KR100843158B1 - 압착식 지능형 자기유변유체 감쇠기를 이용한 토목구조물의 진동 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압착식 지능형 자기유변유체 감쇠기를 이용한 토목 구조물의 진동 제어 시스템에 관한 것으로서, 전자석 부분이 피스톤 부분 및 이 피스톤 부분이 내장된 실린더 부분으로부터 완전히 분리된 새로운 구조로 구성됨으로써, 교량의 교각 부분과 같이 좁은 공간이나 건물의 내부 벽체에 설치될 수 있도록 크기가 작으면서도 큰 제어력을 발휘할 수 있고, 제어력 증가가 용이하면서 전자석 코일에서 발생하는 열에 의한 문제점을 해결하며, 보다 우수하고 효율적인 진동 제어를 수행할 수 있는 압착식 지능형 자기유변유체 감쇠기를 이용한 토목 구조물의 진동 제어 시스템에 관한 것이다.

자기유변유체(Magneto-Rheological Fluid), MR, 압착식, 지능형, 감쇠기, 진동 제어, 실린더, 전자기부, 독립형

Description

압착식 지능형 자기유변유체 감쇠기를 이용한 토목 구조물의 진동 제어 시스템{Vibration control system for civil structure using squeeze mode smart MR damper}

본 발명은 압착식 지능형 자기유변유체 감쇠기를 이용한 토목 구조물의 진동 제어 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 사회 기간 시설물(교량, 타워, 건물 등의 토목 및 건설 구조물)의 진동을 제어하여 시설물의 생애주기를 연장하거나 성능을 개선하기 위한 압착식 지능형 자기유변유체 감쇠기와 이를 이용한 토목 구조물의 진동 제어 시스템에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 도로교 또는 대형 빌딩 구조물과 같은 토목 기간 시설물의 생애주기 연장이나 구조적 성능 개선 또는 대형 재해의 예방을 위한 방안으로 구조물의 진동을 저감시키기 위한 다양한 방법들이 토목분야에서 활용되고 있다.

초기에는 진동제어를 위해서 주로 격납면진받침 혹은 동조질량(tuned mass) 제진 장치와 같은 수동제어를 중심으로 활발한 연구가 이루어졌고, 최근 들어서는 구조물 자체를 스마트하도록 개선하기 위하여 능동제어개념을 도입하고 이러한 능동제어가 가능하도록 새로운 제어기기에 관한 상당수의 연구가 수행되어 왔다.

이 중에서 수동제어는 구조물의 복잡화와 고기능화에 따른 다양한 동적 하중에 대한 대처가 미흡하고, 시설의 초기 설치가 필수적일 뿐만 아니라 설치위치 등의 제약 조건 등으로 인하여 사용 범위에 한계가 있다.

따라서, 최근에는 그 대안으로 준능동형 제어(semi-active control) 기법이나 능동형 제어(active control) 기법이 주된 연구 대상이 되고 있다.

특히, 준능동형 제어 기법은 제어 대상 구조물의 감쇠 특성을 제어할 수 있는 지능형 재료(smart material)를 활용하는데, 이는 비교적 안정성과 신뢰성이 보장되고 소모 전력이 적으며 전자기 신호에 대해 유체가 반응하는 속도가 빠른 장점 등에 의해 능동형 제어 기법보다 적극적인 대안으로 활용되고 있다.

지능형 재료 중에 가제어성 유체인 자기유변유체(Magneto-Rheological Fluid, MR 유체)가 이용되고 있는데, 이는 큰 동적 범위를 가질 뿐만 아니라 적은 전력을 소모하면서 큰 제어력을 발휘할 수 있는 특징 때문에, 이를 이용할 경우 기존의 진동 제어 장치들의 한계로 지적되고 있는 가격 대비 경제적 효율성과 장비의 신뢰성, 전력의 소모량과 발생 제어력의 크기 등에서 우수한 장치를 제공할 수 있다.

MR 유체를 이용한 감쇠 장치의 활용에 대해서는 Carlson에 의해 연구되기 시작하였다[J. D. Carlson and B. F. Spencer, Jr. (1996) Magneto-Rheological Fluid Dampers for Semi-Active Seismic Control, Proceeding of the 3rd International Conference on Motion and Vibration Control, Chiba Japan, Vol. 3, pp.35-40].

이후 Dyke, Spencer, Yang과 Sodeyama 등의 많은 연구자에 의해 MR 감쇠기의 개발이 연구되어 왔다[G. Yang (2001) Large-Scale Magnetorheological Fluid Damper for Vibration Mitigation: Modeling, Testing and Control, Ph. D Dissertation, University of Notre Dame; G.Yang, B. F. Spencer, Jr., J. D. Carlson and M. K. Sain (2002). Large-scale MR fluid dampers: modeling and dynamic performance considerations, Engineering Structures, Vol. 24, Issue 3, pp.309-323.; H. Sodeyama, K. Sunakoba, H. Fujitani, S. Soda, N. Iwata and K. Hata (2003) Dynamic Tests and Simulation of Magneto-Rheological Dampers, Computer-Aided Civil and Intrastructure Engineering, (18), pp.45~57.; B. F. Spencer, Jr., , S. J. Dyke and J. D. Carlson (1997), Phenomenologcal Model for Magnetorheological Dampers, Journal of Engineering Mechanics, ASCE, Vol.123, No.3, pp.230-238.; Dyke S J, Spencer Jr B F, Sain M K and Carlson J D (1998) An Experimental Study of MR Dampers for Seismic Protection, Smart Materials and Structures: Special Issue on Large Civil Structures, (7) pp.693-703. 등].

이 중에서 Spencer 등은 MR 유체를 활용한 MR 감쇠기의 이력 거동의 동적 모델을 개발하여 실험적 연구에 적용하였다.

오늘날 구조물에 MR 제어기(감쇠기)를 적용하기 위하여 용량과 장기적인 사 용성에 관한 연구가 폭 넓게 수행되고 있으며, 일례로 Yang 등은 최근에 임베디드 형태의 전자기 시스템을 갖는 200kN 급 MR 감쇠기를 개발하였다.

그러나, 이 장치는 실린더 내에 MR 유체가 채워진 상태에서 자기장을 인가하기 위한 전자석 코일이 MR 유체 내부에 위치함에 따라서 전류 인가시에 전자석 코일에서 발생하는 열이 큰 문제점으로 지적되고 있다.

즉, 열에 의해 MR 유체의 온도가 상승하게 되면, MR 유체의 점성이 감소하게 되고, 시간이 경과함에 따라서 휘발성을 갖는 MR 유체의 양이 감소하게 되며, 특히 MR 유체의 온도 변화는 장기간 사용시에 내구성과 신뢰성에 나쁜 영향을 미치게 된다.

이러한 점을 보완하기 위한 것으로, Sodeyama 등은 전자석 코일에서 발생하는 열의 영향을 줄이기 위해서 Yang 등의 연구결과를 개선하여 바이패스(Bypass) 형태의 MR 감쇠기를 개발하였다.

그러나, 이 장치 역시 충분한 제어력을 발휘하기 위하여 큰 자기장이 발생하도록 전자석의 길이가 길어져야 하고, 이는 곧 감쇠기의 전체 길이를 길게 하는 바, 교량과 같이 감쇠기의 위치가 교각의 위치 쪽으로 한정될 수밖에 없는 경우 설치공간 등에 제약을 받게 된다.

이와 같이 실린더 내부에 피스톤과 전자석이 일체형으로 구비되는 기존의 MR 감쇠기는 충분한 제어력을 얻기 위하여 크기가 클 수밖에 없고, 피스톤 스트로크(stroke)을 크게 할 수 없으므로 제어력 발휘에 한계가 있는 것이 사실이다.

그러므로, 실제 적용시에 토목 구조물의 진동을 효과적으로 제어할 수 있도 록 하기 위해서 협소한 공간에 부착되어 구조물의 능동적인 제어가 가능하면서도 충분한 제어력을 발휘할 수 있고, 장기간 사용에 따른 내구성 및 신뢰성 저하 등의 기존 문제점들을 해결할 수 있는 새로운 형태의 MR 감쇠기가 절실한 실정이다.

