学科前沿讲座作业

1、应对地震的滑模和PID控制结构体系Rahmi Guclu耶尔迪兹技术大学，机械工程系，贝西克塔斯，伊斯坦布尔土耳其 收到 2004年11月 23日；接受 2005年12月26日 概要在这项研究中，非连接式不休强大的滑动模式控制器（SMC ）和比例积分微分（PID）控制器，分别设计考虑多度的自由度结构体系对地震活跃地震控制装置。 因为PID控制方法，可以很容易地应用，并是众所周知的，它在控制应用中具有重 要的地位。但这种方法对参数变化不敏感。一个SMC的优点是它的坚固性和能力处理该系统的非线性特性。的模拟系统具有四个自由度。结构系统模拟对地面运动（MW= 7.4），1999年8月17日在土耳其马

2、尔马拉地震。地面运动的基础上行事。 PID和滑模控制器的设计，以抑制建筑物的振动。由于地震发生在一楼的主要作用， 控制器被划归。在研究结束时，对第一层和顶层位移的时间历程，不受控制的控制 结构和控制电压的频率响应和结果进行了讨论。1. 简介最近，结构振动控制水平迅速提高，无论是在理论和实践。隔振橡胶支座是被 动振动控制的最流行的方法之一。在输入地震的情况下，如那些由橡胶和钢板的隔 震装置已被用于1,2。此外，半主动振动的方法进行了研究，在以前的一些工程。 吉田和不二雄施加半主动控制方法，对基础的振动控制3，其中粘性阻尼系数改变。 以地震引起的振动隔离结构，研究人员已计划使用主动控制器。Fuku

3、shima等人。开发主动-被动复合调谐质量阻尼器，它的目的是减少高楼大厦因风和地震引起的 振动4。由于建筑物的不确定性和系统参数不恒定，鲁棒控制方法提供主动式控制 结构5-8。滑模控制是由Emelyanov9在苏联首次提出的。开创者Utkin的论文大部分与研 究10有关。电磁力源和传感器的改进使其更有可能。曹丹介绍滑模控制中的应用， 电磁感应悬挂系统稳定，与实验结果11。除非阻止，连接式的机械部件造成损害。 Saba novic连接式自由滑动模式的应用12提出了一种有效的方法。土木结构滑模控 制的首批应用之一是由于杨等人。13,14。因为实际的建筑具有非线性特性， 这种 方法已经获得了更多的重

4、视15,16。Yagiz提出ATMD结构体系应用滑模控制17。这项研究的目的是应用PID控制和结构系统和非抖振滑模控制比较结果。在这 项研究中，地震地面运动被用来输入到现实的建筑。这次地震运动的生产采用的 1999年8月17日发生于土耳其并导致 30万人死亡的马尔马拉地震的地震数据（MW= 7.4 ）。2. 结构系统的动态模型结构系统具有在水平方向上的四个自由度。由于地震的破坏性影响是横向振动 的结果，在这项研究中的自由度已经假定只有在这个方向。在地震，最大层间剪切 力发生在一楼。假设等效层的刚度和最终的能力，预计将发生地震的破坏性影响最 大的第一层。激活的控制，因此，施加到第一层。该系统示于

5、图中。1。每层的质量， 分别是M1，M2和M3，其中m0是一楼的活动质量。X0，X1，X2和X3是其水平 位移x是地震引起的地面运动的结构的干扰。在水平方向上所有的弹簧和减震器的 作用。系统参数属于一个真正的建筑，并在附录。F面给出了系统的运动方程:MX+ CX+ /CX -+ FW其中峑=刖 A|_ A 2 期T.Ed = I+人吓)仆仆卩叩Li Eu =【一几 lu fl a fFD是来自地球的干扰力和作用的基础上，Fu是由直线电机产生的控制力。M , C和K分别为质量，阻尼和刚度矩阵，并在附录中给出。在这项研究中，线性马达被 用作有源隔离器。线性电动机的方程是：Ri + K(x Xq)

6、= u其中，u和i分别是控制电压和电流的电枢线圈。 R和Ke的电阻值分别是电枢 线圈中的感应电压常数。电枢线圈的电流和控制力具有下面的关系：其中Kf是的推力恒定的。电枢绕组的电感被忽略不计3. 控制器的设计在一般情况下，闭环的反馈控制系统的框图如图2所示。在这里，外部参照(t)是系统的输出所需的值。X( t)是输出，E(t)是错误 和U(T)是控制信号。在这项研究中，用于MATLAB与Simulink仿真和控制流程。 甲仿真有关的结构系统的控制器表示示于图 3中。3.1.比例积分微分(PID )控制器PID控制已经广泛应用于工业19,20。控制输入u (t)的如下：ltd) = K e(t)

