基于分散控制的建筑結(jié)構(gòu)振動控制理論與計算方法研究

原莉

【摘 要】近幾十年來，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，土木建筑物形式正朝著越來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。我國地殼運動活躍，地震災害非常頻繁。而高層建筑結(jié)構(gòu)體型較大、人員財產(chǎn)密集，其震害會比一般的建筑結(jié)構(gòu)較嚴重。建筑結(jié)構(gòu)的安全性能一直受到強震等荷載的嚴重威脅，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)對建筑結(jié)構(gòu)的減震作用具有一定的局限性。對此，主動控制技術(shù)可彌補傳統(tǒng)的抗震技術(shù)的缺點。結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)可有效地減少建筑結(jié)構(gòu)振動響應。同時，越來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。

【關(guān)鍵詞】分散控制；建筑結(jié)構(gòu)；振動控制

1引言

構(gòu)造地震是破壞性地震的主要來源，也是土木工程結(jié)構(gòu)在地震中發(fā)生破壞的主因。很多工業(yè)建筑和民用建筑在強震作用下會遭受不同程度的破壞，從而給人類造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。由于建筑物在強震作用下往往會發(fā)生倒塌破壞，從而引起人員傷亡和財產(chǎn)損失。自20世紀80年代以來，在基礎(chǔ)設施大建設浪潮的背景下，我國涌現(xiàn)出一批高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)。然而高層和超高層建筑往往聚集著大量的人口。如果這些建筑在強震激勵下受到嚴重破壞或者倒塌，將造成大量的人員傷亡和經(jīng)濟損失。因此，高層和超高層建筑物的抗震性能需要在建造過程中加以重視。大尺度建筑結(jié)構(gòu)易受到自然界中的地震、風等外界荷載的作用。為了提高土木結(jié)構(gòu)的抗震性和抗風穩(wěn)定性，被動控制或主動控制裝置可應用到振動控制系統(tǒng)中。控制策略的選擇、數(shù)學建模方法和控制裝置是建筑結(jié)構(gòu)振動控制系統(tǒng)的重要影響因素。

2分散控制策略

控制系統(tǒng)發(fā)展至今，越來越多的大型復雜控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得傳統(tǒng)的集中式控制策略不能勝任。由于大尺度土木結(jié)構(gòu)具有多自由度，控制系統(tǒng)較為復雜。對于建立在集中控制策略的基礎(chǔ)上，無論采取經(jīng)典控制算法，還是采取現(xiàn)代控制理論，都是將整個結(jié)構(gòu)振動控制系統(tǒng)的信息一起存入一個中央處理控制器。然后再根據(jù)制定的控制算法進行處理，之后再向系統(tǒng)各控制機構(gòu)分發(fā)控制信息。分散控制策略為解決大型復雜控制系統(tǒng)提供了一條新的有效途徑。大型控制系統(tǒng)由多個分散控制機構(gòu)組成，每個分散控制機構(gòu)控制一個子系統(tǒng)。因此，分散控制是將整個控制系統(tǒng)劃分為一系列子系統(tǒng)，分別對各個子系統(tǒng)進行控制。

3建筑結(jié)構(gòu)振動控制系統(tǒng)

3.1被動控制

在對結(jié)構(gòu)振動控制的過程中，被動控制技術(shù)不需要外界能源。被動控制裝置通過自身的動力特征來改變結(jié)構(gòu)在受到外界荷載激勵時產(chǎn)生的振動響應。被動控制按照減震類型可分為：吸振減震、基礎(chǔ)隔震以及耗能減震等。由于被動控制技術(shù)不需要外界能源，在使用過程中耗費的資源較少。因此，在建筑結(jié)構(gòu)振動控制中，采取被動控制技術(shù)將獲得較低的造價，且被動控制裝置運行比較穩(wěn)定。在建筑結(jié)構(gòu)上安裝附加吸振減震裝置，其裝置的振動頻率和結(jié)構(gòu)振動的某個頻率一致。減震原理是附加裝置和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振。因此，結(jié)構(gòu)振動能量能夠被吸收。其裝置主要有：調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（Tuned Mass Damper，TMD）等吸振減震裝置。

3.2主動控制

在結(jié)構(gòu)受外界荷載作用時，主動控制技術(shù)是利用外部能源，對結(jié)構(gòu)施加瞬時控制力來改變結(jié)構(gòu)動力特性，以致于減輕結(jié)構(gòu)振動響應的一種振動控制技術(shù)。主動控制系統(tǒng)主要由信息采集系統(tǒng)（傳感器）、計算機控制系統(tǒng)（控制器）與主動驅(qū)動系統(tǒng)（作動器）等三大部分組成。控制器根據(jù)傳感器測得的外界荷載（如地震激勵）和結(jié)構(gòu)振動響應，采用制定的控制算法來計算并調(diào)整施加給結(jié)構(gòu)的作動器控制力，從而控制結(jié)構(gòu)的振動響應。某些計算機硬件元件也能影響主動閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制性能。這些大型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)需要對控制設計進行合理地建模。

