KR101561015B1 - Optimal vibration control system based Embedded Software Technology for maintenance of smart structure - Google Patents

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KR101561015B1 KR1020150017207A KR20150017207A KR101561015B1 KR 101561015 B1 KR101561015 B1 KR 101561015B1 KR 1020150017207 A KR1020150017207 A KR 1020150017207A KR 20150017207 A KR20150017207 A KR 20150017207A KR 101561015 B1 KR101561015 B1 KR 101561015B1
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smart structure
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허광희
전준용
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건양대학교산학협력단
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Abstract

The present invention relates to an EST-based optimal vibration control system for the maintenance of a smart structure and, more specifically, to an EST-based optimal vibration control system for the maintenance of a smart structure, capable of efficiently and rationally determining a position of sensors, included in the smart structure, through algorithm for the determination of an optimal sensor position by being embedded in an embedded software technology (EST) based measurement system; identifying behavior characteristics by using real time regular vibrations of the smart structure through algorithm for the analysis of a regular vibration response; being used for the basic formation of the smart structure through algorithm for the improvement of a finite element (FE) model; and performing active control according to a state of the smart structure through algorithm for the control of optimal vibrations.

Description

스마트 구조물의 유지 관리를 위한 EST 기반 최적 진동제어 시스템 {Optimal vibration control system based Embedded Software Technology for maintenance of smart structure}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an EST-based optimal vibration control system for maintenance of a smart structure,

본 발명은 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 EST 기반 최적 진동제어 시스템 에 관한 것으로서, EST(Embedded Software Technology) 기반의 계측 시스템에 임베디딩되어, 최적 센서위치 결정 알고리즘을 통한 스마트 구조물에 구비되어 있는 센서들의 위치를 합리적이고 효율적으로 결정하고 상시진동 응답 분석 알고리즘을 통한 스마트 구조물의 실시간 상시진동을 이용한 거동특성을 파악하며 FE(유한요소, Finite Element) 모델개선 알고리즘을 통한 스마트 구조물 기본 구성에 활용하며 최적 진동제어 알고리즘을 통한 스마트 구조물의 상태에 따른 능동적 제어를 수행할 수 있는 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 EST 기반 최적 진동제어 시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to an EST-based optimal vibration control system for maintenance of a smart structure, which is embodied in an EST (Embedded Software Technology) based measurement system, We can determine the position reasonably and efficiently, identify the behavior characteristics using the real-time vibration of the smart structure through the continuous vibration response analysis algorithm, apply it to the basic structure of the smart structure through the FE (finite element, finite element) And more particularly, to an EST-based optimal vibration control system for maintenance of a smart structure capable of performing active control according to the state of a smart structure through a control algorithm.

일반적으로 건설 구조물은 시공 후 다양한 유해환경(조건)의 노출로 인해 점진적인 노후화 뿐 아니라, 특정 이벤트에 의한 구조적 결함이 발생될 수 있으며, 이는 당초 설계된 기대수명을 단축시키거나 예견치 못한 손상(파괴) 등의 심각한 구조적 문제를 야기시킬 수 있다. 더불어 노후화나 예견치 못한 손상 등은 구조물의 특성을 반영하는 질량, 강성 등의 요소에 변화를 나타나게 하고, 이러한 변화는 원형 구조물(Integrity Structure)의 동적 특성치의 변화를 야기시킨다.In general, construction structures are subject to gradual deterioration due to exposure to various hazardous environments (conditions) after construction and structural defects due to specific events may occur, which may shorten the original designed life expectancy or cause unforeseen damage (destruction) And the like. In addition, aging and unpredictable damage cause changes in factors such as mass and stiffness, which reflect the characteristics of the structure, and these changes cause changes in the dynamic characteristics of the circular structure (Integrity Structure).

따라서, 구조물의 동적 특성을 중장기적인 관점에서 지속적인 건전도 모니터링(Health Monitoring)과 진단, 유지, 관리(maintenance)의 노력은 매우 중요하며, 이를 위해 기준된 시점에서 구조적 상태의 온전한 규명(SI, Structural Identification)이 선행되어야 한다. 최근 들어, 구조물 스스로가 구조적 상태를 인지/판단하고, 적절한 대응능력을 갖추도록 한 스마트 구조물(Smart Structure)의 기술이 요구되었다.Therefore, it is very important to continuously monitor the dynamic characteristics of the structure from the viewpoint of the medium to long term, and to diagnose, maintain and maintain it. For this purpose, Identification shall be preceded. In recent years, there has been a demand for a technology of a smart structure that allows the structure itself to recognize / judge the structural state and have a proper response capability.

이를 위해서, 상시 구조물 모니터링 시스템(SHM, Structural Health Monitoring)의 역할이 중요하게 이용되고 있다. 이러한 점에서 모니터링 시스템을 구현하고자 하는 많은 연구가 시도되고 있으며, 이와 같은 모니터링 기술은 건물, 교량 등과 같은 구조물의 동적 거동 상황을 측정, 분석 및 진단함으로써 구조물의 안전성을 극대화하고, 구조물의 안전성을 향상시킬 수 있는 기술이다.For this purpose, the role of SHM (Structural Health Monitoring) is being used. In this respect, many researches have been made to implement a monitoring system. Such monitoring technology maximizes the safety of the structure by measuring, analyzing and diagnosing the dynamic behavior of the structures such as buildings and bridges, improving the safety of the structure It is a technology that can be made.

이러한 모니터링 기술은 주로 구조물에 부착된 센서에서 데이터를 획득하고, 이들 데이터를 변환하여 구조물의 손상도 평가를 위한 데이터를 분석하는 과정을 통하여 이루어지게 된다.
This monitoring technique is mainly performed by acquiring data from a sensor attached to a structure, and converting the data to analyze data for evaluating the damage of the structure.

그러나, 효과적인 상시 구조물 모니터링 시스템을 설계하는데 있어서는, 매우 많은 기술들을 필요로 함에도 불구하고, 현행 진단 및 모니터링 기술은 획일적이고 한정된 기술만을 활용하는 것이 일반적이다.However, while designing an effective continuous structure monitoring system requires a lot of techniques, current diagnostic and monitoring techniques generally use only uniform and limited technology.

이에 따라, 현행 진단 및 모니터링 기술은 구조적 상태를 인지/판단 능력과 구조적 상태의 온전한 규명 능력이 미흡하다.As a result, current diagnostic and monitoring technologies lack the capability of recognizing and judging the structural state as well as fully identifying the structural state.

특히, 현행 진단 및 모니터링 기술은 대부분 구조물을 가진시키기 위한 인위적인 입력 가진을 구조물에 발생시켜야 하고, 이로 인한 많은 문제점 등으로 인해 조건부에 근거한 건전도(Health) 모니터링에 그치고 있는 실정이다.Particularly, current diagnostic and monitoring technologies are required to generate an artificial input to the structure to excite the structure, and the health monitoring is based on the condition due to many problems caused by the artificial input.

따라서, 불특정 외력에 대한 상시진동 기반의 구조물 건전도 모니터링 기술과 이 때, 다수의 계측점을 효율적으로 활용하여 최소한의 센서를 이용하여 최대한의 구조물 정보를 획득하고, 실제의 구조응답 정보를 반영하여 기본 구조물을 계측할 수 있는 최적 SI 기술이 절실히 요구되고 있다.Therefore, the structural soundness monitoring technique based on the constant vibration based on the unspecified external force, and at this time, by utilizing the plurality of measurement points efficiently, the maximum structural information is obtained by using the minimum sensor, There is a desperate need for an optimal SI technology capable of measuring a structure.

이 때, 구조물에 구비되는 다수의 센서 위치(계측점)를 목적 모드에 적합하도록 선택적으로 줄일 수 있다면, 경제성과 효율성을 동시에 높일 수 있는 효과가 있다. 특히, 실시간/장기적 계측을 요구하는 건전도 모니터링은 계측 데이터의 처리가 매우 수치 집약적이며, 수많은 반복 연산을 요구하기 때문에, 결국 감시정보의 질을 최대화하면서 계측기의 수량을 최소화하는 것이 상당히 중요한 일이다.At this time, if a plurality of sensor positions (measurement points) provided in the structure can be selectively reduced to fit the target mode, economical efficiency and efficiency can be enhanced at the same time. In particular, sound health monitoring requiring real-time / long-term measurement is very computationally intensive and requires a lot of repetitive operations, so it is important to minimize the quantity of the instrument while maximizing the quality of the monitoring information .

더불어 현행 진단 및 모니터링 기술은 대부분 구조물을 가진시키기 위한 인위적인 입력 가진을 구조물에 발생시킴으로써 야기되는 많은 문제점을 해결하기 위하여, 윤하중, 활하중, 기타 인위적/자연적 외력하중에 의한 상시진동을 이용하여 구조물 거동 특성을 분석/도출 할 수 있다면, 실무적인 관점에서 동특성 분석기술로 용이하게 활용될 수 있다.In addition, the existing diagnostic and monitoring technologies are mostly used to solve the many problems caused by generating an artificial input to the structure to excite the structure. Therefore, the structural behavior characteristics such as load, live load and other artificial / It can be easily applied to the dynamic analysis technique from the practical viewpoint.

또한, 이들 실제 구조물의 계측 데이터 기반의 모달 정보를 활용하여 기본 구조물을 구축할 수 있다면, 구조물의 상태평가는 물론 SI를 위한 기준된 수치 모델을 제시할 수도 있다. 더불어, 이러한 기술들을 실무에서 활용하기 위해서는 시스템으로의 구성이 요구된다.
Also, if the basic structure can be constructed by using the modal information based on the measurement data of these actual structures, it is possible to present a standardized numerical model for the SI as well as the state evaluation of the structure. In addition, in order to utilize these technologies in practice, it is necessary to construct the system.

최근 S/W Design 기술의 발달로, 계측분야에서는 임베디드 컴퓨팅 기술이 각광을 받고 있다.With the recent development of S / W design technology, embedded computing technology is attracting attention in the measurement field.

따라서, 본 발명의 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 EST 기반 최적 SI 시스템은 상술한 다양한 기술을 접목해 하나의 단일 계측 시스템으로 구성하고, 이 때 기존 하드웨어 기반이 아닌 소프트웨어적으로 알고리즘을 개발하고 이를 임베디딩함으로써 효율적이고 정확하게 계측/모니터링 시스템을 구축할 수 있다.
Therefore, the EST-based optimal SI system for maintenance of the smart structure of the present invention is constructed by combining the various technologies described above into one single measurement system. In this case, the algorithm is developed not by existing hardware but by software, The measurement / monitoring system can be constructed efficiently and accurately.

