结构振动的非光滑控制方法研究

The building strucures are becoming more and more complex, especially for skyscrapers. The complexity covers the inherent distribution properties,parameter uncertainties, and strong external disturbances. In the meantime,higher control performance demands are reqused. All these characteristics bring new challenges to structural vibration control technology. This project conducts the nonsmooth control approaches to the vibration control, including the following aspects: (1)Deeper analysis is to be conducted for typical structures and control performance demands, in order to give a general mathmatical desriptiono with parameter uncertainties. (2)Under the prescribed constraints, nonsmooth control method will be used to design the stabilizaiton and output regulation control laws for the uncertain systems with strong external disturbances. The design objective is to improve the performance of the systems, such as rapid responses to the external distrubances, strong robustness to the uncertainties. (3)Extended state observer technique of the auto-disturbance rejection control will be used to design the state and distrubance information estimation algorithm which wil be used to estimate the state and disturbance information in real time in the control law implementation.(4)Based on the research mentioned above, structural vibration control synthesis will be conducted together with the sofeware design for algorithms, and the synthesis will be verified by numerical simulation. (5)Lastly the synthesis will be verified by physical experiments. The expected research results can be effectively applied to the design of the structural vibration control systems with improved control performance.

建筑结构日趋复杂，尤其是针对高层建筑，分布特性、参数的不确定性、外部强干扰特性日益突出，对控制性能提出更高要求，给结构振动控制技术带来新挑战。本项目拟引入控制领域的非光滑控制方法，就结构振动的非光滑控制方法开展深入研究。内容包括：（1）深入分析典型结构的特点，控制系统的性能要求，给出明确反映参数不确定性的一般性数学模型；（2）以系统在地震荷载冲击下，最短时间内恢复稳定为目标，考虑实施的控制力存在最大能量约束等特点，以非光滑控制方法为基础，研究系统的镇定和输出调节问题，给出结构振动非光滑控制律设计方法；（3）基于自抗扰控制方法中的扩张状态观测器给出系统控制所需状态及扰动信息的实时估计方法；（4）完成系统的综合设计工作，完成算法的软件设计，通过数字仿真加以分析、验证；（5）设计典型模型实验系统，完成实验验证。预期研究成果将使结构振动控制理论更加丰富，并成为实际应用设计的指导。

本项目针对高层建筑的分布特性、参数的不确定性、外部强干扰特性等问题日益突出，引入了控制领域的非光滑控制方法，就结构振动的非光滑控制方法完成了相关研究。完成内容包括：（1）结合高层建筑结构的特点以及控制系统的性能要求，给出了明确反映参数不确定性、外部强干扰特性等特征的一般性数学模型；（2）以系统在地震荷载冲击下，利用自抗扰控制技术，在不需要过大控制能量的前提下，采用非光滑反馈加干扰前馈的形式，保证了系统响应在有限时间内收敛，给出了结构振动非光滑控制律设计方法；（3）基于自抗扰控制方法中的扩张状态观测器给出了系统控制所需状态及扰动信息的实时估计方法；（4）完成了系统的综合设计工作，完成算法的软件设计；（5）设计了典型模型实验系统，完成实验验证。本项目成果拟应用领域：1、高层建筑结构地震强载荷振动控制；2、高层建筑结构长周期风荷振动控制；3、建筑结构不确定振动快速有效控制器设计。