基于分散控制的建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制理論與計(jì)算方法研究.pdf

1、近幾十年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，土木建筑物形式正朝著越來(lái)越多的大跨高聳的體型發(fā)展。房屋建筑結(jié)構(gòu)在土木結(jié)構(gòu)領(lǐng)域占有較大的比重。我國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)活躍，地震災(zāi)害非常頻繁。而高層建筑結(jié)構(gòu)體型較大、人員財(cái)產(chǎn)密集，其震害會(huì)比一般的建筑結(jié)構(gòu)較嚴(yán)重。建筑結(jié)構(gòu)的安全性能一直受到強(qiáng)震等荷載的嚴(yán)重威脅，如何有效避免結(jié)構(gòu)的破壞，成為建筑結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域面臨的巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的抗震技術(shù)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的減震作用具有一定的局限性。對(duì)此，主動(dòng)控制技術(shù)可彌補(bǔ)傳統(tǒng)的抗震技術(shù)的缺點(diǎn)。結(jié)構(gòu)

2、振動(dòng)控制技術(shù)可有效地減少建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)。同時(shí)，越來(lái)越多的新型材料和新技術(shù)被用于提高建筑結(jié)構(gòu)的舒適度和安全度。控制算法是近十幾年來(lái)研究的熱點(diǎn)?？刂菩矢摺Ⅳ敯粜阅芎玫目刂扑惴▽?duì)提高建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制系統(tǒng)的控制性能具有重要的作用。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，如何保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性對(duì)控制算法提出了更高的要求。近些年來(lái)，集中控制策略在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中應(yīng)用較多。然而，對(duì)于復(fù)雜多自由度建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制系統(tǒng)的控制問(wèn)題而言，雖然集中控制策略能夠取得很好的控制效

3、果，但是集中控制在解決復(fù)雜多自由度建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制問(wèn)題時(shí)存在計(jì)算量較大，可靠性較差和控制性能不穩(wěn)定等缺陷。而分散控制策略可解決這一問(wèn)題。分散控制策略為解決復(fù)雜多自由度建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制提供了一種新的途徑。
　　本文對(duì)基于分散控制的建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制理論與計(jì)算方法進(jìn)行研究。完成的主要研究工作和成果總結(jié)如下:
　　(1)本文采用連續(xù)時(shí)間重疊分散LQR控制方法對(duì)地震激勵(lì)下的建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制進(jìn)行研究，重點(diǎn)討論了驅(qū)動(dòng)器故障模式對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控

4、制效果的影響。并在考慮驅(qū)動(dòng)力受限和采樣時(shí)間的基礎(chǔ)上，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的離散時(shí)間重疊分散LQR控制進(jìn)行了研究。通過(guò)八層和六層建筑結(jié)構(gòu)數(shù)值算例對(duì)基于LQR控制算法的建筑結(jié)構(gòu)重疊分散控制方法進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　(2)本文將重疊分散控制(ODC)方法和滑模控制(SMC)算法相結(jié)合，提出了建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)系統(tǒng)的重疊分散滑?？刂品椒?。以某20層Benchmark建筑結(jié)構(gòu)模型為例，分別采用直接驅(qū)動(dòng)方案和層間驅(qū)動(dòng)方案計(jì)算了該模型的結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)。兩種驅(qū)動(dòng)方案下

5、的重疊分散和多重疊分散滑?？刂凭@得了較好的控制效果。
　　(3)本文將靜態(tài)輸出反饋、重疊分散控制方法和H∞范數(shù)控制算法相結(jié)合，提出了連續(xù)時(shí)間和離散時(shí)間狀態(tài)下的重疊分散H∞控制方法。該方法通過(guò)對(duì)狀態(tài)矩陣添加一個(gè)微小的擾動(dòng)，解決了在求解相應(yīng)的線性矩陣不等式(LMI)時(shí)所遇到的計(jì)算困難問(wèn)題。通過(guò)三層、五層以及20層Benchmark建筑結(jié)構(gòu)數(shù)值算例對(duì)文中所提的重疊分散H∞控制方法進(jìn)行了驗(yàn)證，用以說(shuō)明重疊分散H∞控制在處理多自由度結(jié)構(gòu)振

6、動(dòng)控制中的有效性。
　　(4)本文推導(dǎo)了多體建筑結(jié)構(gòu)在地震激勵(lì)下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程。通過(guò)兩棟和三棟建筑結(jié)構(gòu)組合而成的連體建筑結(jié)構(gòu)數(shù)值算例對(duì)文中所提的重疊分散H∞控制方法進(jìn)行了驗(yàn)證，用以說(shuō)明重疊分散H∞控制在處理連體建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)分散控制中的合理性。
　　(5)本文將重疊分散控制方法、線性矩陣不等式(LMI)方法，靜態(tài)輸出反饋和能量—峰值控制算法相結(jié)合，提出了重疊分散靜態(tài)反饋能量—峰值控制方法。以8層建筑結(jié)構(gòu)和20層Benchmar

7、k建筑結(jié)構(gòu)模型為例，驗(yàn)證了能量—峰值控制算法可解決結(jié)構(gòu)振動(dòng)重疊分散控制問(wèn)題。
　　(6)本文將線性矩陣不等式(LMI)方法、H∞控制算法和重疊分散控制策略相結(jié)合，提出了含時(shí)滯建筑結(jié)構(gòu)的重疊分散H∞控制方法。以20層Benchmark建筑結(jié)構(gòu)模型為例，驗(yàn)證了時(shí)滯重疊分散控制系統(tǒng)可以有效地減少地震激勵(lì)下的建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)。
　　(7)本文提出基于H∞控制算法的結(jié)構(gòu)重疊分散容錯(cuò)控制方法，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的被動(dòng)容錯(cuò)和主動(dòng)容錯(cuò)控制分別進(jìn)行了