KR101532562B1 - 무선 진동 센서를 이용한 구조물 실시간 피드백 진동 제어 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 별도의 전원선이나 신호선을 설치하지 않고도 구조물 진동 상태와 구조물 진동을 저감하기 위한 제진 장치의 구동 상태를 무선으로 취득할 수 있도록 하는 무선 진동 센서를 이용한 구조물 실시간 피드백 진동 제어 시스템에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명에 따른 무선 진동 센서를 이용한 구조물 실시간 피드백 진동 제어 시스템은 무선 통신 모듈을 구비하고 있으며 구조물의 진동을 감지하도록 설치된 구조물 진동 감지 센서; 구조물에 설치되어 구조물의 진동을 상쇄하는 진동을 부가하는 제진 장치; 제진 장치에 설치되어 제진 장치의 구동 상태를 감지하는 제진 진동 감지 센서; 구조물 진동 감지 센서와 제진 진동 감지 센서의 감지 결과를 무선으로 전송받아 구조물의 진동 상태와 제진 장치의 구동 상태를 분석하고, 제진 상태의 구동 상태 및 구조물의 진동 상태를 기초로 제진 장치의 구동을 적응적으로 제어하는 컨트롤러를 포함한다.
이를 위한 본 발명에 따른 무선 진동 센서를 이용한 구조물 실시간 피드백 진동 제어 시스템은 무선 통신 모듈을 구비하고 있으며 구조물의 진동을 감지하도록 설치된 구조물 진동 감지 센서; 구조물에 설치되어 구조물의 진동을 상쇄하는 진동을 부가하는 제진 장치; 제진 장치에 설치되어 제진 장치의 구동 상태를 감지하는 제진 진동 감지 센서; 구조물 진동 감지 센서와 제진 진동 감지 센서의 감지 결과를 무선으로 전송받아 구조물의 진동 상태와 제진 장치의 구동 상태를 분석하고, 제진 상태의 구동 상태 및 구조물의 진동 상태를 기초로 제진 장치의 구동을 적응적으로 제어하는 컨트롤러를 포함한다.
Description
본 발명은 구조물 진동 제어 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 구조물의 진동 또는 제진 장치의 진동 상태를 무선 신호로 획득하고, 이를 기초로 구조물의 진동을 상쇄하거나 제진 장치의 제어 파라미터를 교정함으로써 구조물의 진동 저감을 효과적으로 할 수 있는 무선 진동 센서를 이용한 구조물 실시간 피드백 진동 제어 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 빌딩 등의 건설구조물은 외력에 노출되어 있고, 경우에 따라서는 강풍이나 지진 등의 재해와 같이 예상치 못한 돌발 상황에 직면할 수 있기 때문에 구조물의 안전성 개선을 위해 돌발 상황에 대응할 수 있도록 설계 되어야 한다.
또한, 구조물의 건전도를 신속하게 진단하기 위해서는 구조물에 대한 응답 특성을 신속 및 정확하게 획득하고, 구조물 자체의 결함이 없다는 가정하에서 외력(하중, 진동 등)에 의해 발생할 수 있는 위험에 대응하기 위하여 에너지 흡수장치, 매스 댐퍼(mass damper) 등과 같은 제진장치를 적용하고 있다.
즉, 구조물을 안전하게 유지 관리하기 위해서는 구조물의 응답 특성을 획득하는 기술과 외력 저감 기술이 중요하다.
종래에는 구조물의 응답 특성을 획득하기 위해서 유선 기반의 계측시스템 이 적용되고 있다.
그런데, 유선 기반의 계측 시스템은 각 센서마다 신호선을 연결해야 하므로, 신호선이 길어짐에 따라 계측 신호의 잡음 (Noise)을 개선하기 위한 대책이 요구되는 단점이 있다.
또한, 원활한 시스템 구동을 위해서 전원선을 연결하거나 별도의 배터리를 내장해야 하므로, 전원선 연결을 위한 배선의 문제점이나 수명이 한정된 배터리 사용에 따른 주기적인 배터리 교체 등의 문제가 발생하여 무선 센서를 기반으로 한 진동 검출 시스템의 개발이 요구되고 있다.
한편, 에너지 흡수장치 또는 매스 댐퍼 등의 제진장치는 대상 구조물에 임의의 외력에 의해 발생하는 진동의 반대 방향으로 진동을 부가함으로써, 구조물에 발생할 진동을 상쇄시키는 것으로서, 패시브형(passive type), 액티브형(active type) 등으로 구분할 수 있다.
패시브형(passive type) 제진장치는 시스템 설치 비용은 상대적으로 저렴하나 설치 후 성능 범위 한계를 벗어나 장치에 손상이 가해진 경우 시스템의 일부 혹은 전체의 교체 또는 수리가 필요하며, 다양한 하중조건에 충분히 대응하기 어려운 단점이 있다.
액티브형(active type) 제진장치는 제어력 기여 방식에 따라 반능동식 (Semi-active)방법과 완전능동식 (Active) 방법으로 구분된다. 대표적인 반능동식 방법으로는 최근 MRFD (Magneto-Rheological Fluid Damper)를 활용한 제어 시스템, 완전 능동식 방법으로는 AMD (Active Mass Damper)를 활용한 제어 시스템의 연구가 활발히 진행되고 있다.
