高层建筑结构的智能半主动振动控制研究

摘要

结构振动半主动控制研究包括控制装置和控制策略的研究两个部分。虽然结构振动半主动控制的研究已经取得了长足进展，许多半主动控制装置也已经成功应用于实际工程之中，然而关于结构振动半主动控制策略的研究仍存在许多问题。被控结构系统的非线性、时变、时滞、强耦合、分布参数以及非确定性等复杂因素的影响，给振动控制策略的研究带来很大困难。结构振动智能半主动控制策略的研究为解决以上问题开辟了一条有效途径。在这方面进行深入研究具有重要的理论价值和工程实用价值。 本文在充分借鉴现代控制理论、智能控制理论、系统辨识技术、计算智能方法、新材料技术的基础上，结合国际上通用的第三阶段非线性Benchmark建筑结构模型，进行了较完整的高层建筑结构振动智能半主动控制系统的研究。本文的主要研究内容如下： 1．提出了一种基于人工神经网络的结构系统辨识方法，克服了传统系统辨识中出现的问题，能够真实反映结构动态特性，并通过对20层Benchmark建筑结构的辨识仿真，验证了本文所提方法的有效性和实用性。 2．提出了一种基于粒子群优化算法的结构系统参数辨识方法。针对人工神经网络模型跟踪辨识方法不能得到辨识结构的真实物理参数的问题，用粒子群中的粒子表征结构物理参数，以最大似然准则为PSO算法的适应度函数，建立了20层钢结构系统的辨识模型，得到结构的物理参数。 3．全面阐述了可用于土木建筑结构振动控制的各种智能控制算法，包括模糊逻辑控制理论、人工神经网络技术、遗传算法和粒子群优化算法等，并介绍了用作半主动作动器的智能驱动材料——磁流变液及制成的磁流变阻尼器。同时，还介绍了地震激励高层建筑非线性反应控制Benchmark问题的定义和17个性能评价指标。 4．首次提出了一种地震激励高层建筑非线性反应的半主动模糊神经网络控制方法。基于分区控制的思想大大简化了模糊神经网络控制器的内部拓扑结构，按照加速度传感器的布置方式设置不同的控制区域，简化模糊神经网络控制器的控制范围，不同区域的控制器仅负责该区域控制策略的推理判断和实施。编制程序进行了非线性地震反应的数值仿真分析。分析结果表明：半主动模糊神经网络控制策略，可以有效地抑制高层建筑的非线性地震反应，减小强烈或罕遇地震对建筑结构的破坏。 5．提出一种改进的遗传算法进行高层建筑结构半主动控制作动器位置的优化设计。这种方法成功解决了约束非线性整数优化问题，实现了在半主动控制策略下作动器位置设置的优化设计。数值仿真表明，利用改进遗传算法可进行半主动控制系统的作动器在不同振动控制目标下的优化设计，计算时间短，可靠性高，适合工程实际应用。 6．首次引入粒子群优化算法，针对另一类约束非线性整数优化问题进行了相应的改进，对可重复位置设置及大数量作动器位置约束优化问题进行了研究。数值仿真表明，利用改进的粒子群优化算法，可进行半主动控制系统的作动器在不同振动控制目标下的优化设计，获得比一般非优化设计更好的控制效果。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

第二章 结构智能振动控制技术和非线性Benchmark模型

2.1 智能控制的特点

2.2 结构振动控制中的智能控制技术

2.3 智能材料技术

2.4 结构振动控制研究的公共平台——Benchmark模型

2.5 本章小结

参考文献

第三章 基于智能理论的结构系统辨识

第四章 高层建筑非线性地震反应的半主动模糊神经网络控制

第五章 高层建筑半主动控制作动器的位置优化

第六章 基于MR阻尼器的智能半主动控制仿真系统

第七章 全文工作总结与展望

附录：攻读博士学位期间以第一作者完成的论文

致谢