본 논문에서는 구조적으로 유연한 특성을 갖는 교량 구조물을 대상으로 외력에 의해 발생되는 진동을 실시간으로 제어하고자 준능동형 실시간 피드백 진동제어시스템을 구성하고, 이를 실험적으로 평가하였다. 여기서 진동제어를 위한 대상 교량 구조물은 서해대교를 약 1/200 크기로 규모화 하여 설계/제작한 모형 교량 구조물을 사용하였고, 실험실 여건을 고려해 규모화 된 El-centro 지진파형으로 구조물을 가진하였다. 또한, 교량 상판 중앙지점에는 전자석이 채용된 전단형 MR 댐퍼를 수직방향으로 설치하여 발생된 진동을 제어하도록 하였고, 동시에 변위계 및 가속도계를 설치하여 구조물의 응답(변위, 가속도)을 획득하였다. 이때 진동제어의 실험은 크게 비-제어, 수동 on/off 제어, Lyapunov 안정론 기반 제어 그리고, Clipped-optimal 제어조건으로 구분하여 실시간 피드백 진동제어실험을 수행하였고, 이때 진동제어의 효과는 상판 중앙지점에 대하여 각 실험방법 별 절대최대변위와 절대최대가속도 그리고, 인가전원의 소모량 등을 성능지수를 이용해 정량적으로 평가하였다. 진동제어실험의 결과로부터, Lyapunov 제어 및 Clipped-optimal 제어방법 모두 구조물의 발생 변위 및 가속도를 효과적으로 감소시켰으며, 특히 진동제어 시 요구되는 외부 인가전원의 소비를 크게 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 최종적으로, 본 논문에서 구성한 준능동형 실시간 피드백 진동제어시스템은 교량 구조물에 발생된 진동을 제어 관리하기 위한 적극 효율적인 방법으로 활용될 가능성이 있음을 확인하였다.
본 논문에서는 구조적으로 유연한 특성을 갖는 교량 구조물을 대상으로 외력에 의해 발생되는 진동을 실시간으로 제어하고자 준능동형 실시간 피드백 진동제어시스템을 구성하고, 이를 실험적으로 평가하였다. 여기서 진동제어를 위한 대상 교량 구조물은 서해대교를 약 1/200 크기로 규모화 하여 설계/제작한 모형 교량 구조물을 사용하였고, 실험실 여건을 고려해 규모화 된 El-centro 지진파형으로 구조물을 가진하였다. 또한, 교량 상판 중앙지점에는 전자석이 채용된 전단형 MR 댐퍼를 수직방향으로 설치하여 발생된 진동을 제어하도록 하였고, 동시에 변위계 및 가속도계를 설치하여 구조물의 응답(변위, 가속도)을 획득하였다. 이때 진동제어의 실험은 크게 비-제어, 수동 on/off 제어, Lyapunov 안정론 기반 제어 그리고, Clipped-optimal 제어조건으로 구분하여 실시간 피드백 진동제어실험을 수행하였고, 이때 진동제어의 효과는 상판 중앙지점에 대하여 각 실험방법 별 절대최대변위와 절대최대가속도 그리고, 인가전원의 소모량 등을 성능지수를 이용해 정량적으로 평가하였다. 진동제어실험의 결과로부터, Lyapunov 제어 및 Clipped-optimal 제어방법 모두 구조물의 발생 변위 및 가속도를 효과적으로 감소시켰으며, 특히 진동제어 시 요구되는 외부 인가전원의 소비를 크게 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 최종적으로, 본 논문에서 구성한 준능동형 실시간 피드백 진동제어시스템은 교량 구조물에 발생된 진동을 제어 관리하기 위한 적극 효율적인 방법으로 활용될 가능성이 있음을 확인하였다.
This paper is concerned to constitute a semi-active realtime feedback vibration control system and evaluate it through experiments in order to control in realtime the vibration externally generated, specially on the bridges which is structurally flexible. For the experiment of vibration control, we ...