한편, 상기와 같은 준능동형 제어기(감쇠기)를 이용한 토목 구조물의 진동제어를 위해서는 적정한 제어 알고리즘의 구축이 필요하며, 제어 알고리즘은 구조물에서 측정된 응답신호(response signal)뿐만 아니라 제어기의 성능을 예측할 수 있는 동적 모델을 요구하는 경우가 많다.

현재까지 MR 감쇠 장치는 다양한 분야에서 유용하게 활용되고 있지만, MR 감쇠 장치의 동적 거동 특성을 묘사할 모델링 방법 등이 부족하며, 주로 경험식이나 유사 정적(pseudo-static) 모델에만 의존하고 있는 실정이다.

MR 감쇠 장치를 토목 구조물에 적용하여 진동을 제어하기 위한 연구로서, Spencer 등은 Boch-Wen 이력 모델에 근거한 MR 감쇠기의 내력 평가 모델을 개발하고, 이를 이용하여 수치적, 실험적 연구에 적용하였다.

그리고, Dyke 등은 3층과 6층 규모의 건물 모형에 MR 감쇠기를 활용한 진동제어 실험에 적용한 바 있다.

이들 연구 결과에 의하면 MR 감쇠기를 이용한 구조물의 진동 제어 성능은 적용된 알고리즘에 많은 영향을 받는 것으로 현재까지 평가되고 있다.

이들 중에서 리야프노프 제어 알고리즘과 Clipped-Optimal 제어 알고리즘이 효율적인 제어 알고리즘으로 분석되고 있다[Seismic Protection, Smart Materials and Structures: Special Issue on Large Civil Structures (7) pp.693-703.; L. M. Jansen and S. J. Dyke (2000) Semiactive Control Strategies for MR Dampers: Comparative Study, Journal of Engineering Mechanics, pp.795-803.]

여기서, 리야프노프 제어 알고리즘은 선형과 시불변 시스템뿐만 아니라 비선형과 시변 시스템에 대한 적용이 모두 가능한 알고리즘으로 리야프노프 안정성 이론에 근거하여 Leitmann 등에 의해 제안되었으며, 이 알고리즘의 제어 목표는 리야프노프 함수의 변화율을 최소화함으로써 진동 응답을 감소시키는 방법이다[G. Leitmann (1994) Semiactive Control for Vibration Attenuation, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, (5) pp.841-846.]

Clipped Optimal 알고리즘은 MR 제어기(Damper)에 의한 가속도 응답에 근거한 제어 방법이며, 이 기법은 제어기의 동적인 모델을 요구하지 않는 특징이 있다.

하지만, 상기와 같은 제어 알고리즘에 관한 연구는 현재까지 특정한 제어 및 제어기기에 초점을 맞추어 연구가 진행되어 왔다.

또 이들을 컴퓨터나 디지털 장비 등의 이용을 위하여 이산시간 제어 시스템으로 변환하게 되면 단위 서클로 제한되는 좁은 안정성 영역에 목적 모드들의 폴을 위치시켜야 하므로 양자화 오차 등이 발생하고, 제어기의 민감도가 높게 설계되어야하는 문제가 발생한다.

따라서, 넓은 안정성 영역을 갖고 사회기간 시설물과 같이 저주파수 대역에서 다수의 주파수 특성에 의해 복잡한 거동을 나타내는 시설물의 제어관리에 적합한 안정적인 제어관리 알고리즘이 절실하게 요구되고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 전자석 부분이 피스톤 부분 및 이 피스톤 부분이 내장된 실린더 부분으로부터 완전히 분리된 새로운 구조로 구성됨으로써, 교량의 교각 부분과 같이 좁은 공간이나 건물의 내부 벽체에 설치될 수 있도록 크기가 작으면서도 큰 제어력을 발휘할 수 있고, 제어력 증가가 용이하면서 전자석 코일에서 발생하는 열에 의한 문제점을 해결하며, 보다 우수하고 효율적인 진동 제어를 수행할 수 있는 압착식 지능형 자기유변유체 감쇠기를 이용한 토목 구조물의 진동 제어 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 진동 제어 대상이 되는 구조물의 소정 위치에 분산 배치되어 구조물 응답을 계측하는 복수개의 계측기와; 상기 각 계측기로부터 출력되는 아날로그 신호를 입력받아 디지털 신호로 변환하여 실시간 출력하는 실시간 신호처리기와; 상기 실시간 신호처리기를 통해 입력되는 계측 신호를 입력으로 하는 소정의 제어 알고리즘을 수행하여 구조물 진동을 제어하기 위한 제어 신호를 출력하는 제어부와; 상기 제어부에서 출력되어 상기 실시간 신호처리기에서 아날로그 신호로 변환된 제어 신호에 의해 전류 세기를 조절하여 공급하는 전류공급장치와; 진동 제어 대상이 되는 구조물의 소정 위치에 분산 배치되어 상기 전류공급장치가 공급하는 전류 세기에 따라 구조물의 진동을 흡수하여 구조물에 감쇠력을 제공하는 복수개의 압착식 지능형 자기유변유체 감쇠기;를 포함하는 토목 구조물의 진동 제어 시스템을 개시한다.

여기서, 상기 제어부는 상기 제어 알고리즘으로부터 각 감쇠기에 입력되어야 할 제어 전력을 계산한 후 그에 따른 전압 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 한다.

또한 상기 압착식 지능형 자기유변유체 감쇠기는 자기유변유체가 채워지는 유체실이 형성된 실린더와, 상기 실린더 내에서 왕복 이동하는 피스톤 로드와, 상기 자기유변유체에 자기장을 인가하기 위한 전자석을 포함하는 것으로서, 상기 피스톤 로드가 상기 유체실을 관통한 상태에서 피스톤 로드에 형성된 피스톤이 유체실 내측면에 밀착된 상태로 왕복 이동 및 유체실을 전측실과 후측실로 구획하고, 자기실 케이싱 및 그 내부에 설치된 전자석을 포함하는 전자기부가 상기 실린더 외부에 독립적으로 설치되되, 상기 전자석과 자기실 케이싱 내측면 사이에 형성된 전자석 주변 공간인 바이패스 오리피스가 상기 전측실 및 후측실과 자기유변유체의 출입이 가능하도록 각각 통로수단으로 연결되어, 전자석이 인가하는 자기장에 의해 바이패스 오리피스 내 자기유변유체가 고정되면서 바이패스 오리피스와 전측실 및 후측실 사이의 유체 출입이 제한되는 동시에, 피스톤이 전측실과 후측실의 자기유변유체에 의해 각 방향 저항력을 받으면서 감쇠력을 발생시키도록 된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 통로수단은 상기 전측실과 바이패스 오리피스, 상기 후측실과 바이패스 오리피스 사이를 연결하는 두 통로로 구성되되, 상기 각 통로가 유체실의 단부와 바이패스 오리피스의 단부 사이를 연결하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 실린더를 중심으로 그 주변에 복수개의 상기 전자기부가 설치되고, 이러한 각 전자기부에 대하여 각각의 상기 통로수단이 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 실린더 외부에는 유체실 내부로 자기유변유체를 보충해주는 자기유변유체 보충부가 구비되고, 상기 자기유변유체 보충부는, 실린더 외부에 설치되는 자기유변유체 저장고와, 상기 자기유변유체 저장고로부터 상기 전측실과 후측실에 유체 공급이 가능하도록 연결되는 제1 및 제2보충통로와, 상기 각 보충통로에서 자기유변유체의 역류를 방지하면서 전측실과 후측실 내 유체 압력이 설정압력 미만이 되면 유체가 보충될 수 있도록 개방되는 밸브수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 압착식 지능형 자기유변유체 감쇠기를 이용한 토목 구조물의 진동 제어 시스템에 의하면, 다음과 같은 장점을 제공할 수 있게 된다.

