بخشی از مقاله
خلاصه
مطالعه حاضر، به ارائه روشی در جهت بهینه سازی پارامترهای کنترل کننده فازی به منظور کاهش ارتعاشات سازهها با استفاده از میراگر مغناطیسی اختصاص یافته است. میزان ولتاژ ورودی به میراگر مغناطیسی توسط کنترل کننده فازی مشخص میگردد.
الگوریتم رقابت استعماری به منظور بهینه سازی پارامترهای کنترل کننده فازی نظیر قوانین و ضرایب وزنی آنها، ضرایب مقیاس و توابع عضویت در جهت کمینه ساختن حداکثر جابجایی طبقه فوقانی سازه مورد استفاده قرار گرفته است. نتایج حاصل از بررسیهای انجام شده سودمندی استراتژی ارائه شده را نسبت به سایر کنترل کنندههای غیرفعال و کنترل کننده لیاپانوف آشکار میسازد.
.1 مقدمه
محدودیتهای موجود در طراحی سازهها مانند میرایی کم مصالح و آسیب پذیری در برابر ارتعاشات دینامیکی پیش بینی نشده، سبب شده است تا تحقیقات زیادی در زمینه کنترل ارتعاشات سازهها انجام شود. بطور کلی مبحث سیستم های کنترل مدرن سازهها به 4 دسته کلی غیر فعال، نیمه فعال، فعال و ترکیبی تقسیم بندی میشوند. سیستم های کنترل نیمه فعال سیستمهای کنترلی میباشند که نسبت به بارهای دینامیکی مختلف از قابلیت تنظیم پذیری برخوردارند. اینگونه سیستمها نیازی به منبع انرژی خارجی قابل توجه ندارند و پایداری سازه در زمان بارگذاریهای دینامیکی تضمین خواهد شد.
میراگر تنظیم پذیر مغناطیسی یک وسیله کنترل نیمه فعال است که درتحقیقات قبلی سودمندی استفاده از این نوع میراگر در کاهش ارتعاشات سازهها به اثبات رسیده است. سیال مغناطیسی داخل میراگر از سه جزء سیال پایه، ذرات فرومغناطیس معلق و پایدارکنندهها تشکیل شده است. در حالت عادی ذرات فرومغناطیس معلق در سیال به صورت نامنظم میباشند، زمانی که میدان مغناطیسی اعمال میگردد ذرات فرومغناطیس شروع به صف شدن در راستای میدان مغناطیسی اعمالی میکنند و زنجیرههایی از ذرات را در مایع بوجود میآورند که در برابر حرکت مایع مقاومت میکنند.
درجه این تغییر، وابسته به میدان مغناطیسی اعمالی میباشد. بنابراین هدف کنترل، تنظیم مقدار نیروی تولید شده توسط میراگر روی مقدار بهینه با استفاده از اصلاح مقدار ولتاژ اعمالی میباشد.
الگوریتمهای مختلفی برای استفاده به همراه میراگر مغناطیسی ارائه شدهاند که رایج ترین آنها کنترل بهینه کلیپ [1]، استراتژی کنترل بر اساس تابع لیاپانوف [2] ، کنترل تصادفی [3]، کنترل مود لغزشی پیوسته [4] و نیز کنترل کننده های هوشمند که شامل کنترل کنندههای شبکه های عصبی مصنوعی [5] و کنترل کنندههای فازی میشوند. لین و همکاران اثر ترکیب میراگر تنظیم پذیر مغناطیسی و میراگر جرمی تنظیم شونده در یک سازه 12 طبقه بررسی کردند.
الگوریتم کنترل نیمه فعال بکار برده شده در این تحقیق از 2 بخش تشکیل شده است. بخش اول با استفاده از الگوریتم LQRنیروی بهینه در هر لحظه از زمان محاسبه میگردد و در بخش دوم نیروی بهینه محاسبه شده از بخش اول تبدیل به فرمان ولتاژ بهینه اعمالی به میراگر میگردد. لین و همکاران در انتها گزارش کردهاند که ترکیب میراگر تنظیم پذیر مغناطیسی و میراگر جرمی تنظیم شونده عملکرد بسیار بهتری نسبت به میراگرهای جرمی غیر فعال دارد و در مقایسه با میراگرهای جرمی فعال، تاثیر کمتری در کاهش پاسخ سازه دارد اما دارای قابلیت اعتماد و پایداری بیشتر و هزینه کمتر نسبت به میراگرهای جرمی فعال است
مزیت های عمده استفاده از کنترل کنندههای فازی نظیر پایداری، توانایی کنترل رفتار غیر خطی سازهها و سادگی سبب شده است تا سیستمهای فازی کاربرد وسیعی داشته باشند. اگر چه الگوریتمهای فازی ساده هستند ولی به دلیل پارامترهای زیادی که باید در توابع عضویت و مکانیزم استنتاج تعریف شود طراحی کنترل کننده فازی از پیچیدهگی بیشتری برخوردار است. بدین منظور تحقیقات بسیاری در زمینه ترکیب کنترل کنندههای فازی با الگوریتم های بهینه سازی بویژه الگوریتم ژنتیک انجام شده است
فاروق و راماسوای [10] تاثیر یک کنترل کننده فازی بهینه را برای کاهش ارتعاشات سازه مورد مطالعه قرار دادند. آنها پارامترهای سیستم فازی را با استفاده از الگوریتمهای تکاملی میکرو ژنتیک و گروه ذرات بهینه سازی کردند. آنها دو شیوه برای بهینه سازی سیستم فازی در نظر گرفتند. در مورد اول قوانین فازی ثابت در نظر گرفته و پارامترهای توابع عضویت بهینه گشتند و در مورد دوم قوانین را به همراه توابع عضویت بهینه نمودند. آنها با مقایسه نتایج دو الگوریتم بهینه سازی نتیجه گرفتند که نتایج هر دو الگوریتم تقریبا یکسان هستند ولی الگوریتم میکرو ژنتیک با اینکه در تعداد نسل بیشتری نسبت به الگوریتم گروه ذرات همگرا میشود ولی زمان همگرایی آن کوچکتر میباشد. علاوه بر این آنها گزارش کردهاند که سیستم کنترل فازی با قوانین بهینه سازی شده موثرتر از سیستم کنترل فازی با قوانین ثابت میباشد
تحقیق حاضر، به ارائه روشی در جهت طراحی بهینه کنترل کنندههای فازی اختصاص دارد. در این روش سازه تحت ارتعاش پایه تصادفی قرار گرفته و پارامترهای سیستم فازی با استفاده از الگوریتم رقابت استعماری بهینه میگردند. پارامترهای بهینه شده در این تحقیق شامل پارامترهای مرتبط با توابع عضویت، قوانین فازی و ضرایب مقیاس و وزن قوانین در جهت کمینه ساختن حداکثر تغییر مکان طبقه فوقانی سازه میباشند.
.2 معادلات حاکم
معادله حرکت حاکم بر یک سازه کنترل شده با استفاده از میراگر مغناطیسی که تحت تاثیر نیروی زلزله قرار دارد مطابق رابطه - 1 - میباشد.
که در آن بردار تغییر مکان طبقات سازه، شتاب زمین، ماتریس جرم سازه، ماتریس سختی سازه و ماتریس میرایی سازه هستند. در این تحقیق ماتریس میرایی سازه متناسب با ماتریس های جرم و سختی در نظر گرفته شده است
