结构分散控制及其多时滞补偿研究

发布时间：2020-06-05 21:50

【摘要】：对建筑结构采用主动、半主动控制可以更有效地降低其在外部激励下的振动响应,确保其具备足够的安全性和舒适性。传统的控制算法大多采用集中控制,整个控制系统仅有一个控制器,结构各部位传感器将结构响应信息收集、传输至该控制器,控制器接收信息后作出动态优化决策,将控制指令传达至各部位作动器,实现对结构的控制。然而,对于超高层、大跨度等复杂结构,集中控制系统难以满足稳定性、可靠性以及易于维护等方面的要求。由于集中控制的局限性,本文对建筑结构的分散控制进行了研究,提出了几种针对建筑结构的分散控制算法。另外,考虑到分散控制系统各子系统可能产生不同的时间滞后,提出了几种适应于分散控制多时滞系统的时滞补偿方法。本文的主要研究内容如下:1)在LQG集中控制算法的基础上提出了两种分散控制算法,根据子结构获得的结构响应信息不同分别称为局部最优分散控制和全局最优分散控制。当各子控制器仅获取子结构自身的局部结构响应信息,通过局部信息计算出最优控制力,称为局部最优分散控制;当各子控制器获取全部楼层的结构响应信息,通过全部楼层信息计算出最优控制力,称为全局最优分散控制。另外,当子系统之间存在作动器重叠时,通过局部最优设计出的控制力,并通过重叠规则确定重叠部位的控制力,称为重叠分散控制。在瞬时最优控制的基础上提出了瞬时最优分散控制算法,该算法仅需要获取结构自身的响应信息以及其前一个子结构顶层的响应信息即可实现对结构的分散控制。采用入侵杂草优化(IWO)算法优化得到各控制算法下子系统的权系数。对ASCE设计的九层Benchmark钢结构模型进行数值仿真分析,结果表明所述各分散控制均具备一定的控制效果。其中,全局最优分散控制和瞬时最优分散控制效果相近且优于局部最优分散控制和重叠分散控制,而重叠分散控制优于局部最优分散控制。2)针对分散控制系统各子系统存在多时滞的问题提出了三种时滞补偿方法:递归响应法,IWO增益矩阵优化法,瞬时最优时滞补偿方法。同样采用九层Benchmark钢结构模型作为算例进行仿真分析,结果表明,在不同的子系统时滞大小以及不同程度的子系统间时滞差异下,各时滞补偿方法均有较好的补偿效果。3)对RD1005型MR阻尼器进行了力学性能试验,确定其在不同电流和外荷载频率下的滞回性能。提出了一种基于IWO优化算法的参数识别方法,确定RD1005型MR阻尼器在不同力学模型下的参数,通过与最小二乘法识别的参数值进行对比,证明了该参数识别方法是可靠的。在限幅最优算法的基础上结合LQG全局最优分散控制算法提出了一种半主动分散控制算法,通过递归响应法对其进行时滞补偿设计。对某七层钢框架模型进行仿真分析,结果表明本文所提的半主动分散控制算法的具有较好的控制效果,同时也验证了递归响应法时滞补偿在半主动分散控制时滞系统的有效性。
【图文】：

示意图,重叠控制,选取规则,作动器

部分位移与出力较大者同向，则将此较大出力反向作为重叠部分的种规则，其控制力表达式分别如式 2-38 和式 2-39 所示，示意图分2。规则一：max , 1,, , 1, ,1, , 1, ,00, 00, 0j j i j i jj i j i j i j i j jj i j i j i j i j ju u u uu u u u u xu u u u u x 规则二：max , 1,max , 1,0sgn 0j j i j i jj j i j i ju u u uu u u u 39 中i表示子系统编号， j 表示重叠部分作动器编号。式 2-38 中sgnmaxmaxmax1 <0sgn 0 =01 >0j jj jj ju xu xu x 为重叠部分各子系统控制力的较大值。

重叠控制,选取规则,作动器

图 2-2 作动器重叠控制力选取规则二Fig. 2-2 Strategy II of control force selection for overlapping actuators基于 IWO 算法的权矩阵优化草算法是一种受杂草启发而提出的、基于种群的数值优化计算方法杂草入侵过程的算法。入侵杂草优化（IWO）算法最早是伊朗德黑abian 以及 C. Lucas[90]首次提出。本文利用 IWO 算法对分散控制系统优化，事先定义的控制目标函数达到最小，进而使控制系统能够达基本流程如下：一步：确定取值范围。据需要优化的参数的性质及实际情况确定各个参数的取值范围，，设优解落在取值范围内，以确保获得全局最优解。取值范围不宜过大长收敛时间，造成资源浪费，而过小可能导致最优解不在取值范围二步：种群初始化。
【学位授予单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU352.1

【参考文献】