高层建筑结构地震反应预测控制
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摘要
近年来，随着城市的发展和人口数量的增长，越来越多的高层建筑如雨后春笋般涌现出来，大大缓解城市用地紧张的问题。但是，许多建筑结构都处在地震活动较活跃的地带，随之而来的安全问题逐渐引起人们的关注。因此，减小建筑结构在地震激励下的响应成为当前一个非常重要的研究课题。
结构振动控制是最近十几年发展起来的一门新兴学科，主要研究结构控制的理论、方法和措施。结构振动控制可以分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制。主动和半主动控制装置能够增强建筑结构在地震和大风作用下的抗振性能，因此研究适合这些装置的控制策略具有重要意义。
预测控制是70年代后期产生的一类新型计算机控制方法，并已在许多过程工业部门得到广泛应用。预测控制以系统响应的预测模型为基础，利用滚动优化和反馈校正的思想，对目标函数进行优化得到最优控制力，使对象输出与期望值之间的偏差达到最小。
本文主要研究高层建筑结构振动控制的结构模型和预测控制算法，首次将预测控制应用到高层建筑结构地震反应控制中，在分析受地震波激励的高层建筑结构模型的运动方程及其状态空间形式方程的基础上，确定预测模型和控制目标函数，建立高层建筑结构预测控制系统，从理论上对预测控制在高层建筑结构振动控制中的应用进行研究。
以MATLAB为仿真工具，对12层高层建筑结构模型在EI-Centro地震波激励下的加速度和位移响应进行仿真，并对结构在无控制和预测控制两种情况下的响应进行比较，结构顶层加速度的最大值和均方根值分别减小50％和47.7％，位移的最大值和均方根值分别减小74.5％和71.9％，减震效果十分明显。本文以大量仿真研究工作为基础，分析控制器的数目、放置位置等因素对结构响应的影响，为仿真方法的改进提供一定的依据。仿真结果表明预测控制是一种简单、有效的控制方法，可以显著地减小高层建筑结构在地震波激励下的加速度和位移响应，为预测控制在实际抗震设计中的应用打下基础。
In recent years, plenty of tall buildings are appeared quickly due to the development of the city and the increment of the population. It mitigates the problem resulting from the lack of the ground. However, many structures are located in the regions of high seismic activities. Public is becoming increasingly concerned about the safety of the structure which could be subjected to severe levels of structural motions induced by extreme event. Therefore, reducing structural response under the earthquake is becoming a very critical issue at present.
Structural vibration control is a new subject developing recent several decades. It mainly researches the theory, the method and the application. Structural vibration control includes passive control, active control, semi-active control and hybrid control. This dissertation focuses on the active control, which uses active control device such as active mass damper to enhance the performance of the structures during earthquakes and strong winds. So it is significant to study the control schemes adapting to these devices.
Predictive control is a new control method with computer, and has been applied extensively in many sectors of the process industry. It uses the ideas of the receding horizon and the feedback proofread based on the predictive model of the system response to optimize the objective function and gain the optimal control force, which could minimize the difference between the real output and the desired output.
This dissertation has studied the structural model and model predictive control (MPC) algorithm that was first implemented for the structural vibration control of the tall building under earthquake excitation. Based on analyzing structural motion equation and the state space form equation of the earthquake-excited structural model of the tall building, predictive model and control objective functions are defined and the MPC system of the tall building is set up.
The acceleration and displacement of the structural model under El-Centro earthquake excitation is simulated by MATLAB. The comparison of the response under no control and predictive control is made. The max value and the RMS (Root Mean Square) value of the acceleration of the top floor decrease 50% and 47.7% respectively. The max value and the RMS value of the displacement decrease 74.5% and 71.9% respectively. This dissertation also analyzes the effect on the structural response due to the number and the location of the controller based on the lots of simulation study. The results show that MPC is a simple and effective control scheme. It can greatly reduce seismic response of the tall building. This study has laid foundation for the development of future applicants of MPC in practical anti-seismic design.
