输入饱和系统的结构MBC策略研究

对基于市场机制控制(Market-Based Control,MBC)系统中控制变量存在的饱和效应进行了研究。根据结构力学与状态空间理论的模拟关系,将塑性力学中的参变量变分原理、对偶互补关系以及相应的二次规划方法应用到控制系统中,提出了输入饱和系统的结构MBC策略。将提出的控制策略应用于一座20层钢框架结构,并与输入饱和系统的非线性最优控制进行了对比,来验证本文方法的优势。结果表明:当控制系统存在饱和状态时,采用本文提出的输入饱和系统的结构MBC策略比最优控制效果好;相比最优控制策略,MBC策略对结构的位移响应具有更好的控制效果,并且MBC策略对于结构上部加速度的控制效果要好于最优控制;MBC策略在整个时程中所消耗的时间比最优控制快,更适合应用于多维、高层结构。     

高层建筑结构的离散时间重叠分散H_∞控制方法

采用分散控制策略可有效解决多自由度的建筑结构振动控制问题。本文对地震作用下的高层建筑结构的振动控制方法进行研究,将重叠分散控制策略、离散时间H∞控制算法、线性矩阵不等式(LMI)方法和静态输出反馈控制方法相结合,提出了离散时间重叠分散H∞控制方法。基于包含原理和分解原理,将整个建筑结构控制系统划分为一系列子系统,对各个子系统采用离散时间重叠分散H∞控制方法进行控制。采用驱动器饱和控制策略,对20层抗震钢结构Benchmark模型进行数值模拟与计算。结果表明:全状态集中控制(理想驱动控制)、全状态集中控制(驱动器饱和控制策略)、部分输出反馈控制(驱动器饱和控制策略)、重叠静态输出反馈控制(驱动器饱和控制策略)、多重叠静态输出反馈控制(驱动器饱和控制策略)的平均控制率分别达到了63.4%、53.4%、50.7%、48.2%、32.6%,采用这些控制方法都获得了较好的控制效果;重叠分散控制策略降低了计算成本并且增加了控制器设计的灵活性。     

线性结构的基于市场机制的鲁棒控制

系统建模不可避免地要忽略一些因素从而造成模型误差,因此基于不确定性的非精确模型来设计控制器显得尤为重要.随着各国学者的不断研究,在线性系统H_∞控制方面取得了很大的发展,但仍存在求解过程繁琐、系统的保守性不强、结构复杂和控制器阶数较高等问题.运用计算结构力学与最优控制相模拟的理论来试图完善存在的问题.导引模就是结构力学中的本征值问题,即弹性稳定的欧拉(Euler)临界力或结构振动的本征频率;通过引入区段混合能的概念,采用精细积分和扩展的威廉姆斯(W-W)算法计算导引模,将此方法引入到基于市场机制的控制(market-based control,MBC)理论中,提出了线性结构基于市场机制的鲁棒控制策略.同时给出了在鲁棒控制下,采用李雅普诺夫(Lyapunov)直接法证明了结构基于市场机制的鲁棒控制器的稳定性及参数的确定方法.最后对一高层受控结构进行数值计算与分析,并与H_∞鲁棒算法的控制效果进行了对比.结果表明,导引模不能取到临界值,否则会导致控制输入趋于无穷大.基于市场机制的鲁棒控制效果要好于H_∞鲁棒算法,并且具有较强的应变能力和在线计算时间短等优点,能较好地适用于高层和大跨结构.      

随机参数连续体结构的动力学拓扑优化

构造了基于概率的连续体结构动力特性拓扑优化设计数学模型,以结构的形状拓扑信息为设计变量,结构总重量极小化为目标函数,满足结构多阶固有频率约束的可靠性要求为约束条件。利用分布函数法对模型中的可靠性约束进行了等价化处理。采用了渐进结构优化(ESO)的求解策略与方法。通过算例验证了文中所提出的设计模型及求解策略与方法的合理性和有效性。     

基于改进遗传算法的桥梁结构损伤识别应用研究

提出了一种基于残余力向量和改进遗传算法的桥梁结构损伤识别方法。在无噪声的情况下,使用任意一阶模态数据,残余力向量法都能够对损伤进行准确定位。但是,振动测试数据中往往包含噪声,导致运用残余力向量法进行损伤识别完全不可行。考虑到这个问题,在常规模态分析的基础上,以节点的残余力向量构造目标函数,提出了一种用于遗传搜索优化的目标函数形式。利用改进遗传算法重点进行了噪声条件下的结构损伤定位和定量研究,并对遗传算法的参数选取问题进行了深入探讨。遗传算法的主要改进包括:采用浮点编码、采用基于标准化几何分布排名的选择策略、采用最优保存策略、采用算术交叉算子、采用自适应变异算子。最后,本文用一个连续梁桥模型进行了数值模拟,验证了所提出方法的有效性,并对方法应用中存在的一些问题进行了深入探讨。     