1) 전류 입력의 변화에 의해 감쇠력을 변화시킬 수 있는 준능동 제어용 MR 감쇠기로서, 전자석 부분이 피스톤 부분 및 이 피스톤 부분이 내장된 실린더 부분 으로부터 완전히 분리된 새로운 구조로 구성됨으로써, 교량의 교각 부분과 같이 좁은 공간이나 건물의 내부 벽체에 설치될 수 있도록 크기가 작으면서도 큰 제어력을 발휘할 수 있는 장점을 제공할 수 있다.

2) 특히, 본 발명의 MR 감쇠기는 독립적으로 고정된 전자석 부분을 복수개로 하여 실린더 사방에 부착함에 의해 확장이 가능하며, 이에 따라 장치 전체의 길이변화 없이 제어력을 증가시킬 수 있는 장점을 제공한다.

3) 전자석을 포함한 전자기부가 실린더와 독립적으로 설치됨으로써, 전자석 코일에서 발생하는 열에 의해 MR 유체의 고온화 및 점성이 감소하는 문제점, MR 유체의 온도 변화에 의한 점성 저하, 내구성과 신뢰성 저하의 문제점을 해결할 수 있게 된다.

4) 본 발명의 진동 제어 시스템은 단일 시스템의 제어 알고리즘에 의해 확장된 안정성 영역을 가지면서 관리 대상 시설물의 주파수 특성을 폭 넓게 고려할 수 있는 장점을 제공하며, 보다 우수하고 효율적인 실시간 진동 제어를 수행할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 압착식 지능형 MR 감쇠기를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 압착식 지능형 MR 감쇠기의 내부구성을 보여주는 단면도이며, 도 3a 내지 도 3b는 본 발명에 따른 압착식 지능형 MR 감쇠기의 적용예를 나타낸 예시도이다.

이에 도시한 바와 같이, 본 발명의 MR 감쇠기(100)는, MR 유체가 채워지는 유체실(114)이 형성된 실린더(110)와; 상기 유체실(114)을 관통하여 일단부가 실린더 외부로 연장되도록 실린더(110) 내부에 설치되고, 중간위치에는 유체실(114) 내측면에 밀착된 상태로 왕복 이동하는 피스톤(116d)이 일체 형성된 피스톤 로드(116)와; 자기실(122)이 형성되고 상기 실린더(110) 외부 일측에 조립되어 설치되는 자기실 케이싱(121)과; 상기 자기실(122) 내부에 설치되어 외부로부터 인가되는 전류에 의해 자기장을 형성하도록 작동하는 전자석(124)과; 상기 피스톤(116d)에 의해 구획되는 유체실(114)의 양측 내부공간(114a,114b)과 상기 자기실(122) 사이에 MR 유체가 이동할 수 있도록 구비되는 통로수단(118a,118b);을 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 실린더(110)는 밀폐된 내부공간을 가지는 구조로 되어 있는 바, 상기 밀폐된 내부공간이 MR 유체가 채워지는 유체실(114)이 된다.

도시한 실시예에서, 상기 실린더(110)는 유체실(114)을 형성하도록 내부공간을 가지는 실린더 본체(111)와, 상기 피스톤 로드(116)가 관통한 상태로 실린더 본체(111)의 양단부에 각각 고정되어서 상기 유체실(114)을 밀폐하는 양측의 두 커버(112a,112b)와, 상기 피스톤 로드(116)의 타단부가 내장되는 부분이면서 일측 커버(112b)의 외측에 고정되어 피스톤 로드(116)의 왕복 이동을 안내하는 가이드 케이싱(113)으로 구성되어 있다.

상기 실린더 본체(111) 및 양측의 커버(112a,112b) 그리고 가이드 케이 싱(113)은 볼트로 조립되어 실린더(110)를 구성하며, 이렇게 조립된 상태에서 실린더 본체(111) 및 양측의 커버(112a,112b)에 의해 MR 유체가 채워지는 유체실(114)이 형성된다.

상기 실린더 본체(111) 및 양측의 커버(112a,112b), 가이드 케이싱(113) 간의 각 접합면 사이, 그리고 피스톤 로드(116)와 커버(112a,112b) 사이에는 유체실(114)에 채워진 MR 유체가 누설되지 않도록 실링부재(115)가 개재된다.

상기 가이드 케이싱(113)은 피스톤 로드(116)의 타단부가 삽입된 상태에서 왕복 이동하는 피스톤 로드(116)를 안정적으로 안내할 수 있도록 소정 길이의 원형 단면 케이싱 구조의 가이드부(113a)를 포함하며, 이 가이드부(113a)의 일단에 형성된 체결부(113b)가 상기 일측 커버(112b)와 함께 실린더 본체(111)에 볼팅됨으로써 조립된다.

상기 피스톤 로드(116)는 중간위치에 형성된 피스톤(116d)이 유체실(114) 내부에 넣어진 상태로 실린더(110)에 내장되는데, 실린더 양측 커버(112a,112b)를 관통한 상태 및 상기 타단부가 가이드 케이싱(113)의 가이드부(113a)에 삽입된 상태에서 전후로 왕복 이동될 수 있게 설치된다.

바람직한 실시예에서, 실린더(110) 외부로 연장된 피스톤 로드(116)의 일단부에는 외주면 상에 볼트에서와 같은 나사선이 가공될 수 있으며, 또한 가이드 케이싱(113)의 단부 끝에도 나사선이 가공된 체결부(113c)가 축방향으로 돌출 형성될 수 있는 바, 이와 같이 나사선이 가공된 피스톤 로드(116)의 단부(이하 '체결부'라 함)(116a)와 가이드 케이싱(113)의 체결부(113c)에는 구조물과의 연결을 위한 연결 바(116b)나 지그(116c) 등의 연결부재가 결합될 수 있다.

즉, 상기 피스톤 로드(116)의 체결부(116a)와 가이드 케이싱(113)의 체결부(113c)에 연결바(116b)나 지그(116c)를 결합하고, 이 연결바(116b)나 지그(116c)를 매개로 MR 감쇠기(100)의 피스톤 로드(116)와 가이드 케이싱(113)을 구조물(10)에 연결하는 바, 결국 MR 감쇠기(100)가 구조물 사이에서 진동 제어를 수행할 수 있게 되는 것이다.

도 1을 참조하면, 피스톤 로드(116)의 체결부(116a)와 가이드 케이싱(113)의 체결부(113c)에 고리가 형성된 연결바(116b)를 결합시킨 예를 보여주고 있으며, 이러한 형태의 연결바에는 케이블 등이 연결될 수 있으며, 이는 연결부재의 일 예를 나타내는 것일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 제어 대상이 되는 구조물과의 사이에 본 발명의 MR 감쇠기가 연결될 수 있도록 다양한 형태의 연결바나 지그 등 연결부재가 적절히 설계되어 사용될 수 있음을 밝혀둔다.

그리고, 상기 피스톤 로드(116)에 일체로 형성된 피스톤(116d)은 가장자리 끝단부가 유체실(114) 내측면에 밀착된 상태로 MR 유체가 채워진 유체실을 전측실(114a)과 후측실(114b)로 구획하도록 되어 있다.

바람직하기로는, 전측실(114a)과 후측실(114b) 간의 MR 유체가 완전히 분리되도록, 즉 피스톤(116d)의 가장자리 끝단부와 유체실(114)의 내측면 사이를 통하여 전측실(114a)과 후측실(114b) 간에 유체 이동이 발생하지 않도록, 상기 피스톤(116d)의 가장자리 끝단부에는 전 둘레에 걸쳐 유체실(114) 내측면과의 사이에 기밀을 유지하기 위한 실링부재(117)가 설치된다.

다음으로, 상기 실린더(110) 외부 일측(도면상의 하측)에는 자기실 케이싱(121)이 일체로 조립되며, 이 자기실 케이싱(121)의 내부공간, 즉 자기실(122) 내에는 전자석(124)이 고정 설치된다.

