فصل چهارم کتاب: بهینه کنترل فعال سازه با رویکرد کلاسیک و هوش مصنوعی

بهینه کنترل فعال سازه با رویکرد کلاسیک و هوش مصنوعی
 
۱-۴- مقدمه

اصولاً تحقیقات وسیعی در زمینه ساختمان‌های مقاوم در برابر بلایای طبیعی چون باد و زلزله و … صورت گرفته است. ولی با این حال روز به روز روش‌های نوینی جایگزین روش‌های قدیمی می‌گردد. اساساً یکی از نیروهای مهلک که نقش بسزایی در تخریب سازه‌ها دارد نیروی زلزله است، این نیرو به واسطه حرکت ناگهانی پوسته زمین در محل گسل‌ها تولید انرژی زیادی بر روی سطح زمین می‌کند که خود عامل اصلی تغییر شکل‌های اجزاء سازه‌ها و ناپایدار کردن کل این سازه‌ها می‌شود. در دنیا علاوه بر تحقیقاتی که بر روی چگونگی بوجود آمدن این نیرو و منشا آن در زمین صورت گرفته است، تحقیقات وسیع و بدون انتهایی نیز در خصوص مقاومت سازه‌های ساخته شده توسط بشر در مقابل این نیروها انجام گرفته است.

محققین روش‌های کاربردی زیادی را در این خصوص ارائه کرده‌اند، که می‌توان آنها را به دو دسته تئوری‌های سنتی‌ و تئوری‌های مدرن تقسیم کرد. در تئوری‌های سنتی یا کلاسیک اصل بر طراحی و محاسبه تک‌تک اعضاء سازه با توجه به نیرویی که به آن عضو وارد می‌شود بوده است ولی در تئوری مدرن پایداری کل سازه‌ بسیار با اهمیت‌تر از پایداری قسمت کوچکی از سازه می‌باشد.

در تئوری‌های مدرن روش‌های متعددی برای این امر (پایداری سازه‌ها) توسط محققان پیشنهاد شده است که شاخه مهمی از ان استفاده از سیستم‌های کنترلی می‌باشد. دامنه وسیع این زمینه کاری در مهندسی مخصوصاً در زمینه عمران باعث شده که حتی شاخه‌های جدید تحقیقاتی و پژوهشی را پیش روی محققین باز کند. اما به طور کل می‌توان این پژوهش‌ها را به چهار دسته مهم در این گرایش تقسیم کرد: سیستم‌های کنترل غیر فعال، فعال، نیمه فعال و مرکب.

در این کتاب سعی بر آن است که سیستم کنترل فعال ATMD مورد بررسی قرار گیرد. این سیستم یک سیستم مؤثر بوده که با استفاده از دور کردن فرکانس سازه از فرکانس زلزله اثرات زلزله را کاهش می‌دهد. سیستم ATMD یا میراگر و جرم تنظیم شونده فعال از دو قسمت غیر فعال و یک نیروی فعال تشکیل شده است. بر روی این دو بخش تحقیقات زیادی جهت بهینه کردن سیستم انجام گرفته است. جهت طراحی نیروی فعال این سیستم الگوریتم‌های مختلفی توسط پژوهشگران پیشنهاد شده است که در این کتاب سعی بر تولید نیروی فعال توسط یک روش هوش مصنوعی به نام منطق فازی می‌باشد. از آنجایی که هر سیستم جهت طراحی نیاز به انتخاب بهینه پارامترهای خود دارد می‌توان الگوریتم ژنتیک را جهت پاسخ‌گویی به این مشکل بکار برد.

در این فصل سعی شده است تا مرور بر تحقیقات گذشته که پشتوانه علمی تحقیق حاضر می‌باشند، صورت گرفته و خلاصه‌ای از آنها ارائه گردد.

 

۲-۴- مروری بر تحقیقات سیستم‌های کنترل فعال ATMD

برای مدت سه دهه است که کاهش پاسخ سازه‌ها تحت اثر نیروهای دینامیکی عنوان پژوهش‌های مهندسی عمران بوده است و تعداد زیادی از مفاهیم کنترل سازه در هر یک از این مقالات به کار برده شده است [Datta, 1996]. برای کنترل پاسخ لرزه‌ای ساختمان سازه‌ها، روش‌های کنترل فعال و غیر فعال را می‌توان ارائه کرد، که سیستم‌های TMD در هر دو نوع کنترل به کار می‌روند [Mahendra, et al. 2002].

