Geri Dön

Optimal structural control using Wavelet-based algorithm

Wavelet yaklaşımını içeren LGR tekniği ile yapıların optimal kontrolu

PDF İndir

  1. Tez No: 356119
  2. Yazar: MAHDİ ABDOLLAHİRAD
  3. Danışmanlar: PROF. ÜNAL ALDEMİR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Deprem Mühendisliği, Earthquake Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2014
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 109

Özet

Yıkıcı depremler, kasırgalar ve tsunamiler gibi kuvvetli dinamik etkiler altındaki yapıların nasıl korunacağı fikri hep araştırma konusu olmuştur. Gelişmiş ülkelerde dahi ileri teknolojik malzeme ve teknikler kullanıldığı halde kuvvetli bir deprem veya kasırgada yapıların kesinlikle hasar görmeyeceği veya yıkılmayacağı garanti edilememektedir. Bu gibi dinamik kuvvetleri önceden tespit etmek mümkün olmadığından yapıların dizaynı belirli kriterleri sağlayan tasarım yüklerine göre yapılmaktadır. Dolayısıyla yapı tasarım yükünden farklı bir yüke maruz kaldığında ciddi hasarlar görebilmektedir. Geleneksel yaklaşımda yapıya iletilen sismik enerjinin tüketilmesi esas olarak plastik mafsalların oluşumu ile gerçekleşmektedir. Bu da yapının hasar görmesini kabul etme anlamına gelmektedir. Sismik enerjiyi yapısal hasara razı olarak tüketme yerine ek sönüm sistemleri ile tüketme alternatif bir yaklaşım olarak görülmektedir. İstatistikler göstermektedir ki maddi hasarın ve can kayıplarının önemli bir kısmı yapısal olmayan elemanların yüksek ivmeler altında hareket etmesi sonucunda oluşmaktadır. Dolayısıyla artık taşıyıcı sistemin çökmemesi yeterli görülmemekte buna ek olarak yapısal olmayan elemanların ve değerli hassas cihazlarında korunması istenmektedir. Bir başka önemli nokta ise malzeme teknolojisindeki gelişmeler neticesinde malzeme mukavemeti artarken rijitliğin aynı oranda artmamasıdır. Özellikle esneme kapasitesi fazla olan yüksek katlı çelik yapılarda büyük deplasmanların pratik açıdan kontrol edilmesi ek kontrol sistemlerinin kullanılmasını gerektirmektedir. Son yıllarda yapıları ve yapısal olmayan elemanları dinamik dış etkilere karşı daha iyi korumak için mevcut klasik tasarıma ek olarak onu tamamlayıcı yeni yaklaşımlar üzerinde çalışılmaktadır. Bu yaklaşımlar, yapıya gelen etkileri o anda ölçüp karşı kuvvetler uygulayacak veya etkiyi kendi içinde sönümleyecek malzemeler ve sistemler üzerine yoğunlaşmıştır.Dinamik etkilere karşı tasarıma yönelik yeni yaklaşımlar esas olarak aktif, pasif ve yarı aktif olmak üzere üç ana başlık altında toplanabilir. Aktif control sistemlerinde kontrol kuvvetlerini üretebilmek için harici bir güç kaynağına ihtiyaç vardır. Zemine ve yapıya yerleştirilen sensörler aracılığıyla elde edilen bilgiler kontrol bilgisayarına iletilerek daha önceden belirlenmiş bir algoritmaya göre kontrol kuvvetleri hesaplanır. Bu kuvvetler kuvvet üreten mekanizmalar (actuator) aracılığıyla yapıya uygulanır. Pasif kontrol sistemleri ise harici bir güç kaynaklarına ihtiyaç duymazlar ve sismik enerjiyi kendi içlerinde sönümlerler. Değişken dinamik etkilere adaptasyon kabiliyeti olmayan bu sistemler çalışma prensipleri ve malzeme özellikleri itibari ile farklılıklar gösterir. Yapıya eklenecek sönümün optimum miktarı ve bu sönümün yapı yüksekliği boyunca optimum dağılımı ayrı bir inceleme konusudur. Yarı aktif kontrol sistemleri sönüm ve rijitlikleri deprem esnasında kontrol edilebilen sistemlerdir. Aktif kontrolde büyük enerji ihtiyacı olmakla birlikte, yarı aktif sistemlerde gereken enerji çok küçük bataryalarla bile sağlanabilmektedir. Yarı aktif sistemlerin büyük bir kısmı elektrik veya manyetik alana hassas özel sıvılar içermektedir. Önceden belirli kontrol algoritmalarına bağlı olarak elektrik veya manyetik alan şiddeti değiştirilerek yarı aktif sistemlerin mekanik özellikleri kontrol edilebilmektedir. Karma sistemler; aktif, yarı aktif ve pasif control sistemlerinin bir arada kullanılması durumudur. örneğin, çelik bir yapı visko-elastik sönümleyiciler ile donatılmış ve buna ek olarak aynı zamanda en üst katta aktif kütleli sönümleyici yerleştirilmiş olabilir. Benzer şekilde, bazı yapılara tabanda sismik izolatörler yerleştirilmiş ve izolatör seviyelerinde büyük genlikli hareketlere karşı bu bölgelerde yarı aktif veya pasif olarak çalışan sönümleyiciler eklenmiş olabilir. Karma sistemler yüksek enerji ihtiyacı olmadan çalışabilmektedir. Yapı tasarım tarihi üç döneme bölünebilir. Sadece statik yüklere gore tasarım yapılan dönem klasik dönem olarak adlandırılır. İkinci dönem modern dönem olarak isimlendirilir. Bu