基于改进的双向渐进结构优化法的应力约束拓扑优化

工程结构设计时经常需要限制最大名义应力,以避免发生断裂或疲劳破坏,一个有效的策略是采用拓扑优化方法. 常规的双向渐进结构优化法(bi-evolutionary structural optimization, BESO)不能有效求解应力约束拓扑优化问题,为此本文提出一种改进的双向渐进结构优化方法,处理体积和应力约束下的最小柔顺性问题. 引入基于K-S函数的全局应力度量,以减小大量局部应力约束引起的计算代价. 采用拉格朗日乘子法将应力约束函数引入到目标函数,然后由二分法确定合适的拉格朗日乘子的值使得应力约束得到满足. 而且,详细推导了基于BESO方法的应力约束拓扑优化模型及其灵敏度列式,最后通过三个典型拓扑优化算例验证改进方法的有效性. 为展示考虑应力约束的优点,将应力约束设计与传统的基于刚度的设计进行了比较. 结果表明, 改进的BESO方法优化迭代过程稳健,获得了边界灰度单元很少的清晰的拓扑构型,并实现了有效降低应力集中效应的设计.      

基于物理信息神经网络的薄壁结构屈曲分析

基于物理信息神经网络(PINN)建立了一种求解薄壁结构屈曲非线性控制方程组的方法.薄壁结构的非线性控制方程可由挠度和应力函数表示成复杂的4阶非线性偏微分方程组,使用物理信息神经网络(PINN)解法可以克服传统数值方法对求解域网格的依赖性.文中建立的神经网络模型根据基于加权的均方误差的损失函数更新网络参数,并用弧长法迭代的思想进行外层迭代控制以应对屈曲问题的迭代特性.将弧长法,硬边界条件,基于预训练的权重调整策略,以及自适应激活函数策略融合进网络优化的过程中使得PINN能够更为高效地求解线性与非线性屈曲问题.文章对两种典型的薄壁结构进行了屈曲模态和带有缺陷的非线性后屈曲问题求解,并将神经网络获得的解和有限元结果进行了对比.结果分析表明,物理信息神经网络方法能够在不需要标签数据的前提下对薄壁结构的屈曲问题进行有效分析,并且给予的额外标签数据能够提高此方法的求解效率.该方法虽较成熟的有限元解法收敛速度较慢,但不需要对求解域进行人为的前处理,有一定工程应用可行性.     

基于CEEMDAN改进阈值滤波的微机电陀螺信号去噪模型

为了提高微机电系统(MEMS)陀螺信号的去噪效果,以自适应噪声的完备集成经验模态分解(CEEMDAN)方法为理论基础,并针对常规软阈值和硬阈值函数存在的不足,提出了一种基于改进阈值函数的CEEMDAN滤波去噪模型。该模型首先应用CEEMDAN方法将陀螺信号有效地分解为多个固有模态函数(IMF)分量;其次通过相关系数法判断噪声分量与有效分量的界限;进而对噪声分量进行阈值设置并使用改进阈值函数进行滤波处理;最后重构滤波处理后的噪声分量与有效分量以得到去噪后的信号。实际陀螺信号去噪试验结果显示:所提模型相对于CEEMDAN、集成经验模态分解(EEMD)、经验模态分解(EMD)强制去噪方法及小波分析方法,其信噪比提高了约3.9dB,均方根误差降低了约36%;所提模型相对于CEEMDAN结合软、硬阈值函数的去噪模型,均方根误差降低了30%以上。表明采用所提模型可以对MEMS陀螺输出信号进行有效去噪,提升去噪性能。     

考虑可控性的压电作动器拓扑优化设计

压电作动器可以把电能转换成机械能,在结构主动振动控制中具有应用背景. 由于压电作动器的布局对振动控制效果影响很大,因此作动器布局优化一直是结构控制研究的关键之一. 为了提高压电结构控制能量的利用效率,本文提出了以提高结构可控性为目标的压电作动器的拓扑优化方法. 基于经典层合板理论对压电结构进行了有限元建模,并采用模态叠加法将动力控制方程映射到模态空间,推导了基于控制矩阵奇异值的可控性指标. 优化模型中,选取可控性指标指数形式为目标函数,将设计变量定义为作动器单元的相对密度,并基于人工密度惩罚模型构造了压电系数惩罚模型,给出了基于控制矩阵奇异值的可控性指标关于设计变量的灵敏度分析方法. 优化问题采用基于梯度的数学规划法求解. 数值算例验证了灵敏度分析方法和优化模型的有效性,并讨论了主要因素对优化结果的影响.      