상기 전자석(124)은 요크(yoke)(124a)에 코일(124b)이 감겨진 통상의 구조로 구성되는데, 요크(124a) 중심을 관통하는 지지축(125)을 매개로 자기실(122) 내에 고정된다.

상기 전자석(124)은 외부로부터 코일(124b)에 전류가 인가됨에 의해 작동하는 바, 코일(124b)은 전류가 인가될 수 있도록 지지축(125) 및 자기실 케이싱(121)에 형성된 코일통로(123)를 통해 외부로 연결될 수 있도록 되어 있다.

상기 자기실(122) 내에서 전자석(124) 주변의 공간은 MR 유체가 채워지는 공간이면서 전측실(114a)과 후측실(114b) 사이에서 MR 유체가 바이패스되는 유로 공간(이하 '바이패스 오리피스'라 함)(122a)이 되며, 상기 유체실(114)의 단부와 바이패스 오리피스(122a)의 단부 사이에는 제1통로(118a)와 제2통로(118b)가 각각 형성되는 바, 상기 제1통로(118a)는 유체실(114)의 전측실(114a)과 바이패스 오리피스(122a) 사이를 연결하며, 상기 제2통로(118b)는 유체실(114)의 후측실(114b)과 바이패스 오리피스(122a) 사이를 연결하도록 형성된다.

이와 같이 상기 제1통로(118a)와 제2통로(118b)는 피스톤 로드(116)가 왕복 이동하는 실린더(110)와, 자기실 케이싱(121) 및 내부의 전자석(124)을 포함하여 구성되는 독립형 전자기부(120) 사이를 MR 유체의 이동이 가능하도록 연결하는 통로수단이 된다.

그리고, 바람직한 실시예로서, 본 발명의 압착식 지능형 MR 감쇠기(100)는 유체실(114) 내부에 MR 유체를 보충해주는 MR 유체 보충부(130)가 구비되는 바, 이는 실린더(110) 외측에 고정 설치되는 MR 유체 저장고(131)와, 상기 MR 유체 저장고(131)로부터 유체실(114)의 전측실(114a)과 후측실(114b)에 MR 유체 공급이 가능하도록 각각 연결 설치되는 제1보충통로(132a) 및 제2보충통로(132b)와, 상기 제1보충통로(132a)와 제2보충통로(132b) 상에 설치되어 MR 유체의 역류를 방지하면서 전측실(114a)과 후측실(114b) 내 유체 압력이 설정압력 미만일 때 MR 유체의 공급이 가능하도록 개방되는 밸브수단(133a,133b)을 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 MR 유체 저장고(131)는 실린더 내부 유체실(114)로 보충될 MR 유체가 저장되는 구성부이고, 상기 제1보충통로(132a)와 제2보충통로(132b)는 MR 유체 저장고(131)로부터 각각 피스톤(116d)에 의해 구획되는 전측실(114a)과 후측실(114b)로 연결되는 바, 전측실(114a)과 후측실(145b)은 해당 보충통로(132a,132b)를 통해 MR 유체가 보충될 수 있게 된다.

상기 각 밸브수단(133a,133b)으로는 체크밸브가 사용될 수 있고, 이는 기본적으로 MR 유체의 역류를 방지하는 역할을 하면서 전측실(114a)과 후측실(114b)의 압력이 설정압력 미만으로 떨어질 경우 개방되어 MR 유체가 각 보충통로(132a,132b)를 통해 공급될 수 있도록 하며, 유체실(114)의 압력을 일정하게 유지하는 역할을 한다.

예를 들면, MR 유체가 채워져 있는 MR 유체 저장고(131)와 전측실(114a) 및 후측실(114b)은 초기에 압력의 평형상태를 유지하고 있다가 누설 등에 의한 전측 실(114a) 및 후측실(114b) 내의 MR 유체의 손실이 발생한 경우, MR 유체 저장고(131)와 전측실(114a) 및 후측실(114b) 간에는 압력의 평형상태가 깨지게 되고, 즉 MR 유체의 손실로 전측실(114a) 및 후측실(114b) 내의 압력이 떨어지면서 상대적으로 MR 유체 저장고(131) 내의 압력이 높아지게 되고, 이에 따라 이때의 압력차이에 의해 MR 유체 저장고(131) 내의 MR 유체가 밸브수단(133a,133b)을 밀고 나오면서 전측실(114a) 및 후측실(114b)로 공급될 수 있다.

상기한 바의 MR 유체 보충부(130)에서 도 1의 도면부호 134는 MR 유체 저장고의 마개를 나타내는 것으로서, 필요한 경우 이 마개(134)를 열어 MR 유체 저장고(131)에 MR 유체를 보충하게 된다.

이와 같이 상기 MR 유체 보충부(130)는 누설 등에 의해 휘발성을 가진 MR 유체의 손실이 발생한 경우 유체실(114)에 MR 유체를 보충하여 MR 감쇠기(100)가 최상의 제어력을 발휘할 수 있도록 해준다.

이와 같이 하여, 본 발명에 따른 압착식 지능형 MR 감쇠기는 전류 입력의 변화에 의해 감쇠력을 변화시킬 수 있는 준능동 제어용 MR 감쇠기로서, 전자석 부분, 즉 자기실 케이싱 및 그 내부에 설치된 전자석을 포함하는 전자기부가 MR 유체 및 피스톤, 피스톤 로드가 내장된 실린더로부터 완전히 분리된 새로운 구조로 구성됨으로써, 크기가 작으면서도 큰 제어력을 발휘할 수 있는 장점을 가진다.

도 1과 도 2에 도시한 실시예에서는 1개의 전자기부(120)가 설치되고 있으나, 본 발명의 MR 감쇠기(100)는 독립적으로 고정된 전자기부(120)를 복수개로 하여 실린더(110) 주변에 부착함에 의해 확장이 가능하며, 이에 따라 장치 전체의 길 이변화 없이 제어력을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.

즉, 도시한 실시예에서는 하측에 하나의 전자기부(120)를 구비하고 상기 전자기부(120)에 대하여 제1통로(118a)와 제2통로(118b)를 형성하였으나, 동일한 구성의 전자기부(120)를 실린더(110) 주변에 복수개로 설치하고 이렇게 설치된 각 전자기부(120)에 대하여 각각 제1통로(118a) 및 제2통로(118b)을 구비함으로써 확장이 가능한 것이다.

다시 말해, 전자기부(120) 및 통로수단(118a,118b)은 실린더(110)를 중심으로 그 주변에 동일한 구조가 2개 또는 3개 또는 그 이상으로 적절히 배치되어 설치될 수 있는 것이다.

이하, 본 발명에 따른 압착식 지능형 MR 감쇠기의 작동상태에 대해 설명하면 다음과 같다.

기본적으로, 본 발명에 따른 압착식 지능형 MR 감쇠기(100)에서는 피스톤 로드(116) 및 피스톤(116d)이 도면상의 좌측으로 이동할 경우 전측실(114a)의 MR 유체를 제1통로(118a)를 통해 밀어내어 바이패스 오리피스(122a)로 내보내게 되고, 이와 동시에 제2통로(118b)를 통해서는 바이패스 오리피스(122a) 내의 MR 유체가 후측실(114b)로 이동할 수 있게 되어 있다.

반대로, 피스톤 로드(116) 및 피스톤(116d)이 도면상의 우측으로 이동할 경우 후측실(114b)의 MR 유체를 제2통로(118b)를 통해 밀어내어 바이패스 오리피스(122a)로 내보내게 되고, 이에 의해 제1통로(118a)를 통해서는 파이패스 오리피스(122a) 내의 MR 유체가 전측실(114a)로 이동할 수 있게 되어 있다.

한편, 상기 MR 감쇠기(100)의 전자석 코일(124b)에 전류가 인가되면, 전자석(124)이 작동하면서 자기장이 형성되고, 이 자기장이 바이패스 오리피스(122a) 내의 MR 유체에 인가되면서 MR 유체 내의 자화물질들이 자화되는 바, 이에 자화물질들이 서로 자화사슬을 형성하여 자석처럼 거동하게 된다.

