基础隔震结构滑模控制的模糊趋近律方法
李志军1,2,邓子辰1,3
1.西北工业大学工程力学系,陕西西安 710072; 2.西安工业大学建筑工程系,陕西西安 710032
3.大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室,大连 116024
摘 要:基于模糊控制的优点,将模糊控制与滑模控制相结合,采用了一种基于模糊趋近律的滑模控制方法对基础隔震混合结构的地震控制问题进行研究。以一个8层建筑结构模型为例来验证所提控制方法的有效性,其中,被动控制采用橡胶垫支座,主动控制采用由模糊趋近律方法设计的滑模控制器,结构非线性恢复力采用Wen模型形式。算例数值分析结果表明,所提出滑模控制方法,控制效果明显,有效地减小隔震层中橡胶垫支座的水平位移,同时达到削弱控制系统抖振的目的。
关 键 词:滑模控制,模糊控制,非线性系统,抖振,混合控制,趋近律
中图分类号:TU311.4
文献标识码:A
文章编号:1000-2758(2008)04-0445-05
橡胶垫支座基础隔震是目前工程被动控制中最常用的技术[1]。当采用橡胶垫支座隔震时,怎样确保橡胶垫支座的安全是一个非常重要的问题,因为橡胶垫支座在强烈地震作用下可能由于水平变形过大而发生破坏。基于这种思想,同时考虑到对上部结构进行控制,许多学者研究了在隔震层连接作动器,通过作动器施加控制力来限制橡胶垫的水平变形,从而对橡胶垫支座起到了很好的保护作用,取得了较好的控制效果[2~4]。
滑模控制由于算法简单、鲁棒性好和可靠性高,故被广泛应用于运动控制中[5,6]。文献[4]基于指数趋近律方法设计了滑模控制器,利用滑模控制器施加控制力来限制橡胶垫支座的水平变形,取得了较好地控制效果,但并未很好地解决控制系统过大的抖振。参数ε的作用非常大,ε值减小,可减小系统的抖振。但ε值太小,将影响系统到达切换面的趋近速度。而且当系统参数变化比较大或系统存在比较大的不确定性时,为了确保滑动模态的存在,必须选取较大的趋近律参数ε值,选取大的ε值必然使系统的抖振增加,从而影响系统的性能。本文针对上述问题,将模糊控制[7]与滑模控制结合起来,采用了一种基于模糊趋近律的滑模控制方法对地震作用下基础隔震混合结构(橡胶垫支座和滑模控制器)的振动控制问题进行了研究。
1 控制系统的运动方程
对于一个自由度数为n+ 1的含有保护装置的基础隔震建筑结构,结构模型如图1所示。
为了保护结构基底隔震层,可在结构底部隔震层中加入滑模控制器,从而形成混合控制,此时,结构各层最大层间位移和最大加速度值如表3中第6列和第7列所示。由表中第6列可以看出,加入滑模控制器后,橡胶垫支座的水平位移大大减少,整体控制效果明显优于被动控制(仅设橡胶垫支座)。由表中第7列可以看出,加入滑模控制器后,结构各层的最大加速度也得到了较大幅度的减少。
图5是分别采用文献[4]所用的指数趋近律和本文所提出的模糊趋近律方法时,结构控制力时程的对比图。从图5(a)和5(b)中可以明显看出,当ε值较小时(ε=0.4),控制系统的抖振很小,随着ε值的逐渐增大,控制系统的抖振变得越来越明显,当ε值的较大时(ε=0.8),系统的抖振已经变得很大,此时系统已经变得很不稳定。而当采用模糊趋近律方法时(如图5(c)所示),控制系统的抖振很小,从而保证了控制系统具有稳定的性能。
5 结 论
针对文献[4]采用指数趋近律的滑模控制方法将模糊控制与滑模控制结合起来,采用了一种基于模糊趋近律的滑模控制方法。以一个八层基础隔震混合结构模型为例,完成了相应的算例数值分析。算例表明,所提出的这种方法控制效果明显,能有效地减小基础隔震层中橡胶垫支座的水平位移,达到了保护橡胶垫支座在强烈地震作用下免受破坏的目的,同时在不降低系统鲁棒性的前提下,达到了削弱控制系统抖振的目的。
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