雙向天鉤主動隔震系統之數值模擬分析及實驗驗證

以作者查詢圖書館館藏

、以作者查詢臺灣博碩士

、以作者查詢全國書目

、勘誤回報

、線上人數：94

、訪客IP：18.119.102.149

姓名

許庭瑀(Ting-Yu Hsu) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

雙向天鉤主動隔震系統之數值模擬分析及實驗驗證

相關論文

★ 主動式相位控制調諧質量阻尼器之研發與實驗驗證	★ 相位控制之主動調諧質量阻尼器應用於多自由度構架分析與實驗驗證
★ 懸臂梁形式壓電調諧質量阻尼器之研發與最佳化設計	★ 天鉤主動隔震系統應用於單自由度機構分析與實驗驗證
★ 天鉤主動隔震系統應用於非剛體設備物之分析與實驗驗證	★ 以直接輸出回饋與參數更新迭代方法設計最佳化被動調諧質量阻尼器與多元調諧質量阻尼器
★ 考慮即時濾波與衝程限制之相位控制主動調諧質量阻尼器應用於多自由度構架分析與實驗驗證	★ 懸臂梁形式壓電調諧質量阻尼器多自由度分析與最佳化設計之減振與能量擷取研究
★ 設備物應用衝程考量天鉤主動隔震系統之數值模擬分析及實驗驗證	★ 變斷面懸臂梁形式多元壓電調諧質量阻尼器於結構減振與能量擷取之最佳化設計與參數識別
★ 考慮Kanai-Tajimi濾波器以直接輸出回饋進行隔震層阻尼係數之最佳化設計	★ 相位控制主動調諧質量阻尼器於非線性 Bouc-Wen Model 結構之分析
★ 具凸面導軌之雙向偏心滾動隔震系統機構開發與試驗驗證	★ 天鉤主動隔震系統應用強化學習DDPG與直接輸出回饋之最佳化設計與分析
★ 相位控制多元主動調諧質量阻尼器於結構減震性能評估之數值模擬分析	★ 倒擺懸臂梁形式多元壓電調諧質量阻尼器於結構減振與能量擷取之分析與實驗驗證

檔案

[Endnote RIS 格式]

[Bibtex 格式]

[相關文章]

[文章引用]

[完整記錄]

[館藏目錄]

至系統瀏覽論文 (2026-6-30以後開放)

摘要(中)

本研究將兩組單向天鉤主動隔震系統以正交堆疊的方式，擴展為一套雙向天鉤主動隔震系統，以應對雙向地震輸入。因正交假設兩向完全獨立，使用單向天鉤主動隔震系統並考慮衝程限制，詳細列出其運動方程式和控制律，進行數值模擬和簡諧震波實驗驗證。天鉤主動隔震系統參考傳統天鉤控制理論，改良主動控制力之計算，調整為回饋訊號基於系統相對地表速度，且前饋訊號為積分濾波後的地表速度，形成混合前饋回饋系統作為控制。此設計提高訊號測量的便利性和穩定性，並考慮系統固有阻尼的影響。此外，於系統中引入控制力濾波器，以濾除非預期之高頻訊號，並將其擴展為包含積分濾波器和控制力濾波器的形式，考慮濾波器的影響進行最佳化設計。改良之主動控制力為非全狀態回饋，因此採用直接輸出回饋，目標是最小化系統絕對加速度，並通過參數迭代更新進行控制力增益參數的最佳化設計。針對衝程限制問題，通過降低地表速度增益參數進行初步控制，當位移增大到一定程度時，在主動控制力中引入衝程限制力以進一步控制系統位移。首先，進行設計阻尼比參數分析以確定隔震系統的最優設置參數。對系統進行特徵分析，施加主動控制力將固有頻率遠離地震主要頻率範圍，減少共振。通過頻率反應函數和地震歷時分析，證明天鉤主動隔震系統的隔震效果優於被動隔震系統。穩定性分析顯示，相對地表速度增益參數的變化會影響系統穩定性，而地表速度增益參數的變化則不會，因此可用來調整系統衝程位移。時間延遲穩定性分析確認主動控制力延遲時長對系統穩定性的影響。引入衝程限制控制律並進行地震歷時分析，結果顯示該系統在最佳隔震效果下有效減少衝程位移，保護隔震系統。為了驗證數值模擬的結果，本研究利用振動台進行簡諧震波試驗，驗證實驗數據與分析結果呈現相似趨勢。此外，地震震波經由構架反應後的樓板加速度具有不同於震波本身的特性，由於該系統主要給予高科技廠房中的重要儀器提供隔震保護，因此所承受的應為樓板加速度。為了更貼近真實應用情境，對系統進行樓板加速度歷時分析。結果顯示，天鉤主動隔震系統在樓板加速度作用下仍表現出顯著的隔震效果，且考慮衝程限制的系統在保護衝程方面也有效果。

摘要(英)

This study expands into a bi-directional skyhook active isolation system by orthogonally stacking two sets of unidirectional skyhook active isolation systems to address bi-directional seismic inputs. Due to orthogonality, two directions can be assumed to be completely independent. Using unidirectional skyhook active isolation systems and considering stroke restraint, the equations of motion and control laws are detailed for numerical simulations and harmonic wave experiment validation. The skyhook active isolation system is based on traditional skyhook control theory, with improvements in calculating active control forces. The design adjusts feedback signals based on the system′s relative ground velocity and feedforward signals as integrated filtered ground velocity, forming a hybrid feedforward-feedback control system. This design enhances the convenience and stability of signal measurements and considers the impact of the system′s inherent damping. Additionally, a control force filter is introduced to remove unexpected high-frequency signals. The system is extended to include integral filters and control force filters, considering their impact during the optimization design process. The improved active control force is non-full-state feedback, thus direct output feedback is adopted. The goal is to minimize the system′s absolute acceleration, and control force gain parameters are optimized through parameter iteration updates. To address stroke restraint, initial control is achieved by reducing ground velocity gain parameters, and when displacement increases beyond a threshold, stroke restraint forces are incorporated into the active control force for further displacement control. Firstly, design damping ratio parameters are analyzed to determine the optimal settings for the isolation system. The system′s characteristics are analyzed to apply active control forces, shifting natural frequencies away from the dominant earthquake frequencies and reducing resonance. Frequency response functions and seismic time-history analyses demonstrate that the skyhook active isolation system outperforms passive isolation systems in seismic isolation. Stability analysis shows that variations in relative ground velocity gain parameters affect system stability, while ground velocity gain parameter variations do not, allowing for stroke displacement adjustments. Time delay stability analysis confirms the impact of active control force delays on system stability. Introducing stroke restraint control laws and conducting seismic time-history analyses reveal that the system effectively reduces stroke displacement while achieving optimal isolation effects, thus protecting the isolation system. In order to validate the numerical simulation results, harmonic wave experiments were conducted using a shaking table, verifying similar trends between experimental data and analytical results. Furthermore, considering the different characteristics of floor acceleration responses from seismic waves post-structure interaction, the study conducts floor acceleration time-history analysis for a more realistic application scenario. Since the system is primarily used to provide isolation protection for critical instruments in high-tech factories, it is subjected to floor acceleration. Results show that the skyhook active isolation system maintains significant isolation performance under floor acceleration effects, and systems with stroke restraint effectively protect against excessive displacement.