상기와 같이 자기장이 인가되면, 바이패스 오리피스(122a) 내의 MR 유체가 자기장에 의해 고정되는 형태가 되며, 이에 실린더(110) 내 전측실(114a)과 후측실(114b) 사이의 제1통로(118a)와 제2통로(118b)를 통한 유체 출입이 제한되게 되고, 결국 피스톤(116d)이 전측실(114a)과 후측실(114b)의 MR 유체에 의해 각 방향으로 저항력을 받게 되면서 피스톤 로드(116)의 이동 역시 제한된다.

여기서, 인가되는 자기장의 세기에 따라 자화되는 정도가 달라지면서 자화사슬을 끊기 위한 항복응력의 크기가 달라지며, 바이패스 오리피스(122a)의 MR 유체 동작 특성에 따라 피스톤(116d) 및 피스톤 로드(116)의 동작 특성이 제어될 수 있게 된다.

즉, 자기장의 세기를 조절함으로써, 바이패스 오리피스(122a) 내 MR 유체의 점성 및 MR 유체가 만들어내는 힘의 크기를 제어할 수 있고, 바이패스 오리피스(122a) 내의 점성 및 저항력이 제1통로(118a)와 제2통로(118b)를 통한 유체 출입에 영향을 미치므로, 실린더(110) 내 피스톤(116d) 및 피스톤 로드(116)의 이동을 제어할 수 있으며, 결국 피스톤 로드(116)를 통해 발휘되는 MR 감쇠기(100)의 제어력을 제어할 수 있게 된다.

또한 자기장의 세기는 전자석 코일(124b)에 인가되는 전류 세기를 조절함으 로써 제어될 수 있는 바, 진동체의 진동 거동에 적합한 감쇠력을 발휘할 수 있도록 전류공급장치(current driver)를 통해 전자석에 인가되는 전류 세기를 제어하면 MR 감쇠기(100)의 제어력을 제어할 수 있게 된다.

이러한 본 발명의 MR 감쇠기(100)는 제어력의 용량을 크게 증가시킨 압착식(단축) 형태를 갖는 MR 감쇠기로서, 도 3a나 도 3b에 나타낸 바와 같은 교량이나 건물의 구조부재 등 토목 및 건설 구조물(10)에 적용할 경우 구조물의 진동 제어에 유용하게 활용될 수 있다.

다음으로, 본 발명자는 전술한 본 발명의 압착식 지능형 MR 감쇠기의 성능을 알아보기 위하여 다양한 성능 실험을 수행하였는 바, 이를 설명하면 다음과 같다.

하기 표 1은 실험에 사용된 MR 감쇠기의 설계 치수를 나타내는 바, 최대 감쇠력은 1kN으로 설계되었으며, 피스톤 로드의 스트로크는 30mm(± 15mm)로 하였다.

또한 실린더의 유체실 및 자기실 케이싱의 바이패스 오리피스 내에는 자기유변유체로서 Hydrocarbon-based Oil인 MRF-132AD가 채워졌다.

그리고, 전자기부에서 전자석과 자기실 케이싱 내측면 간의 간극을 1mm로 하여 바이패스 오리피스를 형성하였으며, 그 전체 길이는 39mm로 하였다.

전자석은 저탄소강으로 제작된 요크에 구리선을 감아서 제작하였으며, 바이패스 오리피스의 전체 자화 길이는 28mm가 되도록 하였다.

이와 같이 제작된 MR 감쇠기는 독립형 전자석을 고정식으로 설치하여 피스톤 로드의 길이에 영향을 받지 않게 되는 바, 전체 길이가 짧아지는 장점을 가진다.

그리고, 본 발명의 MR 감쇠기에 대한 성능 실험을 위해서 첨부한 도 4에 나타낸 바의 실험장치를 이용하였으며, 동적 실험을 위한 가진기(shaker)(12)는 최대 변위 ±1.0inch의 VTS 600을 이용하였다.

데이터 획득을 위한 동적 스트레인 증폭기(dynamic strain amplifier)(13)로는 DRA 107A를 이용하였으며, 0.01초의 샘플링 주기를 이용하여 계측하였다.

힘은 5000kN 용량의 로드 셀(load cell, DBBP-500))(14)을 이용하여 계측하였으며, 변위는 전체 스트로크 길이가 50mm인 변위기(displacement transducer, CDP-50)(15)를 이용하여 측정하였다.

그리고, MR 감쇠기의 성능 실험은 각각 40mm/sec, 54mm/sec, 80mm/sec의 입력속도로 사인파 하중이 MR 감쇠기(100)에 가해졌으며, 전자석의 작동을 유도하기 위한 전류의 공급은 Load사의 전류공급장치(current driver)(16) RD-3002-3을 이용하였다.

이때, 실내 실험의 여건상 0A, 0.025A, 0.050A, 0.075A, 0.100A, 0.150A, 0.200A, 0.250A, 0.500A와 1A의 입력 전류 하에서 수행하였다.

도 4에서 도면부호 11a는 구조물 역할의 반력벽(reaction wall)(11a)을, 도 17은 데이터 분석을 위한 컴퓨터를 나타낸다.

본 성능 실험에서는 힘-변위 이력 곡선과 힘-속도 관계를 평가하였고, 상기와 같이 인가된 전류에 의해 조절 가능한 힘의 최대치를 평가하였으며, MR 감쇠기의 동적 이력 특성을 획득하였다.

특히, MR 감쇠기의 기본적인 동적 특성을 규명하기 위하여 다양한 입력 전류에 대한 동적 실험을 수행하였다.

실험 결과로서, 첨부한 도 5a 내지 도 5c는 2Hz의 사인파 하중 하에서 측정된 힘-변위 이력 곡선을 나타내며, 입력 전류의 변화에 따른 효과가 쉽게 관측되었는 바, 0A의 입력 전류시에 MR 감쇠기는 순수한 점성 장치의 특성을 보였으며, 힘-변위 관계는 거의 포물선 형상을 보였고, 입력 전류가 증가되면서 감쇠기의 MR 유체의 항복에 요구되는 힘이 증가됨을 알 수 있었다.

첨부한 도 6은 피스톤의 최대 속도와 MR 감쇠기에서 발생되는 힘과의 관계를 나타내는 도면으로서, 이를 통해 알 수 있는 바와 같이, 초기 MR 감쇠기의 관성력을 무시한다면 발생되는 제어력은 MR 감쇠기의 피스톤 속도와 입력 전류에만 관계되는 특성을 가진다.

첨부한 도 7은 입력 전류와 발생되는 최대 제어력의 관계를 나타내고 있는 바, 최대 감쇠력은 전류가 증가하면서 함께 증가하는 것을 확연히 관측할 수 있었으며, 결과에서 최대 제어력은 약 850N을 상회하고, 최대 동적 범위는 약 12로 평가되었다.

이와 같이 하여, 본 발명은 독립형 전자석 시스템을 채용한 새로운 구조의 압착식 지능형 MR 감쇠기를 개시하며, 특히 본 발명의 MR 감쇠기는 전자석 시스템의 확장을 통하여 전체 길이변화 없이 용이하게 큰 제어력을 발휘하도록 제작할 수 있는 바, 교량과 같은 구조물의 하부공간에 유용하게 배치할 수 있다.

다음으로, 본 발명은 압착식 지능형 감쇠기를 이용한 토목 구조물의 실시간 진동 제어 시스템을 포함하며, 이를 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 8은 본 발명에 따른 진동 제어 시스템의 구성도이다.