dönem, yapıdaki dinamik etkilerin de göz önüne alınarak tasarımların yapıldığı dönemdir. Statik yükler yapı ömrü boyunca çok fazla değişmezler. Fakat dinamik yükler gerek büyüklükleri gerekse yönleri açısından değişkendirler. Dış yüklerdeki bu değişimi kompanse etmek için yeni konseptler ortaya çıkmıştır. çüncü dönem olarak ortaya çıkan postmodern dönem bu bakış açısı ile doğmuştur. Yapıya gelebilecek yükleri önceden tahmin etmek çok zordur. Bilgisayar, elektro -hidrolik sistemler ve sensör teknolojilerindeki ilerlemeler sonucunda artık, yapıya gelen dinamik kuvvetler ölçülerek önceden belirlenen bir algoritmaya göre kontrol bilgisayarında gerekli kontrol kuvvetleri hesaplanabilmekte ve bu kuvvetler yapıya yerleştirilen aktif kuvvet mekanizmaları ile uygulanabilmektedir. Postmodern dönemde hedeflenen yapı deprem ve rüzgar gibi dinamik çevre etkilerine karşı öngörülen güvenlik, dayanım ve konforu sağlayacak şekilde kendini adapte edebilen bir yapıdır. Dünyada yapı alanında yürütülen faaliyetler incelendiğinde, yapıların daha yüksek ve daha hafif yapılması yönünde ilerleme olduğu görülmektedir. Bu özelliklerinden dolayı söz konusu yapılar daha esnek ve sönüm oranları da daha azdır. Bunun sonucunda yapıların yaşam konforunda azalma olmaktadır. Günümüzde yapıların titreşimini minimuma indirmek için çeşitli teknikler mevcuttur. Bu araştırmada yapıların titreşim kontrolü için kullanılan LQR (doğrusal kuadratik düzenleyici) algoritmalarında wavelet tekniği ile yapılacak iyileştirme incelenmiştir. Deprem gibi rastgele yükler karakter itibariyle dinamik ve değişken frekans özelliğine sahiptir. Bundan dolayı sistemin doğal frekansı ve depremin baskın frekanslarının birbirlerine çok yakın olduğu durumlarda rezonans benzeri durumlara oluşur. Klasik LQR kontrolunda ağırlık matrisleri önceden belirlenir ve yapı dış kuvvetlerin etkisinde kontrol edilirken sabit kalırlar. Bu sebepten dolayı rezonansın yapıya etkisini göz önüne almak için LQR kontrol yönteminde iyileştirme amaçlı değişiklik yapmak gerekmektedir. Eğer R ağırlık matrisinin elemanları depremin tüm kontrol aralığında Q ağırlık matrisinin elemanlarından çok daha fazla olursa yapının tepkisi azalır. Fakat buna karşılık kontrol kuvvetleri ve dolayısıyla da maliyet artar. Bu sorunu çözmek için, ağırlık matrisini yapının her andaki ihtiyacına göre değiştirmek uygun bir çözüm olabilir. Rezonansın olduğu frekanslarda yapının tepkisini azaltmak için ağırlık matrislerini belirtilen frekans bantlarında revize etmek gerekir. Eğer R ağırlık matrisi rezonansın ortaya çıktığı alt aralıklarda azaltılırsa kontrol enerjisinin gereksiz artışı önlenebilir. Bunun için deprem sinyalini ayrıştırmak gerekir ki; deprem frekansları her zaman aralığında belirlensin. Sinyalleri ayrıştırmak için çeşitli yollar mevcuttur. Fourier analizi sinyalleri zaman alanından frekans alanına dönüştüren klasik bir yöntemdir. Fourier analizi tekniğinin en önemli kusurlarından biri frekans alanına dönüştürmede zaman alanındaki bilgiler silinmektedir. Sonuç olarak, Fourier dönüşümündeki bir sinyale bakınca belirli bir olayın ne zaman olduğunu belirtmek zordur. Eğer sinyal özellikleri dönüşüm süresince fazla değişmedi ise, başka bir değişle sinyal sabit (stationary) kalırsa hiçbir sorun yaşanmaz. Ama deprem sabit olmayan özelliklere sahiptir ve bundan dolayı Fourier dönüşümüyle belirtilen özellikleri gözlemek mümkün değildir. Belirtilen sorunu çözmek için bu çalışmada daha önce geliştirilen Wavelet yöntemi kullanılmıştır. Wevelet yönteminin her andaki zaman-frekans dönüşüm özelliğinden yararlanarak LQR algoritmasını iyileştirmek mümkündür. İlk andan itibaren son kontrol anına kadar, her frekans bandında deprem nedeniyle oluşan enerji sonucunda Wavelet in her andaki ayrık kontrol değeri güncellenir. Bu bilgiler her frekans bandındaki ağrılık matrislerini güncellemek için kullanılır. Bu nedenle kazanç matrisleri zamanla değiştiği için karşı gelen Riccati matris denklemleri de değişmektedir. Klasik LQR kontrol yönteminde Q ve R ağırlık matrisleri sabit iken, bu çalışmada incelenen yöntemde kazanç matrislerinin önceden belirlenen ağırlık matrislerinden elde edilmesi yerine her andaki tepkiye bağlı olarak wavelet yaklaşımı ile güncellenen ağırlık matrislerinden elde edilen kazanç matrisleri kullanılmaktadır. Önerilen yöntemin etkinliğini gösterebilmek için, deprem etkisinde ve en üst katında aktif sönümleyici olan ve fay hattına yakın 10 katlı bir binanın dinamik davranışı araştırılmış ve önerilen yöntemin LQR yaklaşımını iyileştirmek için kullanılabileceği gösterilmiştir.