اولین بار در سال ۱۹۰۹ توسط فرام مفهوم میراگر و جرم تنظیم شونده بیان شد، در همین راستا در ادامه کارهای فرام این مفهوم مورد توجه ویژه محققان گوناگونی قرار گرفت و چندین تحقیق و محقق این سیستم را جهت کنترل ارتعاشات بارهای متعددی مورد بررسی قرار دادند [Mahendra, et al. 2002].

دن هارتگ به طور واضح طرح فرام را در کتاب خود شرح داد. در این طرح فرمول‌های ساده‌ای برای بدست آوردن تنظیم کننده بهینه و پارامترهای میراگر یک TMD جهت کنترل تغییر مکان یک سیستم یک درجه آزادی میرا نشده تحت اثر یک نیروی هارمونیک تهیه شد. پس از آن، هارتگ آزمایشاتی را جهت کنترل پاسخ تغییر مکان یک سیستم یک درجه آزادی تحت اثر بار هارمونیک انجام داد و تحلیل‌هایی را به واسطه این نتایج ارائه کرد [Hartog, 1956].

پس از آن واربرتون از روش‌های گوناگون دیگری جهت حل مساله کنترل تحریکات و بدست آوردن پاسخ‌ها استفاده کرد. موارد کاربرد و محدودیت‌های این روش‌ها موجب شد که بتوان این فرمول‌ها را برای مسائل چند درجه آزادی نیر بکار برد [Warurton, 1982].

تسای و لین روش حل را به صورت کلاسیک برای یک سیستم یک درجه آزادی در آوردند. همچنین منحنی‌هایی را جهت یافتن پارامترهای بهینه بدست آوردند [Tsai. Et al. 1993].

اگرچه تا دهه هفتاد سیستم TMD بسیار در برابر نیروهای باد کارآمد به نظر می‌رسید و به نظر می‌رسید در برابر تحریک‌های لرزه‌ای زلزله جواب خوبی را ارائه دهد، ولی پس از آن در بعضی از کاوش‌ها سیستم میراگر و جرم تنظیم کننده را به عنوان یک کنترل کننده خوب جهت کاهش پاسخ سازه‌ها در برابر تحریک زلزله معرفی کردند [Clark, 1988; Kitmura, et al. 1988; Wirsching, et al.1974]، و از جهت دیگر چندین تحقیق نیز اثر عکس را نشان دادند، که از آن جمله می‌توان به مراجع زیر اشاره کرد:

[Sladek, et al. 1983]؛ [Kaynia, et al. 1981]؛ [Gupta, et al. 1969]

پس از ان ویلاورد و دستیارش دلایلی را برای تفاوت این تحقیقات که نشان دهنده کارایی یا عدم کارایی سیستم TMD در زلزله بود- پیشنهاد کردند [Villaverde, et al. 1993 and Vilaverde, 1994]. آنها مشاهده کردند که دلیل اصلی اینکه میراگرها در بعضی تحقیقات اثر نداشته‌اند استفاده از حل کلاسیک بوده است و این روش حل ضرورتاً مقادیر اجزاء را در تحقیقات بهینه نمی‌کند. آنها پیشنهاد کردند که پارامترهای میراگر باید با نسبت میرایی مود اصلی سازه تنظیم شوند. برای این منظور میراگر باید در رزونانس با سازه تکیه‌گاهش باشد و نسبت میرایی آن معادل با نسبت میرایی سازه‌ای به علاوه یک جمله که تابعی از نسبت میرایی کل سازه و تغییر مکان مودال سازه در نقطه اتصال میراگر TMD می‌باشد و پس از آن چندین مطالعه عددی به منظور نشان دادن تاثیر این فرمول‌ها در تحقیقات‌شان ارائه شد [Villaverde, et al. 1993].