基于改进的双向渐进结构优化法的应力约束拓扑优化

工程结构设计时经常需要限制最大名义应力,以避免发生断裂或疲劳破坏,一个有效的策略是采用拓扑优化方法.常规的双向渐进结构优化法(bi-evolutionary structural optimization,BESO)不能有效求解应力约束拓扑优化问题,为此本文提出一种改进的双向渐进结构优化方法,处理体积和应力约束下的最小柔顺性问题.引入基于K-S函数的全局应力度量,以减小大量局部应力约束引起的计算代价.采用拉格朗日乘子法将应力约束函数引入到目标函数,然后由二分法确定合适的拉格朗日乘子的值使得应力约束得到满足.而且,详细推导了基于BESO方法的应力约束拓扑优化模型及其灵敏度列式,最后通过三个典型拓扑优化算例验证改进方法的有效性.为展示考虑应力约束的优点,将应力约束设计与传统的基于刚度的设计进行了比较.结果表明,改进的BESO方法优化迭代过程稳健,获得了边界灰度单元很少的清晰的拓扑构型,并实现了有效降低应力集中效应的设计.     

基于市场机制的TLCD半主动控制方案

基于市场机制控制是利用市场来模拟复杂的控制系统,用销售商和消费者来代替控制器和受控结构,从而将整个控制系统离散化,对结构的振动实施有效的控制。本文将基于市场机制的控制理论应用于TLCD半主动控制,提出了一种新的TLCD的半主动控制方案,即基于市场机制的TL CD半主动控制方案。首先建立TLCD-结构控制体系的运动方程,给出了半主动控制方案,用一个单自由度结构为例来阐述基于市场机制的TLCD半主动控制方案并对控制系统进行分析。然后用一个五层结构来验证这种方法的有效性。结果表明,基于市场机制的半主动TLCD开关控制不仅减振效果好,而且节约能量,简单易行,便于在实际工程中应用。     

Improved suboptimal Bang-Bang control of aseismic buildings with variable friction dampers

One of the challenges in civil engineering is to find an innovative means of suppressing the structural vibration due to earthquake and wind loadings. This paper presents an approach for effectively suppressing vibrations of a structure with variable friction damper using a new Bang-Bang control input. A continuous function of story velocities is used to represent the improved control to reduce chatter, high frequency switching and avoid instability. With a genetic algorithm, the amplitudes of control and preloading friction forces individually prescribed in the controller and damper are optimized for enhancing the seismic performance of buildings. The control strategy for the friction damper is proposed to for three story building with one variable friction damper installed at the first story for seismic reduction. The numerical results indicate that a better reduction of peak response accelerations of floors can be achieved than those of the unmodified controller, and the adaptability of the control system is also improved greatly by comparison with the reduction ratios of the structural response energy excited by different earthquake intensities.     

地震作用下主-从结构的被动优化控制研究

提出了一种利用主－从结构间的相互作用来减少在地震作用下结构响应的控制方法。该方法通过优化设计主－从结构间的被动耗能单元,最大限度地耗散结构的相对振动能量能减小主、从结构的整体振动水平,或最大限度地吸收主结构的相对振动能量以减小主结构的振动。文章首先导出了在平稳白噪声激励下被动耗能单元优化刚度和阻尼的一般表达式,并分析了不同结构参数对控制效果的影响,比较了在不同的平稳过滤白噪声激励下主－从结构相对位     

Improved suboptimal Bang–Bang control of aseismic buildings with variable friction dampers

One of the challenges in civil engineering is to find an innovative means of suppressing the structural vibration due to earthquake and wind loadings. This paper presents an approach for effectively suppressing vibrations of a structure with variable friction damper using a new Bang–Bang control input. A continuous function of story velocities is used to represent the improved control to reduce chatter, high frequency switching and avoid instability. With a genetic algorithm, the amplitudes of control and preloading friction forces individually prescribed in the controller and damper are optimized for enhancing the seismic performance of buildings. The control strategy for the friction damper is proposed for a three story building with one variable friction damper installed at the first story for seismic reduction. The numerical results indicate that a better reduction of peak response accelerations of floors can be achieved than those of the unmodified controller, and the adaptability of the control system is also improved greatly by comparison with the reduction ratios of the structural response energy excited by different earthquake intensities. The project supported by the National Science Fund for Distinguished Young Scholars (50025823). The English text was polished by Keren Wang.     