Özet (Çeviri)

Current trends in construction industry demands taller and lighter structures, which are also more flexible and having quite low damping value. This increases failure possibilities and also problems from serviceability point of view. Now-a-days several techniques are available to minimize the vibration of the structure. In this study to control the response of buildings, a modified linear quadratic regulator (LQR) algorithm based on wavelet analysis has been proposed. The formulation of the proposed wavelet-LQR algorithm uses the information derived from the discrete wavelet transform (DWT) analysis of the motivation in real time. The real time DWT controller is applied to obtain the local energy distribution over frequency bands for each time interval. This information is used to adaptively design the controller by updating the weighting matrices. The optimal LQR control problem is solved for each time interval with updated weighting matrices, through the Riccati equation, leading to time-varying gain matrices. The positive aspect of current work is that, the gain matrices are achieved adaptively in real time. The method is tested on a 10-story structure subject to several historical pulse-like near-fault ground motions.The results indicate that the proposed method is more effective at reducing the displacement response of the structure in real time than conventional LQR controllers.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    841594

    Medical image compression based on vector quantization and discrete wavelet transform

    Vektör kuantizasyonu ve ayrık dalgacık dönüşümüne dayalı tıbbi görüntü sıkıştırma

    AZHAR ABDULHASAN MUHAMMED ALI AJAM

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolSakarya Üniversitesi

    Bilgisayar ve Bilişim Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET ZENGİN

  2. Tez No

    416405

    Self-recurrent wavelet neural network based indirect adaptive control architecture with modified adaptive learning rates for the speed control of motion platforms

    Hareketli platformların hız denetimi için kendini tekrarlayan dalgacık sinir ağı temelli değistirilmiş uyarlamalı öğrenme hızlı dolaylı uyumlu denetim yapısı

    EVRİM ONUR ARI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EROL KOCAOĞLAN

  3. Tez No

    887331

    Predictive error compensated wavelet neural networks framework for time series prediction

    Zaman serisi tahmini için hata tazminli dalgacık dönüşümlü sinir ağları çerçeve yazılımı

    SERKAN MACİT

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BURAK BERK ÜSTÜNDAĞ

  4. Tez No

    352339

    Adaptive control vector parameterization and move blocking strategies in model-predictive control

    Model öngörülü kontrol sistemlerinde adaptif kontrol vektör parametrizasyonu ve hareket bloklama

    CANAN DOMBAYCI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. DEVRİM BARIŞ KAYMAK

  5. Tez No

    198553

    Adaptive scalable video coding

    Uyarlanır ölçeklenebilir video kodlama

    EMRAH AKYOL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2005

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolKoç Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MURAT TEKALP

Geri Dön