In this study, a theoretical investigation of optimized sleeper spacing which can suppress resonances of a railway track is attempted. To achieve this, we introduced a minimization problem in which the objective function is given by the wave transmittance and the design variable is defined by sleeper distribution. In the analysis the rail is modeled by a Timoshenko beam and the sleeper is represented by a mass. The infinite track analysis is realized by attaching the transmitting boundaries at both ends of the finite optimization region. Through numerical analyses the sleeper spacing effective in reduction of the transmittance is discussed. Furthermore, the feasibility of the proposed method is validated in the aspect of vibration reduction through response analyses for a harmonic load.

불확실성을 가지는 하중의 변동성을 고려한 구조제어시스템의 최적설계방법에 관하여 연구하였다. 일반적인 제어시스템의 설계 문제가 구조물과 제어시스템간의 상호작용 고려하여 구조-제어 시스템을 최적화이나, 이 연구에서는 하중-구조물-제어 시스템간의 상호작용에 대한 최적설계방법에 관하여 다루었다. 구조물의 응답을 최대화하는 하중과, 이를 최소화하는 구조제어시스템을 동시에 구하는 최대-최소문제(Min-max Problem)를 정식화하고, 최적설계변수를 효율적으로 찾는 방법으로 병렬진화 알고리즘을 이용하여 불확실성이 존재하는 선형구조제어시스템의 최적설계방법을 제시하였다. 지진하중을 받는 구조물의 제진시스템 설계 예 및 수치해석을 통하여 연구한 방법의 타당성을 검증하였다.

On cold start operation of an SI engine, a catalyst shows poor performance before it reaches activation temperature. Therefore, fast warmup of the catalyst is very crucial to reduce harmful emissions. In this study, an appropriate control strategy is investigated to increase exhaust gas temperature through changes of spark timing and exhaust valve timing. Combustion stability is also considered at the same time. Experiments showed that retarded spark timing promotes the combustion at the end of expansion stroke and increases exhaust gas temperature during cold start.An advance of exhaust valve timing decreases residual gas in cylinders due to decrease of valve overlap period. It helps improvement combustion stability by virtue of reduced residual gas. A control strategy of proper valve timing and spark timing is suggested in order to achieve fast light-off of the catalyst and stable operation of the engine in a cold start and idle operation

본 논문의 목적은, LQR 제어이득의 효율적 산정에 의한 지진하중을 받는 빌딩 구조물의 능동지진제어를 위하여 능동텐던 장치를 적용한 구조물의 지진응답제어를 위한 최적화 방법을 제시한 것이다. 텐던을 이용한 구조물 지진응답제어 문제의 정식화를 위해 Ricatti 폐회로 제어이론 및 위상보정에 의한 시간지연현상을 도입하였으며, 상태방정식의 해를 산정하기 위해 전달 행렬을 이용한 수치해석법을 이용 사다리꼴적분법에 의해 상태벡터의 해를 산정하였다. 성능지수의 최적화를 위해, 최소 가중행렬비를 설계변수로, IBC 2000의 허용층간변위 규정과 텐던의 최대제어력을 제약조건으로 하여, SUMT 기법에 의해 최적 해를 산정토록 최적제어 프로그램을 개발하였다. 8층 빌딩구조물에 대한 적용 예에서, 최적제어를 적용한 시스템이 비제어 시스템에 비해 층간제어효과가 우수하고, 일정 가중행렬비 적용 제어시스템에 비해 낮은 성능지수가 요구되었다.