结构振动控制是最近十几年发展起来的一门新兴学科，主要研究结构控制的理论、方法和措施。结构振动控制可以分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制。主动和半主动控制装置能够增强建筑结构在地震和大风作用下的抗振性能，因此研究适合这些装置的控制策略具有重要意义。
预测控制是70年代后期产生的一类新型计算机控制方法，并已在许多过程工业部门得到广泛应用。预测控制以系统响应的预测模型为基础，利用滚动优化和反馈校正的思想，对目标函数进行优化得到最优控制力，使对象输出与期望值之间的偏差达到最小。
本文主要研究高层建筑结构振动控制的结构模型和预测控制算法，首次将预测控制应用到高层建筑结构地震反应控制中，在分析受地震波激励的高层建筑结构模型的运动方程及其状态空间形式方程的基础上，确定预测模型和控制目标函数，建立高层建筑结构预测控制系统，从理论上对预测控制在高层建筑结构振动控制中的应用进行研究。
以MATLAB为仿真工具，对12层高层建筑结构模型在EI-Centro地震波激励下的加速度和位移响应进行仿真，并对结构在无控制和预测控制两种情况下的响应进行比较，结构顶层加速度的最大值和均方根值分别减小50％和47.7％，位移的最大值和均方根值分别减小74.5％和71.9％，减震效果十分明显。本文以大量仿真研究工作为基础，分析控制器的数目、放置位置等因素对结构响应的影响，为仿真方法的改进提供一定的依据。仿真结果表明预测控制是一种简单、有效的控制方法，可以显著地减小高层建筑结构在地震波激励下的加速度和位移响应，为预测控制在实际抗震设计中的应用打下基础。
In recent years, plenty of tall buildings are appeared quickly due to the development of the city and the increment of the population. It mitigates the problem resulting from the lack of the ground. However, many structures are located in the regions of high seismic activities. Public is becoming increasingly concerned about the safety of the structure which could be subjected to severe levels of structural motions induced by extreme event. Therefore, reducing structural response under the earthquake is becoming a very critical issue at present.
Structural vibration control is a new subject developing recent several decades. It mainly researches the theory, the method and the application. Structural vibration control includes passive control, active control, semi-active control and hybrid control. This dissertation focuses on the active control, which uses active control device such as active mass damper to enhance the performance of the structures during earthquakes and strong winds. So it is significant to study the control schemes adapting to these devices.
Predictive control is a new control method with computer, and has been applied extensively in many sectors of the process industry. It uses the ideas of the receding horizon and the feedback proofread based on the predictive model of the system response to optimize the objective function and gain the optimal control force, which could minimize the difference between the real output and the desired output.
This dissertation has studied the structural model and model predictive control (MPC) algorithm that was first implemented for the structural vibration control of the tall building under earthquake excitation. Based on analyzing structural motion equation and the state space form equation of the earthquake-excited structural model of the tall building, predictive model and control objective functions are defined and the MPC system of the tall building is set up.
The acceleration and displacement of the structural model under El-Centro earthquake excitation is simulated by MATLAB. The comparison of the response under no control and predictive control is made. The max value and the RMS (Root Mean Square) value of the acceleration of the top floor decrease 50% and 47.7% respectively. The max value and the RMS value of the displacement decrease 74.5% and 71.9% respectively. This dissertation also analyzes the effect on the structural response due to the number and the location of the controller based on the lots of simulation study. The results show that MPC is a simple and effective control scheme. It can greatly reduce seismic response of the tall building. This study has laid foundation for the development of future applicants of MPC in practical anti-seismic design.
