Εκτίμηση κατάστασης και αυτόματος έλεγχος παρουσία σφαλμάτων μέτρησης

Abstract

Στο πλαίσιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας, εξετάστηκε η συνδυασμένη χρήση μεθόδων παθητικής και ενεργητικής αντισεισμικής προστασίας με στόχο την εφαρμογή σε αντισεισμικές κατασκευές. Για την παθητική προστασία της κατασκευής εξετάστηκε η χρήση ελαστικών εφεδράνων ανάμεσα στην βάση της και το έδαφος. Για την ενεργητική προστασία εξετάστηκε η χρήση επενεργητή δύναμης στην βάση της κατασκευής με στόχο τον έλεγχο και την απόσβεση των σεισμικών δονήσεων. Στόχος του αυτομάτου ελέγχου ήταν η κατά το δυνατόν ακινητοποίηση της κατασκευής γύρω από τα σημεία ισορροπίας της. Πραγματοποιήθηκε αναλυτική μελέτη και με χρήση προσομοίωσης, της δυναμικής συμπεριφοράς ενός τυπικού κτηρίου κατά την διάρκεια σεισμικών διαταραχών. Η χρήση ελαστικών εφεδράνων στο κτήριο, αποδείχθηκε ότι μειώνει σημαντικά την ενίσχυση των υψίσυχνων ιδιοσυχνοτήτων, οι οποίες είναι και περισσότερο επικίνδυνες για το κτήριο, προσφέροντας έτσι σημαντική προστασία. Παρόλα αυτά υπάρχει ακόμα σημαντικό περιθώριο για επιπλέον απόσβεση της ταλάντωσης του κτηρίου, κάνοντας χρήση ενεργητικών μεθόδων προστασίας. Για την εφαρμογή πληθώρας μεθόδων αυτομάτου ελέγχου είναι απαραίτητη η γνώση της ταχύτητας και της θέσης των ορόφων του κτηρίου, ως προς ένα αδρανειακό σύστημα αναφοράς. Στην μελέτη μας, εστιάσαμε στην χρήση επιταχυνσιομέτρων για την εκτίμηση των παραπάνω ποσοτήτων, καθώς και σε μεθόδους αντιμετώπισης της συσσώρευσης σφαλμάτων με την πάροδο του χρόνου. Ως αποτέλεσμα της μελέτης προέκυψε ένα σύστημα παρατήρησης το οποίο αντιμετωπίζει με αποτελεσματικό τρόπο την ύπαρξη σφαλμάτων στους αισθητήρες μέτρησης, παρέχοντας μία ικανοποιητική εκτίμηση για το διάνυσμα κατάστασης του συστήματος προς έλεγχο. Εν συνεχεία μελετήθηκε η χρήση ενός επικουρικού συστήματος αναγνώρισης και απομόνωσης σφαλμάτων στους αισθητήρες μέτρησης του κτηρίου, με στόχο την συνδυαστική χρήση του σε ένα σύστημα παρατήρησης. Για την αξιολόγηση της πρακτικής εφαρμογής των παραπάνω μεθόδων, ως τελικό στάδιο, μελετήθηκε η εφαρμογή αυτομάτου ελέγχου με την μέθοδο της ανατροφοδότησης κατάστασης, με την χρήση ενός αντίστοιχου παρατηρητή κατάστασης. Έπειτα από αναλυτικό έλεγχο της ευστάθειας του νέου συστήματος, πραγματοποιήθηκε αντίστοιχη προσομοίωση η οποία κατέδειξε την αποτελεσματικότητα χρήσης της μεθόδου.

In this thesis, we combine passive and active seismic protection methods to achieve earthquake resistant structures. Passive protection of the buildings is obtained using rubber bearings between the structure and the ground. Active protection, makes use of hydraulic force actuators at the base of the structure, in order to alleviate its vibrations. The objective of the automatic control scheme is the reduction of the oscillations of the construction around its equilibrium configuration. An analytical and numerical study of the dynamic behavior of a typical building during seismic activity has been carried out. The use of rubber bearings at the building base, reduces significantly the amplification at high resonant frequencies, which are more damaging for the building, and thus the structure and its content are protected. Methods of active control can reduce further those oscillations in both amplitude and frequency content. The application of automatic control methods, assumes knowledge of the velocity and displacement of the floors of the structure relative to an inertial frame of reference. In our study, we focus on the use of accelerometers to estimate the above quantities, taking in to consideration various sources of measurement errors during operation. The study resulted in an observation system which compensates effectively the existence of errors in the measurement sensors, which provides a good estimate of the state vector of the system to be controlled. Furthermore, we investigated the use of a subsidiary system for the detection and isolation of faults in the measurement sensors of the structure. Finally, in order to evaluate the practical application of these methods, we applied an appropriate state feedback law, using the proposed state observer scheme. A series of simulation studies were conducted, which demonstrated the effectiveness of the modeling, the proposed real time observer and the control algorithms.