論預測控制在結構振動控制領域的研究和應用

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 作者：何自強　蔡　鵬　勞金箭　董江峰【論文關鍵詞】：結構振動控制；預測控制；模型算法控制

  【論文摘要】：結構振動控制雖然在理論上己經解決了很多復雜的控制問題，但在實際應用中仍然存在許多問題和困難，如測量和時滯的影響。而預測控制采用最優(yōu)估計理論，對對象未來的動態(tài)特性進行優(yōu)化。預測控制應用于結構振動中具有顯著的優(yōu)勢，逐漸發(fā)展成為一種新型的控制方法，如今已在許多行業(yè)的應用領域取得不小的成功。   目前，土木工程結構控制通常采用經典控制理論，使用基于傳遞函數模式的頻域分析法，或者采用現(xiàn)代控制理論，使用基于狀態(tài)方程模式的時域分析法[1]。無論采用哪種方法，其特點都是基于模型的控制，通常認為模型是已知的。傳統(tǒng)控制方法對解決高度非線性問題、強禍合問題等系統(tǒng)，缺乏實用有效的分析方法，其控制對象比較單一，輸入和輸出量比較簡單。當控制對象比較復雜時，就很難有效發(fā)揮作用，甚至是無能為力。因此，研究不依賴于精確模型、調節(jié)簡單的控制算法對有效的減輕結構在風和地震等作用下的反應和損傷，有效提高結構的抗振能力具有十分重要的意義。預測控制的發(fā)展為解決這一問題提供了理論基礎。   本文以升船機結構為主要研究對象。垂直升船機結構一般由二個或四個巨大的鋼筋混凝土筒體加頂部設置的一個超高和超大跨度的單層廠房所組成，它是一種高柔結構，升船機結構下部筒體結構的側移剛度很大，而頂部單層廠房柱的側移剛度很小，當受到地震作用時，這種巨大的剛度突變引起升船機頂部廠房強烈的鞭梢效應，引起嚴重破壞。由于使用功能上的要求，升船機頂部廠房排架方向無法設置任何的耗能系統(tǒng)，無法采用常規(guī)的抗震設計方法來減小升船機頂部廠房的地震反應。目前，這己經成為制約大型垂直升船結構抗震設計的一個瓶頸，解決這一問題只能應用結構振動控制的方法。   結構振動控制是近二十年發(fā)展起來的新興科學。它是指通過采取一定的控制措施以減輕或抑制結構由于動力荷載所引起的反應。其目的是要采取一定的控制措施，減輕和抑制結構在地震、強風及其它動力荷載作用下的動力反應，增強結構的動力穩(wěn)定性，提高結構抵抗外界振動的能力，以滿足結構安全性、使用性、舒適性、經濟性等要求。   目前，結構振動控制己成為一門獨立的學科，主要研究對結構動力響應進行控制的理論、方法和技術。它綜合控制論、計算機科學、結構振動理論與新材料等前沿學科的最新研究成果和技術，是土木結構振動工程的高科技領域，成為土木結構工程發(fā)展方向之一[2]。   盡管現(xiàn)代控制理論經過幾十年的發(fā)展，理論上己經解決了很多復雜的控制問題，但在實際應用中仍然存在許多問題和困難。就結構對象而言，傳統(tǒng)控制方法的不足主要表現(xiàn)在如下方面[3]:數學建模和建筑結構存在很大差異；外荷載具有不確定性，導致實際控制性和設計目標之間的差異；測量和時滯的影響等等。在實際控制中，傳感器采集到的信號不可避免的存在噪聲污染，而結構振動控制一般采用實時控制方式，這就可能因測量過程中的未知因素的影響而造成觀測溢出和控制溢出，從而使得控制性能下降甚至可能導致結構不穩(wěn)定，形成激勵，加速結構破壞，導致災難性后果。一般控制算法是假定在理想狀態(tài)下，即不存在時滯，但實際在測量轉化、信號處理、計算控制信號、施加控制力都需要一定時間，從而造成控制的時滯。如果未考慮這個因素，就會造成控制效率下降，更嚴重的會造成控制結構的失穩(wěn)。   而預測控制采用最優(yōu)估計理論，由所測得的結構反應預測將要發(fā)生的結構反應或外部激勵，不斷修正預測律，針對預測的結構反應或外部激勵，計算施加的控制力序列，對對象未來的動態(tài)特性進行優(yōu)化。利用預測模型可以預測系統(tǒng)從當前狀態(tài)開始，經過有限時域后的未來開環(huán)特性;根據該動態(tài)特性可以得到最優(yōu)的   控制序列，它使得預先指定的目標函數有最小值。因此，預測控制應用于結構振動中具有顯著的優(yōu)勢。目前國內對預測控制在結構振動控制領域方面的研究還較少，隨著科學理論研究的深入和計算機控制技術水平的提高，預測控制逐漸成熟并發(fā)展成為一種新型的控制方法，如今已在許多行業(yè)的應用領域取得不小的成功[4]。   與其它預測控制算法相比，模型算法控制的優(yōu)點主要表現(xiàn)在以下方面：由于采用的是脈沖響應模型，無需降低其模型階數；對于過程輸入的大小和變化率的約束，可正確地直接進行處理;控制率是時變的，閉環(huán)響應對于受控對象的變化具有魯棒性；依靠內部模型的在線更新，可以實現(xiàn)增益預調整；脈沖響應模型的設定和控制量的計算使用相同的算法，可以簡化硬件條件；對于不同的受控對象，可以采用不同的采樣周期；對于傳感器故障或系統(tǒng)控制特性的惡化，可以在線修改控制規(guī)則。動態(tài)矩陣控制(DMC)和模型算法控制(MAC)是以非參數模型為基礎的預測控制算法。   當前人們對預測控制的研究和應用，無論是從廣度上還是深度上都有很大的發(fā)展。隨著計算機的普及和計算機控制技術水平的提高，預測控制必然會向更高層次進一步發(fā)展。但是目前國內對預測控制在結構振動控制領域中的研究和應用還很少，存在很多迫切需要解決的理論和實際問題，但其基本原理的適應性無疑是富有吸引力的。       參考文獻   [1]閻維明，周福霖，譚平.土木工程結構振動控制的研究進展.世界地震工程，1997,13(2):8-20   [2]李敏霞，劉季.主動結構振動控制算法綜述.世界地震工程，1998,14(4):6169   [3]陳靜，瞿偉廉，肖純.預測控制在土木工程結構控制中的應用.武漢理工大學學報，2001,23(8):11-13   [4]李平，王樹青，王驥程.預測控制研究的概況.化工自動化及儀表，1995,22(6):3-9