基于分散控制的高层结构强震激励非线性振动智能控制理论与计算方法

For high-rise structures under strong seismic excitation, which are essentially non-linear structural systems, the structural response manifests nonlinear attributes.This research concentrates on the decentralized intelligent control theory and algorithms of the non-linear vibration of high-rise structures under strong seismic excitation. The establishment of decentralized method therefrom is supposed to solve the problem of the high dimensionality in designing controllers generated by the finite element model..The research focuses on the division mechanism of decentralized control of high-rise structures and divides high-rise structures into several minor structures(with/without overlapping). It facilitates each minor structure with an intelligent controller designed to meet the sub-system performance requirements. The research also aims to eliminate the influences of nonlinearity, time-delay and uncertainty, and improve the real-time, reliability and robustness of the nonlinear vibration control system in high-rise structures..The research probes into the mechanism of global central controller in coordinating and optimizing local intelligent controllers, and establishes a two-tier decentralized control system. Based on fuzzy logic and genetic algorithm, the study designs a two-tier decentralized control system without overlapping.Furthmore, it designs a similar system with overlapping,which is based on inclusion principle..Besides, the research deliberates on the impact of the spatial layout of actuators and sensors on the performance of the two-tier decentralized control system. On the basis of genetic algorithm, the study plans to optimize the numbers and location of actuators and sensors.

强震激励下的高层结构，本质上属于非线性结构系统，结构响应表现出非线性特征。课题研究强震激励下高层结构非线性振动的分散智能控制理论与计算方法，建立高层结构非线性振动控制的分散化方法，克服基于有限元模型设计控制器时维数过高的问题。研究高层结构分散控制子结构的划分机理，将高层结构合理分解为若干有/无重叠子结构。采用智能算法在子结构内设计满足子系统性能要求的智能子控制器，解决强震激励下高层结构控制系统的非线性、时滞以及不确定性因素影响，提高高层结构非线性振动控制系统的实时性、可靠性和鲁棒性。研究全局中央控制器协调优化局部智能子控制器的机理，建立双层分散化控制系统。基于模糊逻辑及遗传算法设计无重叠结构双层分散化控制系统，基于包含原理设计重叠（多重叠）结构双层分散化控制系统。研究致动器和传感器的空间布局对双层分散化控制系统性能的影响，基于遗传算法给出致动器和传感器数目和空间位置的最优配置方法。

课题研究基于分散控制的高层结构强震激励非线性振动智能控制理论与计算方法。. 将高层结构分解成若干个子结构，每个子结构设计了相互独立的控制子系统，引入信息共享的重叠分散策略，建立地震激励下结构振动重叠分散控制算法。主要算法包括：将包含原理与线性二次型最优控制原理相结合，通过扩展分解控制系统及协调收缩获得重叠分散控制器，建立重叠分散最优控制算法；将重叠分散控制、线性矩阵不等式、静态输出反馈、能量-峰值控制相结合，建立重叠分散静态反馈能量-峰值控制算法；将多重叠分散控制理论与集中H∞控制理论相结合，建立重叠分散H∞控制算法；将重叠分散控制、离散时间H∞控制、线性矩阵不等式和静态输出反馈控制相结合，建立离散时间重叠分散H∞控制算法；将重叠分散控制和滑模控制算法相结合，建立地震作用下高层建筑结构多重叠分散滑模控制算法；将分散控制和模糊控制理论相结合，建立分散模糊控制方法。建立的系列控制算法均在20层Benchmark结构模型上进行了数值模拟，结果表明建立的各算法对结构振动控制的有效性，同时与传统集中控制相比，算法的可靠性、鲁棒性和稳定性均有所提高，为其工程应用提供了强力的理论支撑。. 基于线型二次型最优控制的最优权矩阵和鲁棒控制的最优输出评价矩阵，分析评价重叠分散控制子结构不同划分策略时的控制效果，研究了高层建筑振动重叠分散控制子结构划分机理。提出的两种重叠分散控制方法的性能评价方法可指导任意层数高层建筑振动重叠分散控制子结构的合理划分，既保证控制系统良好的控制效果，又保证控制力在合理的范围内。. 对参数不确定结构振动控制方法进行了研究。基于包含原理，将重叠分散控制策略与保性能控制算法相结合，提出了参数不确定结构重叠分散保性能控制设计方法，较好地解决了地震激励下参数不确定建筑结构的振动控制问题。该研究将对象从单个高层建筑物扩展到了两个相邻建筑物的振动控制。