基于分散控制的建筑结构振动控制理论与计算方法研究

原莉

【摘 要】近几十年来，随着社会经济的发展，土木建筑物形式正朝着越来越多的大跨高耸的体型发展。房屋建筑结构在土木结构领域占有较大的比重。我国地壳运动活跃，地震灾害非常频繁。而高层建筑结构体型较大、人员财产密集，其震害会比一般的建筑结构较严重。建筑结构的安全性能一直受到强震等荷载的严重威胁，如何有效避免结构的破坏，成为建筑结构抗震领域面临的巨大挑战。传统的抗震技术对建筑结构的减震作用具有一定的局限性。对此，主动控制技术可弥补传统的抗震技术的缺点。结构振动控制技术可有效地减少建筑结构振动响应。同时，越来越多的新型材料和新技术被用于提高建筑结构的舒适度和安全度。

【关键词】分散控制；建筑结构；振动控制

1引言

构造地震是破坏性地震的主要来源，也是土木工程结构在地震中发生破坏的主因。很多工业建筑和民用建筑在强震作用下会遭受不同程度的破坏，从而给人类造成人员伤亡和财产损失。由于建筑物在强震作用下往往会发生倒塌破坏，从而引起人员伤亡和财产损失。自20世纪80年代以来，在基础设施大建设浪潮的背景下，我国涌现出一批高层和超高层建筑结构。然而高层和超高层建筑往往聚集着大量的人口。如果这些建筑在强震激励下受到严重破坏或者倒塌，将造成大量的人员伤亡和经济损失。因此，高层和超高层建筑物的抗震性能需要在建造过程中加以重视。大尺度建筑结构易受到自然界中的地震、风等外界荷载的作用。为了提高土木结构的抗震性和抗风稳定性，被动控制或主动控制装置可应用到振动控制系统中。控制策略的选择、数学建模方法和控制装置是建筑结构振动控制系统的重要影响因素。

2分散控制策略

控制系统发展至今，越来越多的大型复杂控制系统的出现，使得传统的集中式控制策略不能胜任。由于大尺度土木结构具有多自由度，控制系统较为复杂。对于建立在集中控制策略的基础上，无论采取经典控制算法，还是采取现代控制理论，都是将整个结构振动控制系统的信息一起存入一个中央处理控制器。然后再根据制定的控制算法进行处理，之后再向系统各控制机构分发控制信息。分散控制策略为解决大型复杂控制系统提供了一条新的有效途径。大型控制系统由多个分散控制机构组成，每个分散控制机构控制一个子系统。因此，分散控制是将整个控制系统划分为一系列子系統，分别对各个子系统进行控制。

3建筑结构振动控制系统

3.1被动控制

在对结构振动控制的过程中，被动控制技术不需要外界能源。被动控制装置通过自身的动力特征来改变结构在受到外界荷载激励时产生的振动响应。被动控制按照减震类型可分为：吸振减震、基础隔震以及耗能减震等。由于被动控制技术不需要外界能源，在使用过程中耗费的资源较少。因此，在建筑结构振动控制中，采取被动控制技术将获得较低的造价，且被动控制装置运行比较稳定。在建筑结构上安装附加吸振减震装置，其装置的振动频率和结构振动的某个频率一致。减震原理是附加装置和结构产生共振。因此，结构振动能量能够被吸收。其装置主要有：调谐质量阻尼器（Tuned Mass Damper，TMD）等吸振减震装置。

3.2主动控制

在结构受外界荷载作用时，主动控制技术是利用外部能源，对结构施加瞬时控制力来改变结构动力特性，以致于减轻结构振动响应的一种振动控制技术。主动控制系统主要由信息采集系统（传感器）、计算机控制系统（控制器）与主动驱动系统（作动器）等三大部分组成。控制器根据传感器测得的外界荷载（如地震激励）和结构振动响应，采用制定的控制算法来计算并调整施加给结构的作动器控制力，从而控制结构的振动响应。某些计算机硬件元件也能影响主动闭环控制系统的控制性能。这些大型结构系统需要对控制设计进行合理地建模。