This paper is concerned to constitute a semi-active realtime feedback vibration control system and evaluate it through experiments in order to control in realtime the vibration externally generated, specially on the bridges which is structurally flexible. For the experiment of vibration control, we built a model bridge structure of Seohae Grand Bridge in a 1/200 reduced form and inflicted El-centro wave on the model structure also in a reduced force considering the lab condition. The externally excited vibration was to be controled by placing a shear type MR damper vertically on the center of bridge span, and the response (displacement and acceleration) of structure was to be acquired by placing LVDT and Accelerometer at the same time. As for the experiment concerning controlling vibration, a realtime feedback vibration control experiments were performed under each different condition largely such as un-control, passive on/off control, Lyapunov stability theory control, and Clipped-optimal control. Its control performance under different condition was quantitatively evaluated in terms of the peak absolute displacements, the peak absolute accelerations and the power required for control on the center of span. The results of experiments proved that the Lyapunov control and clipped-iptimal control were effective to decrease the displacement and acceleration of the structure, and also to decrease the power consumption to a great extent. Finally, the semi-active realtime feedback vibration control system constituted in this research was proven to be an effective way to control and manage the vibration generated on bridge structure.
This paper is concerned to constitute a semi-active realtime feedback vibration control system and evaluate it through experiments in order to control in realtime the vibration externally generated, specially on the bridges which is structurally flexible. For the experiment of vibration control, we built a model bridge structure of Seohae Grand Bridge in a 1/200 reduced form and inflicted El-centro wave on the model structure also in a reduced force considering the lab condition. The externally excited vibration was to be controled by placing a shear type MR damper vertically on the center of bridge span, and the response (displacement and acceleration) of structure was to be acquired by placing LVDT and Accelerometer at the same time. As for the experiment concerning controlling vibration, a realtime feedback vibration control experiments were performed under each different condition largely such as un-control, passive on/off control, Lyapunov stability theory control, and Clipped-optimal control. Its control performance under different condition was quantitatively evaluated in terms of the peak absolute displacements, the peak absolute accelerations and the power required for control on the center of span. The results of experiments proved that the Lyapunov control and clipped-iptimal control were effective to decrease the displacement and acceleration of the structure, and also to decrease the power consumption to a great extent. Finally, the semi-active realtime feedback vibration control system constituted in this research was proven to be an effective way to control and manage the vibration generated on bridge structure.
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문제 정의
본 논문에서는 교량 구조물에 발생되는 진동을 효과적으로 제어하고자 준능동 제어장치인 MR 댐퍼를 이용해 다양한 제어 조건 별 진동제어실험을 수행하고, 각 제어 조건 별 제어성능을 정량적으로 평가하였다. 이를 위하여, 본 논문에서 사용된 진동제어장치로는 직경 0.
본 논문에서는 교량 구조물의 동특성을 파악하고, 이 결과로부터 상태공간방정식의 구성 행렬(A～D 행렬)을 결정하기 위하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석은 상용 구조해석 프로그램인 UGS사의 I-DEAS를 활용하였고, 이때 상부구조는 2D 얇은 Shell 요소, 가로보 및 주탑은 1D Beam 요소 그리고, 케이블은 1D Rod 요소를 사용하였다.
본 논문에서는 실시간 진동제어 성능을 평가하기 위하여 모형 교량구조물을 제작하여 활용하였다. 이때 대상 교량구조물은 서해대교의 사장교 구간을 약 1/200 크기로 규모화 하여, 전체길이 4.
본 논문에서는 준능동 제어장치인 MR댐퍼를 이용해 구조물에 발생된 진동을 제어하기 위하여 Lyapunov제어및 Clipped-optimal 제어알고리즘 기반의 준능동형 실시간 피드백 진동제어시스템을 구성하고, 각 제어방법 별 진동제어 성능을 실험적으로 평가하였다. 이때, 임의의 랜덤하중(El-centro 지진파)이 부여된 모형 교량 구조물을 대상으로 진동제어 실험을 수행하였으며, 실험조건은 비-제어, 수동 off/on 제어, Lyapunov 제어 그리고, Clipped-optimal 제어상태로 구분하여 수행하였다.
