土木工程結(jié)構(gòu)的模糊控制算法及其應(yīng)用現(xiàn)狀

【摘 要】土木工程結(jié)構(gòu)的抗震是長(zhǎng)久以來(lái)的技術(shù)與和設(shè)計(jì)難題，而振動(dòng)控制理論的出現(xiàn)與應(yīng)用為解決這一問(wèn)題提供了方向。尤其是模糊控制的提出與研究為多種振動(dòng)控制技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供了幫助。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)控制；模糊控制；模糊算法；遺傳算法

1 結(jié)構(gòu)振動(dòng)的控制技術(shù)

以往土木工程的結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制主要針對(duì)的是某種特定情況下的計(jì)算與分析，其分析的針對(duì)性較強(qiáng)但是計(jì)算的方法局限性較大。而從模糊控制的角度看，其不需要被控制對(duì)象具有精確的數(shù)學(xué)模型，具有更加廣泛的適應(yīng)性。在研究中模糊控制理論、自適應(yīng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、工程結(jié)構(gòu)理論相結(jié)合等方面相互結(jié)合，性的計(jì)算分析結(jié)果也具有一定的實(shí)用性。實(shí)踐中采用理論分析、計(jì)算仿真、結(jié)果分析等措施與手段，可分析出無(wú)控制的情況下、有模糊控制器、增加因子自調(diào)整模糊控制器后結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)形態(tài)、強(qiáng)度、響應(yīng)曲線等，以此形成一個(gè)相對(duì)特定的模糊控制算法，并以此適應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。土木工程的結(jié)構(gòu)模糊控制是一種新型的振動(dòng)控制技術(shù)，利用模糊控制可以處理工程中諸多不確定的因素，其算法較為簡(jiǎn)單也可起到較好的控制作用，且工程造價(jià)低應(yīng)用前景廣泛。

所謂的結(jié)構(gòu)控制起源于上個(gè)世紀(jì)的70年代，其目的是對(duì)振動(dòng)加以控制，具體看就是對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)與動(dòng)力不穩(wěn)定性等振動(dòng)情況進(jìn)行控制，使其在符合結(jié)構(gòu)允許的強(qiáng)度范圍。實(shí)踐證明其可以降低結(jié)構(gòu)自身的重量，改善結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，提高結(jié)構(gòu)所達(dá)到的承載能力與可靠程度。振動(dòng)控制主要措施有消振、隔振、吸振、阻尼減振、控制結(jié)構(gòu)優(yōu)化、外部能源控制等。因此結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制可以劃分為主動(dòng)被動(dòng)控制、混合控制、半主動(dòng)控制等。被動(dòng)控制有隔振、吸振、阻尼措施等，其控制力主要來(lái)自控制裝置隨著結(jié)構(gòu)儀器的振動(dòng)變形，控制裝置本身是被動(dòng)的；主動(dòng)控制則是依靠外部施加的能源對(duì)減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，其控制力控制裝置安裝某種控制策略完成對(duì)結(jié)構(gòu)的控制；半主動(dòng)控制是利用少量的外加能源進(jìn)行控制，其控制力是因?yàn)榭刂蒲b置本身的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的，但是在控制的過(guò)程中，控制裝置能從外部施加的能源中主動(dòng)調(diào)整本身的控制參數(shù)，從而獲得相應(yīng)的控制力完成控制；混合控制的技術(shù)就是將主動(dòng)控制與被動(dòng)控制的技術(shù)結(jié)合起來(lái)形成一種合成控制方式。

上面的四種振動(dòng)控制方式中，被動(dòng)的控制方式是較為經(jīng)典的技術(shù)措施，是一種開(kāi)環(huán)控制，目前仍然被廣泛的應(yīng)用。但是因?yàn)楸粍?dòng)控制技術(shù)缺乏跟蹤與自適應(yīng)能力，一旦出現(xiàn)結(jié)構(gòu)上承受的動(dòng)力載荷超出了預(yù)計(jì)則控制的效果會(huì)大幅度降低甚至失效。主動(dòng)控制的技術(shù)是一種現(xiàn)代技術(shù)，其應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)輸入動(dòng)力和結(jié)構(gòu)反映實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)完成實(shí)時(shí)跟蹤，在按照分析計(jì)算的結(jié)構(gòu)對(duì)控制機(jī)制加以控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，使得結(jié)構(gòu)在地震中始終定位在安全狀態(tài)下，避免損傷。半主動(dòng)控制是土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的新興課題，其依靠的是較小的外部能源輸入從而改變整個(gè)土木結(jié)構(gòu)振動(dòng)情況，減小結(jié)構(gòu)反映而不提供控制力。半主動(dòng)控制的效果優(yōu)于通常的被動(dòng)控制，與主動(dòng)控制效果相似，且機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，能耗相對(duì)低，容易控制。

