基础隔震建筑的滑模控制
黄 斌 唐家祥
(华中理工大学土木系 武汉,430074)
摘要 基于滑模控制理论,提出了地震激励下含有不确定性参数的隔震建筑结构的滑模控制方法。通过优化极点配置,设计了鲁棒滑面和相应的滑模控制器。算例控制模拟的结果表明,该控制方法能有效抑制具有不确定参数的结构响应,受限控制的效果也较好。
关键词:建筑工程;混合控制;滑模控制;不确定参数;结构响应
中图分类号:O328
在土木工程中,混合控制由于具有被动控制与主动控制的优点已引起诸多研究者的广泛兴趣[1~3]。对于含有基础隔震系统的建筑结构的混合控制国外已有研究。利用滑模控制的理论,J.N.Yang等人提出了非线性与滞回性结构的滑模控制方法。数值模拟及实验结果表明,滑模控制器对强震作用下非线性与滞回性结构是切实有效的,并且还检验了结构系统出现不确定性时的控制情况[2~3]。
由于结构系统的辨识误差的存在,真实结构系统的不确定性是存在的。虽然滑模控制具有对参数及外扰变化不灵敏的特点,但控制器要达到较高的自适应性,被控系统必须满足匹配条件。当匹配条件不满足时,文献[2]设计的线性滑面在结构参数不确定性程度较大时的稳定性是没有保证的。本文通过优化极点配置的方法,设计了单个控制器作用下受控结构系统的鲁棒滑面及相应的滑模控制器。单层隔震建筑的受控算例表明,本文设计的控制方法对不满足匹配条件的结构系统具有较好的控制效果,隔震建筑上部结构的响应得到很大抑制,隔震系统也得到了保护,且受限控制的效果也是明显的。
1 隔震建筑混合控制的力学模型
考虑一个n层的基础隔震建筑,上部结构及隔震系统均假定为线弹性,控制器施力于底层隔震层上,如图1所示。
对于图1所示隔震建筑的上部结构的运动方程为[3]
从表1的结果中可以发现,当结构参数确定时,混合控制的效果是十分明显的,顶部的最大相对位移和绝对加速度都下降了70%以上。当结构参数不确定时,第(3)列中上部结构的受控响应略大于(2),隔震保护系统的相对位移有所减少,绝对加速度有所增大,控制力上升了4%。第(4)列中受限控制响应相对于(3)来讲更大一些,但与(1)相比,效果仍是较好的。这些结果显示本文提出的参数不确定的结构滑模控制算法的控制效果是明显的,对结构参数的不确定性具有较强的自适应性。图2和图3显示了结构参数不确定的隔震建筑上部受控响应的过程。
4 结 论
算例结果表明,本文提出的滑模控制方法对参数的不确定性有较强的自适应性,其控制效果较好,且受限控制的效果也是明显的。与被动隔震保护系统的隔震效果相比,上部结构的相对位移与绝对加速度响应明显降低,同时隔震系统的相对位移与绝对加速度也得到相当的抑制,这说明本文设计的混合控制系统能很好地解耦地震能量沿上部结构的传递与释放,对保护强烈地震作用下结构的隔震系统是有实际意义的。
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