基于分散控制的建筑結構振動控制理論與計算方法研究

原莉

【摘 要】近幾十年來，隨著社會經濟的發展，土木建筑物形式正朝著越來越多的大跨高聳的體型發展。房屋建筑結構在土木結構領域占有較大的比重。我國地殼運動活躍，地震災害非常頻繁。而高層建筑結構體型較大、人員財產密集，其震害會比一般的建筑結構較嚴重。建筑結構的安全性能一直受到強震等荷載的嚴重威脅，如何有效避免結構的破壞，成為建筑結構抗震領域面臨的巨大挑戰。傳統的抗震技術對建筑結構的減震作用具有一定的局限性。對此，主動控制技術可彌補傳統的抗震技術的缺點。結構振動控制技術可有效地減少建筑結構振動響應。同時，越來越多的新型材料和新技術被用于提高建筑結構的舒適度和安全度。

【關鍵詞】分散控制；建筑結構；振動控制

1引言

構造地震是破壞性地震的主要來源，也是土木工程結構在地震中發生破壞的主因。很多工業建筑和民用建筑在強震作用下會遭受不同程度的破壞，從而給人類造成人員傷亡和財產損失。由于建筑物在強震作用下往往會發生倒塌破壞，從而引起人員傷亡和財產損失。自20世紀80年代以來，在基礎設施大建設浪潮的背景下，我國涌現出一批高層和超高層建筑結構。然而高層和超高層建筑往往聚集著大量的人口。如果這些建筑在強震激勵下受到嚴重破壞或者倒塌，將造成大量的人員傷亡和經濟損失。因此，高層和超高層建筑物的抗震性能需要在建造過程中加以重視。大尺度建筑結構易受到自然界中的地震、風等外界荷載的作用。為了提高土木結構的抗震性和抗風穩定性，被動控制或主動控制裝置可應用到振動控制系統中。控制策略的選擇、數學建模方法和控制裝置是建筑結構振動控制系統的重要影響因素。

2分散控制策略

控制系統發展至今，越來越多的大型復雜控制系統的出現，使得傳統的集中式控制策略不能勝任。由于大尺度土木結構具有多自由度，控制系統較為復雜。對于建立在集中控制策略的基礎上，無論采取經典控制算法，還是采取現代控制理論，都是將整個結構振動控制系統的信息一起存入一個中央處理控制器。然后再根據制定的控制算法進行處理，之后再向系統各控制機構分發控制信息。分散控制策略為解決大型復雜控制系統提供了一條新的有效途徑。大型控制系統由多個分散控制機構組成，每個分散控制機構控制一個子系統。因此，分散控制是將整個控制系統劃分為一系列子系統，分別對各個子系統進行控制。

3建筑結構振動控制系統

3.1被動控制

在對結構振動控制的過程中，被動控制技術不需要外界能源。被動控制裝置通過自身的動力特征來改變結構在受到外界荷載激勵時產生的振動響應。被動控制按照減震類型可分為：吸振減震、基礎隔震以及耗能減震等。由于被動控制技術不需要外界能源，在使用過程中耗費的資源較少。因此，在建筑結構振動控制中，采取被動控制技術將獲得較低的造價，且被動控制裝置運行比較穩定。在建筑結構上安裝附加吸振減震裝置，其裝置的振動頻率和結構振動的某個頻率一致。減震原理是附加裝置和結構產生共振。因此，結構振動能量能夠被吸收。其裝置主要有：調諧質量阻尼器（Tuned Mass Damper，TMD）等吸振減震裝置。

3.2主動控制

在結構受外界荷載作用時，主動控制技術是利用外部能源，對結構施加瞬時控制力來改變結構動力特性，以致于減輕結構振動響應的一種振動控制技術。主動控制系統主要由信息采集系統（傳感器）、計算機控制系統（控制器）與主動驅動系統（作動器）等三大部分組成。控制器根據傳感器測得的外界荷載（如地震激勵）和結構振動響應，采用制定的控制算法來計算并調整施加給結構的作動器控制力，從而控制結構的振動響應。某些計算機硬件元件也能影響主動閉環控制系統的控制性能。這些大型結構系統需要對控制設計進行合理地建模。