다시 말하자면, 본 발명의 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 EST 기반 최적 진동제어 시스템은 EST(Embedded Software Technology) 기반의 계측 시스템에 임베디딩되어, 최적 센서위치 결정 알고리즘을 통한 스마트 구조물에 구비되어 있는 센서들의 위치를 합리적이고 효율적으로 결정하고 상시진동 응답 분석 알고리즘을 통한 스마트 구조물의 실시간 상시진동을 이용한 거동특성을 파악하며 FE(유한요소, Finite Element) 모델개선 알고리즘을 통한 스마트 구조물 기본 구성에 활용하며 최적 진동제어 알고리즘을 통한 스마트 구조물의 상태에 따른 능동적 제어를 수행하여 스마트 구조물을 효과적으로 유지 관리할 수 있는 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 EST 기반 최적 진동제어 시스템에 관한 것이다.
In other words, the EST-based optimal vibration control system for the maintenance of the smart structure of the present invention is embedded in an EST (Embedded Software Technology) based measurement system, and the sensors included in the smart structure through the optimal sensor positioning algorithm We can determine the position reasonably and efficiently, identify the behavior characteristics using the real-time vibration of the smart structure through the continuous vibration response analysis algorithm, apply it to the basic structure of the smart structure through the FE (finite element, finite element) The present invention relates to an EST-based optimal vibration control system for maintaining a smart structure capable of effectively maintaining a smart structure by performing active control according to the state of a smart structure through a control algorithm.

국내 등록 특허 제10-0587821호("시설물의 안전성 확보를 위한 자동 측정 및 제어 시스템")에서는 안전성이 요구되며 지속적인 모니터링이 필요한 교량이나 터널에 대하여, 그 안전 상태를 계속하여 측정하며, 감리회사, 안전 진단 회사와 같은 민간관리주체 및 국가, 지방자치단체 등과 같은 공공관리주체에서 필요시 모니터링이 가능할 뿐만 아니라, 안전 진단 회사에서 원거리에 있는 시설물에 설치된 측정장비를 제어할 수 있는 기능을 구비한 시설물의 안전성 확보를 위해 사용되는 자동 측정 및 제어 시스템을 개시하고 있다.Domestic Registration No. 10-0587821 ("Automatic Measurement and Control System for Safety of Facilities") continuously measures the safety status of bridges and tunnels that require safety and require continuous monitoring, Safety Diagnosis Facility that has the function to control the measurement equipment installed in the remote facility from the safety diagnosis company as well as to be able to monitor it as necessary in the public management body such as the private management body such as the company and the state or local government. Which is used for securing the safety of the vehicle.

유럽 특허 제2012-168249호("A method for monitoring a structure based on measurements of a plurality of sensors")에서는 건물, 교량 등의 구조체에 설치된 복수 개의 센서로부터 측정된 수집값을 이용하여, 구조의 현상 결함을 식별하기 위한 모니터링 방법을 개시하고 있다.
In European Patent No. 2012-168249 ("A method for monitoring a structure based on a plurality of sensors"), it is possible to detect a defect in the structure of a structure, a bridge, And a monitoring method for identifying the user.

국내등록특허 제10-0587821호(등록일자 2006.06.01.)Korean Patent No. 10-0587821 (registered date 2006.06.01.) 유럽특허 제2012-168249호(공개일자 2013.10.16.)European Patent No. 2012-168249 (Published on October 20, 2013)

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 EST(Embedded Software Technology) 기반의 계측 시스템에 임베디딩되어, 최적 센서위치 결정 알고리즘을 통한 스마트 구조물에 구비되어 있는 센서들의 위치를 합리적이고 효율적으로 결정하고 상시진동 응답 분석 알고리즘을 통한 스마트 구조물의 실시간 상시진동을 이용한 거동특성을 파악하며 FE(유한요소, Finite Element) 모델개선 알고리즘을 통한 스마트 구조물 기본 구성에 활용하며 최적 진동제어 알고리즘을 통한 스마트 구조물의 상태에 따른 능동적 제어를 수행할 수 있는 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 EST 기반 최적 진동제어 시스템을 제공하는 것이다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a sensor system, which is embodied in an EST (Embedded Software Technology) based measurement system, (FE) model of a smart structure through the algorithm of improving the finite element finite element (FE) model, and to determine the position And to provide an EST-based optimal vibration control system for maintenance of a smart structure capable of performing active control according to the state of a smart structure through a vibration control algorithm.

본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 EST 기반 최적 진동제어 시스템은, 실시간으로 스마트 구조물의 상태평가에 따른 능동형 제어를 수행하여 유지 관리하는 EST 기반 최적 진동제어 시스템에 있어서, 기설정되어 있는 최적 센서위치 결정 알고리즘을 통해, 스마트 구조물로부터 건전도(health) 평가를 위한 신호를 검출하기 위한 다수 개의 센서의 최적 계측 위치를 결정하고, 기설정되어 있는 상시진동 응답 분석 알고리즘을 통해, 스마트 구조물에 상시 발생되는 진동만을 이용하여 스마트 구조물의 거동특성을 분석하고, 기설정되어 있는 FE(유한요소, Finite Element)모델 개선 알고리즘을 통해, 스마트 구조물의 모달정보를 반영한 수치모델을 도출하고, 기설정되어 있는 최적 진동제어 알고리즘을 통해, 스마트 구조물의 상태 평가를 수행하고 진동 제어를 위한 진동 제어 신호를 생성하는 계측부(100) 및 상기 계측부(100)와 네트워크를 통해 연결되고, 상기 계측부(100)에서 결정한 최적 계측 위치에 위치하여 상기 스마트 구조물의 상태 평가를 위한 신호를 검출하여 전송하는 다수 개의 센서(210)로 구성되는 센싱부(200)를 포함하여 구성되며, 상기 계측부(100)는 상기 센싱부(200)의 다수 개의 센서(210)에 의한 계측값들을 실시간으로 전달받아, 상기 스마트 구조물의 상태 평가를 수행하고, 평가한 스마트 구조물의 상태 정보를 반영하여 진동 제어 신호를 생성하여, 스마트 구조물의 유지 관리를 수행하도록 하는 것을 특징으로 한다.The EST-based optimum vibration control system for maintenance of a smart structure according to an embodiment of the present invention is an EST-based optimal vibration control system for performing active maintenance and performing active control according to status evaluation of a smart structure in real time, Through the optimal sensor position determination algorithm, the optimal measurement positions of a plurality of sensors for detecting a signal for a health evaluation from the smart structure are determined, By analyzing the behaviors of the smart structure using only the vibration generated in the smart structure at all times and deriving the numerical model reflecting the modal information of the smart structure through the preliminarily set FE (Finite Element) model improvement algorithm, Through the preset optimal vibration control algorithm, And a vibration control signal for vibration control, and a control unit connected to the measurement unit 100 via a network and positioned at an optimum measurement position determined by the measurement unit 100 to evaluate the state of the smart structure And the sensing unit 200 includes a plurality of sensors 210 for sensing and transmitting a signal for sensing the sensor signal And performs a state evaluation of the smart structure and generates a vibration control signal by reflecting state information of the evaluated smart structure to perform maintenance of the smart structure.

이 때, 상기 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 EST 기반 최적 진동제어 시스템은 상기 스마트 구조물에 기구비되어 있는 적어도 하나 이상의 댐퍼(damper)로 진동 제어 신호를 전달하여, 스마트 구조물의 진동을 제어하는 것을 특징으로 한다.At this time, the EST-based optimal vibration control system for maintenance of the smart structure transmits a vibration control signal to at least one damper that is provided in the smart structure to control the vibration of the smart structure .

또한, 상기 계측부(100)는 상기 최적 진동제어 알고리즘 및 기설정되어 있는 최적 손상평가 알고리즘을 통해, 스마트 구조물의 손상위치를 판단하고 이를 통해 스마트 구조물의 상태 평가를 수행하는 것을 특징으로 한다.In addition, the measuring unit 100 determines the damage position of the smart structure through the optimal vibration control algorithm and the preset optimal damage assessment algorithm, and performs a state evaluation of the smart structure through the determination.

더불어, 상기 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 EST 기반 최적 진동제어 시스템은 최적 센서위치 결정 알고리즘, 상시진동 응답 분석 알고리즘, FE모델 개선 알고리즘, 최적 진동제어 알고리즘 및 최적 손상평가 알고리즘이 컴퓨터를 포함하는 연산처리수단에 의하여 실행되는 프로그램 형태로 이루어지는 EST(Embedded Software Technology) 기반의 계측 시스템에 임베디딩되어, 실시간으로 스마트 구조물의 상태를 평가하고 평가한 상태 정보에 따른 스마트 구조물의 진동 제어를 수행하도록 하는 것을 특징으로 한다.In addition, the EST-based optimum vibration control system for the maintenance of the smart structure includes an optimal sensor positioning algorithm, an ongoing vibration response analysis algorithm, an FE model improvement algorithm, an optimal vibration control algorithm, (Embedded Software Technology) -based measurement system, which is implemented by a program executed by a means, to evaluate the state of the smart structure in real time and to perform vibration control of the smart structure according to the evaluated state information .

또한, 상기 센싱부(200)는 상기 다수 개의 센서(210)로부터 검출한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기(220) 및 상기 디지털 신호를 송출하고, 상기 계측부(100)로부터의 상태 평가 신호를 수신하는 무선송수신장치(230)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The sensing unit 200 may include an A / D converter 220 for converting an analog signal detected from the plurality of sensors 210 into a digital signal, and an A / D converter 220 for outputting the digital signal, And a wireless transceiver (230) for receiving an evaluation signal.

더 나아가, 상기 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 EST 기반 최적 진동제어 시스템은 계측된 신호 정보, 센서의 최적 계측 위치 정보, 스마트 구조물의 거동특성 정보, 스마트 구조물의 수치모델 정보, 스마트 구조물의 진동 제어 신호, 스마트 구조물의 손상위치 정보 및 스마트 구조물의 상태 평가 정보를 데이터베이스화하여 저장 및 관리하는 저장하는 데이터베이스부(300)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
Further, the EST-based optimal vibration control system for the maintenance of the smart structure may include the measured signal information, the optimal measurement position information of the sensor, the behavior characteristic information of the smart structure, the numerical model information of the smart structure, And a database unit 300 for storing damage management information of the smart structure and status evaluation information of the smart structure in a database and storing and managing the database.

