论文题目：基于MR阻尼器的建筑结构半主动控制策略及其优化研究
摘要：如何提高建筑结构抵抗地震和强风等动态扰动的能力,从而保证生命和财产安全是土木工程领域的研究热点之一。MR阻尼器是一种具有广阔应用前景的智能半主动减振装置,但是目前基于它的振动控制的研究还有待进一步深入。首先,由于MR阻尼器具有复杂的强非线性,很难对其建立能够准确预测控制信号的逆向模型。其次,MR阻尼器半主动控制算法在控制效果、时滞影响以及结构参数不确定性影响等方面的研究仍有待深入。再次,目前应用MR阻尼器对相邻结构进行连接控制的研究仍然局限于采用刚性地基假设。因此,本文以建筑结构减震为目标,对基于MR阻尼器的控制策略进行深入研究,主要工作如下:1.针对MR阻尼器的逆向动力学模型难以确定的问题,本文提出分别采用遗传算法和蛙跳算法对自适应神经模糊推理系统（ANFIS）进行改进,并利用改进的ANFIS技术对MR阻尼器进行逆向建模。数值分析结果表明:相较于标准ANFIS,改进后的ANFIS的建模精度和泛化能力显著提升,其中基于蛙跳算法改进的ANFIS逆向模型具有最高的控制信号预测精度和阻尼力预测精度。另一方面,对MR阻尼器进行动力性能测试,基于实验数据,建立了其Bouc-Wen正向模型,并验证了模型的有效性。2.鉴于模糊控制能根据地震响应直接获得MR阻尼器的控制信号,但它存在控制系统的参数选取困难和优化不全面的问题,本文提出了一种基于改进蛙跳算法优化的建筑结构半主动模糊控制方法,通过对优化算法的编码形式进行改进,实现了模糊控制系统关键模块的全面优化。仿真分析结果表明:这种控制方法的控制效果优于其它多种控制方法,而且在结构参数发生变化时仍能有效抑制结构振动。3.针对考虑时滞影响的建筑结构MR阻尼器半主动减震需求,本文提出了一种结合灰色预测系统和ICA-LQG-COC的半主动线性最优预测控制方法（GP-ICA-LQG-COC）。其中,鉴于线性二次型最优调节器便于与灰色预测系统相结合,但存在加权矩阵难以确定和全状态反馈的问题,提出了一种结合帝国竞争算法、线性二次型高斯控制和限幅最优控制的ICA-LQG-COC半主动控制。数值分析结果表明:在理想系统中,ICA-LQG-COC的控制效果优于LQG-COC半主动控制和两种被动控制;在时滞系统中,GP-ICA-LQG-COC通过预测机制有效地实现了系统内部的时滞补偿。4.为了兼顾基于MR阻尼器的结构减震效果和控制算法的鲁棒性,本文提出了一种考虑混合灵敏度设计的半主动H∞鲁棒控制方法。其中,鉴于基于MR阻尼器的结构振动H∞控制存在设计保守且不灵活的问题,提出将H∞控制系统的设计转化为混合灵敏度的带约束多目标优化问题,形成了一种改进的输出反馈混合灵敏度H∞控制,并在此基础上引入改进的ANFIS逆向建模技术,以进一步提高控制效果。数值分析结果验证了这种半主动鲁棒控制方法的有效性。此外,本文还将所提出的三种半主动控制方法分别从控制效果、时滞解决能力以及应对结构参数不确定性的能力等方面进行比较,结果表明这些控制方法各有其特点。5.针对地震波激励下的考虑土-结构相互作用（SSI）的相邻结构,提出了采用MR阻尼器作为连接装置的控制方案,并针对MR阻尼器的位置优化问题,提出了一种能解决带约束非线性整数优化问题的改进遗传算法。数值分析结果表明:SSI对相邻结构的振动特性和地震响应都有一定的影响,在控制地基柔性较大的高层结构时尤其要将SSI纳入考虑范围。采用MR阻尼器连接控制可以同时减小结构的地震响应和最小防撞间距。对MR阻尼器位置进行优化后能进一步改善结构的振动和碰撞问题。
关键词：磁流变阻尼器;逆向模型;蛙跳算法;灰色预测;混合灵敏度H∞控制
学科专业：机械电子工程
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.2 磁流变液和磁流变阻尼器
1.2.1 磁流变液和磁流变效应
1.2.2 磁流变阻尼器及其应用背景