2 結(jié)構(gòu)控制的算法分析

結(jié)構(gòu)振動(dòng)的算法主要是針對(duì)主動(dòng)控制而言。結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制的計(jì)算方法源于近代的控制理論，但是這些理論在土木工程中的應(yīng)用中會(huì)產(chǎn)生一些列的特定的問(wèn)題，這些問(wèn)題都是控制算法中需要解決的。從原理上看現(xiàn)代控制理論的控制算法可以大部分可以借鑒。但是土木工程的特殊性使得這些算法并不是都能直接應(yīng)用，一些則需要進(jìn)行特殊的處理。常用的控制算法包括了經(jīng)典線性控制、瞬時(shí)最優(yōu)控制、極點(diǎn)配置計(jì)算、獨(dú)立空間控制、模糊控制等等。其中模糊控制算法的應(yīng)用已經(jīng)漸漸成結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的主要發(fā)展方向。

所謂模糊控制就是以模糊集合理論、模糊語(yǔ)言變量、模糊邏輯等為基礎(chǔ)的計(jì)算方式。模糊控制不需要清除的了解對(duì)象數(shù)學(xué)模型，可以克服非線性所帶來(lái)的負(fù)面影響，同時(shí)模糊控制對(duì)于變量參數(shù)問(wèn)題適應(yīng)性較強(qiáng)。模糊規(guī)則的歸納、規(guī)則庫(kù)的建立可以從實(shí)際的控制經(jīng)驗(yàn)中獲得數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。以往因?yàn)槿藗儗?duì)控制對(duì)象的認(rèn)識(shí)是不完整的，因此模糊控制器在設(shè)計(jì)中會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題而影響控制的質(zhì)量，而遺傳算法的引入則改變了此種情況。近些年，遺傳算法已經(jīng)廣泛的應(yīng)用與土木工程結(jié)構(gòu)的地震相應(yīng)控制上。一些學(xué)者采用雙枝競(jìng)賽測(cè)量的遺傳算法優(yōu)化了結(jié)構(gòu)抗震控制其的模糊控制參數(shù)，并獲得了成功，則顯示了遺傳算法在模糊控制其中多目標(biāo)優(yōu)化條件下的有效性。另外，學(xué)者采用遺傳算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)安裝有阻尼器的智能隔震裝置的模糊控制。也有學(xué)者對(duì)地震作用下鋼結(jié)構(gòu)模型完成了模糊控制。試驗(yàn)表明采用遺傳算法作為模糊控制算法可以優(yōu)化模糊控制器，并可以獲得較好得到效果。我國(guó)的專家也利用小種群遺傳算法優(yōu)化了結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)阻尼控制器。而國(guó)外學(xué)者也實(shí)現(xiàn)了阻尼器減小多自由度結(jié)構(gòu)地震相應(yīng)的模糊控制，并利用微觀遺傳算法解決了對(duì)模糊控制其器的調(diào)試。

3 （遺傳）模糊控制算法的應(yīng)用

基于遺傳算法的模糊控制器設(shè)計(jì)與應(yīng)用是目前模糊控制的應(yīng)用形式的一種。運(yùn)用遺傳算法建立起來(lái)的相應(yīng)機(jī)制，對(duì)地震機(jī)理信號(hào)的處理、阻尼其控制電流之間的模糊規(guī)則成為了模糊控制的核心思路。為了研究的方便與簡(jiǎn)單化，模糊邏輯控制器已經(jīng)在隸屬度函數(shù)的確定條件下保持不變。下面就多MR阻尼遺傳模糊算法的應(yīng)用進(jìn)行舉例說(shuō)明。

算例：某土木工程為6層錨索結(jié)構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)的1-6層質(zhì)量都為相同的重量，低1-6層的剛度設(shè)計(jì)也為相同參數(shù)，其層高也為相同。前三階段的阻尼比與固有的頻率經(jīng)過(guò)測(cè)算可以得出，此時(shí)按照單MR的模糊算法進(jìn)行處理，步驟為：利用二進(jìn)制編碼；確定適應(yīng)度函數(shù)；遺傳算子分析；群體規(guī)模選擇；初始化種群。這樣就確定了阻尼器參數(shù)。多MR阻尼所得到的結(jié)果僅僅是編碼長(zhǎng)度產(chǎn)生了改變，向?qū)τ诘囊?guī)則也依據(jù)表1來(lái)進(jìn)行。

表1 多阻尼器模糊規(guī)則表

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)構(gòu)振動(dòng)的控制是一門新興的學(xué)科，其設(shè)計(jì)的控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制算法等都是最前沿的技術(shù)成果，其應(yīng)用可有效的降低結(jié)構(gòu)在地震作用中的反應(yīng)與損害，有效的提高了土木工程結(jié)構(gòu)的抗震性能。其控制算法也呈現(xiàn)出多元化，隨著土木工程結(jié)構(gòu)的模糊控制算法引入了遺傳算法后，試驗(yàn)證明對(duì)于模糊控制器阻尼效果是令人滿意的，其半控制效果也達(dá)到了最佳效果。

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