본 발명의 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 EST 기반 최적 진동제어 시스템은 EST(Embedded Software Technology) 기반의 계측 시스템에 임베디딩되어, 최적 센서위치 결정 알고리즘을 통한 스마트 구조물에 구비되어 있는 센서들의 위치를 합리적이고 효율적으로 결정하고 상시진동 응답 분석 알고리즘을 통한 스마트 구조물의 실시간 상시진동을 이용한 거동특성을 파악하며 FE(유한요소, Finite Element) 모델개선 알고리즘을 통한 스마트 구조물 기본 구성에 활용하며 최적 진동제어 알고리즘을 통한 스마트 구조물의 상태에 따른 능동적 제어를 수행하여 스마트 구조물을 효과적으로 유지 관리할 수 있는 장점이 있다.The EST-based optimal vibration control system for the maintenance of the smart structure of the present invention is embodied in an EST (Embedded Software Technology) based measurement system, And it is used efficiently in the basic structure of the smart structure through FE (finite element, Finite Element) model improvement algorithm, and the dynamic vibration control algorithm The smart structure can be effectively managed by performing active control according to the state of the smart structure through the smart structure.

여기서, 최적 센서위치 결정 알고리즘으로는 최적운동에너지법(EOT, Kinetic Energy Optimization Techniques)을 통해서 관심모드를 기준으로 전체 변형운동에너지의 기여도를 자유도별로 상호 비교하고, 상대적으로 작은 기여도를 포함하는 자유도를 순차적으로 제거하여 다수의 계측점(자유도) 중 목적된 기준응답을 최적으로 측정할 수 있는 이종의 다수 개의 센서의 개수 및 위치를 결정하는데 효율적으로 활용될 수 있다.The optimum sensor location algorithm uses the kinetic energy optimization techniques (EOT) to compare the contribution of the total deformation kinetic energy by the degree of freedom based on the mode of interest, and the degree of freedom including the relatively small contribution It is possible to efficiently utilize it to determine the number and position of a plurality of heterogeneous sensors capable of optimally measuring a target reference response among a plurality of measurement points (degrees of freedom).

이를 통해서, 전체 자유도 기준으로 약 20% 내외의 센서만으로도 충분히 유효한 구조적 응답을 획득할 수 있는 효과가 있다.Through this, it is possible to acquire a sufficiently effective structural response even with a sensor of about 20% based on the total degree of freedom.

그리고 상시진동 응답 분석 알고리즘으로는 NExT&ERA(자연가진기법&고유계 구현기법)을 통해서 윤하중, 활하중, 기타 인위적/자연적 외력하중에 의해 스마트 구조물에 상시적으로 발생되는 진동만을 이용하여, 스마트 구조물의 거동특성을 분석함으로써 동특성을 명확히 분석할 수 있는 효과가 있다.The dynamic vibration response analysis algorithm is based on NExT & ERA (natural excitation technique & intrinsic system implementation technique), which uses only the vibration generated at all times by the dynamic load due to the dynamic load, live load and other artificial / By analyzing the characteristics, dynamic characteristics can be analyzed clearly.

또한 FE모델 개선 알고리즘으로는 직접행렬개선법(DMUM, Direct Matrix Updating Method)을 통해서 스마트 구조물에서 측정한 구조응답을 반영하여 이에 상응하는 FE모델을 구성함으로써, 초기 FE모델링 오차를 극복하고 현(기준) 시점의 스마트 구조물의 동특성을 반영한 기본 구조물을 정의하는데 효과적으로 적응될 수 있는 장점이 있다.In addition, the FE model improvement algorithm is based on the structural response measured in the smart structure through the direct matrix improvement method (DMUM), and the corresponding FE model is constructed to overcome the initial FE modeling error, And it can be effectively adapted to define the basic structure reflecting the dynamic characteristics of the smart structure at the time.

이를 통해서, FE모델 개선은 스마트 구조물의 동특성(고유진동수 오차율 및 모드 상관도) 대비 약 1% 미만의 정확도를 가지는 효과가 있다.As a result, the FE model improvement has an accuracy of less than about 1% of the dynamic characteristics (natural frequency error rate and mode correlation) of the smart structure.

더불어, 최적 진동제어 알고리즘으로는 Lyapunov 안정론 제어기법을 통해서 스마트 구조물의 진동 제어를 위한 댐퍼(damper)를 효율적으로 제어할 수 있는 효과가 있다.
In addition, the optimal vibration control algorithm has the effect of controlling damper for vibration control of smart structure efficiently through Lyapunov stability control technique.

더 나아가, 본 발명의 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 EST 기반 최적 진동제어 시스템은 EST 기반의 계측 시스템에 임베디딩되어 소프트웨어적으로 개발함으로써, 목적된 연산/처리/분석/대응 능력을 빠르고 정확하게 구현할 수 있으며, 다양한 알고리즘을 통해 산출된 분석값들을 실시간으로 상호 유기적으로 운영하여 최적 SI(구조적 상태의 온전한 규명)를 통해 목적된 스마트 구조물의 건전도 모니터링을 온전히 수행할 수 있는 효과가 있다.
Furthermore, the EST-based optimal vibration control system for the maintenance of the smart structure of the present invention is embedded in the EST-based measurement system and developed in software, so that the desired computation / processing / analysis / , And the analysis values calculated through various algorithms are mutually organically operated in real time, so that the integrity monitoring of the target smart structure can be performed completely through the optimal SI (structural identification of the structural state).

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 EST 기반 최적 진동제어 시스템을 간략하게 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 EST 기반 최적 진동제어 시스템을 상세하게 나타낸 구성도이다.
1 is a block diagram schematically illustrating an EST-based optimal vibration control system for maintenance of a smart structure according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a detailed block diagram of an EST-based optimal vibration control system for maintenance of a smart structure according to an embodiment of the present invention.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 EST 기반 최적 진동제어 시스템을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, an EST-based optimal vibration control system for maintenance of a smart structure according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following drawings are provided by way of example so that those skilled in the art can fully understand the spirit of the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the following drawings, but may be embodied in other forms. In addition, like reference numerals designate like elements throughout the specification.

이 때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.In this case, unless otherwise defined, technical terms and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In the following description and the accompanying drawings, A description of known functions and configurations that may unnecessarily obscure the description of the present invention will be omitted.

더불어, 시스템은 필요한 기능을 수행하기 위하여 조직화되고 규칙적으로 상호 작용하는 장치, 기구 및 수단 등을 포함하는 구성 요소들의 집합을 의미한다.
In addition, a system refers to a collection of components, including devices, mechanisms, and means that are organized and regularly interact to perform the required function.

본 발명의 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 EST 기반 최적 진동제어 시스템은 최적 센서위치 결정 알고리즘을 통해서 관심모드를 기준으로 전체 변형운동에너지의 기여도를 자유도별로 상호 비교하고, 상대적으로 작은 기여도를 포함하는 자유도를 순차적으로 제거하여 다수의 계측점(자유도) 중 목적된 기준응답을 최적으로 측정할 수 있는 이종의 다수 개의 센서의 개수 및 위치를 결정하고,The EST-based optimal vibration control system for the maintenance of the smart structure of the present invention compares the contribution of the total strain energy with degrees of freedom on the basis of the mode of interest through an optimal sensor positioning algorithm and calculates a degree of freedom including a relatively small contribution To determine the number and position of a plurality of heterogeneous sensors capable of optimally measuring a target reference response among a plurality of measurement points (degree of freedom)

상시진동 응답 분석 알고리즘을 통해서 윤하중, 활하중, 기타 인위적/자연적 외력하중에 의해 스마트 구조물에 상시적으로 발생되는 진동만을 이용하여, 스마트 구조물의 거동특성을 분석함으로써 동특성을 명확히 분석하고,Dynamic characteristics are analyzed by analyzing the behavior of the smart structure using the constant vibration generated by the smart structure only by the load, live load and other artificial /

FE모델 개선 알고리즘을 통해서 스마트 구조물에서 측정한 구조응답을 반영하여 이에 상응하는 FE모델을 구성함으로써, 초기 FE모델링 오차를 극복하고 현(기준) 시점의 스마트 구조물의 동특성을 반영한 기본 구조물을 정의하고,In this paper, we propose a new FE model modeling algorithm based on the FE modeling algorithm, which is based on the structural response of the smart structure,

최적 진동제어 알고리즘을 통해서 스마트 구조물의 상태 평가 및 이를 통한 댐퍼(damper)로의 진동 제어 신호를 전달함으로써,By evaluating the state of the smart structure and transmitting the vibration control signal to the damper through the optimal vibration control algorithm,

실시간으로 스마트 구조물의 상태 평가와 더불어 능동적 제어가 이루어져 효과적으로 유지 관리할 수 있는 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 EST 기반 최적 진동제어 시스템이다.It is an EST-based optimal vibration control system for the maintenance of smart structures that can be effectively maintained by active control in addition to the status evaluation of smart structures in real time.

또한, 본 발명의 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 EST 기반 최적 진동제어 시스템은 EST(Embedded Software Technology) 기반의 계측 시스템에 임베디딩되어 소프트웨어적으로 개발함으로써, 목적된 연산/처리/분석/대응 능력을 빠르고 정확하게 구현할 수 있으며, 다양한 알고리즘을 통해 산출된 분석값들을 실시간으로 상호 유기적으로 운영하여 최적 SI를 통해 목적된 스마트 구조물의 건전도 모니터링과 상태 평가 뿐 아니라, 이에 따른 진동 제어를 온전히 수행할 수 있는 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 EST 기반 최적 진동제어 시스템에 관한 것이다.
In addition, the EST-based optimal vibration control system for maintenance of the smart structure of the present invention is embodied in a measurement system based on EST (Embedded Software Technology) and developed in software, so that the desired computation / processing / analysis / It is possible to implement quickly and accurately and to analyze the calculated values through various algorithms in a real-time manner, to monitor the health of the target Smart Structure through optimal SI, And to an EST-based optimal vibration control system for maintenance of a smart structure.

본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 EST 기반 최적 진동제어 시스템은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 계측부(100), 상기 계측부(100)와 네트워크를 이용하여 연결되어 있는 센싱부(200) 및 데이터베이스부(300)를 포함하여 구성될 수 있으며, 상술한 바와 같이, 상기 계측부(100)는 컴퓨터를 포함하는 연산처리수단에 의하여 실행되는 프로그램 형태로 이루어지는 EST(Embedded Software Technology) 기반의 계측 시스템에 임베디딩되어 구현될 수 있다.As shown in FIGS. 1 and 2, the EST-based optimal vibration control system for maintenance of the smart structure according to an embodiment of the present invention is connected to the measurement unit 100 and the measurement unit 100 using a network The sensing unit 200 may include a sensing unit 200 and a database unit 300. As described above, the measuring unit 100 may include an EST (Embedded Software) Technology) based measurement system.

상세하게는, 상기 계측부(100)는 최적 센서위치 결정 알고리즘, 상시진동 응답 분석 알고리즘, FE모델 개선 알고리즘 및 최적 진동제어 알고리즘을 임베디딩하여, 실시간으로 스마트 구조물의 건전도와 더불어 상태 평가를 수행하고, 이에 따라 댐퍼로의 진동 제어 신호를 전달함으로써 능동적 진동 제어를 수행할 수 있다.
In detail, the measuring unit 100 embeds the optimal sensor positioning algorithm, the steady-state vibration response analysis algorithm, the FE model improvement algorithm, and the optimal vibration control algorithm to perform a health evaluation of the smart structure in real- Accordingly, active vibration control can be performed by transmitting the vibration control signal to the damper.