여기서 진동제어실험셑은 규모화된 모형 교량구조물과 랜덤지진파형의 외부가진력, 그리고 전단형 MR 댐퍼를 사용하였으며, 이때 진동제어의 성능평가는 크게 3가지 평가지표(절대최대변위, 절대최대가속도, 소모전원 등)를 활용하였다. 최종적으로 본 논문에서 MR 댐퍼와 두 가지 제어알고리즘으로 구성된 준능동형 실시간 피드백 진동제어 시스템은 구조물의 발생된 랜덤진동을 실시간으로 제어하기 위하여 효과적으로 적용될 수 있는 가능성을 제시하였다.
이때 진동제어 시 가진력의 진동수 성분에따라 그 효과가 달라질 수 있다. 하지만 특정 진동수 성분을 갖는 가진력 및 가진방법을 이용하여 구조물의 진동제어 효과를 판단하는 것은 현실적인 진동제어 문제에도 적합하지 않다고 판단되며, 따라서 본 논문에서는 다양한 진동수 성분을 갖는 대표적인 랜덤 가진력(El-centro 지 진력)을 바탕으로 구조물의 상․ 하방향의 진동에 대한 제어효과를 검증하고자 하였다. 이때, 본 논문에서 사용된 El-centro 지진력은 특정 진동의 종류 및 특성을 고려하기 위한 것이 아닌, 단지 모형 교량 구조물에 임의의 진동을 생성시키기 위한 목적․ 수단의 개념으로 채택한 것이다.
제안 방법
이때, 임의의 랜덤하중(El-centro 지진파)이 부여된 모형 교량 구조물을 대상으로 진동제어 실험을 수행하였으며, 실험조건은 비-제어, 수동 off/on 제어, Lyapunov 제어 그리고, Clipped-optimal 제어상태로 구분하여 수행하였다. 각 제어조건 별 실험결과는 절대최대변위, 절대최대가속도 그리고, 인가전원의 소모량으로 제어성능을 평가하였다. 이상의 진동제어에 관한 실험적 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
따라서 본 논문에서는 크게 두 가지 제어알고리즘 (Lyapunov 제어알고리즘 및 Clipped-optimal 제어알고리즘)을 바탕으로 준능동형 실시간 피드백 진동제어 시스템을 구성하였고, 각 제어알고리즘 별 진동제어 성능을 실험적으로 평가하였다. 여기서 진동제어실험셑은 규모화된 모형 교량구조물과 랜덤지진파형의 외부가진력, 그리고 전단형 MR 댐퍼를 사용하였으며, 이때 진동제어의 성능평가는 크게 3가지 평가지표(절대최대변위, 절대최대가속도, 소모전원 등)를 활용하였다.
이때, 본 논문에서 사용된 El-centro 지진력은 특정 진동의 종류 및 특성을 고려하기 위한 것이 아닌, 단지 모형 교량 구조물에 임의의 진동을 생성시키기 위한 목적․ 수단의 개념으로 채택한 것이다. 또한, 구조물의 응답은 교량상판에 등 간격으로 설치된 9개의 가속도계(3134D)와 교량 상판중앙에 설치된 1개의 변위계(CDP-50) 그리고, MR댐퍼의 지탱 축에 설치된 1개의 force 센서(1051V5)로부터 가속도와 변위 그리고, 제어력을 동시에 획득하였다. 이상으로부터 본 논문에서 구성된 진동제어실험셑과 관련된 세부사항은 다음 Fig.
마지막으로, 본 논문에서 고려한 진동제어실험 조건은 비-제어(기본구조물 상태), 수동-off(인가전류 0A)제어, 수동-on(인가전류 2A) 그리고, Lyapunov 제어(제어법칙 적용)의 총 4가지 방법으로 수행하였고, 이때 MR 댐퍼로의 전류인가는 0～2A 출력범위를 갖는 Lord사의 전류공급 장치(RD-3002-03)를 이용하였다. 마지막으로, 제어시스템의 설계와 입·출력 신호의 실시간 획득․ 처리를 위하여 Matlab Simulink 및 dSPACE 1103 보드를 활용하였다.
본 논문에서는 MR 댐퍼를 이용해 구조물에 발생된 진동을 실시간으로 제어하고자 이상의 Lyapunov안정론 기반의 제어 알고리즘과 Clipped-optimal 제어 알고리즘을 바탕으로 준능동형 피드백 진동제어시스템을 구성하였으며, 구성된 시스템의 개념도는 다음 Fig. 2와 같다.