3.3半主動控制

相比于主動控制，半主動控制所需要的外界能量很少，就可通過改變系統(tǒng)自身的力學特性來達到實時改變結(jié)構(gòu)剛度和阻尼。與被動控制相比，半主動控制的控制參數(shù)和控制力可以實時調(diào)節(jié)，實現(xiàn)控制力和控制策略的實時變化。半主動控制系統(tǒng)由于結(jié)合了被動控制系統(tǒng)和主動控制系統(tǒng)的優(yōu)點，使得同時具有被動控制系統(tǒng)的可靠性和主動控制系統(tǒng)的瞬時控制力適應性。半主動控制的基本原理跟主動控制類似，需要提供的能量來使得系統(tǒng)的驅(qū)動器正常工作，并對結(jié)構(gòu)施加瞬時控制力。

3.4混合控制

混合控制是指被動控制和主動控制相結(jié)合，共同使用在建筑結(jié)構(gòu)中的控制系統(tǒng)。由于被動控制使用成本較低且穩(wěn)定性較好，但控制參數(shù)和控制力不能實時調(diào)整。而主動控制雖然造價較高但可彌補被動控制的不足。混合控制系統(tǒng)更利于實際工程的應用。目前，己出現(xiàn)應用較好的混合控制系統(tǒng)裝置：AMD和TMD相結(jié)合的控制裝置，AMD和液壓阻尼器相結(jié)合的控制裝置等。

4控制算法

4.1預測控制

預測控制的原理是由傳感器測得的結(jié)構(gòu)振動響應來預測下一時刻的結(jié)構(gòu)響應或外界激勵，以便于不斷地調(diào)整制定控制律。預測控制通常可分為：滾動優(yōu)化、模型預測和反饋校正。該控制算法依據(jù)受控結(jié)構(gòu)的歷時控制信息和未來時刻的外界輸入，來預測受控結(jié)構(gòu)的下一時刻的輸出，以便于計算出驅(qū)動器的控制力和控制法則。該控制算法能夠勝任驅(qū)動器控制力、受控結(jié)構(gòu)的響應和外界激勵的預測，從而常用于控制系統(tǒng)的時滯補償研究。

4.2極點配置

建筑結(jié)構(gòu)振動控制系統(tǒng)可采用狀態(tài)方程的形式來描述。極點配置是指狀態(tài)方程矩陣的特征值。由于極點配置反映了狀態(tài)方程矩陣系統(tǒng)的動力特征，可采取輸出反饋或狀態(tài)反饋控制的方式來改變狀態(tài)系統(tǒng)矩陣的極點配置。因此，極點配置可改變結(jié)構(gòu)的阻尼和剛度，從而滿足建筑結(jié)構(gòu)動力特性的要求。采用極點配置來控制建筑結(jié)構(gòu)振動系統(tǒng)，僅需考慮對建筑結(jié)構(gòu)振動響應影響較大的幾個振型，在算法上比較容易做到，但其控制增益矩陣應根據(jù)算法設計人員的工程經(jīng)驗進行確定。

4.3線性二次型最優(yōu)控制

線性二次型最優(yōu)控制是以系統(tǒng)狀態(tài)和控制力輸入二次型函數(shù)積分為優(yōu)化目標，其對象是現(xiàn)代控制理論中以狀態(tài)空間的形式給出線性系統(tǒng)的一類控制算法。目前，線性二次型最優(yōu)控制主要分為：二次型經(jīng)典最優(yōu)控制（LQR）和線性二次型Gauss最優(yōu)控制（LQG）。其中，LQR最優(yōu)控制設計是指為使得二次型目標函數(shù)J能夠取得最小值，需要對控制系統(tǒng)設計相應的狀態(tài)反饋增益矩陣K。權(quán)矩陣Q和R的選擇決定了增益矩陣K的大小，也影響著控制系統(tǒng)的控制效果。LQR控制算法在現(xiàn)代控制理論中是最為成熟的狀態(tài)矩陣系統(tǒng)設計算法。LQR控制算法的控制成本較低，能夠使原控制系統(tǒng)達到較好的控制性能指標，且實現(xiàn)起來極為方便。目前，采用Matlab軟件可快速對LQR控制算法進行編程計算。LQG控制算法主要針對輸出反饋控制器設計的一種算法，根據(jù)結(jié)構(gòu)控制的觀測輸出的信息，并利用Kalman濾波器對結(jié)構(gòu)的全部狀態(tài)進行估計。目前，LQR控制算法和LQG控制算法廣泛應用于建筑結(jié)構(gòu)振動控制系統(tǒng)的研究中。

結(jié)束語

綜上所述，結(jié)構(gòu)振動控制成為解決高層建筑結(jié)構(gòu)振動控制問題的有效途徑。為了使得建筑結(jié)構(gòu)的變形能夠符合現(xiàn)階段工程的需求，從而有效地減小高層建筑結(jié)構(gòu)的地震響應，新型阻尼器、各類新材料等被應用于建筑結(jié)構(gòu)振動控制中。

參考文獻：

[1]李惠，鈴木祥之，吳波.AMD控制結(jié)構(gòu)地震反應的試驗研究[J].振動工程學報，1999，12（2）：223-228.

[2]歐進萍，王剛，田石柱.海洋平臺結(jié)構(gòu)振動的AMD主動控制試驗研究[J].高技術(shù)通訊，2002，10：85-90.

[3]張微敬，歐進萍.基于單片機模糊控制器的AMD主動控制試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學報2006，27（1）：37-42.