基于市场机制的结构振动控制

论文摘要

土木工程结构振动控制的研究和应用已经经历了30年的历史,理论和实际应用都取得了很大进展。随着结构控制技术的研究进展,半主动控制装置的性能和价格都将降低,这使得以后的结构控制系统具有大量的作动器,控制系统趋于复杂化,将出现高维的大规模的控制系统。随着系统维数的增加,传统的集中式控制算法显现出了控制反应慢、鲁棒性差的隐患,分布式控制策略应运而生。一个典型的分布式控制系统就是市场经济系统。将结构控制系统离散化,用市场中的买卖方模拟控制系统中被控结构和出力装置,建立供求关系,用市场机制有效而经济的将控制能量在离散系统中分配,这样一个现象性的模拟算法被称为基于市场机制的控制算法（MBC）。本文以此为背景,编写程序实现算法,并改进为多商品的市场模型,适应于偏心结构在地震和风荷载下的平动-扭转耦联振动控制,主要进行了一下几个方面的工作: （1）总结回顾了基于市场机制算法的产生和发展。自由市场机制可以将市场中有限的资源合理有效的在社会中成员中分配,此现象不仅被经济学家深入研究,在工程领域也得到广泛的关注和应用。从起初的尝试性模拟,到概念的确定,再到土木工程结构振动控制领域的应用,本文概括了市场模型的数学表达和研究中存在的要点。 （2）采用Matlab/Simulink平台实现基于MBC算法,基于一个5层剪切型结构对—多参数的数学模型作了定性参数分析,分析了市场模型各个参数对控制效果和控制出力的影响,为论文后本部分工作打下基础。由于参数对控制变量的影响比较复杂,为了得到较好的控制效果采用遗传算法在多目标函数约束下进行优化。结果表明,合理的参数选择可以使MBC控制策略达到经典LQR控制策略的控制效果。 （3）针对偏心结构平动-扭转耦联振动控制需求,在现有市场机制控制策略的基础上建立多商品市场模型和计算理论,提出了改进市场机制控制策略（Advanced MBC）。以一个6层偏心结构为算例,在结构每层沿两个主轴方向正交布置MR阻尼器。在三种场地条件的地震输入下进行了动力时程分析。结果表明,该改进市场机制算法对偏心结构的振动控制是有效的。 （4）采用AMBC算法,计算了—12层柔性偏心高层结构的随机风荷载振动控制。同时,通过在失效问题上与LQR算法的控制结果分析表明,MBC算法作为一种分步的静态优化智能算法应用到土木工程结构控制领域,在算法实现上能够感知环境带来的变化,具有较强的鲁棒性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 结构振动控制的重要意义
• 1.2 结构振动控制研究概况
• 1.2.1 基础隔震
• 1.2.2 耗能吸震减震
• 1.2.3 主动、半主动和混合控制
• 1.3 传统控制理论存在的问题
• 1.4 基于市场控制策略的提出与研究现状
• 1.4.1 分布式控制
• 1.4.2 智能控制
• 1.4.3 基于市场控制策略
• 1.4 本文主要研究内容
• 2 基于市场理论控制算法的由来及在土木工程领域的应用
• 2.1 引言
• 2.2 结构振动方程和状态空间描述
• 2.3 线形二次型（LQR）经典最优控制
• 2.3.1 最优控制问题
• 2.3.2 算法讨论
• 2.4 MBC算法的理论基础
• 2.4.1 微观经济学基础
• 2.4.2 市场经济与结构控制系统的相似性
• 2.5 结构控制系统的市场模型
• 2.5.1 简单形式的供求函数
• 2.5.2 基于结构振动能量的供求函数
• 2.6 MBC算法应用总结
• 2.6.1 供求函数模型的建立
• 2.6.2 劳动力市场中的财富分配
• 2.6.3 算法稳定性
• 2.6.4 算法鲁棒性
• 2.7 结语
• 3 MBC算法程序实现和参数优化设计
• 3.1 引言
• 3.2 MBC算法程序实现
• 3.2.1 Matlab建模与仿真
• 3.2.2 MBC算法的Matlab／Simulink仿真实现
• 3.3 算例分析与模型参数研究
• 3.4 市场模型参数优化
• 3.4.1 遗传算法简介
• 3.4.2 遗传算法的基本实现技术
• 3.4.3 遗传算法的主要运行参数
• 3.4.4 遗传算法求解的基本步骤
• 3.5 优化结果评估
• 3.5.1 计算结构和地震动
• 3.5.2 优化模型和目标函数建立
• 3.5.3 优化结果分析
• 3.6 结语
• 4 改进MBC算法对偏心扭转偶联结构的磁流变阻尼器半主动控制
• 4.1 引言
• 4.2 偏心结构动力方程和控制系统的状态空间表达
• 4.3 偏心平-扭偶联结构振动控制系统的市场模型建立
• 4.3.1 效用利润函数和供应需求函数
• 4.3.2 供给平衡与平衡价格
• 4.3.3 资源分配与财富分配
• 4.4 磁流变阻尼器特性
• 4.4.1 磁流变阻尼器的恢复力模型
• 4.4.2 磁流变阻尼器半主动控制率的选用
• 4.4.3 磁流变阻尼器的布置
• 4.5 算例
• 4.5.1 计算结构模型
• 4.5.2 计算地震动选择
• 4.5.3 计算结果及分析
• 4.5.4 结论
• 4.6 结语
• 5 改进MBC算法对偏心结构风振控制及算法鲁棒性研究
• 5.1 前言
• 5.2 偏心结构风振控制的力学模型
• 5.3 随机风模拟
• 5.3.1 风的特性
• 5.3.2 平均风
• 5.3.3 脉动风功率谱
• 5.3.4 脉动风的模拟
• 5.4 数值算例及结果分析
• 5.4.1 数值算例
• 5.4.2 风荷载时程
• 5.4.3 计算工况
• 5.4.4 仿真计算结果与分析
• 5.5 结语
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
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