본 논문에서는 모형 교량 구조물에 발생한 진동을 제어 하기 위하여 크게 5가지 실험조건(비-제어(기본구조물 상태), 수동-off제어(인가전류 0A), 수동-on제어(인가 전류 2A), Lyapunov 제어(식(7)의 제어법칙 적용), 그리고 Clipped-optimal 제어(식(9)의 제어법칙 적용))을 바탕으로 진동제어 실험을 수행하였고, 이때 획득된 교량 상판 중앙지점에서의 변위 및 가속도 응답을 각 실험조건별로 상호 비교하여 제어성능을 정량적으로 평가하였다. 여기서, 수동-on 상태에서 제어장치로 인가된 전류의 크기 설정은 준능동 제어장치의 특성상 저전력을 소모하면서도 높은 동적범위 및 제어성능을 발휘하도록 하는 설계 조건에 충실하고, 더불어 사용된 전류공급장치의 용량 등을 복합적으로 고려해야 한다.
하지만 이때 설정된 2A는 반드시 사용된 제어장치가 최적의 제어성능을 발휘하도록 하는 요구인가전류의 크기를 의미하는 것은 아니며, 설계자의 요구 혹은 제어장치의 용량 등에 따라 달라질 수 있다. 본 논문에서는 실시간 준능동 피드백 제어시스템의 운영을 위하여 Fig. 6과 같이 Matlab Simulink 기반의 Control GUI를 구성하여 활용하였다.
본 논문에서는 교량 구조물의 동특성을 파악하고, 이 결과로부터 상태공간방정식의 구성 행렬(A～D 행렬)을 결정하기 위하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석은 상용 구조해석 프로그램인 UGS사의 I-DEAS를 활용하였고, 이때 상부구조는 2D 얇은 Shell 요소, 가로보 및 주탑은 1D Beam 요소 그리고, 케이블은 1D Rod 요소를 사용하였다. 여기서 주탑단의 경계조건은 일단 Pin, 타단 Roller 로, 양 측단 경계조건은 모두 Roller 로 각각 설정하였고, 이때 구조물의 자유도(DOF)는 상부구조 중앙점에 대하여총 9개(수직방향)를 부여하였다.
수치해석은 상용 구조해석 프로그램인 UGS사의 I-DEAS를 활용하였고, 이때 상부구조는 2D 얇은 Shell 요소, 가로보 및 주탑은 1D Beam 요소 그리고, 케이블은 1D Rod 요소를 사용하였다. 여기서 주탑단의 경계조건은 일단 Pin, 타단 Roller 로, 양 측단 경계조건은 모두 Roller 로 각각 설정하였고, 이때 구조물의 자유도(DOF)는 상부구조 중앙점에 대하여총 9개(수직방향)를 부여하였다. 마지막으로 구조해석방법은 가이언 응축(Guyan reduction)법을 활용하였고, 이로부터 구조물의 동적 파라메타(고유주파수, 모드형상, 질량, 감쇠, 강성 행렬 등)를 산출하였다.
따라서 본 논문에서는 크게 두 가지 제어알고리즘 (Lyapunov 제어알고리즘 및 Clipped-optimal 제어알고리즘)을 바탕으로 준능동형 실시간 피드백 진동제어 시스템을 구성하였고, 각 제어알고리즘 별 진동제어 성능을 실험적으로 평가하였다. 여기서 진동제어실험셑은 규모화된 모형 교량구조물과 랜덤지진파형의 외부가진력, 그리고 전단형 MR 댐퍼를 사용하였으며, 이때 진동제어의 성능평가는 크게 3가지 평가지표(절대최대변위, 절대최대가속도, 소모전원 등)를 활용하였다. 최종적으로 본 논문에서 MR 댐퍼와 두 가지 제어알고리즘으로 구성된 준능동형 실시간 피드백 진동제어 시스템은 구조물의 발생된 랜덤진동을 실시간으로 제어하기 위하여 효과적으로 적용될 수 있는 가능성을 제시하였다.
