AMD控制系统状态构建与鲁棒控制器设计

摘要

在高层建筑结构主动质量阻尼器（Active Mass Damper/Driver，AMD）设计中，如何降低计算耗时的影响，并基于更易于测量的反馈信号，设计能考虑结构不确定性的AMD控制系统仍是目前工程应用的重难点。当前，AMD控制系统仍存在以下问题：当对被控结构模型作减维处理时，直接舍弃系统较小特征值对应的结构信息，将造成减维过程的精度降低；结构的加速度测量信号较位移速度而言更易得到，如何保证基于加速度实测信号反馈控制器的准确性；结构存在着不确定性因素，如结构的刚度、质量等，将降低系统的控制效果。基于此，本文开展以下的研究工作：
　　针对结构减维过程精度降低的问题，本文基于均衡截断法以及极点配置方法提出了新的低维控制器设计方法，该方法考虑舍弃的结构高阶信息，包括原结构的高阶频率、高阶阻尼比以及高阶振型模态等。以十层框架结构为算例，分析了低维模型对AMD控制系统性能的影响。最后搭建了四层框架模型的AMD控制试验系统，验证了上述数值分析结论的正确性。
　　针对控制系统对传感器数量依赖性过大的问题，本文推导了系统的状态估计矩阵，再基于估计的加速度响应进行反馈控制，提出了基于部分楼层加速度响应的状态观测器设计方法。本文基于该方法，分析了传感器数量及其布置形式对AMD控制系统性能的影响。最后通过十层框架结构的数值模拟以及四层框架模型的试验验证，分析所得结论的正确性。
　　针对结构模型参数具有不确定性的鲁棒控制问题，本文将线性矩阵不等式（Linear Matrix Inequation，LMI）技术与区域极点配置算法相结合，推导出考虑结构参数不确定性的线性矩阵不等式，并寻找一个合适的区域进行闭环系统的极点配置，提出了基于区域极点配置算法的鲁棒控制器设计方法。通过十层框架结构的数值模拟以及四层框架模型的试验验证，将该鲁棒控制器与精确极点配置控制器进行对比，研究表明，前者具有更好的有效性和鲁棒性。
　　本文以改善京基100大厦AMD控制系统的性能为目的，在进行控制系统的设计时，运用考虑结构高阶振型信息的AMD低维控制器设计方法、基于部分楼层加速度响应的状态观测器设计方法及基于区域极点配置的鲁棒控制器设计方法。通过分析确定了京基100大厦合适的减维维数、加速度传感器数量及布置方式等重要参数，并设计了相应的鲁棒控制器。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2国内外的研究现状及分析

1.3本文研究的主要内容

第2章 考虑结构高阶振型的系统状态构建

2.1引言

2.2 AMD低维控制系统设计

2.3低维模型影响分析

2.4实验验证

2.5本章小结

第3章 传感器数量及布置方式影响分析

3.1引言

3.2状态估计矩阵推导

3.3状态观测器设计原理

3.4数值分析

3.5实验验证

3.6本章小结

第4章 基于区域极点配置鲁棒控制器设计

4.1引言

4.2线性矩阵不等式的一般表达

4.3结构参数不确定性问题描述

4.4区域极点配置方法

4.5数值分析

4.6实验验证

4.7本章小结

第5章 京基100大厦AMD控制系统设计

5.1引言

5.2京基100大厦结构体系及AMD控制系统简介

5.3京基100大厦低维模型维数影响分析

5.4传感器数量及其布置方式影响分析

5.5京基100大厦基于区域极点配置的鲁棒控制器设计

5.6本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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