建筑結(jié)構(gòu)振動分散控制理論與計算方法研究.pdf

1、現(xiàn)代建筑物日益向超高層及大跨度方向發(fā)展。對于這些大尺度建筑結(jié)構(gòu)，地震、強風(fēng)、海浪等振動荷載作用成為影響其正常使用和極限承載的關(guān)鍵因素。建筑物的抗振問題是土木工程領(lǐng)域的重大課題。
　　利用結(jié)構(gòu)及材料本身耗散能力的傳統(tǒng)被動抗振方法有很大的局限性，難以保證自然災(zāi)害下人們的生命財產(chǎn)安全，也難以滿足人們?nèi)找嫣岣叩纳瞽h(huán)境要求。結(jié)構(gòu)主動/半主動振動控制方法具有效果好、適應(yīng)性強等潛在的優(yōu)點，成為建筑結(jié)構(gòu)抵抗地震、風(fēng)等振動荷載作用的一種重要的新途

2、徑。
　　目前，土木工程結(jié)構(gòu)主動/半主動控制的研究及應(yīng)用主要采用的是集中控制策略，即建立結(jié)構(gòu)整體控制模型，在結(jié)構(gòu)的某一位置設(shè)立中央處理器，結(jié)構(gòu)的全局振動響應(yīng)信號作為中央處理器的輸入，結(jié)構(gòu)的各控制裝置的控制作用信號作為中央處理器輸出。對于大尺度建筑結(jié)構(gòu)，振動控制模型的自由度很大，安裝的傳感器及控制器也較多，大尺度建筑結(jié)構(gòu)振動控制問題成為一個復(fù)雜的大系統(tǒng)控制問題。集中控制策略在處理這些復(fù)雜的大系統(tǒng)時計算及存儲將面臨“維度災(zāi)難”及較大的

3、控制時滯影響，而且當(dāng)局部觀測器或部分控制器出現(xiàn)故障時，基于全局信息的集中控制可能面臨失控的后果，控制的可靠性面臨挑戰(zhàn)。分散控制策略將整個大尺度結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分解為若干偶聯(lián)低階子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，各子結(jié)構(gòu)設(shè)有各自的控制器，主要根據(jù)子結(jié)構(gòu)上的局域狀態(tài)設(shè)計控制力。穩(wěn)定的分散控制可以解決集中控制策略的上述問題，對大尺度建筑結(jié)構(gòu)進行振動分散控制理論與計算方法研究是十分必要和緊迫的。
　　本文在大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)振動分散控制方法的基礎(chǔ)上，對建筑結(jié)構(gòu)振動分散控制進行

4、理論分析和計算方法的研究，建立了建筑結(jié)構(gòu)基于滑模理論的分散控制方法和基于多級遞階理論的分層分散控制方法，研制了相應(yīng)分散控制程序。數(shù)值模擬顯示本文所提分散控制方法對建筑結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)有較好控制效果，分散控制器對于建筑結(jié)構(gòu)整體具有穩(wěn)定性。主要研究工作和成果總結(jié)如下:
　　(1)基于大系統(tǒng)分散控制思想，對大尺度建筑結(jié)構(gòu)給出一種分解方法。將大尺度建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)解耦為多個低維度子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，子結(jié)構(gòu)之間的相互作用視為子結(jié)構(gòu)模型的干擾廣義力，在有效控

5、制下該干擾力有界。大尺度建筑結(jié)構(gòu)振動控制模型等效為有界干擾力作用的子結(jié)構(gòu)分散控制模型。
　　(2)將滑模變結(jié)構(gòu)理論單位向量非線性控制方法應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)分散控制中。利用滑模理論的抗干擾條件，設(shè)計具有全局穩(wěn)定的子結(jié)構(gòu)滑動模態(tài)軌跡;分析并得到使用子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)局域狀態(tài)信息實現(xiàn)全局穩(wěn)定的控制力條件;建立了穩(wěn)定的準(zhǔn)滑模形式的分散控制格式。
　　(3)給出建筑子結(jié)構(gòu)非每層布置控制器的一般情況分散滑模控制的設(shè)計過程。采用奇異值分解(SVD)的

6、方法對控制力作用矩陣進行變換，得到滿足滑?？刂埔蟮臓顟B(tài)方程簡約型。
　　(4)建立了基于部分位移、速度輸出信息的分散滑?？刂品椒ā７治隽溯敵鲎鴺?biāo)下子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定滑模的存在條件，得到輸出坐標(biāo)下子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定滑模面方程，建立了基于輸出信息的建筑結(jié)構(gòu)分散控制格式。該方法避免了輸出信息下滑模設(shè)計所需的復(fù)雜坐標(biāo)變換，簡化了基于輸出的穩(wěn)定滑模設(shè)計。對穩(wěn)定滑模設(shè)計和控制力設(shè)計統(tǒng)一采用線性矩陣不等式方法(LMI)，簡化了設(shè)計參數(shù)的選擇。
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7、)建立基于位移輸出信息的建筑結(jié)構(gòu)分散滑?？刂品椒?。針對系統(tǒng)的維數(shù)、相關(guān)系統(tǒng)矩陣不滿足滑模設(shè)計的限制條件，引入輔助狀態(tài)變量形成擴充的子結(jié)構(gòu)狀態(tài)方程。分析并得到使用子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)局域狀態(tài)信息實現(xiàn)全局穩(wěn)定的控制力動態(tài)條件，實現(xiàn)分散控制的全局穩(wěn)定。
　　(6)針對建筑結(jié)構(gòu)分散滑?？刂瓶垢蓴_條件不滿足的一般情況，將H∞優(yōu)化控制方法用于建筑結(jié)構(gòu)分散滑模設(shè)計，以線性矩陣不等式方法(LMI)進行求解，得到具有一定性能指標(biāo)的穩(wěn)定滑模運動。
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