلی پاسخها و نیروهای کنترلی، در بدترین شرایط را دارد و باعث حداقل شدن جابجایی و جابجایی نسبی طبقات در سازه خواهد شد.
.2 تاریخچه هماهنگ سازی
یکی از اولین آثار هماهنگ سازی بین عوامل متعدد، هماهنگی حرکتی بین آنها می باشد. از آنجا که حرکت از عوامل متعدد، باید در جهت دستیابی به اهداف مورد نیاز باشد، هرگونه اختلال در میان عوامل، جهت دستیابی به اهداف مورد نظر؛ باعث اختلال کل سیستم می گردد، که می توان با استفاده از عملکرد هماهنگ سازی، آن اختلا ل را تنزل داده وحتی به صفر برساند. در سال 2003 سان - sun - برای اولین بار پیشنهاد یک کنترل هماهنگ ساز تطبیقی که از یک الگوریتم هماهنگ ساز نشأت گرفته بوده، ارائه داده است، که توانسته موقعیت و هماهنگ سازی خطاهای محور حرکت ها متعدد را به صورت همگرا به سمت صفر میل می نمایند را پیشنهاد دهد.
در سال 2007 سان و ال - sun and el - پیشنهاد یک کنترل هماهنگ ساز PD با فیدبکی از موقعیت ها برای یک سیستم کنترل حرکت چند محوره داده و ثابت نمود که چنین کنترلی می تواند همگرایی به سمت صفر، برای موقعیت و هماهنگ سازی خطا ها در کنترل موقعیت نقطه چین شده انجام داده، و در ضمن توانسته ردیابی نقطه مورد نظر را انجام دهد. در سال 2009 سان - sun - موفق گردید با تحقیقی از یک روش، استفاده از هماهنگ سازی برای به حداقل رساندن حدود خطاهای یک ماشین ابزار CNC، در مدل دینامیکی انجام دهد.
در سال 2012 فرانسیسکو - Francisco - یک مدل ریاضی برای محاسبه پاسخ کلی ارتعاش متصل به سیستم های مکانیکی ارائه نمود و با استفاده از مدل ارائه شده، استراتژی کنترل هماهنگ ساز ارتعاش سازه برای حفاظت از سیستم های لرزه ای را طراحی و پیشنهاد نماید. دنگا زو - DongyaZhao - در سال 2013 از قابلیت های هماهنگ ساز در سیستم های مکانیکی استفاده نموده و به برنامه های کاربردی آموزشی پرداخته و با استفاده از چندین سیستم مکانیکی فلسفه طراحی سیستم های کنترل هماهنگ ساز را بررسی نمود.
در سال 2014 گوانمین زو - QuanminZhu - در یک مطالعه، الگوریتم هماهنگ ساز را در سیستم های بازو مکانیکی تحقیق نموده و پیشنهاداتی ارائه نموده است. در سال 2015، مصباحی و ملک[4] در یک مطالعه از کنترل هماهنگ ساز با الگوریتم H2 /LQG، جابجایی و جابجایی نسبی طبقات یک سازه پنج طبقه را کاهش داده
اند.
.3 جفت کنترل کننده هماهنگ ساز
یک سیستم چند عاملی را در نظر بگیرید که n عامل از آن در یک فرآیند دخیل باشند، لذا نیاز به یک هماهنگ ساز برای تمام عاملها می-باشد. هدف کنترل هماهنگ ساز، هماهنگ سازی همه عامل ها است، بطوری که عامل ها یک ارتباط سینماتیک خاصی را حفظ نمایند
تنظیم چند عامل برای حفظ ارتباط سینماتیکی میتواند بصورت راهنمایی و موقعیت دهی عاملها در طول مرز - یا منحنی - از یک مجموعه بسته چند بعدی انجام پذیرد. S - x, t - به عنوان یک تابع از متغیرهای زمان و مکان را در نظر می گیریم. در تابع S ، x متغییر فضای حالت و t متغیر زمان میباشد. مرز تابع S - x, t - را بوسیله معادله ∂S - x, t - = 0 بیان می نمائیم. در یک ساختمان هفت طبقه که هر طبقه را یک عامل در نظر گرفته، فرض کنید که برای i = 1, … ,7 ، xi - t - و xid - t - به ترتیب به عنوان متغییرهای کلی حالت و مقادیر مطلوب متغییر حالت در عامل -iام باشند. xid - t - در معادله مرز صدق می نماید لذا داریم . ∂S - xid, t - = 0 پس خطای متغییر حالت در عامل -iام به صورت زیر بیان می گردد:
هدف کنترل هماهنگ ساز در هر یک از عامل ها، همگرا شدن متغییرهای حالت به مقادیر مطلوب xid - t - بطوری که ei → 0 وقتیکه t → ∞، از سوی دیگر روابط را بر روی منحنی مطلوب ∂S - xi, t - = 0 حفظ کند، .[5] برای اعمال الگوریتم کنترلی H∞ در قالب کنترل هماهنگ ساز در این مدل ساختمانی، لازم است خطای متغییرهای حالت را از مقادیر مورد انتظار تعیین نموده و سپس در خروجی های ارزیابی معرفی نماییم. بنابراین جابجایی هر طبقه را به عنوان متغییر حالت برای تعیین خطا در نظر میگیریم، مقادیر مورد انتظار برای خطا صفر میباشد. لذا خطای متغییرهای حالت در هر لحظه برابر با اندازه جابجایی مطلوب طبقات میباشد و هدف از الگوریتم کنترلی رساندن این مقادیر به صفر میباشد.
