（固体力学专业论文）基于智能理论的结构半主动控制、斜拉桥控制及优化研究.pdf

内容摘要 本文利用模糊神经网络、遗传算法等智能理论方法，对结构系 统辨识、主动变刚度阻尼控制体系、磁流变阻尼器、大跨斜拉桥振 动控制以及斜拉桥索力优化控制进行了研究，并通过振动台试验和 控制仿真验证了本文提出的方法的有效性和实用性。 具体研究工作是： 1 进行了结构主动变刚度阻尼( a v s d ) 控制体系及瞬时最优 半主动控制方法的振动台试验验证。 2 提出了基于遗传算法和模糊神经网络的结构系统辨识方 法，并在进行的半主动控制振动台试验中得到了验证。 3 提出了一种基于模糊神经网络的结构智能半主动控制方 法。 4 对性能优异的半主动控制器一磁流变阻尼g ( m r ) 进行了 研究，提出了一种基于模糊神经网络的m r 智能半主动控 制方法。 5 对大跨斜拉桥进行了主动控制研究，提出了一种基于遗传 算法的智能主动控制方法。 6 结合有限元方法，提出了一种基于遗传算法的斜拉桥索力 优化控制方法。 a b s t r a c t i nt h i s p a p e li n t e l l i g e n t m e t h o d ss u c ha s f u z z y n e u r a ln e t w o r k sa n d g e n e t i ca l g o r i t h m h a v e b e e n e m p l o y e d i nt h er e s e a r c ho f s y s t e m j d e n t i f i c a t i o n a c t i v ev a r i a b l es t i f f n e s s d a m p e rs e m i a c t i v ec o n t r o ls y s t e m ， m r d a m p e r , c a b l e s t a y e db r i d g ec o n t r o la n dc a b l e f o r c e o p t i m i z a t i o n s h a k i n g t a b l et e s th a sb e e nc o n d u c t e d t ov e r i f yt h ee r i e c t i v e n e s so ft h e s e m e t h o d s m a i nw o r k sp r e s e n t e di nt h i sp a p e rc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 s h a k i n gt a b l et e s th a sb e e nc o n d u c t e dt ov e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so f a c t i v ev a r i a b l es t i f f n e s s d a m p e rs y s t e ma n dt h ei n s t a n t a n e o u so p t i m a l s e m i a c t i v ec o n t r o lm e t h o d 2 s y s t e mi d e n t i f i c a t i o nm e t h o d sb a s e do nf u z z yn e u r a ln e t w o r k sa n d g e n e t i ca l g o r i t h m a r ep r e s e n t e da n dt h ee f f e c t i v e n e s so f t h ea p p r o a c h e s h a sb e e nv e r i f i e db yt h es h a k i n gt a b l et e s to fs e m i a c t i v ec o n t r 0 1 3 a n i n t e l l i g e n t s e m i a c t i v ec o n t r 0 1 a p p r o a c hb a s e do nf u z z yn e u r a l n e t w o r k si sp r e s e n t e d 4 a ni n t e l l i g e n ts e m i a c t i v ec o n t r o l a p p r o a c hb a s e do nf u z z yn e u r a l n e t w o r k si sp r e s e n t e dt oc o n t r o lt 1 1 em r d a m p e r 5 a ni n t e l l i g e n ta c t i v ec o n t r o la p p r o a c hb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h mi s p r e s e n t e d t oc o n t r o lt h ec a b l e s t a y e d b r i d g e 6 a nc a b l ef o r c eo p t i m i z a t i o nm e t h o d so f c a b l e s t a y e db r i d g eb a s e do n g e n e t i ca l g o r i t h mi sp r e s e n t e d k e yw o r d s ：s h a k i n gt a b l et e s t ，a c t i v ev a r i a b l es t i f f n e s s d a m p e rs y s t e m ， f u z z yn e u r a ln e t w o r k s ，g e n e t i c a l g o r i t h m ，s y s t e mi d e n t i f i c a t i o n ，m r d a m p e r , c a b l e s t a y e db r i d g e ，c a b l ef o r c eo p t i m i z a t i o n 1 1 结构振动控制概述 1 绪论 地震是严重威胁人类生命及财产安全的自然灾害，多年的震害实 践经验表明：单纯靠通过增大结构截面，提高建材强度等措施来保证 结构本身具有足够的强度，刚度和延性以抵抗地震的作用并不能保证 建筑结构在类似1 9 8 5 年墨西哥大地震这样的强烈地震作用下，结构 能否确保其安全性和适用性；而近些年出现的先进的抗震技术和思想 如隔震、耗能减震等却可极大地减小结构的破坏。本世纪7 0 年代， 随着控制理论的日趋完善，控制理论在土木工程中的应用也得到了极 大关注。自从1 9 7 2 年j t py a o 首次正式提出结构振动控制的概念以 来，这一领域的研究极其活跃，尤其是随着现代控制理论的日趋成熟， 结构振动控制也得到了长足的发展。尤其在日本，其理论研究与实际 工程应用并进，已建成了几十栋采用各种控制方法的建筑并且经历了 实际地震的考验。在我国，已有几十栋隔震建筑建成；中美联合项 目一一南京电视塔t m d 控制也已经投入实用；以及1 9 9 8 年中国结构 控制会议的召再，而且2 0 0 2 年隔震和耗能减震已被正式列入国家抗震 规范，更是使得结构振动控制成为我国结构工程界的研究热点。 如果从控制措施的实施方式或上部结构减震是否需要能源分，结 构振动控制可以分为四类：( 1 ) 主动控制，( 2 ) 被动控制，( 3 ) ，半 主动控制，( 4 ) 混合控制。 在这四种结构控制方式中，主动控制的优点是由于控制力可以连 续变化，控制频率极广，可以取得极好的控制效果，并且可以非常方 便地应用现代控制理论已有的和最新的研究成果，但是其缺点也是显 而易见的，由于建筑结构的体形和质量都非常巨大，要想对这样的结 构进行控制，则必须要有相当大功率的作动机构和储能装置。而且最 重要的是主动控制算法都要求建立在精确的结构振动模型基础上，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 算时通常不考虑非结构构件的效应，而结构振动控制主要针对建成以 后的实际结构，非结构构件及质量变化对计算模型影响很大，从而造 成结构动力特性发生了很大变化，而目前大多数结构主动控制方法还 是使用经过极度简化的结构动力模型，如果按简化动力模型进行控制 设计，无疑会使得控制品质下降，严重的会造成控制失稳，加速建筑 结构的破坏，这也是主动控制在实际建筑结构中极少使用的最主要原 因。 被动控制是振动控制的经典方法，包括隔震、吸振、阻尼减震等 控制措施。与主动控制相比，被动控制不需要外加能源，理论和装置 都比较简单，实现起来相对比较容易，工程实用性、可靠性较高，因 此在土木工程中应用最多。 半主动控制是以被动控制为硬件基础，只需要施加极少的能量使 结构在不同的被动控制状态组合之间切换，使得结构与外界激励处于 非共振状态，以此达到减震目的的一种控制方式。它是介于主动控制 和被动控制之间的一种控制方式，它主要是通过极少的能源来主动改 变结构的动力特性来达到控制减震的目的。由于半主动控制兼具主动 控制效果好和被动控制简单易行的优点，同时克服了主动控制需要大 量能源供给和被动控制调谐范围窄的缺点，因此半主动控制是目前最 具发展前途的控制方式。 混合控制是将以上几种控制方式结合起来，同时施加来对结构进 行控制。一般混合控制是以被动控制、半主动控制为主，主动控制为 辅的主从结合方式。其目的是为了取长补短，发挥各种控制方法的优 势，达到既能保证建筑结构的抗震安全和风振下的舒适度，又能获得 直接的经济效益和社会效益的目的。被动控制由于引入了主动控制， 其控制效果和调谐范围有了极大地增强，另一方面，主动控制由于被 动控制的参与，其所需的控制力大大减小，抗震系统的稳定性和可靠 度都比纯主动控制有所增强。还有一种混合控制方式是被动控制和半 主动控制的结合，由于其结合了各自的优点，因此也是目前最具发展 前途的控制方式。 