سادک و همکارانش به هر حال پس از تحقیقاتی که انجام دادند توانستند یک مدل یک درجه آزادی از مدلی که ویلاورد و همکارانش ارائه کرده بودند به همراه یک TMD متصل تهیه کنند. آنها یافتند که معمولاً نسبت میرایی TMD بجز جرم‌های کوچک، در نزدکی نسبت میرایی سازه است. همچنین این تحقیقات مبنایی برای تحقیقات بعدی در این زمینه شد و تاثیر کلیه اجزاء TMD بر روی مقادیر ویژه ماتریس سازه مورد بررسی قرار گرفت. آنها توانستند با تحقیق بر روی مقادیر متفاوت جرم، میرایی و سختی TMD، مقادیر بهینه‌ای برای نسبت میرایی و نسبت جرم TMD ای که با فرکانس مود سازه تنظیم شده بود بدست آورند. پس از آن، توسط منحنی‌هایی که از این مقادیر بدست آمد فرمول‌های ساده‌ای برای محاسبه پارامترهای جرم و میرایی بدست آوردند.

در سال‌های بعد فرمول‌های میراگر و جرم تنظیم کننده یک سیستم یک درجه آزادی برای سیستم‌های چند درجه آزادی معادل ارائه شد. این فرایند زمانی که پاسخ سازه چند درجه آزادی توسط یک مود قابل تعریف باشد (که معمولاً مود پایه نامیده می‌شود) موفقت‌آمیز به نظر می‌رسید.

به منظور بالا بردن قدرت طراحی و همچنین کاهش حساسیت طرح سیستم که موجب عدم تنظیم یا تغییر در مقادیر پارامترهای سیستم می‌شود از سیستم‌های MTMD یا میراگر با چند جرم تنظیم کننده در چندین تحقیق استفاده شده است [Abe, et al. 1995; Lgusa, T, et al. 1994; and Yamaguchi, et al. 1993]. فرکانس‌های یک MTMD در یک فرکانس باند پهن پخش می‌شود. که معمولاً مود اصلی سازه در مرکزیت این فرکانس‌ها قرار دارد.

هدف از استفاده از چند میراگر معمولاً کنترل چندین فرکانس سازه نیست ولی معمولاً خواص کنترل را بهبود می‌بخشد. رانا و سونگ تحقیقات فراوانی بر روی میراگرهای MTMD جهت کنترل مودهای متفاوت سازه‌ها انجام داده‌اند [Rana, et al. 1998].

در سال ۱۹۷۰ مفاهیم کنترل سازه‌ها در مهندسی عمران شکل گرفت، و از آن زمان به بعد تحقیقات وسیعی زمینه صورت گرفت. یاو اولین مقالات تئوری کنترل را برای کنترل فعال سازه‌ها نوشت و ارائه کرد [Soong, 1989].

از آن سال تا به حال کنترل فعال سازه‌ها یکی از موضاعات مهم تحقیقی در بین محققین سازه به شمار می‌رود. در این زمینه سونگ مقالات بازنگری زیادی تا به حال به چاپ رسانده است [Soong, 1989; Yang, et al. 1989; and spencer, et al. 1999] اشاره کرد.

در این خصوص روش‌های زیادی توسط محققین مورد بررسی قرار گرفته است که بیشتر این روشها به منظور یافتن الگوریتمی مناسب جهت بدست آوردن نیروی فعال در هر لحظه است. از این الگوریتم‌ها می‌توان از کنترل بهینه خطی [Chung, et al. 1988]، جایابی قطب [Abdel-Rohman, et al. 1978]، روش IMSCو  [Meirovitch, 1987]،  کنترل آنی [Soong, 1988] و غیره اشاره کرد.

اخیراً نیز استفاده از الگوریتم‌های هوش مصنوعی در تعیین این نیروها مطرح شده است که از جمله اینها می‌توان به منطق فازی و شبکه‌های عصبی و … اشاره کرد ; [Ahlawat, et al. 2001 سینایی و همکارانش ۱۳۸۲].

 ادامه دارد ….
 

آنچه مطالعه کردید، بخش هایی از «فصل چهارم» کتاب «بهینه کنترل فعال سازه با رویکرد کلاسیک و هوش مصنوعی» تالیف «جواد پالیزوان (مدرس دانشگاه) و زند علی روشنی (مدرس دانشگاه)»، می باشد که در راستای معرفی و انتشار رایگان جهت استفاده مخاطبین متلب سایت در اختیار این مجموعه قرار داده شده است.

برای تهیه این کتاب می توانید به این لینک(+) مراجعه نمایید.

همچنین آموزش های زیر در فرادرس نیز مباحثی مرتبط با محتوای این کتاب را پوشش می دهند:


 

0 پاسخ

ارسال یک پاسخ

در گفتگو ها شرکت کنید.

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *