基于分散控制的高层建筑结构振动控制理论研究

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近些年,我国的建筑业发展迅速,高层建筑特别是超高层建筑在各大城市拔地而起,成为城市地标。与此同时,当前全球处于地震多发期。依靠增大构件尺寸,采用高强材料等硬“抗”措施是目前绝大多数结构设计中主要采用的抗震和抗风措施。这不但增加了工程的造价和成本,并且可能因为荷载的不确定性,难以达到预期的效果。随着建筑结构向更高更柔的方向发展,结构振动控制的出现为建筑结构的抗震开辟了新的道路。但几十年来结构振动控制局限于集中控制,集中控制器本身是单点的,存在潜在的故障;一个控制器的故障可能会使整个控制系统瘫痪。为了克服这些固有的挑战,分散式控制模式应运而生。本文的研究对象为高层建筑结构模型,对其分散振动控制进行了理论分析和计算方法的研究。主要介绍了以下几个方面的内容:1、对线性二次型(LQR)经典最优控制、滑移模态控制和输出反馈的H∞控制三种集中控制算法进行了理论分析,并通过MATLAB大型计算软件进行仿真计算,从计算结果可以看出,这三种集中主动控制算法均能有效减小结构的地震反应。2、针对集中控制策略容易出现的各种问题,引入分散控制策略,并将包含原理与线性二次型最优(LQR)控制原理相结合,通过扩展分解控制系统及协调收缩获得重叠分散控制器,导出重叠分散最优控制算法。3、针对建筑结构系统的不确定性,从振动控制的鲁棒性出发,将集中H∞控制理论与多重叠分散理论相结合,导出多重叠分散的H∞鲁棒控制方法。数值模拟结果表明,重叠分散控制具有与集中控制相似的控制效果,并且降低了集中控制可能存在瘫痪的风险。考虑了结构刚度不确定性对重叠分散控制方法的影响,通过数值模拟证明其具有良好的鲁棒稳定性,不会因为结构刚度变化而影响其控制效果。4、针对控制器造价较高,结构振动控制经济性欠佳的问题。基于重叠分散控制理论,对两种重叠分散控制方法的控制参数进行了优化,并对分散控制的子系统划分个数进行了最优化划分研究。仿真结果表明当将20层Benchmark模型被划分为四个子系统时其控制效果最佳。本文的研究结果表明:基于分散控制的结构振动控制方法,具有良好的鲁棒性,且与具有集中控制相类似的控制效果,同时克服了集中控制容易失效的问题,更具现实意义。
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