도 1은 종래의 능동형 제진장치를 개념적으로 도시한 것으로, 이러한 능동형 제진 장치는 스프링(k)과 댐퍼(c)로 지지된 제진 대상 구조물에 고정 설치되는 고정 질량체(M)를 액츄에이터(Actuator)로 연결하고, 고정 질량체(M)에 구조물의 진동을 감지하는 진동 감지 센서(S)를 설치하여 구조물의 진동을 감지하고, 감지되는 진동에 따라 컨트롤러(C)가 각 액츄에이터(A)의 구동을 제어함으로써 진동을 감쇄시키고 있다.
그러나, 이러한 종래 기술의 제진 장치는 구조물의 진동에 대응하는 감쇄 진동은 부여할 수 있으나, 제진 장치의 응답 특성이나 성능 변화 또는 오작동 여부는 알 수 없는 단점이 있다.
즉, 구조물의 진동에 대응하는 정확한 감쇄 진동을 부여하는지 여부를 확인할 수 없어 신뢰도가 떨어지며 제진 장치의 성능 변화나 고장에 의한 오작동이 발생하는 경우 정확한 진동 제어가 이루어지지 못하여 안정성이 저해되는 단점이 있다.
배경기술의 단점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은 별도의 전원선이나 신호선을 설치하지 않고도 구조물 진동 상태와 구조물 진동을 저감하기 위한 제진 장치의 구동 상태를 무선으로 취득할 수 있도록 하는 무선 진동 센서를 이용한 구조물 실시간 피드백 진동 제어 시스템을 제공함에 있다.
또한, 본 발명은 구조물의 진동 상태뿐만 아니라 제진 장치의 응답 특성 정보를 무선으로 취득하여 제진 장치가 정상적으로 동작하고 있는지를 감시할 수 있는 무선 진동 센서를 이용한 구조물 실시간 피드백 진동 제어 시스템을 제공함에 있다.
과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 무선 진동 센서를 이용한 구조물 실시간 피드백 진동 제어 시스템은 무선 통신 모듈을 구비하고 있으며 구조물의 진동을 감지하도록 설치된 구조물 진동 감지 센서; 구조물에 설치되어 구조물의 진동을 상쇄하는 진동을 부가하는 제진 장치; 제진 장치에 설치되어 제진 장치의 구동 상태를 감지하는 제진 진동 감지 센서; 구조물 진동 감지 센서와 제진 진동 감지 센서의 감지 결과를 무선으로 전송받아 구조물의 진동 상태와 제진 장치의 구동 상태를 분석하고, 제진 상태의 구동 상태 및 구조물의 진동 상태를 기초로 제진 장치의 구동을 적응적으로 제어하는 컨트롤러를 포함한다.
여기서, 제진 장치는 구조물에 고정 설치되는 고정 질량체와, 고정 질량체의 일면 상에 설치되어 직선 운동하는 이동 질량체와, 이동 질량체를 고정 질량체 상에서 직선 운동시키는 구동 장치와, 이동 질량체에 설치되는 제진 진동 감지 센서와, 이동 질량체의 일면에 일단부가 수직하게 고정 설치되는 메탈 플레이트와, 메탈 플레이트의 양면에 설치되는 압전층과 메탈 플레이트의 타단부에 설치되어 하중을 부여하는 질량 부가체로 이루어지는 전기 에너지 생성 장치 및 메탈 플레이트의 진동에 의해 압전층에서 생성되는 전기 에너지를 충전하는 충전 장치를 포함할 수 있다.
또한, 컨트롤러는 구조물 진동 감지 센서로부터의 전송된 감지 결과를 기초로 감지된 진동을 상쇄하는 반대 진동을 부여하기 위한 제진 장치의 제어 파라미터를 추출하고, 추출된 제어 파라미터에 따라 제진 장치의 구동을 제어하며, 구조물 진동 감지 센서로부터 전송되는 진동 패턴이 목표 진동 패턴이 될 때까지 제진 장치의 구동을 적응적으로 제어하할 수 있다.
또한, 컨트롤러는 구조물의 진동 패턴 정보와 구조물 진동 패턴 정보에 대응되는 제진 장치의 제어 파라미터를 기억하고, 구조물 진동 감지 센서로부터의 전송된 감지 결과를 기초로 진동 패턴과 그에 대응되는 제진 장치의 제어 파라미터를 추출하고, 추출된 제어 파라미터에 따라 제진 장치의 구동을 제어할 수 있다.
또한, 컨트롤러는 제진 장치의 구동 제어 신호에 대응되는 목표 응답 특성 정보를 기억하고, 제진 장치 구동 후의 응답 특성이 목표 응답 특성과 다를 경우 오작동이나 응답 특성 변화가 발생한 것으로 판단하고, 제진 장치의 진동 응답 특성이 목표 응답 특성에 수렴하도록 제진 장치의 제어 파라미터를 교정하거나 이상 상태를 외부로 알릴 수 있다.
또한, 복수 개의 제진 장치가 서로 다른 높이에 설치되고, 컨트롤러는 구조물 진동 감지센서의 감지신호에 기초하여 구조물의 진동 주파수를 산출하고, 미리 설정된 기준에 따라 진동 주파수에 대한 제진 효율이 가장 높은 제진 장치를 구동할 수 있다.
이때, 복수 개의 제진 장치는 구조물 진동의 지배모드에 해당하는 주파수의 개수만큼 설치되고, 각 제진장치는 각 지배모드 주파수에 대하여 제진 효율이 가장 높은 위치에 각각 설치될 수 있다.