여기서, 축소모형에 따른 제어시스템의 설계 시 실 구조물에 대한 적용성을 고려하기 위하여본 논문에서는 기본적으로 서해대교 설계도면을 참고하여 구조물의 구조적 특성이 반영되도록 전체적인 크기에 대한 축소화에 충실하였고, 이때 축소모형은 유연한 특성을 갖도록 설계·제작하였으며, 이로 인하여 상부구조물에 발생된 변형(처짐)은 구조해석을 통해 산출된 케이블의 장력을 순차적으로 도입하여 상부구조물의 전 구간에 걸쳐 변형(처짐)없이 수평상태를 유지하도록 조립·완성 하였다.
본 논문에서는 준능동 제어장치인 MR댐퍼를 이용해 구조물에 발생된 진동을 제어하기 위하여 Lyapunov제어및 Clipped-optimal 제어알고리즘 기반의 준능동형 실시간 피드백 진동제어시스템을 구성하고, 각 제어방법 별 진동제어 성능을 실험적으로 평가하였다. 이때, 임의의 랜덤하중(El-centro 지진파)이 부여된 모형 교량 구조물을 대상으로 진동제어 실험을 수행하였으며, 실험조건은 비-제어, 수동 off/on 제어, Lyapunov 제어 그리고, Clipped-optimal 제어상태로 구분하여 수행하였다. 각 제어조건 별 실험결과는 절대최대변위, 절대최대가속도 그리고, 인가전원의 소모량으로 제어성능을 평가하였다.
여기서, 수동-on 상태에서 제어장치로 인가된 전류의 크기 설정은 준능동 제어장치의 특성상 저전력을 소모하면서도 높은 동적범위 및 제어성능을 발휘하도록 하는 설계 조건에 충실하고, 더불어 사용된 전류공급장치의 용량 등을 복합적으로 고려해야 한다. 이를 위하여 본 논문에서는 사용된 전류공급장치의 용량이 최대 2A이라는 점과, 이는 기존 연구문헌에서 활용된 최대인가전류 범위를 만족한다는 점 등을 고려하여, 인가전류의 크기를 2A로 설정하였다. 하지만 이때 설정된 2A는 반드시 사용된 제어장치가 최적의 제어성능을 발휘하도록 하는 요구인가전류의 크기를 의미하는 것은 아니며, 설계자의 요구 혹은 제어장치의 용량 등에 따라 달라질 수 있다.
대상 데이터
이때, MR 유체는 Lord 사의 MRF132AD를 사용하였으며, MR 유체가 함침된 스펀지는 자기장의 전단방향에 위치하도록 하였다. 대상 구조물의 외부 가진은 실험실 여건을 고려하여 규모화 된 El-centro 지진파형을 이용하였으며, 이는 모형 교량 구조물의 좌측 경간 중앙에 설치된 가진기(EDS50-120)로부터 인가되도록 하였다. 이때 진동제어 시 가진력의 진동수 성분에따라 그 효과가 달라질 수 있다.
본 논문에서는 실시간 진동제어 성능을 평가하기 위하여 모형 교량구조물을 제작하여 활용하였다. 이때 대상 교량구조물은 서해대교의 사장교 구간을 약 1/200 크기로 규모화 하여, 전체길이 4.2m, 교폭 0.17m 그리고, 주탑 높이 0.70m 로 설계하였고, 이때 주탑단의 경계조건은 일단 힌지 및 타단 롤러, 양 측단 경계조건은 모두 롤러로 설정하였다. 이렇게 설계된 모형 교량 구조물은 Fig.
4mm 코일을 2000번으로 감아 제작한 전자석 요크를 갖는 전단형 MR댐퍼를 이용하여, 상판 중앙지점의 하단에 수직방향으로 설치하였다. 이때, MR 유체는 Lord 사의 MRF132AD를 사용하였으며, MR 유체가 함침된 스펀지는 자기장의 전단방향에 위치하도록 하였다. 대상 구조물의 외부 가진은 실험실 여건을 고려하여 규모화 된 El-centro 지진파형을 이용하였으며, 이는 모형 교량 구조물의 좌측 경간 중앙에 설치된 가진기(EDS50-120)로부터 인가되도록 하였다.
