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基于遗传算法的连续变刚度控制系统研究

陈芳  
【摘要】:半主动变刚度控制是半主动控制的经典控制方式之一,结合了被动控制和主动控制的优点,具有耗能小、稳定性好等优点,是目前振动控制在土木工程领域应用的前沿性课题。半主动控制系统研究一般分为控制装置和控制算法的研究。对于半主动控制系统而言,控制算法如何设计是整个控制系统设计中重要的环节,直接影响着系统的综合性能。由于传统控制算法需要冗长的分析或复杂的计算,需要建立精确的数学模型,结构模型具有高度的非线性,则传统的控制算法很难搜寻到最优解,而遗传算法提供一种求解复杂系统优化问题的通用框架,在求解空间内以问题编码,由编码串接成群体,模拟生物“优胜劣汰”的进化过程,达到提高最优解搜索效率的效果,无需依赖精确的数学模型,具有响应快等优点,可以有效解决这一问题。 鉴于此,本文拟以遗传算法理论为基础,以Matlab语言为工具,实现连续变刚度控制算法的设计。针对连续变刚度控制系统,文中以附加刚度值作为求解问题的“染色体”,二进制编码方式,设计并改进适应度函数以及遗传操作因子(包括选择、交叉、变异)等的制定来完成控制算法的设计,达到提高遗传算法的收敛速度搜索最优问题解,来实现控制作用与结构瞬时状态之间连续精确匹配的目的。最后以一钢筋混凝土建筑结构和一座简支梁桥为工程背景,应用上述研究成果,进行仿真分析。 本文主要在以下几个方面开展了研究工作: 1).文中分析了传统半主动变刚度控制的存在问题:抑振频带过窄,适用范围具有局限性;其次传统变刚度系统采用开关控制算法,在控制作用与结构瞬时状态之间实现的是一种粗略匹配而不是连续的精确匹配,导致不能充分发挥控制系统的效率。 2).文中针对传统半主动变刚度控制的不足,提出了连续变刚度控制算法,引入遗传算法,文中对附加刚度值进行基因编码,模拟自然选择和遗传进化在定义域内搜索最优解。该算法实现了相对位移和绝对加速度两个控制性能指标同时达到控制效果的目的。并且改进了适应度函数的设计,提高了遗传算法的收敛速度。 3).以Matlab语言为工具,编写完成控制算法的程序,以及系统动力反应的数值分析程序(Newmark-β法),最后结合一栋六层框架模型验证该程序的正确性以及控制效果。仿真程序结果显示,对于相对位移和绝对加速度性能指标同时达到了控制。说明采用遗传算法对半主动变刚度控制结构的寻优是可行的,验证了连续变刚度控制算法的有效性。 4).以简支桥梁模型为例,进行横向振动控制。分别从无控、传统变刚度控制(Lqr控制算法)以及连续变刚度控制这三种情况在相同地震作用条件下采用时程分析法进行地震响应比较分析,仿真结果获得了满意的结果,表明该算法在桥梁振动控制中也具有一定的应用价值。


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