이에 도시한 바와 같이, 본 발명의 진동 제어 시스템은, 진동 제어 대상이 되는 구조물(10)의 소정 위치에 분산 배치되어 구조물 응답을 계측하는 복수개의 계측기(21a,21b)와; 상기 각 계측기(21a,21b)로부터 출력되는 아날로그 신호를 입력받아 디지털 신호로 변환하여 실시간 출력하는 실시간 신호처리기(real time digital process)(22)와; 상기 실시간 신호처리기(22)를 통해 입력되는 계측 신호를 입력으로 하는 소정의 제어 알고리즘을 수행하여 구조물 진동을 제어하기 위한 제어 신호를 출력하는 제어부(host computer)(23a)와; 상기 제어부(23a)에서 출력되어 상기 실시간 신호처리기(22)에서 아날로그 신호로 변환된 제어 신호에 의해 전류 세기를 조절하여 공급하는 전류공급장치(current driver)(24)와; 진동 제어 대상이 되는 구조물(10)의 소정 위치에 분산 배치되어 상기 전류공급장치(24)가 공급하는 전류 세기에 따라 구조물(10)의 진동을 흡수하여 구조물에 감쇠력을 제공하는 복수개의 압착식 지능형 자기유변유체 감쇠기(100);를 포함한다.

상기 계측기로는 가속도계(accelerometer)(21a), 힘 센서(force sensor)(21b), 변위계 등의 공지된 계측기가 다양하게 사용될 수 있으며, 구조물에 적절히 분산 배치하여 설치한다.

상기 실시간 신호처리기(22)는 계측기(21a,21b)와 제어부(23) 사이에서 신호 처리하여 출력하는 구성부로서, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터와, 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 D/A 컨버터를 포함하여 구성된다.

상기 실시간 신호처리기(22)는 계측기(21a,21b)에서 출력되는 아날로그 신호, 즉 전압 신호를 입력받아 디지털 신호로 변환하여 제어부(23a)로 실시간 출력하고, 또한 제어부(23a)에서 출력되는 디지털 신호를 입력받아 전류공급장치(24)에서 사용 가능한 아날로그 신호로 실시간 변환하여 출력한다.

상기 제어부(23a)는 계측된 신호를 입력하여 소정의 제어 알고리즘을 수행할 수 있는 컴퓨터로 구성되며, 제어 알고리즘으로부터 각 감쇠기(100)에 입력되어야 할 제어 전력을 계산한 후 그에 따른 전압 신호를 출력하게 된다.

상기와 같이 전압 신호 형태로 출력되는 제어 신호, 즉 구조물의 진동을 제어하기 위한 제어 신호(전류공급장치를 제어하기 위한 제어 신호이기도 함)는 전류공급장치(24)로 입력되고, 상기 전류공급장치(24)는 입력되는 전압 신호에 따라 전류 세기를 조절하여 MR 감쇠기(100)의 전자석에 조절된 전류를 인가하게 된다.

결국, MR 감쇠기(100)는 인가된 전류 세기에 따른 감쇠력을 제공하면서 구조물의 진동을 적절히 흡수 및 제어하게 된다.

상기 MR 감쇠기(100)는 본 발명에서 제시한 압착식 지능형 MR 감쇠기로서, 이는 도 1과 도 2에 나타낸 바와 같이 전자기부(120)가 실린더(110)와 독립적으로 구성된 것으로, 인가되는 전류 세기에 따라 MR 감쇠기의 감쇠력(제어력)이 제어되고, 그 구성 및 작동상태에 대해서는 앞에서 상세히 설명하였다.

이하, 본 발명의 진동 제어 시스템에서 제어부가 수행하는 제어 알고리즘에 대하여 설명하면 다음과 같다.

구조물의 제어 시스템의 표현

일반적으로 제어 가능한 시스템의 n 자유도 시스템의 동역학적 운동방정식은 다음의 식(1)과 같다.

(1)

여기서, M, C, K는 구조물이 갖는 질량과 감쇠, 그리고 강성행렬이며,

는 각 자유도의 변위이고,

와

는 시간에 대한 각 변위의 1계, 2계 도함수로 속도와 가속도를 나타낸다. 그리고,

는 외부 가진이고, f는 제어력이며,

와

는 각각 외부 가진과 제어력의 위치 벡터이다. 식(1)을 상태 벡터를 이용하여 상태공간에 표현하게 되면 동역학적 운동방정식은 다음의 식(2)와 같은 상태 방정식으로 재정의된다.

(2)

여기서, z는 상태 벡터이고, y는 측정된 출력 벡터이며, A는 2n×2n 크기의 시스템 행렬이고, B는 제어기(감쇠기)의 수와 같은 열을 갖는 2n 행 행렬이 되고, E는 B와 같은 크기로 외부 가해지는 가진력의 위치를 나타내는 벡터이다. 그리고, C는 A와 같은 크기를 갖는 관측 행렬이고, D는 B와 같은 크기를 갖는 되먹인 제어력을 나타내는 제어 벡터이다.

이와 같은 n 자유도의 제어 가능 구조물은 단일 시스템에서 다음의 식(3)과 같은 상태 방정식으로 재정의된다.

(3)

여기서, 첨자 ρ는 단일 시스템을 나타내는 기호이며, 연속과 이산시간 시스템을 동시에 표현한다. 즉, 연속 시간 시스템에서 d/dt의 미분 연산자를 표현한다면, 이산시간 시스템에서는 δ 연산자로 다음의 식(4)를 의미하게 된다.

(4)

여기서, s는 디지털 제어기의 샘플링 주기를 나타내며, q는 기존 시스템에서 이산 시스템을 표현하는 시프트 연산자이다. 그러므로, 상기 식(3)에서 각각의 상태 공간 행렬들은 다음의 식(5)와 같이 샘플 주기와 시프트 연산자에 의해서 연속과 이산시간을 동시에 표현하게 된다.

(5)

단일 Lyapunov 알고리즘의 개발

단일 리야프노프 제어기법에서 연속 시간의 경우는 기존과 단일 시스템에서의 표현이 동일하므로, 디지털 제어를 위한 이산시간 시스템의 확장된 표현인 이산시간 단일 시스템으로 문제를 한정하여 다루고자 한다. 리야프노프 안정성 이론에 근거하여 이 제어 가능한 시스템이 안정화되기 위해서 리야프노프 함수의 상태 벡터에 대해 양의 한정 함수가 되어야 하고, 또 리야프노프 함수의 시간 변화율

은 준음수확정 함수가 되어야만 한다. 이와 같이 제어 법칙을 적용할 때 제어의 목표는 리야프노프 함수의 시간 변화율

를 가능한 음한정이 되도록 제어 입력을 선택하는 문제로 정의된다.

단일 이산시간 시스템에서는 상기 식(4)의 관계 연산자에 의해 단일 리야프노프 방정식이 다음의 식(6)과 같이 새롭게 정의된다.

(6)

여기서, I는

와 같은 크기를 갖는 단위행렬이고,

는 단일 시스템에서의 리야프노프 방정식의 해이며,

는 가중 행렬을 나타내며, 위 첨자 T는 행렬의 전치를 나타낸다. 상기 식(3)과 같은 단일 시스템의 해를 얻기 위해서 단일 리야프노프 함수의 시간 변화율을 전개하면 다음의 식(7)과 같이 정의된다.

(7)

상기 식(7)에서 구조물의 제어에 영향을 미치는 감쇠기의 구동과 관련한 전력의 영향을 받는 항은 제어력 벡터 f가 포함되어 있는 가운데의 항으로만 한정되므로

를 최소화하는 제어 법칙, 즉 리야프노프 안정성 이론에 의해서 다음의 식(8)과 단순화되어 정의된다.

(8)

여기서, H는 가중계단함수(Heaviside step function)이고, 첨자 i는 다수의 감쇠기를 활용하는 경우 감쇠기의 수를 고려하기 위한 표현이며,

는 현 단계에서 각 감쇠기에 입력되어야 할 제어 전력을 나타내고,

는 이전 단계에서 발생된 i번째 감쇠기의 제어력이며, V_max는 현 단계에서 감쇠기의 제약 조건에 따라 감쇠기에 유입되어야 할 최대 전력을 나타낸다. 이와 같은 지능형 감쇠기의 제어 법칙을 적용하는 방법이 기존의 리야프노프 안정성 이론에 근거한 제어 알고리즘이다.

