淺談建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制

       摘要:文章從不同角度對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制進(jìn)行了分類，介紹了其發(fā)展與現(xiàn)狀，并對(duì)近年來(lái)控制理論在結(jié)構(gòu)控制方而的新進(jìn)展給以綜述，最后對(duì)有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題進(jìn)行了探討，以促進(jìn)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的研究。

　　關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制,自主控制,上木工程結(jié)構(gòu)

　　結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制是一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛的工程問(wèn)題。所謂結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制(以下稱為結(jié)構(gòu)控制)是指采用某種措施使結(jié)構(gòu)在動(dòng)力載荷作用下的響應(yīng)不超過(guò)某一限量，以滿足工程要求。

　　結(jié)構(gòu)控制問(wèn)題是一種多學(xué)科交叉的理論與工程問(wèn)題，其結(jié)構(gòu)類型繁多、控制目標(biāo)不同、實(shí)現(xiàn)手段多樣。目前，國(guó)內(nèi)外控制界對(duì)這類問(wèn)題的研究十分重視，有大量的學(xué)術(shù)論文發(fā)表，其中不少新結(jié)果得到了實(shí)際工程應(yīng)用。本文旨在對(duì)當(dāng)前結(jié)構(gòu)控制的一此新進(jìn)展加以綜述，并對(duì)此有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題給以歸納。

　　一、結(jié)構(gòu)控制的特點(diǎn)、發(fā)展與現(xiàn)狀

　　(一)按控制對(duì)能量需求來(lái)劃分

　　從控制對(duì)外部能量需求的角度，結(jié)構(gòu)控制可分為:被動(dòng)結(jié)構(gòu)控制、主動(dòng)結(jié)構(gòu)控制、混合結(jié)構(gòu)控制、半主動(dòng)結(jié)構(gòu)控制。除被動(dòng)控制外，其他三種控制方式中的控制力全部或部分地根據(jù)反饋信號(hào)按照某種事先設(shè)計(jì)的控制律實(shí)時(shí)產(chǎn)生。主動(dòng)結(jié)構(gòu)控制效果較好，對(duì)環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)力，但完全依賴外部能源，閉環(huán)穩(wěn)定性比其他方式差。在被動(dòng)控制中，控制力不是由反饋產(chǎn)生的。其主要優(yōu)點(diǎn)是:成本低、不消耗外部能量、不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性;缺點(diǎn)是:對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)力與控制效果不如其他方案�；旌峡刂剖侵赣弥鲃�(dòng)控制來(lái)補(bǔ)充和改善被動(dòng)控制性能的方案。由于混合了被動(dòng)控制，因此減小了全主動(dòng)控制方案中對(duì)能量的要求。半主動(dòng)控制中通常包含某種對(duì)能量需求很低的可控設(shè)備，如可變節(jié)流孔阻尼器等作用時(shí)所需的外部能量通常比主動(dòng)控制小得多。一此初步研究表明混合控制與半主動(dòng)控制的性能大大優(yōu)于被動(dòng)控制，甚至可達(dá)到或超過(guò)主動(dòng)控制的性能，并在穩(wěn)定性與適用性方面要優(yōu)于后者，因此成為當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

　　(二)按結(jié)構(gòu)特性劃分

　　從被控結(jié)構(gòu)的特性劃分，結(jié)構(gòu)控制可分為柔性結(jié)構(gòu)控制與剛性結(jié)構(gòu)控制。其中柔性結(jié)構(gòu)包括大型柔性空間結(jié)構(gòu)、大跨度橋梁等;剛性結(jié)構(gòu)則包括武器系統(tǒng)中穩(wěn)定平臺(tái)、車輛懸掛系統(tǒng)、多剛體機(jī)器人等。對(duì)于兩類結(jié)構(gòu)控制所用的主動(dòng)控制設(shè)備也不相同，如在柔性結(jié)構(gòu)控制中傳感器與執(zhí)行器常用的智能材料是分布智能材料，如壓電材料;而剛性結(jié)構(gòu)控制中傳感器與執(zhí)行器常用的智能材料是電智能材料，如磁致伸縮材料。相應(yīng)地所研究的控制問(wèn)題側(cè)重點(diǎn)也有所不同，如柔性結(jié)構(gòu)控制中多研究分布參數(shù)系統(tǒng)，在控制器設(shè)計(jì)時(shí)所考慮的是模型簡(jiǎn)化與控制溢出等問(wèn)題，波動(dòng)控制是其中較新提出的一類控制問(wèn)題。而在剛性結(jié)構(gòu)控制中則較多研究智能材料的非線性與在不同約束下的控制器設(shè)計(jì)問(wèn)題。

　　(三)按控制效果要求劃分

　　精度要求是根據(jù)不同的應(yīng)用而定的。不同的指標(biāo)決定了不同的控制。如穩(wěn)定平臺(tái)，控制目的是消除振動(dòng)，使平臺(tái)系統(tǒng)盡可能保持穩(wěn)定，而在土木結(jié)構(gòu)中，控制目的是減少振動(dòng)和保證安全，并不要求完全消除振動(dòng)。