저자는 기존의 연구에서 대용량-비선형성을 가지는 유체의 최적화를 수행하기 위해 몇 가지 강력한 방법들을 제시한 바 있다. 즉, 최적화 과정에서 수렴성을 높이기 위해 step by step기법을 사용하였고, 또한 수렴속도를 높이기 위하여 최적화이터레이션 과정에서 얻어지는 민감도정보를 이용하여 시스템 평형방정식의 해석을 위한 좋은 초기치를 제공하는 방법과, 평형방정식을 구속조건으로 사용하는 동시기법(simultaneous technique)에서 착안하여 해석과 최적화 수렴 판정치를 조작하는 방법을 제시한 바 있다. 그러나 그들 기법은 기본적으로 유사뉴턴법에 기본을 두고 있다. 현재까지 최적화에서 SQP기법을 사용할 때는 정확한 헤시안 매트릭스의 유도가 매우 까다롭고 힘들기 때문에 유사뉴턴법을 사용하고 있는 실정이다. 그러나 3차원 문제와 같이 더욱 큰 용량의 문제를 위해서는 진정한 의미에서의 뉴턴법, 트루 뉴턴법(true Newton method)을 사용할 필요가 있다. 본 연구에서는 트루 뉴턴법을 사용하기 위해 헤시안 매트릭스의 정확치를 얻는 과정을 유도하고 이를 기본으로 트루 뉴턴법을 이용한 최적화 루틴을 만들었다. 그리고 이를 3차원 문제에 적용하여 그 효과를 검증하였다.

본 연구의 최종 목적은 유체가 빠른 속도로 가해지는 물체의 경계면에서 흡입(suction) 혹은 방출(injection)을 통해 유체를 제어함으로 드래그(drag)를 감소하고자 하는 것이다. 그러나 유체는 대용량, 비선형성을 가지고 있어서 직접적인 해석은 물론, 최적화를 적용한다는 것은 매우 어려운 일이다. 이를 위해 우리는 새로운 알고리즘과 기법들을 개발하였다. 본 연구에서는 이 기법들에 대한 검증을 하고, 나아가 최적화 기법을 사용하여 드래그를 감소하기 위해 흡입량과 방출량을 구하였다. 그리고 이 흡입과 방출을 가할 수 있는 구멍의 수와 위치에 따른 변화를 알아보았다. 본 연구에서 개발된 알고리즘과 기법들을 사용하였을 경우, 기존에는 해결 할 수도 없었던 문제를 가능하게 만들었으며, 기존에 저자가 1차로 개발한 바 있는 방법에 비해서도 더욱 효과적이라는 것을 입증하였다. 그리고 드래그 감소라는 차원에서 본다면 흡입과 방출을 가할 수 있는 구멍의 숫자가 많을수록 효과가 높으나 그다지 많은 수를 필요로 하지 않는다는 것을 알게 되었으며, 구멍의 위치는 유체의 경계층이 분리되는 약간 아래가 가장 최적의 위치라는 것을 알게 되었다.

바람에 저항하는 초고층 건물, 비행기나 자동차, 물에 저항하는 선박 등은 동일한 거동을 보여준다. 즉, 유속이 빨라 질경우, 건물 혹은 비행기, 자동차, 선박 뒤편에는 마이너스 압력과 와류가 발생하게 되는데 이로 인해 건물에서는 변위가 크게 발생하게 되고, 비행기나 자동차, 선박 등에서는 속력이 저하된다. 본 연구에서는 흡입과 방출이라는 기법을 이용하여 유체의 흐름을 우리가 원하는대로 적극적으로 제어하고자 한다. 그렇게 할 수만 있다면 초고층 건물에서의 변위를 대폭 줄일 수 있을 것이고, 자동차나 비행기 선박 등은 더 빠른 속도로 달릴 수 있을 것이다. 그렇다면 문제는 유체를 제어하기 위한 최적의 흡입 혹은 방출량을 구하는 것이고, 이 최적의 양들을 어떤 방법으로 구하는 것이냐 하는 것이다. 본 연구는 최적화 기법을 사용하여 Navier-Stokes 유체를 받는 물체의 표면에서 최적의 흡입, 그리고 방출량을 결정하려는 시도에서 출발하였다. 그러나 이 문제는 큰 Reynols Number 상태에서는 높은 비선형성으로 인하여 직접 한번에 Navier-Stokes 유체의 해석조차 불가능하였고, 더군다나 너무나 많은 변수로 인하여 기존의 방법으로는 최적화는 도저히 불가능 하였다. 본 연구에서는 이를 해결하기 위한 최적화 알고리즘을 제안하고, 또한 수렴속도도 대폭 증가시키기 위한 매우 효율적인 몇 가지 방법들을 제안하였다.

