ParisTech se présente
 Evénements
 
 Etudier à ParisTech
 La coopération internationale
 Ressources documentaires
 Vivre à ParisTech
 ParisTech et les entreprises
 ParisTech Libres Savoirs
 
 

Sur le contrôle semi-actif des vibrations élastiques d'une grande structure souple.

Accueil || Parcours || Recherche || S'enregistrer || Mon Compte || Contacts || Aide || Langues

Debbabi, Meriem (2009) Sur le contrôle semi-actif des vibrations élastiques d'une grande structure souple. Doctorat Structure et matériaux, Département de génie civil/ LCPC, ENPC p.154.

Plein texte disponible en tant que :

- These_Meriem.pdf ( 4934 Kb )
Licence: Copyright

Résumé

Le contrôle semi-actif est un domaine de recherche en plein essor vu qu'il joint la stabilité des systèmes contrôlés passivement à la possibilité de contrôle en temps réel permise par les stratégies actives. Dans cette thèse on s'intéresse à un assemblage de poutres modélisées sous l'hypothèse de linéarité et représentant un modèle de pont à hauban en cours de construction.

Cette structure a été contrôlée précédemment par un dispositif formé d'un pendule à masse accordée couplé à un alternateur et à une résistance électrique sous l'hypothèse de petites rotations du pendule. Dans cette thèse on a pour objectif de rendre robuste cet actionneur pour les grandes rotations du pendule. Afin d'y parvenir le travail effectué peut être divisé en quatre points:



Tout d'abord, une étude paramétrique est effectuée afin de mieux comprendre le comportement de l'actionneur en grandes rotations du pendule. Cette étude a permis d'identifier la dépendance du contrôle aux variables et aux paramètres du système.



Puis une étude du contrôle passif du système non linéaire virtuel est effectuée et une loi basée sur le contrôle par séquencement de gain est définie et appliquée à la structure. Ces deux lois montrent la nécessité de la conception d'un contrôle en temps réel.



Ensuite, on définit des lois semi-actives dans l'esprit de la poursuite d'un modèle de référence pour les deux systèmes pendule seul et pont-pendule. Leurs limites et leurs apports sont établis.



Enfin par une stratégie de poursuite on conçoit une loi de contrôle actif et sa version semi-active pour le système non linéaire réel. Cette dernière, permet enfin de réaliser les objectifs de cette thèse i.e avoir un niveau d'amortissement de la structure pont-actionneur électromécanique, pour les grandes rotations du pendule, comparable à celui d'un modèle linéaire.

Type d'EPrint:Thèse (Doctorat)
Directeur de Thèse:Maceri, Franco et Bourquin, Frédéric
Date:07 Décembre 2009
Jury de Thèse:Baratta, Alessandro et Carneiro de Barros, Rui et Maceri, Franco et Bourquin, Frédéric et Zenzri, Hatem et Collet, Manuel
Ecole Doctorale:ED 430 MATÉRIAUX, OUVRAGES, DURABILITÉ, ENVIRONNEMENT ET STRUCTURES
Discipline:Structure et matériaux
Fonds:Ecole des Ponts ParisTech (ENPC)
Institution:ENPC
Laboratoire:Département de génie civil/ LCPC
Sujets:4. Science des matériaux, mécanique, génie mécanique
Mots-clés libres:Contrôle semi-actif, Vibrations élastiques
Code ID:5716
Déposé par :Meriem Debbabi
Déposé le :29 Mars 2010

Références Bibliographiques

[1] I.D. Aiken, D.K. Nims, A.S. Whittaker, and J.M. Kelly. Overview of the

application of active/semi active control to building structures in japan.

Earthquake Spectra, 9, 1993.

[2] Grégoire Allaire. Analyse Numérique et Optimisation. Edition Ellipses,

2005.

[3] Alessandro Astolfi, Dimitrios Karagiannis, and Romeo Ortega. Towards

applied nonlinear adaptive control. Annual Reviews in Control, 32:136–

148, 2008.

[4] M.J. Balas. Active control of felxible systems. Journal of Optimization

Theory and applications, 25:415–436, 1978.

[5] P. Banerji, M. Murudi, A.H. Shah, and N. Popplewell. Tuned liquid dampers

for controlling earthquake response of structures. Earthquake Engineering

and structural dynamics, 29(5):587–602, 2000.

[6] Lorenzo Bardella and Francesco Genna. Newmark’s time integration method

from the discretization of extended functionals. Journal of Applied

Mechanics, 72:527–537, 2005.

[7] R.C. Barros. Seismic response of tanks and vibration control of their

pipelines. Journal of Vibroengineering,, 4(1):9–16, 2002.

[8] Scott C. Beeler. State dependent roccati equation regulation of systems

with state and control nonlinearities. Technical report, NASA and National

Institute of Aerospace, Hampton, Virginia, 2004.

[9] P. Bisegna, G. Caruso, and F. Maceri. Optimized electric networks for

vibration damping of piezoactuated beams. Journal of Sound and Vibration,

4:117–122, 2006.

[10] F. Bourquin, B. Branchet, and M. Collet. Hybridation primale-duale

pour la mise en oeuvre du contrôle actif de structure. In In actes du 7ème

colloque national en calcul de structures, Giens, Var, France, 2005.

[11] F. Bourquin, J.S. Briffaut, and M. Collet. On the feedback stabilisation:

Komornik method. In Second international symposium on active control

in mechanical engineering, Lyon, 1997.

[12] F. Bourquin, M. Collet, and L. Ratier. Modeling and numerical issues

in the active control of flexible structures. In 3 Workshop on Strcutural

Control, ENPC Champs sur Marne, 2000.

[13] H. Cao and Q.S. Li. New control strategy for active tuned mass damper

system. Computer and Structures, 82:2341–2350, 2004.

[14] Benoit Clement and Gilles Duc Sophie Mauffrey. Aerospace launch vehicule

control : A gain scheduling approach. Control Engineering Practice,

13:333–347, 2005.

[15] R. Collin, B. Basu, and B.M. Broderick. Bang-bang and semiactive control

with variable stiffness tmds. Journal of Structural Engineering, 134:310–

317, 2008.

[16] M.C. Constantinou, P. Tsopelas, W. Hammel, and A.N. Sigaher. Togglebrace-

damper seismic energy dissipation systems. Journal of Structural

Engineering, ASCE, 127:105–112, 2001.

[17] O. Corbi. Shape memory alloys and their applications in structural oscillations

attenuation. International Journal of Simulation Modelling, 11:387–

402, 2003.

[18] Ottavia Corbi. Active and Semi-active Control in civil Engineering. Fridericiana

Editrice Universitaria, 2007.

[19] M. Couillard, P. Micheau, and P. Masson. Improved clipped periodic

optimal control for semi-active harminic disterbance rejection. Journal of

Sound and Vibration, 318:737–756, 2008.

[20] Olivier Coulaud. Un nouveau schéma symplectique pour le couplage entre

une méthode du continuum et la dynamique moléculaire. C.R. Académie

des science de Paris, I:255–260, 2001.

[21] D.J.Leith, A. Tsourdos, B.A. White, and W.E.Leitead. Application of

velocity-based gain-scheduling to lateral auo-pilot design for an agile missile.

Control Engineering Practice, 9:1079–1093, 2001.

[22] D.J.Leith andW.E.Leitead. Gain sheduled & non linear systems: Dynamic

analysis by velocity based linearization families. International Journal of

Control, 70:289–317, 1998.

[23] D.J.Leith and W.E.Leitead. Modeling of nonlinear integrated systems: A

velocity-based framework supporting modular linearization-based analysis

and design. Technical report, Industrial Control Center, University of

Strathclyde, 1998.

[24] D.J.Leith and W.E.Leitead. Survey of gain-scheduling analysis & design.

International Journal of Control, 73(11):1001–1025, 2000.