3.3半主動控制

相比于主動控制，半主動控制所需要的外界能量很少，就可通過改變系統自身的力學特性來達到實時改變結構剛度和阻尼。與被動控制相比，半主動控制的控制參數和控制力可以實時調節，實現控制力和控制策略的實時變化。半主動控制系統由于結合了被動控制系統和主動控制系統的優點，使得同時具有被動控制系統的可靠性和主動控制系統的瞬時控制力適應性。半主動控制的基本原理跟主動控制類似，需要提供的能量來使得系統的驅動器正常工作，并對結構施加瞬時控制力。

3.4混合控制

混合控制是指被動控制和主動控制相結合，共同使用在建筑結構中的控制系統。由于被動控制使用成本較低且穩定性較好，但控制參數和控制力不能實時調整。而主動控制雖然造價較高但可彌補被動控制的不足。混合控制系統更利于實際工程的應用。目前，己出現應用較好的混合控制系統裝置：AMD和TMD相結合的控制裝置，AMD和液壓阻尼器相結合的控制裝置等。

4控制算法

4.1預測控制

預測控制的原理是由傳感器測得的結構振動響應來預測下一時刻的結構響應或外界激勵，以便于不斷地調整制定控制律。預測控制通常可分為：滾動優化、模型預測和反饋校正。該控制算法依據受控結構的歷時控制信息和未來時刻的外界輸入，來預測受控結構的下一時刻的輸出，以便于計算出驅動器的控制力和控制法則。該控制算法能夠勝任驅動器控制力、受控結構的響應和外界激勵的預測，從而常用于控制系統的時滯補償研究。

4.2極點配置

建筑結構振動控制系統可采用狀態方程的形式來描述。極點配置是指狀態方程矩陣的特征值。由于極點配置反映了狀態方程矩陣系統的動力特征，可采取輸出反饋或狀態反饋控制的方式來改變狀態系統矩陣的極點配置。因此，極點配置可改變結構的阻尼和剛度，從而滿足建筑結構動力特性的要求。采用極點配置來控制建筑結構振動系統，僅需考慮對建筑結構振動響應影響較大的幾個振型，在算法上比較容易做到，但其控制增益矩陣應根據算法設計人員的工程經驗進行確定。

4.3線性二次型最優控制

線性二次型最優控制是以系統狀態和控制力輸入二次型函數積分為優化目標，其對象是現代控制理論中以狀態空間的形式給出線性系統的一類控制算法。目前，線性二次型最優控制主要分為：二次型經典最優控制（LQR）和線性二次型Gauss最優控制（LQG）。其中，LQR最優控制設計是指為使得二次型目標函數J能夠取得最小值，需要對控制系統設計相應的狀態反饋增益矩陣K。權矩陣Q和R的選擇決定了增益矩陣K的大小，也影響著控制系統的控制效果。LQR控制算法在現代控制理論中是最為成熟的狀態矩陣系統設計算法。LQR控制算法的控制成本較低，能夠使原控制系統達到較好的控制性能指標，且實現起來極為方便。目前，采用Matlab軟件可快速對LQR控制算法進行編程計算。LQG控制算法主要針對輸出反饋控制器設計的一種算法，根據結構控制的觀測輸出的信息，并利用Kalman濾波器對結構的全部狀態進行估計。目前，LQR控制算法和LQG控制算法廣泛應用于建筑結構振動控制系統的研究中。

結束語

綜上所述，結構振動控制成為解決高層建筑結構振動控制問題的有效途徑。為了使得建筑結構的變形能夠符合現階段工程的需求，從而有效地減小高層建筑結構的地震響應，新型阻尼器、各類新材料等被應用于建筑結構振動控制中。

參考文獻：

[1]李惠，鈴木祥之，吳波.AMD控制結構地震反應的試驗研究[J].振動工程學報，1999，12（2）：223-228.

[2]歐進萍，王剛，田石柱.海洋平臺結構振動的AMD主動控制試驗研究[J].高技術通訊，2002，10：85-90.

[3]張微敬，歐進萍.基于單片機模糊控制器的AMD主動控制試驗研究[J].建筑結構學報2006，27（1）：37-42.