본 발명은 별도의 전원선이나 신호선을 설치하지 않도록 구조물의 진동 상태나 제진 장치의 구동 상태를 취득할 수 있어 신호선이나 전원선 설치에 따른계측 신호의 잡음 (Noise)을 감소시켜 측정 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 제진 장치가 정상적으로 동작하고 있는지를 실시간으로 감시하고, 감시 결과에 따라 제진 장치의 제어 파라미터를 실시간으로 교정함으로써 진동 저가 신뢰성을 향상시켜 안전성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 제진 장치에 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 압전 장치와 압전 장치에서 생성된 전기 에너지를 충전하고 충전 전원을 제진 장치나 센서에 전원으로 공급함으로써, 별도의 전원선 연결을 필요로 하지 않고 배터리를 자주 교체해야 하는 문제를 개선할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래의 능동형 제진장치를 개념적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 무선 진동 센서를 이용한 구조물 실시간 피드백 진동 제어 시스템 구성도.
도 3은 도 2의 제진 장치의 제 1 실시예를 나타낸 구성도.
도 4는 도 2의 제진 장치의 제 2 실시예를 나타낸 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 제진 장치의 진동 감쇄 방법 예시도.
도 6은 본 발명에 따른 진동 감지 센서 및 제진 장치의 설치 예시도.
도 7은 도 6을 개념적으로 도시한 도면.
도 8은 본 발명에 따른 구조물 진동 시험 결과 각 층별 가속도 응답 시간 이력을 나타낸 파형.
도 9는 본 발명에 따른 구조물 진동 시험 결과 각 층별 스펙트럼 분석 결과.
도 10 내지 도 12는 본 발명에 따른 구조물 진동 시험 결과를 나타낸 응답 파형.
도 2는 본 발명에 따른 무선 진동 센서를 이용한 구조물 실시간 피드백 진동 제어 시스템 구성도.
도 3은 도 2의 제진 장치의 제 1 실시예를 나타낸 구성도.
도 4는 도 2의 제진 장치의 제 2 실시예를 나타낸 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 제진 장치의 진동 감쇄 방법 예시도.
도 6은 본 발명에 따른 진동 감지 센서 및 제진 장치의 설치 예시도.
도 7은 도 6을 개념적으로 도시한 도면.
도 8은 본 발명에 따른 구조물 진동 시험 결과 각 층별 가속도 응답 시간 이력을 나타낸 파형.
도 9는 본 발명에 따른 구조물 진동 시험 결과 각 층별 스펙트럼 분석 결과.
도 10 내지 도 12는 본 발명에 따른 구조물 진동 시험 결과를 나타낸 응답 파형.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 무선 진동 센서를 이용한 구조물 실시간 피드백 진동 제어 시스템 구성도이고, 도 3은 도 2의 제진 장치의 제 1 실시예를 나타낸 구성도이다.
도 2 내지 도 3을 참조하면, 본 발명은 구조물 진동 감지 센서(1), 제진 장치(2), 제진 진동 감지 센서(3), 컨트롤러(4) 및 관리 서버(5)를 포함한다.
여기서, 구조물 진동 감지 센서(1)는 구조물의 진동 상태를 감지하기 위한 것으로서, 진동 감지 결과를 컨트롤러(4)에 전송하기 위한 무선 통신 모듈을 구비하고 있다. 그리고, 구조물 진동 감지 센서(1)는 MEMS 타입의 가속도 센서가 이용될 수 있으나 여기에 한정되지는 않는다.
제진 장치(2)는 고정 질량체(21), 이동 질량체(22), 구동 장치(23), 전기 에너지 생성 장치(24) 및 충전 장치(미도시함)를 포함한다.
여기서, 고정 질량체(21)는 제진 장치(2)를 구조물에 고정시키기 위한 것으로서, 볼트 등을 통해 구조물의 벽체에 설치된다.
이동 질량체(22)는 고정 질량체(21) 상에서 직선 운동을 통해 구조물의 진동에 반대되는 진동을 부여하도록 설치된다.
구동 장치(23)는 이동 질량체를 직선 운동시키기 위한 것으로서, 서보 모터(231)와, 서보 모터(231)에 의해 전달되는 회전 운동에 따라 직선 운동하도록 고정 질량체(21)의 상부에 설치되는 LM 가이드 엑츄에이터를 포함한다. 이때, LM 가이드 엑츄에이터는 고정 질량체(21)의 상면 양측에 길이 방향으로 고정되는 LM가이드(232)와, 고정 질량체(21)의 전단과 후단에 고정되는 리어 블록(233)과 프론트 블록(234)의 중심부를 연결하며 서보 모터(231)가 그 후단에 연결되는 볼스크류(235)를 포함하고, 이동 질량체(22)는 볼스크류(235)의 회전에 따라 상기 LM가이드(232)를 타고 전후 방향으로 연동할 수 있도록 스크류 체결된다.
이러한 구성에 따라, 서보 모터(232)를 구동하면 서보 모터(232)의 회전 운동력이 볼스크류(235)에 전달되고, 볼스크류(235)가 이동체를 직선으로 운동시키면서 이동 질량체(22)가 진동하게 된다.
제진 진동 감지 센서(3)는 제진 장치(2)의 진동을 감지하기 위하여 이동 질량체(22) 상에 설치되는 것으로서, 진동 감지 결과를 컨트롤러(4)에 전송하기 위한 무선 통신 모듈을 구비하고 있으며, 구조물 진동 감지 센서(1)와 마찬가지로 MEMS 타입의 가속도 센서가 이용될 수 있다.