[25] B. Egarodt. Stability and Adaptive Controllers. Springer-Verlag New

York, Inc, 1979.

[26] Evrin Bilge Erdem. Analysis and Real Time Implementation of State-

Dependent Riccati Equations Controlled Systems. PhD thesis, University

of Illinois at Urbana-Champaign, 2001.

[27] Laurance C. Evans. An introdution to mathematical optimal control

theory version 0.2. Department of Mathematics, University of California,

Berkeley.

[28] K.C. Falcon, B.J. Stine, W.D. Simcock, and C. Andrew. Optimization of

vibration absorbers: a graphical method for use on idealized systems with

restricted damping. Journal Mechanical Engineering Science, 9:374–381,

1967.

[29] P. De Fonseca, P. Sas, and H. Van Brussel. Robust design and robust

stability analysis of active noise control systems. Journal of Sound and

Vibration, 243(1):23–42, 2001.

[30] R.R. Gerges and B.J. Vickery. Wind tunnel study of the across-wind

response od a slender tower with a nonlinear tuned mass damper. Jouranl

of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 91:1069–1092, 2003.

[31] Jacob Pieter Den Hartog. Mechanical Vibrations, Third Edition. Mc

Graw-Hill Book Company, New York, 1947.

[32] Patrice Hauret and Patrick Le Tallec. Energy-controlling time integration

methods for nonlinear elastodynamics and low-velocity impact. Computer

methods in applied mechanics and engineering, 195:4890–4916, 2006.

[33] Mohsen Hayati and Behnam Karami. Design of fully differential cmos

amplifier for clipping control circuit. World Applied Sciences Journal,

3(1):110–113, 2008.

[34] J.K. Hedrick and A. Girard. Control of nonlinear dynamic systems:

Theory and applications. Department of Mechanical Engineering, University

of California, Berkeley.

[35] R. Heuer and S. M. Yousefi. On the nonlinear influence of tunes pendulum

dampers in slender structures. In Fourth European Conference on the

Structural Control, 2008.

[36] Chompoonoot Hirunyapruk. Vibration Control Using an adaptive Tuned

Magneto-Rheological Fluid Vibration Absorber. PhD thesis, University of

Southampton, Faculty of Engineering, Science and Mathematics, Institute

of Sound and Vibration, 2009.

[37] Thomas J.R. Hughes. Finite Element Method, Linear Static and Dynamic

Finite Element Analysis. Prentices-Hall, 1987.

[38] Petros A. Ioannou and Peter V. Kokotovic. Adaptive Systems with Reduced

Models. Springer-Verlag New York, Inc, 1983.

[39] Petros.A. Ioannou and Jing. Sun. Robust adaptive control, 1996.

[40] I. Ioi and K. Ikeda. On the dynamic vibration damped absorber of the vibration

system. Bulletin of Japaneese Society of Mechanical Engineering,

21-151:64–71, 1978.

[41] Alberto Isidori. Nonlinear Control System: An Introduction. Springer-

Verlag Berlin, Heidelberg, 1985.

[42] källström.C.G. Identification and Adaptive Control Applied to Ship Steering.

PhD thesis, Lund Institute of Technology, Lund, Sweden., 1979.

[43] C. Kane, J.E. Marsdenad, M. Ortiz, and M. West. Variational integrators

and newmark algorithm for conservative and dissipative mechanical

systems. International journal for Numerical Methods in Engineering,

1999.

[44] R. Kanitkar, M. Harms, P. Crosby, and M. Lai Lai. Seismic retrofit of

steel moment frame structure using viscoelastic dampers. ISET Journal

of Earthquake Technology, 35:207–219, 1998.

[45] Hassan K. Khalil. Nonlinear systems, second edition. Prentice Hall, 1996.

[46] L. Kharevych, Weiwei, Y. Tong, E. Kanso, J.E. Marsden, P. Schröder,

and M. Desbrun. Geometric, variational integrators for computer animation.

Eurographics/ACM SIGGRAPH Symposium on Computer Animation,

2006.

