淺談建筑結構振動控制
關鍵詞:結構振動控制,自主控制,上木工程結構
結構振動控制是一個應用領域廣泛的工程問題。所謂結構振動控制(以下稱為結構控制)是指采用某種措施使結構在動力載荷作用下的響應不超過某一限量，以滿足工程要求。
結構控制問題是一種多學科交叉的理論與工程問題，其結構類型繁多、控制目標不同、實現(xiàn)手段多樣。目前，國內外控制界對這類問題的研究十分重視，有大量的學術論文發(fā)表，其中不少新結果得到了實際工程應用。本文旨在對當前結構控制的一此新進展加以綜述，并對此有待進一步研究的問題給以歸納。
一、結構控制的特點、發(fā)展與現(xiàn)狀
(一)按控制對能量需求來劃分
從控制對外部能量需求的角度，結構控制可分為:被動結構控制、主動結構控制、混合結構控制、半主動結構控制。除被動控制外，其他三種控制方式中的控制力全部或部分地根據反饋信號按照某種事先設計的控制律實時產生。主動結構控制效果較好，對環(huán)境有較強的適應力，但完全依賴外部能源，閉環(huán)穩(wěn)定性比其他方式差。在被動控制中，控制力不是由反饋產生的。其主要優(yōu)點是:成本低、不消耗外部能量、不會影響結構的穩(wěn)定性;缺點是:對環(huán)境變化的適應力與控制效果不如其他方案。混合控制是指用主動控制來補充和改善被動控制性能的方案。由于混合了被動控制，因此減小了全主動控制方案中對能量的要求。半主動控制中通常包含某種對能量需求很低的可控設備，如可變節(jié)流孔阻尼器等作用時所需的外部能量通常比主動控制小得多。一此初步研究表明混合控制與半主動控制的性能大大優(yōu)于被動控制，甚至可達到或超過主動控制的性能，并在穩(wěn)定性與適用性方面要優(yōu)于后者，因此成為當前研究的一個熱點。
(二)按結構特性劃分
從被控結構的特性劃分，結構控制可分為柔性結構控制與剛性結構控制。其中柔性結構包括大型柔性空間結構、大跨度橋梁等;剛性結構則包括武器系統(tǒng)中穩(wěn)定平臺、車輛懸掛系統(tǒng)、多剛體機器人等。對于兩類結構控制所用的主動控制設備也不相同，如在柔性結構控制中傳感器與執(zhí)行器常用的智能材料是分布智能材料，如壓電材料;而剛性結構控制中傳感器與執(zhí)行器常用的智能材料是電智能材料，如磁致伸縮材料。相應地所研究的控制問題側重點也有所不同，如柔性結構控制中多研究分布參數(shù)系統(tǒng)，在控制器設計時所考慮的是模型簡化與控制溢出等問題，波動控制是其中較新提出的一類控制問題。而在剛性結構控制中則較多研究智能材料的非線性與在不同約束下的控制器設計問題。
(三)按控制效果要求劃分
精度要求是根據不同的應用而定的。不同的指標決定了不同的控制。如穩(wěn)定平臺，控制目的是消除振動，使平臺系統(tǒng)盡可能保持穩(wěn)定，而在土木結構中，控制目的是減少振動和保證安全，并不要求完全消除振動。
在高精度應用中常采用精密的智能結構，如Stewark六自由度穩(wěn)定平臺，采用T erlenol_D材料，在尺寸與重量方而都較小，在控制器設計時常采取比較復雜的控制策略，以求達到高的控制效果，比如微米級或納米級精度，而相對地，對控制能量要求不大。相反在一些低精度結構控制中由于被控結構特點往往超大尺寸，超大重量，如高層建筑，控制律則要相對簡單，高可靠性，低控制能量。
二、結構振動控制中的一些理論
(一)結構控制中建模與模型簡化
建模的目的是建立結構及控制系統(tǒng)在外部動態(tài)載荷作用下的動力響應模型，盡量真實地描述整個系統(tǒng)的行為。通常的建模方法有兩種: 1)根據牛頓力學原理建立系統(tǒng)的數(shù)學模型。對于復雜結構，這類模型往往維數(shù)較高或者是分布系統(tǒng)，多用于系統(tǒng)動力學響應分析與對閉環(huán)系統(tǒng)的性能評價方而。2)利用系統(tǒng)的輸入/輸出數(shù)據采用控制中的系統(tǒng)辨識算法辨識出系統(tǒng)模型，辨識算法不同，則得到的描述模型也不盡相同。
(二)最優(yōu)控制問題
1)混合最優(yōu)控制。通過被動控制可以在一個給定范圍內改變結構的質量、剛度與阻尼等參數(shù)，進而改變結構的動力學特性。而基于結構原始參數(shù)，按照某一準則可設計出具有理想閉環(huán)性能的控制器。在保證上述理想閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)特性前提下，同步進行控制器與結構參數(shù)重新設計，就有可能同時優(yōu)化結構與控制參數(shù)，在同樣的控制效果下最小化控制能量，即實現(xiàn)“被動與主動控制的最優(yōu)混合”，得到性能與結構參數(shù)滿足給定約束的最小能量控制器。如果通過這種優(yōu)化得到的主動控制器所需能量為零，則對應的最優(yōu)控制是被動控制。這種最優(yōu)混合問題可化為凸二次規(guī)劃問題，數(shù)值解的收斂速度快并能保證全局最優(yōu)解。
2)可行控制。通常的輸出或輸入約束下的最優(yōu)控制是在L2范數(shù)約束下最小化通常最優(yōu)控制中的某一標量性能函數(shù)，而可行性控制是對輸出和輸入同時加可行性約束，但并不最小化某個標量性能指標。從這一意義上，可行控制不是最優(yōu)的，但優(yōu)點在于易于求得數(shù)值解，如利用MATLAB的LMI軟件工具箱。
(三)隨機控制
在結構模型中，結構動力學特性與外部作用力通常存在著不確定性。此外對結構響應輸出測量時，由于柔性結構動力學特性是無窮維的，分散點測量無法對狀態(tài)進行完全觀測，而且存在傳感器噪聲，因此對結構控制中一此問題的研究需要隨機控制理論。
(四)智能控制
在結構控制中，神經元網絡除用于辨識結構模型外，也用于結構控制。間接預報學習控制用于大型空間結構中，自適應神經控制用于柔性空間結構振動控制，使用BP算法及隨機優(yōu)化搜索算法訓練的神經元網絡逼近多自由度結構的逆動態(tài)和控制結構響應。
三、有待研究的控制問題
1)控制器設計角度的建模與模型簡化:由于結構系統(tǒng)維數(shù)高，含有未建模動態(tài)特性及參數(shù)不確定性等，研究面向低階魯棒控制器設計的辨識方法及模型簡化技術等問題是具有實際意義的，同時對于含智能材料的結構，由于材料的強非線性，對材料與結構間的非線性相互作用的辨識也需進一步研究。2)研究一些較新的魯棒控制器設計方法:另外研究基于某類特殊結構(如含磁致伸縮材料的穩(wěn)定平臺)的振動控制機理與魯棒控制算法等都是有很強的工程應用前景的問題。3)結構控制中的混合控制:不同類型的控制算法集成的研究即混合控制方式目前是控制界極受關注的問題，在結構控制中研究主動與被動控制間的最優(yōu)混合，具有實際意義的方向。4)許多結構控制問題對于可靠性要求很高，而在正常條件下又無法對整個閉環(huán)系統(tǒng)進行實現(xiàn)證實控制方案的正確性，如為提高建筑物的抗震能力而設計的結構控制器。
