環(huán)境荷載激勵下工程結構振動控制方法及實驗研究.pdf

1、工程結構在使用過程中要承受各種環(huán)境荷載的作用。結構在這些環(huán)境荷載的作用下會發(fā)生振動，嚴重時結構會大量破壞與倒塌。這是造成災害的直接原因。通常的結構體系是通過結構本身的強度來“抗御”環(huán)境荷載作用的，即通過結構在振動過程中由于形狀變化而儲存或消耗能量的能力來抵御外載。但迄今由于人們尚不能準確地估計結構未來可能遭遇的環(huán)境荷載的強度和特性，在這種不確定性的環(huán)境荷載作用下，結構很可能不滿足安全性的要求而產生嚴重破壞甚至倒塌，造成重大的經濟損失和人

2、員傷亡。結構控制是解決這一問題的有效途經。其思想是在結構上設置適當?shù)目刂茩C構，而由控制機構與結構共同控制和抵御地震、狂風、海冰等環(huán)境荷載，使結構的動力反應減小，從而避免嚴重損害或倒塌發(fā)生。近二十多年來，對結構控制的研究取得了許多進展，但是已有的理論和方法在實際工程中應用時還存在許多障礙。虛擬激勵法和精細時程積分法以其突出的特點已經在工程中獲得了很多應用?？梢灶A期，它們也為控制理論更廣泛地進入到工程領域提供了一條新的、有效的途徑。本博士學

3、位論文就是嘗試將這兩種方法引入到控制理論中，先后研究了LQG控制、精細瞬時最優(yōu)控制、時滯控制等新算法，一步一步拉近控制理論與實際應用的距離。在“863”國家高技術研究發(fā)展計劃“新型平臺抗冰振技術”(編號2001AA602015)項目的支持下，本文對海洋平臺的冰振控制作了深入的探索，建立了實驗室模型控制系統(tǒng)，實驗研究了隔振技術在海洋平臺的應用，其研究成果已經應用在JZ202-NW平臺上，取得了良好的實際效果。本文主要的創(chuàng)新性研究工作可歸納

4、如下： 1．地震實際上為一非平穩(wěn)隨機過程。本文將虛擬激勵法引入到LOG控制中，推導出非平穩(wěn)隨機地震激勵下的LQG控制問題閉合解，不但精確，而且高效。用此方法對毗鄰建筑考慮局部場地效應時的LQG控制問題作了研究，利用閉合解對主要參數(shù)所作的研究表明，對于給定的加權陣Q和R，場地土的卓越頻率和阻尼比變化對減震效果有顯著影響。本文方法也可推廣應用于其它類型的演變隨機響應問題。 2．用精細積分手段對最優(yōu)控制方法的實用化作了多角度的

5、更新。 (1)用精細積分代替以往采用的近似積分公式，提出了多種精細瞬時最優(yōu)控制算法，包括精細瞬時閉環(huán)最優(yōu)控制，精細瞬時開環(huán)最優(yōu)控制和精細瞬時開閉環(huán)最優(yōu)控制。這些算法不但具有精細積分高精度的特點，而且對于時間步長較大的情況仍可給出比擬于精確解的數(shù)值結果。大量算例表明了這些方法的有效性。 (2)結構控制反饋環(huán)節(jié)中的時滯因素難于有效地處理，長期制約著結構動力控制技術的發(fā)展和應用，導致所設計的控制器不能對被控系統(tǒng)進行有效的控制。

6、本文將精細積分法及平衡降階法引入到時滯控制中，利用精細積分法精確求解離散化參數(shù)，設計滿足振動控制性能指標的反饋控制器。所得出的控制律表達式除了含有當前的狀態(tài)反饋，還包含有前若干步控制項的組合，合理地反映了時滯因素的影響，使得本方法對大時滯情況亦有效。在此基礎上得到的平衡降階系統(tǒng)維數(shù)大大降低，非常有利于控制器的設計求解，大大提高了擴維方法在實際應用中的可行性。 3．海上采油平臺有許多建造在寒冷的海區(qū)，存在嚴重的冰激振動問題。但迄今

7、對此缺乏深入系統(tǒng)的研究工作，更沒有有效的應對辦法。這對國際學術界和工程界提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。大連理工大學工程力學系承擔了國家863項目《新型平臺抗冰振技術》。作為該項目的重要參與者之一，我結合本博士論文工作，成功地將隔振技術應用于海洋平臺冰振控制中，建立了柔性結構端部隔振的力學模型，建立了平臺甲板隔振控制的室內試驗裝置，并得到了實際應用；基于對固定破冰錐體動冰力與冰振響應分析，提出了在導管架平臺上安裝隔振錐體的創(chuàng)意，并通過反復試驗，建立了