浅谈建筑结构振动控制

计 问题 。 ｌ３ ＿按控制效果要求划分
精度要求是根据不同的应用而定的。不同 的 ， 分散点测量无法对状态进行完全观测 。 而且 的指标决定 了不 同的控制。 如稳定平 台， 控制 目 存在传 感器噪声 ，因此对结构控制 中一此问题 的是消除振动 ， 使平台系统尽可能保持稳定 ， 而 的研究 需要随机控制理论。 在土木结构 中，控制 目的是减少振动和保证安 ２ ． 能 控 制 ４智 全， 并不要求完全消除振动。 在结构 控制中 ， 经元网络除用于辨识结 神 在 高精度应用 中常采用精密 的智能结构 ， 构模型外， 也用于结构控制。 间接预报学习控制 如 Ｓ ｗｒ ｔ ａ ｅ ｋ六 自由 度 稳定 平 台 ，采 用 Ｔ ｅ 用于大型空间结构中 ，自适应神经控制用于柔 ｒ － ｌ ｏ Ｄ材料 ， 尺寸与重量 方而都较 小 ， 控 性 空间结构振动控制 ， ｅ ｌ ｎ 在 在 使用 Ｂ 算法及 随机 优 Ｐ 制器设计时常采取 比较复杂 的控制策略 ，以求 化搜索算法训练 的神经元网络逼近多 自由度结 达到高的控制效果 ， 比如微米级或纳米级精度， 构的逆 动态和控制结构响应 。 而相对地 ， 对控制能量要求不大 。 相反在一些 低 ３有待研究的控制问题 精度结构控制 中由于被控结构特点往往超 大尺 ３１ ． 控制器设 计角度 的建模与模型简化： 由 寸， 超大重量 ， 如高层建筑 ， 控制律则要相对 简 于结构系统维数高 ，含有未建模动态特性及参 单， 高可靠性 ， 低控制能量。 数 不确定性等 ，研究 面向低 阶鲁棒控制器设计 ２ 结构振动控制 中的一些理论 的辨识方法及模型简化技术等问题是具 有实 际 ２１ ．结构控制中建模与模型简化 意义的， 同时对于含智能 材料 的结构 ， 由于材料 建模 的 目的是建立结 构及控制 系统在外 的强非线性 ，对材料与结构间 的非线性相互作 部动态载荷作用下的动 力响应模型 ，尽量 真实 用的辨识也需进一步研 究。 地描述整个系统的行为。通常 的建模方 法有两 ３２研究一些较新 的鲁棒控制器设计方法： ． 种：．．根 据牛顿 力学原理建立 系统的数学模 另外研究 基于某 类特殊 结构 （ ２１１ 如含磁致伸缩材 型。 对于复杂结构 ， 这类模型往往维数较高或 者 料 的稳定平 台）的振动控制机理 与鲁棒控制算 是分布系统 ，多用于系统动力学响应 分析与对 法 等都是有很强的工程应用前景的问题 。 闭环系统 的性能评价方 而。 ．２ ２１ 利用系统的输 ． ３３结构控制中的混合控制： － 不同类 型的控 入／ 输出数 据采用控制 中的系统辨识算法辨识 制算法集成的研究 即混合控制方式 目 前是控制 出系统模型 ， 辨识算 法不 同， 则得到的描 述模型 界极受关注的问题 ， 在结构控制中研究 主动与 也 不尽 相 同。 被 动控 司的最优混合 ， ： 具有实际意义的方 向。 ２２最 优 挖 制 问题 ． ３４许多结构控制问题对于可靠性要求很 ． ２２１ ． 混合最优控制 。 ． 通过被动控制可以在 高 ，而在正常条件下 又无法对整个闭环系统进 个给定范围内改变结构 的质量 、刚度与阻尼 行实现证实控制方案的正确性 ，如为提高建筑 等参数 ， 进而改变结构 的动力学特性。 而基于结 物的抗震能力而设计 的结构控制器。 构原始参数 ，按照某 一准则可设计出具有理想 闭环性能的控制器。在保证上述理想闭环系统 动态特性前提下 ，同步进行控制器与结构参数 重新设计 ， 就有可能同时优化结构与控制参 数， 在同样 的控制效果下最小化控制能量 ，即实现 “ 被动与主动控制的最优混合” ，得到性能与结 构参数满足给定约束的最小能量控制器。如果 通过这 种优化得 到的 主动控 制器所需 能量 为 零， 则对应 的最优控制是被动控制 。 这种最优混 合问题 可化为凸二次规 划问题 ， 数值解的收敛
