Thesis:

Experimental validation of the performance of the robust adaptive model-based compensator for real-time hybrid simulation

Uno de los objetivos de los ingenieros estructurales es predecir y comprender cómo se comportan las estructuras, y utilizar ese conocimiento para diseñar estructuras más seguras y calibrar los códigos de construcción. Aunque los modelos numéricos han mejorado considerablemente y representan un buen estimador del desempeño estructural, no pueden reproducir todas las complejas interacciones posibles, por lo que deben calibrarse mediante observaciones reales o ensayos de laboratorio, los cuales pueden ser costosos. La simulación híbrida en tiempo real es una técnica experimental que permite combinar modelos numéricos y experimentales utilizando sensores y actuadores. La idea principal es ensayar experimentalmente un componente de interés y su interacción con un modelo numérico que simula el resto de la estructura, lo que la convierte en una técnica confiable y rentable. Sin embargo, debido a la dinámica entre el actuador y la estructura, no todas las señales pueden ser controladas adecuadamente sobre el componente experimental, lo que introduce errores. Para mitigar estos errores, los investigadores han utilizado compensadores dinámicos que modifican las señales objetivo para contrarrestar la interacción entre el actuador y la estructura. Los compensadores clásicos suelen requerir pruebas e identificación de la dinámica del experimento, lo que da lugar a compensadores adaptados a parámetros específicos y, por tanto, poco prácticos para realizar múltiples experimentos distintos. Por otro lado, enfoques más modernos utilizan parámetros variables para adaptar el compensador al sistema, pero pueden volverse inestables. El AMBC (Compensador Adaptativo Basado en Modelos) es un compensador de parámetros adaptativos basado en modelos que incluyen la incertidumbre de los parámetros para garantizar robustez, y ha demostrado buen desempeño en simulaciones híbridas virtuales en tiempo real. Este estudio describe ensayos experimentales realizados para evaluar el desempeño del compensador adaptativo basado en modelos en una simulación híbrida en tiempo real de una estructura de tres pisos equipada con un amortiguador de masa sintonizado, y compara los resultados con los de un compensador tradicional de tipo feedforward. Los resultados mostraron que el compensador adaptativo basado en modelos superó al compensador feedforward en la mayoría de los escenarios probados, con mejoras promedio en el rendimiento de hasta 6 ms en el retardo promedio, 1.3% en el error RMS de sincronización, 6% en el error pico, y sin problemas de estabilidad.

One of the goals of structural engineers is to predict and understand how structures behave and use that knowledge to design safer structures and calibrate building codes. Even when numerical models have improved significantly and represent a good estimator of structural performance, they cannot reproduce all possible complex interactions and must be calibrated by real-life observations or laboratory tests, which can be expensive. Real-time hybrid simulation is an experimental technique that combines numerical and experimental models using sensors and actuators. The main idea is to experimentally test a component of interest and its interaction with a numerical model that simulates the rest of the structure, making it a reliable and cost-effective technique. However, due to the dynamics between the actuator and the structure, not all signals can be properly controlled over the experimental component, introducing errors. To mitigate these errors, researchers have used dynamic compensators that modify the target signals to overcome the interaction between the actuator and the structure. Classical compensators typically require testing and identification of the experiment dynamics, making them tailored to specific parameters and therefore impractical for conducting multiple different experiments. On the other hand, more modern approaches use variable parameters to adapt the compensator to the system, but they can become unstable. The AMBC (Adaptive Model-Based Compensator) is an adaptive parameter compensator based on models that include parameter uncertainty to ensure robustness, and it has shown good performance in virtual real-time hybrid simulation. This study describes experimental tests conducted to assess the performance of the adaptive model-based compensator in a real-time hybrid simulation of a three-story structure equipped with a tuned mass damper and compares the results against a traditional feedforward compensator. Results showed that the adaptive model-based compensator outperformed the feedforward compensator in most of the tested scenarios, with average improvements of up to 6 ms in delay, 1.3% in synchronization RMS error, 6% in peak error, and no stability issues.