Simülasyon çevriminde donanım yöntemiyle yarı aktif ayarlı kütle sönümleyicilerinin performans analizi
Performance analysis of semi active tuned mass dampers with hardware in the loop simulation method
Yazar: HÜSEYİN AGGÜMÜŞ
Danışman: PROF. DR. RAHMİ GÜÇLÜ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Ana Bilim Dalı / Makine Teorisi ve Kontrol Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Mekanik titreşim = Mechanical vibration ; Optimal kontrol = Optimal control

Özet:
Yapısal sistemlerin kontrolü, geçmişten günümüze kadar önemi ve popülerliği artan bir çalışma konusudur. Gerek meydana gelen, gerekse daha meydana gelmemiş ve gelmesi kuvvetle beklenen deprem, kasırga gibi yıkıcı etkilere sahip doğal afetler, bu konunun daha da önemli bir hal almasına neden olmuştur. Bozucu girişler altındaki yapısal sistem cevapları, sayısal simülasyon çalışmaları ve deneysel çalışmalar olmak üzere, temel olarak iki şekilde incelenir. Deneysel çalışmalar gerçekçi araçlar olmalarına rağmen, gerek fiziksel kurulumlarındaki zorluklar gerekse yüksek maliyetleri, yapıların deneysel olarak incelenmesini zorlaştırmaktadır. İdeal koşullarda gerçekleştirilen simülasyon çalışmaları ise, ölçüm gürültüleri ve zaman gecikmeleri gibi gerçek sistemlerde oluşabilecek problemleri içermez. Simülasyon çevriminde donanım (SÇD) yöntemi ile, hem sayısal simülasyon hem de deneysel çalışmaların avantajlarından faydalanmak mümkündür. Bu yöntemdeki temel fikir, sistem için kritik öneme sahip ve karmaşık mekanik özelliklerde olan sistem elemanları deneysel olarak test edilirken, diğer kısımlar da iyi yapılandırılmış bir matematik model kullanılarak test edilmesidir. 

Bu tez çalışmasında gerek deneysel çalışmaların zorluklarının üstesinden gelmek, gerekse sayısal simülasyon sonuçlarından daha gerçekçi bulgular elde edebilmek için, SÇD metodu kullanılarak yapısal sistem cevapları incelenmiştir. Ayarlı kütle sönümleyicileri kolaylıkla yapısal sistemlere uygulanabilen kontrol cihazlarıdır. Aktif ve yarı aktif kontrol uygulamalarıyla performanslarını arttırmak mümkündür. Yarı aktif kontrol uygulamaları hem pasif hem de aktif sistemlerin avantajlarını içerirler. Bu sebeple, bu tez çalışmasında yapısal sistem cevaplarını analiz etmek için yarı aktif ayarlı kütle sönümleyicisi (YAKS) kullanılmıştır. MR damperler YAKS'de yarı aktifliği sağlayan kontrol elemanı olarak kullanılmıştır. MR damperin, SÇD yöntemindeki donanım kısmı olarak düşünülmesi sebebiyle laboratuvar ortamında deneysel olarak kurgulanmıştır. Sistemin kalan kısımları ise sayısal simülasyonda modellenmiştir. 

MR damperler iletilen gerilime göre sönüm miktarı değişebilen yarı aktif kontrol elemanlarıdır. Bu sebeple MR dampere iletilen gerilimin belirlenebilmesi amacıyla, karışım hassaslık yapısında ve model indirgeme tekniği kullanılarak dayanıklı Hsonsuz kontrol dizayn edilmiştir. Groundhook kontrol algoritmasıyla da bu kontrolün performansı test edilmiştir. Yarı aktif sistemler, pasif sistemlerin güvenilirliğine sahiptir. Bu tez çalışmasındaki YAKS'nin güvenilirliği ile ilgili olarak, MR dampere gerilim gönderilmediği durumun sistem cevapları üzerine etkisi incelenmiştir. On serbestlik dereceli bir bina modeli üzerine uygulanan YAKS'nin sistem cevaplarını bastırma performansı, bina modelinin doğal frekanslarından üretilen tahrikler ve gerçek deprem verilerinin ölçeklendirilmesiyle elde edilen tahrikler etkisinde incelenmiştir.

Abstract:
Structural systems control is an increasingly important study subject from past to present. Natural disasters, both occurring and not occurring yet, and having devastating effects such as earthquakes and hurricanes, which have been expected to come, have made this issue even more critical. Structural system responses under disruptive inputs are investigated in two ways: numerical simulation studies and experimental studies. Although experimental studies are practical tools, both their physical installation difficulties and their high costs make it challenging to investigate structures experimentally. Simulation studies carried out under ideal conditions do not include problems that may occur in real systems such as measurement noises and time delays. With the Hardware In The Loop (HILS) method, it is possible to take advantage of both numerical simulation and experimental studies. The main idea in this method is those system elements that are critical to the system and have complex mechanical properties are tested experimentally, while other parts are tested using a well-structured mathematical model.

In this thesis, structural system responses were researched by using HILS method to overcome the difficulties of experimental studies and to obtain more realistic findings from numerical simulation results. Tuned mass dampers are control devices that can be easily applied to structural systems. It is possible to increase their performance with active and semi active control applications. semi active control applications include the advantages of both passive and active systems. Therefore, in this thesis, semi active tuned mass damper (YAKS) was used to analyze structural system responses. MR dampers are used as the control element providing semi-activity in YAKS. Because the MR damper is considered as the hardware part in the HILS method, it has been experimentally setup in a laboratory environment. The remaining parts of the system are modeled in numerical simulation.

MR dampers are semi active control elements whose damping amount can vary according to the transmitted voltage. For this reason, robust Hinfinity control is designed in order to determine the voltage transmitted to the MR damper, using mixed sensitivity structure and model reduction technique. The performance of this control has also been tested with the Groundhook control algorithm.
semi active systems have the reliability of passive systems. Regarding the reliability of YAKS in this thesis, its effect on system responses when no voltage is sent to the MR damper has been investigated. The performance of suppressing the system responses of YAKS applied on a ten-degree building model was investigated in the effect of excitations obtained from the natural frequencies of the building model and by scaling real earthquake data.