[47] W. S. Koon and J.E. Marsden. The hamiltonian and lagrangian approaches

to the dynamics of nonholonomic systems. Reports on Mathematical

Physics, 40:21–62, 1997.

[48] H. Kwakernaak. Linear Optimal Control Systems. Wiley and Sons NY,

1972.

[49] S. Lall and M. West. Discrete variational hamiltonian mechanics. Journal

of Physics A: Mathematical and General, 39:5509–5519, 2006.

[50] E. Leboucher, P. Micheau, A. berry, and A. L’Espérance. A stability

analysis of a decentralized adaptive feedback active control of sinusoidal

sound in free space. Acoustic Society of American Journal, 11:189–199,

2002.

[51] M. Leon, D. Martin DE Diego, and A. Santamaria-Merino. Discrete variational

integrators and optimal control theory. Advances in Computational

Mathematics, 26(1-3):251–268, 2007.

[52] A. Lew, J.E. Marsden, M. Ortiz, and M.West. Variational time integrators.

Iternational Journal for Numerical Methods in Engineering, 60:153–

212, 2004.

[53] S. Leyendecker, S. Ober-Blöbaum, J.E. Marsden, and M. Ortiz. Discrete

mechanics and optima control for constrained multibody dynamics. In

International Design Engneering Technical Conferencs & Computers and

Information in Engineering Conference, Las Vegas, USA, 2007.

[54] Z. Li, J.Tang, and Q.S. Li. Optimal sensors mocations for structural

vibration measurements. Applied Acoustics, 65:807–818, 2004.

[55] R.W. Luft. Optimal tuned mass dampers for buildings. Journal of the

Structural Division ASCE, 105:2766–2772, 1979.

[56] J.E. Marsden and M. West. Discrete mechanics and variational integrators.

Acta Numerica, pages 357–514, 2001.

[57] L. Meirovitch. Dynamics and Control of Disturbed Structures. John Wiley

and Sons, 1988.

[58] L. Meirovitch. Dynamics and Control of Structures. Wiley, 1990.

[59] O. Ben Mekki, F. Bourquin, M. Debbabi, F. Maceri, and C. Nguyen Van

Phu. Some applications of passive and semi-active control devices for

harmonic vibrations damping in cable-stayed bridges. In Associazione

Italiana per l’Analisi delle Sollecitazioni, XXXVII Convegno Nazionale,

2008.

[60] O. Ben Mekki, F.Bourquin, F. Maceri, and C. Nggyen Van Phu. An

adaptive pendulum for evolving structures. Structural Control and Health

Monitoring, 00:1–6, 2004.

[61] Othman Ben Mekki. Amortissement Semi-Actif des structures flexibles.

PhD thesis, Dipartimento d’ingegneria Civile dell’Università degli studi

di Roma Tor Vergata, Ecole Nationale des Ponts et Chaussées, 2006.

[62] Othman Ben Mekki, F.Maceri, and F.Bourquin. Amortissement semiactif

des structures flexibles: Application au contrôle des grands ponts. In

XXVème Rencontre Universitaire de Génie Civil 2007, 2007.

[63] S. Müller and M. Ortiz. On the gamma-convergence of discrete dynamics

and variational integrators. Journal of Nonlinear Science, 14:279–296,

2004.

[64] Kumpati S. Narendra and Anuradha M. Annaswamy. Stability of Adaptive

Controllers. Dover Publications, 2005.

[65] M. Neubauer and J. Wallaschek. Piezoelectrical and experimantal investitation

of the frequency ration and switching law for piezoeletic switching

techniques. Smart Materials and structures, 17:035003(9pp), 2008.

[66] Nathan M. Newmark and F. ASCE. A method of computation for structural

dynamics. Journal of the engineering machanics division, Proceeding

of the American Society of Civil Engineers, 1959.

[67] Akira Nishitani and Yutaka Inoue. Overview of the application of

active/semi active control to building structures in japan. Earthquake

Engineering and structural dynamics, 30:1565–1574, 2001.

