（岩土工程专业论文）加入磁流变阻尼器结构的模糊逻辑半主动控制.pdf

辽j ti 科技术入学硕士学位论文 摘要 本文首先对结构振动控制中的各种控制策略和控制装置 的研究问题进行了剖析。利用m a t l a b 及s i m u l i n k 软件包考 虑结构的线性和非线性情况建立r 水平双向地震作用下结构 的动力反应仿真分析模型以此来取代常规的动力反应时程分 析方法，并对模型有效性进行了验证；为了较为精确地控制 加入磁流变阻尼器的结构，能够瞬时的做出控制决策，引入 模糊逻辑个态控制方法，确定出控制磁流变阻尼器的输入电 流的模糊逻辑控制器；根据受控结构体系的状态方程和本文 建立的结构动力反应仿真分析模型，在s i l n u l in k 环境卜设计 和建立了m r 阻尼器半主动控制仿真模型；最后本文对算例结 构输入双向地震波进行仿真，证明了所建模犁和所应用控制 方法的有效性。 关键词：磁流变阻尼器；半主动控制；模糊拿态控制；扭转； 非线性； 辽。j 1 程技术人学硕士学位论文 a b s t r a c t f i r s t l yt h ep a p e rh a sc a r r i e do nt h ea n a l y s i sa b o u tk i n d so f c o n t r o l s t r a t e g y a n dt h ec o n t r o li m p l e m e n ti nt h ef i e l do f s t r u c t u r ev i b r a t i o nc o n t r 0 1 t h e nt h em o d e lo fn u m e r i c a l s i m u l a t i o no fs t r u c t u r ev i b r a t i o nc o n t r 0 1c o n s i d e r i n gt h e1 i n e r a n dn o n l i n e a ra sas u b s t i t u t i o n0 ft h ec o n v e n t i o n a ld y n a m i c r e s p o n s e t i n l ci n t e r v a la n a l y s i sm e t h o d ，i sc o n s t r u c t e db ya s i m u l a t i o nt o o li nm a t l a bc a l l e ds i m u l i n k a n dt h ev a l i d i t yo f t h i sm o d e lh a sb e e nc o n f i r m e d ；i no r d e rt op r e c i s e l yc o n t r o lt h e s t r u c t u r ea d d i n gt h em a g n e t o r h e o l o g i c a ld a m p e ra n db ea b l et o m a k et h ec o n t r o ld e c i s i o ni n s t a n t l y ，t h e f u z z yl o g i c a l e n t i r e c o n d i t i o nc o n t r 0 1w a si n t r o d u c e da n dd e t e r m i n e st h ec o n t r o l l e r d e c i d i n gt h ei n p u te l e c t r i cc u r r e n to fm rd a m p e r a c c o r d i n gt o t h es t a t u s e q u a t i o no ft h e s t r u c t u r e c o n t r o l l i n gs y s t e m a n d d y n a m i cr e s p o n s es i m u l a t i o na n a l y s i sm o d e le s t a b l i s h e di nt h i s a r t i c l e i d e s i g n e d a n de s t a b “s h e ds e m i a c t i v ec o n t r o l s i m u l a t i o nm o d e lu s i n gt h em rd a m p e ru n d e rt h es i m u l i n k e n v ir o n m e n t f i n a l l yt h i sp a p e rc a l c u l a t e dt h ee x a m p l es t r u c t u r ei n p u t b i d i r e c t i o n a le a r t h q u a k ew a v ea n dc a r r i e so nt h es i m u l a t i o n ，p r o v e dt h e v a l i d i t yo f t h em o d e la n dt h ec o n t r o lm e t h o d k e yw o r d s ：t h em rd a m p e r ；s e m i c o n t r o l ；t h ef u z z ye n t i r ec o n d i t i o n c o n t r o l ；t w i s t ；n o n l i n e a r ； 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 地震中建筑物的大量倒塌和破坏给人民生命财产安全、社会政治 经济发展带来了巨大的危害。因此，研究更加安全、经济、可靠的结 构体系成为工程结构抗震领域的重要课题。 传统的结构抗震策略是单纯依靠加大构件尺寸、采用新型材料 ( 如高强混凝土) 和允许结构在强震作用下产生塑性变形来消耗地震 动对结构输入的能量，以保证结构在大震作用下不致倒塌。在这种设 计思想的指导下，设计人员依靠增加结构的刚度和结构的延性来达到 抗震设防“三水准”的要求。当结构遇到强震作用时，结构构件和非 结构构件因滞回耗能已产生了较大的塑性变形，很难修复，社会经 济损失仍不可避免。为了保证各种高科技设备的正常运转，对建筑结 构各楼层加速度响应的大小也有了更为苛刻的要求。而且由于荷载的 不确定性，这种方法也难以达到预期的效果。于是，土木工程结构迫 切需求一种新的抗震技术来改变结构在地震动时的刚度及阻尼特性， 使结构具自适应的功能，以保证结构的安全。 1 1 结构振动控制研究概况 结构振动控制是指利用传统的控制方法或智能控制理论，在结构 特定部位设置某种控制装置、或某种机构、或某种子结构或施加外力， 改变或调整结构的动力特性和动力作用，以减小结构振动反应的技 术。结构振动控制系统的基本部件为传感器、处理器和作动器。传感 器感受外部激励和结构状态的变化信息；处理器接受这些信息并依据 一定的控制算法计算所需的控制信号：作动器则产生所需的控制力并 作用于结构。 上世纪5 0 年代末至6 0 年代初就有了将控制方法引入结构抗震设 计，来提高结构抵抗地震动作用能力的思想。其研究和应用大体上分 为三个领域。依据是否需要外界能量的输入通常分被为：主动控制、 被动控制和半主动控制。主动控制需要大功率的外部能量输入来驱动 作动器，控制力由测量到的外部激励和结构响应来决定；被动控制无 需外部能量，单纯的依靠控制装冒与结构之间的相互作用提供控制力 半主动控制以被动控制为主，只在结构反应达到界限值时，施加少量 辽宁工程技术大学硕士学位论文 的控制力。根据结构反应状态和外部干扰力的信息，使结构控制系统 切换控制状态。因而，具有在线计算量小，实现简单，鲁棒性好等优 点。 1 1 1 被动控制 被动控制无须外加能源，在被动控制中，控制力不是由反馈产生 的，而是由安装在结构上的控制装置自身运动而产生的。其控制装置 比主动控制装置简单得多，是现今振动控制实际运用的经典方法，已 经在规范中应用推广。其主要优点是：成本低，不消耗外部能量和不 会影响结构的稳定性。缺点是对环境变化的适应能力和控制效果不如 其它控制方案。 被动控制是通过采用附加子结构或一定的措施，以消耗地震传递 给结构的能量为目的的减震手段。从能量观点看，地震输入结构的能 量是一定的，通过耗能装置消耗掉一部分能量，则结构本身需消耗的 能量减小，以至于结构的反应减小。从动力学观点看，耗能装置的作 用在于调整结构的动力特性，从而使结构反应减小。耗能装置可以是 安放在结构上能产生相对位移处的阻尼器，也可以是由结构的某些非 承重构件设计成的耗能构件。这些耗能装置在风或小震作用下应具有 较大的刚度。但强烈地震发生时，耗能装置应首先进入非弹性状态， 产生较大阻尼，大量消耗输入结构的地震能量。 1 2 2 主动控制 主动控制由外部能量驱动控制机构对结构施加作用力以达到减 小振动的目的。由于主动控制不仅需要大量的能量输入而且闭环稳定 性较差，因此，这种振动控制方式目前在土建结构中很少应用，研究 工作主要集中在求解最优控制的理论和方法上。主动控制通过量测 结构响应的信息，向结构施加控制力来实现控制。主动结构控制效果 较好，对环境有较强的适应力，能控制意料不到的干扰。但它需要大 量的外部能量，求解较复杂并且完全依赖外部能源，闭环稳定性较差。 土木工程的主动控制与航空和机械的主动控制不同，主要表现 为：1 土木工程结构的质量大，需要能够产生较大控制力的控制机构；2 没有外界激励时结构是稳定的、安全的。因此对于工程结构所采用的 辽宁工程技术人学硕士学位论文 控制方法应该是简单、鲁棒性好和容错性强而不一定是最优的，但必 须易于实现，当然如果能达到最优就更有吸引力。 紧急情况下能源供给也会使它的应用得到限制；另外结构主动控 制的控制对象是建筑结构其自由度接近无限，必须结果模型降阶才能 应用控制策略，而由于模型降阶引起的观测和控制溢出有可能使控制 力变为激振力，加速结构的失稳，造成结构的破坏。例如：l9 9 2 年2 月的东京湾地震中，京桥成各大厦的地面峰值加速度仅为1 1 4c m s 2 ， 设置于大厦顶部的a m d 系统即已出现了控制力饱和，更不用说抵抗 3 0 0 4 0 0c m s2 的地面地震加速度了。 1 1 3 半主动控制 还有一种结构振动控制的方法是半主动控制。半主动控制装置既 有被动装置的可靠性，又具有全主动控制装置的适应性。根据现今公 认的定义，半主动控制装置是一种可控的，但不能向被控系统输入能 量的被动控制装置。半主动控制中通常包含某种对能量需求很低的可 控设备，它们可能是某种智能阻尼器( 包括电流变液和磁流变液阻尼 器) 。 半主动控制克服了被动与主动控制的不足，并兼有二者的优点。 和主动控制装置不同，半主动控制装置不会破坏系统的稳定性；并且 在工作状态下只需要很小的动力；半主动控制能有效降低结构在不同 强度地震下的振动响应，并取得和主动控制相近的控制效果。其中代 表性的半主动控制装置主要有主动变刚度系统和主动变阻尼系统。由 于半主动控制系统力求尽可能地实现主动最优控制力，因此主动控制 理论算法是半主动控制的基础：半主动控制系统能够实现方向的有限 性，因此以建立反映半主动控制特点的控制算法( 通常称为半主动控 制算法) 柬驱动半主动控制装置尽可能实现主动最优控制力。19 9 0 年日本k a j i m a 研究所的三层建筑钢结构办公楼首次应用了主动变刚 度控制系统，经受了实际的中小地震作用并显示出了很好的控制效 果。1 9 9 7 年美国首次应用主动变阻尼控制装置控制高速公路i 一3 5 连续 梁钢桥重载车辆引起的振动，显示出了很好的控制效果。目前日本已 建成和即将竣工的结构主动变阻尼控制建筑已有l o 座。 辽宁l ：程技术大学颈十学何论文 1 2 结构控制算法的研究进展 1 9 7 2 年美籍华人姚治平的著名文章“c o n c e p to fs t r u c t u r a l c o n t r o l ”的发表标志着结构控制概念的f 式形成，引发了结构抗震设 计思维的革命性突破。在此以后，结构主动控制的以下几个问题始终 是持续的热点课题：1 ) 确定反馈与控制增益最优关系的控制算法。2 ) 实现主动控制力的作动器装备。3 ) 结构控制系统的数值与试验实现 和验证。4 ) 结构控制系统的工程应用。此外，结构状态观测传感器 和控制作动器优化配雹也是重要的研究课题。 结构主动控制研究的初期阶段( 19 7 2 19 8 5 ) 主要是现代控制理 论的应用，探讨结构控制的方式和分析结构控制的效果，应用和发展 了结构主动最优控制的二次型线性最优控制算法、独立模态最优控制 算法、极点配置或摄优配置算法等和脉冲控制( 或称反应限界控制) 算法。结构主动控制研究的第二个阶段( 19 8 5 1 9 9 0 ) 主要是主动控 制系统试验实现和工程应用起步阶段，也是发展和检验主动控制作动 器和控制集成系统的初级阶段，试验实现了主动锚索( a t s ) 、主动 t m d ( h m d ) 、主动质量阻尼( a m d ) 和主动变刚度( a v s ) 等控 制系统。19 8 9 年日本ka j i m a 建筑公司建成世界上第一幢采用主动质 量阻尼系统的1 1 层办公大楼京桥成和大厦，19 9 0 年该公司以在其研 究所建成了世界上第一幢采用主动变刚度控制系统的三层办公楼。此 后结构主动控制进入快速发展阶段，日本多栋采用主动调谐质量阻尼 器的建筑建成并经受了强风和中小地震的检验，结构半主动结构和智 能控制蓬勃兴起。特别是仅只需要少量能量输入、控制鲁棒性好而且 总是稳定的半主动控制作动器和智能阻尼器的研究和发展基本结束 了长期争论的结构主动控制的能源和系统可靠性问题。 近3 0 年来应用和发展起来的、适用于土木工程结构的主动控制 算法主要有二次型线性最优控制、独立模态最优控制、极点配置或最 优配置、脉冲控制( 或称反应限界控制) 、预测最优控制、h 2 和h 。 最优控制、滑动模态控制( 或称变结构控制) 、自适应控制和非线性 反馈最优控制等控制算法。 1 2 1 传统控制算法 ( 1 ) 经典线性最优控制算法 辽宁工程技术大学硕士学位论文 经典线性最优控制算法( c l a s s i c a lo p t i m a lc o n t r o la l g o r i t h m ， c o c a ) 是基于现代控制理论，以控制向量与状态向量的二次型性能作 为目标函数来确定控制力与状态向量或外激励之间的关系式。目标函 数中用权矩阵来协调经济性与安全性之间的关系，该算法需求解 r i c c a t i 方程。由于该算法忽略了外荷载项，严格说来，由它得到的控 制不是最优控制。但数值分析和有限的试验证明，这一控制算法虽然 不是最优的，但是是可行和有效的。这一算法的优劣在很大程度上依 赖于权矩阵的选择，要求设计者在控制效果和所需的控制能量之间权 衡这也是它的一个缺点。 经典线性最优控制算法有三种控制律，即开环控制律、开闭环控 制律和闭环控制律。由于无法预先确定外激励的全部时间历程，因此 经典线性最优开环控制律、开闭环控制律不能用于结构减振控制。闭 环最优控制是使由被控结构的状态反应和作动器的控制力构成的目 标函数在整个控制过程中最小，所得到的控制律为状态反馈控制。 ( 2 ) 瞬时最优控制算法 如果使得目标函数在每一个小的时间间隔内都达到最优，就是所 谓的瞬时最优控制( i n s t a n t a n e o u so p t i m a lc o n t r o l ，i o c ) 。瞬时最优控 制算法是以瞬时状态和控制力向量的二次型作为目标函数，在动荷载 作用的时间范围内，每一瞬时使其目标函数最小化。该算法不需要求 解r i c c a t i 方程，计算量减小：增益矩阵由被控结构的特性唯一确定， 控制系统的鲁棒性较好；具有时倒步进性质，可推广用于非线性时变 结构系统。但该算法只是一种局部最优控制算法，从全过程控制的意 义上讲，并不是最优控制。 ( 3 ) 极点配置法 系统矩阵决定系统的动态特性，其特征值的实部和虚部分别给出 系统的模态阻尼和模态频率。通过选择适当的增益矩阵，使闭环系统 的动态特性取得满足设计者要求预期的设计值，这就是极点配置法 ( p o l ea s s i g n m e n tm e t h o d ，p a m ) 。极点配置法在仅考虑对结构反应影 响较大的少数几阶振型时，可以很容易实现。此法在选择增益矩阵时 是对求解特征值的反问题，所选择的增益矩阵通常都不是唯的，要 依靠设计者的经验来确定，因此极点配置法得出的控制律也不是最优 的，但该算法较为简单易行。 ( 4 ) 自适应控制算法 辽宁工程技术大学硕士学位论文 自适应控制算法是根据系统的输入和输出信息，在线辨识扰动、 模型和测量噪声等不确定因素，进行系统的状态估计，预测系统的输 出，并通过调整参数或控制力来达到一定的控制目标。自适应控制大 致可分为自适应前馈控制、自校正控制和模型参考自适应控制几大 类。结构振动自校正控制是一种将被控结构参数在线辨识与作动器参 数整定相结合的控制方式。辨识器根据系统的输入输出信息，在线辩 识系统的模型参数或状态，并自动校正控制律。这样，结构可以根据 状态和干扰特性的变化自动校诈控制动作，达到某种性能指标最优的 控制目的。 ( 5 ) 变结构控制 变结构控制系统指结构的参数具有不确定性或时变特性的系统。 以滑移模态控制为代表的变结构控制理论经过4 0 多年的发展，已成为 一种比较成熟的控制系统设计方法。其核心思想是确定一种控制律， 使结构反应轨迹趋向于滑移面( 切换面) ，使系统达到渐进稳定。滑 移面的确定是其中的关键问题。它的最大优势在于设计的结构具有鲁 棒性，即使存在模态振动，不确定性参数或外界激励也不影响结构控 制的效果和稳定性。进入9 0 年代以来，美国学者y a n g 等率先将变结构 控制方法引入到土木结构控制中来。 根据变结构控制律设计的趋近律方法，对建筑结构振动的变结构 控制方法进行了研究，表明该方法具有较好的控制效果。采用离散系 统建模技术和变结构控制系统设计的离散趋近律方法给出了系统切 换函数的确定方法。 ( 6 ) l y a p u n o v 直接法 l y a p u n o v 第二方法( 直接法) 是一种分析非线性系统稳定性的有 效方法。其最突出的特点就是对系统本身的时变性和系统外部扰动具 有完全的自适应性。l y a p u n o v 直接法在结构控制中有明确的物理意义 l y a p u n o v 函数就代表了结构的振动能量。当振动能量对时间的导数为 负时，系统渐进稳定，并且值越小，系统趋向稳定平衡点的速率就越 快。因此，使l y a p u n o v 渐进稳定系统的振动能量衰减速率最大可以作 为结构控制的一个目标。 辽j _ l 程技术大学硕十学位论文 1 2 2 智能控制算法 结构主动控制算法通常要求建立精确的结构振动模型。土木工程 结构包括受力的结构构件和不受力的非结构构件，结构设计计算和控 制建模时通常不考虑非结构构件的效应，然而，建成后实际结构非结 构构件和质量变化都将影响结构振动控制的计算模型；此外，实际结 构在诸如地震那样的强烈动力作用下可能进入非线性，结构构件的强 度和刚度可能发生退化，实际结构的模型修正将是结构振动控制一个 突出的问题。因此，研究不依赖于精确计算模型、调节简单的模糊控 制算法以及具有很强的学习和逼近非线性映射能力的神经网络建模 和控制算法是结构振动控制发展的一个热点问题。 ( 1 ) 模糊控制算法。 模糊控制规则是结构振动模糊控制的核心，目前还没有像主动控 制算法那么严密和完善的理论来确定结构振动控制的模糊控制规则， 尤其是多输出反馈和多控制输入的模糊控制规则。建立在被控对象精 确数学模型( 微分方程、传递函数或状态方程) 基础上的经典自动控 制理论和现代控制理论己在许多领域中取得了辉煌的成就。但是由于 复杂控制系统的影响因素很多，因此建立控制系统的数学模型特别困 难，甚至是不可能的。于是，美国的控制理论学家z a d e h 于六十年代 创建了模糊控制集合理论，提出了模糊控制技术。即采用模糊控制器 应用模糊集合理论进行统筹考虑的控制，根据实际系统的输入输出结 果，参考现场操作人员的经验，对系统进行实时控制。 模糊控制不依赖于结构或系统的精确计算模型，主要通过状态输 出和控制输入的模糊逻辑关系亦即模糊控制规则( 或称模糊控制算 法) 来实现系统的调节或控制。l9 7 4 年英国m a m d a n i 将模糊集合理 论应用于锅炉和蒸汽机的控制，随后模糊控制在工业生产等领域得到 了广泛应用。1 9 9 4 年g o t o 和k o b o t a 咀及y o m a d a 等人研究了结构振 动的模糊控制方法及其隶属函数优化等问题，结果表明隶属函数的形 状和参数对控制效果有较大的影响。b a t t i n i 应用模糊控制对一个三层 框架的b e n c h m a r k 模型a m d 控制进行了研究。m i c h a e l 等人在研究 桥梁结构的半主动隔震方案中，应用了模糊算法来控制半主动阻尼 器，取得了良好的控制效果。 h i d e of u i i t a n i 等利用模糊逻辑理论预测地震加速度，优化主动控 辽宁工程技术大学硕士学位论文 制变量，有效地降低了结构的位移反应，并且通过了振动台试验验证， 研究还表明，随着隶属度函数的增加，控制效果会更好；a k i n o r it a n i 等提出了一种智能主动控制方法，用神经网络预测地面加速度输入和 辨识结构反应，用遗传算法筛选合适的神经网络训练样本，用模糊逻 辑理论优化主动控制力，得出了较好的控制效果：y a m a d a 和g o l o 对 建筑结构的模糊控制进行了系统研究，应用模糊控制理论解决主动控 制中的非确定问题，用数值分析方法验证模糊逻辑准则和隶属函数的 建立条件，用优化方法进一步研究了隶属函数的特性；c a s c i a t i 和y a o 比较了各种主动控制方法，说明了每一种方法对解决非线性问题的优 缺点阐述了神经网络和模糊控制法对解决非线性问题的有效性：s u n 等将模糊逻辑理论用于高架桥的纵向振动控制，在桥两端设置阻尼可 调的油阻尼器，通过模糊逻辑控制阻尼器的阻尼值，在设计模糊控制 准则时，始终考虑阻尼器和桥梁的极限能力，在安全的情况下，充分 发挥阻尼器的作用以减小桥梁的振动；为验证结构模糊控制方法的正 确性，l i b a 等进行了用模糊逻辑理论优化结构控制系统的振动台试 验，试验采用2 层钢框架模型，在第2 层设置控制器( 一个阻尼可调的 控制器) ，利用模糊控制理论预测地面运动、识别建筑结构参数以及 优化控制参量等研究。振动台试验结果证实：模糊控制系统对动力反 应的控制效果明显，同时说明控制效果受位移隶属函数和控制力的影 响很大：n a g a r a j a i a h 利用模糊控制器等对基础隔震混合结构控制进行 了研究，在房屋的底部设置阻尼可调节的阻尼器，利用模糊控制器控 制阻尼器阻尼值的大小，计算分析表明，与没有阻尼器相比基础位移 值可以减小一半。 邹祖军研究了模糊状态方程控制算法。欧进萍和张吉礼针对结构 振动控制实时性要求，提出了作用模糊控制器。王刚和欧进萍针对结 构振动控制中缺乏手工操作的控制经验可供借鉴等问题，提出了结构 振动模糊建模和模糊控制规则提取方法。欧进萍和王刚针对l ：1 0 的 导管式海洋平台结构模型，采用磁流变阻尼控制装置，实现了结构振 动模糊控制的地震模拟振动台试验。 ( 2 ) 神经网络 早在2 0 世纪4 0 年代，神经网络领域的先行者m c c u l l o c h 和p i t t s 就开始了对神经元模型连接结构的研究，其成果至今仍是许多神经网 络模型研究的基础。2 0 世纪s o 年代r o s e n b l a t 设计了感知器结构模 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 型且引起广泛的关注。2 0 世纪7 0 年代，g r o s s b e r g 在生物心理学的基 础上，提出了几种具有新奇特性的非线性动态系统的神经网络结构模 型。2 0 世纪8 0 年代，h o p f i e l d 应用一种特殊非线性动态网络结构模 型解决了模型优化等技术难题。1 9 8 6 年美国并行分南过程研究小组 发表了一系列关于神经网络的研究成果和算法，对这一领域的研究起 到了强有力的推动作用。目前，基于b p 算法的神经网络由于理论上 的完整性，在许多领域得以应用。大量研究结果表明，神经网络可 以很好地实现对多变量非纯属系统模型的辨识与预测，进而实现系统 适应控制。 从心理学家w m c ( 2 u l l o c h 和数学家w p i t t s ( 1 9 4 3 ) 提出兴奋与抑 制型神经元模型至今，a n n 理论取得了很大进展，并以其优异性能成 为智能控制的一支生力军。a n n 试图模拟思维和判断等人脑功能，是 一种具有高度非线性的超大规模连续时间自适应信息处理系统。a n n 不依赖于精确的数学模型，在解决非线性系统辨识与控制问题方面很 有希望，其特点为：( 1 ) 理论上能逼近任意非线性函数，具有很强的 非线性处理能力，适于处理用模型或规则描述的系统或过程；( 2 ) 结 构高度并行具有高速处理能力，处理速度与问题的复杂程度只是成 比例关系，而不是串行处理中的几何数量级关系；( 3 ) 信息存储采用 分布式每个神经元存储多种信息的部分内容( 体现在权值与偏置 上) ，因此其容错能力强，部分神经元损坏或信息破坏或噪声只会部 分减弱网络功能；( 4 ) 具有多输入多输出处理能力，能处理多维输入 信号，也能输出多维信号，非常适合于多变量系统；( 5 ) 具有数据融 合能力，能同时处理定量和定性数据，是传统工程系统( 定量数据) 与人工智能领域( 符号数据) 之涮信息处理的桥梁。 g h a b o u s s i 等提出了一种基于神经网络的主动控制方法，用一个 神经网络辨识器来预测结构未来反应，并用一个神经网络控制器学习 结构未来反应与地震输入之间的相互关系，然后应用此神经网络来控 制结构在任意荷载输入情况下的反应，取得了很好的控制效果，并且 在地震模拟震动台上验证了控制算法的有效性：j o g h n a t a i e 、g h a b o u s s i 提出了神经网络辨识预测结构的动力反应，并用神经网络学习最优控 制力，并通过用模糊规则改善神经网络控制器，减少了需要预测的量， 取得了很好的控制效果；v e n i n i 等使用基于b p 算法的多层神经网络对 多自由度粘弹性结构进行混合振动控制，有效地减小了隔震基础的水 辽宁i 程技术人学硕士学位论文 0 平位移，取得了明显的控制效果；h mc h e n 等使用基于b p 算法的多 层神经网络辨识和控制个1 0 层实际结构，利用在该楼上安装的1 3 个传感器记录的结构所遭受的实际动力反应记录，训练神经网络辨识 器，并对该网络进行数字仿真主动控制，取得了较好的控制效果。 ( 3 ) 基于遗传算法的结构振动控制 遗传算法由j h h o l l a n d 于七十年代中期首先提出，是一种自适 应概率性全局搜索与优化算法，其发展为智能控制注入了新的活力。 g a 借鉴生物界自然选择和遗传机制( 物竞天择，适者生存) ，在计算 机上模拟生物进化机制，其基本思想是：将待优化问题的可行解编码 成染色体( 每个染色体都对应着待优化问题的一个可能解，其最小组 成元素称为基因每个基因都对应着相应可能解的某一特征，即设计 变量) ，即把搜索空间( 高维解空间) 映射为遗传空间，由g a 随机产生 初始种群，按预定的适应度函数( 用来指导搜索方向) 评价种群中每个 染色体的优劣，根据优胜劣汰原则以一定概率选择适应度值高的染色 体，然后再以一定概率进行基因交叉和变异，就这样逐次迭代搜索寻 优，直至种群的总适应度稳定或达到收敛要求，获得最优解。 g a 特点如下：( 1 ) 1 3 a 的操作对象不是待优化问题参数本身，而 是其编码群( 染色体) ，因而它不受限于待优化函数的约束条件( 如： 连通性、凸性、连续可微等) 也不受限于搜索空间，搜索区域广； ( 2 ) g a 是在字串群体中进行搜索( 群体搜索和群体中个体之间的信息 交换) ，而不是单点寻优，具有全局收敛特点，因而大大减小了局部 收敛和获得局部最优解的可能性；( 3 ) g a 使用待优化问题本身所具有 的目标函数或适应度函数评价染色体优劣，不需要任何先决条件和其 它信息，因而其适用范围广，诸如多目标、非线性或基于知识的目标 函数的优化：( 4 ) g a 不是按确定性准则进行搜索，其搜索是随机的， 不依赖于梯度信息，因而能快速到达最优解附近，搜索效率高；( 5 ) g a 具有隐含并行性，寻优过程中随机产生多个起始点，并同时进行搜索， 因而只需相对少的字串就可以在数量相当大的区域中完成搜索。上述 特点使g a 很适用于处理复杂和非线性问题，它在智能控制中的应用 主要是进行优化和学习，与模糊逻辑和神经网络结合时能获得更好的 结果。 何玉敖和郭婷提出了一种基于遗传算法的建筑结构主动控制方 法，直接对控制力进行遗传算法编码，通过瞬时优化控制性能指标， 辽j 。1 = 程技术大学硕十学位论文 找出了最优的控制力编码：在此基础上，通过假设一种结构反应预测 模式，提出了主动控制中时滞问题的解决方案：为了解决传统控制过 分依赖建模精度的问题，直接用人工神经网络对建筑结构进行动力建 模，提出了一种遗传算法一神经网络控制方法，取得了极好的控制效 果；g h a b o u s s i 等提出了一种基于遗传算法的降阶结构主动控制方法， 通过直接对控制增益参数进行编码，找出了最优控制力，并且在一个 基准测试a m d 结构上进行了控制仿真，取得了较好的控制效果。 ( 4 ) 基于混合智能理论的结构振动控制 模糊逻辑易表达控制经验等定性知识，具有强大的知识表达能 力，可以处理自然界普遍存在的模糊现象，但是需要由所涉及领域的 专家提供相关知识和i f t h e n 形式的语言控制规则，不具各学习能 力，而且简单的模糊处理会降低控制精度和恶化控制品质、模糊控制 设计缺乏系统性；人工神经网络可以直接从定量的输入输出样本数据 中学习，具有强大的学习能力，但是网络初始权值难以选取、网络结 构设计缺乏理论指导、训练时间长、易陷入局部极小、训练后的网络 权值没有明确物理意义等。因此，一种自然趋势是将二者各自在解决 不确定性复杂系统的建模和控制方面的长处有机结合起来，克服各自 的缺点。 x l x2 x 。 + y l ”三园“。 ：；：。封固訾 ：i ! ： 。趣酽 ：涸 j 洒， ( a ) 神经、模糊模型( b ) 模糊、神经模型( c ) 神经与模糊模型 图1 1 模糊逻辑与神经网络的结合方式 神经网络与模糊逻辑主要有三种结合方式：( 1 ) 神经、模糊模型， 如图卜1 ( a ) 。把模糊控制作为神经网络的训练样本，离线训练后的神 经网络就是模糊规则库，具有自学习、自适应功能，可见模糊控制是 主体，而神经网络是隶属函数、模糊规则的描述形式，实现模糊控制 的决策过程；( 2 ) 模糊、神经模型，如图卜1 ( b ) 。以神经网络为主体， 将输入空间分割成若干形式不同的模糊推论组合，先对系统进行模糊 逻辑判断，以模糊控制器的输出作为神经网络的输入；( 3 ) 神经与模 x x x ，2 吖“ 辽宁工程技术大学硕士学位论文 糊模型，如图卜1 ( c ) 。模糊控制器与神经网络控制器并行独立处理不 同性质的输入信息，直接作用于受控对象，分别完成系统不同的功能。 此外，用遗传算法优化模糊控制、神经网络控制或模糊神经网络 控制，已成为当前智能控制领域另一个研究热点：( 1 ) 在模糊控制中， 遗传算法可用来对模糊推理规则数目和隶属度函数参数进行优化；( 2 ) 在神经网络控制中，遗传算法可用来优化a n n 模型的参数，包括网络 层数、各层神经元数、神经元互连方式、初始权值及传递函数等；( 3 ) 在模糊神经网络控制中，遗传算法可用来优化隶属度函数参数或网络 权值，以及模糊神经网络的结构。模糊神经网络的结构常用g a 算法 离线优化，实时控制时再计算控制量，这样处理后模糊神经网络的收 敛时间和计算量将大大减少，更适于实时控制。 1 3 选题的主要依据和方向 从前面的综述可以看出，虽然目前出现了很多控制方法和控制装 置，但是由于建筑结构及地震的特殊性，使控制理论中许多成熟技术 无法直接应用到建筑结构振动控制中。因此，发展适合于建筑结构的 控制方法和装置，是振动控制得以实际应用的关键。 针对主动和被动控制的缺点，本文以兼具主动和被动控制优点， 克服彼此缺点的半主动控制作为切入点，研究其在建筑结构振动控制 中的应用。出发点是半主动控制具有调谐范围宽、控制效果与主动控 制接近、仅需较少能源供给，可以很方便地与t m d 、隔震装置等结合 形成混合控制等优点，而且能源供给中断时，相当于对结构施加被动 控制。 控制律和控制装置的研究设计始终是结构振动控制的核心内容。 半主动控制本质上是强非线性控制，其理论尚不完备。常规半主动控 制装置调节结构刚度和阻尼的方式是跳跃而不是连续的，这虽然使结 构在任意激励作用下都可保持与激励的非共振状念，有效减小外激励 输给结构的能量，但是在每一控制时段所产生的刚度或阻尼增量是定 值，这种在设计阶段就己确定的恒定参数限制了控制系统产生最优控 制效果的能力。从理论上来说，为获得达到最优控制效果的等效控制 力，控制装置应连续调节结构刚度和阻尼，但这会增加装置的复杂性。 因而有必要进一步研究半主动控制策略和控制装置以提高控制效果。 辽宁丁程技术大学硕士学位论文 半主动控制的关键在于控制策略的选取。虽然目前国内外学者提 出了很多半主动控制率，如：k o b r i 控制律及其变形形式但是k o b r i 控制律是针对单自由度提出的，将其直接应用于安装多个半主动控制 装置的多自由度体系时存在物理意义不明确的问题。因此，发展基于 可调谐功能的半主动控制律是半主动控制得以实际应用的关键之一。 系统建模在自动控制中占据着极其重要的地位，它直接影响控制品 质。经过几十年的发展，系统建模已经从机理建模转变到统计建模和 系统辨_ c ： 上来，即通过统计和系统辨识找出在统计意义上与系统动态 特性接近的模型。建筑结构包括结构构件和非结构构件，结构设计时 通常不考虑非结构构件的影响，而振动控制是针对实际结构的，非结 构构件及质量变化对计算模型影响很大。理论和实践证明，将理论分 析模型应用于建筑结构振动控制会造成控制误差，恶化控制性能甚至 导致结构失稳。而且实际中不可能设置很多传感器，一般控制需要构 造状态观测器来重构结构状态或进行模型降阶，从有限的结构输出信 息中得到能反映结构动力特性的结构状态信息。因此，系统辨识对健 康监测以及振动控制等尤为重要，是实现商品质振动控制和评价控制 方法能否应用于实际的关键之一。 人工神经网络、模糊逻辑、遗传算法等智能理论能够模拟人脑行 为，不依赖精确计算模型，直接从结构输入输出信息中建立起结构的 动力模型，反应结构非线性、滞回、环境影响等动力特性，能够解决 传统控制理论无法解决的许多复杂问题，如不确定性和非线性等，而 且易于用硬件或软件实现，是建筑结构系统辨识的有力工具，它们在 建筑结构振动控制中的应用是目前的研究热点之。本文以这些智能 理论为工具，研究其在建筑结构系统辨识和振动控制中的应用。 常规半主动控制装置只有两种工作状念：锁定与非锁定。这样可 控刚度与阻尼形式少，达不到主动控制那样可以任意配置结构极点的 控制效果。这类半主动控制有三个急需解决的问题：一是开关控制律， 这直接影响控制质量。国内外学者虽提出了许多半主动控制律，但对 结构进行控制时都存在结构位移和速度得到控制，而结构加速度却明 显放大的现象，有的竟放大五倍以上：二是开关启闭顺序。多自由度 体系一般要设置多个半主动控制装置，要想达到最优控制效果，就必 须确定这些装置的最佳丌启时间、最优开启层次、最优切换方式，即 确定如何根据地面运动频谱特性和结构反应适时丌关结构某些楼层 辽宁工程技术人学硕士学位论文 的控制装置；三是时滞问题。若时滞远小于控制采样时间，则时滞影 响可以忽略；反之若时滞较长，且在控制算法中未加以补偿，则必定 会影响控制效果，甚至会产生控制失稳。半主动控制装置施加控制力 时大都假设控制器发出控制指令与控制装置施加控制力同时进行。而 实际上在控制器发出控制指令到控制装置将附加刚度、阻尼施加给结 构的过程中，由计算机处理，开关转换和控制系统工作状态变换产生 的时滞是不可避免的。 