각 구성에 대해서 자세히 알아보자면,To learn more about each configuration,

상기 계측부(100)는 상기 센싱부(200)에 구비되어 스마트 구조물의 건전도 및 상태 평가를 위한 신호를 검출하는 다수 개의 센서(210)의 최적 계측 위치를 결정할 수 있으며, 스마트 구조물의 모달정보를 반영한 수치모델을 최소의 연산횟수로 도출할 수 있다.The measuring unit 100 may determine an optimum measurement position of a plurality of sensors 210 that are provided in the sensing unit 200 and detect a signal for evaluating the soundness and condition of the smart structure, It is possible to derive the reflected numerical model with the minimum number of operations.

여기서, 상기 다수 개의 센서(210)를 통해서 검출되는 신호로는, 온습도, 변위, 하중(응력), 변형률, 기울기, 속도, 가속도, 중성화, 균열계 등이며, 상기 다수 개의 센서(210)는 이종의 다수 개의 센서로 구성되어, 관리자가 탄력적으로 변경, 확장 및 적용하여 구비할 수 있다.
The plurality of sensors 210 may include at least one of a plurality of sensors 210 and a plurality of sensors 210. The signals detected through the plurality of sensors 210 may include temperature, humidity, displacement, stress, strain, And can be provided by a manager flexibly changing, expanding, and applying.

즉, 상기 계측부(100)는 미리 설정(저장)되어 있는 최적 센서위치 결정 알고리즘을 통해, 상기 센싱부(200)의 다수 개의 센서(210)의 최적 계측 위치를 결정할 수 있다. 다수 개의 센서(210)는 스마트 구조물에 위치하여 스마트 구조물의 건전도 및 상태 평가를 위한 신호를 검출하게 된다.That is, the measurement unit 100 can determine the optimal measurement positions of the plurality of sensors 210 of the sensing unit 200 through an optimal sensor positioning algorithm previously stored (stored). The plurality of sensors 210 are located in a smart structure to detect a signal for evaluating the health and condition of the smart structure.

이 때, 상기 최적 센서위치 결정 알고리즘으로는, 최적운동에너지법(EOT, Kinetic Energy Optimization Techniques)을 적용하는 것이 바람직하며, 최적운동에너지법은 구조물의 변형 운동 에너지를 활용하여 최적 계측 위치를 결정한다.At this time, it is preferable to apply Kinetic Energy Optimization Techniques (EOT) as the optimal sensor positioning algorithm, and the optimal kinetic energy method determines an optimum measurement position using the deformation kinetic energy of the structure .

상기 스마트 구조물로부터 측정된 변형운동에너지가 최대가 되는 동역학적 모달정보를 획득하고, 이 때, 구해진 모드형의 선형 독립성이 존재하는 고유 시스템에서 최소의 에너지를 나타내는 지점을 순차적으로 제거함으로써, 최적계측 시스템을 구성할 수 있다.
The dynamic modal information obtained from the smart structure is maximized, and at this time, by sequentially removing the points representing the minimum energy in the inherent system in which the linear independence of the obtained mode type is present, The system can be configured.

일반적인 건설 구조물의 운동에너지 분포는 하기의 수학식 1과 같이 정의할 수 있다.
The kinetic energy distribution of a general construction structure can be defined as Equation 1 below.

Figure 112015011936516-pat00001
Figure 112015011936516-pat00001

여기서, KE는 운동에너지(Kinetic Energy)이며,Here, KE is kinetic energy,

Figure 112015011936516-pat00002
는 측정된 모드형 벡터이며,
Figure 112015011936516-pat00002
Is a measured modal vector,

M은 질량 매트릭스이다.
M is the mass matrix.

이 때, 질량 매트릭스 M을 상삼각 행렬(L)과 하삼각 행렬(U)로 분해하여, 각각

Figure 112015011936516-pat00003
, M=LU를 표현할 수 있으며, 감소된 측정인자에 따른 모드형의 projection은 하기의 수학식 2와 같이 정의할 수 있다.
At this time, the mass matrix M is decomposed into an upper triangular matrix L and a lower triangular matrix U,
Figure 112015011936516-pat00003
, M = LU, and the projection of the mode type according to the reduced measurement factor can be defined as Equation 2 below.

Figure 112015011936516-pat00004
Figure 112015011936516-pat00004

이를 통해서, 상기 스마트 구조물의 운동 에너지의 측정을 최대화할 수 있는 최소화된 계측기, 즉, 센서의 개수 및 위치를 결정하게 된다.Through this, the number and position of the minimized measuring instruments, i.e., the sensors, which can maximize the measurement of the kinetic energy of the smart structure are determined.

허나, 에너지 매트릭스가 랭크 빈약도를 일으킬 경우, 더 이상 센서의 개수를 제거해서는 안 되며, 질량 행령이 정칙(Nonsingular Matrix)일 때,

Figure 112015011936516-pat00005
요소의 행 랭크, N은
Figure 112015011936516-pat00006
매트릭스에서 선형 독립된 사영 벡터(Linearly Independent Projected Vector)의 수와 같다.However, if the energy matrix causes rank poorness, the number of sensors should no longer be removed, and when the mass order is a non-singular matrix,
Figure 112015011936516-pat00005
The row rank of the element, N
Figure 112015011936516-pat00006
Equivalent to the number of linearly independent projected vectors in the matrix.

이에 따라, 에너지 매트릭스 자신의 고유치

Figure 112015011936516-pat00007
와 고유벡터
Figure 112015011936516-pat00008
를 고려하면,
Figure 112015011936516-pat00009
가 N의 크기를 가진 사각대칭 양치행렬(Positive-definite Matrix)이기 때문에, 최적운동에너지법의 각각의 연산 절차에서 구하는 고유쌍의 연산에는 영향이 없다.Thus, the eigenvalues of the energy matrix itself
Figure 112015011936516-pat00007
And eigenvectors
Figure 112015011936516-pat00008
Considering that,
Figure 112015011936516-pat00009
Is a positive-definite matrix with a size of N, there is no influence on the computation of a unique pair obtained in each calculation procedure of the optimal kinetic energy method.

각각의 잔여 센서의 기여도는 하기의 수학식 3과 같이, EOT 벡터로 나타낼 수 있다.
The contribution of each residual sensor can be expressed as an EOT vector as shown in Equation (3) below.

Figure 112015011936516-pat00010
Figure 112015011936516-pat00010

EOT 벡터는 측정된 모드형이 선형 독립이므로, 하기의 수학식 4와 같이, 직교 벡터를 이루어야 한다.
Since the measured mode type is linearly independent, the EOT vector must be an orthogonal vector as shown in Equation (4) below.

Figure 112015011936516-pat00011
Figure 112015011936516-pat00011

또한 상기 계측부(100)는 스마트 구조물에 상시 발생되는 진동만을 이용하여 스마트 구조물의 거동특성을 분석할 수 있다.Also, the measuring unit 100 can analyze the behavior characteristics of the smart structure using only the vibration generated at all times in the smart structure.

즉, 상기 계측부(100)는 미리 설정(저장)되어 있는 상시진동 응답 분석 알고리즘을 통해, 윤하중, 활하중, 기타 인위적/자연적 외력하중에 의해 스마트 구조물에 상시적으로 발생되는 진동만을 이용하여, 스마트 구조물의 거동특성을 분석함으로써 동특성을 명확히 분석할 수 있다.That is, the metering unit 100 uses the vibration generated at all times in the smart structure by the load of the load, live load, and other artificial / natural external forces through the normal vibration response analysis algorithm previously stored (stored) The dynamic characteristics can be clearly analyzed.

이 때, 상시진동 응답 분석 알고리즘으로는, NExT&ERA(자연가진기법&고유계 구현기법)을 적용하는 것이 바람직하다.
At this time, it is preferable to apply NExT & ERA (natural excitation technique and inherent system implementation technique) to the continuous vibration response analysis algorithm.

자연가진기법이란, 강제 가진법이 가지는 문제점을 해결하기 위하여, 외부 가진력을 불규칙 정상(random stationary) 상태의 외부 가진으로 가정하여 강제 진동을 갖는 운동방정식의 형태가 CCF(상호상관함수)에 의해 2계 재차미분방정식의 형태로 표현되는 특성을 이용한 기법이다. 이러한 자연가진기법은 구조물의 가속도에 의한 응답만이 측정 가능할 때 유용한 방법이다.
In order to solve the problem of the forced excitation method, the natural excitation technique is applied to a case where the external excitation is assumed as an external excitation in a random stationary state and the form of the motion equation having the forced oscillation is 2 It is a technique using characteristics expressed in the form of differential equations again. This natural excitation technique is useful when only the response due to the acceleration of the structure can be measured.

여기서, 외부 가진과 응답이 불규칙 정상 상태로 가정할 경우, 하기의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
Here, if the external excitation and the response are assumed to be in an irregular steady state, the following equation (5) can be obtained.

Figure 112015011936516-pat00012
Figure 112015011936516-pat00012

여기서, M, C, K 는 각각 질량, 감쇠, 강성행렬이며,Where M, C, and K are mass, attenuation, and stiffness matrices, respectively,

Figure 112015011936516-pat00013
는 시간(t)에 대한 가속도, 속도, 변위이며,
Figure 112015011936516-pat00013
Is the acceleration, velocity, and displacement for time t,

Figure 112015011936516-pat00014
는 시간(t)에 대한 외력이다.
Figure 112015011936516-pat00014
Is an external force with respect to time t.

동적 특성치 행렬은 결정론적인 것으로 가정하고, 양변에 기준응답신호를 곱하여 확률의 기대치를 취할 경우, 하기의 수학식 6으로 나타낼 수 있다.
Assuming that the dynamic property value matrix is deterministic, when the expectation of the probability is taken by multiplying both sides by the reference response signal, it can be expressed by the following equation (6).

Figure 112015011936516-pat00015
Figure 112015011936516-pat00015

여기서,

Figure 112015011936516-pat00016
는 상관함수의 벡터를 의미한다.here,
Figure 112015011936516-pat00016
Is a vector of correlation functions.

Figure 112015011936516-pat00017
가 불규칙 정상 상태일 경우, 상기의 수학식 6은 하기의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015011936516-pat00017
Is an irregular steady state, the above Equation (6) can be expressed as Equation (7) below.