柔性作动器驱动的非线性系统随机振动的最优有界控制

柔性作动器具有低刚度、大变形等特征,这一方面使主结构具备了强的环境适应性,另一方面也使主结构易受外界微扰影响,从而降低其操作精度．本文以介电弹性体作动器驱动的单自由度非线性系统为研究对象,通过即时微调电压,抑制系统在平衡位置附近的随机振动．通过随机平均法降低系统维数,将原系统的控制问题转化为关于慢变过程的控制问题;结合随机动态规划原理及控制约束导出最优有界控制策略．该策略具干摩擦形式,具有能量耗散本质,在抑制系统振动的同时提高了系统的稳定性．数值研究表明：最优有界控制策略具有良好的控制效果、控制效率及较高的鲁棒性．     

OPTIMAL DISTRIBUTION OF EIMD FOR IRREGULAR HIGH-RISE BUILDING STRUCTURE VIA GENETIC ALGORITHM 1)

为了解决应用新型电磁惯性质量阻尼器于偏心高层结构控震工程中的优化布置问题,提出一种基于遗传算法的优化配置策略。首先建立地震动作用下新型电磁惯性质量阻尼器(electromagnetic inertial mass dampers,EIMD)偏心高层结构的动力学方程,其次选取合适的适应度函数并基于遗传算法得到EIMD最优配置数量及集成位置信息,最后提出一种可行的半主动控制策略对优化的结构进行控震分析。以一个24层实体不规则高层结构为例,仿真分析结果表明优化配置后的EIMD 对结构的控震效果明显优于随机布置。     

Hopf bifurcation analysis of reaction–diffusion neural oscillator system with excitatory-to-inhibitory connection and time delay

The active control approach generally requires power input to suppress vibrations of structures, while the conventional passive manner often causes waste of energy after transferring vibrations of the primary structure to the auxiliary system. In this work, an innovative control strategy based on energy harvesting for efficiently suppressing the cross-flow-induced vibrations such as galloping is proposed. The novel design facilitates the harvester of not only alleviating the oscillation of the primary structure but also seizing the transferred vibrational energy. An analytical model for the coupled nonlinear dynamical system is established by utilizing the Euler–Lagrange principle and implementing the Galerkin discretization. The impacts of the electrical load resistance and tip mass of the energy harvester on the coupled frequency, damping, and the onset speed of instability of the coupled multi-mode system are investigated in details. The results show that there exists an optimal load resistance for each tip mass which maximizes the onset speed of galloping. For control purposes, it is found that there is a well-defined tip mass of the energy harvester at which the coupled system has the highest onset speed of instability, and hence, the bluff body has the lowest vibration amplitude for all considered load resistances. However, to efficiently harvest energy and control the bluff body, both the tip mass of the energy harvester and electrical load resistance can be accurately determined.     

基于复模态的控制力矩陀螺配置优化

由于陀螺耦合效应,系统动力学方程的特征值和特征向量皆为复数形式,不便于进行控制力矩陀螺的配置优化和控制律设计。本文基于复模态理论,构造出一种实数域上的伪模态矩阵,从而实现方程解耦。综合考虑结构模态、控制输入能量和传感器接收能量的复合优化准则,获得了控制力矩陀螺的最优配置。结果表明,采用线性二次型最优控制,能够快速将结构的响应振幅降至5%以内,验证了使用伪模态矩阵进行方程解耦的可行性及控制的有效性。     

基于胡聿贤谱的带支撑广义Maxwell阻尼隔震结构随机响应分析

工程中通过设置支撑将阻尼器和建筑结构连接, 但常为了简化分析, 将支撑的水平刚度看成无穷大, 即不考虑支撑对耗能结构随机地震响应的影响. 实际上, 考虑有限水平刚度的支撑对耗能结构响应的影响更加符合工程实际, 为考虑支撑影响的广义Maxwell耗能隔震结构在胡聿贤谱地震激励下的响应分析, 提出一种求解随机地震响应的简明解析解法. 将带支撑广义Maxwell阻尼器等效本构关系、隔震结构运动方程以及胡聿贤谱滤波方程联合组成非经典阻尼系统, 运用复模态法对该非经典阻尼系统解耦, 通过不同响应模态获得耗能隔震系统系列响应基于白噪声激励的Duhamel积分表达式; 利用Dirac函数的性质, 将系统系列响应协方差简化为无积分运算的表达式, 根据功率谱密度函数与其协方差函数的Wiener-Khinchin关系, 得到耗能隔震系统系列响应功率谱和地面加速度功率谱, 基于随机振动理论中谱矩的定义, 得到耗能隔震系统系列响应0 ~ 2阶谱矩. 算例通过与虚拟激励法对比分析, 验证所提方法在该耗能隔震系统分析的正确性和高效性, 并讨论了不同支撑刚度对阻尼器减震效果的影响.