본 논문에서는 교량 구조물에 발생되는 진동을 효과적으로 제어하고자 준능동 제어장치인 MR 댐퍼를 이용해 다양한 제어 조건 별 진동제어실험을 수행하고, 각 제어 조건 별 제어성능을 정량적으로 평가하였다. 이를 위하여, 본 논문에서 사용된 진동제어장치로는 직경 0.4mm 코일을 2000번으로 감아 제작한 전자석 요크를 갖는 전단형 MR댐퍼를 이용하여, 상판 중앙지점의 하단에 수직방향으로 설치하였다. 이때, MR 유체는 Lord 사의 MRF132AD를 사용하였으며, MR 유체가 함침된 스펀지는 자기장의 전단방향에 위치하도록 하였다.
이론/모형
본 논문에서는 진동제어실험 조건 별 제어효과를 평가 하기 위하여, Dyke et. al(2003) 등이 사장교 진동제어 벤치마크 문제에서 이용하였던 진동제어성능지수를 활용 하였다. 활용된 진동제어성능지수는 절대최대변위(J1), 절대최대가속도(J2) 그리고, 인가전압의 소모량(J3) 등으로 이들 성능평가지수는 동적구조물의 진동제어를 위해 대상구조물과 그 제어형식에 관계없이 공통적으로 평가해야 할 기본 항목들이며, 특히 인가전압의 소모량(J3) 의 경우 본 논문에서 적용된 준능동 제어장치와 같이 별도의 외부 전원공급을 요구하는 장치를 제어시스템에 적용함에 있어 궁극적으로 평가되어야 할 필수 항목이다.
여기서 주탑단의 경계조건은 일단 Pin, 타단 Roller 로, 양 측단 경계조건은 모두 Roller 로 각각 설정하였고, 이때 구조물의 자유도(DOF)는 상부구조 중앙점에 대하여총 9개(수직방향)를 부여하였다. 마지막으로 구조해석방법은 가이언 응축(Guyan reduction)법을 활용하였고, 이로부터 구조물의 동적 파라메타(고유주파수, 모드형상, 질량, 감쇠, 강성 행렬 등)를 산출하였다. 여기서 구성된 FE 모델은 Fig.
마지막으로, 제어시스템의 설계와 입·출력 신호의 실시간 획득․ 처리를 위하여 Matlab Simulink 및 dSPACE 1103 보드를 활용하였다.
준능동형 피드백 진동제어시스템을 구성하기 위하여 다양한 제어알고리즘들이 제안되었다. 본 논문에서는 그중 대표되는 두 가지 방법을 이용하였으며, 먼저 그 첫 번째 제어알고리즘으로써, 시스템의 안정도 해석을 위한 Lyapunov 직접 접근법을 고려하였다(Brogan, 1991). 이 접근법은 Lyapunov 함수 V(z)를 사용하며, 이는 시스템의 상태 z에 대해 양의 한정(positive definite) 함수이어야 한다.
본 논문에서는 그중 대표되는 두 가지 방법을 이용하였으며, 먼저 그 첫 번째 제어알고리즘으로써, 시스템의 안정도 해석을 위한 Lyapunov 직접 접근법을 고려하였다(Brogan, 1991). 이 접근법은 Lyapunov 함수 V(z)를 사용하며, 이는 시스템의 상태 z에 대해 양의 한정(positive definite) 함수이어야 한다. 이때, 원점(origin)은 안정 평형 위치라고 가정한다.
성능/효과
1) 모형 교량 구조물에 발생된 랜덤진동에 대하여 비제어(기본구조물)상태 기준 제어효과는 Lyapunov 제어 및 Clipped-optimal 제어방법 모두 발생 변위및 가속도를 실시간적으로 감소시키는데 효과적인 것으로 확인되었다. 특히 이들 두 제어 방법은 수동-on 제어 방법과 비교하여 인가전압의 소모량 대비 제어성능을 볼 때, 진동제어 시 요구되는 외부 인가 전원의 소비를 1/3 정도로 감소시킬 수 있었다.
