最小控制合成算法在结构振动控制中的应用.pdf

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1、第27卷第3期华中科技大学学报(城市科学版)Vo1．27No．32010年9月J．ofHUST．(UrbanScienceEdition)Sep．2010最小控制合成算法在结构振动控制中的应用张凯静，周莉萍，王官磊(1．中南建筑设计院股份有限公司，湖北武汉430070；2．武汉市人防建筑设计研究院，湖北武汉430022；3．长江航道规划设计研究院，湖北武汉430011)摘要：将模型参考自适应控制方法引入结构减震控制领域中，基于“最小控制合成算法(MCS)”的自适应控制理论，推导了建筑结构地震反应自适应控制的基本方程。提出了以地震能量降低模型为最优控制模型，设

2、计并研究了该模型的自适应控制器。以地震能量降低模型的MCS自适应控制方法，对一个三自由度受控结构和天兴洲大桥MR磁流变阻尼器进行仿真分析。仿真结果表明：受控结构响应能够很好的跟踪参考模型响应，自适应控制器可以明显减小结构的地震响应。关键词：最小控制合成算法；模型参考自适应控制；结构振动控制；地震响应中图分类号：TU3II．3文献标识码：A文章编号：1672-7037(2010)03-0076-05近年来大规模地震不断发生，2008年汶川地震，2009年印尼地震都给人类带来巨大生命财产1MCS参考模型自适应控制算法损失。传统的结构设计主要依靠提高结构自身刚度和

3、抗侧移能力来抵抗重型机器荷载、暴风、强地1990年Stoten和Benchoubane等提出了震等动力作用。结构振动控制可以有效地减轻结最小控制合成算法(MCS)，最小控制合成算法是构在风和地震等动力作用下的反应和损伤，有效在模型参考自适应控制算法下的改进，但又不同提高结构抗震能力和抗灾性能。于模型参考自适应控制，因为除了自由度和系统结构振动控制是近年来兴起的工程结构抗震状态的维数外，它不需要预先知道被控动力系统的新途径，其中主动控制、半主动控制和智能控制的任何参数信息。MCS算法在系统参数变化、外技术因控制效果好，控制过程智能可调等优点而部干扰、系统内部动

4、力耦合与系统非线性的情况被许多结构工程专家所关注，并且正在获得越来下均能达到良好的稳定性和鲁棒性。图1表示了越多的工程应用。MCS控制算法的结构。结构振动的控制技术中，要获得较好的控制效果，关键是要采用合适的控制算法和控制策略。目前，国际和国内提出了多种控制算法和策略，但是多数控制算法由于需要精确的结构参数模型而很难在实际的复杂结构中应用。并且，多数控制算法必须通过反复的参数优化调节来使结构振动响应趋于减小，而不能根据需要预先确定好控制结构的响应。因此，发展不依赖受控结构参数模型的控制算法和控制策略是十分必要的。本文基于“最小控制合成算法(MCS)”的自图1

5、MCS控制算法适应控制理论，推导了地震反应自适应控制的基n个自由度的结构在环境干扰F()作用下，本方程。提出了以地震能量降低模型为最优控制通过控制装置提供控制力U(￡)后，受控结构的运模型，应用以地震能量降低模型的MCS控制算动方程可以表示为：法，对一个三自由度受控结构和天兴洲大桥磁流变阻尼器进行仿真分析。收稿日期：2010-04-07修回日期：2010-06-07作者简介：张凯静(1985一)，男，湖北武汉人，工程师，硕士，研究方向为结构振动控制(Email：zhangkaijing0301@l26．c。m)第3期张凯静等：最小控制合成算法在结构振动控制中

6、的应用·77·()+c()+()=DF(￡)+s(川(，1)、2一基于。MCS算法的仿真分析。式中，XER为结构的位移向量；M、C和K∈R2．1降低地震能量参考模型是结构的质量、阻尼和刚度矩阵；D∈R是环境地震通常是以能量的形式对结构造成破坏，干扰位置矩阵；B。是结构提供控制力()相对结构吸收的地震能量越多，受到破坏也就越深。应的位置矩阵。地震过程中，单质点弹性体系所消耗的单位质点r(￡)1的能量可以表示为：定义Z(t)=1【．1为系统(1)的状态(￡)J，=a㈤dt(9)向量，系统的状态控制方程可表示为：式中，，为结构所消耗的能量，为震动的持续时Z(t)=

7、AZ(￡)+Bu(t)+DF(￡)(2)间，n(￡)是地震加速度。由上式可以知道，地震能量与地震加速度密切相关。因此，采用某种策略A=【一一1c】2n，～减小地震速度，以减小后的地震加速度输入到结构中得到的振动响应作为参考模型，运用MCS最[是小控制合成算法就能计算控制力，将该控制力作。单位矩阵；0是下角标标注维数的零矩阵。用在结构上便能有效降低结构吸收的地震能量，参考模型的状态方程为：保证结构的安全。2．2基于MCS算法的主动控制z(t)=AZ(t)+Br(t)(3)用MATLAB建立一个三层剪切型框架结构A和B与结构的自振特性有关，可以用结构的模型，该框

8、架每层质量为m=4×10kg，刚度为k自振频率∞来表