Figure 112015011936516-pat00018
Figure 112015011936516-pat00018

여기서,

Figure 112015011936516-pat00019
는 상호상관함수(CCF)를 의미하며, 변위 벡터의 항이 상관함수로 표현되고 자유진동을 갖는 운동방정식으로 표현된다.
here,
Figure 112015011936516-pat00019
Means the cross correlation function (CCF), and the term of the displacement vector is expressed as a correlation function and expressed as an equation of motion with free vibration.

자연가진기법은 상기 센싱부(200)의 다수 개의 센서(210)로부터 측정된 응답 신호들 간의 CPS를 획득하여 하기의 수학식 8과 같이 CCF와 CPS가 퓨리에 쌍(pair)으로 존재한다는 점을 이용하여 CPS를 역퓨리에 변환하여 CCF를 얻을 수 있다.
The natural excitation technique acquires the CPS between the response signals measured from the plurality of sensors 210 of the sensing unit 200 and uses the fact that the CCF and the CPS exist as a pair of Fourier pairs as shown in Equation 8 below. And the CPF can be converted to the inverse Fourier transform to obtain the CCF.

Figure 112015011936516-pat00020
Figure 112015011936516-pat00020

여기서,

Figure 112015011936516-pat00021
는 상호상관함수(CCF)이며,here,
Figure 112015011936516-pat00021
Is a cross correlation function (CCF)

Figure 112015011936516-pat00022
는 이산된 교차파워스팩트럼(CPS)이며,
Figure 112015011936516-pat00022
Is the discrete crossover power spectrum (CPS)

Figure 112015011936516-pat00023
Figure 112015011936516-pat00024
는 이산시간과 주파수를 의미한다.
Figure 112015011936516-pat00023
and
Figure 112015011936516-pat00024
Means discrete time and frequency.

이렇게 변환된 상호상관함수는 자연가진기법에 의해 스마트 구조물의 거동특성을 분석할 수 있다.
The transformed cross - correlation function can analyze the behavior of the smart structure by the natural excitation technique.

더불어, 고유계 구현기법은 경감쇠를 갖는 구조물의 특성 분석에 적합하고 다중 입출력 모델에 효과적인 기법이다.In addition, the eigenmethod implementation technique is suitable for characterization of structures with light attenuation and is an effective technique for multiple input and output models.

고유계 구현기법은 획득된 상호상관함수(CCF)를 이용하여 구성된 하기의 수학식 9와 같은 Hankel 행렬로 나타낼 수 있다.
The intrinsic system implementation scheme can be expressed by a Hankel matrix as shown in Equation (9), which is constructed using the obtained cross correlation function (CCF).

Figure 112015011936516-pat00025
Figure 112015011936516-pat00025

여기서,

Figure 112015011936516-pat00026
는 임펄스 응답행렬이며,here,
Figure 112015011936516-pat00026
Is an impulse response matrix,

각각 Hankel 행렬의 행과 열의 수이다.
The number of rows and columns of the Hankel matrix, respectively.

상기의 수학식 9에서 적절한 크기의 행과 열을 선택하여

Figure 112015011936516-pat00027
을 산출하고, 하기의 수학식 10과 같이, Hankel 행렬에 대한 특이치 분해(Singular value decomposition)를 수행할 수 있다.
In the above Equation 9, a row and a column of an appropriate size are selected
Figure 112015011936516-pat00027
And perform Singular Value Decomposition for the Hankel matrix as shown in Equation (10) below.

Figure 112015011936516-pat00028
Figure 112015011936516-pat00028

여기서,

Figure 112015011936516-pat00029
는 비-특이 행렬(non-singular)이고,here,
Figure 112015011936516-pat00029
Is a non-singular,

Figure 112015011936516-pat00030
는 양의 대각행렬이고,
Figure 112015011936516-pat00030
Is a positive diagonal matrix,

Figure 112015011936516-pat00031
는 특이치를 의미한다.
Figure 112015011936516-pat00031
Means a singular value.

특이치 중 상대적으로 작은 것은 수치모드, 혹은 잡음에 의한 모드로 제거하게 되며, 남겨진

Figure 112015011936516-pat00032
,
Figure 112015011936516-pat00033
,
Figure 112015011936516-pat00034
을 이용한 시스템 행렬과 출력 행렬은 하기의 수학식 11 및 12와 같이 나타낼 수 있다.
The relatively small value of the singular value is removed by numerical mode or noise mode,
Figure 112015011936516-pat00032
,
Figure 112015011936516-pat00033
,
Figure 112015011936516-pat00034
The system matrix and the output matrix using Equation (11) and Equation (12) can be expressed as Equations (11) and (12).

Figure 112015011936516-pat00035
Figure 112015011936516-pat00035

Figure 112015011936516-pat00036
Figure 112015011936516-pat00036

여기서,

Figure 112015011936516-pat00037
이다.
here,
Figure 112015011936516-pat00037
to be.

이를 통해서, 고유 주파수는 스마트 구조물의 질량, 감쇠, 강성 등의 항으로 구성된 시스템 행렬 의

Figure 112015011936516-pat00038
의 고유 값으로 획득할 수 있으며,
Figure 112015011936516-pat00039
의 고유 벡터를 Ψ 라고 하면, 구조물의 모드 벡터(
Figure 112015011936516-pat00040
)는 하기의 수학식 13과 같이 나타낼 수 있다.
Through this, the natural frequency is a function of the system matrix consisting of the mass, damping,
Figure 112015011936516-pat00038
As the eigenvalue of < RTI ID = 0.0 >
Figure 112015011936516-pat00039
Is the vector of the structure,
Figure 112015011936516-pat00040
) Can be expressed by the following equation (13).

Figure 112015011936516-pat00041
Figure 112015011936516-pat00041

더불어 상기 계측부(100)는 스마트 구조물의 모달정보를 반영한 수치모델을 도출하여 스마트 구조물의 건전도(health)를 평가할 수 있다.In addition, the measuring unit 100 may derive a numerical model reflecting the modal information of the smart structure to evaluate the health of the smart structure.

즉, 상기 계측부(100)는 미리 설정(저장)되어 있는 FE(유한요소, Finite Element)모델 개선 알고리즘을 통해, 스마트 구조물의 수치모델을 최소한의 연산횟수로 도출하게 된다.That is, the measuring unit 100 derives the numerical model of the smart structure with a minimum number of operations through an FE (Finite Element) model improvement algorithm that is previously set (stored).

이 때, FE모델 개선 알고리즘으로는, 직접행렬개선법(DMUM, Direct Matrix Updating Method)을 적용하는 것이 바람직하다.
At this time, it is preferable to apply the direct matrix improvement method (DMUM) to the FE model improvement algorithm.

기존 구성된 초기 구조물(Initial Structure)에 변경 구조물(Modified Structure)이 추가 혹은 제거되면, 변경 후 전체 구조물의 동특성이 변화하게 된다. 이 때, 구조적 변경 전, 후의 동특성은 하기의 수학식 14와 같은 고유치 문제로 나타낼 수 있다.
When a modified structure is added to or removed from an existing initial structure, the dynamic characteristics of the entire structure change after the modification. At this time, the dynamic characteristics before and after the structural change can be expressed by the eigenvalue problem as shown in the following Equation (14).

Figure 112015011936516-pat00042
Figure 112015011936516-pat00042

여기서, [K]는 강성행렬,Where [K] is the stiffness matrix,

[M]은 질량행렬,[M] is the mass matrix,

[△K]와, [△M]은 변경으로 인한 구조물의 강성과 질량의 변화행렬,[ΔK] and [ΔM] are the change matrix of the stiffness and mass of the structure due to the change,

Figure 112015011936516-pat00043
는 각각 구조 손상 전의 고유치와 고유벡터,
Figure 112015011936516-pat00043
Are eigenvalues and eigenvectors before structural damage, respectively,

Figure 112015011936516-pat00044
는 각각 변경 후의 고유치와 고유벡터이다.
Figure 112015011936516-pat00044
Are the eigenvalues and eigenvectors after the change, respectively.

구조물의 변경에 의한 강성 [△K] 및 질량 [△M]의 변화를 구하는 방법 중 본 발명의 계측부(100)에서는 FE모델 개선의 효과와 모달 변화량 계산 시, 반복 연산의 요구 등을 고려하여, 보다 사용이 용이하면서도 우수한 모델개선의 효과를 볼 수 있도록 직접행렬개선법을 적용하였다.The measuring unit 100 of the present invention among the methods of obtaining the changes of the stiffness [DELTA K] and the mass [DELTA M] due to the change of the structure takes into account the effect of the FE model improvement, The direct matrix improvement method is applied so that it can be used more easily and the effect of superior model improvement can be seen.

여기서, 라그랑지 승수를 이용하여 강성 및 질량행렬의 변경량의 크기를 제한하면서 측정된 고유치를 만족하도록 구성된 목적함수는 하기의 수학식 15와 같다.Here, the objective function configured to satisfy the measured eigenvalue while limiting the magnitude of the amount of change of the stiffness and the mass matrix using the Lagrangian multiplier is expressed by Equation (15).

이 때, 직접행렬개선법을 적용함으로써, 단 한 번의 행렬연산(Direct)으로 강성 및 질량 각 항에 대한 변화량을 계산할 수 있다.
In this case, by applying the direct matrix improvement method, it is possible to calculate a change amount for each term of stiffness and mass by a single matrix operation (Direct).

Figure 112015011936516-pat00045
Figure 112015011936516-pat00045

여기서, [KA] 및 [MA]는 변경 전의 구조물의 강성 및 질량행렬,[K A ] and [M A ] are the stiffness and mass matrix of the structure before the change,

[KU] 및 [MU]는 변경 후의 구조물의 강성 및 질량행렬이다.
[K U ] and [M U ] are the stiffness and mass matrix of the structure after the change.

이를 이용하여, [KA]와 [KU]의 관계는 하기의 수학식 16과 같으며,Using this, the relationship between [K A ] and [K U ] is as shown in Equation (16) below,

[MA]와 [MU]의 관계는 하기의 수학식 17과 같다.
The relationship between [M A ] and [M U ] is shown in Equation (17) below.

Figure 112015011936516-pat00046
Figure 112015011936516-pat00046

Figure 112015011936516-pat00047
Figure 112015011936516-pat00047

이 때, 상기의 수학식 16에서의 [△K]는 하기의 수학식 18의 관계식을 이용하여, 하기의 수학식 19와 같이 정의된다.
At this time, [DELTA K] in the above equation (16) is defined by the following equation (19) using the following equation (18).

Figure 112015011936516-pat00048
Figure 112015011936516-pat00048

또한, 상기의 수학식 17에서의 [△M]은 하기의 수학식 20의 관계식을 이용하여, 하기의 수학식 21과 같이 정의된다.
Further, [DELTA M] in the above Equation (17) is defined as the following Equation (21) using the relational expression of the following Equation (20).

