کنترل نیمه فعال سازه ها در برابر بارهای لرزه ای با کمک میراگرهای مغناطیسی در نرم افزار متلب

کنترل نیمه فعال سازه ها در برابر بارهای لرزه ای با کمک میراگرهای مغناطیسی در نرم افزار MATLAB

در مقاله های آموزشی قبلی به آموزش نصب نرم افزار Matlab  و آموزش مقدماتی نرم افزار Matlab پرداخته شد و ذکر گردید که نرم افزار Matlab از پرکاربرد ترین نرم افزار های مهندسی می باشد که در بسیاری از پروژه ای پژوهشی , پایان نامه های کارشناسی ارشد و دکترا مورد استفاده قرار می گیرد . کنترل نیمه‌فعال سازه‌ها به کمک میراگرهای مغناطیسی در برابر بارهای لرزه‌ای روشی از روش‌های کنترل سازه است که قابلیت اعتماد بیشتری نسبت به روش‌های کنترل فعال و کارایی بیشتری نسبت به روش‌های غیرفعال دارد . میراگرهای مغناطیسی از جمله بهترین وسایل کنترل نیمه‌فعال است که با جریانی متغییر و تولید میدان مغناطیسی در آنها خصوصیات میرایی آنها متغییر خواهد بود . این میراگرها متشکل از سیلندری هستند که از مایع کنترل‌پذیر پر شده است . مایع کنترل‌ پذیر موجود در میراگرهای مغناطیسی سوسپانسیون ذرات فلزی مغناطیسی شده در آب ،  الکل و روغن است که با اعمال میدان مغناطیسی ، این ذرات زنجیره‌ای شکل شده و رفتار پلاستیک از خود نشان می‌دهد . به عبارتی با حضور میدان مغناطیسی به شکل یک جسم نیمه‌جامد و در صورت عدم حضور آن به شکل مایع نیوتونی عمل خواهند کرد . در ادامه این مقاله به توضیحات بیشتری در مورد کنترل نیمه فعال سازه ها در برابر بارهای لرزه ای با کمک میراگرهای مغناطیسی  در نرم افزار مهندسی  متلب پرداخته می شود . 

شماتیک یک میراگر مغناطیسی بزرگ مقیاس 20 تنی

الگوریتم‌های کنترلی متفاوتی برای انجام کنترل و انتخاب جریان مناسب برای این میراگرها وجود دارد که مناسب‌ترین آنها الگوریتم فازی است که به راحتی و بدون نیاز به مشخصات مدل ، با توجه به تعریف مدلساز برای قواعد فازی ، جریان را برای کنترل مناسب به میراگرها معرفی خواهد کرد . روند کلی کنترلی بدین شکل خواهد بود که با توجه به بازخورد سازه و الگوی معرفی شده برای کنترلگر فازی، جریانی به میراگرهای مغناطیسی داده خواهد شد و این میراگرها نیرویی به عنوان نیروی کنترل به سازه اضافه خواهند کرد که باعث بهبود پاسخ‌ها شود .

الگوریتم استنتاج کنترل فازی

جانمایی و تعداد وسایل کنترلی بخش دیگری از این موضوع است که با توجه به الگوریتم‌های بهینه‌سازی متناسب با شرایط و نیاز مدلساز بهترین حالت انتخاب خواهد شد . الگوریتم‌های‌ مورد نظر که از توجه و کارایی بیشتری برخوردارند الگوریتم‌های تکاملی هستند که معروف‌ترین آنها الگوریتم ژنتیک است و با توجه به اهداف مدل ، به ژنتیک تک هدفه یا چند هدفه تقسیم می‌شود .

