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.pdf

1、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(zāi)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)

2、振動控制技術(shù)可有效地減少建筑結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)。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。控制算法是近十幾年來研究的熱點?？刂菩矢?、魯棒性能好的控制算法對提高建筑結(jié)構(gòu)振動控制系統(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)定性對控制算法提出了更高的要求。近些年來，集中控制策略在結(jié)構(gòu)振動控制中應(yīng)用較多。然而，對于復(fù)雜多自由度建筑結(jié)構(gòu)振動控制系統(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

3、果，但是集中控制在解決復(fù)雜多自由度建筑結(jié)構(gòu)振動控制問題時存在計算量較大，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)振動控制提供了一種新的途徑。
　　本文對基于分散控制的建筑結(jié)構(gòu)振動控制理論與計算方法進行研究。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)時間重疊分散LQR控制方法對地震激勵下的建筑結(jié)構(gòu)振動控制進行研究，重點討論了驅(qū)動器故障模式對結(jié)構(gòu)振動控

4、制效果的影響。并在考慮驅(qū)動力受限和采樣時間的基礎(chǔ)上，對建筑結(jié)構(gòu)的離散時間重疊分散LQR控制進行了研究。通過八層和六層建筑結(jié)構(gòu)數(shù)值算例對基于LQR控制算法的建筑結(jié)構(gòu)重疊分散控制方法進行了驗證。
　　(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)動方案和層間驅(qū)動方案計算了該模型的結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)。兩種驅(qū)動方案下

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)時間和離散時間狀態(tài)下的重疊分散H∞控制方法。該方法通過對狀態(tài)矩陣添加一個微小的擾動，解決了在求解相應(yīng)的線性矩陣不等式(LMI)時所遇到的計算困難問題。通過三層、五層以及20層Benchmark建筑結(jié)構(gòu)數(shù)值算例對文中所提的重疊分散H∞控制方法進行了驗證，用以說明重疊分散H∞控制在處理多自由度結(jié)構(gòu)振

6、動控制中的有效性。
　　(4)本文推導(dǎo)了多體建筑結(jié)構(gòu)在地震激勵下的運動狀態(tài)方程。通過兩棟和三棟建筑結(jié)構(gòu)組合而成的連體建筑結(jié)構(gòu)數(shù)值算例對文中所提的重疊分散H∞控制方法進行了驗證，用以說明重疊分散H∞控制在處理連體建筑結(jié)構(gòu)振動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，驗證了能量—峰值控制算法可解決結(jié)構(gòu)振動重疊分散控制問題。
　　(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，驗證了時滯重疊分散控制系統(tǒng)可以有效地減少地震激勵下的建筑結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)。
　　(7)本文提出基于H∞控制算法的結(jié)構(gòu)重疊分散容錯控制方法，對建筑結(jié)構(gòu)的被動容錯和主動容錯控制分別進行了