針對(duì)分散控制的建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制理論

季成

摘 要：近些年，隨著城市化進(jìn)度的加快，許多高層建筑也如雨后春筍般拔地而起，同時(shí)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)。近些年來，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)的控制問題而言，雖然集中控制策略能夠取得很好的控制效果，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)控制問題時(shí)存在升算量較大，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。

關(guān)鍵詞：高層建筑 振動(dòng)控制 分散控制

引言

隨著社會(huì)發(fā)展和人類需求的增長(zhǎng)，建筑物逐漸向高層、大跨度、高柔等方面發(fā)展，對(duì)建筑物抗震的安全性和實(shí)用性提出了更高的要求。因此，采用經(jīng)濟(jì)、高效、可靠的措施增加抗震性減少損失以達(dá)到結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的效果，是目前的重中之重。原有的控制理論基本都是建立在集中控制的基礎(chǔ)上，但這種理論在大系統(tǒng)的應(yīng)用中由于系統(tǒng)龐大而復(fù)雜，信息集中處理量太大，難以實(shí)現(xiàn)，分散控制理論的出現(xiàn)為大系統(tǒng)的動(dòng)力分析及控制提供了一條新的途徑。

1 分散控制的基本理論

分散控制是將復(fù)雜的大規(guī)模控制系統(tǒng)分為多個(gè)子系統(tǒng)，所有的計(jì)算及控制都是在子結(jié)構(gòu)中同時(shí)進(jìn)行，每個(gè)控制器都能夠?qū)ψ咏Y(jié)構(gòu)施加控制力。其最突出的特點(diǎn)是狀態(tài)信息交換的離散化，子控制器與傳感器信息都是一一對(duì)應(yīng)的。分散控制系統(tǒng)適用于空間分散的大系統(tǒng)，也可用于空間集中但每個(gè)控制通道動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間差別較大的大系統(tǒng)。分散控制的主要特征是，在每個(gè)時(shí)刻，各個(gè)分散控制器只能獲取整體系統(tǒng)某一局部的信息，并可以利用這些局部信息自身做出決策，對(duì)局部起到控制作用。

2分散控制原理分析

根據(jù)分散控制器之間信息交換的有無(wú)，分散控制結(jié)構(gòu)可分為完全分散控制結(jié)構(gòu)和重疊分散控制結(jié)構(gòu)。在沒有任何信息交換時(shí)即為分散控制，有部分信息交換時(shí)稱為重疊分散控制。

2.1分散控制

控制系統(tǒng)發(fā)展至今，越來越多的大型復(fù)雜控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得傳統(tǒng)的集中式控制策略不能勝任。對(duì)于建立在集中控制策略的基礎(chǔ)上，無(wú)論采取經(jīng)典控制算法，還是采取現(xiàn)代控制理論，都是將整個(gè)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制系統(tǒng)的信息一起存入一個(gè)中央處理控制器。然后再根據(jù)制定的控制算法進(jìn)行處理，之后再向系統(tǒng)各控制機(jī)構(gòu)分發(fā)控制信息。雖然采取集中控制策略對(duì)大尺度多自由度結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，具有較好的控制效果，但也存在穩(wěn)定性差、可靠度低等缺陷。其結(jié)構(gòu)動(dòng)力系統(tǒng)的控制成本也隨著自由度數(shù)量的增加而增大。因此，采取集中控制策略來控制大型復(fù)雜土木結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制系統(tǒng)難易滿足要求。

分散控制策略為解決大型復(fù)雜控制系統(tǒng)提供了一條新的有效途徑。分散控制理論成為大型控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。大型控制系統(tǒng)由多個(gè)分散控制機(jī)構(gòu)組成，每個(gè)分散控制機(jī)構(gòu)控制一個(gè)子系統(tǒng)。因此，分散控制是將整個(gè)控制系統(tǒng)劃分為一系列子系統(tǒng)，分別對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行控制。與集中控制策略相比，分散控制策略的控制所需的信息結(jié)構(gòu)有區(qū)別。分散控制并不能獲取或利用全部的結(jié)構(gòu)信息，而是每個(gè)分散控制子系統(tǒng)只能獲取該子系統(tǒng)的全部信息。

分散控制是將整個(gè)大型復(fù)雜控制系統(tǒng)劃分為多個(gè)子系統(tǒng)，子控制器根據(jù)子結(jié)構(gòu)信息獨(dú)立地進(jìn)行計(jì)算和施加控制力。在控制過程中，需要將整個(gè)系統(tǒng)的信息進(jìn)行離散化，子控制器只能使用事先制定的局部信息。采用分散控制策略的新型控制結(jié)構(gòu)可布置在建筑結(jié)構(gòu)的各空間位置。分散控制的主要特點(diǎn)為，子控制器只能使用子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)信息，并及時(shí)作出驅(qū)動(dòng)器的控制響應(yīng)。

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的最優(yōu)集中控制器被修改為次優(yōu)控制的分散控制方案。對(duì)于高強(qiáng)度的土木結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制系統(tǒng)，需要將常見的集中控制系統(tǒng)分解為性能優(yōu)越的分散控制系統(tǒng)。與集中控制相比，分散控制雖然達(dá)不到最優(yōu)控制，但分散控制的次優(yōu)求解方式在實(shí)際中更容易實(shí)現(xiàn)。分層分散控制方法是指采用系統(tǒng)的分散體系結(jié)構(gòu)和求解相應(yīng)的控制問題最優(yōu)解，也稱為最優(yōu)分散控制。