Optimal weighting matrix in LQR method for determining sliding surfaces is proposed for different types of sliding mode controllers (SMC). In order to identify the control performance variation of SMC accorcling to the dynamic characteristics of sliding surfaces, parametric study is performed for single-degree-of-freedom (SDOF) systems and control force limit is considered. Also, based on the results from SDOF systems，a procedure for optimal weighting matrix is proposed for multi-degree-of-freedom systems. Numerical analyses show that the SMC using proposed weighting matrix provide better control performance than the existing SMC, and it uses less control energy.

이 연구에서는 인접한 두 빌딩의 진동제어를 위한 방법으로 선형 점성 감쇠기의 위치별 용량의 최적설계방법을 제시하고자 한다. 기존 연구들에서는 감쇠기의 균등분포 또는 층별 감쇠비의 민감도에 비례하는 분포의 가정 하에서의 준최적(suboptimal) 설계문제를 다룬 반면, 이 연구에서는 감쇠기의 위치별 용량을 독립적인 설계인자로 고려함으로써 전역 최적해를 결정하는 최적화기법을 다루었다. 이를 위하여 넓은 영역에서 다수의 설계변수를 효율적으로 검색할 수 있는 유전자 알고리즘(genetic algorithm)을 도입하였으며, 제어 성능 및 감쇠용량에 대한 목적함수의 정의를 달리함으로써 얻어지는 여러 최적설계 결과를 상호 비교하여 보다 최적의 해를 구할 수 있는 목적함수를 정립하였다. 기존 연구결과와의 제어성능 및 감쇠용량의 비교를 통하여 제시하는 방법의 효율성을 검증하였다. 아울러 서로 상이한 주파수 성분을 띄는 실제 역사지진에 대한 시간이력해석을 통하여 제시하는 방법이 인접 구조물의 효과적인 제진설계방법이 될 수 있음을 입증하였다.

이 논문에서는 서로 다른층 높이를 갖는 인접한 두 빌딩의 내진성능을 효율적으로 향상시킬 수 있는 선형 점성 감쇠기의 최적 설계방법을 제시하고자 한다. 이를 위하여 층간 대각 브레이싱 형태의 에너지 소산장치 연결방법과 인접 구조물간 에너지 소산장치 연결방법을 고려하였으며, 두 가지 연결방법을 적용한 시스템에 대한 감쇠용량별 주파수응답함수 비교를 통하여 구조물간 연결방법의 효율성을 확인하였다. 아울러 구조물간 연결방법에서 주파수응답함수를 최소화하는 최적 감쇠용량이 존재하는 것을 보이고, 최적 설계된 시스템에 대하여 감쇠용량별 구조물의 고유주파수 및 등가감쇠비의 민감도를 분석하였다. 민감도 분석 결과로부터 고층부에 설치되는 에너지 소산장치가 구조물의 등가 감쇠비를 효율적으로 증가시키는 것을 확인하였다. 따라서 민감도에 비례하는 새로운 감쇠기 설계방법을 제시하고, 대각 브레이싱 연결방법과 구조물간 연결로서 균등분포 및 제시하는 민감도 기반 분포에 따른 연결방법을 적용한 시스템들의 내진성능을 비교 분석하였다. 지진응답의 비교결과, 제시하는 방법이 인접 구조물의 효과적인 내진설계방법이 될 수 있음을 입증하였다.

The purpose of this paper is to determine the optimal placement of MR dampers for the vibration control of building structures. The dynamic characteristics of Bingham model, Simple Bouc-Wen model, Simple Bouc•Wen model with Mass Element and Spencer model for the modeling of MR dampers, were investigated. By performing the numerical analysis of SDOF system excited by harmonic, white noise, and seismic load, the type and amplitude of excitation which are important design factors of MR dampers were considered. Finally, Four cases for placement of MR dampers installed at 20-story building structure were considered and the corresponding results indicate that the case installing MR dampers sequentially at the story with maximum inter-story drifts provides the best performance.