Figure 112015011936516-pat00050
Figure 112015011936516-pat00050

Figure 112015011936516-pat00051
Figure 112015011936516-pat00051

본 발명의 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 EST 기반 최적 진동제어 시스템은 계측부(100)에서의 FE모델 개선의 대상이 FE 해석 및 모달 실험의 결과이므로, 밑첨자 A는 해석(Analysis)에 의한 결과치를 의미하며, 밑첨자 X는 실험(Experiment)치를 의미한다.
In the EST-based optimal vibration control system for maintenance of the smart structure of the present invention, since the object of the FE model improvement in the measurement unit 100 is the result of the FE analysis and the modal experiment, the subscript A indicates the result by the analysis And the subscript X means the experimental value.

본 발명의 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 EST 기반 최적 진동제어 시스템은 스마트 구조물의 건전도 평가 뿐 아니라, 상태평가를 통해 능동형 진동 제어를 수행할 수 있다.The EST-based optimal vibration control system for the maintenance of the smart structure of the present invention can perform active vibration control by evaluating not only the health of the smart structure but also the state evaluation.

다시 말하자면, 스마트 구조물에 미리 구비되어 있는 적어도 하나 이상의 댐퍼(damper)로 진동 제어 신호를 전달하여, 스마트 구조물의 진동을 효과적으로 제어할 수 있다.In other words, the vibration control signal is transmitted to at least one damper provided in advance in the smart structure, so that the vibration of the smart structure can be effectively controlled.

이를 위해서, 상기 계측부(100)는 미리 설정(저장)되어 있는 최적 진동제어 알고리즘을 통해, 스마트 구조물의 상태를 평가하고 이를 통해서 스마트 구조물의 진동 제어를 위한 진동 제어 신호를 생성할 수 있다.For this purpose, the measuring unit 100 can evaluate the state of the smart structure through the optimal vibration control algorithm that is previously set (stored), and generate the vibration control signal for controlling the vibration of the smart structure.

이 때, 최적 진동제어 알고리즘으로는, Lyapunov 안정론 제어기법을 적용하는 것이 바람직하다.
At this time, it is preferable to apply the Lyapunov stability control scheme as the optimum vibration control algorithm.

Lyapunov 안정론 제어기법은 모든 시스템에 대한 안정성을 판별할 수 있는 가장 일반적인 방법으로서, 스마트 구조물의 진동에 대한 피드백 제어기를 제어하기 위한 진동 제어 신호를 생성할 수 있다.The Lyapunov stability control scheme is the most common method for determining stability for all systems, and it can generate a vibration control signal to control the feedback controller for the vibration of the smart structure.

최적 진동제어 알고리즘은

Figure 112015011936516-pat00052
라고 명명되는 Lyapunov 함수를 사용하고, 또한, 시스템의 상태(
Figure 112015011936516-pat00053
)에 대해 양의 한정(positive Definite) 함수로 정의하며, 원점(origin)은 안정 평형 위치라고 가정하는 것이 바람직하다.The optimal vibration control algorithm
Figure 112015011936516-pat00052
And the state of the system (< RTI ID = 0.0 >
Figure 112015011936516-pat00053
), And it is preferable to assume that the origin is a stable equilibrium position.

여기서, Lyapunov 함수의 변화율을

Figure 112015011936516-pat00054
로 표현한다면, Lyapunov 안정성 이론으로부터
Figure 112015011936516-pat00055
는 음의 반-한정(Negative Semi-definite) 함수로 정의할 수 있다.Here, the rate of change of the Lyapunov function
Figure 112015011936516-pat00054
From the Lyapunov stability theory,
Figure 112015011936516-pat00055
Can be defined as a negative semi- definite function.

또한, 원점은 Lyapunov 의 관점(Sense)에서 안정이다.Also, the origin is stable in Lyapunov's view (Sense).

이에 따라, 최적 진동제어 알고리즘인 Lyapunov 안정론 제어기법은 적용함으로써, 궁극적인 목표는

Figure 112015011936516-pat00056
가 가능한 한 음(Negative)의 결과를 갖도록 각 장치에 대한 제어 입력을 선택하는 것이다.
Thus, by applying the Lyapunov stability control scheme, which is the optimal vibration control algorithm, the ultimate goal is
Figure 112015011936516-pat00056
Is to select the control input for each device to have a negative result as much as possible.

Lyapunov 함수는 하기의 수학식 22와 같이 정의할 수 있다.
The Lyapunov function can be defined as Equation 22 below.

Figure 112015011936516-pat00057
Figure 112015011936516-pat00057

여기서,

Figure 112015011936516-pat00058
는 하기의 수학식 23과 같이 정의되는 스마트 구조물 구조물 상태의 P-노옴(P-norm)이다.
here,
Figure 112015011936516-pat00058
Is the P-norm of the state of the smart structure structure defined as: < EMI ID = 23.0 >

Figure 112015011936516-pat00059
Figure 112015011936516-pat00059

여기서,

Figure 112015011936516-pat00060
는 실수, 대칭, 양의 한정인 행렬이다.
here,
Figure 112015011936516-pat00060
Is a matrix of real numbers, symmetries, and quantities.

이 때, 선형 시스템에 대해서

Figure 112015011936516-pat00061
가 확실한 음 한정이 되도록 하기 위해, 행렬
Figure 112015011936516-pat00062
를 하기의 수학식 24를 이용하여 산출할 수 있다.
At this time,
Figure 112015011936516-pat00061
In order to ensure a definite tone limitation,
Figure 112015011936516-pat00062
Can be calculated using the following equation (24).

Figure 112015011936516-pat00063
Figure 112015011936516-pat00063

여기서,

Figure 112015011936516-pat00064
는 양의 한정 행렬이며, 이는 관리자의 제어에 따라 변경될 수 있다.
here,
Figure 112015011936516-pat00064
Is a positive definite matrix, which can be changed under the control of the administrator.

상기의 수학식 22의 해를 구하기 위해서, Lyapunov 함수의 미분형식으로 상태공간 방정식을 유도하면 하기의 수학식 25와 같이 정의할 수 있다.In order to obtain the solution of the equation (22), the state space equation can be derived as a differential form of the Lyapunov function as shown in the following equation (25).

이 때, 하기의 수학식 25는 Lyapunov 함수의 시간 변화율(

Figure 112015011936516-pat00065
)을 나타낸다.
At this time, the following equation (25) represents the time rate of change of the Lyapunov function
Figure 112015011936516-pat00065
).

Figure 112015011936516-pat00066
Figure 112015011936516-pat00066

여기서,

Figure 112015011936516-pat00067
는 시스템에서의 Lyapunov 방정식의 해(Solution)이고,here,
Figure 112015011936516-pat00067
Is the solution of the Lyapunov equation in the system,

Figure 112015011936516-pat00068
는 시스템에 대한 가중행렬(Weight Matrix)을 나타내며,
Figure 112015011936516-pat00068
Represents a weight matrix for the system,

윗첨자

Figure 112015011936516-pat00069
는 행렬의 전치(Transpose)를 나타낸다.
Superscript
Figure 112015011936516-pat00069
Represents the transpose of the matrix.

여기서, 스마트 구조물의 진동 제어를 위한 댐퍼의 제어 전압의 변화에 직접적인 영향을 조절할 수 있는 유일한 항은 힘 벡터

Figure 112015011936516-pat00070
가 포함된 가운데 항으로 한정된다. 따라서
Figure 112015011936516-pat00071
를 최소화시키기 위한 준능동 제어 전압은 하기의 수학식 26과 같이 생성할 수 있으며, 이때 하기의 수학식 26은
Figure 112015011936516-pat00072
를 최소화시키기 위한 제어법칙(Control Law)이 된다.
Here, the only term that can directly control the change in the control voltage of the damper for vibration control of the smart structure is the force vector
Figure 112015011936516-pat00070
Of the total. therefore
Figure 112015011936516-pat00071
The semi-active control voltage may be generated as shown in the following Equation 26,
Figure 112015011936516-pat00072
(Control law) for minimizing the number of the control signals.

Figure 112015011936516-pat00073
Figure 112015011936516-pat00073

여기서,

Figure 112015011936516-pat00074
는 Heaviside Step 함수로써 준능동 제어장치인 MR 댐퍼로의 인가전압 크기를 0과
Figure 112015011936516-pat00075
로 한정시켜주는 함수이고,here,
Figure 112015011936516-pat00074
Is the Heaviside Step function, and the magnitude of the applied voltage to the semi-active control unit MR damper is 0
Figure 112015011936516-pat00075
, And the function

첨자

Figure 112015011936516-pat00076
는 다수의 제어기를 사용하는 경우 제어기의 수를 고려하기 위한 표현이며,Subscript
Figure 112015011936516-pat00076
Is a representation for considering the number of controllers when a plurality of controllers are used,

Figure 112015011936516-pat00077
는 현 단계에서 각 제어기에 입력되어야 할 제어 전압(Voltage),
Figure 112015011936516-pat00077
A control voltage to be input to each controller at the present stage,

Figure 112015011936516-pat00078
는 초기 상태방정식에서 보인 제어기 수와 같은 열을 갖는
Figure 112015011936516-pat00079
행렬의
Figure 112015011936516-pat00080
번째 열,
Figure 112015011936516-pat00078
Has the same number of controllers as the number of controllers shown in the initial state equation
Figure 112015011936516-pat00079
Matrix
Figure 112015011936516-pat00080
Column,

Figure 112015011936516-pat00081
는 이전 단계에서
Figure 112015011936516-pat00082
번째 제어기로부터 생성·관측된 제어력,
Figure 112015011936516-pat00081
In the previous step
Figure 112015011936516-pat00082
The control force generated and observed from the first controller,

Figure 112015011936516-pat00083
는 현 단계에서 제어기의 제약조건에 따라 제어기에 유입되어야 할 최대 전압(Maximum Voltage)이다.
Figure 112015011936516-pat00083
Is the maximum voltage that should be introduced into the controller at the present stage according to the constraint of the controller.

다시 말하자면, 최적 진동제어 알고리즘인 Lyapunov 안정론 제어기법은 적절한

Figure 112015011936516-pat00084
행렬을 정의함으로써 댐퍼를 통해 스마트 구조물의 진동 제어의 성능이 결정된다.
In other words, the optimum vibration control algorithm, Lyapunov stability control technique,
Figure 112015011936516-pat00084
By defining the matrix, the performance of the vibration control of the smart structure is determined through the damper.

또한, 상기 계측부(100)는 최적 손상평가 알고리즘을 미리 설정(저장)하여, 최적 진동제어 알고리즘과 함께 스마트 구조물의 손상위치 판단 및 상태 평가를 수행할 수도 있다.In addition, the measuring unit 100 may determine (store) an optimum damage assessment algorithm and perform damage location determination and state assessment of the smart structure together with an optimal vibration control algorithm.