[68] K. Ohno, M. Shimoda, and T. Savada. Optimal design of a tuned liquid

damper using a magnetic fluid one elctromagnet. Journal of Physics :

Condensed Matter, 20:204146(5pp), 2008.

[69] Rainer Palm and Ulrich Rehfuess. Fuzzy controllers as gain scheduling

approximators. Fuzzy Sets and systems, 85:233–246, 1997.

[70] Curtis P.Mracek and James R.Cloutier. Control design for nonlinear

benchmark problem via the state-dependent riccati equation method. International

Journal of Robust and Nonlinear Control, 8:401–433, 1998.

[71] Vipul Prakash and A.D. Pandey. Vibration isolation using active control

systems for civil engineering structures. Bulletin of the Indian Society of

Earthquake Technology, 26:25–38, 1989.

[72] Emmanuel Prempain and Ian Postlethwaite. L2 and H2 performance

analysis and gain-schaduling synthethis for parameter-dependent systems.

Automatica, 44:2081–2089, 2008.

[73] A. Preumont. Vibration control of active structures, An introduction, 2nd

Edition. Kluwer Academic Publishers, 1997.

[74] Alfio Quarteroni, Riccardo Sacco, and Fausto Saleni. Numerical Mathematics.

Springer, 2000.

[75] R. Rana and T.T. Soong. parametric study and simplified design of tuned

mass dampers. Engineering Structures, 3:193–204, 1998.

[76] F. Ravigan, G. Manolea, and N. Boteanu. The design of a magnetorheological

controller. Annals of the University of Craiova, Electrical Engineering,

32:1842–4805, 2008.

[77] F. Ricciardelli, A. Occhiuzzi, and P. Clemente. Semiactive tuned mass

damper control strategy for wind excited structures. Journal of Wind

Engineering and Industrial Aerodynamics, 88:57–74, 2000.

[78] F. Rüdinger. Tuned mass damper with fractional derivative damping.

Engineering Structures, 28:1774–1779, 2006.

[79] I. Sadek, I. Kucuk, E. Zeini, and S. Adali. Optimal boundery control of

dynamics responses of piezo actuating micro-beams. Applied Mathematical

Modelling, 33:3343–3353, 2009.

[80] Jeffrey T. Scruggs. Structural Control Using Regenerative Force Actuation

Networks. PhD thesis, Calfornia Institute of Technology, Pasadena,

California, 2004.

[81] J.T. Scruggs and W.D. Iwan. Control of a civil engineering structure

using an electircal machine with semiactive capability. ASCE Jounal of

Structural Engineering, 129:951–959, 2003.

[82] M. Setareh. Floor vibration control using semi-active tuned mass dampers.

Canadien Journal of Civil Engineering, 22:76–84, 2002.

[83] Shamma and Athans. Analysis of gain scheduled control for nonlinear

plants. IEEE Transactions on Automatic Control, pages 898–907, August

1990.

[84] Jeff S. Shamma. Analysis and Design of Gain Scheduled Control Systems.

PhD thesis, Laboratory for Information and Decision Systems, Massachusetts

Institute of Technology, Cambridge, 1988.

[85] H. Shulte and H. Hahn. Fuzzy state feedback gain scheduling control

of servo-pneumatic actuators. Control Engineering Practice, 12:639–650,

2004.

[86] N. M. Singh, Jayant Dubey, and Ghanshyam Laddha. Control of pendulum

on a cart with state dependent riccati equations. Proceedings of

World Acadamy of Science, Engineering and Technology, 3, 2008.

[87] T.T. Song. Active Structural Control: Theory and Practice. Longman,

1990.

[88] G. Soog, N. Ma, and H.-N. Li. Applications of shape memory alloys in

civil structures. Engineering Structures, 28:1266–1274, 2006.

[89] T. T. Soong and G.F. Darghouch. Passive Energy dissipation systems in

structural engineering. Wiley Sons, 1997.

[90] M.D. Symans and M.C. Constantinou. Seisimic testing of a building structure

with a semi-active fluid damper control system. Earthquake Engineering

and Structural Dynamics, 26:759–777, 1997.

