초고층 동조질량감쇠기(TMD) 자기유변(MR) 유체 & 1,000Hz 0-Alloc C# 스카이훅(Skyhook) 지진·태풍 방재 서보 제어기

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Runtime.InteropServices;

namespace ZeliDesk.Defense.StructuralPhysics
{
    /// <summary>
    /// 초고층 상층부 지진 가속도 및 TMD 레이저 계측 센서 프레임
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 8)]
    public readonly struct StructuralSensorFrame
    {
        public readonly double TimestampSeconds;
        public readonly double StructureAccel_m_s2; // 건물 상층부 수평 가속도 (m/s^2)
        public readonly double TmdRelativeDispMeters;// TMD 상대 변위 (m)
        public readonly double WindSpeed_m_s;        // 순간 풍속 (m/s)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public StructuralSensorFrame(double timestamp, double accel, double disp, double wind)
        {
            TimestampSeconds = timestamp;
            StructureAccel_m_s2 = accel;
            TmdRelativeDispMeters = disp;
            WindSpeed_m_s = wind;
        }
    }

    /// <summary>
    /// MR 댐퍼 코일 전류 지령 출력 프레임
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 8)]
    public readonly struct TmdMrControlOutput
    {
        public readonly double StructureVelocity_m_s; // 추정 건물 속도 (m/s)
        public readonly double RelativeVelocity_m_s;  // 추정 TMD 상대 속도 (m/s)
        public readonly double CommandedCoilCurrentAmps; // MR 코일 지령 전류 (0 ~ 2.0A)
        public readonly double CommandedDampingForceKn;// 지령 감쇠력 (kN)
        public readonly bool IsSkyhookActive;         // 스카이훅 댐핑 작동 플래그

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public TmdMrControlOutput(double vs, double vrel, double current, double force, bool active)
        {
            StructureVelocity_m_s = vs;
            RelativeVelocity_m_s = vrel;
            CommandedCoilCurrentAmps = current;
            CommandedDampingForceKn = force;
            IsSkyhookActive = active;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 0-Alloc C# 초고층 동조질량감쇠기(TMD) 스카이훅 MR 서보 엔진
    /// </summary>
    public ref struct TunedMassDamperSkyhookServoEngine
    {
        private const double Csky = 250000.0;          // 스카이훅 가상 감쇠 계수 (N*s/m)
        private const double MaxCoilCurrentAmps = 2.0; // 최대 코일 전류 2.0A
        private const double MaxDampingForceKn = 450.0;// 최대 MR 감쇠력 450 kN

        private double _structureVelocity;
        private double _lastRelativeDisp;
        private double _lastTimestamp;
        private bool _isInitialized;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void Initialize()
        {
            _structureVelocity = 0.0;
            _lastRelativeDisp = 0.0;
            _lastTimestamp = 0.0;
            _isInitialized = true;
        }

        /// <summary>
        /// 1,000Hz(1ms 주기) 가속도-변위 계측 기반 스카이훅 MR 댐퍼 제어 틱
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public TmdMrControlOutput ProcessTick(in StructuralSensorFrame frame)
        {
            if (!_isInitialized)
            {
                Initialize();
            }

            double dt = frame.TimestampSeconds - _lastTimestamp;
            if (dt <= 0.0 || dt > 0.01) dt = 0.001; // 1ms 기본 주기
            _lastTimestamp = frame.TimestampSeconds;

            // 1. 가속도 적분을 통한 건물 상층부 절대 속도 추정 (고역통과 누설 적분기로 DC 드리프트 제거)
            _structureVelocity += frame.StructureAccel_m_s2 * dt;
            _structureVelocity *= 0.9992; // 누설 감쇠

            // 2. 상대 변위 차분을 통한 TMD 상대 속도 산출
            double relativeVelocity = (frame.TmdRelativeDispMeters - _lastRelativeDisp) / dt;
            _lastRelativeDisp = frame.TmdRelativeDispMeters;

            // 3. 스카이훅 제어 판정: v_structure * v_relative > 0
            bool isSkyhookCondition = (_structureVelocity * relativeVelocity) > 0.0;

            double targetForceN = 0.0;
            double targetCurrentAmps = 0.05; // 최소 오프셋 바이어스

            if (isSkyhookCondition)
            {
                // 원하는 스카이훅 감쇠력: F = C_sky * v_structure
                targetForceN = Csky * Math.Abs(_structureVelocity);
                targetForceN = Math.Clamp(targetForceN, 0.0, MaxDampingForceKn * 1000.0);

                // MR 댐퍼 역특성 전류 매핑: I ~ (F / F_max) * I_max
                targetCurrentAmps = (targetForceN / (MaxDampingForceKn * 1000.0)) * MaxCoilCurrentAmps;
                targetCurrentAmps = Math.Clamp(targetCurrentAmps, 0.05, MaxCoilCurrentAmps);
            }

            return new TmdMrControlOutput(
                vs: _structureVelocity,
                vrel: relativeVelocity,
                current: targetCurrentAmps,
                force: targetForceN / 1000.0,
                active: isSkyhookCondition
            );
        }
    }
}