1.3 磁流变阻尼器动力学建模的研究现状
1.3.1 磁流变阻尼器正向建模
1.3.2 磁流变阻尼器控制器和逆向建模
1.4 基于磁流变阻尼器的半主动控制的研究现状
1.4.1 线性二次型最优控制
1.4.2 鲁棒控制
1.4.3 智能控制
1.5 基于磁流变阻尼器的相邻结构减震控制的研究现状
1.5.1 相邻结构的磁流变阻尼器减震控制
1.5.2 考虑土-结构相互作用的结构减震控制
1.6 智能优化算法研究现状
1.7 本文的研究意义和研究内容
1.7.1 本文的研究意义
1.7.2 本文的研究内容
第二章 磁流变阻尼器动力学建模
2.1 前言
2.2 磁流变阻尼器的动力学性能测试和正向建模
2.2.1 磁流变阻尼器的测试条件
2.2.2 磁流变阻尼器的测试结果
2.2.3 磁流变阻尼器的正向建模
2.3 基于改进ANFIS的磁流变阻尼器逆向建模
2.3.1 磁流变阻尼器的ANFIS逆向建模策略
2.3.2 自适应神经模糊推理系统的构架
2.3.3 蛙跳算法的原理
2.3.4 基于智能优化算法的ANFIS逆向建模改进方法
2.4 磁流变阻尼器的ANFIS逆向建模仿真研究
2.4.1 训练数据和检验数据的准备
2.4.2 ANFIS结构的确定
2.4.3 优化算法参数的设定
2.4.4 仿真结果及讨论
2.5 本章小结
第三章 建筑结构地震响应的半主动智能模糊控制
3.1 前言
3.2 受控系统的运动方程及其标准状态方程
3.3 基于改进蛙跳算法的模糊控制器设计
3.3.1 模糊控制器的基本结构和设计关键
3.3.2 蛙跳算法改进原理和编码设计
3.3.3 优化目标函数的确定
3.4 改进的半主动智能模糊控制的仿真研究
3.4.1 Benchmark结构的减震分析
3.4.2 剪切框架结构的减震分析
3.5 本章小结
第四章 考虑时滞影响的建筑结构半主动线性最优预测控制
4.1 前言
4.2 改进的半主动线性最优预测控制策略
4.3 基于结构地震响应的灰色预测系统设计
4.3.1 灰色系统和灰色预测概述
4.3.2 灰色模型GM(1,1)和灰色预测流程
4.3.3 基于等维新息模型的灰色预测系统设计
4.4 基于帝国竞争算法的半主动线性最优控制器设计
4.4.1 基于帝国竞争算法的LQR控制器设计
4.4.2 Kalman滤波观测器
4.4.3 限幅最优控制
4.5 改进的半主动线性最优预测控制的仿真研究
4.5.1 参数设定和控制系统建模
4.5.2 仿真结果及讨论
4.6 本章小结
第五章 考虑混合灵敏度设计的建筑结构半主动H_∞鲁棒控制
5.1 前言
5.2 改进的半主动H_∞鲁棒控制策略
5.3 混合灵敏度H_∞控制方法的提出
5.3.1 标准H_∞控制问题及其求解
5.3.2 混合灵敏度H_∞减震控制及其标准形式
5.4 混合灵敏度H_∞控制系统的优化设计
5.4.1 加权函数结构的确定
5.4.2 混合灵敏度H_∞控制系统的优化流程
5.5 改进的半主动H_∞鲁棒控制的仿真研究
5.5.1 混合灵敏度H_∞控制系统的设计结果
5.5.2 磁流变阻尼器逆向建模结果
5.5.3 改进的半主动H_∞鲁棒控制效果分析
5.6 三种改进的半主动控制方法的比较分析
5.6.1 控制效果
5.6.2 时滞的影响
5.6.3 结构参数变化的影响
5.7 本章小结
第六章 考虑土—结构相互作用的相邻结构MR阻尼器连接控制
6.1 前言
6.2 考虑土-结构相互作用的相邻结构MR阻尼器控制系统的建模
6.3 基于改进遗传算法的MR阻尼器安装位置优化
6.3.1 编码设计
6.3.2 算法的改进和优化流程
6.4 考虑土-结构相互作用的相邻结构MR阻尼器控制仿真研究
6.4.1 受控系统的计算模型参数
6.4.2 土-结构相互作用对结构地震响应的影响
6.4.3 磁流变阻尼器连接控制的效果分析
6.4.4 磁流变阻尼器位置优化的效果分析
6.5 本章小结
总结与展望
参考文献
致谢