이 때, 최적 손상평가 알고리즘으로는, 2차원 변형에너지 손상 검출법을 적용하는 것이 바람직하다.
At this time, it is preferable to apply the two-dimensional strain energy damage detection method as the optimum damage evaluation algorithm.

2차원 변형에너지 손상 검출법은 손상 전과 후의 각각의 모드벡터를 이용하여, 스마트 구조물의 동적 변형에너지를 계산할 수 있다.The 2D strain energy damage detection method can calculate the dynamic strain energy of a smart structure using each mode vector before and after damage.

일 실시예를 들자면, 판형 구조물을 양방향으로 세분하여 미소영역으로 분할하고, 계측된 모드벡터(

Figure 112015011936516-pat00085
)를 커브 피팅(Curve Fitting)하여 세부영역 (j,k)에 상관된 변형에너지를 구할 수 있다.In one embodiment, the planar structure is subdivided into bi-directionally subdivided into microdomains, and the measured mode vector
Figure 112015011936516-pat00085
) Can be subjected to curve fitting to obtain strain energy correlated to the detailed region (j, k).

이 때, 변형에너지는 하기의 수학식 27을 통해서 산출할 수 있다.
At this time, the strain energy can be calculated by the following equation (27).

Figure 112015011936516-pat00086
Figure 112015011936516-pat00086

여기서,

Figure 112015011936516-pat00087
는 (j,k)의 세부영역 에너지이고,here,
Figure 112015011936516-pat00087
Is the sub-region energy of (j, k)

Figure 112015011936516-pat00088
는 i번째 모드의 모드벡터이며,
Figure 112015011936516-pat00088
Is a mode vector of the i-th mode,

Figure 112015011936516-pat00089
는 휨 강성이며,
Figure 112015011936516-pat00089
Is the flexural rigidity,

Figure 112015011936516-pat00090
는 재료의 포아슨 비이다.
Figure 112015011936516-pat00090
Is the Poisson's ratio of the material.

스마트 구조물의 전체 변형에너지에 대한 미소영역의 에너지를 비교하여 세부영역 에너지를 하기의 수학식 28과 같이 산출할 수 있으며, 각각의 손상 전과 후에 계산된 세부영역 에너지(

Figure 112015011936516-pat00091
)의 변화량을 서료 비교하여 손상지표를 산출하게 된다.
By comparing the energy of the micro domains with respect to the total strain energy of the smart structure, the sub domain energy can be calculated as shown in the following equation (28), and the sub domain energy calculated before and after each damage
Figure 112015011936516-pat00091
) Is calculated by comparing the amount of change in the damage index.

Figure 112015011936516-pat00092
Figure 112015011936516-pat00092

여기서, *는 각각 손상 후 계산값을 의미하며,Where * denotes the calculated value after the damage,

Figure 112015011936516-pat00093
는 전체 에너지를 나타낸다.
Figure 112015011936516-pat00093
Represents the total energy.

상기 계측부(100)는 미리 설정(저장)되어 있는 최적 손상평가 알고리즘을 통해 최종적으로 각각 세부영역에서의 손상도 계수를 얻을 수 있으며, 이는 하기의 수학식 29를 통해서 나타낼 수 있다.
The measuring unit 100 can finally obtain the damage degree coefficient in the detailed area through the optimum damage evaluation algorithm that has been set (stored) in advance, which can be expressed by the following equation (29).

Figure 112015011936516-pat00094
Figure 112015011936516-pat00094

이를 통해서, 산출된 스마트 구조물의 손상지표는 손상의 위치를 중심으로 정규분포 곡선과 같은 형상을 이루게 되므로, 이를 통해서 스마트 구조물의 손상위치를 판단할 수 있다.
In this way, the damage index of the calculated smart structure is shaped like a normal distribution curve centering on the location of the damage, so that the damage position of the smart structure can be determined through this.

상기 계측부(100)는 스마트 구조물의 손상위치를 판단하여 이에 따른 스마트 구조물의 상태 평가를 수행할 수 있으며, 더 나아가 상태 평가 정보를 토대로 스마트 구조물의 유지 관리를 수행할 수 있다.
The measuring unit 100 can determine the damage position of the smart structure, perform the state evaluation of the smart structure according to the damage location, and further perform maintenance of the smart structure based on the state evaluation information.

즉, 본 발명의 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 EST 기반 최적 진동제어 시스템은 상기 센싱부(200)의 다수 개의 센서(210)에 의한 계측값들을 실시간으로 전달받아, 스마트 구조물의 건전도를 평가하고, 평가한 건전도에 따른 스마트 구조물의 유지 관리와 진동 제어를 수행하도록 할 수 있을 뿐 아니라,That is, the EST-based optimal vibration control system for maintenance of the smart structure of the present invention receives the measured values of the plurality of sensors 210 of the sensing unit 200 in real time and evaluates the health of the smart structure , The maintenance and vibration control of the smart structure according to the evaluated soundness can be performed,

스마트 구조물의 손상위치를 판단하여 이에 따른 상태를 평가하고 이를 토대로 스마트 구조물의 유지 관리를 수행하도록 할 수 있다.
The damage location of the smart structure can be determined, and the state of the damaged structure can be evaluated and the maintenance of the smart structure can be performed based on the evaluation.

상기 센싱부(200)는 상기 계측부(100)와 네트워크를 이용하여 연결되며, 상기 계측부(100)에서 결정한 최적 계측 위치에 위치한 상기 다수 개의 센서(210)를 포함하여 구성될 수 있다.The sensing unit 200 may be connected to the measuring unit 100 via a network and may include the plurality of sensors 210 positioned at the optimum measuring position determined by the measuring unit 100.

상기 다수 개의 센서(210)는 상기 스마트 구조물로부터 건전도 평가 및 상태 평가를 위한 신호를 검출하여 상기 계측부(100)로 전달하게 된다.The plurality of sensors 210 detect a signal for the integrity evaluation and the state evaluation from the smart structure and transmit the signal to the measurement unit 100.

상기 센싱부(200)는 도 2에 도시된 바와 같이, A/D 변환기(220), 무선송수신장치(230)를 더 포함하여 구성되고,As shown in FIG. 2, the sensing unit 200 further includes an A / D converter 220 and a wireless transceiver 230,

상기 A/D 변환기(220)는 상기 다수 개의 센서(210)에서 검출한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있으며,The A / D converter 220 may convert an analog signal detected by the plurality of sensors 210 into a digital signal,

상기 무선송수신장치(230)는 상기 A/D 변환기(220)에서 변환한 상기 디지털 신호를 상기 계측부(100)로 송출하고, 상기 계측부(100)로부터 건전도 평가 및 상태 평가 신호를 수신할 수 있다.
The wireless transceiver 230 may transmit the digital signal converted by the A / D converter 220 to the measurement unit 100 and may receive the soundness evaluation and state evaluation signals from the measurement unit 100 .

본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 EST 기반 최적 진동제어 시스템은 데이터베이스부(300)를 더 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 데이터베이스부(300)는 상기 센싱부(200)와 마찬가지로, 상기 계측부(100)와 네트워크를 이용하여 연결된다.The EST-based optimal vibration control system for maintenance of the smart structure according to an embodiment of the present invention may further include a database unit 300. The database unit 300 may include the sensing unit 200, Likewise, the measurement unit 100 is connected using a network.

상기 데이터베이스부(300)는 별도의 저장수단을 의미하며, 상기 계측부(100)에 의해서 결정된 상기 센싱부(200)의 다수 개의 센서(210)의 최적 계측 위치 정보와, 상기 다수 개의 센서(210)로부터 계측된 신호 정보, 상기 계측부(100)에 의해서 도출된 스마트 구조물의 수치모델 정보와, 상기 계측부(100)에 의해 도출된 스마트 구조물의 거동특성 정보, 상기 계측부(100)에 의한 스마트 구조물의 건전도 평가 정보 및 이에 따른 유지 관리 정보, 상기 계측부(100)에 의한 스마트 구조물의 손상위치 정보 및 이에 따른 상태평가 정보, 상기 계측부(100)에 의한 스마트 구조물의 진동 제어 신호를 데이터베이스화하여 저장 및 관리할 수 있다.
The database unit 300 refers to a separate storage unit and stores the optimal measurement position information of a plurality of sensors 210 of the sensing unit 200 determined by the measurement unit 100, The numerical model information of the smart structure derived by the measuring unit 100, the behavior characteristic information of the smart structure derived by the measuring unit 100, the sound characteristics of the smart structure by the measuring unit 100, The vibration information of the smart structure by the measurement unit 100 and the vibration information of the smart structure by the measurement unit 100 are stored and managed in a database can do.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 EST 기반 최적 진동제어 시스템은 EST(Embedded Software Technology) 기반의 계측 시스템에 임베디딩되어, 최적 센서위치 결정 알고리즘을 통한 스마트 구조물에 구비되어 있는 센서들의 위치를 합리적이고 효율적으로 결정하고 상시진동 응답 분석 알고리즘을 통한 스마트 구조물의 실시간 상시진동을 이용한 거동특성을 파악하며 FE(유한요소, Finite Element) 모델개선 알고리즘을 통한 스마트 구조물 기본 구성에 활용하며 최적 진동제어 알고리즘을 통한 스마트 구조물의 상태에 따른 능동적 제어를 수행함으로써, 스마트 구조물을 좀 더 효과적으로 유지 관리할 수 있다.
That is, the EST-based optimal vibration control system for maintenance of the smart structure according to an embodiment of the present invention is embodied in a measurement system based on EST (Embedded Software Technology), and is embedded in a smart structure through an optimal sensor positioning algorithm We can determine the location of the sensors which are located in the center of the building in a reasonable and efficient manner, identify the behavior characteristics of the smart structure using the real-time steady vibration through the continuous vibration response analysis algorithm, And by performing active control according to the state of the smart structure through the optimal vibration control algorithm, it is possible to more effectively maintain the smart structure.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, And various modifications and changes may be made thereto by those skilled in the art to which the present invention pertains.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술되는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
Therefore, it is to be understood that the subject matter of the present invention is not limited to the described embodiments, and all of the equivalents or equivalents of the claims are included in the scope of the present invention will be.