2) 한편 Lyapunov 제어 시, 변위의 경우에는 수동-on 제어와 비교하여 근사한 차이로 감소된 제어성능을 보였다. 이는 활용된 제어장치가 충분한 제어력을 발휘하지 못하였기 때문으로 판단되며, 이를 개선하기 위해서는 신뢰성 높은 동적범위 및 충분한 제어 용량을 갖도록 제어장치의 개발이 선행되어야 할 것으로 사료된다.
3) 이상의 결론으로부터, 본 연구에서 구성한 준능동형 실시간 피드백 진동제어시스템이 구조물에 발생된 랜덤진동을 실시간적으로 제어하는데 활용되어 질수 있는 가능성을 확인하였다. 더불어 향 후 이러한 실시간 준능동 피드백 진동제어 시스템을 목적 대상 구조물에 적합하도록 보완․ 적용한다면, 수동 및 능동 제어시스템이 갖는 단점을 극복하면서도, 구조물의 응답에 근거한 실시간 피드백 제어력을 구조물에 부여하여 구조물의 진동을 효율적으로 제어․ 관리 할 수 있는 방법으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
42mm로 나타났다. 또한 측정된 가속도 응답은 비-제어의 경우에 2.54m/s2를 보였고, 수동-off 제어의 경우에 1.94m/s2 , 수동-on 제어의 경우에 1.61m/s 2 , Lyapunov 제어의 경우에 1.15m/s2그리고, Clipped-optimal 제어의 경우에는 1.12m/s2로 나타났다.
8에 나타내었다. 여기서 보면, 수동-on 제어상태 (전체(full) 인가전원)보다 이들 두 제어방법 모두 인가전원의 크기를 감소시키는 것으로 나타났다.
이상의 결과로부터 Lyapunov 제어 방법은 비-제어 시와 비교하여 변위의 경우 약 67%, 가속도의 경우 약 55%의 제어효과를 보임을 확인되었고, Clipped-optimal 제어 방법은 비-제어 시와 비교하여 변위의 경우 약 70%, 가속도의 경우 약 56%의 제어효과를 보였다. 특히 Lyapunov 제어 방법은 수동-on 제어 상태와 비교하여약 34%의 인가전원의 약 34%를, Clipped-optimal 제어 방법은 인가전원의 약 36%를 절감하면서도 우수한 제어성능을 보였다.
이상의 결과로부터 Lyapunov 제어 방법은 비-제어 시와 비교하여 변위의 경우 약 67%, 가속도의 경우 약 55%의 제어효과를 보임을 확인되었고, Clipped-optimal 제어 방법은 비-제어 시와 비교하여 변위의 경우 약 70%, 가속도의 경우 약 56%의 제어효과를 보였다. 특히 Lyapunov 제어 방법은 수동-on 제어 상태와 비교하여약 34%의 인가전원의 약 34%를, Clipped-optimal 제어 방법은 인가전원의 약 36%를 절감하면서도 우수한 제어성능을 보였다.
1) 모형 교량 구조물에 발생된 랜덤진동에 대하여 비제어(기본구조물)상태 기준 제어효과는 Lyapunov 제어 및 Clipped-optimal 제어방법 모두 발생 변위및 가속도를 실시간적으로 감소시키는데 효과적인 것으로 확인되었다. 특히 이들 두 제어 방법은 수동-on 제어 방법과 비교하여 인가전압의 소모량 대비 제어성능을 볼 때, 진동제어 시 요구되는 외부 인가 전원의 소비를 1/3 정도로 감소시킬 수 있었다.
후속연구
4) 더불어, 본 논문에서 구성한 준능동형 실시간 피드백 진동제어시스템이 축소모델 기반의 실내실험 영역을 극복하고 나아가 실무적인 측면에서 적용되기 위해서는 제어장치의 부착위치 및 개소 결정, 충분한 제어용량의 확보, 그리고 체계적인 제어로직의 설계 등이 복합적으로 검토/검증되어야 할 것으로 판단된다.