關鍵字(中)

★ 天鉤控制
★ 雙向主動隔震
★ 混合前饋回饋系統
★ 直接輸出回饋
★ 振動台實驗
★ 衝程限制
★ 樓板加速度

關鍵字(英)

★ skyhook control
★ bi-directional active isolation
★ hybrid feedforward-feedback control system
★ direct output feedback
★ shaking table experiment
★ stroke restraint
★ floor acceleration

論文目次

摘要 i
ABSTRACT iii
目錄 v
表目錄 ix
圖目錄 xiii
符號說明 xxv
第一章緒論 1
1-1 研究背景與動機 1
1-2 文獻回顧 2
1-2-1 被動、主動及半主動隔震系統 2
1-2-2 天鉤控制理論的應用 4
1-2-3 隔震系統於實際應用之考量 4
1-3 研究內容 6
第二章天鉤隔震控制理論方程式與衝程限制 8
2-1 傳統天鉤隔震控制理論 8
2-2 天鉤主動隔震系統方程式推導 10
2-3 地表速度訊號前饋與擴展系統方程式 11
2-3-1 積分濾波器設計 11
2-3-2 包含積分濾波器及控制力濾波器之擴展系統方程式 13
2-4 控制力增益參數最佳化設計 15
2-4-1 最佳控制力增益參數系統 15
2-4-2 最佳控制增益參數設計運算 17
2-5 衝程限制控制律 19
2-5-1 天鉤主動隔震系統導入衝程限制之動力行為 20
2-5-2 衝程限制保護系統參數設定 21
2-6 天鉤主動隔震與衝程限制控制流程 23
第三章天鉤主動隔震系統數值模擬分析 30
3-1 系統之輸入地震歷時 30
3-2 設計阻尼比參數分析 31
3-3 特徵分析 36
3-4 頻率反應函數分析 36
3-5 地震歷時數值模擬分析 39
3-5-1 地震歷時下之系統反應 39
3-6 增益參數與時間延遲之穩定性分析 45
3-7 導入衝程限制之歷時數值模擬分析 46
3-7-1 參數設定 46
3-7-2 二次非線性限制力地震歷時下之系統反應 48
第四章天鉤主動隔震系統振動台試驗 128
4-1 系統實驗設備與配置 128
4-2 控制介面與量測儀器 129
4-3 狀態預測系統及控制模式 130
4-4 簡諧震波實驗結果與討論 132
4-4-1 功率譜密度 132
4-4-2 實驗各項反應結果 133
4-4-3 實驗與數值模擬之比較 135
第五章具結構特性樓板加速度作用下之隔震效果 171
5-1 廠房結構參數與運動方程式 171
5-2 樓板加速度歷時數值模擬分析 172
5-2-1 輸入之樓板加速度歷時 172
5-2-2 系統於樓板加速度歷時下之系統反應 173
5-2-3 導入衝程限制系統於樓板加速度歷時下之系統反應 179
第六章結論與建議 249
6-1 結論 249
6-2 未來研究與建議 252
參考文獻 254

