基于状态追踪的结构性态自适应控制与评估研究

Strong earthquake is one of the main destructive disasters that cause serious damage and collapse to infrastructures, companying with human injuries and economic loss. The method to monitor and control the seismic performance of infrastructure, and scientifically identify and suppress the cumulative development of structural damage is becoming one of the key scientific problems in earthquake engineering. Recently, the emerging interdisciplinary research between structural control and health monitoring provides an promising solution to further improve the seismic performance of structures, which is developing intelligent system with the ability of controlling and assessing structural performance. This project utilizes the idea of state-tracking, considers the hysteretic characteristic of damage, and proposes an integrated adaptive control and assessment system study, aiming at real-time feedback control on seismic performance and post-earthquake assessment on structural damage. The research includes: establishing the observer for state-tracking error of nonlinear substructures, developing an adaptive backstepping control algorithm for nonlinear structure based on tracking error observer, and presenting a performance assessment model based on state offset and adaptive feedback control coefficient. Theoretical analysis, numerical simulation, and shaking table test will be utilized to systematically investigate and validate the structural control and damage assessment performance of the proposed adaptive system. This project will theoretically and instructively contribute to the development of adaptive structural control system for infrastructures, the development of health monitoring and structural control on hysteretic structures, and the exploration of intelligent structures with self-sensing and self-actuating characteristics.

地震是导致工程结构破坏的灾害性事件之一，易导致严重的人员伤亡和财产损失。如何对结构抗震性能进行监测和控制，科学地诊断和控制结构损伤的累积发展，是工程抗震的关键科学问题之一。振动控制和健康监测间新兴的交叉研究为进一步提升结构抗震性能提供崭新的思路，即发展同时具备性态控制和评估能力的智能系统。本项目引入状态追踪思想，考虑损伤非线性特征，进行自适应控制与评估研究，以实时控制结构响应并在震后迅速评价结构损伤状态。研究内容包括：构建非线性子结构状态追踪观测器用于性态控制和评估，发展基于追踪误差观测的自适应反推控制策略，建立基于状态偏移和自适应反馈参数的性态评估模型。利用理论分析、数值仿真和振动台试验，系统地研究自适应系统的性态控制和损伤评估效果。本项目的完成有助于发展具有自适应特性的结构控制系统，促进非线性结构的健康监测和振动控制，对发展自感知和自驱动的智能结构具有重要的理论意义和工程应用价值。

灾害作用下的结构性能监测与性能控制是结构工程和防灾减灾领域的前沿问题。本项目通过模型参考思想将结构未知非线性行为作为参考模型未知干扰，构建了基于状态追踪误差的线性模型识别方法、非线性状态时域观测器、非线性系统反馈控制方法和滞变结构评估模型，实现了基于数据驱动的震损结构非线性性态的识别、控制和诊断。.具体成果包括：（1）利用微分演化算法，建立了考虑模型最优和鲁棒性的刚度、阻尼参数优化识别方法；（2）利用无迹卡尔曼滤波，实现了利用加速度数据进行非线性位移时程估计；（3）利用李雅普诺夫稳定理论，提出了可追踪目标性能的自适应反演控制方法；（4）参考Park-Ang模型，提出同时考虑峰值和累积损伤效应的归一化指标。通过理论推导、数值仿真、不同尺度试验和在役结构，对上述研究成果进行了系统的研究和验证。特别的，研究团队首次获得了大比例钢筋混凝土结构的震损全过程数据（动力响应、图像和视频数据），不仅支持了本项目的研究工作，也为后续的研究工作积累了关键的多源数据。.本项目提出的结构状态追踪观测器，提供了加速度数据估计结构非线性行为（峰值、残余变形、动力时程）的可能，有效弥补传统加速度积分两次对结构非线性位移的估计误差和不确定性，将有助于开展利用结构位移响应反馈进行结构地震响应控制的相关研究，并为基于层间位移角评估震损结构性态研究提供理论与方法支持。.本项目提出的自适应反演控制方法，将结构抗震性能以参考信号的方式进行显式表达，是对经典线性系统设计的反馈控制用于结构减震控制的有效改善和提升，相应研究成果可用于主动调谐质量阻尼器、隔震结构等控制技术的智能化和工程应用。.本项目提出的非线性损伤评估方法，实现了基于强震观测数据对结构峰值和累积损伤效应的统一评价，并证明与本项目其他研究成果相结合，可用于实际震损结构并具有较好的工程应用前景。