常规半主动控制装置的缺点和存在的问题促使人们寻找新的半 主动控制装置。智能材料电流变流体( e r f ) 和磁流变流体( m r f ) 等的 出现为建筑结构振动控制技术丌辟了新纪元。e r f i m r f 早在二十世 纪四十年代后期就已发现，但国内外学者近年才开始研究其在建筑结 构振动控制中的应用。e r f 和m r f 是两类性能极相似、同时具有感知 和驱动功能的智能可控流体，在外加电场和磁场的作用下可以在毫秒 级的瞬间由牛顿流体转变成具有一定屈服应力的b i n g h a m 塑性固体， 实现自由流动、粘滞流动和半固态的交替变化，并且这种变化连续、 迅速、易于控制。用e r f i m r f 设计和制作的e r 阻尼器和m r 阻尼器 具有机构简单、反应迅速、出力大、阻尼力连续顺逆可调等优点，因 而获得研究者的青睐。它们既可用作被动耗能减震装置，也可用作理 想的半主动控制作动器，而且当半主动控制系统失效时可充当被动耗 能减震装置，具有很强的可靠性。由于具有某些优于e r f 和e r 阻尼器 的特性，m r f 和m r 阻尼器具有更好的应用前景，是目前结构振动控 制的研究热点之一。基于此，本文用m r 阻尼器作为半主动控制装置， 研究其在建筑结构半主动控制中的应用。 1 4 本论文的主要内容 本文首先对结构振动控制的过去及现在进行了综述，展望了其未 来的发展趋势，就结构振动控制的两个核心内容( 即控制策略和控制 装置的研究设计) 中目前存在的问题进行了剖析。在此基础上，提出 了本文的研究任务：研究模糊逻辑理论在结构系统辨识及m r 智能阻 尼器半主动控制中的应用。 由于常规动力时程反应分析方法的不直观性和数据处理的不方 便，本文利用功能强大、应用广泛的软件m a t l a b 及其集成软件包 辽宁工程技术人学硕十学位论文 s i m u l i n k 建立了水平双向地震作用下双向偏心结构的动力反应仿真 分析模型，取代常规的动力反应时程分析方法来进行建筑结构动力反 应分析，为后面的结构系统辨识和m r 阻尼器半主动控制奠定基础。 考虑到系统建模对振动控制的重要性和对控制品质的影响，以及 建筑结构质量大、非结构构件影响、地震时非线性等特点，同时考虑 到模糊控制无需建立数学模型，易形成专家知识，鲁棒性、容错性较 强，可用于非线性、时变、时滞等复杂系统的控制，是解决土木工程 结构振动控制问题的一种有效途径。因此本文基于不依赖精确模型的 模糊逻辑，提出模糊逻辑系统辨识模型，从结构输入输出信息中建立 结构的动力模型，真实反应结构非线性、滞回等动力特性。 考虑到常规半主动控制装置存在的问题，本文采用最具发展潜力 的m r 智能阻尼器作为半主动控制装置。在阐述m r f 在结构振动控制 中的应用研究现状、m r f 的基本构成、本构关系、磁流变效应及其特 性、m r 阻尼器的工作原理和国内外学者提出的m r 阻尼器动力学模型 的基础上，根据仿真的需要，本文建立了基于m r 阻尼器非线性双粘 性滞回模型的s i m u l i n k 仿真模型。本文根据m r 阻尼器的特点，推导 了控制力作用位置矩阵、结构状态观测器矩阵和速度观测器矩阵。根 据受控结构体系的状态方程和本文建立的结构动力反应仿真分析模 型，本文在s i m u l i n k 环境下设计和建立了m r 阻尼器半主动控制仿真 模型。 在算例分析部分，为了检验控制的有效性，本文分别对结构输入 双向的e lc e n t r o 波、t a f t 波和s e a t t l e 波进行仿真分析，给出结构顶层 的位移反应和加速度反应控制率。e lc e n t r o 波作用下结构顶层无控 制和施加半主动控制时的位移、加速度反应时程曲线对比图：根据模 糊控制算法对算例结构进行磁流变阻尼器半主动控制，分析了控制效 果，证明了本文提出的控制策略的有效性。 辽宁1 程技术大学硕十学位论文 2 多维地震作用下结构反应的仿真分析 理论研究与震害经验表明，地震时地面运动是复杂的多维运动， 包括平动和转动分量( 一个绕竖直轴旋转的扭转分量和两个绕水平轴 旋转的摇摆分量) ，这种多维性决定了地震对建筑结构的作用是空间 的。 本章首先建立考虑水平两个方向地震动输入的非对称建筑结构 的空间力学模型然后在s i m u l i n k 环境下建立相应的动力反应仿真分 析模型，在计算机上实现钢筋混凝土框架结构的空间地震反应分析， 为后面章节的建筑结构系统辨识和半主动控制奠定基础。 2 1 线性结构的建模 线性结构模型假设结构的恢复力一位移关系为线性关系，并且不 随外界激励和时间改变。在结构振动控制中，线性结构建模的目的就 是确定结构地震作用和作动器控制力的共同作用下的线性时不变模 型。 2 1 1 动力反应分析力学模型 进行结构动力反应分析首先应选择适当的结构整体模型。目前， 结构动力反应分析的计算模型有质点系模型、杆系模型和层间杆系模 型等。其中质点系模型简单易于计算处理，仍是当前常用的一种简化 计算模型。但由于这种模型过于简单粗糙，所得到的结果有很大的局 限性，无法深入的分析构件的受力和变形。卡t 系模型是一种比较精细 的计算模型，它以构件作为基本的分析单元，将梁、柱简化为以中性 轴为代表的无质量杆，将质量集中于各节点，利用