有待进 一步研究的问题进行 了探讨 ， 以促进结构振 动控制的研 究。 关 键 词 ： 构 振 动控 制 ； 结 自主控 制； 上木 工 程 结 构 结构振动控 制是一 个应用 领域广 泛的工 程问题。所谓结构振 动控制 （ 以下称为结构控 制）是指采用某 种措施 使结构在动力载荷作用 下的响应不超过某一限量， 以满足工程要求。 结 构控制问题 是一种 多学科 交叉 的理论 与工程问题 ， 其结构类 型繁多、 控制 目标不 同、 实现手段 多样 。 目前 ， 国内外控 制界 对这类问题 的研究 十分重视 ， 有大量 的学术论文发表 ， 其中 不少新结果得到了实际工程应用 。本文 旨在对 当前结构控制的一此新进展加 以综述 ，并对此 有待进一步研究的问题 给以归纳 。 １ 结构控制的特点 、 发展与现状 １ 按控制对能量需求来划分 ． １ 从控制对外部能量需求 的角度 ， 结构控制 可分为： 动结构控制 、 被 主动结构控 制 、 混合 结 构控制 、 主动结构控制 。除被动控制外 ， 半 其他 三种控制方式中的控 制力全部或部分地根据反 馈信号按照某种事先设计 的控制律实时产 生。 主动结构控制效果较好 ， 对环境有较强的适应 力， 但完全依赖外部能源 ， 闭环稳定性 比其他方 式差。在被动控制中 ， 控制力不是 由反馈产生 的。其主要优点是： 成本低、 消耗外部能量 、 不 不 会影响结构的稳定性： 缺点是 ： 对环境 变化的适 应力与控制效果不如其他方案 。混合控制是指 用主动 控制来补充 和改 善被动 控制 性能 的方 案。 由于混合 了被动控制 ， 因此减小 了全主动控 制方案中对能量的要求 。半 主动控制 中通常包 含某种对 能量需求很低 的可控设备 ，如可变节 流孔阻尼器等作用时所需 的外部能量通常 比主 动控制小得多。一此初 步研究表明混合控制与 半主动控 制的性能大大优 于被动控制 ，甚至可 达到或超过主动控制的性能 ，并在稳定性与适 用性方 面要优于后者 ，因此成为当前研究的一 个热点 。 １ ． ２按结构特性划分 从 被控结构 的特性划分 ， 结构 控制可分为 柔性结构控制与刚性结构控制 。其 中柔性结构 包括大型柔性 空间结构 、 大跨度桥梁等； 刚性结 构则包括武器系统中稳定平 台、 车辆悬挂系统 、 多刚体机器人等。对于两类结构控制所用的主 动控制设备也不相同 ，如在柔性结构控制 中传 感器 与执行器 常用的智 能材 料是分 布智 能材 料， 如压电材料； 而刚性结构控制中传感器与执 行器常用 的智能材料是 电智 能材料 ，如磁致仲 缩材料。相应地所研究 的控制 问题侧重点也有 所不同，如柔性结构控 制中多研究分布参数系 统 ，在控制器设计时所考虑 的是模型简化与控 制溢出等 问题 ，波动控 制是其 中较新提 出的一 类控制问题 。而在刚性结构控制 中则较多研究 智能材料 的非线性与在不同约束下 的控制器设
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速 度 快 并能 保 证 全 局 最 优 解 。
２ －可行控制。 ．’ ２ 通常的输出或输入约束下 的最优 控制是 在 范数 约束下 最小化通 常最 优控制中的某一标量性能函数 ，而可行性控制 是对输 出和输入 同时加可行性约束 ，但并不最 小化某个标量性能指标 。 从这一意义上 ， 可行控 制不是最优 的， 但优点在于易于求得数值解 ， 如 利用 ＭＡ Ｌ Ｂ的 Ｌ 软件工具箱。 ＴＡ ＭＩ
２３随机 控 制 － 在结构模 型中 ， 结构 动力学 特性与外部作 用力通常存在着不确定性。此外对结构响应输
出测量时，由于柔性结构动力学特性是无穷维
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科 工 程 科技 ｌ ｝ｊ 浅谈建 筑结构振 动控制
张荣 兴
（ 陕西大秦建设集 团有限责任公 司， 陕西 西安 ７（ ０ ） ｌ ０ Ｄ
摘 要： 文章从 不同角度对 结构振 动控制进行 了分类 ， 介绍 了其发展与现状 ， 并对近年来控 制理论在 结构控 制方而的新进展给 以综述 。 最后对