도 4는 도 2의 제진 장치의 제 2 실시예를 나타낸 구성도로서, 상술한 도 3의 제 1 실시예와 동일한 구성에 대한 설명은 생략하도록 한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제진 장치(2)는 전기 에너지 생성 장치(24)를 더 포함한다. 여기서, 전기 에너지 생성 장치(24)는 구조물 진동 또는 제진 장치의 진동에 따른 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 캔틸레버형 압전 발전기로서, 메탈 플레이트(241), 압전층(242), 질량 부가체(243), 충전 장치(미도시함)를 포함한다.
여기서, 메탈 플레이트(241)의 이동 질량체의 일면에 일단부가 수직하게 고정 설치되고, 압전층(242)은 메탈 플레이트의 양면에 설치되어 메탈 플레이트의 휨에 의한 진동 발생시 전기 에너지를 생성한다.
그리고, 메탈 플레이트(241)의 타단부에는 진동량을 부가하기 위한 질량 부가체(243)가 설치된다.
충전 장치(미도시함)는 압전층(242)에서 발생하는 전기에너지를 수집하여 저장하고, 제진 장치나 구조물 진동 감지 센서(1) 및 제진 진동 감지 센서(3)의 구동에 필요한 전원을 공급하는 역할을 한다.
아울러, 압전층(242)과 충전 장치(242) 사이에는 압전층(242)에서 발생하는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 전력 변환 회로 및 전원을 안정화시키기 위한 정류부 등의 회로 구성이 필요하나 이는 일반적으로 널리 알려진 기술이므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
본 발명의 제 2 실시예에서는 편의상 도 4에 도시된 바와 같이 전기 에너지 생성 장치(24)를 이동 질량체(22)에 설치한 것으로 설명하였으나, 전기 에너지 생성 장치(24)를 고정 질량체(21)에 설치하거나 구조물에 직접 설치하는 것으로 변형할 수 있다.
한편, 컨트롤러(4)는 구조물 진동 감지 센서(1), 제진 진동 감지 센서(3)의 감지 결과를 무선으로 전송받아 구조물의 진동 상태와 제진 장치(2)의 구동 상태를 분석한다. 그리고, 분석 결과 및 기 설정된 정보를 기초로 제진 장치의 구동을 적응적으로 제어하며, 각 센서로부터의 감지 결과와 제진 장치의 응답 특성 등을 분석한 후 이 결과를 관리 서버(5)로 무선 전송한다.
컨트롤러(4)의 기능을 이하에서 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
우선, 컨트롤러(4)는 구조물 진동 감지 센서(1)로부터 진동 감지 신호를 수신하면, 구조물에 가해진 진동 파형을 추출한다. 그리고, 추출된 진동 파형을 상쇄하는 반대 진동을 부여하기 위한 제어 파라미터를 추출한다. 예를 들어, 구조물 진동 감지 센서로 가속도 센서를 이용하는 경우 도 5의 실선으로 나타난 파형과 같은 진동 파형을 얻을 수 있다. 그러면, 컨트롤러(4)는 실선으로 나타난 실제 진동 파형을 상쇄하기 위하여 진동 파형에 대한 역(-) 방향의 진동 파형으로 제진 장치(2)가 구동되도록 제진 장치(2)의 서보 모터(231)를 구동시킨다. 즉, 실선으로 나타난 진동 파형과 동일한 주파수 및 동일한 진폭 및 반대 위상을 갖는 점선으로 나타낸 진동 파형 신호로 제진 장치(2)를 구동한다.
아울러, 컨트롤러(4)는 진동 파형에 대한 역(-) 방향 신호로 제진 장치(2)를 구동하면서, 구조물 진동 감지 센서(1)로부터 진동 감지 신호를 주기적으로 전송받아 구조물의 진동이 목표 진동 패턴이 될 때까지, 즉 구조물의 진동이 안전 범위에 도달할 때 까지 제진 장치(2)의 구동을 적응적으로 제어한다.
또한, 컨트롤러(4)는 구조물의 진동 패턴에 대한 이력 정보와 진동 패턴의 이력에 대응되는 제진 장치(2)의 제어 파라미터를 기억하고, 감지된 진동 패턴이 기 설정된 이력 정보에 대응될 경우에는 제진 장치(2)의 제어 파라미터를 별도로 산출하지 않고 기억된 제어 파라미터에 따라 제진 장치를 제어할 수 있다.
즉, 구조물은 외부에서 가해지는 외력의 크기나 방향이 동일할 경우에는 동일한 진동 패턴을 가질 수 있다.
따라서, 구조물의 진동 패턴과 해당 진동 패턴을 상쇄하기 위한 제진 장치의 제어 파라미터를 미리 기억해두고, 구조물 진동 감지 센서(1)로부터의 전송된 진동 패턴을 미리 기억된 진동 패턴과 매칭시켜 동일 또는 유사한 진동 패턴이 있을 경우 그에 대응되는 제진 장치의 제어 파라미터에 따라 제진 장치(2)를 구동시키면 구조물 진동에 대응하는 제진 장치(2) 제어 파라미터를 산출에 소요되는 시간을 단축시켜 구조물의 진동을 신속하게 제거할 수 있는 이점이 있다.
아울러, 컨트롤러(4)는 제진 장치의 구동 제어 신호에 대응되는 목표 응답 특성 정보를 기억하고, 제진 장치 구동 후의 응답 특성이 목표 응답 특성과 다를 경우 오작동이나 응답 특성 변화가 발생한 것으로 판단하고, 제진 장치의 제어 파라미터를 교정하거나 이상 상태를 외부로 알린다.