단일 Clipped - Optimal 알고리즘의 개발

기존의 Clipped Optimal 알고리즘은 MR 감쇠기와 같은 준능동형 감쇠기 혹은 능동형 감쇠기의 가속도 귀환에 근거한 제어 전략이다. Clipped-Optimal 감쇠기에서의 접근 방법은 각기 감쇠기에서 발생하는 n개의 힘 귀환루프를 첨가하여 i번째 감쇠기의 요구되는 제어력을 f_ai로 표현하고, 측정된 구조물의 응답 벡터 y와 측정된 제어력 벡터 f에 근거한 요구되는 제어력 벡터 f_d = [f_d1 f_d2 ... f_d]´ 를 계산하기 위해 다음의 식(9)와 같은 선형 최적 감쇠기(G_d(s))를 구성하는 제어 방법이다.

(9)

감쇠기의 응답이 감쇠기가 설치된 위치에서의 상대적인 변위와 속도에 종속되기 때문에 감쇠기에 의해 발생된 힘이 직접적으로 명령될 수 없고, 다만 i번째 감쇠기의 전류공급장치(전류 드라이버,Current driver)에 작용된 전압값

만을 직접적으로 제어할 수 있게 된다. 요구되는 최적 제어력 f_ai를 발생시키기 위한 감쇠기를 유도하기 위해서 명령 신호

는 측정된 힘과 요구되는 힘을 비교하여 결정된다. 즉, 측정된 힘

가 요구되는 제어력 f_ai보다 크기가 작을 때에는 감쇠기를 구동하는 회로의 전압 명령 신호를 최대 수준(

=V_max)으로 설정하여 제어력의 크기를 증가시키는 방법으로 다음의 식(10)과 같은 형태의 제어 법칙이 적용된다.

(10)

여기서, H는 가중계단함수(Heaviside step function)이다.

단일 시스템에서 Clipped Optimal 알고리즘에 의한 선형 최적 감쇠기를 설계하기 위한 성능 지표는 상태 변수에 대한 2차 함수로 다음의 식(11)과 같이 표현된다.

(11)

여기서, Q와 r은 각각 상태 변수와 제어력에 관계되는 가중치로 상대적인 중요도에 의해 크기가 결정된다. 이때, H₂/LQG법에 근거한 감쇠기는 단일 시스템에서 다음의 식(12)와 같이 구성된다.

(12)

여기서, G는 다음의 식(13)에 주어지는 상태 귀환 제어 이득이다.

(13)

여기서, P는 대수 리카티 방정식(Algebraic Riccati Equation)의 해로 다음의 식(14)와 같이 얻을 수 있고, L은 다음의 식(15)와 같다.

(14)

(15)

상기 식(15)에서 S는 다음의 식(16)의 대수 리카티 방정식의 해이다.

(16)

상기 단일 Clipped Optimal 알고리즘에 의한 감쇠기를 설계하기 위한 대수 리카티 방정식의 해와 상태 귀환 제어 이득을 산출하기 위하여 MATLAB의 Control Toolbox를 활용하였다.

한편, 본 발명자는 상기와 같이 개발된 단일 제어 알고리즘에 의한 교량 구조물의 구조적 성능 개선 효과를 평가하기 위하여 거더형 단순 교량을 이용한 진동 제어 실험을 수행하였다.

이 실험에서 가속도와 변위 등에 관계된 다양한 평가지표에 의해 제어 성능을 분석하였고, 기존의 수동형 제어 시스템과 비제어시 구조물의 진동 응답을 상호 비교 분석하여 개발된 지능형 감쇠 제어 알고리즘의 타당성을 입증하였다.

진동 제어 실험을 위해서 첨부한 도 9에 나타낸 실험장치를 이용하였으며, 감쇠기로는 본 발명에서 개시하고 있는 압착식 지능형 MR 감쇠기(100)를 사용하였다.

적용 대상 구조물은 도 9에 나타낸 바와 같은 단순 교량으로, 실험 구조물(11b)은 거더교의 일반적인 제원을 축소 규모화하여 제작하였고, 모형 교량의 총 길이는 3m로 단일 경간이며, 교폭은 0.2m이다.

구조물의 총 질량은 9.09kg(3.03kg/m)이고, 강성은 56.4kN/m이다.

제어 대상 구조물은 EL Centro 지진파의 최대 가속도가 0.7m/sec²으로 규모화된 지반 진동을 이용하여 가진하였다.

지반 가진은 VTS 600의 가진기(25)를 이용하여 교량 단부의 0.5m 지점에서 입력되었고, 감쇠기(100)의 배치는 교량의 중앙부에서 수직방향으로 부착하였다.

제어 알고리즘의 됨먹임 신호(feedback signal)로는 교량의 4등분 지점에 설치된 3개의 가속도계(21a)에서 획득된 구조물의 가속도 응답과 압착식 지능형 MR 감쇠기(100)에 부착된 힘 센서(force sensor)(21b)로부터 획득한 제어력을 이용하였다.

각 층의 절대 가속도와 감쇠기(100)의 제어력은 Dytran 모델 3134D와 1051V5를 이용하여 계측하였으며, 이들은 각각 500mV/G와 5.14mV/lbf의 민감도를 갖는다.

압착식 지능형 MR 감쇠기(100)에 DC 전류를 공급하기 위해서 듀티 사이클(Duty cycle)이 100%인 경우 5V의 DC 전류와 0%인 경우 0V의 DC 전류를 발생할 수 있는 LORD 사의 RD-3002-03 전류 드라이버(전류공급장치)(24)를 사용하였다.

제어 알고리즘은 먼저 MATLAB의 SIMULINK를 활용하여 제어 블록을 작성하고(The Math Works, 1997), 이를 실시간 디지털 프로세싱이 가능한 dSpace 시스템에 탑재하여 제어 시스템을 구성하였다.

본 제어 알고리즘의 제어 성능을 비교 분석하기 위해서 기본 구조물에 대해 수행한 구조물의 응답과 압착식 지능형 감쇠기를 배치하고, 제어 입력을 0V로 선택한 Passive Off의 경우와 제어 입력을 실험의 시작부터 종료 시점까지 최대 전력으로 선택한 Passive On 시스템의 경우에 대한 제어 실험을 추가로 진행하여 각각의 제어 성능을 비교 분석하였다.

단일 제어 알고리즘에 의한 모형 교량 구조물의 제어 실험을 통해 획득한 대표적인 구조물의 가속도 응답을 도 10과 도 11에 나타내었다.

결과를 보면, ULA(단일 리야프노프 알고리즘)와 UCA(단일 클립트 최적 알고리즘)에 의한 최대 가속도 제어 효과가 탁월하게 나타나며, Passive On system의 경우 초기의 강진과 MR Damper의 강성이 합쳐지면서 순간적으로 과도한 비탄성 응답(over shot)을 나타내는 현상을 특성을 보이고 있다.

본 발명자에 의해 제안된 단일 알고리즘의 제어성능 평가는 사장교의 지진 응답 제어를 위한 벤치마크 문제에서 활용되었던 성능평가 기준을 적용하였다[S. J. Dyke, J. M. Caicedo, G. Turan, L. A. Bergman and S. Hague (2003) Phase I Benchmark Control Problem for Seismic Response of Cable-Stayed Bridges, Journal of Structural Engineering, Vol.129, No. 7, pp.857-872.].

첫 번째 평가 기준은 다음의 식(17)과 같이 정규화된 최대 상대 변위를 이용하였다.

(17)

여기서, x_i(t)는 전체 응답에 대해 i-th 층의 상대 변위이고, x^max는 비제어 구조물의 최대 변위 응답이다.

두 번째는 다음의 식(18)과 같이 각 층의 최대 절대 가속도를 평가 기준으로 하였다.

(18)

여기서,

는 i-th 층의 절대 가속도이고,

는 비제어시 최대 절대 가속도이다.