3) 이상의 결론으로부터, 본 연구에서 구성한 준능동형 실시간 피드백 진동제어시스템이 구조물에 발생된 랜덤진동을 실시간적으로 제어하는데 활용되어 질수 있는 가능성을 확인하였다. 더불어 향 후 이러한 실시간 준능동 피드백 진동제어 시스템을 목적 대상 구조물에 적합하도록 보완․ 적용한다면, 수동 및 능동 제어시스템이 갖는 단점을 극복하면서도, 구조물의 응답에 근거한 실시간 피드백 제어력을 구조물에 부여하여 구조물의 진동을 효율적으로 제어․ 관리 할 수 있는 방법으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
2) 한편 Lyapunov 제어 시, 변위의 경우에는 수동-on 제어와 비교하여 근사한 차이로 감소된 제어성능을 보였다. 이는 활용된 제어장치가 충분한 제어력을 발휘하지 못하였기 때문으로 판단되며, 이를 개선하기 위해서는 신뢰성 높은 동적범위 및 충분한 제어 용량을 갖도록 제어장치의 개발이 선행되어야 할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
능동형 제어방법의 장점은?
먼저 점탄성 댐퍼, 마찰 댐퍼, 동조질량 댐퍼 및 기초격리 시스템 등을 이용한 수동형 제어방법은 장치의 구조가 간단하여 실 구조물에 적용이 용이하고, 장치가 갖는 성능범위 내에서는 높은 신뢰도를 기대할 수 있으며, 특히 구조물의 진동저감을 위해 추가적인 외부전원을 요구하지 않는다는 점에서 현재까지도 다양한 형태로 이․ 응용되고 있다. 또한 능동질량 댐퍼, 혼성질량 댐퍼 및 능동가변강성시스템 등을 이용한 능동형 제어방법은 구조물에 발생하는 다양한 외부 하중 조건에 대하여 폭넓게 적용할 수 있고, 특히 구조물의 응답에 직접적으로 대응할 수 있다는 큰 장점을 갖는다. 하지만, 수동형 제어방법은 제어장치의 기계적인 한계로 인해 다양한 하중조건에 충분한 대응이 어렵다는 점에서, 한편 능동형 제어방법은 초기 높은 설치비용과 경우에 따라 큰 외부전원을 요구한다는 점 등에서 효과적인 진동제어를 위해 한계가 있을 수 있다.
에너지 소산을 위한 장치 중 수동형 제어방법의 특징은?
일반적으로 구조물에 발생된 진동의 제어는 진동에너지를 소산시키는 방법에 따라 크게 수동형과 능동형으로 구분할 수 있으며, 이때 각 방법별 에너지 소산을 위한 장치(damper)가 별도로 요구된다. 먼저 점탄성 댐퍼, 마찰 댐퍼, 동조질량 댐퍼 및 기초격리 시스템 등을 이용한 수동형 제어방법은 장치의 구조가 간단하여 실 구조물에 적용이 용이하고, 장치가 갖는 성능범위 내에서는 높은 신뢰도를 기대할 수 있으며, 특히 구조물의 진동저감을 위해 추가적인 외부전원을 요구하지 않는다는 점에서 현재까지도 다양한 형태로 이․ 응용되고 있다. 또한 능동질량 댐퍼, 혼성질량 댐퍼 및 능동가변강성시스템 등을 이용한 능동형 제어방법은 구조물에 발생하는 다양한 외부 하중 조건에 대하여 폭넓게 적용할 수 있고, 특히 구조물의 응답에 직접적으로 대응할 수 있다는 큰 장점을 갖는다.
구조물에 발생된 진동의 제어는 어떻게 구분되는가?
일반적으로 구조물에 발생된 진동의 제어는 진동에너지를 소산시키는 방법에 따라 크게 수동형과 능동형으로 구분할 수 있으며, 이때 각 방법별 에너지 소산을 위한 장치(damper)가 별도로 요구된다. 먼저 점탄성 댐퍼, 마찰 댐퍼, 동조질량 댐퍼 및 기초격리 시스템 등을 이용한 수동형 제어방법은 장치의 구조가 간단하여 실 구조물에 적용이 용이하고, 장치가 갖는 성능범위 내에서는 높은 신뢰도를 기대할 수 있으며, 특히 구조물의 진동저감을 위해 추가적인 외부전원을 요구하지 않는다는 점에서 현재까지도 다양한 형태로 이․ 응용되고 있다.
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