이 연구에서는 지진하중을 받는 빌딩구조물에 대한 복합구조제어시스템의 최적설계방법을 제시한다. 복합구조제어시스템의 설계는 구조물의 부재뿐만 아니라 수동제어시스템 및 능동제어시스템의 용량 및 위치 최적화 과정으로 정의된다. 최적설계는 이 연구에서 제안된 다단계 목표계획법(Multi-Stage Goal Programming)을 이용하여 최적화문제를 정식화하고 목표갱신 유전자알고리즘(Goal-Updating Genetic Algorithm을 적용하여 합리적인 최적화를 진행해가는 과정으로 구성된다. 다단계 목표계획법에서는 구조물의 층간 상대변위와 제어시스템의 용량에 대한 설계목표를 여러 단계로 선정하고, 각 물리량과 설계목표간의 정규화된 거리 합으로서 목적함수를 정의한다. 목표갱신 유전자알고리즘은 각 단계별 설계목표를 만족하는 최적해를 검색하고, 현 단계의 모든 설계목표를 만족하는 최적해가 존재할 경우 설계목표를 순차적으로 갱신함으로써 보다 상위수준의 설계목표로 접근해 나아간다. 지진하중을 받는 9층의 빌딩구조물에 대한 수치 예를 통하여 복합구조제어시스템의 통합최적설계 과정을 기술하였고, 구조부재, 수동 및 능동제어시스템이 균등분포된 구조물과 최적 설계결과를 비교하여 제시하는 방법의 효율성을 검증하였다.

본 연구의 목적은 Navier-Stokes 유체와 같은 대용량 문제를 위한 최적화 기법의 개발에 있다. 이를 위해 본 연구에서는 reduced Hessian sequential quadratic programming을 개발하였다. 첫째, 유체의 해석을 위한 평형 방정식을 최적화 과정에서 제거하여 변수를 줄였고, 또한 평형방정식과 최적화 과정에서 연속기법을 사용하여 최적해를 보장하면서 더욱 해에 쉽게 접근하도록 하였다. 그리고 각 단계에서는 테일러 시리즈를 이용한 근사치를 이용하여 각 단계에서 대단히 좋은 초기치 값을 제공하여 최적해에 더욱 빠르게 접근하게 하고 아울러 유체의 평형방정식을 풀 때에도 해에 더욱 빠르고 쉽게 접근하도록 하였다. 이 기법을 항력을 줄이기 위한 유체의 최적 제어를 위한 문제에 적용하였다. 유체의 흐름을 제어하기 위하여 물체의 경계면에서 유체의 흡입(suction)과 방축(injection)이라는 기법을 사용하여 경계면에서 속도를 제어하였고, 목적함수로써 항력을 표현하기 위하여 에너지 소실의 변화율을 사용하였다. 예제를 통해 본 연구에서 개발한 최적화 기법의 효용성을 입증하였다.

다양한 평면변형률 시편들의 균열선단 탄소성 응력상태들에 대한 경우, 여러 연구들을 동해, J-T접근방법의 유효 타당성이 충분히 검증되어졌다. 그러나 J-T 두 변수에 의한 균열선단 응력장 예측의 타당성을 보편화시키기 위해서는, 평면변형률 시편들과 같이 이상화된 구조가 아닌 실제적인 3차원 구조형상에 대한 연구가 필요하다. 이를 배경으로 본 연구에서는 평판과 직관에 대해 완전 3차원 유한요소해석을 수행하여 얻어진 응력장과 계산된 J-T두 변수로 예측되는 응력장을 비교함으로써, J-T 접근방법의 유효성 내지 한계성을 규명하였다.

복합구조제어시스템의 동시최적설계방법에 관하여 연구하였다. 여기에서는 수동제어장치 뿐만 아니라 능동제어장치의 배치와 용량, 제어기 등이 설계변수가 되며 설계인자들의 만족도를 나타내는 선호도함수를 정의하여 이를 이용하여 최적화문제를 정식화한다. 또한 수동 및 능동제어장치의 설계변수로부터 동시에 최적해를 찾아내기 의한 수치적 방법으로 유전자알고리즘을 사용하였다. 지진하중을 받는 다자유도 구조물의 설계에 및 수치모사를 통하여 제안한 방법의 타당성을 검증하고자 하였다.

