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基于模糊—神经元的抗震结构智能混合控制
作 者: 周建中
导 师: 赵鸿铁
学 校: 西安建筑科技大学
专 业: 结构工程
关键词: 智能控制 振动混合控制 调谐质量阻尼器 消能减震 模糊控制 神经元网络控制 粘弹性阻尼器 粘弹性阻尼结构
分类号: TU352.1
类 型: 博士论文
年 份: 2003年
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内容摘要
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结构振动混合控制是一种新型的抗震技术，它不仅适用范围广，而且具有很好的控震性能。因此，国内外已有越来越多的专家学者投入到此方面进行研究，并已取得了一些成果。但从总体而言，目前国内外在抗震结构混合控制减震技术方面还处于试验及理论研究阶段。运用模糊-神经元网络控制技术，进行抗震结构混合控制方面的研究将开拓结构控制的一个全新领域，有关这一领域内的问题有待得到解决完善。 本文利用模糊-神经元智能控制技术，旨在研究PTMD(或加入模糊控制器的PTMD)与消能减震(或基于神经元的消能减震)相结合的广义混合控制的设计理论和方法。主要完成了以下工作： 1)分别建立基于模糊性原理的PTMD与基于模糊性原理的消能减震结构运动模糊微分方程，运用模糊微分方程理论求得其解，分析各自存在的问题。 2)建立PTMD与消能减震相结合的混合控制的运动模糊微分方程，求其解；分别与PTMD、消能减震系统相比较；建立PTMD与消能减震相结合的混合控制系统的设计理论和方法。 3)建立基于神经元网络的抗震结构混合控制的理论和方法；进行基于神经元网络技术的消能减震器的优化设置研究，分析其有效控制的振型数量。 4)运用模糊控制器的设计原理，进行PTMD模糊控制器的设计。 5)分别进行PTMD与基于神经元的消能减震系统相结合的混合控制、SATMD(带模糊控制器或神经-模糊控制器的PTMD)与消能减震相结合的混合控制、SATMD(带神经-模糊控制器的PTMD)与基于神经元的消能减震系统相结合的混合控制的研究，并与已有的试验结果对比，确立各自的优缺点，建立各自的设计理论和方法。 6)从广义混合控制入手，利用本课题的研究成果，建立抗震结构智能混合控制方案选择模糊专家系统的基本理论。 7)针对1、2、3、5情况，建立基于MATLAB语言的抗震结构智能混合控制的仿真系统。 本文的创新之处在于： 1）国内外首次提出了抗震结构智能控制、狭义混合控制、广义混合控制等概念，并提出了理论上主动控制的效果最好，混合控制是一种实践上最好的控震形式的新论断。 2）国内外首次研制开发了PTMD模糊控制器，并应用于PTMD中，改善了PTMD制频范围。 3）国内外首次提出了对粘弹性阻尼结构进行神经网络优化设置的新方法，以考虑不同地震动特性的影响。该方法是对传统优化方法的进一步发展。 4）国内外首次提出了基于弹塑性时程分析进行抗震结构模糊建模及模糊控制规则自动提取的方法。该方法可以推广到利用所有成熟程序自动提取模糊控制规则以进行结构模糊控制。 5）国内外首次提出了应用神经网络技术形成减震结构模糊控制规则的关系生成方法和推理合成算法，从而实现了神经网络驱动的混合控制结构体系模糊推理。 6）编制了一套基于模糊的广义混合控制结构体系的弹塑性时程分析计算机程序，该套程序能同时考虑了消能器非线性和结构非线性。 7）建立了抗震结构智能混合控制的方案选择模糊专家系统的基本理论；并建立了基于MATLAB语言的抗震结构广义混合控制的仿真系统。 8）国内外首次提出了P皿0（或SATM切与消能减震（或基于神经元的消能减震）相结合的广义混合控制设计理论和方法。
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全文目录
第一章 抗震结构智能控制的应用展望 16-27
1.1 控制科学发展的历史回顾 16
1.2 智能控制产生的背景 16-17
1.3 抗震结构智能控制的概念 17-19
1.3.1 抗震结构的概念 17
1.3.2 自动控制、人工智能、运筹学及信息论的概念 17-18
1.3.3 智能及智能控制的概念 18-19
