论预测控制在结构振动控制领域的研究和应用

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 作者：何自强　蔡　鹏　劳金箭　董江峰【论文关键词】：结构振动控制；预测控制；模型算法控制

  【论文摘要】：结构振动控制虽然在理论上己经解决了很多复杂的控制问题，但在实际应用中仍然存在许多问题和困难，如测量和时滞的影响。而预测控制采用最优估计理论，对对象未来的动态特性进行优化。预测控制应用于结构振动中具有显著的优势，逐渐发展成为一种新型的控制方法，如今已在许多行业的应用领域取得不小的成功。   目前，土木工程结构控制通常采用经典控制理论，使用基于传递函数模式的频域分析法，或者采用现代控制理论，使用基于状态方程模式的时域分析法[1]。无论采用哪种方法，其特点都是基于模型的控制，通常认为模型是已知的。传统控制方法对解决高度非线性问题、强祸合问题等系统，缺乏实用有效的分析方法，其控制对象比较单一，输入和输出量比较简单。当控制对象比较复杂时，就很难有效发挥作用，甚至是无能为力。因此，研究不依赖于精确模型、调节简单的控制算法对有效的减轻结构在风和地震等作用下的反应和损伤，有效提高结构的抗振能力具有十分重要的意义。预测控制的发展为解决这一问题提供了理论基础。   本文以升船机结构为主要研究对象。垂直升船机结构一般由二个或四个巨大的钢筋混凝土筒体加顶部设置的一个超高和超大跨度的单层厂房所组成，它是一种高柔结构，升船机结构下部筒体结构的侧移刚度很大，而顶部单层厂房柱的侧移刚度很小，当受到地震作用时，这种巨大的刚度突变引起升船机顶部厂房强烈的鞭梢效应，引起严重破坏。由于使用功能上的要求，升船机顶部厂房排架方向无法设置任何的耗能系统，无法采用常规的抗震设计方法来减小升船机顶部厂房的地震反应。目前，这己经成为制约大型垂直升船结构抗震设计的一个瓶颈，解决这一问题只能应用结构振动控制的方法。   结构振动控制是近二十年发展起来的新兴科学。它是指通过采取一定的控制措施以减轻或抑制结构由于动力荷载所引起的反应。其目的是要采取一定的控制措施，减轻和抑制结构在地震、强风及其它动力荷载作用下的动力反应，增强结构的动力稳定性，提高结构抵抗外界振动的能力，以满足结构安全性、使用性、舒适性、经济性等要求。   目前，结构振动控制己成为一门独立的学科，主要研究对结构动力响应进行控制的理论、方法和技术。它综合控制论、计算机科学、结构振动理论与新材料等前沿学科的最新研究成果和技术，是土木结构振动工程的高科技领域，成为土木结构工程发展方向之一[2]。   尽管现代控制理论经过几十年的发展，理论上己经解决了很多复杂的控制问题，但在实际应用中仍然存在许多问题和困难。就结构对象而言，传统控制方法的不足主要表现在如下方面[3]:数学建模和建筑结构存在很大差异；外荷载具有不确定性，导致实际控制性和设计目标之间的差异；测量和时滞的影响等等。在实际控制中，传感器采集到的信号不可避免的存在噪声污染，而结构振动控制一般采用实时控制方式，这就可能因测量过程中的未知因素的影响而造成观测溢出和控制溢出，从而使得控制性能下降甚至可能导致结构不稳定，形成激励，加速结构破坏，导致灾难性后果。一般控制算法是假定在理想状态下，即不存在时滞，但实际在测量转化、信号处理、计算控制信号、施加控制力都需要一定时间，从而造成控制的时滞。如果未考虑这个因素，就会造成控制效率下降，更严重的会造成控制结构的失稳。   而预测控制采用最优估计理论，由所测得的结构反应预测将要发生的结构反应或外部激励，不断修正预测律，针对预测的结构反应或外部激励，计算施加的控制力序列，对对象未来的动态特性进行优化。利用预测模型可以预测系统从当前状态开始，经过有限时域后的未来开环特性;根据该动态特性可以得到最优的   控制序列，它使得预先指定的目标函数有最小值。因此，预测控制应用于结构振动中具有显著的优势。目前国内对预测控制在结构振动控制领域方面的研究还较少，随着科学理论研究的深入和计算机控制技术水平的提高，预测控制逐渐成熟并发展成为一种新型的控制方法，如今已在许多行业的应用领域取得不小的成功[4]。   与其它预测控制算法相比，模型算法控制的优点主要表现在以下方面：由于采用的是脉冲响应模型，无需降低其模型阶数；对于过程输入的大小和变化率的约束，可正确地直接进行处理;控制率是时变的，闭环响应对于受控对象的变化具有鲁棒性；依靠内部模型的在线更新，可以实现增益预调整；脉冲响应模型的设定和控制量的计算使用相同的算法，可以简化硬件条件；对于不同的受控对象，可以采用不同的采样周期；对于传感器故障或系统控制特性的恶化，可以在线修改控制规则。动态矩阵控制(DMC)和模型算法控制(MAC)是以非参数模型为基础的预测控制算法。   当前人们对预测控制的研究和应用，无论是从广度上还是深度上都有很大的发展。随着计算机的普及和计算机控制技术水平的提高，预测控制必然会向更高层次进一步发展。但是目前国内对预测控制在结构振动控制领域中的研究和应用还很少，存在很多迫切需要解决的理论和实际问题，但其基本原理的适应性无疑是富有吸引力的。       参考文献   [1]阎维明，周福霖，谭平.土木工程结构振动控制的研究进展.世界地震工程，1997,13(2):8-20   [2]李敏霞，刘季.主动结构振动控制算法综述.世界地震工程，1998,14(4):6169   [3]陈静，瞿伟廉，肖纯.预测控制在土木工程结构控制中的应用.武汉理工大学学报，2001,23(8):11-13   [4]李平，王树青，王骥程.预测控制研究的概况.化工自动化及仪表，1995,22(6):3-9