基于时域显式法的线性结构振动最优控制算法探究

发布时间：2020-06-14 06:18

【摘要】：本文以主动控制算法为切入点,针对经典线性二次型最优控制存在的问题,开展相关研究。最优控制问题可分解为控制演化规律、物理运动演化规律和系统观测三部分,本文从三者相互分离的角度出发,提出若干改进控制算法。论文主要工作和创新之处如下:(1)在荷载时程已知的“理想激励情况”下,将最优控制问题转换为微分代数方程问题,提出基于Lobatto IIIA配置法的高效准确算法,并据此提出新的控制效果评价指标。(2)采用结构动力响应的时域显式表达,将结构运动方程约束直接赋予控制性能泛函,避免引入拉格朗日乘子,从根本上简化最优控制问题的求解。(3)针对荷载时程已知的“理想激励情况”,基于时域显式表达,推导得到理想最优控制力计算列式,获得与Lobatto IIIA算法一致的计算结果。(4)针对荷载时程未知的“一般激励情况”,综合线性二次型最优控制算法和瞬时最优控制算法思想,提出一种考虑当前时刻地震荷载和当前时刻控制力作用后效的时变控制性能泛函,并基于时域显式表达,推导得到前馈和反馈控制下的最优控制力计算列式。(5)结构状态估计是主动控制算法的重要组成部分。在已知随机地震动模型的基础上,提出一种基于贝叶斯估计的地震动实时识别与预测算法,改进传统主动控制算法中对结构状态进行滤波估计的不足。(6)提出一种考虑识别与预测地震动的预测型动态性能泛函,建立线性系统的预测最优控制。预测型动态性能泛函综合考虑当前及预测地震动、控制力和结构状态的后续影响。考虑未来有限时间内地震动的预测最优控制,可获得比常规主动控制更优的控制效果。 【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU311.3

【图文】：

前馈控制,反馈控制

我国《建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）》[4]中对于减隔振结构均给出相应的设计规范，由此大大推进了我国减隔振装置的应用。但我国现行规范中，未曾提及主动控制结构的设计，可见我国主动控制研究仍有较大完善空间。另一方面，原有主流的主动控制算法多基于一定的理论近似，仍存在优化空间，但近年来鲜有学者提出新型现代控制算法，高效的主动控制算法研究仍有重要的理论意义。1.2 国内外研究现状及发展概述土木结构中的主动控制系统至少由传感器、控制器和作动器三部分组成。由传感器实时测量结构响应或外界环境干扰，控制器中的控制算法根据响应或者外界干扰的大小决策最优控制力，最后由作动器将最优控制力施加于受控结构中。在实时测量结构响应基础上完成的主动控制，如图 1-1(a)所示，通常将其称为反馈控制。在实时测量外界环境干扰基础上完成的主动控制，如图 1-1(b)所示，通常将其称为前馈控制。

控制装置,工程硕士学位,比例积分微分控制,现代控制

华南理工大学工程硕士学位论文用 HMD 控制装置。HMD 控制装置运用比 AMD 更广泛。1.2.2 主动控制算法如图 1-2 所示，传统控制算法中比例积分微分控制（Proportion integral differentialcontrol，简称 PID）、正位反馈控制（Positive Position Feedback，简称 PPF）在许多行业中有广泛应用，，但不常用于土木结构的控制中。与土木结构主动控制装置响应相适应的控制算法主要包括传统算法中的极点配置算法（Pole Placement control）和现代控制算法中的最优控制算法（Optimal Control）、滑动模态控制（Sliding Mode Control）、自适应控制（Adaptive Control）和智能控制算法（Intelligent Control）。

【参考文献】