1 2 选题依据和意义 从上面建筑结构振动控制综述可以看出，虽然目前建筑振动控制 随自动控制技术的逐渐成熟正在走向实用化，也出现了各种各样的控 制方法和控制装置。但是由于建筑结构体形巨大，以及所受地震外荷 载的特殊性，使得许多控制理论中的成熟技术无法直接应用于建筑结 构振动控制中；因此，发展适合于土木工程结构的控制方法和装置是 振动控制最终在建筑结构中得到实际工程应用的关键所在。 t - 在自动控制中，控制律和控制装置的研究设计始终是控制的核心 问题。在建筑结构振动控制中也是如此。由前一部分我们可以看到： 主动控制方法具有控制效果好，调谐范围宽等优点，但是在建筑结构 振动控制中，由于建筑结构本身体形巨大，对结构进行主动控制往往 需要非常大的动力源，而且在紧急情况下能源供给能否提供值得考 虑；被动控制具有设计筒单，不需要外加能源等优点，但存在调谐范 围窄的缺点：针对主动控制和被动控制的这些缺点，本文以既综合了 主动控制和被动控制优点，又克服了其缺点的半主动控制作为切入 点，研究其在实际建筑工程中的应用。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、仅需减小能源供给、且可以很方 便地与被动t m d 、隔震装置结合形成混合控制等优点，而且在能源 供给失效时，相当于对结构施加被动控制。 半主动控制由于本质上是一种继电控制，因此属于强非线性控 制，目前在理论上尚不完备，目前国内外学者研究的半主动控制律大 部分并没有从半主动控制的出发点来设计控制律，即：通过半主动控 制改变结构固有频率使结构在很大范围内能够调谐与外界携能频带宽 的荷载的共振。而是k o b r i 控制律的一种变形方式，但是k o b r i 控制律 只是针对单自由度提出的，直接应用到安装多个变刚度阻尼装置的多 自由度体系中时，在物理意义上并不明确。因此发展基于可调谐功能 的半主动控制策略以及能充分发挥耗能减震作用的半主动控制系统， 无疑是使半主动控制在实际工程中得以应用的关键所在。 在自动控制理论中，系统建模占据着极其重要的地位，因为其直 接影响到控制品质的好坏；经过几十年的发展，系统建模已逐渐从机 理建模转变到统计建模和系统辨识上来，即通过统计和系统辨识找出 一个能在统计意义上与原系统动态特性接近的动态模型出来，反映到 土木工程结构振动控制上，这个问题显的更为突出，因为土木工程结 构包括受力的结构构件和不受力的非结构构件，结构设计计算时通常 不考虑非结构构件的效应，而结构振动控制主要针对建成以后的实际 结构，非结构构件及质量变化对计算模型影响很大；而且建筑结构自 由度近于无限，结构动态特性机理尚未完全弄清等等，所以目前建筑 结构振动控制的控制分析模型大部分还是采用简化成剪切型结构模型 来处理，这在结构设计中应用此分析模型进行设计校和可以，但是由 于结构振动控制主要针对建成以后的实际结构，非结构构件及质量变 化对计算模型影响很大，因此如果将这种结构分析模型应用到建筑结 构振动控制中，造成的控制误差将直接导致控制性能恶化甚至严重的 会导致结构失稳，这已被理论和实践所证明。而且，在建筑结构振动 控制中，不可能设置很多的传感器，而一般的控制则需要构造状态观 测器来重构结构状态或者进行模型降阶来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。因此在建筑结构振动控制 中，系统辨识占据着极为重要的作用，是实现高品质振动控制和评价 控制方法是否能在实际工程中应用的关键所在。 人工神经网络、模糊逻辑理论、遗传算法等智能理论由于能模拟 人的智能行为，不需要精确的数学模型，直接从结构输入输出数据中 建立起结构的动力模型，具有真实反应结构非线性、滞回、环境影响 等动力特性的优点，能够解决传统自动化技术无法解决的许多复杂 的、不确定性的、非线性的自动化问题，而且易于用硬件或软件实现 等优点而成为当今自动控制的研究热点，本文正是以这些智能控制方 法为工具，研究其在建筑结构振动控制和辨识中的应用。 作为城市生命线重要组成部分的大跨桥梁结构的减震控制，无论 在理论上还是在工程实践中都远没有建筑结构研究的充分和深入。近 些年来一些严重的地震灾害尤其是日本神户地震中，由于桥梁结构的 严重破坏所带来的巨大的次生灾害使得桥梁结构减震控制研究无论在 理论上还是在工程实际中都具有极为重要的研究价值。 作为一种可以通过斜拉索力的调整来改变结构的受力分配、优化 整体结构的受力的设计自由度很大的结构形式，斜拉桥的索力控制优 化无论在成桥阶段还是在施工过程中都是极为重要的工作；但由于结 构工作在几何非线性状态，传统的索力优化方法难以寻找出最优的索 力组合； 本文正是从以上建筑结构振动控制和斜拉桥控制及索力优化研究 中存在的问题入手，研究能够适合土木工程结构的实用系统辨识方 法，并将其应用到建筑结构振动控制中，以及适合应用于工程实际的 建筑结构振动控制方法及体系，并且研究能有效控制斜拉桥结构在地 震作用下的响应的控制方法和有效的索力优化方法。 1 。3 本文研究工作 建筑结构半主动控制是一种强非线性控制，在理论和实践上都不 完善。