[91] W. T. Thompson. Theory of Vibration with applications, Second Edition.

Prentice Hall, 1981.

[92] G.B. Warburton. Optimum absorber parameters for various combinations

of response and excitation parameters. International Journal of Earthquake

Engineering and Structural Dynamics, 126(2):327–343, 1988.

[93] J.K. Yu, T. Wakahara, and D. Reed. A non-linear numerical model of the

tuned liquid damper. Earthquake Engineering and structural dynamics,

28:671–686, 1999.

Table des Matières

Introduction 1

1 Concepts de base sur la dynamique non linéaire et sur le

contrôle 9

1.1 Introduction - 9

1.2 Outils d’analyse des systèmes non linéaires - 10

1.2.1 Concepts généraux - 10

1.2.2 Analyse de la dynamique non linéaire du pendule - 15

1.3 Méthodes de contrôle non linéaire - 18

1.3.1 Stabilisation par linéarisation - 19

1.3.2 Séquencement de Gain - 19

1.3.3 L’approche Model Reference Adaptive Control (MRAC) . 20

1.3.4 Linear Quadratic Regulation (LQR) - 22

1.3.5 L’approche State-Dependent Riccati Equation

Control(SDRE) - 23

1.3.6 Le contrôle Clipping - 25

1.4 Les amortisseurs semi-actifs en génie civil - 25

1.5 Dissipation électromécanique - 26

2 Présentation du système 27

2.1 Introduction - 27

2.2 Modèle structure - 28

2.3 Dispositif d’amortissement - 33

2.4 Modèle pont-actionneur électromécanique - 35

3 Outils d’analye du système non linéaire 43

3.1 Introduction - 43

3.2 Système simplifié - 44

3.3 Schéma de Newmark semi-explicite - 50

3.3.1 Schéma de Newmark générique - 50

3.3.2 Schéma de Newmark utilisé - 51

4 Stratégies de contrôle passif et séquencement de gain 55

4.1 Introduction - 55

4.2 Etude paramétrique - 56

4.3 Contrôle passif du modèle non linéaire virtuel - 62

4.4 Application de la stratégie de séquencement de gain - 68

5 Stratégie de poursuite pour le modèle non linéaire virtuel 75

5.1 Introduction - 75

5.2 Critère d’optimisation - 76

5.3 Contrôle par tracking du pendule - 77

5.3.1 Loi de contrôle actif - 78

5.3.2 Loi de contrôle semi-actif - 80

5.3.3 Comparaison des lois - 82

5.4 Contrôle par tracking du modèle pont-pendule - 83

5.4.1 Loi de contrôle actif - 84

5.4.2 Loi de contrôle semi-actif - 86

6 Stratégie de poursuite pour le modèle réel 91

6.1 Introduction - 91

6.2 Contrôle par traking du pendule réel - 92

6.2.1 Loi de contrôle semi-actif pour le pendule réel - 92

6.2.2 Loi de contrôle semi-actif pour le pendule avec dispositif idéal - 98

6.3 Contrôle du pont-actionneur électromécanique réel - 99

6.3.1 Loi de contrôle semi-actif par poursuite de l’amortissement 99

6.3.2 Loi de contrôle semi-actif avec dispositif idéal - 102

6.3.3 Loi de contrôle semi-actif par poursuite du courant . . . 105

6.4 Loi semi-active polynomiale - 107

7 Dispositif expérimental 111

7.1 Introduction - 111

7.2 Présentation du dispositif expérimental - 112

7.2.1 Matériel utilisé - 112

7.2.2 Post traitement - 116

7.3 Variation du type d’excitation - 116

7.4 Projet-Programme d’autres validations expérimentales - 119

Conclsion 121

Bibliographie 125

Statistiques de consultation

Administrateurs de l'archive uniquement : éditer cet enregistrement

 
ParisTech
 
droits de reproduction et de diffusion réservés © ParisTech 2007