論預(yù)測(cè)控制在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制領(lǐng)域的研究和應(yīng)用

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 作者：何自強(qiáng)　蔡　鵬　勞金箭　董江峰【論文關(guān)鍵詞】：結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制；預(yù)測(cè)控制；模型算法控制

  【論文摘要】：結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制雖然在理論上己經(jīng)解決了很多復(fù)雜的控制問(wèn)題，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在許多問(wèn)題和困難，如測(cè)量和時(shí)滯的影響。而預(yù)測(cè)控制采用最優(yōu)估計(jì)理論，對(duì)對(duì)象未來(lái)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行優(yōu)化。預(yù)測(cè)控制應(yīng)用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)中具有顯著的優(yōu)勢(shì)，逐漸發(fā)展成為一種新型的控制方法，如今已在許多行業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域取得不小的成功。   目前，土木工程結(jié)構(gòu)控制通常采用經(jīng)典控制理論，使用基于傳遞函數(shù)模式的頻域分析法，或者采用現(xiàn)代控制理論，使用基于狀態(tài)方程模式的時(shí)域分析法[1]。無(wú)論采用哪種方法，其特點(diǎn)都是基于模型的控制，通常認(rèn)為模型是已知的。傳統(tǒng)控制方法對(duì)解決高度非線(xiàn)性問(wèn)題、強(qiáng)禍合問(wèn)題等系統(tǒng)，缺乏實(shí)用有效的分析方法，其控制對(duì)象比較單一，輸入和輸出量比較簡(jiǎn)單。當(dāng)控制對(duì)象比較復(fù)雜時(shí)，就很難有效發(fā)揮作用，甚至是無(wú)能為力。因此，研究不依賴(lài)于精確模型、調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單的控制算法對(duì)有效的減輕結(jié)構(gòu)在風(fēng)和地震等作用下的反應(yīng)和損傷，有效提高結(jié)構(gòu)的抗振能力具有十分重要的意義。預(yù)測(cè)控制的發(fā)展為解決這一問(wèn)題提供了理論基礎(chǔ)。   本文以升船機(jī)結(jié)構(gòu)為主要研究對(duì)象。垂直升船機(jī)結(jié)構(gòu)一般由二個(gè)或四個(gè)巨大的鋼筋混凝土筒體加頂部設(shè)置的一個(gè)超高和超大跨度的單層廠房所組成，它是一種高柔結(jié)構(gòu)，升船機(jī)結(jié)構(gòu)下部筒體結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度很大，而頂部單層廠房柱的側(cè)移剛度很小，當(dāng)受到地震作用時(shí)，這種巨大的剛度突變引起升船機(jī)頂部廠房強(qiáng)烈的鞭梢效應(yīng)，引起嚴(yán)重破壞。由于使用功能上的要求，升船機(jī)頂部廠房排架方向無(wú)法設(shè)置任何的耗能系統(tǒng)，無(wú)法采用常規(guī)的抗震設(shè)計(jì)方法來(lái)減小升船機(jī)頂部廠房的地震反應(yīng)。目前，這己經(jīng)成為制約大型垂直升船結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的一個(gè)瓶頸，解決這一問(wèn)題只能應(yīng)用結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的方法。   結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制是近二十年發(fā)展起來(lái)的新興科學(xué)。它是指通過(guò)采取一定的控制措施以減輕或抑制結(jié)構(gòu)由于動(dòng)力荷載所引起的反應(yīng)。其目的是要采取一定的控制措施，減輕和抑制結(jié)構(gòu)在地震、強(qiáng)風(fēng)及其它動(dòng)力荷載作用下的動(dòng)力反應(yīng)，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力穩(wěn)定性，提高結(jié)構(gòu)抵抗外界振動(dòng)的能力，以滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)安全性、使用性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性等要求。   目前，結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制己成為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科，主要研究對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行控制的理論、方法和技術(shù)。它綜合控制論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、結(jié)構(gòu)振動(dòng)理論與新材料等前沿學(xué)科的最新研究成果和技術(shù)，是土木結(jié)構(gòu)振動(dòng)工程的高科技領(lǐng)域，成為土木結(jié)構(gòu)工程發(fā)展方向之一[2]。   盡管現(xiàn)代控制理論經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，理論上己經(jīng)解決了很多復(fù)雜的控制問(wèn)題，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在許多問(wèn)題和困難。