1.3.4 抗震结构智能控制的概念 19
1.4 抗震结构智能控制的研究内容 19-22
1.4.1 基于模糊性原理的抗震结构智能控制 20-21
1.4.2 基于神经元网络的抗震结构智能控制 21-22
1.4.3 基于进化系统的抗震结构智能控制 22
1.4.4 基于模糊-神经元的抗震结构智能控制 22
1.5 抗震结构智能控制制的集成系统 22-23
1.6 基于MATLAB语言抗震结构智能控制系统的实现 23
1.7 本文研究的意义和主要内容 23-27
1.7.1 问题的提出 23-24
1.7.2 课题的目的和意义 24
1.7.3 本文的研究内容和创新 24-27
第二章 结构振动控制与广义模糊地震动的基本理论 27-39
2.1 结构振动控制的概念和分类 27-28
2.1.1 结构振动控制的概念 27
2.1.2 结构振动控制的分类 27-28
2.2 结构混合控制的研究和应用 28-30
2.2.1 广义混合控制的概念 28-29
2.2.2 广义混合控制的不同形式 29-30
2.3 广义模糊地震动的基本理论 30-39
2.3.1 与模糊性、随机性及模糊随机性相关的一般理论 30-31
2.3.2 场地土类别的模糊性 31
2.3.3 模糊随机地震烈度 31-32
2.3.4 模糊预测地震烈度 32-33
2.3.5 模糊反应谱 33-36
2.3.6 结构模糊随机地震反应 36
2.3.7 模糊随机地震危险性分析 36-39
第三章 结构被动调谐减震控制的基本理论 39-55
3.1 被动调谐质量阻尼器(PTMD)的特点 39-40
3.1.1 PTMD的概念及组成 39
3.1.2 PTMD的优缺点 39-40
3.2 单质点结构PTMD运动模糊微分方程及解 40-47
3.2.1 单质点结构PTMD运动模糊微分方程 40-41
3.2.2 单质点结构PTMD运动模糊微分方程的解 41-45
3.2.3 白噪声随机激励下单质点结构PTMD运动模糊解 45-47
3.3 多质点结构PTMD运动模糊微分方程及解 47-51
3.3.1 多质点结构PTMD运动模糊微分方程 47-49
3.3.2 多质点结构PTMD运动模糊微分方程的解 49-51
3.4 基于模糊的弹塑性时程分析法程序编制 51-52
3.4.1 引言 51
3.4.2 基于模糊的弹塑性时程分析法程序编制 51-52
3.5 PTMD减震控制体系的实用设计方法 52-55
3.5.1 设计步骤 52-53
3.5.2 算例 53-54
3.5.3 结论 54-55
第四章 结构消能减震控制的基本理论 55-72
4.1 消能减震的特点 55-56
4.1.1 消能减震的概念、组成及分类 55
4.1.2 消能减震的优缺点 55-56
4.2 单质点结构消能减震运动模糊微分方程及解 56-61
4.2.1 单质点结构消能减震运动模糊微分方程 56-57
4.2.2 单质点结构消能减震运动模糊微分方程的解 57-61
4.3 多质点结构消能减震运动模糊微分方程及解 61-68
4.3.1 多质点结构消能减震运动模糊微分方程 61-63
4.3.2 多质点结构消能减震运动模糊微分方程的解 63-68
4.4 基于模糊的弹塑性时程分析法程序编制 68-69
4.4.1 引言 68-69
4.4.2 基于模糊的弹塑性时程分析法程序编制 69
4.5 消能减震控制体系的实用设计方法 69-72
4.5.1 设计步骤 69
4.5.2 算例 69-71
4.5.3 结论 71-72
第五章 PTMD与消能减震相结合的混合控制 72-103
5.1 PTMD与消能减震相结合的混合控制的特点 72-73
5.1.1 PTMD与消能减震相结合的混合控制的概念、组成及分类 72
5.1.2 PTMD与消能减震相结合的混合控制的的优缺点 72-73
5.2 单质点结构PTMD与消能减震相结合的混合控制模糊微分方程及解 73-80
5.2.1 单质点结构PTMD与消能减震相结合的混合控制模糊微分方程 73-74
5.2.2 单质点结构PTMD与消能减震相结合的混合控制模糊微分方程的解 74-80
5.3 多质点结构PTMD与消能减震相结合的混合控制模糊微分方程及解 80-88
5.3.1 多质点结构PTMD与消能减震相结合的混合控制模糊微分方程 80-82
