结构振动控制 : 主动、半主动和智能控制

前言

主要符号

绪论

第1章 动态系统及其重要特性

第2章 结构振动的主动控制算法

第3章 结构振动的模糊控制

第4章 结构振动的神经网络辨识与控制

第5章 结构振动的模糊神经网络遗传优化控制

第6章 结构主动质量阻尼（AMD）控制系统

第7章 结构主动变刚度控制系统

第8章 结构主动变阻尼控制系统

第9章 结构磁流变阻尼控制系统

第10章 结构压电驱动和压电变摩擦阻尼控制系统

第11章 结构形状记忆合金（SMA）驱动和阻尼控制系统

第12章 结构主动、半主动与智能控制系统设计方法

附录 结构振动控制的Benchmark问题

参考文献

本书系统全面地总结和阐述了土木工程结构的主动、半主动和智能控制理论、方法、技术、系统和工程应用的主要研究成果。

半主动控制属于参数控制，控制过程依赖于结构反应及外部激励信息，通过少量能量而实时改变结构的刚度或阻尼等参数来减少结构的反应。半主动控制不需要大鼓外部能源的输入来直接提供控制力，只是实施控制力的作动器需要少量的能量调节以便使其主动地利用结构振动的往复相对变形或速度，尽可能地实现主动最优控制力。由于半主动控制兼具上动控制优良的控制效果和被动控制简单易行的优点，同时克服了主动控制需要大最能量供给和被动控制调谐范围窄的缺点，因此，半主动控制具有较大的研究和应用开发价值，是当前的研究热点。

常见的半主动控制系统有主动调谐参数质量阻尼系统(ATMD)、可变刚度系统(AVS)、可变阻尼系统(AVD)，变刚度变阻尼系统(AVSD)等。

AVS系统的控制方式是通过由计算机控制的快速反应锁定装置来控制和改变系统的刚度，以此避开共振的影响，从而降低结构的反应。由于半主动控制装里只能增加结构的刚度，对于刚度己经很大的土木工程结构而言，为了能有效减小结构的动力反应就要求半主动变刚度系统的可变刚度比较大，这无疑使半主动变刚度系统的设计和应用带来了比较大的困难，换言之，半主动变刚度系统用于控制柔性结构的动力反应更加有效。

AVD系统是通过主动调节半主动变阻尼控制装置的阻尼力，使其等于或接近主动最优控制力，从而达到与主动控制接近的减震效果.半主动变阻尼控制装里可以连续改变阻尼力，具有控制宽频带激励振动的能力，包括半主动粘滞变阻尼器、半主动磁流变阻尼器、半主动电流变阻尼器、半主动压电变摩擦阻尼器等。

半主动变阻尼控制装置一般只能实现与速度有关的控制力，而不能像主动控制作动器那样能够同时实现与位移和速度有关的控制力，也正是这种限制使得半主动变阻尼控制总是稳定的。半主动变阻尼控制装置的最大阻尼力可以借助主动控制理论，预先确定主动最优控制力和控制效果，然后设计变阻尼装置的最大阻尼力等于相应的最大主动最优控制力。这样设计的半主动变阻尼装置在多大程度上可以实现主动最优控制力，从而在多大程度上接近主动最优控制的效果，取决于主动最优控制力时程有多大的比例与作动器所在结构层的层间速度相反。

• 1983年Hrovat研究了土木工程结构的半主动控制问题，提出了半主动控制系统尽可能实现主动最优控制力的规则。

• 1990年Kobori等人提出了半主动变刚度控制的概念，研制了半主动变刚度控制系统，并提出了半主动变刚度控制算法。

• 1990年日本Kajima研究所的三层钢结构办公楼首次应用了半主动变刚度控制系统，经历了实际中的中小地震作用，显示出了很好的控制效果。我国刘季、李敏霞和欧进萍等人在稍晚一些时期也进行了半主动变刚度控制的研究工作，研制开发了足尺半主动变刚度控制装置。

• 1992年Kawashima,Mizuno和Shinozuka等人同时提出了结构半主动变阻尼控制系统，并分别研究了建筑结构和桥梁结构半主动变阻尼控制的分析方法和控制效果，1997年美国首次应用主动变阻尼控制装置控制高速公路I-35连续梁钢桥重载车辆引起的振动，显示了很好的控制效果。

• 1998年日本应用半主动变阻尼控制的建成Kajima Shizuoka建筑，在实际小地震作用下显示了良好的控制效果。我国孙作玉(1998)和李惠(2002)等人研究了建筑结构半主动变阻尼控制方法，研制开发了半主动变阻尼控制装置。

• 1995年，美国Lord公司在第五届电磁流变体国际会议上展示了几种具有高性能参数的电流变液和磁流变液阻尼器，从而掀起了磁流变液及其装置的研究热潮。

• 1996年以来，Spencer等人研究了磁流变阻尼器的地震反应控制、结构磁流变阻尼隔震和斜拉索的磁流变阻尼风振控制。Dyke (1996)等人试验研究了一座三层框架地震反应的磁流变阻尼控制效果，结果表明:半主动磁流变阻尼控制接近于主动控制效果，而且总是稳定的。

• 2001年日本东京国家新兴科技博物馆首次将磁流变阻尼器应用于地震反应控制。

• 2001年我国岳阳洞庭湖多塔斜拉桥首次安装美国Lord公司生产磁流变阻尼器控制斜拉索风雨激励的振动401。哈尔滨工业大学的欧进萍、李慧(2003)等人将自行研制开发的磁流变阻尼器用于山东滨州黄河大桥20根斜拉索的风雨激振。

Zadeh创立的模糊数学，对不明确系统的控制有极大的贡献，自七十年代以后，一些实用的模糊控制器的相继出现，使得我们在控制领域中又向前迈进了一大步，下面本文将对模糊控制理论做一番浅介。

模糊逻辑控制(Fuzzy Logic Control)简称模糊控制(Fuzzy Control)，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。1965年，美国的L.A.Zadeh创立了模糊集合论；1973年他给出了模糊逻辑控制的定义和相关的定理。1974年，英国的E.H.Mamdani首次根据模糊控制语句组成模糊控制器，并将它应用于锅炉和蒸汽机的控制，获得了实验室的成功。这一开拓性的工作标志着模糊控制论的诞生。

模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制的一大特点是既有系统化的理论，又有大量的实际应用背景。模糊控制的发展最初在西方遇到了较大的阻力；然而在东方尤其是日本，得到了迅速而广泛的推广应用。近20多年来，模糊控制不论在理论上还是技术上都有了长足的进步，成为自动控制领域一个非常活跃而又硕果累累的分支。其典型应用涉及生产和生活的许多方面，例如在家用电器设备中有模糊洗衣机、空调、微波炉、吸尘器、照相机和摄录机等；在工业控制领域中有水净化处理、发酵过程、化学反应釜、水泥窑炉等；在专用系统和其它方面有地铁靠站停车、汽车驾驶、电梯、自动扶梯、蒸汽引擎以及机器人的模糊控制。