즉, 제진 장치(2)가 고장 등에 의해 정상적으로 작동하지 않거나 사용 피로도에 의해 제진 성능이 저하될 경우에 미리 설정한 목표 제진 특성을 얻을 수 없게 되어, 제진 성능이 저하됨에 따른 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 제진 장치(2) 구동 제어 파라미터에 대응되는 응답 특성 즉, 제진 장치(2)의 목표 진동 특성을 미리 설정하고, 제진 진동 감지 센서(3)로부터 감지된 제진 장치의 진동이 목표 진동 특성과 다를 경우에는 고장에 의한 오작동 또는 성능 미달인 것으로 판단하여 외부로 이상 상태를 알림과 동시에 제진 장치(2)의 진동 특성이 목표 진동에 수렴되도록 제진 장치(2) 구동 제어 파라미터를 교정함으로써, 원하는 진동 특성을 얻도록 하는 것이다.
한편, 도 6은 본 발명에 따른 제진 장치를 다수 설치한 예시도이고, 도 7은 도 6을 개념적으로 도시한 도면으로서, 본 발명은 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 구조물에 제진 장치(2) 및 제진 진동 감지 센서(3)를 구조물 진동의 지배모드에 해당하는 주파수의 개수만큼 설치한다.
즉, 구조물의 경우 구조물 자체의 고유 진동에 따른 복수의 지배 모드를 갖고 있고, 제진 장치(2)는 설치 위치 및 제어 파라미터에 따라 지배 모드에 대응되는 제진 효율이 달라지게 된다.
따라서, 본 발명은 제진 장치(2)를 각 지배 모드에 대응하여 가장 제진 효율이 높은 서로 다른 위치에 설치하고, 각 각 지배 모드에 대응되는 진동 저감 효율에 최적화된 제어 파라미터를 미리 설정한다.
그리고, 구조물 진동 감지 센서(1)에서 감지된 신호에 대응되는 구조물의 진동 주파수를 산출하고, 산출된 진동 주파수에 대한 제진 효율이 가장 높은 제진 장치(2)를 제어 파라미터에 따라 구동시킴으로써 제진 효율을 최적화 할 수 있다.
예를 들어, 3개의 지배 모드를 갖는 구조물의 경우 제 1 지배 모드(공진 주파수)에 대한 제진 효율이 가장 높은 제 1 제진 장치(2a)를 최하층에 설치하고, 제 2 지배 모드(공진 주파수)에 대한 제진 효율이 가장 높은 제 2 제진 장치(2b)를 중앙 높이에 설치하며, 제 3 지배 모드(공진 주파수)에 대한 제진 효율이 가장 높은 제 3 제진 장치(2c)를 최상부에 설치한다.
그리고 나서, 구조물 진동 감지 센서(1)에서 감지된 진동의 주파수를 산출하고, 산출된 구조물 진동 성분에 대한 제진 효율이 가장 높은 제진 장치를 추출한다.
일예로, 구조물의 진동 성분이 제 2 지배 모드(공진 주파수)일 경우에 제 1 제진 장치(2a)와 제 3 제진 장치(2c)는 동작시키지 않고, 제 2 지배 모드에 가장 제진 효율이 높은 제 2 제진 장치(2b)만을 미리 설정한 제어 파라미터에 따라 구동시킴으로써 구조물의 제진 효율을 높일 수 있다.
또는, 본 발명은 각 제진 장치의 설치 위치마다 복수의 지배 모드별 최적화된 파라미터를 설정하고, 구조물 진동 감지 센서로부터 감지된 진동 주파수에 따라 각 제진 장치를 각 지배 모드별로 설정된 제어 파라미터에 따라 모두 구동할 수도 있다.
아울러, 컨트롤러(4)는 제진 장치(2)의 제어 파라미터 설정 및 산출 시에 구조물의 진동 특성과 이동 질량체의 진동 특성뿐만 아니라 전기 에너지 생성 장치(24)에 따라 발생하는 진동 성분을 반영하는 것이 바람직하다.
한편, 본 출원인은 모형 구조물과 프로토 타입의 제진 장치를 설계하고 진동 시험을 수행하였으며 이에 대하여 이하에서 상세하게 설명하도록 한다.
우선, 본 출원인은 모형 구조물을 2개의 층을 갖도록 설계하고, 각 층에 제진 장치와 진동 감지 센서를 각각 설치한 상태에서 구조물 2층의 휨방향으로 해머 (Hammer)가진하였고, 구조물의 응답을 무선 가속도 센서인 진동 감지 센서를 이용하여 각 층별 가속도를 획득하였다. 여기서 각 층에 설치된 제진 장치의 몸체 질량이 약 1.8kg으로써, 모형 구조물의 각 층별 질량인 약 2kg에 육박하였다. 따라서 AMD 몸체 질량은 필연적으로 전체 모형 구조물의 거동에 상당한 영향을 미치게 되므로, 실험여건을 고려하여 제진장치의 질량을 고려한 상태에서 모달 시험을 수행하였다.
도 8은 본 발명에 따른 구조물 진동 시험 결과 각 층별 가속도 응답 시간 이력을 나타낸 파형이고, 도 9는 본 발명에 따른 구조물 진동 시험 결과 각 층별 스펙트럼 분석 결과로서, 여기서, AMD 몸체와 직접적으로 연결된 모터의 전원 및 엔코더 (Encoder) 케이블로 인한 구조물의 응답 간섭 및 감쇠효과는 무시하였다.