　　在高精度應(yīng)用中常采用精密的智能結(jié)構(gòu)，如Stewark六自由度穩(wěn)定平臺(tái)，采用T erlenol_D材料，在尺寸與重量方而都較小，在控制器設(shè)計(jì)時(shí)常采取比較復(fù)雜的控制策略，以求達(dá)到高的控制效果，比如微米級(jí)或納米級(jí)精度，而相對(duì)地，對(duì)控制能量要求不大。相反在一些低精度結(jié)構(gòu)控制中由于被控結(jié)構(gòu)特點(diǎn)往往超大尺寸，超大重量，如高層建筑，控制律則要相對(duì)簡(jiǎn)單，高可靠性，低控制能量。

　　二、結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中的一些理論

　　(一)結(jié)構(gòu)控制中建模與模型簡(jiǎn)化

　　建模的目的是建立結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)在外部動(dòng)態(tài)載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)模型，盡量真實(shí)地描述整個(gè)系統(tǒng)的行為。通常的建模方法有兩種: 1)根據(jù)牛頓力學(xué)原理建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，這類模型往往維數(shù)較高或者是分布系統(tǒng)，多用于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析與對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)方而。2)利用系統(tǒng)的輸入/輸出數(shù)據(jù)采用控制中的系統(tǒng)辨識(shí)算法辨識(shí)出系統(tǒng)模型，辨識(shí)算法不同，則得到的描述模型也不盡相同。

　　(二)最優(yōu)控制問(wèn)題

　　1)混合最優(yōu)控制。通過(guò)被動(dòng)控制可以在一個(gè)給定范圍內(nèi)改變結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度與阻尼等參數(shù)，進(jìn)而改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性。而基于結(jié)構(gòu)原始參數(shù)，按照某一準(zhǔn)則可設(shè)計(jì)出具有理想閉環(huán)性能的控制器。在保證上述理想閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性前提下，同步進(jìn)行控制器與結(jié)構(gòu)參數(shù)重新設(shè)計(jì)，就有可能同時(shí)優(yōu)化結(jié)構(gòu)與控制參數(shù)，在同樣的控制效果下最小化控制能量，即實(shí)現(xiàn)“被動(dòng)與主動(dòng)控制的最優(yōu)混合”，得到性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足給定約束的最小能量控制器。如果通過(guò)這種優(yōu)化得到的主動(dòng)控制器所需能量為零，則對(duì)應(yīng)的最優(yōu)控制是被動(dòng)控制。這種最優(yōu)混合問(wèn)題可化為凸二次規(guī)劃問(wèn)題，數(shù)值解的收斂速度快并能保證全局最優(yōu)解。

　　2)可行控制。通常的輸出或輸入約束下的最優(yōu)控制是在L2范數(shù)約束下最小化通常最優(yōu)控制中的某一標(biāo)量性能函數(shù)，而可行性控制是對(duì)輸出和輸入同時(shí)加可行性約束，但并不最小化某個(gè)標(biāo)量性能指標(biāo)。從這一意義上，可行控制不是最優(yōu)的，但優(yōu)點(diǎn)在于易于求得數(shù)值解，如利用MATLAB的LMI軟件工具箱。

　　(三)隨機(jī)控制

　　在結(jié)構(gòu)模型中，結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性與外部作用力通常存在著不確定性。此外對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)輸出測(cè)量時(shí)，由于柔性結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性是無(wú)窮維的，分散點(diǎn)測(cè)量無(wú)法對(duì)狀態(tài)進(jìn)行完全觀測(cè)，而且存在傳感器噪聲，因此對(duì)結(jié)構(gòu)控制中一此問(wèn)題的研究需要隨機(jī)控制理論。

　　(四)智能控制

　　在結(jié)構(gòu)控制中，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)除用于辨識(shí)結(jié)構(gòu)模型外，也用于結(jié)構(gòu)控制。間接預(yù)報(bào)學(xué)習(xí)控制用于大型空間結(jié)構(gòu)中，自適應(yīng)神經(jīng)控制用于柔性空間結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制，使用BP算法及隨機(jī)優(yōu)化搜索算法訓(xùn)練的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)逼近多自由度結(jié)構(gòu)的逆動(dòng)態(tài)和控制結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

　　三、有待研究的控制問(wèn)題

　　1)控制器設(shè)計(jì)角度的建模與模型簡(jiǎn)化:由于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)維數(shù)高，含有未建模動(dòng)態(tài)特性及參數(shù)不確定性等，研究面向低階魯棒控制器設(shè)計(jì)的辨識(shí)方法及模型簡(jiǎn)化技術(shù)等問(wèn)題是具有實(shí)際意義的，同時(shí)對(duì)于含智能材料的結(jié)構(gòu)，由于材料的強(qiáng)非線性，對(duì)材料與結(jié)構(gòu)間的非線性相互作用的辨識(shí)也需進(jìn)一步研究。2)研究一些較新的魯棒控制器設(shè)計(jì)方法:另外研究基于某類特殊結(jié)構(gòu)(如含磁致伸縮材料的穩(wěn)定平臺(tái))的振動(dòng)控制機(jī)理與魯棒控制算法等都是有很強(qiáng)的工程應(yīng)用前景的問(wèn)題。3)結(jié)構(gòu)控制中的混合控制:不同類型的控制算法集成的研究即混合控制方式目前是控制界極受關(guān)注的問(wèn)題，在結(jié)構(gòu)控制中研究主動(dòng)與被動(dòng)控制間的最優(yōu)混合，具有實(shí)際意義的方向。4)許多結(jié)構(gòu)控制問(wèn)題對(duì)于可靠性要求很高，而在正常條件下又無(wú)法對(duì)整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)證實(shí)控制方案的正確性，如為提高建筑物的抗震能力而設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)控制器。