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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.
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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
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