本文提出了基于模糊神经网络的结构系统辨识方法和基于遗传 算法的系统辨识方法，建立了能够比较精确反映结构动态特性的辨识 模型；结合鲁棒滑模变结构控制方法，并利用模糊逻辑理论强大的学 习、聚类归纳能力提出了一种适合实际建筑结构振动控制的智能半主 动控制方法，解决了传统控制方法中存在的种种弊病；针对目前建筑 结构振动控制装置的缺点，利用智能磁流变流体( m r ) 材料对结构进行 半主动控制，解决了磁流变材料控制中最重要的系统建模问题，并提 出了简单易行有效的控制方法对建筑结构进行了振动控制；本文还对 大跨斜拉桥结构进行了振动控制研究；并结合有限元方法，利用遗传 算法进行了斜拉桥索力优化控制。本文的主要研究内容如下： 1 进行了结构主动变刚度阻尼( a v s d ) 控制体系及瞬时最优 半主动控制方法的振动台试验验证。 2 提出了基于遗传算法和模糊神经网络的结构系统辨识方 法，并在进行的半主动控制振动台试验中得到了验证。 3 提出了一种基于模糊神经网络的结构智能半主动控制方 法。 4 针对传统结构半主动控制装置的缺点，对性能极为优异的 磁流变阻尼器f m r ) 进行了研究，提出了一种基于模糊神经网 络的m r 智能半主动控制方法。 5 对大跨斜拉桥进行了主动控制研究，提出了一种基于遗传 算法的智能主动控制方法。 6 结合有限元方法，提出了一种基于遗传算法的斜拉桥索力 优化控制方法。 2 建筑结构a v s d 半主动控制振动台试验研究 2 1 引言 近年来，结构振动控制逐渐受到国内外研究者的关注并成为研究 的热点。在结构振动控制中，由于主动控制具有控制效果好、可调谐 范围宽、理论较完善、可直接将工业自动控制领域中成熟的控制策略 应用于结构振动控制中等优点一直是研究的热点。并且，在日本已经 有数栋高层建筑采用了主动控制方法，并经历了实际地震的考验，取 得了较好的控制效果。但是结构主动控制也存在着一些无法克服的弊 病，首先，主动控制需要大功率的能源作动结构和储能机构，而且在 紧急情况下能源供给能否及时提供也是值得考虑的问题；而且由于结 构主动控制控制的对象是建筑结构，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，从而造成结构的破坏； 同时这时的能源保障也成问题。这也是主动控制发展了这么多年而没 有在实际工程中大范围应用的主要原因。被动控制由于不消耗能源而 被大量应用于实际工程中，如隔震结构目前在我国也得到了广泛应用， 也发表了相应的设计规程；但是被动控制调谐范围窄的弊病使其在某 些情况下使得控制效果并不理想。 由于半主动控制具有几乎不耗费能源和控制效果接近主动控制效 果等优点，国内外许多学者纷纷将注意力集中到半主动控制上，并作 出了许多有益的工作，但都或多或少存在一些值得商酌和解决的不够 理想的问题。究其原因，半主动控制从本质上讲是一种强非线性现象， 因为结构的刚度与阻尼的变化并不是一个连续变化的过程，而是一种 跃变，因此半主动控制本身非常复杂；然而正是由于这种跃变，使得 结构在任意激励的作用下可以与外部激励保持一种非共振状态，因而 可以有效地减小外部输入给结构的能量。而且由于是受限输入一受限 输出( b i b o ) 系统，不存在主动控制那样的控制失稳问题；在能源供给 失效时，其立即变为被动控制系统而发挥控制作用；因此以其优良控 制特性受到国内外学者的普遍关注，尤其是近些年来智能半主动控制 器一m r 、e r 的出现更使得其成为国内处研究的热点。但是半主动控 制从本质上桌说是一种强非线性控制，对于控制律和控制装置这两个 控制中的核心问题，在理论和实践上并不完善，尤其是传统的半主动 控制系统主动变刚度( a v s ) 控制和主动变阻尼( a 、仍) 控制还存在着控 制的负面影响。为了研究建筑结构半主动控制机理和验证所提出的主 动变刚度阻尼( a v s d ) 半主动控制系统的有效性及实用性，本文进行 了结构a v s d 半主动控制的振动台试验与研究。 试验内容包括： 1 设计加工试验结构模型。使得其动力特性能对应于实际结构工 程中最常见的剪切型模型结构，并且设计的试验结构模型能够 匹配半主动控制器的控制范围。 2 设计主动变刚度阻尼( a v s d ) 半主动控制装置。主要由油缸和 电磁控制阀组成，使得其能在控制阀打开时提供附加到结构上 的阻尼力；而在控制阀关闭时，能够与安装在一层的附加钢臂 提供附加刚度。 ， 3 设计计算机实时控制系统。通过设计的数据采集系统和实时控 制系统，使得计算机能够根据控制策略实时在线控制试验模型 的响应。 4 利用模糊逻辑理论辨识试验结构系统的动力特性，为智能半主 动控制提供系统动力模型，并且验证系统辨识方法的有效性和 实用性。 5 在模拟地震振动台上通过输入模拟不同场地条件下的地震波验 证所提出的半主动控制算法的有效性和实用性，并与其它半主 动控制方法和策略进行控制效果比较，进而验证所提控制方法 的最优性。 通过这次试验，不仅验证了所提出的a v s d 半主动控制系统及控 制方法的有效性及实用性，而且为进行深入研究与工程实际应用提供 了实践基础。 2 2 主动变刚度，阻尼控制系统 七丕卸叭三 圈ia v s d 控制器力学模型简图 f i g1m e c h a n i c a lm o d e l so f a v s dd e v i c e s 从控制装置的工作机理来划分，半主动 控制系统可以分为：主动变刚度( a v s ) 控制、 主动变阻尼( a v d ) 控制和主动变刚度阻尼 ( a v s i ) ) 垄2 $ j 。