建筑結構振動分散控制理論與計算方法研究.pdf

1、現(xiàn)代建筑物日益向超高層及大跨度方向發(fā)展。對于這些大尺度建筑結構，地震、強風、海浪等振動荷載作用成為影響其正常使用和極限承載的關鍵因素。建筑物的抗振問題是土木工程領域的重大課題。
　　利用結構及材料本身耗散能力的傳統(tǒng)被動抗振方法有很大的局限性，難以保證自然災害下人們的生命財產安全，也難以滿足人們日益提高的生活環(huán)境要求。結構主動/半主動振動控制方法具有效果好、適應性強等潛在的優(yōu)點，成為建筑結構抵抗地震、風等振動荷載作用的一種重要的新途

2、徑。
　　目前，土木工程結構主動/半主動控制的研究及應用主要采用的是集中控制策略，即建立結構整體控制模型，在結構的某一位置設立中央處理器，結構的全局振動響應信號作為中央處理器的輸入，結構的各控制裝置的控制作用信號作為中央處理器輸出。對于大尺度建筑結構，振動控制模型的自由度很大，安裝的傳感器及控制器也較多，大尺度建筑結構振動控制問題成為一個復雜的大系統(tǒng)控制問題。集中控制策略在處理這些復雜的大系統(tǒng)時計算及存儲將面臨“維度災難”及較大的

3、控制時滯影響，而且當局部觀測器或部分控制器出現(xiàn)故障時，基于全局信息的集中控制可能面臨失控的后果，控制的可靠性面臨挑戰(zhàn)。分散控制策略將整個大尺度結構系統(tǒng)分解為若干偶聯(lián)低階子結構系統(tǒng)，各子結構設有各自的控制器，主要根據(jù)子結構上的局域狀態(tài)設計控制力。穩(wěn)定的分散控制可以解決集中控制策略的上述問題，對大尺度建筑結構進行振動分散控制理論與計算方法研究是十分必要和緊迫的。
　　本文在大系統(tǒng)結構振動分散控制方法的基礎上，對建筑結構振動分散控制進行

4、理論分析和計算方法的研究，建立了建筑結構基于滑模理論的分散控制方法和基于多級遞階理論的分層分散控制方法，研制了相應分散控制程序。數(shù)值模擬顯示本文所提分散控制方法對建筑結構振動響應有較好控制效果，分散控制器對于建筑結構整體具有穩(wěn)定性。主要研究工作和成果總結如下:
　　(1)基于大系統(tǒng)分散控制思想，對大尺度建筑結構給出一種分解方法。將大尺度建筑結構系統(tǒng)解耦為多個低維度子結構系統(tǒng)，子結構之間的相互作用視為子結構模型的干擾廣義力，在有效控

5、制下該干擾力有界。大尺度建筑結構振動控制模型等效為有界干擾力作用的子結構分散控制模型。
　　(2)將滑模變結構理論單位向量非線性控制方法應用于建筑結構分散控制中。利用滑模理論的抗干擾條件，設計具有全局穩(wěn)定的子結構滑動模態(tài)軌跡;分析并得到使用子結構系統(tǒng)局域狀態(tài)信息實現(xiàn)全局穩(wěn)定的控制力條件;建立了穩(wěn)定的準滑模形式的分散控制格式。
　　(3)給出建筑子結構非每層布置控制器的一般情況分散滑?？刂频脑O計過程。采用奇異值分解(SVD)的

6、方法對控制力作用矩陣進行變換，得到滿足滑?？刂埔蟮臓顟B(tài)方程簡約型。
　　(4)建立了基于部分位移、速度輸出信息的分散滑?？刂品椒?。分析了輸出坐標下子結構穩(wěn)定滑模的存在條件，得到輸出坐標下子結構穩(wěn)定滑模面方程，建立了基于輸出信息的建筑結構分散控制格式。該方法避免了輸出信息下滑模設計所需的復雜坐標變換，簡化了基于輸出的穩(wěn)定滑模設計。對穩(wěn)定滑模設計和控制力設計統(tǒng)一采用線性矩陣不等式方法(LMI)，簡化了設計參數(shù)的選擇。
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7、)建立基于位移輸出信息的建筑結構分散滑?？刂品椒?。針對系統(tǒng)的維數(shù)、相關系統(tǒng)矩陣不滿足滑模設計的限制條件，引入輔助狀態(tài)變量形成擴充的子結構狀態(tài)方程。分析并得到使用子結構系統(tǒng)局域狀態(tài)信息實現(xiàn)全局穩(wěn)定的控制力動態(tài)條件，實現(xiàn)分散控制的全局穩(wěn)定。
　　(6)針對建筑結構分散滑?？刂瓶垢蓴_條件不滿足的一般情況，將H∞優(yōu)化控制方法用于建筑結構分散滑模設計，以線性矩陣不等式方法(LMI)進行求解，得到具有一定性能指標的穩(wěn)定滑模運動。
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