본 논문에서는 BLDC 서보모터의 속도 제어성 향상을 위해 속도제어계에 2자유도 적분형 최적 제어법을 적용하고 그 결과를 기존의 PI제어계 및 2자유도 PI제어계와 비교하였다. 2자유도 적분형 최적제어법은 PI제어법이 갖는 지령치 추종특성과 외란 억제특성간의 트레이드오프 문제를 해결하고, 제어계의 최적성을 확보하고자 도입되어졌으며, 시뮬레이션과 실험을 통해 그 유효성을 고찰하였다. 시뮬레이션을 통해 얻은 결과는 다음과 같다. (1) 2자유도 적분형 최적제어계는 PI제어계에 비해 양호한 지령치 추종성과 외란 및 모델링 오차제거 특성을 보였다. (2) 2자유도 적분형 최적제어계는 제어파라미터인 하중행렬 Q, R 및 W에 대한 제약요건이 없을 경우, 모터의 정격조건 하에서 이들을 적절히 설정함으로써 2자유도 PI제어계보다도 양호한 지령치 추종성과 외란 및 모델링 오차 제거 특성을 얻을 수 있다. (3) 2자유도 적분형 최적제어계는 인가전압 및 전류의 크기를 2자유도 PI제어계의 그것과 동일하게 제약할 경우 2자유도 PI제어계에 비해 지령치 추종에 관한 정정시간 외에는 그다지 우수한 성능을 보이지 않았다. 또한, 실험을 통해 고찰한 PI 및 2자유도 PI제어계의 속도추종성능은 시뮬레이션 결과와 거의 동일하였다. 2자유도 적분형 최적제어계에 대한 실험결과는 논문에 나타내지 못하였으나, PI및 2자유도 PI제어계의 실험결과에서 알 수 있듯이 2자유도 적분형 최적제어계도 시뮬레이션 결과와 같은 경향을 보일 것으로 사료된다. 따라서, 본 논문에서 검토된 방법은 기존의 PI 제어계가 갖는 지령치 추종과 외란억제의 트레이드오프 문제를 상당부분 해결 가능할 것으로 보인다. 또한, 일정의 부하외란 및 모델링 오차내에서는 2자유도 PI제어계 보다 나은 제어성능을 보여 BLDC 모터의 속도 제어성 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대가 된다. 향후, 2자유도 적분형 최적제어계의 실험결과를 통한 엄밀한 제어성능검증과 스텝외란 외의 주기성 외란 인가시 2자유도 적분형 최적제어계의 외란제거 방안 등이 검토되어야 할 것으로 사료된다.

제어봉 구동장치(CEDM)의 동적거동은 원자로의 동적거동과 연동되어 있어, 두 구조물 간의 상호 동적 특성을 이해한 후 CEDM의 설계 개선 방향을 정립해야 한다. 원자로와 CEDM을 각각 1차 질량 및 2차 질량으로 하는 2 자유도계로 단순화하여 상호 동적 영향을 검토하고, 두 질량의 응답을 모두 감소시키는 최적의 .mu.-f곡선을 제시하였다. 설계 개선은 고유진동수비 f를 가능한 0.93부근으로 수렴시켜야 하며, 질량비 .mu.는 감소시키지 않아야 하고, 제시된 최적의 .mu.-f곡선에 접근시키는 방향으로 해야 함을 제안하였다. 이에 따라 CEDM의 부품들의 설계를 최적화하여 원자로와 CEDM의 변위 응답비를 각각 10.5-19.7%와 6.3-3.4%씩 모두 감소시킬 수 있었다.

이상과 같이 엑튜에이터의 동특성 해석을 행하고 PID 제어기 및 최적 제어기를 설계하여 응답시뮬레이션을 한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 1) 엑튜에이터 부의 시정수는 엔진 부의 시정수에 비해 아주 작아 생략하여 제어계를 구성할 수 있다. 2) 한계 감도법에 의해 PID 제어기를 시뮬레이션 한 결과 PID 제어 가버너는 전반적으로 오버슈트가 크고 중속 및 고속 상태에서는 정정시간이 비교적 짧지만 저속에서는 정상 상태에 도달하는데 상당한 시간이 걸린다. 3) 중량 matrix를 적당히 선택하여 최적 피이드 백 게인을 구한 후 마이크로 프로세서에 저장하여 제어기를 구성하면 PID 제어기 보다 양호한 응답 특성을 갖는 제어기를 설계 할 수 있다.