就結(jié)構(gòu)對(duì)象而言，傳統(tǒng)控制方法的不足主要表現(xiàn)在如下方面[3]:數(shù)學(xué)建模和建筑結(jié)構(gòu)存在很大差異；外荷載具有不確定性，導(dǎo)致實(shí)際控制性和設(shè)計(jì)目標(biāo)之間的差異；測(cè)量和時(shí)滯的影響等等。在實(shí)際控制中，傳感器采集到的信號(hào)不可避免的存在噪聲污染，而結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制一般采用實(shí)時(shí)控制方式，這就可能因測(cè)量過(guò)程中的未知因素的影響而造成觀測(cè)溢出和控制溢出，從而使得控制性能下降甚至可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，形成激勵(lì)，加速結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致災(zāi)難性后果。一般控制算法是假定在理想狀態(tài)下，即不存在時(shí)滯，但實(shí)際在測(cè)量轉(zhuǎn)化、信號(hào)處理、計(jì)算控制信號(hào)、施加控制力都需要一定時(shí)間，從而造成控制的時(shí)滯。如果未考慮這個(gè)因素，就會(huì)造成控制效率下降，更嚴(yán)重的會(huì)造成控制結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)。   而預(yù)測(cè)控制采用最優(yōu)估計(jì)理論，由所測(cè)得的結(jié)構(gòu)反應(yīng)預(yù)測(cè)將要發(fā)生的結(jié)構(gòu)反應(yīng)或外部激勵(lì)，不斷修正預(yù)測(cè)律，針對(duì)預(yù)測(cè)的結(jié)構(gòu)反應(yīng)或外部激勵(lì)，計(jì)算施加的控制力序列，對(duì)對(duì)象未來(lái)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行優(yōu)化。利用預(yù)測(cè)模型可以預(yù)測(cè)系統(tǒng)從當(dāng)前狀態(tài)開(kāi)始，經(jīng)過(guò)有限時(shí)域后的未來(lái)開(kāi)環(huán)特性;根據(jù)該動(dòng)態(tài)特性可以得到最優(yōu)的   控制序列，它使得預(yù)先指定的目標(biāo)函數(shù)有最小值。因此，預(yù)測(cè)控制應(yīng)用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)中具有顯著的優(yōu)勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)預(yù)測(cè)控制在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制領(lǐng)域方面的研究還較少，隨著科學(xué)理論研究的深入和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)水平的提高，預(yù)測(cè)控制逐漸成熟并發(fā)展成為一種新型的控制方法，如今已在許多行業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域取得不小的成功[4]。   與其它預(yù)測(cè)控制算法相比，模型算法控制的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下方面：由于采用的是脈沖響應(yīng)模型，無(wú)需降低其模型階數(shù)；對(duì)于過(guò)程輸入的大小和變化率的約束，可正確地直接進(jìn)行處理;控制率是時(shí)變的，閉環(huán)響應(yīng)對(duì)于受控對(duì)象的變化具有魯棒性；依靠?jī)?nèi)部模型的在線(xiàn)更新，可以實(shí)現(xiàn)增益預(yù)調(diào)整；脈沖響應(yīng)模型的設(shè)定和控制量的計(jì)算使用相同的算法，可以簡(jiǎn)化硬件條件；對(duì)于不同的受控對(duì)象，可以采用不同的采樣周期；對(duì)于傳感器故障或系統(tǒng)控制特性的惡化，可以在線(xiàn)修改控制規(guī)則。動(dòng)態(tài)矩陣控制(DMC)和模型算法控制(MAC)是以非參數(shù)模型為基礎(chǔ)的預(yù)測(cè)控制算法。   當(dāng)前人們對(duì)預(yù)測(cè)控制的研究和應(yīng)用，無(wú)論是從廣度上還是深度上都有很大的發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)的普及和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)水平的提高，預(yù)測(cè)控制必然會(huì)向更高層次進(jìn)一步發(fā)展。但是目前國(guó)內(nèi)對(duì)預(yù)測(cè)控制在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制領(lǐng)域中的研究和應(yīng)用還很少，存在很多迫切需要解決的理論和實(shí)際問(wèn)題，但其基本原理的適應(yīng)性無(wú)疑是富有吸引力的。       參考文獻(xiàn)   [1]閻維明，周福霖，譚平.土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的研究進(jìn)展.世界地震工程，1997,13(2):8-20   [2]李敏霞，劉季.主動(dòng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制算法綜述.世界地震工程，1998,14(4):6169   [3]陳靜，瞿偉廉，肖純.預(yù)測(cè)控制在土木工程結(jié)構(gòu)控制中的應(yīng)用.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001,23(8):11-13   [4]李平，王樹(shù)青，王驥程.預(yù)測(cè)控制研究的概況.化工自動(dòng)化及儀表，1995,22(6):3-9