3.3半主动控制

相比于主动控制，半主动控制所需要的外界能量很少，就可通过改变系统自身的力学特性来达到实时改变结构刚度和阻尼。与被动控制相比，半主动控制的控制参数和控制力可以实时调节，实现控制力和控制策略的实时变化。半主动控制系统由于结合了被动控制系统和主动控制系统的优点，使得同时具有被动控制系统的可靠性和主动控制系统的瞬时控制力适应性。半主动控制的基本原理跟主动控制类似，需要提供的能量来使得系统的驱动器正常工作，并对结构施加瞬时控制力。

3.4混合控制

混合控制是指被动控制和主动控制相结合，共同使用在建筑结构中的控制系统。由于被动控制使用成本较低且稳定性较好，但控制参数和控制力不能实时调整。而主动控制虽然造价较高但可弥补被动控制的不足。混合控制系统更利于实际工程的应用。目前，己出现应用较好的混合控制系统装置：AMD和TMD相结合的控制装置，AMD和液压阻尼器相结合的控制装置等。

4控制算法

4.1预测控制

预测控制的原理是由传感器测得的结构振动响应来预测下一时刻的结构响应或外界激励，以便于不断地调整制定控制律。预测控制通常可分为：滚动优化、模型预测和反馈校正。该控制算法依据受控结构的历时控制信息和未来时刻的外界输入，来预测受控结构的下一时刻的输出，以便于计算出驱动器的控制力和控制法则。该控制算法能够胜任驱动器控制力、受控结构的响应和外界激励的预测，从而常用于控制系统的时滞补偿研究。

4.2极点配置

建筑结构振动控制系统可采用状态方程的形式来描述。极点配置是指状态方程矩阵的特征值。由于极点配置反映了状态方程矩阵系统的动力特征，可采取输出反馈或状态反馈控制的方式来改变状态系统矩阵的极点配置。因此，极点配置可改变结构的阻尼和刚度，从而满足建筑结构动力特性的要求。采用极点配置来控制建筑结构振动系统，仅需考虑对建筑结构振动响应影响较大的几个振型，在算法上比较容易做到，但其控制增益矩阵应根据算法设计人员的工程经验进行确定。

4.3线性二次型最优控制

线性二次型最优控制是以系统状态和控制力输入二次型函数积分为优化目标，其对象是现代控制理论中以状态空间的形式给出线性系统的一类控制算法。目前，线性二次型最优控制主要分为：二次型经典最优控制（LQR）和线性二次型Gauss最优控制（LQG）。其中，LQR最优控制设计是指为使得二次型目标函数J能够取得最小值，需要对控制系统设计相应的状态反馈增益矩阵K。权矩阵Q和R的选择决定了增益矩阵K的大小，也影响着控制系统的控制效果。LQR控制算法在现代控制理论中是最为成熟的状态矩阵系统设计算法。LQR控制算法的控制成本较低，能够使原控制系统达到较好的控制性能指标，且实现起来极为方便。目前，采用Matlab软件可快速对LQR控制算法进行编程计算。LQG控制算法主要针对输出反馈控制器设计的一种算法，根据结构控制的观测输出的信息，并利用Kalman滤波器对结构的全部状态进行估计。目前，LQR控制算法和LQG控制算法广泛应用于建筑结构振动控制系统的研究中。

结束语

综上所述，结构振动控制成为解决高层建筑结构振动控制问题的有效途径。为了使得建筑结构的变形能够符合现阶段工程的需求，从而有效地减小高层建筑结构的地震响应，新型阻尼器、各类新材料等被应用于建筑结构振动控制中。

参考文献：

[1]李惠，铃木祥之，吴波.AMD控制结构地震反应的试验研究[J].振动工程学报，1999，12（2）：223-228.

[2]欧进萍，王刚，田石柱.海洋平台结构振动的AMD主动控制试验研究[J].高技术通讯，2002，10：85-90.

[3]张微敬，欧进萍.基于单片机模糊控制器的AMD主动控制试验研究[J].建筑结构学报2006，27（1）：37-42.