參考文獻

[1]　內政部營建署，「建築物耐震設計規範及解說」，內政部營建署台內營字第1110810765號令 (2022)。
[2]　黃振興、黃尹男、黃仁傑，「微電子廠採用隔震設計之可行性試驗研究」，國家地震工程研究中心，編號 NCREE 02-023 (2002)。
[3]　栗正暐、黃宣諭，「高科技半導體廠結構設計之關鍵考量」，土木水利，第四十六卷，第六期，社團法人中國土木水利工程學會30-37頁 (2019)。
[4]　Soong T. T. and Spencer B. F., Jr., “Active, semi-active and hybrid control of structures”, Bulletin of the New Zealand Society for Earthquake Engineering, vol. 33, no. 3, pp. 387-402. (2000)
[5]　Kelly J. M. and Tsai H. C., “Seismic Response of Light Internal Equipment in Base-Isolated Structures”, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 13, no. 6, pp. 711-732. (1985)
[6]　Reggio A. and De Angelis M., “Combined primary-secondary system approach to the design of an equipment isolation system with High-Damping Rubber Bearings”, Journal of Sound and Vibration, vol. 333, no.9, pp. 2386-2403. (2014)
[7]　李姿瑩、盧煉元、陳奕翔、洪文孝，「含變頻式摩擦單擺支承與抗拉拔裝置橋梁之水平雙向振動台試驗」，中華民國力學學會第四十五屆全國力學會議，0160 (CTAM 2021)。
[8]　陳奕翔，「含變頻式摩擦單擺支承與抗拉拔裝置橋梁之水平雙向振動台試驗」，碩士論文，國立中央大學土木工程學系 (2021)。
[9]　汪向榮、林旺春、游忠翰、楊卓諺，「應用斜面滾動隔震技術提升重要設備耐震性能」，土木水利，第四十四卷，第一期 (2017)。
[10]　許丁友、汪向榮，「斜面式滾動隔震平台應用於重要設備耐震性能提升」，國家地震工程研究中心簡訊，第89期 (2014)。
[11]　Yang C. Y., Chiao D., Lai Y. A., Chang C. M. and Chung L. L., “Evaluation and Performance Testing of Eccentric Rolling Isolation System”, Structural Control and Health Monitoring, vol. 2024, no. 1, Article ID 8845965. (2024)
[12]　Venanzi I., Ierimonti L. and Materazzi A. L., “Active Base Isolation of Museum Artifacts under Seismic Excitation”, Journal of Earthquake Engineering, vol. 24, no. 3, pp. 506-527. (2018)
[13]　Rodellar J., Garcia G., Vidal Y., Acho L. and Pozo F., “Hysteresis based vibration control of base-isolated structures”, X International Conference on Structural Dynamics, EURODYN., vol. 199, pp. 1798–1803. (2017)
[14]　Chang C. M. and Spencer B. F., Jr., “Active base isolation of buildings subjected to seismic excitations”, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, vol. 39, no. 13, pp. 1493-1512. (2010)
[15]　Zuo L., Slotine J. J. E. and Nayfeh S. A., “Experimental study of a novel adaptive controller for active vibration isolation”, Proceeding of American Control Conference, vol. 4, no. 4, pp. 3863-3868. (2004)
[16]　Beijen M. A., “Self-tuning feedforward control for active vibration isolation of precision machines”, IFAC Proceedings Volumes, vol. 47, no. 3, pp. 5611-5616. (2014)
[17]　陳佳恩，「天鉤主動隔震系統應用於單自由度機構分析與實驗驗證」，碩士論文，國立中央大學土木工程學系 (2021)。
[18]　吳柏諺，「天鉤主動隔震系統應用於非剛體設備物之分析與實驗驗證」，碩士論文，國立中央大學土木工程學系 (2022)。
[19]　蔡元峰，「設備物應用衝程考量天鉤主動隔震系統之數值模擬分析及實驗驗證」，碩士論文，國立中央大學土木工程學系 (2023)。
[20]　盧煉元、陳乙震、林錦隆、劉永田，「壓電式半主動隔震系統於設備防震之應用」，中國土木水利工程學刊，第二十二卷，第一期，65-83頁 (2010)。
[21]　Yoshioka H., Ramallo J. C. and Spencer B. F., Jr., ““Smart” Base Isolation Strategies Employing Magnetorheological Dampers” Journal of Engineering Mechanics, vol.128, no. 5, pp. 540-551. (2002)