7、+ / 已df + 场.石Jo图1:模型的结构体系图2:闭环控制器框图MuxlI I* lidrlliqudkL 口人训山匕山叱血iMegrulorIInicgramrZInitgruiorfiTi -TnlggmUIntegra tor?-7*dxO an 1_cnSMC廿輕 *匕irthpske Vel ociBydX/dr图3: Simulink模型的结构体系其中K, i和d分别是比例常数，积分时间和微分时间。得到这些值是使用Ziegler-Nichols方法21，并在附录中给出。32滑模控制器滑模控制的优势是适用于非线性系统，简单，高性能和其强大的性格。其主要 思想是，该系统是在滑动面

8、和干扰和参数变化不敏感的滑动面上带来误差。如果在 系统中定义的状态空间形式：B是控制输入矩阵，那么家庭的滑动表面（S）可以表示为：S = 昱：（A f） = 0.滑动面方程对系统的控制，可以选择如下2（. t） = G * 0.为了有Lyapunov函数的导数小于零的值：竽=f） + P水鱼（工,）0_3050406080100ume (s)time (s)图7:控制电压的时间历程Bode RotjLlcTIdifrequency E Er)Nkf kwiItvI虫Ip Mhi 卓、 ifuifixqiiCJlLV (Ek)nrwfreqiteiKV Hi)禺：二壬Wteuuencv (Hf*

9、图8: PID和滑模受控和非受控的频率响应的第一和第三层附录参数的结构体系裤=j#j1 =4500X1 kg qj36 ITON3罄肚 ri467 (ID M1H 050 oon N/m q-liOOOON 疥 m326 000 000 fi/ m350 000 N 拓m2415 flflO ttMi2 N/A550 000 CKM1 X/pi2 V4211质量，阻尼和刚度矩阵质量矩阵：00叮0也0000mi0000仞阻尼矩阵:K - 10900(XJO N/g= 1.15 s,帀=(),5 s.co + C0 +q00-Qc2 +与00-o6 _刚度矩阵:ko + Jti-灯00+ *2上2

10、0A 0点2炷十bh00h PID控制参数:SMC参数：i 1000, I =0s.参考文献：1 M.坂，K.佐佐木，T.小堀，主动结构响应控制系统，机电一体化技术2(5)( 1992) 503-519。2 ，抗震设计随着橡胶，施普林格出版社，伦敦， 1996年的JM凯利。3 K.吉田，富士夫，半主动隔震建筑结构，在 1999年ASME设计工程技术程序 发布会上，内华达州，1999年。4 一，福岛，堀，M.坂，N. Koshika，西村一，佐佐木光，振动控制的高层建筑 使用有源无源复合调谐质量阻尼器，在运动和振动控制，千叶县，1996年的第三次国际会议。G.W.豪斯纳，T.T宋楚瑜，S.F次马

11、斯里在土木工程结构主动控制的第二代，在第一届世界置信。结构1994年，洛杉矶，控制。H.西村，丫.大久保，K.野波多度的自由度结构系统，主动隔离控制，在第三届国 际运动和振动控制，千叶县，1996年的会议上。7 O. Ohniki，K.野波，H.西村，丫.有贺，多度的自由度结构滑模变结构控制，通过传感器有效动力吸振器，在运动和振动控制，千叶县，1996年的第三次国际会议。8 R. Guclu的模糊逻辑控制振动分析多度的自由度结构系统，土耳其工程杂志，环境科学 27( 3)( 2003) 157-167。9 S.V.的Emelyanov,变结构控制 NAUKA，莫斯科,1967年。10 粘度指数

12、Utkin，滑模变结构系统,IEEE自动控制AC-22( 1977)212-222。11 D.丹町，滑模控制的电磁悬挂，机械系统和信号处理7上的实验结果(4)( 1993) 283-292。12 A. Saba novic，七嘴八舌自由滑动模式：1 土耳其自动控制研讨会，伊斯坦布尔， 1994 年。13 J.N.的杨，李正东，J.C.武，K.D.年轻，不连续的控制方法，用于土木建筑结构：9 VPI & SU研讨会动力学与控制的大型结构，布莱克斯堡，弗吉尼亚州，1993年，第 167-180 页。14 J.N.吴阳，J.C. A.K阿格拉瓦尔，S.Y.许，滑模控制与补偿风和地震响应控制， 地震工程结构动态 26 (11) (1997) 1137年至1156年。15 R.阿迪卡里，H.山口，滑模控制建筑物与航空交通管理部，工程抗震与结构动 力学 26 (1997) 409-422。16 融点辛格EE Matheu的，主动和半主动控制结构在地震激励下，工程抗震与结 构动态 26 (1997) 193-213。17 N. Yagiz，滑模变结构控制系统多度的自由度结构主动调谐质量阻尼器，土耳其工程杂志与环境科学 25 (2001) 651-657。18 美国地质调查局，从8月17日，土耳其