控制系統(tǒng)的信息結(jié)構(gòu)可定義一類控制策略（集中控制與分散控制）。集中控制策略將整個(gè)結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)當(dāng)作一個(gè)整體，它的控制是對(duì)整體的控制。而分散控制策略是將整個(gè)控制系統(tǒng)按照一定的規(guī)則劃分為多個(gè)子控制系統(tǒng)，并考慮子控制系統(tǒng)之間的信息交流，從而達(dá)到對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的有效控制。對(duì)子系統(tǒng)控制器有效的信息量和信息類型決定了分散控制策略的幾類信息結(jié)構(gòu)。分散信息結(jié)構(gòu)類型有以下三種類型：完全，部分和分層分散控制結(jié)構(gòu)。

完全分散控制結(jié)構(gòu)僅包含局部的控制信息，且子控制器之間沒有信息交換。完全分散控制結(jié)構(gòu)的子控制器的控制行為對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的影響是未知的。子控制器之間的信息交換可產(chǎn)生部分分散控制。部分分散控制的信息交換量較低，但能夠解釋子控制器信息是如何影響整個(gè)控制系統(tǒng)。分層分散控制增加了一個(gè)位于子控制器上層的主控制器，進(jìn)一步保證了信息的交換。更高層次的控制器的主要作用是確保低層次的子挖制器之間的信息交換行為能夠提高整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

控制系統(tǒng)的分散控制結(jié)構(gòu)可分為；完全分散控制結(jié)構(gòu)和局部分散控制結(jié)構(gòu)，其劃分的原則是根據(jù)分散控制器之間是否存在結(jié)構(gòu)信息的交換。完全分散控制是指子控制器之間完全不存在結(jié)構(gòu)信息的交換。而局部分散控制的子控制器之間存在一定的結(jié)構(gòu)信息交換。無(wú)論是完全分散控制還是局部分散控制，均存在某些驅(qū)動(dòng)器或傳感器之間的輸入信息的傳輸受到結(jié)構(gòu)的限制，達(dá)不到完整狀態(tài)反饋。因此，分散控制不是最優(yōu)控制，而是次優(yōu)控制。各子控制器若能獲得更多的信息和更順暢的信息交流，其次優(yōu)控制指標(biāo)就會(huì)得到提高。

2.2重疊分散控制

重疊分散控制策略是將整個(gè)系統(tǒng)劃分為一系列子系統(tǒng)，且子系統(tǒng)之間可共享相互包含重疊結(jié)構(gòu)的控制信息。該策略主要是由基于包含原理和收縮原理發(fā)展而來。近些年來，根據(jù)具有重疊分解的系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用包含原理對(duì)其設(shè)計(jì)重疊控制器，在設(shè)計(jì)過程中保持分散控制器的正定性。基于包含原理的重疊分解方法應(yīng)用在諸多領(lǐng)域，有效地解決了各種復(fù)雜大型系統(tǒng)的控制問題，如：機(jī)械構(gòu)造、應(yīng)用數(shù)學(xué)、電力系統(tǒng)、自動(dòng)高速公路系統(tǒng)和航空航天工程等。

重疊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的拓?fù)潢P(guān)系通常以復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的形式存在，按特殊情況的不同可分為：環(huán)型結(jié)構(gòu)、星型結(jié)構(gòu)化及鏈型結(jié)構(gòu)等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如果子系統(tǒng)之間是強(qiáng)耦合的，那么整個(gè)系統(tǒng)分解為不相交的子系統(tǒng)是無(wú)效的。然而，重疊分解策略為子系統(tǒng)之間共享相互包含的結(jié)構(gòu)信息提供了一種新的途徑。重疊分解策略意味著將具有強(qiáng)耦合的原系統(tǒng)擴(kuò)展為一種具有弱耦合的高維數(shù)空間狀態(tài)系統(tǒng)。重疊分散控制策略的基本原理結(jié)構(gòu)形式包含重疊子系統(tǒng)、擴(kuò)展的子系統(tǒng)、分散控制器設(shè)計(jì)和收縮的閉環(huán)系統(tǒng)等四個(gè)控制器設(shè)計(jì)步驟。

結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制系統(tǒng)，雖然集中控制策略能夠取得很好的控制效果，但是集中控制在解決多自由度建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制問題時(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題，并増加了控制系統(tǒng)的可靠性和控制器設(shè)計(jì)的靈活性。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。

參考文獻(xiàn)：

[1]王凱.建筑結(jié)構(gòu)分散抗震主動(dòng)控制研究[D].西安建筑科技大學(xué)，2017.

[2]莊嘉雷.基于分散控制的高層建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制理論研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2015.

[3]楊國(guó)棟.不同支撐對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制分析[J].低溫建筑技術(shù)，2014，36（02）：102-105.

[4]牛欣欣. 阻尼器控制技術(shù)在框架結(jié)構(gòu)抗震加固中的應(yīng)用研究[D].西安建筑科技大學(xué)，2014.

[5]蔡準(zhǔn).關(guān)于土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)的探討[J].價(jià)值工程，2015，34（23）：103-105