본 실험에서는 1층과 2층 모두 동일한 주파수에서 2자유도 구조물에 상응 하는 2개의 지배모드가 명확히 나타났으며, 정량적으로는 1 차 지배모드가 2.391Hz, 2차 지배모드가 6.347 Hz로 각각 규명되었다.
아울러, 본 실험에서 본 발명에 따른 제진 장치를 모형 구조물에 설치하고, 각 층별 실시간 피드백 진동제어 실험을 세 가지 시나리오로 수행하고, 각 층별 가속도 응답 시간 이력을 도 10 내지 도 12에 도시하였다. 도 10 내지 도 12에서 구조물에 가진시키고 제진 장치를 구동하지 않은 경우의 파형을 파란선으로 나타냈고, 제진 장치를 구동하지 않은 경우의 응답 파형을 붉은선으로 나타냈다.
도 10의 (a)는 1차 공진 주파수로 구조물을 가진하고 1층의 제진 장치만을 구동한 경우 2층에서의 응답 파형을 나타내고, 도 10의 (b)는 1차 공진 주파수로 구조물을 가진하고 1층의 제진 장치만을 구동한 경우 1층에서의 응답 파형을 나타낸 것이다.
도 10의 (c)는 1차 공진 주파수로 구조물을 가진하고 2층의 제진 장치만을 구동한 경우 2층에서의 응답 파형을 나타내고, 도 10의 (d)는 1차 공진 주파수로 구조물을 가진하고 2층의 제진 장치만을 구동한 경우 1층에서의 응답 파형을 나타낸 것이다.
즉, 1차 공진 주파수로 구조물을 가진한 경우 2층에서의 응답 특성이 1층에서의 응답 특성에 비하여 상대적으로 크게 나타난 것을 알 수 있다.
도 11의 (a)는 2차 공진 주파수로 구조물을 가진하고 1층의 제진 장치만을 구동한 경우 2층에서의 응답 파형을 나타내고, 도 11의 (b)는 2차 공진 주파수로 구조물을 가진하고 1층의 제진 장치만을 구동한 경우 1층에서의 응답 파형을 나타낸 것이다.
도 11의 (c)는 2차 공진 주파수로 구조물을 가진하고 2층의 제진 장치만을 구동한 경우 2층에서의 응답 파형을 나타내고, 도 11의 (d)는 2차 공진 주파수로 구조물을 가진하고 2층의 제진 장치만을 구동한 경우 1층에서의 응답 파형을 나타낸 것이다.
즉, 2차 공진 주파수로 구조물을 가진한 경우 1층에서의 응답 특성이 2층에서의 응답 특성에 비하여 상대적으로 크게 나타난 것을 알 수 있다.
도 12의 (a)는 El-centro 지진 파형으로 구조물을 가진하고, 1층의 제진 장치만을 구동한 경우 2층에서의 응답 파형을 나타내고, 도 12의 (b)는 El-centro 지진 파형으로 구조물을 가진하고 1층의 제진 장치만을 구동한 경우 1층에서의 응답 파형을 나타낸 것이다.
도 12의 (c)는 El-centro 지진 파형으로 구조물을 가진하고 2층의 제진 장치만을 구동한 경우 2층에서의 응답 파형을 나타내고, 도 12의 (d)는 El-centro 지진 파형으로 구조물을 가진하고 2층의 제진 장치만을 구동한 경우 1층에서의 응답 파형을 나타낸 것이다.
즉, El-centro 지진 파형으로 구조물을 가진하였을 때, 1층의 제진 장치만을 구동한 경우 또는 2층의 제진 장치만을 구동한 경우 응답 파형이 크게 차이가 없음을 알 수 있었고, 도 10 및 도 11에 비하여 제진 응답 특성이 우수한 것으로 나타났다.
표 1은 도 10 내지 도 12에서의 실험 결과에 따른 제어 응답 결과를 평가한 표로서, 비제어시 대비 실시간 제어응답의 절대최대 가속도 (J1) 및 RMS (Root Mean Square Value; 실효값) 가속 (J2)를 진동제어성능 평가지수로 사용하였다. 이때 절대최대 가속도 및 RMS 가속도는 아래의 수학식으로 표현된다.
[수학식 1]
여기서, 
는 비제어시의 최대 가속도 응답을, 
는 시간 단계별 가속도 응답이다.
[수학식 2]
여기서, 
는 비제어시의 RMS 가속도 응답을, 
는 시간 단계별 RMS 가속도 응답이다.