引文
[1] 彭刚，张国栋．土木工程结构振动控制．武汉：武汉理工大学出版社，2002：1～22
[2] 陈静，瞿伟廉，肖纯．预测控制在土木工程结构控制中的应用．武汉理工大学学报，2001．23(8)：11～13
[3] 陈静，瞿伟廉，徐幼麟．MR阻尼器耦联的带裙房高层建筑的半主动逻辑控制．地震工程与工程振动，2003．23(2)：150～153
[4] 李桂青，霍达，邹祖军．结构控制理论及其应用．武汉：武汉工业大学出版社，1991：9～10
[5] 孙树民．土木工程结构振动控制技术的发展．噪声与振动控制，2001．(2)：22～28
[6] 阎维明，周福霖，谭平．土木工程结构振动控制的研究进展．世界地震工程，1997．13(2)：8～20
[7] 周立峰．讲座：预测控制 第一讲 预测控制的基本原理．自动化与仪器仪表，1995．59(3)：46～49
[8] 王树青．先进控制技术及应用．北京：化学工业出版社，2001：81～103
[9] 李敏霞，刘季．主动结构振动控制算法综述．世界地震工程，1998．14(4)：61～69
[10] 孙朝晖，王冲，戴扬等．结构振动主动控制理论及实验研究．振动工程学报，1994．7(2)：154～160
[11] 何朝晖，廖林清．结构振动主动控制的基本理论及应用．重庆工业管理学院学报，1996．10(4)：20～28
[12] 乔俊飞，张微敬，李武强．结构振动系统建模与控制的仿真研究．系统仿真学报，2001．139(增刊)：24～26
[13] 韩建平，李慧，杜永峰．智能材料与土木工程结构振动控制．甘肃工业大学学报，2002．28(1)：80～84
[14] 倪强，唐家祥，江宜城等．计算机仿真技术在地震及结构振动分析中的应用．计算机应用研究，1998．(3)：47～50
[15] 方长全．预测控制在工程结构振动控制中的应用：[硕士学位论文]．武汉：武汉理工大学，2001
[16] 舒迪前．预测控制系统及其应用．北京：机械工业出版社，1996：97～101
[17] 席裕庚．预测控制．北京：国防工业出版社，1993：1～78
[18] 许超，陈治纲，邵惠鹤．预测控制技术及应用发展综述．化工自动化及仪表，2002．29(3)：1～10
[19] 席裕庚．动态不确定环境下广义控制问题的预测控制．控制理论与应用，2000．17(5)：665-670
[20] 陈增强，孙明玮，袁著祉．采样系统预测控制的设计与分析．控制理论与应用，2002．19(2)：268～270
[21] 郭戈，王伟，柴天佑．连铸结晶器液位预测控制．控制理论与应用，2001．18(5)：714～721
[22] 梁春燕，谢剑英．预测控制中的若干问题研究．自动化与仪器仪表，1999．84(4)：10～13
[23] 陈福祥．预测控制及应用．武汉：华中理工大学出版社，1993：1～62
[24] 陈福祥，朱家万．线性系统控制理论．武汉：武汉工业大学出版社，1990：12～22
[25] 李平，王树青，王骥程．预测控制研究的概况．自动化与仪器仪表，1995．22(2)：3～9
[26] 章卫国等．先进控制理论与方法导论．西安：西北工业大学出版社，2000：17～65
[27] 杨马英，俞立，张美玉等．约束预测控制的可行解与稳定性．浙江工业大学学报，1999．27(3)：187～194
[28] 龚剑，朱亮．MATLAB 5.x入门与提高．北京：清华大学出版社，2000：217～218
[29] 程卫国，冯峰，姚东等．MATLAB 5.3应用指南．北京：人民邮电出版社，2000：357～409
[30] 马兴义，杨立群，林敏等．Matlab 6应用开发指南．北京：机械工业出版社，2002：139～165
[31] 赵文峰等．控制系统设计与仿真．西安：西安电子科技大学，2002：191～205
[32] 陈静．带裙房高层建筑的半主动逻辑控制：[博士学位论文]．武汉：武汉理工大学，2003
[33] 张相庭．高层建筑结构抗风抗震设计计算．上海：同济大学出版社，1997：1～72
[34] 刘保东．工程振动与稳定基础．北京：北方交通大学出版社，2002：93～101
[35] 邹鲲，龚享铱，袁俊泉．MATLAB 6.x信号处理．北京：清华大学出版社，2002：216～241
[36] 陈悦，安燮南，高东杰．内模统一预测控制的进一步分析．自动化学报，1999．25(4)：441～448
[37] 李阳春，许晓鸣，杨煜普．一类非线性预测控制系统的鲁棒稳定性．自动化学报，1999．25(6)：852～855
[38] 陈克贵，沈平．简化模型预测控制及仿真研究．自动化与仪表，1997．12(3)：28～30
[39] 陈静，瞿伟廉．基于泛布尔代数的MR阻尼器半主动控制方法．武汉理工大学学报，2002．24(7)：62～64
[40] 陈静，瞿伟廉，张南纶．基于泛布尔代数的结构振动控制机理．噪声与振动控制，2002．22(3)：37～38
[41] W. L. QU and Y. L. XU., Semi-active Control of Seismic Response of Tall Buildings with Podium Structure using ER/MR Dampers. Struct. Design Tall Build. 10, 179-192, 2001
[42] Gang Mei. Model Predictive Control Schemes for the Mitigation of Natural Hazards: Theoretical and Experimental Studies: [Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy]. University of Notre Dame, 2001
[43] Laura M. Jansen and Shirley J. Dyke, Semi-active Control Strategies for MR Dampers: Comparative Study. Journal of Engineering Mechanics, 126(8), 795-803, August, 2000
[44] Jeon D, Park C and Park K, Vibration suppression by controlling an MR damper, International Journal of Modern Physics B, 13(14-16), 2221-2228, JUN. 30, 1999
[45] Shiu Er Huang and Rue Jing Lian, A combination of fuzzy logic and neural network controller for multiple-input multiple-output systems. International Journal of Systems Science, 31(3), 343-357, 2000
[46] Qu WL, Chen ZH, Xu YL., Dynamic analysis of wind-excited truss tower with friction dampers, COMPUTERS & STRUCTURES, 79(32), 2817-2831, 2001
[47] B. F. Spencer, Jr. M. ASCE, J. Suhardjo and M.K. Sain, Frequency Domain Optimal Control Strategies for Aseismic Protection, Journal of Engineering Mechanics, ASCE, 120(1), 1994
