鲁棒混合控制系统于高层建筑减振（震）技术的研究

This project is focused on the development of robust hybrid control for vibration reduction of tall buildings. This robust hybrid control system will be comprised by multi-axial hybrid mass dampers, recursive system identification and model updating, sensor fault detection and structural health monitoring, and integration of a control law, sensors, and a data acquisition system. The ultimate objective is to realize a highly reliable hybrid control system with the capability of long-term implementation. In general, a hybrid control system consists of passive-active mass dampers, feedback control strategy, sensors, and a data acquisition system. In this research, the control strategy will consider the interaction between the hybrid mass dampers and structure. The model used in the control algorithm will be obtained through a new system identification method, which also considers the sensor time delay in the model. The sensors for feedback control will be diagnosed by a sensor fault detection method in order to fix and maintain the sensor functionality. A health monitoring system will be also embedded in this control system for triggering the active mass driver and detecting the changes of structural characteristics. To achieve a high-performance and autonomous control system, all components will be merged together. Fulfillment of this research will be able to provide a way to enhance the existing tuned mass dampers in tall buildings, as well as to a guideline for hybrid control design in new buildings. This research is indeed scientifically valuable, realizable, and applicable for engineering practice.

本项目致力于研发用于高层建筑减振（震）的鲁棒混合控制系统，透过多向多个混合质量阻尼器、递归式系统识别和结构模型更新、自我故障检测与结构监测的传感器网路及整合控制律、传感器和数据采集器的架构，来实现一个具有高度考靠并能长期运行的混合控制系统。混合控制系统主要由主被动质量阻尼器、回馈式控制律、传感器及数据采集器所构成，本项目将考虑多向及多个混合调谐质量阻尼器系统，开发相应的控制律；研发适合控制系统所用的系统识别方法，并考虑各环节相互作用，得到给控制算法用的模型；利用结构监测系统与传感器故障检测，监控结构动力特性与传感器的变化；最后，整合结构控制、监测和传感器故障检测，通过变换或开关主动控制的模式，来达到高鲁棒性的混合控制。本项目的成果将能让目前已有的调谐质量阻尼器，提供一个有效的改善方案，并且对于未来的高层建筑，提供一个混合控制的设计方针。对于混合控制的应用，具有科学价值、实现意义与应用前景。

本项目致力于研发用于高层建筑减振（震）的鲁棒混合控制系统，通过混合质量阻尼器、递归式系统识别和结构模型更新、自我故障检测与结构监测的传感器网路及整合控制律、传感器和数据采集器的架构，来实现一个具有高度考靠并能长期运行的混合控制系统。混合控制系统主要由主被动质量阻尼器、回馈式控制律、传感器及数据采集器所构成，推导了混合控制结构的运动控制方程，在LQG控制算法下根据控制力反馈方程分析了混合控制改变结构参数的方式以及宏观减震机理。然后以广州塔为工程应用背景，以广州塔为研究对象研究了多个调谐质量阻尼器的减震方法。.为了有效提高多个主动质量阻尼器的鲁棒性，提出了模糊滑模分散控制算法（DFSMC）。通过引进Lyapunov函数设计了仅依赖于主动质量阻尼器（作动器）所在层位移和速度响应反馈信息的滑模分散控制律，在此基础上，利用模糊控制系统自适应地调节滑模分散控制律的切换增益，进而建立了模糊滑模分散控制算法（DFSMC）。.融合结构健康监测和振动控制技术，根据随机子空间方法和Kalman滤波理论进行了监测和控制系统中关键部件——传感器的故障检测方法分析研究。针对多个质量阻尼器的分散控制系统质量阻尼器和传感器出现故障的容错控制问题，分别提出了小增益分散稳定容错控制算法和自适应分散智能容错控制算法。首先，利用Lyapunov稳定性理论及线性矩阵不等式方法推导、证明了离散时滞关联系统分散镇定的充分条件，进而，结合小增益原理，提出了具有完整性的小反馈增益分散稳定容错控制算法。其次，针对质量阻尼器（作动器）故障和子系统间关联项的影响设计了具有补偿功能的直接自适应分散控制算法，并利用自适应神经模糊推理系统（ANFIS）对传感器故障进行在线诊断与信号修复，进而得到了自适应分散智能容错控制算法。.设计制作了主被动复合调谐控制装置试验模型，仿真和试验结果表明：结构主被动复合调谐控制能有效减小结构的动力响应；试验验证了提出的主被动复合调谐控制硬件系统方案完全可行，为工程应用提供了支撑。.本项目在国内外重要杂志上发表论文12篇，其中EI收录7篇，专利2 项，培养博士研究生2名，硕士研究生2名。