| EstimateResults Control Scenario |
Model Response | Control Index | Control Effect | ||||
| 최대 가속도(g) |
RMS 가속도(g) | (%) | (%) | 최대 가속도(g) | RMS 가속도(g) | ||
| Uncontrol (1차공진주파수) |
1층 응답 | 0.2186 | 0.115 | 100 | 100 | 0 | 0 |
| 2층 응답 | 0.3442 | 0.179 | 100 | 100 | 0 | 0 | |
| 1차공진주파수 (1층제진장치제어) |
1층 응답 | 0.1653 | 0.0858 | 75.61 | 74.6 | 24.39 | 25.4 |
| 2층 응답 | 0.2329 | 0.111 | 67.66 | 62.01 | 32.34 | 37.99 | |
| 1차공진주파수 (2층제진장치제어) |
1층 응답 | 0.1007 | 0.0476 | 46.07 | 41.39 | 53.93 | 58.61 |
| 2층 응답 | 0.1472 | 0.0755 | 42.76 | 42.17 | 57.27 | 57.83 | |
| Uncontrol (2차공진주파수) |
1층 응답 | 0.5213 | 0.2348 | 100 | 100 | 0 | 0 |
| 2층 응답 | 0.3996 | 0.181 | 100 | 100 | 0 | 0 | |
| 2차공진주파수 (1층제진장치제어) |
1층 응답 | 0.3098 | 0.1192 | 59.42 | 50.76 | 40.58 | 49.24 |
| 2층 응답 | 0.2186 | 0.0872 | 54.29 | 48.17 | 45.71 | 51.83 | |
| 2차공진주파수 (2층제진장치제어) |
1층 응답 | 0.3802 | 0.1391 | 72.94 | 59.24 | 27.06 | 40.76 |
| 2층 응답 | 0.2984 | 0.1094 | 74.32 | 60.44 | 25.68 | 39.56 | |
| Uncontrol (El-centro) |
1층 응답 | 0.4166 | 0.0965 | 100 | 100 | 0 | 0 |
| 2층 응답 | 0.576 | 0.1374 | 100 | 100 | 0 | 0 | |
| El-centro (1층제진장치제어) |
1층 응답 | 0.2158 | 0.0506 | 51.81 | 52.43 | 48.19 | 47.57 |
| 2층 응답 | 0.302 | 0.0688 | 52.43 | 50.07 | 47.57 | 49.93 | |
| El-centro (2층제진장치제어) |
1층 응답 | 0.1878 | 0.044 | 45.08 | 45.59 | 54.92 | 54.41 |
| 2층 응답 | 0.2889 | 0.0636 | 50.15 | 46.28 | 49.85 | 53.72 | |
표 1의 결과를 살펴보면, 1차 공진주파수로 구조물을 가진한 경우를 살펴보면, 비제어시 대비 1층 제진 장치 제어의 경우 1층 응답은 J1 및 J2가 약 75% (평균치) 정도로 나타나 이때의 제어효과는 약 25%를 보였고, 2층 응답은 J1 및 J2가 약 65% (평균치) 정도로 나타나 이때의 제어효과는 약 35% 정도를 보였다.
또한 비제어시 대비 2층 제진 장치 제어의 경우 1층 응답은 J1 및 J2가 약 44% (평균치) 정도로 나타나 이때의 제어효과는 약 56%를 보였고, 2층 응답은 J1 및 J2가 약 43% (평균치) 정도로 나타나 이때의 제어효과는 약 57% 정도를 보였다.
여기서 1차 공진주파수로 구조물을 가진한 경 우, 1층 제진 장치 제어시보다 2층 제진 장치 제어 시 제어효과가 1층의 경우 J1 및 J2가 약 56% 정도 향상되었고, 2층의 경우 J1 및 J2가 약 39% 정도 향상되었으며, 이상의 결과로부터 1차 공진 주파수에 의한 가진이 가해질 경우에는 제진 장치를 2층에 설치하는 것이 구조물의 1차 공진조건에 대비한 제어 대책으로 유리한 것으로 판단되었다.
다음으로 2차 공진주파수로 구조물을 가진한 경우를 비제어시 대비 1층 제진장치 제어의 경우 1층 응답은 J1 및 J2가 약 55% (평균치) 정도로 나타나 이때의 제어효과는 약 45%를 보였고, 2층 응답은 J1 및 J2가 약 51% (평균치) 정도로 나타나 이때의 제어효과는 약 49% 정도를 보였다.
또한 비제어시 대비 2층 제진 장치 제어의 경우 1층 응답은 J1 및 J2가 약 66% (평균치) 정도로 나타나 이때의 제어효과는 약 34%를 보였고, 2층 응답은 J1 및 J2가 약 67% (평균치) 정도로 나타나 이때의 제어효과는 약 33%를 보였다.
여기서 2차 공진주파수로 구조물을 가진한 경우, 2층 제진장치 제어시보다 1층 제진 장치 제어 시 제어효과가 1층의 경우 J1 및 J2가 약 24% 정도 향상되었고, 2층의 경우 J1 및 J2가 약 33% 정도 향상되었다. 이상의 결과로부터 2차 공진 주파수에 의한 가진이 가해질 경우에는 제진 장치를 1층에 설치하는 것이 구조물의 2차 공진조건에 대비한 제어대책으로 유리한 것으로 판단된다.
다음으로 El-centro 지진파 형태의 랜덤주파수로 구조물을 가진한 경우를 살펴보면, 비제어시 대비 1층 진동 장치 제어의 경우 1층 응답은 J1 및 J2가 약 52% (평균치) 정도로 나타나 이때의 제어효과는 약 48%를 보였고, 2층 응답은 J1 및 J2가 약 51% (평균치) 정도로 나타나 이때의 제어효과는 약 48% 정도를 보였다.
또한, 비제어시 대비 2층 진동 장치 제어의 경우 1층 응답은 J1 및 J2가 약 45% (평균치) 정도로 나타나 이때의 제어효과는 약 55%를 보였고, 2층 응답은 J1 및 J2가 약 48% (평균치) 정도로 나타나 이때의 제어효과는 약 52%를 보였다. 여기서 El-centro 지진파 형태의 랜덤주파수로 구조물을 가진한 경우, 1층 진동 장치 제어시보다 2층 진동 장치 제어 시 제어효과가 1층의 경우 J1 및 J2가 약 12% 정도 향상되었고, 2층의 경우 J1 및 J2가 약 6% 정도 향상되었다. 이상의 결과로부터 El-centro 지진파 형태의 랜덤주파수에 대해서는 2층 제진 장치를 구동했을 경우에 제진 효과가 높은 것으로 나타났으나 그 효과는 미미한 것으로 나타났다.
