케이블 진동 감쇠를 위한 반능동 제어 장치 성능의 실험적 평가 2004년도 한국전산구조공학회 추계 학술발표회 목포해양대학교 2004년 10월 9일 케이블 진동 감쇠를 위한 반능동 제어 장치 성능의 실험적 평가 장지은, 한국과학기술원 건설 및 환경공학과 석사과정 정형조, 세종대학교 토목환경공학과 조교수 정 운, 현대건설기술개발원 주임연구원 이인원, 한국과학기술원 건설 및 환경공학과 교수 안녕하십니까? 저는 구조동역학 및 진동제어 연구실의 석사과정 이헌재입니다. 제가 오늘 석사학위 최종발표로 발표드릴 내용은 자기유변유체 감쇠기를 이용한 지진하중을 받는 구조물의 반능동 신경망제어입니다.

Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea Contents Introduction Cable Damping Experimental Setup Experimental Results Conclusions 발표순서로는 서론 제안방법 수치예제 결론 순으로 말씀드리겠습니다. Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea Introduction Cable Cables are efficient structural elements that are used in cable-stayed bridges, suspension bridges and other cable structures. Steel cables are flexible and have low inherent damping, resulting in high susceptibility to vibration. Vibration can result in premature cable or connection failure and/or breakdown of the cable corrosion protection systems, reducing the life of the cable structure. Numerous passive and active cable damping studies have been performed and full-scale applications realized. 구조물의 진동제어는 다음과 같이 크게 수동제어 능동제어 반능동제어 로 나눌 수 있습니다. Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea Semiactive damping system - Johnson et al. (1999, 2000): verification of the efficacy of a semiactive damper for a taut/sagged cable model - Christenson (2001): experimental verification of the performance of an MR damper in mitigating cable responses by using a medium-scale cable - Ni et al. (2002), Ko et al. (2002), Duan et al. (2002): field comparative tests of cable vibration control using MR dampers (the world’s first time implementation of MR-based smart damping technology in civil engineering structures) Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea Objectives To experimentally verify the performance of the MR damper-based control systems for suppressing vibration of real-scaled stay cables using various semiactive control algorithms Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea Cable Damping Experimental Setup Schematic of smart cable damping experiment spectrum analyzer shaker flat-sag cable MR dampers digital controller 지금부터 제안방법에 대해서 말씀드리겠습니다 제안방법은 제어장치로 자기유변유체감쇠기를 사용하고, 제어알고리즘으로 신경망과 clipped 알고리즘을 조합한 clipped 신경망 제어알고리즘을 사용하였습니다. 신경망은 구조물에 대한 수학적 모델을 필요로 하지 않기 때문에, 기존 방법들보다 더 나은 성능을 보여줄 수 있습니다. Where, : shaker force : damper force : displacement at damper location : evaluation displacement : control signal Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea Cable parameters values L 44.7 m m 89.86 N/m T 500 KN 1.34 m 13.4 m 8.37 2.53 Hz 다음의 그림은 제안방법에 대한 간략한 블록 다이어그램입니다. 지진하중이 구조물에 재하되었을 때, 나오는 응답과 지진하중으로부터 신경망이 적절한 제어력을 계산하고, Clipped 알고리즘과 자기유변유체감쇠기로 구조물을 제어하게 됩니다. 여기서 신경망과 clipped 알고리즘이 clipped 신경망 제어알고리즘에 해당하겠습니다. 이어서 제어장치인 자기유변유체감쇠기와 제어알고리즘인 신경망, clipped 알고리즘의 순서대로 제안방법을 설명드리겠습니다. Real-scaled cable at HICT Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea Cable model Transverse motion of cable could be modeled by the motion of a taut string because of small sag (0.1% sag-to-span ratio with tension of 500 kN). 다음의 그림은 제안방법에 대한 간략한 블록 다이어그램입니다. 