摘 要：文章論述了土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的控制算法。指出智能控制算法的研究已成為土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的重要組成部分，并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。 關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制 土木工程 控制算法 智能控制 [b][align=center]A Summary of Control Algorithm in Structural Vibration Control of Civil Engineering Structure XIAO Hai-jun, SUN Tao[/align][/b] Abstract: This paper summarizes the control algorithm of structural vibration control in civil engineering. And the role of the intelligent control algorithm for structural control is addressed. Finally, some future development trends are pointed out. Key words: structural vibration control; civil engineering; control algorithm; intelligent control 1 引言 　　地震中建筑物的大量倒塌和破壞給人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來了巨大的危害。由于地震激勵(lì)外載荷的不確定性，依靠增加建筑結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度、變形能力的傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系無法使建筑物的安全性得到保障。因此，研究更加安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的結(jié)構(gòu)體系成為工程結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域的重要課題。 　　1972年美籍華裔學(xué)者姚治平基于古典和現(xiàn)代控制理論首次提出了土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的概念[1]，開創(chuàng)了結(jié)構(gòu)振動(dòng)研究的里程碑。結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制在機(jī)械、航空航天和船舶等領(lǐng)域很早就已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，它是土木工程領(lǐng)域中一門新興的學(xué)科。結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的研究包括兩部分：一是控制裝置的研究，二是控制算法的研究。其中，控制算法是結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中的重要內(nèi)容。 　　本文論述了土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的控制算法，并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。 2 土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制概念及減震機(jī)理 　　結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制是指在結(jié)構(gòu)某個(gè)部位設(shè)置一些控制裝置，當(dāng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，被動(dòng)或主動(dòng)地施加一組控制力或改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，減小結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)，使之滿足更高的安全和功能要求，是一門新興的綜合學(xué)科，是土木工程中的高科技領(lǐng)域。 　　基于此定義，結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的減震機(jī)理，可簡單地用一個(gè)結(jié)構(gòu)動(dòng)力方程說明： 　　（1） 　　式中M、C、K：結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣; 　　I：單位列向量; 　　F（t）：外部作用（包括地震、風(fēng)或可能施加的其他外力）向量; 　　：結(jié)構(gòu)在外部作用（或載荷）下的加速度、速度和位移反應(yīng)向量; 　　：地面的地震加速度反應(yīng)向量。 　　結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制就是通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的自振頻率ω或自振周期T（通過改變K、M）或增大阻尼C，或施加外力F（t），以大大減少結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)。設(shè)為確保建筑結(jié)構(gòu)及其中的人、設(shè)備及裝修設(shè)施等的安全所允許的結(jié)構(gòu)加速度、速度和位移反應(yīng)值，則求解式（1）只要滿足： 　　（2） 　　即能確保結(jié)構(gòu)中的人、設(shè)備及裝修設(shè)施等的安全。 　　結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制根據(jù)是否需要外部能量輸入可以分為被動(dòng)控制、主動(dòng)控制和半主動(dòng)控制[2]。其中，半主動(dòng)控制是主動(dòng)控制發(fā)展的第二階段。主動(dòng)控制和半主動(dòng)控制的減震效果要優(yōu)于被動(dòng)控制，而且其性能很大程度上取決于所選擇的控制算法，因此，控制算法是結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的核心問題。 3 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)控制算法 　　結(jié)構(gòu)控制算法源于現(xiàn)代控制理論，但這些理論在土木工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中產(chǎn)生一系列特殊問題，有待于進(jìn)一步研究解決。從原理上講，所有現(xiàn)代控制理論的控制算法都可以借鑒過來用于結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制。但由于土木工程結(jié)構(gòu)的特殊性，有些算法可直接應(yīng)用，有些算法則要作某些特殊處理。 　　結(jié)構(gòu)控制算法一般采用基于時(shí)域分析的現(xiàn)代控制理論，特別是常用狀態(tài)空間方法作為主要的研究方法。多變量線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)的控制，以現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法作為主要分析手段，用計(jì)算機(jī)作為主要實(shí)現(xiàn)手段。 　　迄今為止，已用于土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的傳統(tǒng)算法主要有： 　?。?）經(jīng)典線性最優(yōu)控制算法[3] 　　經(jīng)典線性最優(yōu)控制算法是基于現(xiàn)代控制理論，以控制向量與狀態(tài)向量的二次型性能作為目標(biāo)函數(shù)來確定控制力與狀態(tài)向量或外激勵(lì)之間的關(guān)系式。目標(biāo)函數(shù)中用權(quán)矩陣來協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)性與安全性之間的關(guān)系，該算法需求解Riccati方程。由于該算法忽略了外荷載項(xiàng)，嚴(yán)格說來，由它得到的控制不是最優(yōu)控制。但數(shù)值分析和有限的試驗(yàn)證明，這一控制算法雖然不是最優(yōu)的，但是是可行和有效的。這一算法的優(yōu)劣在很大程度上依賴于權(quán)矩陣的選擇，要求設(shè)計(jì)者在控制效果和所需的控制能量之間權(quán)衡，這也是它的一個(gè)缺點(diǎn)。 　?。?）瞬時(shí)最優(yōu)控制算法[3] 　　如果使得目標(biāo)函數(shù)在每一個(gè)小的時(shí)間間隔內(nèi)都達(dá)到最優(yōu)，就是所謂的瞬時(shí)最優(yōu)控制。瞬時(shí)最優(yōu)控制算法是以瞬時(shí)狀態(tài)和控制力向量的二次型作為目標(biāo)函數(shù)，在動(dòng)荷載作用的時(shí)間范圍內(nèi)，每一瞬時(shí)使其目標(biāo)函數(shù)最小化。該算法不需要求解Riccati方程，計(jì)算量減小;增益矩陣由被控結(jié)構(gòu)的特性唯一確定，控制系統(tǒng)的魯棒性較好;具有時(shí)間步進(jìn)性質(zhì)，可推廣用于非線性時(shí)變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。但該算法只是一種局部最優(yōu)控制算法，從全過程控制的意義上講，并不是最優(yōu)控制。 　?。?）極點(diǎn)配置法 　　系統(tǒng)矩陣決定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，其特征值的實(shí)部和虛部分別給出系統(tǒng)的模態(tài)阻尼和模態(tài)頻率。通過選擇適當(dāng)?shù)脑鲆婢仃?，使閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性取得滿足設(shè)計(jì)者要求預(yù)期的設(shè)計(jì)值，這就是極點(diǎn)配置法。極點(diǎn)配置法在僅考慮對結(jié)構(gòu)反應(yīng)影響較大的少數(shù)幾階振型時(shí)，可以很容易實(shí)現(xiàn)。此法在選擇增益矩陣時(shí)是對求解特征值的反問題，所選擇的增益矩陣通常都不是唯一的，要依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)來確定，因此極點(diǎn)配置法得出的控制律也不是最優(yōu)的，但該算法較為簡單易行。 　?。?）自適應(yīng)控制算法 　　自適應(yīng)控制的研究對象主要是具有一定程度不確定性的控制系統(tǒng)。這種不確定性可以來自系統(tǒng)內(nèi)部，也可以來自系統(tǒng)外部。自適應(yīng)控制也是一種依賴數(shù)學(xué)模型的方法，不同的是自適應(yīng)控制關(guān)于被控對象數(shù)學(xué)模型的先驗(yàn)知識比較少，需隨著控制過程的進(jìn)行不斷提取有用的信息，使模型逐步完善。 　?。?）變結(jié)構(gòu)控制[4] 　　變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)指結(jié)構(gòu)的參數(shù)具有不確定性或時(shí)變特性的系統(tǒng)。進(jìn)入90年代以來，美國學(xué)者Yang等率先將變結(jié)構(gòu)控制方法引入到土木結(jié)構(gòu)控制中來。根據(jù)變結(jié)構(gòu)控制律設(shè)計(jì)的趨近律方法，對建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)的變結(jié)構(gòu)控制方法進(jìn)行了研究，表明該方法具有較好的控制效果。采用離散系統(tǒng)建模技術(shù)和變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的離散趨近律方法給出了系統(tǒng)切換函數(shù)的確定方法。 　?。?）Lyapunov直接法 　　Lyapunov第二方法（直接法）是一種分析非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的有效方法。其最突出的特點(diǎn)就是對系統(tǒng)本身的時(shí)變性和系統(tǒng)外部擾動(dòng)具有完全的自適應(yīng)性。Lyapunov直接法在結(jié)構(gòu)控制中有明確的物理意義，Lyapunov函數(shù)就代表了結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量。當(dāng)振動(dòng)能量對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)為負(fù)時(shí)，系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定，并且值越小，系統(tǒng)趨向穩(wěn)定平衡點(diǎn)的速率就越快。因此，使Lyapunov漸進(jìn)穩(wěn)定系統(tǒng)的振動(dòng)能量衰減速率最大可以作為結(jié)構(gòu)控制的一個(gè)目標(biāo)。 　　傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)控制算法通常要求建立精確的結(jié)構(gòu)振動(dòng)模型。土木工程結(jié)構(gòu)是非線性、強(qiáng)耦合、多變量、不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)，而且具有復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性（包括受力的結(jié)構(gòu)構(gòu)件和不受力的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件）。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算和控制建模時(shí)通常不考慮非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的效應(yīng)，然而，結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制主要針對建成以后的實(shí)際結(jié)構(gòu)，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件及質(zhì)量變化對計(jì)算模型影響很大;此外，實(shí)際結(jié)構(gòu)在諸如地震那樣的強(qiáng)烈動(dòng)力作用下可能進(jìn)入非線性，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度可能發(fā)生退化，實(shí)際結(jié)構(gòu)的模型修正將是結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制一個(gè)突出的問題。 　　因此，研究不依賴于精確計(jì)算模型、調(diào)節(jié)簡單的智能控制是結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)話題。 4 智能控制算法 　　土木工程結(jié)構(gòu)是非線性、強(qiáng)耦合、多變量、不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)，不依賴于精確計(jì)算模型的智能控制算法能有效地發(fā)揮作用，已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)控制發(fā)展的一個(gè)重要方面。 　　智能控制是一門新興的理論和技術(shù)[5]，具有能對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行有效的全局控制，并有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力，同時(shí)具有以知識表示的非數(shù)學(xué)廣義模型和以數(shù)學(xué)模型表示的混合控制過程等特點(diǎn)。智能控制還具備學(xué)習(xí)功能、適應(yīng)功能和組織功能。目前，智能控制在結(jié)構(gòu)振動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用研究主要集中在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、遺傳算法上。 　?。?）模糊控制 　　模糊控制不依賴于結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的精確計(jì)算模型，主要通過狀態(tài)輸出和控制輸入的模糊邏輯關(guān)系亦即模糊控制規(guī)則來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)或控制，可用于非線性、時(shí)變、時(shí)滯等復(fù)雜系統(tǒng)的控制。1994年Goto和Yomada等人研究了結(jié)構(gòu)振動(dòng)的模糊控制方法及其隸屬函數(shù)優(yōu)化等問題，結(jié)果表明，隸屬函數(shù)的形狀和參數(shù)對控制效果有較大的影響。1998年Battaini應(yīng)用模糊控制對一個(gè)三層框架的Benchmark模型ATM控制進(jìn)行了研究。Michael等人在研究橋梁結(jié)構(gòu)的半主動(dòng)隔震方案中，應(yīng)用了模糊算法來控制半主動(dòng)阻尼器，取得了良好的控制效果。王剛和歐進(jìn)萍[6]針對結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中缺乏手工操作的控制經(jīng)驗(yàn)可供借鑒等問題，提出了結(jié)構(gòu)振動(dòng)模糊建模和模糊控制規(guī)則提取方法。 　　但是，由于模糊控制的精度不太高，而且在土木工程結(jié)構(gòu)控制中，沒有可以借鑒的大量操作經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)，因此模糊控制規(guī)則的確定具有一定的盲目性。 　?。?）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 　　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的非線性逼近、自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)、數(shù)據(jù)融合以及并行分布處理等能力，在多變量、強(qiáng)非線性、大滯后系統(tǒng)的辨識、建模和控制中顯示出了明顯的優(yōu)勢和應(yīng)用前景[7]。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制中，可以有效地解決由于反饋信號的測量及傳輸所造成的時(shí)滯問題。 　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在80年代后期已用在結(jié)構(gòu)辨識和控制上[8]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可對結(jié)構(gòu)非線性建模，可辨識地震激勵(lì)下有未知參數(shù)的多自由度系統(tǒng)。Bani-Hani 和Ghaboussi等把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器第一次用在系統(tǒng)辨識和主動(dòng)控制試驗(yàn)上。Joghnataie、Ghaboussi提出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識預(yù)測結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)，并用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)最優(yōu)控制力，并通過用模糊規(guī)則改善神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，減少了需要預(yù)測的量，取得了很好的控制效果。國內(nèi)的張順寶等通過應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測結(jié)構(gòu)狀態(tài)，為結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制提供了一個(gè)可以等待的時(shí)間差，從而減小了結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制中的時(shí)滯影響。 　?。?）遺傳算法 　　遺傳算法（Genetic Algorithm） [9]作為一種基于自然遺傳學(xué)機(jī)理的優(yōu)化算法，通過采用隨機(jī)但有向的搜索機(jī)制來尋求問題的全局最優(yōu)解。在建筑結(jié)構(gòu)上布置主動(dòng)、半主動(dòng)控制機(jī)構(gòu)是控制結(jié)構(gòu)性態(tài)的有效方法?？刂茩C(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上的布置問題屬于離散變量優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，它常常具有非線性、非凸的或不連續(xù)的設(shè)計(jì)空間等特點(diǎn)。對于這類優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，采用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法求全局最優(yōu)解是困難的，而遺傳算法提供了求解這類問題的新的途徑。GA是一種較好的全局搜索優(yōu)化方法，用GA求解控制機(jī)構(gòu)的最優(yōu)布置問題可以得到滿意的結(jié)果，而且收斂速度快。 5 結(jié)語 　　結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制作為一種全新的、積極主動(dòng)的結(jié)構(gòu)對策，正在逐步與新興控制技術(shù)、信息技術(shù)和新材料技術(shù)相結(jié)合，向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。如今，智能控制算法的研究已成為土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)智能控制的重要組成部分。土木工程中應(yīng)用最多的還是智能控制理論（如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等）中的一些基本理論，在算法上還有待融入新的思想。應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的控制算法正在不斷地發(fā)展，并且每一種算法根據(jù)受控結(jié)構(gòu)及其動(dòng)載荷的特點(diǎn)將逐步完善。可以預(yù)見，應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)控制的智能算法必將是模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳算法三者的完美結(jié)合。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 彭剛，張國棟.土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2002:1-152 　　[2] 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