상술한 실험예에 따르면 제진 장치의 설치 위치에 따른 제진 효율은 공진 주파수별 즉, 지배 모드별로 차이가 있는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명은 지배 모드별 최적화된 제진 효율을 갖는 위치별로 제진 장치를 복수개 설치하고, 구조물에 가해지는 진동에 따라 적합한 제진 장치를 찾아 이를 구동함으로써 효과적으로 구조물의 진동을 저감시킬 수 있게 되는 것이다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
1 : 구조물 진동 감지 센서 2 : 제진 장치
21 : 고정 질량체 22 : 이동 질량체
23 : 구동 장치 24 : 전기 에너지 생성 장치
3 : 제진 진동 감지 센서 4 : 컨트롤러
5 : 관리 서버
21 : 고정 질량체 22 : 이동 질량체
23 : 구동 장치 24 : 전기 에너지 생성 장치
3 : 제진 진동 감지 센서 4 : 컨트롤러
5 : 관리 서버
Claims (7)
- 무선 통신 모듈을 구비하고 있으며 구조물의 진동을 감지하도록 설치된 구조물 진동 감지 센서;
상기 구조물의 서로 다른 높이에 설치되어 상기 구조물의 진동을 상쇄하는 진동을 부가하는 복수의 제진 장치;
상기 제진 장치에 설치되어 제진 장치의 구동 상태를 감지하는 제진 진동 감지 센서;
상기 구조물 진동 감지 센서와 상기 제진 진동 감지 센서의 감지 결과를 무선으로 전송받아 상기 구조물의 진동 상태와 상기 제진 장치의 구동 상태를 분석하고, 상기 제진 상태의 구동 상태 및 상기 구조물의 진동 상태를 기초로 상기 제진 장치의 구동을 적응적으로 제어하는 컨트롤러를 포함하되,
상기 컨트롤러는 상기 구조물 진동 감지센서의 감지신호에 기초하여 상기 구조물의 진동 주파수를 산출하고, 상기 복수의 제진 장치 중에서 미리 설정된 기준에 따라 상기 진동 주파수에 대한 제진 효율이 가장 높은 제진 장치를 구동하는 것을 특징으로 하는 무선 진동 센서를 이용한 구조물 실시간 피드백 진동 제어 시스템.
- 제 1항에 있어서,
상기 제진 장치는 구조물에 고정 설치되는 고정 질량체;
상기 고정 질량체의 일면 상에 설치되어 직선 운동하는 이동 질량체;
상기 이동 질량체를 상기 고정 질량체 상에서 직선 운동시키는 구동 장치;
상기 이동 질량체에 설치되는 상기 제진 진동 감지 센서;
상기 이동 질량체의 일면에 일단부가 수직하게 고정 설치되는 메탈 플레이트와, 상기 메탈 플레이트의 양면에 설치되는 압전층과 상기 메탈 플레이트의 타단부에 설치되어 하중을 부여하는 질량 부가체로 이루어지는 전기 에너지 생성 장치; 및
상기 메탈 플레이트의 진동에 의해 상기 압전층에서 생성되는 전기 에너지를 충전하는 충전 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 진동 센서를 이용한 구조물 실시간 피드백 진동 제어 시스템.
- 제 1항에 있어서,
상기 컨트롤러는
상기 구조물 진동 감지 센서로부터의 전송된 감지 결과를 기초로 감지된 진동을 상쇄하는 반대 진동을 부여하기 위한 제진 장치의 제어 파라미터를 추출하고,
상기 추출된 제어 파라미터에 따라 상기 제진 장치의 구동을 제어하며,
상기 구조물 진동 감지 센서로부터 전송되는 진동 패턴이 목표 진동 패턴이 될 때까지 제진 장치의 구동을 적응적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 진동 센서를 이용한 구조물 실시간 피드백 제어 시스템.
- 제 1항에 있어서,
상기 컨트롤러는
상기 구조물의 진동 패턴 정보와 상기 구조물 진동 패턴 정보에 대응되는 제진 장치의 제어 파라미터를 기억하고,
상기 구조물 진동 감지 센서로부터의 전송된 감지 결과를 기초로 진동 패턴과 그에 대응되는 제진 장치의 제어 파라미터를 추출하고,
상기 추출된 제어 파라미터에 따라 상기 제진 장치의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 진동 센서를 이용한 구조물 실시간 피드백 제어 시스템.
- 제 1항에 있어서,
상기 컨트롤러는
상기 제진 장치의 구동 제어 신호에 대응되는 목표 응답 특성 정보를 기억하고,
상기 제진 장치 구동 후의 응답 특성이 목표 응답 특성과 다를 경우 오작동이나 응답 특성 변화가 발생한 것으로 판단하고,
상기 제진 장치의 진동 응답 특성이 상기 목표 응답 특성에 수렴하도록 상기 제진 장치의 제어 파라미터를 교정하거나 이상 상태를 외부로 알리는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 무선 진동 센서를 이용한 구조물 실시간 피드백 진동 제어 시스템.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 복수 개의 제진 장치는 상기 구조물 진동의 지배모드에 해당하는 주파수의 개수만큼 설치되고, 각 제진장치는 각 지배모드 주파수에 대하여 제진 효율이 가장 높은 위치에 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 무선 진동 센서를 이용한 구조물 실시간 피드백 진동 제어 시스템.
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| KR20150023981A KR20150023981A (ko) | 2015-03-06 |
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