[22]　Liu C., Chen L., Yang X., Zhang X. and Yang Y., “General Theory of Skyhook Control and Its Application to Semi-Active Suspension Control Strategy Design” IEEE Access, vol. 7, pp. 101552-101560. (2019)
[23]　Poussot-Vassal C., Sename O., Dugard L., Ramirez-Mendoza R. and Flores L., “Optimal Skyhook Control for Semi-Active Suspensions”, IFAC Proceedings Volumes, vol. 39, no. 16, pp. 608-613. (2006)
[24]　Shamsi A. and Choupani N., "Continuous and discontinuous shock absorber control through skyhook strategy in semi-active suspension system (4DOF model)", International Journal of Aerospace and Mechanical Engineering, vol. 2, no. 5, pp. 697-701. (2008)
[25]　Kashem S. B. A., Ektesabi M. and Nagarajah R., "Comparison between different sets of suspension parameters and introduction of new modified skyhook control strategy incorporating varying road condition", International Journal of Vehicle Mechanics and Mobility, vol. 50, no. 7, pp. 1173-1190, Jul. (2012)
[26]　Diaz-Choque C. S., Félix-Herrán L. C. and Ramirez-Mendoza R. A., “Optimal Skyhook and Groundhook Control for Semiactive Suspension: A Comprehensive Methodology”, Journal of Shock and Vibration., vol. 2021, Article ID 8084343. (2021)
[27]　Shahi S. K. and Baker J. W., “An Empirically Calibrated Framework for Including the Effects of Near-Fault Directivity in Probabilistic Seismic Hazard Analysis”, Bulletin of the Seismological Society of America, vol. 101, No. 2, pp. 742-755. (2011)
[28]　Shahi S. K. and Baker J. W., “An Efficient Algorithm to Identify Strong-Velocity Pulses in Multicomponent Ground Motions”, Bulletin of the Seismological Society of America, vol. 104, No. 5, pp. 2456-2466. (2014)
[29]　莊子霆、曾冠証、許丁友，「結合強震預警與之半主動滾動隔震支承研發」，中華民國力學學會第四十七屆全國力學會議，S052002 (CTAM 2023)。
[30]　陳克宜，「應用深度強化學習於地震特性控制模組與壓電式智能滑動隔減震系統之研發」，碩士論文，國立陽明交通大學土木工程研究所 (2022)。
[31]　林錦隆、張名斌，「半主動電磁式隔震系統之開迴路控制振動台試驗」，中華民國力學學會第四十七屆全國力學會議，S052001 (CTAM 2023)。
[32]　林錦隆、黃譯醇，「半主動電磁阻尼隔震系統之研發與性能驗證」，國家科學及技術委員會補助專題研究計畫報告 (2021)。
[33]　林錦隆、黃譯醇、李奕寰、林建佐，「具飛輪之電磁阻尼隔震系統之研發與效能驗證」，科技部補助專題研究計畫報告 (2020)。
[34]　林芃妤，「建築物隔震補強及其位移限制機制設計」，碩士論文，國立臺灣大學工學院土木工程學系 (2019)。
[35]　賴柏壬，「具離合器慣質設計之斜面滾動隔震支承研究」，碩士論文，國立臺灣科技大學營建工程系 (2023)。
[36]　王勝宣，「隔震系統最佳化設計流程及摩擦消能水平雙向隔震試驗之研究」，碩士論文，國立臺灣大學土木工程學研究所 (2014)。
[37]　宋柏賢，「考慮近斷層脈衝影響及地震雙向作用之鉛心橡膠隔震系統設計程序」，碩士論文，國立臺灣大學工學院土木工程學系 (2022)。
[38]　洪鎮韋，「具凸面導軌之雙向偏心滾動隔震系統機構開發與試驗驗證」，碩士論文，國立中央大學土木工程學系 (2023)。
[39]　陳鉅昌，「樓高放大地震加速度反應分析」，碩士論文，國立中興大學土木工程學系 (2000)。
[40]　梁家瑋，「利用初達波特徵推估最大樓板加速度反應之研究」，碩士論文，國立臺灣科技大學營建工程系 (2017)。
[41]　高培修，「黏滯型及摩擦型隔震系統消能參數之最佳化設計公式」，碩士論文，國立臺灣大學土木工程學系 (2011)。
[42]　D2T伺服馬達驅動器操作手冊，大銀微系統股份有限公司。
[43]　黃淨慧，「科技廠房之結構損傷探測分析」，碩士論文，國立交通大學土木工程系所 (2013)。

指導教授

賴勇安(Yong-An Lai)

審核日期

2024-7-29

推文