基于支持向量机的结构地震反应半主动控制研究

摘要

本文基于线性二次型(LQR)主动最优控制算法，设计在地震作用下控制器的最优主动控制力；然后，利用此最优控制力结合半主动阻尼器装置建立了结构-阻尼器控制系统，并展开地震作用下控制系统对结构的半主动控制研究。分析中，选用的结构为三层框架结构，四条地震波为：El-Centro波、Hachinohe波、Kobe波以及上海人工波，并将峰值地面加速度均调幅为0.1gal。半主动阻尼器装置选取了半主动变阻尼器和目前应用较成熟的磁流变(MR)阻尼器。数值模拟结果表明，无论是半主动变阻尼器还是MR阻尼器都能提供与LQR主动最优控制算法计算的控制力相近，基本都能达到主动控制效果。而且，两者对结构的位移、速度响应控制效果较好，但对加速度响应控制效果很一般或者会放大响应值。为解决该问题，本文提出基于支持向量机(SVM)半主动控制的方法。首先，构造SVM模型，然后，通过机器学习、离线训练使其兼作控制系统的状态观测器和控制器，并根据阻尼器的特点，引入半主动控制策略，实现SVM对建筑结构进行在线自反馈的半主动控制。为了验证控制方法的有效性，对地震作用下建筑结构基于SVM，半主动变阻尼器以及MR阻尼器的半主动控制进行了动力时程数值分析。数值结果表明，基于SVM的半主动变阻尼器能够提高对结构层间位移的控制效果；而且，能够抑制受控结构的加速度响应放大。基于SVM的MR阻尼器的半主动控制策略能够抑制受控结构的加速度响应放大，而且具有明显的控制效果；同时，也明显提高了对结构层间位移的控制效果。因此，结构-SVM-阻尼器系统要比单纯的结构-阻尼器系统的性能总体更优越。