前两种半主动控制系统已得 到了深入研究，而且已经应用于实际工程 中。但是国内外的研究表明：a v s 和a v d 半主动控制系统在有效控 制结构地震响应的同时，还存在负面控制影响，如a v s 控制系统会极 大地增加结构的加速度响应，以及相应于 对应的被动阻尼控制，a v d 控制效率的低 下和其控制效果对应用范围的局限性。主 动变刚度阻尼( a v s d ) 控制是一种能有效 控制结构地震响应而又克服了a v s 和a v e ) 控制系统弊病的半主动控制系统，因此研 究a v s d 半主动控制系统工作机理及其控 制方法具有重要的理论意义和工程应用前 景。 图2 试验模型图 a v s d 专 动控制装置的力学简图如 f j g2e 。p 。i 。诅i m o d c i 图1 所示，其本质上是由可调的阻尼元件 和刚度元件串联而成的m a x w e l l 模型。假 设阻尼元件是线性的，则a v s d 半主动控制装置产生的等效控制力 为： f = a c + ( 量3 一j 1 ) = + g 2 一x 3 ) ( 1 ) 其中x 为位移变量，对于阻尼元件和刚度元件的连接点3 ，有： 廿”篙哪。啊) 唱+ 瓦f ( 2 ) 由上式可以看出：随着可调附加阻尼a c 的增加，屯一毫，当a c 大 到一定程度时，此时的a v s d 控制系统相当于附加刚度控制；同样， 随着附加阻尼a c 的减小，i ，_ ；二，当a c 小到一定程度时，此时的 a v s d 半主动控制系统相当于附加阻尼控制：因此，由于这种半主动 控制器中阻尼元件的可调节性，a v s d 半主动控制装置具有比a v s 和a v d 装置更丰富的动力特性，因而能更有效地控制结构的地震响 应，而又避免了a v s 和a v d 控制所带来的负面控制影响。 虽然可调附加阻尼a c 的连续变化能更有效地控制结构的地震响 应，但为了设计和试验验证的简便，本文设计了种开关型a v s d 半 主动控制装置，通过阻尼器的开关，使得结构状态可以在附加阻尼、 附加刚度两种状态之间切换，从而达到有效控制结构地震响应的目的。 - 8 - 2 3 半主动控制振动台试验 2 3 1 试验模型 由于振动台条件及其它条件的限制，我们设计了与剪切型结构动 力特性相似的结构模型进行试验，试验结构模型全貌如图1 所示。 结构试验模型是一个三层单跨的钢框架，模型框架层高3 0 0 r a m ， 总高9 0 0 m m ，跨度6 0 0 m m 。框架柱采用一边2 根的3 m m x3 0 m m 9 0 0 r m n 的条钢组成，2 条钢之间间距6 0 r a m ；楼板为6 0 0 m m 1 2 0 r n m 9 0 m m 的钢板，其上放置1 0 埏的压重：楼板与条钢柱之间用角钢铆 接；底板为8 0 0 m m x 2 5 0 m m x 6 0 m m 的钢板，其用镙钉铆固在振动台 控制器放置在模型底板上，紧挨一侧框架柱，为模拟可变刚度及 阻尼，在一层楼板与模型底板之间放置2 根3 0 m i n x 9 m m x 2 8 0 m m 的 框架柱，其顶端与在一层楼板焊接，底端悬臂与控制器相联，当控制 器打开时，由于悬臂框架柱刚度很大，可以认为此时控制器阻尼起作 用；当控制器关闭时，控制器与悬臂框架柱刚度联成一体，共同抵抗 水平剪力。 由于受加工条件的限制，经模态测试，结构存在轻微扭转振动， 但是由模态分析可以知道，扭转振动频率远远小于结构振动频率，因 此扭转振动可忽略。经模态测试，试验结构在无控下的基频为1 6 6 0 1 6 赫兹，即结构周期为0 6 秒，在纯刚度被动控制下的基频为2 8 2 9 1 55 通过系统辨识，结构的质量矩阵m 和刚度矩阵k 分别为： r 1 8 1 0 0 r2 5 2 9 3 一o 7 2 8 10 m = 0 1 6 7 0 忙k 。i 一0 7 2 8 1 2 4 2 7 5 0 8 9 1 2l l e 4 n m 001 6 3 0 一o 8 9 1 2o 5 7 4 8 f 当a v s d 控制器关闭时，控制器提供的附加刚度为 d k l = 2 9 0 9 e 4 n m ：当其打开时，控制器提供的附加阻尼为 2 3 2 试验设备 试验设备主要有： 地震模拟振动台：采用d y t - 1 0 a 电液振动台，台面尺寸：9 0 0 m m 7 0 0 m m ，最大激振力：1 0 吨，最大振幅：+ 3 5 m m ，最大加速度：3 0 9 ， 最大速度：2 2 c m s e c ，频率范围：0 1 5 0 0 h z 。 加速度传感器：b r 【l e l & k j 茁r 生产的4 3 8 4 型压电式加速度传感器。 电荷放大器：b r t i e l & k i 茁r 生产的2 6 3 5 型电荷放大器。 数据采集卡：研华公司出品的p c l 8 1 2 p g 数据采集卡，集成了 a d ，d a ，t i m e r c o u n t e r ，数字i o ；其技术指标为：l6 路单端模拟 输入1 2 _ b i t 数据采集，数据传输速率l o o k h z ( d m a 方式) ，采集转换时 间 1 5 0 次秒；油缸内的油粘度将决定控制阻尼力的大小。 2 3 4 试验接线图及控制流程。 控制流程如图4 所示为：试验时利用b r t i e l & k j 砣r 加速度传感器 实时测量出的振动台面与模型框架各楼板处相对于绝对静止地面的位 移，经电荷放大器整形、滤波( 滤波下限频率0 1 h z ，上限频率1 0 0 h z ) 通过p c l 一8 1 2 p g 数据采集卡上的1 6 路单端模拟输入中的4 路按设定 的时钟采样频率( 5 0 h z ) 实时采集进入控制计算机内存中，经过设定 的半主动控制策略根据模型结构的实时状态信息决定电磁继电器开 关，并通过p c l 一81 2 p g 数据采集卡上的1 6 路d o 输出中的一路将开 关指令电平信号通过电磁继电器放大传送到半主动控制装置上的电磁 控制阀上，从而实现油缸油路的导通与阻塞，达到与附加刚臂一起作 用实现可控附加刚度阻尼( a v s d ) 的目的。 图4 试验接线图 f i g 4e x p e r i m e n th o o k u pa n dc o n t r o lf l o wd i a g r a m 2 3 5 半主动控制设计。 在此次半主动控制试验控制方法中采用的瞬时最优半主动控制 法，其原理如下： 对于如图2 所示控制装置放置在底层的试验结构模型，其被理想 化为个n 自由度的线性结构剪切型结构，在遭受一维水平地震加速 度“。的作用，其运动方程为： a 虏( f ) + ( c + c ) 戈o ) + ( k + 岸l r ( f ) = 髓。( f )( 3 ) 其中：名( ，) = b 石：吒似，( 上标7 1 表示矩阵或向量的转置， ”1 3 ) 是结构层间相对于振动台面的位移向量，m ，c ，ks r “”是结 构相应的质量、阻尼、刚度矩阵，e r “1 是地震力作用位置矩阵， 足er 是主动变刚度阻尼( a v s d ) 控制器所提供的附加刚度矩阵， a c r ”是主动变刚度阻尼( a v s i d ) 控制器所提供的附加阻尼矩阵。 ( 3 ) 式写成状态方程形式为： 2 0 ) = ( 彳( ，) + 爿t ) 留( ，) + 贼( ，)f 4 ) 韩圳2 ，郇，= 0 世坩1 c 肛 z 珊1 0 k o o 00 ，1 一m 。1 a c l 0j o l c = - 0l 00l ( 1 一；) - d c 。0 oo ooo 其中：= ? ， ：是a v s d 控制器开关状态，d k 。，d c 是第1 层a v s d 1 1 半主动控制装置提供的附加刚度、阻尼。 为了在每一控制采样时刻决定附加a v s d 控制器的开关策略，我 们应用滑模变结构( s l i d i n gm o d ec o n t r 0 1 ) 来找出引导结构运动轨迹 进入准滑动模态上的a v s d 控制器的开关策略。 为设计滑模变结构控制，首先需确定切换函数s ( x ) ，s e r ，之后 设计变结构控制力“0 ) ，使得当s i ( 功 0 时，“，( r ) 2 “? ( r j ，s ( x ) o 时， “- 。u 7 ( t ) ，这里变结构体现在“心) “i ( “，这样设计出来的变结构 控制力“( ) 将使得结构在切换面以外的相轨迹在有限时间内到达切换 面，在到达切换面之后，结构轨迹将以指数速率向结构相轨迹原点运 动。 本文用最优化设计方法来设计滑模变结构切换面函数s ( x ) = p z 。 为确定滑模切换函数中的p 矩阵，必须首先将结构状态方程转化成 正则形式，引入如下的矩阵变换： y = d z 或z = d “y ( 5 ) 其中d 是转化矩阵。 d ：f l z 一b i b i il ：d ：l7 2 蜀匿。f ( 6 ) l 0 ，jl 0 ，j 其中oz 和r 分别是( 2 n r ) ( 2 n r ) 和r r 维的单位矩阵。b ，b 是b 的子矩阵。即b = i ：1i ，对系统状态方程进行正则变换，有： l d ! j p = j y + 百u( 7 ) s ：- p ，( 8 ) 其中：- f f = d a d 。；芦= p d 。； ，锶j = 匮珏 矗= 互。r + 互： 9 1，j 卜慷列 = 百 暇 i l p s = 耳k + 巧匕= 0 令夏= ，贝| j 有艺= 一再一， 在用最优化方法确定p 时， i ，= z 7 ( t ) q z ( t ) d t ( 1 0 ) t = 佤。互! 再霸( 1 1 ) 定义如下的二次型性能指标 其中q 是一个( 2 2 ) 的正定对称加权矩阵， 的状态向量，上面的性能指标可以写成： ，= 鹏巧r r 卧 其中：t = ( d “y q d 。； 将丁写肌匮孙 ( 1 2 ) 利用经过正则变换后 ( 1 3 ) 瓦，和疋：分另0 是( 2 一，) ( 2 n r ) 秆i r r 矩阵。 