基于等價(jià)輸入干擾補(bǔ)償?shù)慕ㄖY(jié)構(gòu)抗震主動控制.pdf

1、地震是一種危害性很大的自然災(zāi)害,它會引起建筑結(jié)構(gòu)的振動,從而導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)的損壞。近年來,在強(qiáng)震作用下建筑結(jié)構(gòu)的毀壞導(dǎo)致了數(shù)以萬計(jì)的人員傷亡與數(shù)以億計(jì)的財(cái)產(chǎn)損失,給人類帶來了巨大的災(zāi)難。因此建筑結(jié)構(gòu)的抗震問題是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要考慮的重要問題之一。結(jié)構(gòu)振動控制能有效減小地震對建筑結(jié)構(gòu)造成的損害,對結(jié)構(gòu)實(shí)行隔振、控振是抗震設(shè)計(jì)的重要手段,而不僅限于增強(qiáng)自身結(jié)構(gòu)來滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的要求。采用被動、半主動、主動或混合控制來達(dá)到建筑結(jié)構(gòu)減振的目的都

2、受到人們的極大關(guān)注,近些年來,采用主動控制方法抑制地震激勵(lì)作用下的建筑結(jié)構(gòu)振動受到了廣泛關(guān)注。許多控制算法已被應(yīng)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(shí)際工程中容易實(shí)施、能進(jìn)一步降低建筑結(jié)構(gòu)振動的控制方法仍然是人們需要進(jìn)行研究的課題。
　　 本文致力于研究基于等價(jià)輸入干擾補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)主動控制方法,以提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力,主要研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　 (1)分析了基于等價(jià)輸入干擾補(bǔ)償?shù)目刂品绞降奶攸c(diǎn)?；诘?/p>

3、價(jià)輸入干擾補(bǔ)償?shù)目刂破魍茰y一個(gè)加于控制輸入渠道的等價(jià)擾動信號,并直接將其與控制輸入進(jìn)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(diǎn)來看,因?yàn)樾枰ㄟ^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(shí)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(yàn)信息,無需受控系統(tǒng)的逆

4、動力學(xué)模型,從而能夠避免不穩(wěn)定零極點(diǎn)對消。該方法僅需受控系統(tǒng)的輸入和輸出就能得出等價(jià)輸入干擾,無需受控系統(tǒng)的狀態(tài),從而擴(kuò)大了它的應(yīng)用范圍。
　　 (2)基于等價(jià)輸入干擾補(bǔ)償方法進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)抗震主動控制器設(shè)計(jì),提出了基于等價(jià)輸入干擾補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)主動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。將等價(jià)輸入干擾補(bǔ)償控制方法推廣至多輸入多輸出的建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的抗震控制,抑制了建筑結(jié)構(gòu)在地震激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)振動反應(yīng),實(shí)現(xiàn)了對建筑結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)與觀測器和低通濾波器的設(shè)計(jì)分離開來,運(yùn)用完全調(diào)節(jié)方法提出了一種觀測器的設(shè)計(jì)方法。
　　 (3)對基于等價(jià)輸入干擾補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)主動控制系統(tǒng)的干擾抑制機(jī)制進(jìn)行了分析。通過對其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析表明,該控制系統(tǒng)具有二個(gè)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(gòu)成,前饋控制器是由狀態(tài)觀測器和低通濾波器部分構(gòu)成。通過在伺服控制系統(tǒng)中加入等價(jià)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(gè)積分項(xiàng),從而改善了干擾抑制

6、性能。通過仿真實(shí)驗(yàn)分析濾波器特征與干擾抑制性能之間的關(guān)系,結(jié)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(yīng)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(jì)算機(jī)仿真研究等價(jià)輸入干擾補(bǔ)償結(jié)構(gòu)主動控制器對建筑結(jié)構(gòu)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(lì)下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)控制的效果。算例分析結(jié)果顯示,在不同地震波激勵(lì)下,所提控制方法都能使結(jié)構(gòu)各層層間位移的最大值和加速度響應(yīng)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(jié)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(jié)構(gòu)配置等控制策略,等價(jià)輸入干擾補(bǔ)償結(jié)構(gòu)主動控制有效地降低了地震對建筑結(jié)構(gòu)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