基于分散控制的建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制理論與計(jì)算方法研究

原莉

【摘 要】近幾十年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，土木建筑物形式正朝著越來(lái)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(guó)地殼運(yùn)動(dòng)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(cái)產(chǎn)密集，其震害會(huì)比一般的建筑結(jié)構(gòu)較嚴(yán)重。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)。傳統(tǒng)的抗震技術(shù)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的減震作用具有一定的局限性。對(duì)此，主動(dòng)控制技術(shù)可彌補(bǔ)傳統(tǒng)的抗震技術(shù)的缺點(diǎn)。結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)可有效地減少建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)。同時(shí)，越來(lái)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(dòng)控制

1引言

構(gòu)造地震是破壞性地震的主要來(lái)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(qiáng)震作用下會(huì)遭受不同程度的破壞，從而給人類造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。由于建筑物在強(qiáng)震作用下往往會(huì)發(fā)生倒塌破壞，從而引起人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，在基礎(chǔ)設(shè)施大建設(shè)浪潮的背景下，我國(guó)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(qiáng)震激勵(lì)下受到嚴(yán)重破壞或者倒塌，將造成大量的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此，高層和超高層建筑物的抗震性能需要在建造過(guò)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(fēng)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(fēng)穩(wěn)定性，被動(dòng)控制或主動(dòng)控制裝置可應(yīng)用到振動(dòng)控制系統(tǒng)中?？刂撇呗缘倪x擇、數(shù)學(xué)建模方法和控制裝置是建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(lái)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。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(fù)雜。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。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。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。

3建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制系統(tǒng)

3.1被動(dòng)控制

在對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的過(guò)程中，被動(dòng)控制技術(shù)不需要外界能源。被動(dòng)控制裝置通過(guò)自身的動(dòng)力特征來(lái)改變結(jié)構(gòu)在受到外界荷載激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)。被動(dòng)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(dòng)控制技術(shù)不需要外界能源，在使用過(guò)程中耗費(fèi)的資源較少。因此，在建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中，采取被動(dòng)控制技術(shù)將獲得較低的造價(jià)，且被動(dòng)控制裝置運(yùn)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(dòng)頻率和結(jié)構(gòu)振動(dòng)的某個(gè)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(dòng)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(dòng)控制

在結(jié)構(gòu)受外界荷載作用時(shí)，主動(dòng)控制技術(shù)是利用外部能源，對(duì)結(jié)構(gòu)施加瞬時(shí)控制力來(lái)改變結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，以致于減輕結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的一種振動(dòng)控制技術(shù)。主動(dòng)控制系統(tǒng)主要由信息采集系統(tǒng)（傳感器）、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（控制器）與主動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（作動(dòng)器）等三大部分組成?？刂破鞲鶕?jù)傳感器測(cè)得的外界荷載（如地震激勵(lì)）和結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)，采用制定的控制算法來(lái)計(jì)算并調(diào)整施加給結(jié)構(gòu)的作動(dòng)器控制力，從而控制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。某些計(jì)算機(jī)硬件元件也能影響主動(dòng)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(duì)控制設(shè)計(jì)進(jìn)行合理地建模。

3.3半主動(dòng)控制

相比于主動(dòng)控制，半主動(dòng)控制所需要的外界能量很少，就可通過(guò)改變系統(tǒng)自身的力學(xué)特性來(lái)達(dá)到實(shí)時(shí)改變結(jié)構(gòu)剛度和阻尼。與被動(dòng)控制相比，半主動(dòng)控制的控制參數(shù)和控制力可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)控制力和控制策略的實(shí)時(shí)變化。半主動(dòng)控制系統(tǒng)由于結(jié)合了被動(dòng)控制系統(tǒng)和主動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，使得同時(shí)具有被動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性和主動(dòng)控制系統(tǒng)的瞬時(shí)控制力適應(yīng)性。半主動(dòng)控制的基本原理跟主動(dòng)控制類似，需要提供的能量來(lái)使得系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器正常工作，并對(duì)結(jié)構(gòu)施加瞬時(shí)控制力。

3.4混合控制

混合控制是指被動(dòng)控制和主動(dòng)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(dòng)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(shí)時(shí)調(diào)整。而主動(dòng)控制雖然造價(jià)較高但可彌補(bǔ)被動(dòng)控制的不足?；旌峡刂葡到y(tǒng)更利于實(shí)際工程的應(yīng)用。目前，己出現(xiàn)應(yīng)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(yù)測(cè)控制

預(yù)測(cè)控制的原理是由傳感器測(cè)得的結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)來(lái)預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的結(jié)構(gòu)響應(yīng)或外界激勵(lì)，以便于不斷地調(diào)整制定控制律。預(yù)測(cè)控制通常可分為：滾動(dòng)優(yōu)化、模型預(yù)測(cè)和反饋校正。該控制算法依據(jù)受控結(jié)構(gòu)的歷時(shí)控制信息和未來(lái)時(shí)刻的外界輸入，來(lái)預(yù)測(cè)受控結(jié)構(gòu)的下一時(shí)刻的輸出，以便于計(jì)算出驅(qū)動(dòng)器的控制力和控制法則。該控制算法能夠勝任驅(qū)動(dòng)器控制力、受控結(jié)構(gòu)的響應(yīng)和外界激勵(lì)的預(yù)測(cè)，從而常用于控制系統(tǒng)的時(shí)滯補(bǔ)償研究。

4.2極點(diǎn)配置

建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制系統(tǒng)可采用狀態(tài)方程的形式來(lái)描述。極點(diǎn)配置是指狀態(tài)方程矩陣的特征值。由于極點(diǎn)配置反映了狀態(tài)方程矩陣系統(tǒng)的動(dòng)力特征，可采取輸出反饋或狀態(tài)反饋控制的方式來(lái)改變狀態(tài)系統(tǒng)矩陣的極點(diǎn)配置。因此，極點(diǎn)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(dòng)力特性的要求。采用極點(diǎn)配置來(lái)控制建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)系統(tǒng)，僅需考慮對(duì)建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)影響較大的幾個(gè)振型，在算法上比較容易做到，但其控制增益矩陣應(yīng)根據(jù)算法設(shè)計(jì)人員的工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)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(biāo)，其對(duì)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(shè)計(jì)是指為使得二次型目標(biāo)函數(shù)J能夠取得最小值，需要對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)相應(yīng)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(shè)計(jì)算法。LQR控制算法的控制成本較低，能夠使原控制系統(tǒng)達(dá)到較好的控制性能指標(biāo)，且實(shí)現(xiàn)起來(lái)極為方便。目前，采用Matlab軟件可快速對(duì)LQR控制算法進(jìn)行編程計(jì)算。LQG控制算法主要針對(duì)輸出反饋控制器設(shè)計(jì)的一種算法，根據(jù)結(jié)構(gòu)控制的觀測(cè)輸出的信息，并利用Kalman濾波器對(duì)結(jié)構(gòu)的全部狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)。目前，LQR控制算法和LQG控制算法廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制系統(tǒng)的研究中。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制成為解決高層建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制問(wèn)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(yīng)，新型阻尼器、各類新材料等被應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中。

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