کتاب کنترل فعال سازه ها (تئوری و کاربرد)

مقدمه

امروزه کاهش خطرات طبیعی یکی از مهم‌ترین مسائل فراروی مهندسان عمران می‌باشد. هنگامی که ساختمان‌های مسکونی یا اداری به ‌صورت غیرقابل ‌کنترل و با لرزش‌های زمین تکان می‌خورند، برای ساکنین حس درماندگی ایجاد می‌شود. همه ما از طریق تلویزیون و سایر رسانه‌های خبری، شاهد تخریب گسترده اموال و تلفات غم ‌انگیز ناشی از زلزله، طوفان، آتش‌‌سوزی و یا سیل بوده‌ایم. در مهندسی سازه، یکی از چالش‌های دائمی، یافتن راه‌های جدید و بهتر حفاظت از سازه‌ها و تأسیسات ساخته ‌شده در برابر اثرات مخرب نیروهای محیطی ویرانگر می‌باشد. راه دیگر برای پژوهشگران و طراحان، ارائه طرح‌های محافظه‌کارانه‌تر است، تا سازه‌هایی مانند ساختمان‌ها و پل‌ها بهتر بتوانند بارهای بزرگ خارجی را تحمل کنند. با این‌ وجود، این رویکرد از لحاظ فن‌آورانه و اقتصادی نمی‌تواند قابل‌قبول باشد. رویکرد احتمالی دیگر، ایجاد شباهت بیشتر بین رفتار سازه‌ها با ماشین‌ها، هواپیما‌ها یا انسان می‌باشد، به ‌نحوی ‌که بتوانند در مقابل نیروهای خارجی، رفتاری انطباقی و یا پاسخ مناسب از خود نشان دهند. به عبارتی ماهیچه‌های سازه‌ در مواقع ضروری می‌توانند انعطاف‌ پذیر باشند یا تنظیمات مناسب را در داخل سازه متناسب با شرایط محیطی ایجاد کنند. روش اخیر منجر به تحقیقات بر روی مفاهیم کنترل فعال سازه شده‌ و زمینه جدیدی از تحقیقات را گشوده است که در اوایل سال ۱۹۷۰ ابتدا به ‌عنوان یک ایده ذهنی مورد توجه قرار گرفت، اما در حال حاضر در مرحله‌ای است که آزمایشاتی در مقیاسی بزرگ در حال انجام می‌باشد و سیستم‌های کنترل فعال عملیاتی در سازه‌هایی با مقیاس واقعی، طراحی و نصب شده‌اند.

 دلیل دیگری که کنترل فعال سازه‌ توجه زیادی را به خود جلب کرده، پیشرفت‌های سریعی می‌باشد که در تکنولوژی‌های مربوطه صورت گرفته است. توسعه مفهوم کنترل فعال باید با پیشرفت‌هایی در زمینه‌هایی مانند کامپیوتر، الکترونیک، تکنیک‌های اندازه‌گیری، ابزار، کنترل‌ کننده‌ها، عملگرها، مواد و غیره همراه باشد. در حال حاضر پیشرفت‌های فوق‌ ‌العاده‌ در همه زمینه‌های فوق منجر به توسعه تکنولوژی کنترل فعال شده است. همچنین باید توجه داشت که استفاده از کنترل فعال از نظر تمام فاکتورهای هزینه دارای جذابیت اقتصادی نیز می‌باشد.

بر اساس نتایج تحلیلی و تجربی بدست‌آمده تا امروز، واضح است که سیستم‌های فعال اتوماتیک، از لحاظ تکنولوژیکی در حال تبدیل‌ شدن به یک واقعیت هستند. اما قبل از اینکه کنترل فعال سازه‌ توسط مهندسین عمران و حرفه‌های ساختمانی به‌طورکلی پذیرفته شود، تعداد زیادی از موانع جدی همچنان باقی است که باید بر آن‌ها غلبه شود و هدف از نگارش این کتاب، از این موضوع نشأت‌ گرفته ‌است. موضوع این کتاب، معرفی اصول اساسی کنترل به خواننده است. این اصول در نظریه کنترل فعال سازه شامل جمع‌آوری حجم زیادی از اطلاعات مستند در مورد پیشرفت‌هایی است که تا امروز صورت گرفته و همچنین پرداختن به مسائل اجرایی می‌باشد. امید است که مطالب موجود در این کتاب به خواننده برای درک بهتر کمک کند، به‌ طوری‌که او بهتر بتواند مسائل پیچیده مربوطه را طرح کند و به دنبال مطالعات بیشتر در این زمینه جذاب و با سرعت در حال گسترش  باشد.

فهرست سرفصل ها

۱- مقدمه

• سازمان‌دهی فصل‌های کتاب

۲- سازههای کنترل شده به روش فعال

۳- الگوریتم‌های کنترلی

• کنترل بهینه خطی کلاسیک
• کنترل حلقه بسته
• کنترل حلقه  باز – بسته و کنترل حلقه  باز
• انتساب قطب
• حالت پسخوراند خروجی
• کنترل بهینه لحظه‌ای
• کنترل حلقه– بسته
• کنترل حلقه  باز - بسته
• کنترل حلقه باز
• كنترل فضاي مودال مستقل (IMSC)
• کنترل حالات کران ‌دار
• ضربات یک ‌طرفه
• سایر الگوریتم‌های کنترل

۴- ملاحظات کاربردی

• مشکلات مدل سازی و اثرات سرریز
• اثر سرریز
• جبران سرریز
• تأخیر زمانی
• جبران تأخیر زمانی
• رفتار غیرخطی سازه
• عدم قطعیت در پارامترهای سازه‌ای
• تعداد محدود حسگرها و کنترلکنندهها
• قرار گیری بهینه حسگرها و کنترلکننده ها
• کنترل زمان گسسته
• کنترل پیش بین
• قابلیت اعتماد
• سایر ملاحظات

۵- مکانیزم‌های کنترل و مطالعات تجربی

• کنترل با کابل فعال
• آزمایش‌های مرحله دوم
• آزمایش در مقیاس کامل
• میراگر جرمی فعال و محرک جرمی فعال
• مقایسه AMD و سیستم با کابل فعال
• آزمایش و پیاده‌سازی در مقیاس کامل
• مولد ضربه
• ملحقات آیرودینامیکی
• سایر مکانیزم‌های کنترل

۶- بهینه‌یابی سازه‌های کنترل ‌شده به روش فعال

• معادلات پایه
• روند حل

۷- پیوست الف: اعضای سیستم های کنترل خطی

• معادله حالت
• حل معادله‌ حالت
• پاسخ ضربه و ماتریس های تابع تبدیل
• ماتریس پاسخ فرکانسی
• ورودی تصادفی
• پایداری

۸- پیوست ب: جدول تبدیل واحد