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基于H_∞理论的调液阻尼器减震控制优化设计

作　者: 沈文赫
导　师: 霍林生
学　校: 大连理工大学
专　业: 防灾减灾工程及防护工程
关键词: 调液阻尼器 H_∞控制被动控制鲁棒性地震反应
分类号: TU352.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

地震是一种破坏力极强的自然灾害,多年来防灾减震问题一直是众多学者关注的焦点和难以解决的课题。地震的随机性和突发性给振动控制研究带来了巨大难题,大多数振动控制研究均依赖于特定的地震动,而且需要求解结构运动方程,计算繁琐,而实际上,我们常常无法获知结构模型精确参数和未知地震动的特性。为解决上述问题,本文基于H∞理论对建筑结构的被控控制进行研究。鉴于调液阻尼器具有经济、简单易行、维护费用少、减振效果好的特点,本文结构减振采用的阻尼器为调液柱型阻尼器(简称TLCD)。本文的主要研究内容包括以下几个方面：(1)以一个3层剪切型框架结构为例,研究外激励(地震动)和结构输出的加权函数的变化对阻尼器参数优化的影响及结构频响曲线的变化规律,同时分析目标函数中的不同的加权系数对减震效果的影响,并进行时域内的结构反应分析。(2)基于H∞控制理论,以地震动到结构响应的传递函数的H∞范数最小为控制目标,同时采用遗传算法,研究被动控制结构体系中调液阻尼器的参数和位置优化问题,提出一种不依赖于特定的地震动,无需求解结构运动方程的有效的调液阻尼器优化设计方法,以一个12层的偏心结构作为算例进行优化计算,研究结果表明该方法有效地抑制了偏心结构的扭转耦联振动。(3)以一个5层框架结构为例,研究了地震作用下不确定性系统的H∞鲁棒控制问题。分别采用与顶层位移和顶层加速度相关的传递函数的H∞范数为优化目标,考虑在结构参数不确定性的情况下阻尼器参数优化与求解。大量的频域和时域分析结果表明采用考虑参数不确定性的阻尼器参数优化方法可以有效地抑制结构位移响应峰值和结构最大加速度,并且对结构参数的摄动具有较好的鲁棒性。(4)将本文研究的调液阻尼器优化设计方法应用于工程实际—大连星海湾金融大厦的减震研究。利用ETABS建立工程实例的有限元模型,进行模态分析。为了便于振动控制研究,采用简化模型来代替有限元模型并分析了简化方法的合理性。分别采用与顶层位移和顶层加速度相关的传递函数的H∞范数为优化目标,进行阻尼器的参数优化,并进行频域和时域内的减震分析,得出了满足不同工程需求的优化方案。最后考虑在结构参数不确定性的情况下阻尼器参数优化问题。依据获得的优化参数进行频域和时域内的减震稳定性分析,验证了该优化方法的鲁棒性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-20
  1.1 选题背景及意义  10-11
  1.2 结构振动控制综述  11-13
    1.2.1 基本概念  11
    1.2.2 被动控制  11-13
    1.2.3 主动控制  13
    1.2.4 半主动控制  13
    1.2.5 混合控制  13
  1.3 调液柱型阻尼器研究现状  13-16
  1.4 H_∞控制理论研究进展  16-18
    1.4.1 H_∞控制理论发展历程  17-18
    1.4.2 H_∞控制理论在土木工程中的研究应用  18
  1.5 本文主要研究内容  18-20
2 基于H_∞范数的减震设计中加权函数影响分析  20-37
  2.1 引言  20
  2.2 问题描述  20-22
    2.2.1 调液阻尼器运动方程  20-21
    2.2.2 控制系统数学模型  21
    2.2.3 H_∞范数  21-22
  2.3 加权函数的选择  22-23
    2.3.1 外激励加权函数W_g(s)  22-23
    2.3.2 输出加权函数W_l(s)  23
  2.4 遗传算法  23-24
  2.5 数值算例分析  24-36
    2.5.1 结构特征参数及优化目标  24
    2.5.2 加权函数对振动控制效果的影响趋势分析  24-31
    2.5.3 目标函数中加权系数的确定  31-34
    2.5.4 时域内的结构反应分析  34-36
  2.6 本章小结  36-37
3 基于H_∞范数的调液阻尼器对偏心结构的减震控制参数优化  37-49
  3.1 引言  37
  3.2 问题描述  37-40
    3.2.1 控制系统数学模型  37-39
    3.2.2 目标函数  39-40
  3.3 算例分析  40-48
    3.3.1 结构模型及参数设置  40
    3.3.2 优化结果及分析  40-42
    3.3.3 随机地震反应分析  42-46
    3.3.4 时程地震反应分析  46-48
  3.4 本章小结  48-49
4 基于H_∞范数考虑结构参数不确定性的调液阻尼器参数优化  49-64
  4.1 引言  49
  4.2 不确定性系统H_∞鲁棒控制  49-51
  4.3 考虑参数不确定性的TLCD控制系统模型  51-53
  4.4 算例分析  53-63
    4.4.1 结构模型及参数设置  53
    4.4.2 频域鲁棒性分析  53-60
    4.4.3 时域鲁棒性分析  60-63
  4.5 本章小结  63-64
5 工程实例减震分析  64-78
  5.1 引言  64
  5.2 结构模型  64-67
    5.2.1 有限元模型  64-67
    5.2.2 简化模型  67
  5.3 结构减震分析  67-72
  5.4 考虑结构不确定性的鲁棒性分析  72-77
    5.4.1 频域分析  72-75
    5.4.2 时域鲁棒性分析  75-77
  5.5 本章小结  77-78
结论  78-80
参考文献  80-84
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  84-85
致谢  85-86

基于H_∞理论的调液阻尼器减震控制优化设计

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