5.3.2 多质点结构PTMD与消能减震相结合的混合控制模糊微分方程的解 82-88
5.4 基于模糊的弹塑性时程分析法程序编制 88-90
5.4.1 引言 88
5.4.2 电算程序的基本理论及基本假定 88-89
5.4.3 电算结果与试验结果的对比 89-90
5.5 恢复力曲线模型及其对控震效果的影响 90-95
5.5.1 引言 90
5.5.2 克拉夫模型、武田模型的程序化 90-91
5.5.3 克拉夫模型、武田模型的拐点处理 91-93
5.5.4 数值计算 93-94
5.5.5 结论 94-95
5.6 PTMD与消能减震相结合的体系的设计方法 95-97
5.6.1 运用二阶段设计法进行设计 95
5.6.2 算例 95-97
5.6.3 结论 97
5.7 PTMD与消能减震相结合的广义混合控制参数研究 97-103
5.7.1 引言 97-98
5.7.2 运用二阶段设计法设计PTMD及消能减震相结合的广义混合控制参数分析 98-99
5.7.3 数值计算参数分析 99-101
5.7.4 结论 101-103
第六章 基于神经元网络的抗震结构混合控制的理论和方法 103-112
6.1 人工神经元网络及其在土木工程中的研究和应用 103-104
6.2 人工神经元网络的简化数学模型、有关基本概念及特征 104-106
6.2.1 简化的神经元数学模型 104-105
6.2.2 人工神经元网络的有关基本概念及特征 105-106
6.3 基于神经元网络的抗震结构混合控制的理论和方法 106-112
6.3.1 人工神经元网络计算与传统计算的比较 106
6.3.2 抗震结构混合控制中人工神经元网络技术的选取 106
6.3.3 抗震结构混合控制中的基本概念的神经元化 106-108
6.3.4 抗震结构混合控制中常用的人工神经网络模型 108-109
6.3.5 抗震结构混合控制中人工神经网络的训练与测试 109-110
6.3.6 抗震结构混合控制中的神经网络控制方法 110-112
第七章 基于神经元网络技术的消能器优化设置研究 112-120
7.1 (铅)粘弹性阻尼结构的试验及研究概况 112
7.2 粘弹性阻尼结构的传统优化理论 112-113
7.2.1 粘弹性阻尼结构的传统优化设计方法 112-113
7.2.2 粘弹性阻尼器传统优化方法的设计步骤 113
7.3 基于神经元网络技术的粘弹性阻尼结构的优化设置 113-120
7.3.1 引言 113
7.3.2 粘弹性阻尼结构优化的RNNWBU模型 113-116
7.3.3 利用RNNWBU对粘弹性阻尼结构进行优化的设计方法 116-118
7.3.4 结论 118-120
第八章 PTMD与基于神经元的消能减震相结合的混合控制 120-124
8.1 PTMD与基于神经元的消能减震相结合的混合控制的特点 120
8.1.1 PTMD与基于神经元的消能减震相结合的混合控制的概念、组成及分类 120
8.1.2 PTMD与基于神经元的消能减震相结合的混合控制的特点 120
8.2 PTMD与基于神经元的消能减震相结合的混合控制的基本理论 120-124
8.2.1 PTMD与基于神经元的消能减震相结合的混合控制系统运动方程及解 120
8.2.2 PTMD与基于神经元的消能减震相结合的混合控制系统的二阶段设计法 120
8.2.3 PTMD与基于神经元的消能减震相结合的混合控制系统的设计步骤 120-123
8.2.4 PTMD与基于神经元的消能减震相结合的混合控制系统设计过程流程图 123
8.2.5 算例 123-124
第九章 半主动调谐减震控制体系模糊控制器设计 124-137
9.1 模糊推理的基本原理 124-128
9.1.1 模糊推理的基本概念 124-126
9.1.2 模糊推理的Mamdani算法 126
9.1.3 模糊控制中三种常见的模糊推理 126-128
9.2 半主动调谐减震控制体系模糊控制器设计 128-137
9.2.1 引言 128
9.2.2 半主动调谐减震模糊控制系统设计简介 128-129
9.2.3 模糊控制器的设计原理 129-130
9.2.4 多质点结构半主动调谐减震体系模糊建模及模糊控制规则自动生成 130-133
9.2.5 半主动调谐减震控制系统关系生成方法、推理合成算法及推理结果去模糊化 133