지진하중이 구조물에 재하되었을 때, 나오는 응답과 지진하중으로부터 신경망이 적절한 제어력을 계산하고, Clipped 알고리즘과 자기유변유체감쇠기로 구조물을 제어하게 됩니다. 여기서 신경망과 clipped 알고리즘이 clipped 신경망 제어알고리즘에 해당하겠습니다. 이어서 제어장치인 자기유변유체감쇠기와 제어알고리즘인 신경망, clipped 알고리즘의 순서대로 제안방법을 설명드리겠습니다. Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea 다음의 그림은 제안방법에 대한 간략한 블록 다이어그램입니다. 지진하중이 구조물에 재하되었을 때, 나오는 응답과 지진하중으로부터 신경망이 적절한 제어력을 계산하고, Clipped 알고리즘과 자기유변유체감쇠기로 구조물을 제어하게 됩니다. 여기서 신경망과 clipped 알고리즘이 clipped 신경망 제어알고리즘에 해당하겠습니다. 이어서 제어장치인 자기유변유체감쇠기와 제어알고리즘인 신경망, clipped 알고리즘의 순서대로 제안방법을 설명드리겠습니다. where : transverse deflection of the cable : transverse damper force at location : transverse shaker force at location : angle of inclination Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea MR damper MR controllable friction damper (RD-1097-01 from Lord Corporation) Maximum force level: 100 N Maximum voltage: 1.4 V 다음의 그림은 제안방법에 대한 간략한 블록 다이어그램입니다. 지진하중이 구조물에 재하되었을 때, 나오는 응답과 지진하중으로부터 신경망이 적절한 제어력을 계산하고, Clipped 알고리즘과 자기유변유체감쇠기로 구조물을 제어하게 됩니다. 여기서 신경망과 clipped 알고리즘이 clipped 신경망 제어알고리즘에 해당하겠습니다. 이어서 제어장치인 자기유변유체감쇠기와 제어알고리즘인 신경망, clipped 알고리즘의 순서대로 제안방법을 설명드리겠습니다. Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea MR damper installation Twin damper setup Location : 1.34m from bottom support Measurement : Damper force, displacement, and acceleration 다음의 그림은 제안방법에 대한 간략한 블록 다이어그램입니다. 지진하중이 구조물에 재하되었을 때, 나오는 응답과 지진하중으로부터 신경망이 적절한 제어력을 계산하고, Clipped 알고리즘과 자기유변유체감쇠기로 구조물을 제어하게 됩니다. 여기서 신경망과 clipped 알고리즘이 clipped 신경망 제어알고리즘에 해당하겠습니다. 이어서 제어장치인 자기유변유체감쇠기와 제어알고리즘인 신경망, clipped 알고리즘의 순서대로 제안방법을 설명드리겠습니다. Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea Cable exciting system (Kim et al. 2002) 다음의 그림은 제안방법에 대한 간략한 블록 다이어그램입니다. 지진하중이 구조물에 재하되었을 때, 나오는 응답과 지진하중으로부터 신경망이 적절한 제어력을 계산하고, Clipped 알고리즘과 자기유변유체감쇠기로 구조물을 제어하게 됩니다. 여기서 신경망과 clipped 알고리즘이 clipped 신경망 제어알고리즘에 해당하겠습니다. 이어서 제어장치인 자기유변유체감쇠기와 제어알고리즘인 신경망, clipped 알고리즘의 순서대로 제안방법을 설명드리겠습니다. (1) Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea Controller The controller is constructed by the Matlab Real-Time Workshop executed in real time using MS Visual C++. The measured responses are acquired from displacement and acceleration sensors at damper location and converted into digital data by NI DAQ Card-6062E. 다음의 그림은 제안방법에 대한 간략한 블록 다이어그램입니다. 지진하중이 구조물에 재하되었을 때, 나오는 응답과 지진하중으로부터 신경망이 적절한 제어력을 계산하고, Clipped 알고리즘과 자기유변유체감쇠기로 구조물을 제어하게 됩니다. 여기서 신경망과 clipped 알고리즘이 clipped 신경망 제어알고리즘에 해당하겠습니다. 이어서 제어장치인 자기유변유체감쇠기와 제어알고리즘인 신경망, clipped 알고리즘의 순서대로 제안방법을 설명드리겠습니다. Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea Control algorithms: to calculate the command voltage input Passive-mode cases - passive-off (v=0V), - passive-on (v= 1.4V) - other passive-modes (v= 0.6V, 1.0V, 1.1V, 1.2V, 1.3V) 다음의 그림은 제안방법에 대한 간략한 블록 다이어그램입니다. 지진하중이 구조물에 재하되었을 때, 나오는 응답과 지진하중으로부터 신경망이 적절한 제어력을 계산하고, Clipped 알고리즘과 자기유변유체감쇠기로 구조물을 제어하게 됩니다. 여기서 신경망과 clipped 알고리즘이 clipped 신경망 제어알고리즘에 해당하겠습니다. 이어서 제어장치인 자기유변유체감쇠기와 제어알고리즘인 신경망, clipped 알고리즘의 순서대로 제안방법을 설명드리겠습니다. Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea Semiactive control cases (Jansen and Dyke 2000) - Clipped-optimal control algorithm where, Vmax=1.4V, Fd ci= the desired control force, and Fd = the measured control force - Control based on Lyapunov stability theory where, z = the state vector, and P = the matrix to be found using the Lyapunov equation (2) 다음의 그림은 제안방법에 대한 간략한 블록 다이어그램입니다. 지진하중이 구조물에 재하되었을 때, 나오는 응답과 지진하중으로부터 신경망이 적절한 제어력을 계산하고, Clipped 알고리즘과 자기유변유체감쇠기로 구조물을 제어하게 됩니다. 여기서 신경망과 clipped 알고리즘이 clipped 신경망 제어알고리즘에 해당하겠습니다. 이어서 제어장치인 자기유변유체감쇠기와 제어알고리즘인 신경망, clipped 알고리즘의 순서대로 제안방법을 설명드리겠습니다. (3) Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea - Maximum energy dissipation algorithm where, vd = the velocity at the damper location - Modulated homogeneous friction algorithm (4) 다음의 그림은 제안방법에 대한 간략한 블록 다이어그램입니다. 지진하중이 구조물에 재하되었을 때, 나오는 응답과 지진하중으로부터 신경망이 적절한 제어력을 계산하고, Clipped 알고리즘과 자기유변유체감쇠기로 구조물을 제어하게 됩니다. 여기서 신경망과 clipped 알고리즘이 clipped 신경망 제어알고리즘에 해당하겠습니다. 이어서 제어장치인 자기유변유체감쇠기와 제어알고리즘인 신경망, clipped 알고리즘의 순서대로 제안방법을 설명드리겠습니다. (5) P[i(t)] = i(t-s), where s = {min x0: i(t-x)=0} Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea Experimental Results Displacement in free vibration Displacement (m) 지금부터 제안방법에 대해서 말씀드리겠습니다 제안방법은 제어장치로 자기유변유체감쇠기를 사용하고, 제어알고리즘으로 신경망과 clipped 알고리즘을 조합한 clipped 신경망 제어알고리즘을 사용하였습니다. 신경망은 구조물에 대한 수학적 모델을 필요로 하지 않기 때문에, 기존 방법들보다 더 나은 성능을 보여줄 수 있습니다. Time (sec) Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea Damping ratios for verification of performances The amplitude-dependent damping ratios are calculated by the Hilbert transform-based identification method (Duan et al. 2002) 지금부터 제안방법에 대해서 말씀드리겠습니다 제안방법은 제어장치로 자기유변유체감쇠기를 사용하고, 제어알고리즘으로 신경망과 clipped 알고리즘을 조합한 clipped 신경망 제어알고리즘을 사용하였습니다. 신경망은 구조물에 대한 수학적 모델을 필요로 하지 않기 때문에, 기존 방법들보다 더 나은 성능을 보여줄 수 있습니다. Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

Damping ratios in the passive-mode cases 지금부터 제안방법에 대해서 말씀드리겠습니다 제안방법은 제어장치로 자기유변유체감쇠기를 사용하고, 제어알고리즘으로 신경망과 clipped 알고리즘을 조합한 clipped 신경망 제어알고리즘을 사용하였습니다. 신경망은 구조물에 대한 수학적 모델을 필요로 하지 않기 때문에, 기존 방법들보다 더 나은 성능을 보여줄 수 있습니다. Amplitude (mm) at the location of 10.2 m away from the bottom support Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

Damping ratios in the semiactive control cases 지금부터 제안방법에 대해서 말씀드리겠습니다 제안방법은 제어장치로 자기유변유체감쇠기를 사용하고, 제어알고리즘으로 신경망과 clipped 알고리즘을 조합한 clipped 신경망 제어알고리즘을 사용하였습니다. 신경망은 구조물에 대한 수학적 모델을 필요로 하지 않기 때문에, 기존 방법들보다 더 나은 성능을 보여줄 수 있습니다. Amplitude (mm) at the location of 10.2 m away from the bottom support Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea Conclusions The performance of MR damper-based control systems for suppressing vibration of stay cables is experimentally verified. Semiactive control systems significantly improve the mitigation of stay cable vibration over the uncontrolled and the passive-off cases. The control based on Lyapunov stability and the clipped- optimal control show slightly better performance than the passive-on case. 지금부터 제안방법에 대해서 말씀드리겠습니다 제안방법은 제어장치로 자기유변유체감쇠기를 사용하고, 제어알고리즘으로 신경망과 clipped 알고리즘을 조합한 clipped 신경망 제어알고리즘을 사용하였습니다. 신경망은 구조물에 대한 수학적 모델을 필요로 하지 않기 때문에, 기존 방법들보다 더 나은 성능을 보여줄 수 있습니다. The Modulated homogeneous friction algorithm shows nearly the same performance as the passive-on case. Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea