建筑结构振动分散控制理论与计算方法研究

发布时间：2018-02-24 12:09

  本文关键词： 建筑结构 大系统 输出分散控制 非线性分散控制 滑模控制 鲁棒稳定 分层分散控制 地震激励 线性矩阵不等式　出处：《合肥工业大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：现代建筑物日益向超高层及大跨度方向发展。对于这些大尺度建筑结构,地震、强风、海浪等振动荷载作用成为影响其正常使用和极限承载的关键因素。建筑物的抗振问题是土木工程领域的重大课题。利用结构及材料本身耗散能力的传统被动抗振方法有很大的局限性,难以保证自然灾害下人们的生命财产安全,也难以满足人们日益提高的生活环境要求。结构主动/半主动振动控制方法具有效果好、适应性强等潜在的优点,成为建筑结构抵抗地震、风等振动荷载作用的一种重要的新途径。目前,土木工程结构主动/半主动控制的研究及应用主要采用的是集中控制策略,即建立结构整体控制模型,在结构的某一位置设立中央处理器,结构的全局振动响应信号作为中央处理器的输入,结构的各控制装置的控制作用信号作为中央处理器输出。对于大尺度建筑结构,振动控制模型的自由度很大,安装的传感器及控制器也较多,大尺度建筑结构振动控制问题成为一个复杂的大系统控制问题。集中控制策略在处理这些复杂的大系统时计算及存储将面临“维度灾难”及较大的控制时滞影响,而且当局部观测器或部分控制器出现故障时,基于全局信息的集中控制可能面临失控的后果,控制的可靠性面临挑战。分散控制策略将整个大尺度结构系统分解为若干偶联低阶子结构系统,各子结构设有各自的控制器,主要根据子结构上的局域状态设计控制力。稳定的分散控制可以解决集中控制策略的上述问题,对大尺度建筑结构进行振动分散控制理论与计算方法研究是十分必要和紧迫的。本文在大系统结构振动分散控制方法的基础上,对建筑结构振动分散控制进行理论分析和计算方法的研究,建立了建筑结构基于滑模理论的分散控制方法和基于多级递阶理论的分层分散控制方法,研制了相应分散控制程序。数值模拟显示本文所提分散控制方法对建筑结构振动响应有较好控制效果,分散控制器对于建筑结构整体具有稳定性。主要研究工作和成果总结如下：(1)基于大系统分散控制思想,对大尺度建筑结构给出一种分解方法。将大尺度建筑结构系统解耦为多个低维度子结构系统,子结构之间的相互作用视为子结构模型的干扰广义力,在有效控制下该干扰力有界。大尺度建筑结构振动控制模型等效为有界干扰力作用的子结构分散控制模型。(2)将滑模变结构理论单位向量非线性控制方法应用于建筑结构分散控制中。利用滑模理论的抗干扰条件,设计具有全局稳定的子结构滑动模态轨迹；分析并得到使用子结构系统局域状态信息实现全局稳定的控制力条件；建立了稳定的准滑模形式的分散控制格式。(3)给出建筑子结构非每层布置控制器的一般情况分散滑模控制的设计过程。采用奇异值分解(SVD)的方法对控制力作用矩阵进行变换,得到满足滑模控制要求的状态方程简约型。(4)建立了基于部分位移、速度输出信息的分散滑模控制方法。分析了输出坐标下子结构稳定滑模的存在条件,得到输出坐标下子结构稳定滑模面方程,建立了基于输出信息的建筑结构分散控制格式。该方法避免了输出信息下滑模设计所需的复杂坐标变换,简化了基于输出的稳定滑模设计。对稳定滑模设计和控制力设计统一采用线性矩阵不等式方法(LMI),简化了设计参数的选择。(5)建立基于位移输出信息的建筑结构分散滑模控制方法。针对系统的维数、相关系统矩阵不满足滑模设计的限制条件,引入辅助状态变量形成扩充的子结构状态方程。分析并得到使用子结构系统局域状态信息实现全局稳定的控制力动态条件,实现分散控制的全局稳定。(6)针对建筑结构分散滑模控制抗干扰条件不满足的一般情况,将H。优化控制方法用于建筑结构分散滑模设计,以线性矩阵不等式方法(LMI)进行求解,得到具有一定性能指标的稳定滑模运动。(7)基于大系统多级递阶理论,建立大尺度建筑结构输入分层分散控制模型,采用局部控制器和全局控制器的多级控制方法达到闭环大系统的分散稳定。用H∞控制方法得到建筑结构各独立子结构的局部控制器,使每个子结构系统稳定并满足干扰力影响的性能指标。将子结构系统的稳定性性质集结为一个标量Lypunov函数,根据整体系统的稳定性条件设计全局控制器。讨论了全局控制器由部分状态反馈的设计方法。
[Abstract]:In this paper , it is very necessary and urgent to control the structure of large - scale structures . The decentralized control strategy has the advantages of good effect , strong adaptability and so on . ( 4 ) A decentralized sliding mode control method based on partial displacement and velocity output information is established .

【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU311.3

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本文编号：1530173