基于等價輸入干擾補償?shù)慕ㄖY構抗震主動控制.pdf

1、地震是一種危害性很大的自然災害,它會引起建筑結構的振動,從而導致建筑結構的損壞。近年來,在強震作用下建筑結構的毀壞導致了數(shù)以萬計的人員傷亡與數(shù)以億計的財產(chǎn)損失,給人類帶來了巨大的災難。因此建筑結構的抗震問題是結構設計中需要考慮的重要問題之一。結構振動控制能有效減小地震對建筑結構造成的損害,對結構實行隔振、控振是抗震設計的重要手段,而不僅限于增強自身結構來滿足結構強度和剛度的要求。采用被動、半主動、主動或混合控制來達到建筑結構減振的目的都

2、受到人們的極大關注,近些年來,采用主動控制方法抑制地震激勵作用下的建筑結構振動受到了廣泛關注。許多控制算法已被應用于土木工程系統(tǒng)中,然而,尋求控制規(guī)則比較簡單、在實際工程中容易實施、能進一步降低建筑結構振動的控制方法仍然是人們需要進行研究的課題。
　　 本文致力于研究基于等價輸入干擾補償?shù)慕Y構主動控制方法,以提高建筑結構的抗震能力,主要研究工作和創(chuàng)新點如下：
　　 (1)分析了基于等價輸入干擾補償?shù)目刂品绞降奶攸c?；诘?/p>

3、價輸入干擾補償?shù)目刂破魍茰y一個加于控制輸入渠道的等價擾動信號,并直接將其與控制輸入進行疊加,保證了能夠有效抑制各種干擾信號對受控系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。從控制系統(tǒng)的觀點來看,因為需要通過控制系統(tǒng)的輸入來提高干擾抑制性能,因此推測控制器輸入渠道的干擾信號比直接推測干擾信號本身更具有控制意義。該控制系統(tǒng)雖然不包含干擾的內(nèi)部模型,但是對瞬時的以及穩(wěn)態(tài)的未知干擾都能很好地抑制,這種方法不需要測量輸出的微分值,也不需要干擾信號的先驗信息,無需受控系統(tǒng)的逆

4、動力學模型,從而能夠避免不穩(wěn)定零極點對消。該方法僅需受控系統(tǒng)的輸入和輸出就能得出等價輸入干擾,無需受控系統(tǒng)的狀態(tài),從而擴大了它的應用范圍。
　　 (2)基于等價輸入干擾補償方法進行建筑結構抗震主動控制器設計,提出了基于等價輸入干擾補償?shù)慕Y構主動控制系統(tǒng)的設計方法。將等價輸入干擾補償控制方法推廣至多輸入多輸出的建筑結構系統(tǒng)的抗震控制,抑制了建筑結構在地震激勵下的結構振動反應,實現(xiàn)了對建筑結構的振動控制。在該控制器中,采用分離定理把

5、控制器中的狀態(tài)反饋設計與觀測器和低通濾波器的設計分離開來,運用完全調(diào)節(jié)方法提出了一種觀測器的設計方法。
　　 (3)對基于等價輸入干擾補償?shù)慕Y構主動控制系統(tǒng)的干擾抑制機制進行了分析。通過對其系統(tǒng)結構的分析表明,該控制系統(tǒng)具有二個自由度,其中的反饋控制器是由系統(tǒng)中的狀態(tài)反饋部分構成,前饋控制器是由狀態(tài)觀測器和低通濾波器部分構成。通過在伺服控制系統(tǒng)中加入等價輸入干擾推測器,使得傳遞函數(shù)在前饋路徑中增加了一個積分項,從而改善了干擾抑制

6、性能。通過仿真實驗分析濾波器特征與干擾抑制性能之間的關系,結果表明低通濾波器的特性對干擾抑制性能的影響非常明顯,且選擇一階低通濾波器是最合適的,選擇高階低通濾波器反而會降低干擾抑制性能,低通濾波器的截止角頻率應該選取為需要被抑制的干擾信號頻率成分中的最高角頻率的5倍以上。
　　 (4)通過計算機仿真研究等價輸入干擾補償結構主動控制器對建筑結構減震控制的效果。仿真模擬了分別受El-Centro、Kobe、Mexico和Northr

7、idge地震波激勵下結構地震響應控制的效果。算例分析結果顯示,在不同地震波激勵下,所提控制方法都能使結構各層層間位移的最大值和加速度響應的最大值得到顯著的減小,并且各層層間位移均方根值也得到了明顯的減小。仿真結果顯示該控制方式的地震控制效果明顯,減振性能優(yōu)于LQR、模糊監(jiān)控和特征結構配置等控制策略,等價輸入干擾補償結構主動控制有效地降低了地震對建筑結構的破壞。
　　 (5)為了防止控制過程中作動器出現(xiàn)飽和現(xiàn)象,本文提出了一種考慮