9.2.6 半主动调谐减震体系模糊控制器控制效果的数值仿真分析 133-136
9.2.7 结论 136-137
第十章 SATMD与消能减震相结合的混合控制 137-148
10.1 引言 137
10.2 SATMD与消能减震相结合系统的定义及特点 137-138
10.2.1 SATMD与消能减震相结合的混合控制系统定义 137
10.2.2 SATMD与消能减震相结合的混合控制系统组成及特点 137-138
10.3 SATMD与消能减震相结合的混合控制系统的基本理论 138-139
10.3.1 SATMD与消能减震相结合的混合控制系统模糊控制器设计的基本原理 138-139
10.3.2 SATMD与消能减震相结合的混合控制系统粘弹性阻尼器的优化设置 139
10.4 SATMD与消能减震相结合的混合控制实用设计方法 139-142
10.4.1 运用二阶段循环设计法进行设计 139
10.4.2 设计步骤 139-140
10.4.3 数值仿真 140-142
10.4.4 结论 142
10.5 基于递归神经网络的减震结构模糊控制研究 142-148
10.5.1 引言 143
10.5.2 基于递归神经网络的SATMD与消能减震相结合的混合控制系统组成 143-144
10.5.3 基于弹塑性时程分析进行减震结构模糊建模及模糊控制规则自动提取的方法 144
10.5.4 减震结构模糊控制的RNNWBU模型及权值调整 144-145
10.5.5 基于RNNWBU模型的减震结构模糊控制系统设计步骤 145-146
10.5.6 基于RNNWBU模型的减震结构模糊控制系统的数值仿真分析 146-147
10.5.7 结论 147-148
第十一章 SATMD与基于神经元的消能减震相结合的混合控制 148-152
11.1 SATMD与基于神经元的消能减震相结合的混合控制的特点 148
11.1.1 SATMD与基于神经元的消能减震相结合的混合控制的概念、组成及分类 148
11.1.2 SATMD与基于神经元的消能减震相结合的混合控制的特点 148
11.2 SATMD与基于神经元的消能减震相结合的混合控制的基本理论 148-152
11.2.1 SATMD与基于神经元的消能减震相结合的混合控制系统运动方程及解 148
11.2.2 SATMD与基于神经元的消能减震相结合的混合控制系统的二阶段循环设计法 148-149
11.2.3 SATMD与基于神经元的消能减震相结合的混合控制系统的设计步骤 149-151
11.2.4 SATMD与基于神经元的消能减震相结合的混合控制系统的设计过程流程图 151
11.2.5 算例 151-152
第十二章 智能混合控制的方案选择模糊专家系统的基本理论 152-156
12.1 引言 152
12.2 智能混合控制的方案选择模糊专家系统的知识获取与表示 152-154
12.2.1 抗震结构智能混合控制的基本形式 152
12.2.2 智能混合控制的方案选择影响因素及其关系模型 152-154
12.2.3 方案选择的影响因素及其关系的模糊量化和重要性程度的权值取定 154
12.3 智能混合控制的方案选择模糊专家系统的模糊推理机制及人机界面 154-156
12.3.1 抗震结构智能混合控制的方案选择模糊专家系统的模糊推理机制 154-155
12.3.2 抗震结构智能混合控制的方案选择模糊专家系统的人机界面 155-156
第十三章 基于MATLAB语言的抗震结构智能混合控制仿真系统 156-159
13.1 引言 156
13.2 抗震结构智能混合控制仿真系统的建立 156-158
13.3 抗震结构智能混合控制的仿真结果及分析 158-159
第十四章 结语 159-177
14.1 主要结论 159-162
14.2 参考文献 162-175
14.3 致谢 175-176
14.4 课题项目 176
14.5 曾参加过的科研项目 176
14.6 攻读博士学位期间发表的论文 176
14.7 待发表的论文 176
14.8 攻读博士学位期间的获奖情况 176-177
14.9 完成的学位论文、研究报告及程序集 177
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