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高层建筑结构振动半主动控制系统研究

李江  
【摘要】: 结构振动半主动控制是目前性能价格比最高、最具工程应用前景的一种结构控制方法。它既可以克服主动控制需要大量外部能源的缺点,又基本沿用被动控制措施,同时具有良好而可靠的控制效果。这是一个跨学科的前沿研究领域,它不仅涉及土木与防灾等工程学科,还涉及自动控制、材料、电子、计算机等自然科学的众多学科。虽然目前出现了多种控制方法和控制装置,但是由于土建结构振动控制问题的特殊性和复杂性,使得许多理论研究成果无法应用于工程实践当中。因此,在理论研究和试验验证的基础上,结合结构工程实际,并借鉴其它相关学科的最新研究成果,开发适用于土木工程结构的半主动控制系统是使这一技术最终得到工程应用的关键所在。在这方面进行深入研究是具有重要理论价值和工程实用价值的。 本文在充分借鉴现代控制理论、智能控制理论、系统辨识技术、计算智能方法、新材料技术的基础上,结合土建结构工程实际,进行了较完整的高层建筑结构振动半主动控制系统理论研究和试验分析,对目前半主动控制中存在的主要问题分别提出新的解决方案。其中主要的创造性工作包括: 1.明确“延性结构”抗震设计与振动控制技术的关系,提出高层结构振动半主动控制设计流程,对半主动控制系统的工程应用具有一定参考价值。同时编制了高层结构AVS/D控制系统设计及分析软件,使这一系统的设计工作变得简单易行。 2.提出时变结构的ANN在线自适应模型跟踪辨识方法。这种方法把真实结构分成机理模型部分和时变误差模型部分。机理模型部份根据符合结构实际情况的计算模型离线确定;误差模型则利用动态递归网络的系统辨识能力采用一个小规模的网络在线跟踪辨识。仿真计算结果表明,这种方法概念清晰,计算精度高、时间短,能够真实反映时变结构的动力特性,适用于结构振动控制和健康监测中。 3.提出时变结构的GA在线自适应参数跟踪辨识方法。这种方法基于自适应跟踪辨识思想,对一般遗传算法进行诸多改进,利用了根据现有知识形成的机理模型,在线计算时只辨识误差模型参数,并对机理模型进行在线滚动修正,极大地缩小了GA算法搜索范围,减小了在线计算量,使之满足在线进行的实时性要求。这种方法概念清晰,计算精度高、时间短,能够真实反映时变结构的动力特性,适用于结构振动控制和健康监测中。 4.提出多种群GA算法,并在此基础上进行了高层结构半主动控制作动器优化设计。这种方法成功解决了多目标函数的联合优化问题,实现了在达到某一控制设计目标的前提 WP=5 下,同时得到作动器的最优位置和参数。仿真分析表明,利用本文方法可进行主动控制系统和半主动控制系统的各种作动器在不同振动控制设计目标下的优化设计,计算时间短,可靠性高,适合工程实际应用。 5.提出GA自校正开关控制律。这一算法基于自校正控制思想,在线辨识被控对象模型,根据对象当前数学模型对控制算法进行修正,使系统保持最优控制状态。其中控制器根据GA算法进行设计,克服了瞬时最优算法在线计算量大的缺点。辨识器采用GA在线自适应参数跟踪辨识技术,可以更精确地辨识复杂时变结构误差模型参数。仿真分析表明,这种方法保证了系统控制鲁棒性,控制效果好,在线计算时间短,适合在高层结构开关型半主动控制系统中采用。 6.在理论研究和计算机仿真分析的基础上,进行了AVS/D智能控制系统振动台试验。与以往进行的半主动控制试验相比,本次试验实现了对模型全部自由度的AVS/D智能控制,这在国内尚属首次。通过试验验证了AVS/D控制系统的实际可行性和控制能力,为这一系统的工程实用奠定了基础。 7.以某高层框架结构为例,进行了完整的高层结构AVS/D控制系统仿真设计及分析。在计算中同时考虑了土—结构相互作用和结构参数时变,使分析更接近实际工程情况。通过计算和分析,证明了本文提出的设计流程、系统模型在线建立方法、参数模型在线建立方法、作动器优化设计方法和半主动控制算法的可行性和正确性。


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