100 : 계측부
200 : 센싱부
300 : 데이터베이스부
100:
200: sensing unit
300:

Claims (6)

실시간으로 스마트 구조물의 상태평가에 따른 능동형 제어를 수행하여 유지 관리하는 EST 기반 최적 진동제어 시스템에 있어서,
상기 최적 진동제어 시스템은 최적 센서위치 결정 알고리즘, 상시진동 응답 분석 알고리즘, FE모델 개선 알고리즘 및 최적 진동제어 알고리즘이 컴퓨터를 포함하는 연산처리수단에 의하여 실행되는 프로그램 형태로 이루어진 EST(Embedded Software Technology) 기반의 계측 시스템에 임베디딩되어, 실시간으로 스마트 구조물의 상태를 평가하되,
기설정되어 있는 최적 센서위치 결정 알고리즘을 통해, 스마트 구조물로부터 건전도(health) 평가를 위한 신호를 검출하기 위한 다수 개의 센서의 최적 계측 위치를 결정하고,
기설정되어 있는 상시진동 응답 분석 알고리즘인 NExT&ERA(자연가진기법&고유계 구현기법)에 따라,
NExT 알고리즘을 통해, 스마트 구조물에 상시 발생되는 진동만을 이용하여 상기 다수 개의 센서로부터 측정된 응답 신호들 간의 교차파워스펙트럼(CPS)를 획득하고, 획득한 교차파워스펙트럼을 역퓨리에 변환하여 상호상관함수(CCF)를 획득하며,
ERA 알고리즘을 통해, 획득한 상호상관함수를 이용하여 Hankel 행렬로 나타낸 후, Hankel 행렬에 대한 특이치 분해(Singular value decomposition)을 수행하여 특이치 중 상대적으로 작은 수치모드 또는 잡음에 의한 모드를 제거하여 스마트 구조물의 고유 주파수를 획득하여 스마트 구조물의 거동특성을 분석하고,
기설정되어 있는 FE(유한요소, Finite Element)모델 개선 알고리즘을 통해, 스마트 구조물의 모달정보를 반영한 수치모델을 도출하고,
기설정되어 있는 최적 진동제어 알고리즘인 Lyapunov 안정론 제어기법을 이용하여,
하기의 수식과 같이 Lyapunov 함수를 정의하고,
Figure 112015072620074-pat00097

(여기서,
Figure 112015072620074-pat00098
는 스마트 구조물 상태의 P-노움(P-norm)임.)
스마트 구조물의 에너지 변화율을 하기의 수식과 같이 정의하고,,
Figure 112015072620074-pat00099

(여기서,
Figure 112015072620074-pat00100
는 시스템에서의 Lyapunov 방정식의 해(Solution)이고,
Figure 112015072620074-pat00101
는 시스템에 대한 가중행렬(Weight Matrix)을 나타내며,
윗첨자
Figure 112015072620074-pat00102
는 행렬의 전치(Transpose)를 나타냄.)
음(-)의 한정이 되도록 하기의 수식으로 정의된 제어법칙(Control Law)에 의해, 실시간으로 스마트 구조물의 상태 평가를 수행하고 진동 제어를 위한 진동 제어 신호를 생성하여,
Figure 112015072620074-pat00103

(여기서,
Figure 112015072620074-pat00104
는 Heaviside Step 함수로써 준능동 제어장치인 MR 댐퍼로의 인가전압 크기를 0과
Figure 112015072620074-pat00105
로 한정시켜주는 함수이고,
첨자
Figure 112015072620074-pat00106
는 다수의 제어기를 사용하는 경우 제어기의 수를 고려하기 위한 표현이며,
Figure 112015072620074-pat00107
는 현 단계에서 각 제어기에 입력되어야 할 제어 전압(Voltage),
Figure 112015072620074-pat00108
는 초기 상태방정식에서 보인 제어기 수와 같은 열을 갖는
Figure 112015072620074-pat00109
행렬의
Figure 112015072620074-pat00110
번째 열,
Figure 112015072620074-pat00111
는 이전 단계에서
Figure 112015072620074-pat00112
번째 제어기로부터 생성관측된 제어력,
Figure 112015072620074-pat00113
는 현 단계에서 제어기의 제약조건에 따라 제어기에 유입되어야 할 최대 전압(Maximum Voltage)임.)
스마트 구조물의 진동 제어의 성능을 결정하는 계측부(100); 및
상기 계측부(100)와 네트워크를 통해 연결되고, 상기 계측부(100)에서 결정한 최적 계측 위치에 위치하여 상기 스마트 구조물의 상태 평가를 위한 신호를 검출하여 전송하는 다수 개의 센서(210)로 구성되는 센싱부(200);
를 포함하여 구성되며,
상기 계측부(100)는
상기 센싱부(200)의 다수 개의 센서(210)에 의한 계측값들을 실시간으로 전달받아, 상기 스마트 구조물의 상태 평가를 수행하고, 평가한 스마트 구조물의 상태 정보를 반영하여 진동 제어 신호를 생성하여, 스마트 구조물의 유지 관리를 수행하도록 하는 것을 특징으로 하는 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 EST 기반 최적 진동제어 시스템.
1. An EST-based optimal vibration control system for performing active control based on state evaluation of a smart structure in real time and performing maintenance,
The optimal vibration control system is based on an Embedded Software Technology (EST) based on an optimal sensor positioning algorithm, a steady vibration response analysis algorithm, an FE model improvement algorithm, and an optimal vibration control algorithm, To evaluate the state of the smart structure in real time,
Through the optimal sensor location determination algorithm, the optimal measurement positions of a plurality of sensors for detecting a signal for health evaluation from the smart structure are determined,
According to the NXT & ERA (natural excitation technique & unique system implementation technique), which is a preset vibration response analysis algorithm,
(CPS) between the response signals measured from the plurality of sensors by using only the vibration generated at all times in the smart structure through the NExT algorithm, and the acquired cross power spectrum is inversely Fourier transformed to obtain a cross correlation function CCF)
The Hankel matrix is obtained by using the obtained cross-correlation function through the ERA algorithm, and the singular value decomposition for the Hankel matrix is performed to remove the relatively small numerical mode or noise mode from the singular values The characteristics of the smart structure are analyzed by acquiring the natural frequency of the smart structure,
A numerical model reflecting the modal information of the smart structure is derived through the FE (Finite Element) model improvement algorithm which is already set,
By using the Lyapunov stability control technique, which is the optimal vibration control algorithm,
Lyapunov function is defined as follows,
Figure 112015072620074-pat00097

(here,
Figure 112015072620074-pat00098
Is a P-norm in a smart structure state.)
The energy change rate of the smart structure is defined as
Figure 112015072620074-pat00099

(here,
Figure 112015072620074-pat00100
Is the solution of the Lyapunov equation in the system,
Figure 112015072620074-pat00101
Represents a weight matrix for the system,
Superscript
Figure 112015072620074-pat00102
Represents the transpose of the matrix.)
The state of the smart structure is evaluated in real time by a control law defined by the following equation so as to limit the negative (-), a vibration control signal for vibration control is generated,
Figure 112015072620074-pat00103

(here,
Figure 112015072620074-pat00104
Is the Heaviside Step function, and the magnitude of the applied voltage to the semi-active control unit MR damper is 0
Figure 112015072620074-pat00105
, And the function
Subscript
Figure 112015072620074-pat00106
Is a representation for considering the number of controllers when a plurality of controllers are used,
Figure 112015072620074-pat00107
A control voltage to be input to each controller at the present stage,
Figure 112015072620074-pat00108
Has the same number of controllers as the number of controllers shown in the initial state equation
Figure 112015072620074-pat00109
Matrix
Figure 112015072620074-pat00110
Column,
Figure 112015072620074-pat00111
In the previous step
Figure 112015072620074-pat00112
The control force generated from the first controller,
Figure 112015072620074-pat00113
Is the maximum voltage that should be introduced into the controller according to the constraints of the controller at this stage.
A measuring unit (100) for determining the performance of the vibration control of the smart structure; And
And a plurality of sensors 210 connected to the measurement unit 100 through a network and positioned at an optimum measurement position determined by the measurement unit 100 to detect and transmit a signal for evaluating the state of the smart structure, (200);
And,
The measuring unit 100
Receives the measured values of the plurality of sensors 210 of the sensing unit 200 in real time, performs a state evaluation of the smart structure, generates a vibration control signal by reflecting state information of the evaluated smart structure, Wherein the EST-based optimal vibration control system for maintenance of the smart structure is characterized in that the maintenance of the smart structure is performed.
제 1항에 있어서,
상기 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 EST 기반 최적 진동제어 시스템은
상기 스마트 구조물에 기구비되어 있는 적어도 하나 이상의 댐퍼(damper)로 진동 제어 신호를 전달하여, 스마트 구조물의 진동을 제어하는 것을 특징으로 하는 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 EST 기반 최적 진동제어 시스템.
The method according to claim 1,
The EST-based optimal vibration control system for maintenance of the smart structure
Wherein the vibration control signal is transmitted to at least one or more dampers provided in the smart structure to control the vibration of the smart structure.
제 1항에 있어서,
상기 계측부(100)는
상기 최적 진동제어 알고리즘 및 기설정되어 있는 최적 손상평가 알고리즘을 통해, 스마트 구조물의 손상위치를 판단하고 이를 통해 스마트 구조물의 상태 평가를 수행하는 것을 특징으로 하는 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 EST 기반 최적 진동제어 시스템.
The method according to claim 1,
The measuring unit 100
Wherein the EST based optimum vibration control algorithm is used for evaluating the state of the smart structure by determining the damage location of the smart structure through the optimal vibration control algorithm and the preset optimal damage assessment algorithm. Control system.
삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 센싱부(200)는
상기 다수 개의 센서(210)로부터 검출한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기(220); 및
상기 디지털 신호를 송출하고, 상기 계측부(100)로부터의 상태 평가 신호를 수신하는 무선송수신장치(230);
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 EST 기반 최적 진동제어 시스템.
The method according to claim 1,
The sensing unit 200
An A / D converter 220 for converting analog signals detected from the plurality of sensors 210 into digital signals; And
A wireless transceiver (230) for transmitting the digital signal and receiving a status evaluation signal from the measurement unit (100);
And an EST-based optimal vibration control system for maintenance of a smart structure.
제 3항에 있어서,
상기 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 EST 기반 최적 진동제어 시스템은
계측된 신호 정보, 센서의 최적 계측 위치 정보, 스마트 구조물의 거동특성 정보, 스마트 구조물의 수치모델 정보, 스마트 구조물의 진동 제어 신호, 스마트 구조물의 손상위치 정보 및 스마트 구조물의 상태 평가 정보를 데이터베이스화하여 저장 및 관리하는 저장하는 데이터베이스부(300);
를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 EST 기반 단일 계측 시스템.
The method of claim 3,
The EST-based optimal vibration control system for maintenance of the smart structure
The measured information of the sensor, the optimal measurement position information of the sensor, the behavior characteristic information of the smart structure, the numerical model information of the smart structure, the vibration control signal of the smart structure, the damage position information of the smart structure, A database unit 300 for storing and managing information;
And the EST based single measurement system for maintenance of the smart structure.
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