基于市场机制的结构分散控制研究

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在结构振动控制领域,主动控制算法是影响控制效果的主要因素之一。目前多数的主动控制算法属于集中控制策略,这会降低系统的可靠性和实时性等性能,如传统的最优控制方法虽然能够取得一定的控制效果,但具有基于系统全状态反馈、在线计算时间长等缺点。基于市场机制控制(Market-Based Control, MBC)理论属于分散控制策略,是把结构控制领域中的能量源系统和受控结构系统比作自由市场中的销售商和消费者,从而将整个控制系统离散化,根据市场中的供需关系利用价格机制对资源进行有效配置,进而达到减小结构振动的目的。本文以MBC算法与理论为切入点,进行了控制算法推导、完善理论与算法分析。着重研究了振动控制理论中存在的时滞问题、饱和问题、鲁棒控制及隔震结构的半主动控制等问题,在理论上给出了算法的稳定性及参数求解的方法。主要研究内容如下:(1)总结了已有的财富分配方式并根据结构反应特点,分别提出了以结构剪力为优化目标的线性财富分配和以结构位移为优化目标的模态财富分配。引入两种精细积分方法,将精细积分的思想运用到MBC算法的求解中,推导了两种基于MBC状态方程的精细递推格式。(2)基于辛体系(哈密顿体系)的方法推导了MBC供需函数模型中的参数,针对作者提出的供需函数模型给出模型参数的推导过程。进一步基于时程精细积分理论对参数及状态方程进行了有效的精细求解。采用Lyapunov直接法给出了MBC策略主动控制器理论上的稳定性准则。(3)对控制存在延时的建筑结构在地震作用下的多时滞MBC离散系统进行了研究,提出了MBC多时滞控制策略;对MBC系统中控制变量存在饱和效应进行了研究,提出了输入饱和系统的结构MBC策略。(4)针对平扭耦联的隔震结构,提出了非线性MBC半主动控制策略,实现了对MRD电压的实时控制,为非线性隔震结构的半主动控制器设计提供参考。该策略具有较强的适应能力和在线计算时间短等优点,能较好地适用于高层结构。(5)针对系统参数不确定性的非精确模型,采用精细积分和扩展的威廉姆斯(W-W)算法计算导引模,提出了线性结构的MBC鲁棒控制策略。针对非线性结构,采用拟力法计算结构的非线性部分,提出了基于拟力法的非线性结构MBC鲁棒控制策略(R-MBC)。针对非线性结构控制装置失效,提出了基于拟力法的非线性结构MBC分散控制策略。通过算例验证了提出的控制策略的有效性及优越性。
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