마지막으로는 제어기의 작동에 요구되는 제어 전력량을 다음의 식(19)와 같이 비교하였다.

(19)

여기서, V_on(t)는 Passive On system에서 전력이 가해지는 샘플 수이며, V_i(t)는 제어 알고리즘에 의해 MR 감쇠기를 작동시키기 위해 소모된 전력의 샘플 수이다.

Passive Off 시스템은 0이고, Passive On시스템은 1로 최대가 된다.

이상의 평가 기준들(식(17)~식 (19))에 대한 비제어시의 응답에 대한 실험 결과는 하기 표 2와 같다.

여기서, *표시는 구조물의 최대 응답이 오히려 증가하는 값을 나타낸다.

ULAlg는 단일 Lyapunov 알고리즘을 명명하며, UCAlg는 단일 Clipped-Optimal 알고리즘을 나타낸다.

Passive Off system은 절대 최대 가속도 응답이 1.6367m/sec²으로 나타났으며, Passive On system은 2.1460 m/sec²으로 1.8760 m/sec²인 uncontrolled structure의 응답보다 증가되었다. 이는 초기에 강진이 시작될 때 MR 감쇠력의 강력한 제어력이 서로 상충하여 나타나는 현상으로 가속도 응답이 크게 증가하는 특성을 보이고 있다.

반면에 ULAlg와 UCAlg는 초기의 강진에 대해 교량의 상부구조에 유입되는 과도한 에너지를 완만하게 분산시킴으로써 각각 1.5265m/sec²와 1.4840m/sec²으로 감소하였으며, 교량의 중앙부에서는 0.7160 m/sec²과 0.8327 m/sec²로 큰 제어 효과를 발휘하였다.

절대 최대 변위 응답에 대해서는 단일 제어 알고리즘에 의한 제어의 효과가 수동형의 제어 시스템과 비교하여 훨씬 우수하게 나타났다. Passive On system은 가속도 제어 효과와는 다른 양상으로 변위의 제어에는 비교적 효과가 있는 것으로 나타났으며, 효과는 41.5 ~ 64.4%로 나타났다. UlAlg는 위치별로 48.8~67.3%의 변위 제어 효과를 나타내었으며, UCAlg는 51.5 ~ 68.9%의 변위 제어로 가장 우수하게 나타났다.

마지막으로 제어에 소요되는 전력의 유입량은 Passive On system인 경우는 가진의 시작과 함께 최대 전력을 유지하므로 100%로 보고, 단일 제어 알고리즘의 실험 결과와 상호 비교하였다. ULAlg의 경우 제어의 시작에서 끝까지인 총 샘플 수 2131중 1530으로 28.2%의 전력 감소 효과를 보였으며, UCAlg의 경우는 1557 샘플 수로 27.0%의 전력 이득을 볼 수 있었다. 이는 대형 자연 재해가 발생할 경우 외부에서 안정적인 전력의 수급이 문제가 되므로, 실제 구조물의 제어에 활용하게 될 경우 독립된 전원을 활용하여야만 하며, 소모 전력의 감소는 상당한 장점을 제공하게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 압착식 지능형 MR 감쇠기를 도시한 사시도,

도 2는 본 발명에 따른 압착식 지능형 MR 감쇠기의 내부구성을 보여주는 단면도,

도 3a 내지 도 3b는 본 발명에 따른 압착식 지능형 MR 감쇠기의 적용예를 나타낸 예시도,

도 4는 본 발명에 따른 압착식 지능형 MR 감쇠기에 대한 성능 실험장치의 구성도,

도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 대한 실험 결과로서 2Hz의 사인파 하중 하에서 측정된 힘-변위 이력 곡선,

도 6은 본 발명에 대한 실험 결과로서 피스톤의 최대 속도와 MR 감쇠기에서 발생되는 힘과의 관계를 나타내는 도면,

도 7은 본 발명에 대한 실험 결과로서 입력 전류와 발생되는 최대 제어력의 관계를 나타내는 도면,

도 8은 본 발명에 따른 진동 제어 시스템의 구성도,

도 9는 본 발명에 따른 진동 제어 시스템의 제어 알고리즘에 대한 진동 제어 실험장치의 구성도,

도 10과 도 11은 도 9의 실험장치를 이용하여 단일 제어 알고리즘에 의한 모형 교량 구조물의 제어 실험을 통해 획득한 구조물의 가속도 응답을 나타내는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : MR 감쇠기 110 : 실린더

111 : 실린더 본체 112a, 112b : 커버

113 : 가이드 케이싱 114 : 유체실

114a : 전측실 114b : 후측실

115 : 실링부재 116 : 피스톤 로드

116c : 피스톤 117 : 실링부재

118a : 제1통로 118b : 제2통로

120 : 전자기부 121 : 자기실 케이싱

122 : 자기실 122a : 바이패스 오리피스

124 : 전자석 130 : MR 유체 보충부

131 : MR 유체 저장고 132a : 제1보충통로

132b : 제2보충통로 133a, 133b : 밸브수단

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 진동 제어 대상이 되는 구조물의 소정 위치에 분산 배치되어 구조물 응답을 계측하는 복수개의 계측기와;

   상기 각 계측기로부터 출력되는 아날로그 신호를 입력받아 디지털 신호로 변환하여 실시간 출력하는 실시간 신호처리기와;

   상기 실시간 신호처리기를 통해 입력되는 계측 신호를 입력으로 하는 소정의 제어 알고리즘을 수행하여 구조물 진동을 제어하기 위한 제어 신호를 출력하는 제어부와;

   상기 제어부에서 출력되어 상기 실시간 신호처리기에서 아날로그 신호로 변환된 제어 신호에 의해 전류 세기를 조절하여 공급하는 전류공급장치와;

   진동 제어 대상이 되는 구조물의 소정 위치에 분산 배치되어 상기 전류공급장치가 공급하는 전류 세기에 따라 구조물의 진동을 흡수하여 구조물에 감쇠력을 제공하는 복수개의 압착식 지능형 자기유변유체 감쇠기;

   를 포함하는 토목 구조물의 진동 제어 시스템에 있어서,

   상기 압착식 지능형 자기유변유체 감쇠기는,

   자기유변유체가 채워지는 유체실이 형성된 실린더와, 상기 실린더 내에서 왕복 이동하는 피스톤 로드와, 상기 자기유변유체에 자기장을 인가하기 위한 전자석을 포함하는 것으로서,

   상기 피스톤 로드가 상기 유체실을 관통한 상태에서 피스톤 로드에 형성된 피스톤이 유체실 내측면에 밀착된 상태로 왕복 이동 및 유체실을 전측실과 후측실로 구획하고, 자기실 케이싱 및 그 내부에 설치된 전자석을 포함하는 전자기부가 상기 실린더 외부에 독립적으로 설치되되, 상기 전자석과 자기실 케이싱 내측면 사이에 형성된 전자석 주변 공간인 바이패스 오리피스가 상기 전측실 및 후측실과 자기유변유체의 출입이 가능하도록 각각 통로수단으로 연결되어, 전자석이 인가하는 자기장에 의해 바이패스 오리피스 내 자기유변유체가 고정되면서 바이패스 오리피스와 전측실 및 후측실 사이의 유체 출입이 제한되는 동시에, 피스톤이 전측실과 후측실의 자기유변유체에 의해 각 방향 저항력을 받으면서 감쇠력을 발생시키도록 되고,

   상기 실린더 외부에는 유체실 내부로 자기유변유체를 보충해주는 자기유변유체 보충부가 구비되고, 상기 자기유변유체 보충부는, 실린더 외부에 설치되는 자기유변유체 저장고와, 상기 자기유변유체 저장고로부터 상기 전측실과 후측실에 유체 공급이 가능하도록 연결되는 제1 및 제2보충통로와, 상기 각 보충통로에서 자기유변유체의 역류를 방지하면서 전측실과 후측실 내 유체 압력이 설정압력 미만이 되면 유체가 보충될 수 있도록 개방되는 밸브수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 토목 구조물의 진동 제어 시스템.

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