[48] Fu Yi, Shirley J. Dyke, Juan M. Caicedo and Jo David Carlson, Experimental Verification of Multi-input Seismic Control Strategies for Smart Dampers, Journal of Engineering Mechanics, 127(11), 1152-1164, November, 2001
[49] Jean Proulx, Patrick Paultre, ,Julien Rheault and Yannick Robert. An experimental investigation of water level effects on the dynamic behaviour of a large arch dam. Earthquake Engng Struct. Dyn., 30, 1147-1166, 2001
[50] Makola M. Abdullah, Andy Richardson and Jameel Hanif, Placement of sensors/actuators on civil structures using genetic algorithms. Earthquake Engng Struct. Dyn., 30, 1167-1184, 2001
[51] Ichiro Nagashima, Optimal displacement feedback control law for active tuned mass damper. Earthquake Engng. Struct. Dyn., 30, 1221-1242, 2001
[2] 陈静，瞿伟廉，肖纯．预测控制在土木工程结构控制中的应用．武汉理工大学学报，2001．23(8)：11～13
[3] 陈静，瞿伟廉，徐幼麟．MR阻尼器耦联的带裙房高层建筑的半主动逻辑控制．地震工程与工程振动，2003．23(2)：150～153
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[13] 韩建平，李慧，杜永峰．智能材料与土木工程结构振动控制．甘肃工业大学学报，2002．28(1)：80～84
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[24] 陈福祥，朱家万．线性系统控制理论．武汉：武汉工业大学出版社，1990：12～22
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[28] 龚剑，朱亮．MATLAB 5.x入门与提高．北京：清华大学出版社，2000：217～218
[29] 程卫国，冯峰，姚东等．MATLAB 5.3应用指南．北京：人民邮电出版社，2000：357～409
[30] 马兴义，杨立群，林敏等．Matlab 6应用开发指南．北京：机械工业出版社，2002：139～165
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[35] 邹鲲，龚享铱，袁俊泉．MATLAB 6.x信号处理．北京：清华大学出版社，2002：216～241
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[37] 李阳春，许晓鸣，杨煜普．一类非线性预测控制系统的鲁棒稳定性．自动化学报，1999．25(6)：852～855
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[39] 陈静，瞿伟廉．基于泛布尔代数的MR阻尼器半主动控制方法．武汉理工大学学报，2002．24(7)：62～64
[40] 陈静，瞿伟廉，张南纶．基于泛布尔代数的结构振动控制机理．噪声与振动控制，2002．22(3)：37～38
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[42] Gang Mei. Model Predictive Control Schemes for the Mitigation of Natural Hazards: Theoretical and Experimental Studies: [Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy]. University of Notre Dame, 2001
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[44] Jeon D, Park C and Park K, Vibration suppression by controlling an MR damper, International Journal of Modern Physics B, 13(14-16), 2221-2228, JUN. 30, 1999
[45] Shiu Er Huang and Rue Jing Lian, A combination of fuzzy logic and neural network controller for multiple-input multiple-output systems. International Journal of Systems Science, 31(3), 343-357, 2000
[46] Qu WL, Chen ZH, Xu YL., Dynamic analysis of wind-excited truss tower with friction dampers, COMPUTERS & STRUCTURES, 79(32), 2817-2831, 2001
[47] B. F. Spencer, Jr. M. ASCE, J. Suhardjo and M.K. Sain, Frequency Domain Optimal Control Strategies for Aseismic Protection, Journal of Engineering Mechanics, ASCE, 120(1), 1994
[48] Fu Yi, Shirley J. Dyke, Juan M. Caicedo and Jo David Carlson, Experimental Verification of Multi-input Seismic Control Strategies for Smart Dampers, Journal of Engineering Mechanics, 127(11), 1152-1164, November, 2001
[49] Jean Proulx, Patrick Paultre, ,Julien Rheault and Yannick Robert. An experimental investigation of water level effects on the dynamic behaviour of a large arch dam. Earthquake Engng Struct. Dyn., 30, 1147-1166, 2001
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[51] Ichiro Nagashima, Optimal displacement feedback control law for active tuned mass damper. Earthquake Engng. Struct. Dyn., 30, 1221-1242, 2001