对于式( 1 7 ) 给出的性能指标，在运动方程( 1 3 ) 的约束条件下 求极小，则有：e = 一0 5 t 妄( 4 矗p + 2 疋) i ( 1 4 ) 式中户是( 2 n r ) ( 2 n r ) 的下面的r i c c a t i 的解： 4 7 p + p a 一0 5 p 4 1 2 巧1 4 i ：p = 一2 ( 正l 一五2 巧五：( 1 5 ) 其中：a = a i t 一爿，z 巧瓦， ( 1 6 ) 比较式( 1 1 ) 与式( 1 4 ) ，则有： 只= 0 5 巧1 ( 爿矗p + 2 疋1 ) ( 17 j 则滑模切换函数5 ( z ) 3 p z 5 0 中的p 为： p ：f d ：防，1 d ( 1 8 ) 在求得滑模切换函数之后，便可以进行控制器设计，以使得状态 轨迹进入滑模切换平面s = 0 ，本文利用l y a p u n o v 直接法来设计控制 器。 定义如下的性能指标函数： 矿( f ) = 0 5 s 7 s = o s z ( t ) 7p 7 p z ( r ) ( 1 9 ) 其中s 为事先确定的结构滑模切换面函数，z 【f ) 为结构状态变量。 在每一控制时刻，为了使结构在相空间中的运动轨迹以最快的速 率趋近于准滑模区域，则结构半主动控制器必须选择使v 0 最小的 4 v s d 开关组合。即： 矿( f ) = s t s = s r p z 0 = z ( r ) 7 p 7 p 帕( ) + 4 ( f ) ) z ( r ) + b 教o ) ) 0 时，半主动控制器 附加刚度起作用吸收结构的振动能量，x i 0 时，附加阻尼起 作用耗散结构的振动能量，使得结构恢复力，阻尼力在整个振 动过程中始终处于对结构振动衰减有利的状态，从而达到控制 目的。 4 界限控制率。这是当半主动控制器所在层相对位移大于某- - i 艮 定值时，导通油路，使阻尼发挥耗能减振作用；反之，则油路 关闭，附加刚度起作用。 由于振动台及外界噪声干扰的原因，对于每种工况，重复两次， 取效果最好的一次作为最终结果。 n 军 型 瑙 15 1 0 5 0 05 - 1 15 2 图5 振动台产生的e i - c e n t r o 南北向地震波 f i g5m e a s u r e dt a b l ea c c e l e r a t i o nd u et os c a l e dn - sc o m p o n e n to fe l c e n t r oe a r t h q u a k ed r i v e 05 h 葛 世0 俐 曩 05 时间，s 图6 振动台产生的天津南北向地震波 f i g6m e a s a r e dc a b l ea c c e l e r a t i o nd u et os c a l e ds - nc o p o n e n zo ft i a n j i ne a r t h q u a k ed r i v e 1 5 一 一 甘 一 一 槲 一 一 御 一 一渺一 一j肌 一 一jhmr： 一 一黼 f 一挑 t 一i二i， 一 1j一一刈闸rli丁 e 皇 漤 掣 时间s 圈7 结构第3 层相对位移在e l c e n t r o 波( 南北向) 作用下控制效果图 f i g7c o m p a r i s o no ft h et h i r df l o o rd i s p l a c e m e n td u et oe 1 一c e n t r oe a r t h q u a k e 时间s 图8 结构第3 层相对位移在天津波( 南北向) 作用下控制效果图 f i g8c o m p a r i s o no f t h et h i r df l o o rd i s p l a c e m e n td u et ot i a n j i ne a r t h q u a k e 10 2o 30 4o 5o 6o 7o 8 o 0 圈9 由e l c e n t r o 波地震加速度输入到结构顶层位移输出的传递函数比较图 f i g u r e9 c o m p a r i s o no ft r a n s f e rf u n c t i o n ：e i - c e n t r oe a r t h q u a k ea c c e l e r a t i o n t ot h et h i r df l o o rd i s p l a c e m e n t 1 6 一懈一 一嬲育 _删一 一|o 一一 1 删一 一删一一嗍一 驴蝴 o e玺掣 p 蚓罂 趔 善 拍 等 彬 嫩 拍 篓 彬 隶 频率h z 图1 0 由天津渡地震加速度输入到结构项层位移输出的传递函数比较图 f i g u r e1 0 c o m p a r is o no ft r a n s f e rf u n c t i o n ：t i a n j i ne a r t h q u a k ea c c e l e r a t i o nt o t h et h i r d f l o o rd i s p l a c e m e n t 时间s 图儿瞬时最优控制下控制器开关时程豳( e l c e n t r o 波) f i g 儿c o n t r o l l e rs w i t c h i n go fa v s dc o n t r o ld u et oe 1 一c e n t r oe a r t h q u a k ee x c ir a t i o n 时间，s 图1 2 瞬时擐优控制下控制器开关时程圈( 天津波) f i g 1 2 c o n t r o l l e rs w i t c h i n go fa v s oc o n t r o ld u et ot i a n j i ne a r t h q u a k ee x c i t a t i o n 1 7 表l 各种控制方法控制效果比较表 t a b l e1p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no fd i f f e r e n tc o n t r o la p p r o a c h e s 楼层号在e i - c e n t r o 南北向地震波作用下在天津南北向地震波作用下 无控剐度被阻尼被界限k o b r i 控瞬时昂无控刚度被阻尼被界限k o b r i 拄瞬时最 动控制动控制控制韦率优控制动控制动控制控制制率优控制 羹翼1 66 8 3l8 1 622 3 22 2 1 4i 4 2 51 2 5 261 4 50 8 9 20 8 5 2i 1 2 809 3 91 0 2 7 值肌 21 32 0 878 7 755 5 557 7 457 3 05 1 0 61 1 7 7 238 3 82 9 0 831 4 824 9 t3 0 5 6 32 1 8 7 11 51 1 31 09 8 51 1 7 6 ll l _ 4 0 21 01 8 41 91 5 092 3 67 1 1 06 3 1 86 3 9 968 4 9 - 嚣 l13 2 703 3 203 6 2 0 4 3 60 3 0 402 5 609 7 90 1 7 601 9 30 2 5 20 1 2 202 0 2 2 18 1 2l5 9 3l0 2 311 5 21 1 5 l0 9 7 31 5 4 809 2 706 1 90 6 0 l04 9 40 5 6 2 m s 2 330 3 332 2 722 2 l23 4 02 4 1 722 0 82 2 1 220 6 81 6 4 l12 4 61 2 2 l1 2 5 2 图5 是振动台产生的调幅到0 1 5 9 的1 9 4 3 年e 1 一c e n t r o 南北向地震 波，图6 为实测的振动台产生的调幅到0 1 9 的1 9 7 6 年天津南北向地 震波，由于地震模拟振动台复现能力的影响，在实际控制设计中以实 测的振动台台面加速度为准。选取这两条波是为了检验结构模型在硬、 软场地条件下半主动控制系统及控制方法的控制效果。图7 是结构第 3 层在遭受e 1 一c e n t r o 南北向地震波作用下，相对于振动台的位移响应 在无控和瞬时最优控制作用下的效果比较图；图8 是结构第3 层在遭 受天津南北向地震波作用下，相对于振动台的位移响应在无控和瞬时 最优控制作用下的效果比较图；图9 是由振动台产生的e 1 一c e n t r o 波地 震加速度输入到结构项层位移输出的传递函数在无控和本文所提控制 方法下的比较图；图1 0 是由振动台产生的天津波地震加速度输入到结 构项层位移输出的传递函数在无控和本文所提控制方法下的比较图； 图11 是受控结构在e 1 一c e n t r o 地震波作用下采用瞬时最优控制时控制 器开关时程图( 第1 0 1 5 秒) ；图1 2 是受控结构在天津地震波作用下 采用瞬时最优控制时控制器开关时程图( 第1 0 一1 5 秒) ；表1 是各种控 制方法控制效果比较表。 从试验控制结果可以看出： 1 主动变刚度阻尼( a v s d ) 控制系统是一种十分有效的半主动控 制系统，其不仅能有效地控制住结构在地震作用下的位移和加 速度响应，还克服了传统半主动控制系统存在的负面控制影 响，而且在不同场地地震波作用下具有很强的控制鲁棒性。 2 瞬时最优半主动控制是一种很有效的建筑结构半主动控制方 法，在e 1 c e n t r o 南北向地震波作用下，结构第3 层相对位移 最大减震率达到了5 3 4 ，在天津南北向地震波作用下，结构 第3 层相对位移最大减震率达到了6 4 2 ；而且从表1 中可以 看出瞬时最优半主动控制比单纯的靠增加结构刚度或增加结构 阻尼有更好的减震效果。而且此控制方法在实际应用时，式( 4 ) 中开关判断依据中的结构状态项由实测得到，而其他项则可以 事先形成一个矩阵放入计算机中，因而实现非常简单易行。 3 从图9 ，1 0 可以看出：本文提出的瞬时最优半主动控制方法能 使受控结构实时保持与外界地震作用的非共振状态，降低地震 输入到结构响应输出的传递函数的幅值；不仅能有效地控制结 构的第一阶模态振动，对其它阶模态的振动也有较好的控制效 果。从而达到了有效控制结构响应的目的。 4 从图1 1 ，1 2 可以看出，结构在瞬时最优半主动控制下，控制 器开关切换并不十分频繁，这将有利于减少控制器的故障。 2 5 结论 本次建筑结构半主动控制振动台试验结果表明：主动变刚度阻尼 ( a v s d ) 系统