結(jié)構(gòu)非線性振動識別與控制的算法設(shè)計及試驗研究項目摘要

土木工程結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下將不可避免地進(jìn)入塑性階段，從而表現(xiàn)出非線性行為，因此研究結(jié)構(gòu)非線性振動識別與控制具有重要的理論和實際意義。本項目針對結(jié)構(gòu)中已知非線性程度及非線性類型的不同，設(shè)計合適的結(jié)構(gòu)非線性振動識別及控制算法，并分別基于旋轉(zhuǎn)阻尼器和磁流變彈性體建立具有可重復(fù)性的結(jié)構(gòu)非線性振動試驗?zāi)Ｐ?。具體為：1）當(dāng)已知較多非線性模型信息時，采用常參數(shù)結(jié)構(gòu)非線性振動模型，設(shè)計以魯棒控制方案為主的控制算法；當(dāng)已知較少非線性模型信息時，采用時變參數(shù)結(jié)構(gòu)非線性振動模型，設(shè)計以自適應(yīng)制方案為主的控制算法；2）利用磁流變或粘滯旋轉(zhuǎn)阻尼器建立具有可重復(fù)性的結(jié)構(gòu)非線性振動試驗?zāi)Ｐ?，并通過調(diào)整輸入到磁流變旋轉(zhuǎn)阻尼器中的電壓信號實現(xiàn)不同的非線性行為；3）利用磁流變彈性體設(shè)計變剛度柱，并建立可以實現(xiàn)不同剛度非線性的結(jié)構(gòu)非線性振動試驗?zāi)Ｐ停?）在試驗?zāi)Ｐ蜕向炞C前面提出的結(jié)構(gòu)非線性振動識別與控制算法的合理性。

土木工程結(jié)構(gòu)的振動控制研究和應(yīng)用已有近 50 年的歷史，基于線性結(jié)構(gòu)的主動控制理論已經(jīng)基本成熟，在土木工程領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜，即使采用結(jié)構(gòu)振動控制系統(tǒng)，在強(qiáng)地震作用下將結(jié)構(gòu)完全控制在線性階段也是不現(xiàn)實的。因此研究結(jié)構(gòu)非線性振動控制以及識別等問題具有重要的理論和實際意義。結(jié)構(gòu)非線性振動試驗容易造成結(jié)構(gòu)損傷甚至破壞，不具有可重復(fù)性，因此研究可以重復(fù)使用的結(jié)構(gòu)非線性試驗?zāi)Ｐ蛯τ谒岢隼碚摵退惴ǖ尿炞C也是非常重要的。本項目基于以上的問題，根據(jù)不同情況研究了結(jié)構(gòu)非線性振動識別與控制算法，同時設(shè)計了結(jié)構(gòu)非線性振動試驗?zāi)Ｐ汀＞唧w為：1. 針對常參數(shù)簡單非線性模型采用小波分析與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測進(jìn)行了結(jié)構(gòu)非線性振動參數(shù)識別；考慮時變參數(shù)的影響，針對滯回非線性模型采用無跡卡爾曼濾波進(jìn)行參數(shù)識別，同時利用估計量來計算滯回變量，提高了識別精度；針對磁流變彈性體材料，采用廣義Maxwell模型以及分?jǐn)?shù)階模型進(jìn)行了建模及參數(shù)識別。2. 針對簡單非線性模型，采用滑?？刂扑惴ㄒ约胺答伨€性化控制算法進(jìn)行了控制設(shè)計，同時在控制算法設(shè)計中對于荷載進(jìn)行了識別；針對復(fù)雜非線性模型，結(jié)合前面的識別算法給出控制所用參數(shù)，采用模型參考自適應(yīng)控制算法進(jìn)行了結(jié)構(gòu)非線性振動控制；針對采用旋轉(zhuǎn)激勵的結(jié)構(gòu)非線性模型，采用同胚變換及反饋線性化算法完成了結(jié)構(gòu)非線性振動控制。3. 基于粘滯旋轉(zhuǎn)阻尼器建立了結(jié)構(gòu)非線性振動試驗?zāi)Ｐ停ㄟ^調(diào)節(jié)粘滯阻尼器的阻尼系數(shù)可以實現(xiàn)不同的非線性行為；基于磁流變彈性體建立了結(jié)構(gòu)非線性試驗?zāi)Ｐ?，通過調(diào)節(jié)施加在磁流變彈性體上的磁場可以實現(xiàn)不同的非線性行為；基于旋轉(zhuǎn)激勵作動器建立了考慮作動器非線性的結(jié)構(gòu)非線性試驗?zāi)Ｐ停换谥鲃与姍C(jī)建立了基于狀態(tài)反饋的結(jié)構(gòu)非線性振動試驗?zāi)Ｐ?，可以重?fù)的實現(xiàn)給定的線性及非線性行為。在以上建立的結(jié)構(gòu)非線性模型中，對于所提到的識別和控制算法進(jìn)行了驗證。 2100433B

本項目針對高層建筑結(jié)構(gòu)智能控制的難點問題，通過對模糊推理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及粗糙集理論等智能控制算法的深入研究，提出有效的高層建筑自適應(yīng)模糊控制新算法。研究內(nèi)容包括：高層建筑結(jié)構(gòu)振動控制的模糊建模、模糊控制規(guī)則提取及有效性驗證；高層建筑結(jié)構(gòu)模糊自適應(yīng)控制算法的研究及模糊系統(tǒng)穩(wěn)定性分析；研制相應(yīng)的智能嵌入式實時控制系統(tǒng)；進(jìn)行安裝主動質(zhì)量阻尼器的高層鋼框架模型結(jié)構(gòu)模糊控制試驗研究，驗證所提智能控制算法與研制的智能控制系統(tǒng)的有效性。本課題研究將為高層建筑智能控制的工程應(yīng)用提供關(guān)鍵技術(shù)儲備。 2100433B

我們項目的研究內(nèi)容和研究目標(biāo)有三個：.1 模糊和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)滑?？刂?。將模糊控制同其它領(lǐng)域的理論研究方法相結(jié)合，利用模糊控制的優(yōu)勢提供可行的分析方法，發(fā)展一些實用的綜合方法；.2時滯系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制。時滯系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)控制，對進(jìn)一步促進(jìn)變結(jié)構(gòu)控制理論的應(yīng)用具有重要意義。.3滑動模態(tài)控制的抖振問題：目前雖然有許多消除抖振的方案，但這些方法都有各自局限性，抖振現(xiàn)象仍然是離散系統(tǒng)滑模控制算法的主要缺 2100433B