الگوریتم ژنتیک

تمام مدلسازی‌ها کنترل نیمه‌فعال سازه در نرم افزار متلب پیاده سازی خواهد شد . نرم افزار Matlab که نرم افزاری محاسباتی در حوزه ماتریس‌ها است و با محاسبات عددی کار می‌کند علاوه بر توابع ریاضیاتی و روش‌های محسبات عددی زیادی که دارد قابلیت معرفی مدل‌ها و توابع جدید را نیز در اختیار کاربران می‌گذارد . نرم افزار Matlab علاوه بر کارایی بالا و کاربردی ساده ، از سرعت محاسبات بالایی بخصوص در حوزه تحلیل‌های دینامیکی برخوردار است و با رابط‌های گرافیکی قابلیت تعامل زیادی با کاربران ایجاد می‌کند . از طرفی دیگر نرم افزار Matlab دارای توابع و جعبه ابزارهای کنترلی ، فازی و بهینه‌سازی است که در زمینه کنترلی بسیار کارآمد خواهند بود . کنترل ، به بررسی رفتار دینامیکی سیستم پرداخته و رفتار مناسب را برای سیستم ایجاد خواهد کرد که این بحث در کنترل سازه‌ها نیز قابل تعمیم است . تحلیل مدل‌ها برای بررسی فتار آنها و پیاده‌سازی کنترل مناسب نیاز به مدل‌های آزمایشگاهی یا واقعی سیستم دارد که علاوه بر هزینه‌های زیاد ، زمانبر یا حتی غیر عملی خواهند بود . نرم افزار متلب ابزار شبیه‌سازی قدرتمندی به نام سیمولینک ارائه داده که مناسب برای سیستم‌های دینامیکی است . سیمولینک بلوک‌های متفاوتی در کتابخانه خود دارد و رفتار سیستم‌ها را که بصورت ریاضیاتی مدلسازی شده‌اند به خوبی شبیه‌سازی می‌کند. سیمولینک تحت متلب کار کرده و از آن در کدها و بالعکس از کدها در آن می‌توان کمک گرفت . با بلوک‌های موجود می‌توان دینامیک مدل را پیاده سازی کرد تا پاسخ‌های سیستم را مانند یک مدل آزمایشگاهی ذخیره و بررسی کرد و بدون پرداخت هزینه و وقت زیاد ، چندین حالت ممکن را بررسی کرد . نرم افزار Matlab قابلیت ارتباط با دستگاههای الکتریکی و سایر نرم افزارها را نیز دارا می‌باشد . موارد فوق نمونه‌هایی از قابلیت‌های نرم افزار matlab است که ما را بر آن داشته تا از نرم افزار مهندسی متلب  در بحث‌های دینامیکی و به خصوص کنترل استفاده کنیم .

با توجه به معرفی کنترل نیمه‌فعال و قابلیت‌های نرم افزار matlab نوبت به معرفی شیوه مدلسازی است . در فضای شبیه‌سازی سیمولینک، مدل سازه مورد نظر با معرفی جرم ، سختی و میرایی طبقات در قالب معادلات دینامیکی حرکت پیاده سازی خواهد شد . ارتعاش خارجی با توجه به رکورد مورد نظر از طریق نرم افزار متلب به سیمولینک انتقال یافته و به عنوان ورودی به سازه اختصاص خواهد یافت و پاسخ‌های سازه بدست خواهد آمد .

نمونه‌ای از مدل شبیه‌سازی شده سیستم یکدرجه آزادی در ارتعاش آزاد و نامیرا

حال که از دینامیک سازه آگاهی داریم باید به کنترل مورد نیاز بپردازیم . نرم افزار متلب دارای جعبه ابزار فازی است که با توجه به منطق فازی و تخصص فرد کنترلگر، قواعد و توابع عضویت ورودی و خروجی در این جعبه ابزار معرفی خواهد شد و با توجه به وجود بلوک فازی در سیمولینک ، به سیستم معرفی خواهد شد تا با توجه به پاسخ‌های سازه جریان مناسبی برای میراگرها ایجاد کند .

جعبه ابزاری فازی در متلب

بلوک‌های فازی در محیط سیمولینک

مدل ریاضیاتی میراگرهای مغناطیسی که برگرفته از آزمایشات است و مدلی غیرخطی است در بلوکی جدید در سیمولینک قابل تعریف خواهد بود که با توجه به شرایط موجود مثل جابجایی و سرعت دو سر و همچنین جریان اعمالی ، نیرو را در محل نصب میراگرها اعمال خواهد کرد .

مدل مکانیکی برای میراگرهای مغناطیسی

با توجه به اضافه شدن نیروی کنترل به معادله دینامیکی معرفی شده ، پاسخ‌های سازه کنترل شده با میراگرهای مغناطیسی و کنترلگر فازی به سهولت قابل ملاحظه خواهد بود . بحث باقیمانده از این موضوع بهینه سازی است که نیازمند تکرار اجرای مدل کنترلی است که با در دست داشتن سیمولینک آن به راحتی قابل انجام است . با توجه آزادی عمل در کدنویسی با نرم افزار متلب ، الگوریتم‌های بهینه سازی به راحتی قابل کد نویسی خواهند بود و می‌توان مدل شبیه سازی شده را با آنها مرتبط نمود و نتایج نهایی را بررسی کرد .

دیاگرام کنترل نیمه فعال سازه

برای مشاهده مقاله آموزشی , آموزش نصب نرم افزار متلب و آموزش مقدماتی آن می توانید بر روی نرم افزار matlab کلیک نمایید تا به مقاله مورد نظر هدایت شوید . 

نرم افزار مهندسی متلب یکی از پرکاربردترین نرم افزار های مهندسی در رشته های مختلف مهندسی مانند مهندسی عمران , مهندسی مکانیک و مهندسی برق در مقطع کارشناسی ارشد و دکترا می باشد که برای انجام پروژه های دانشگاهی و انجام پایان نامه های کارشناسی ارشد , ارایه مقالات علمی و پروژه ای صنعتی بکار می رود . 

برای مطالعه مقالات آموزشی دیگر می توانید از مقالات زیر استفاده نمایید :

معرفی فرترن اینتل