提高经典闭环算法的功耗

文摘

的方法是建议减少峰值和平均主动控制结构的控制力量。在这种方法中,响应主动控制的建筑应该远小于同一座楼的反应类似的被动控制的控制机制。这种方法会导致一个时变增益矩阵,是不受限制的外部激励,但一个标量函数的选择有关。广泛的数值分析通过使用各种标量函数有效地表明,该策略可以减少所需的控制力消费的需要。

1。介绍

重大努力一直指向的可能性使用防护系统在土木工程结构包括被动,半活性、活跃,和混合动力控制系统(1- - - - - -5]。其中,主动控制系统是最先进的技术来实现这一问题。这让行为控制机制的方式自动供应部队控制结构的反应取决于外部力量的严重程度和即时的状态结构在振动。方向和大小的控制力量在一个活跃的系统由主管估计算法。一般概念的现代控制方法来减少结构振动提出了外部激励,由于在1960年代(6]。此后,大量的努力一直致力于开发各种控制算法基于不同控制设计标准,像经典最优控制方法7],极点配置方法[8),预测控制方法(9),和瞬时最优控制方法(10,11]。虽然线性二次调节器算法,等6),被称为最著名的和历史方法广泛的应用在不同领域(因为它的简单过程实际,易于实现大规模系统),只有经典闭环结构控制应用程序的控制方法是可行的。这意味着,还有一些其他的方法比闭环控制算法;然而,由于他们需要预知整个外部干扰时间的历史,他们不适用。另一方面,由于黎卡提微分方程是通过忽略了地震激励,经典闭环控制算法约的最佳方法和不完全满足最优性条件12]。克服经典最优控制算法的缺点,提出了几种方法直到现在如瞬时最优控制方法(10,11),广义最优主动控制(GOAC) [13),和瞬时最优威尔逊-方法(11]。这些算法,尽管他们合适的演出,时间增量的变化很敏感。同时,他们不能显著改善控制性能的结构对经典最优控制方法。巴苏和Nagarajaiah提出小波自适应线性二次最优控制问题的监管机构制定(14]。他们还提出了一个方法基于小波变换的控制时变系统(15]。阿訇和Amini提出过程基于模式搜索方法和小波比等方面获得更有效的控制方案(16]。

本文的方法称为新的线性二次调节器(NLQR)提出,在主动和被动之间的关系建立了结构响应,通过适当的变换矩阵。然后,这种关系与一个标量函数(考虑到额外的假设)导致控制力计算非常简单。为了评估该方法的有效性和性能,它应用于一个8-story剪切类型建筑结构以减少其在埃尔森特罗地震激发地震振动响应。一些适当的标量函数导出使用埃尔森特罗地震地面加速度,然后这个建筑的性能评估在其他地震作用。

2。经典最优闭环算法(CCLQR)

考虑建筑配备一个活跃的强地面运动控制系统兴奋。管理动态的运动方程可以写成矩阵形式如下: 在哪里是维位移向量和点状态的导数关于时间的速度和加速度向量;,,是结构的质量、阻尼和刚度矩阵,分别是向量的地面加速度影响建筑质量,是位置矩阵控制力量影响的结构,和是力矢量控制的应用执行机构。

通过一些操作,运动方程可以改写了状态变量如下: 在这最初的时间,是状态变量的向量,分别描述了系统矩阵。向量和矩阵定义如下: 此外,矩阵和向量给出了作为 在经典线性最优控制性能指标定义为了最小化控制力量实现结构表现最好 在哪里是一个半正定矩阵加权相关结构响应,是一个正定矩阵加权与主动控制力量,和显示终端的时间应该比地震持续时间更长。

在经典闭环二次调节器(CCLQR)最优控制的力量是通过最小化一个性能指标关于向量和如下: 在哪里黎卡提微分矩阵,通过求解非线性矩阵方程如下: 有两个假设来解决(7);首先,外部干扰设置为0(它假定随机白噪声过程);第二,黎卡提微分矩阵时间是一个常数。虽然第二个假设几乎是可以接受的,第一个假设是在所有情况下没有履行。不管怎样,(7)可以写成如下: 通过选择适当的和加权矩阵,这个方程可以得到解决,根据(6)、恒定增益矩阵决定

3所示。提出了线性二次调节器(NLQR)

我们知道,通过删除控制主动质量驱动程序(amd)的力量,积极控制系统可能被动地执行调谐质量阻尼器(tmd)。因此,从控制机制的角度来看,首先,我们认为建筑是由一个虚拟控制被动控制器包括几单自由度系统作为tmd调谐。然后,采用主动控制系统类似,在tmd取而代之的是amd,控制力量决定的方式主动控制建筑的反应是被动部分类似的反应控制大楼。新方法或新线性二次调节器(NLQR)是基于这个想法形成的。在第一种情况下,我们假设被动控制的动态运动方程建立了状态变量而言,所示,是 现在,假设在实践中与同一地点建立由amd主动控制和被动控制系统的特点。amd主动控制力量应用于建筑,建筑响应大幅减少对结构响应的第一种情况, 在哪里是一个容许变换矩阵。应该提到的被动控制系统是一个虚拟的系统;因此,不需要知道被动地控制建筑的反应。换句话说,变换矩阵并不是针对一个特定的外部激励,但它被认为是基于建筑属性的方式构建性能更好对外部干扰的地方。利用一阶导数(11关于时间,我们有 通过结合(2)和(10)(12和使用的变换关系11)和(6),经过处理,(13)得到: 为进一步方便,假设的变换矩阵(11)被选为一个单位矩阵自左乘一个标量与时间有关的函数如下: 然后,外部激励项(13)的被动状态直接相关变量通过一个简单的表单: 这个方程表示的关系结构的外部激励和被动控制的响应。通过插入(15在优化过程中()7)和使用(11),以及忽视的一阶导数矩阵,得到以下方程: 这个方程是一种修改的(8),矩阵和改变是基于选定的标量函数,。现在,通过适当的调整标量函数,和解决(16),与时间有关的增益矩阵实现

4所示。标量函数的限制

看(16),我们发现该方法修改矩阵的定义和在(8)新形式如下: 方程(18标量函数)规定,,必须满足以下两个重要条件:(1)我们知道,基于李雅普诺夫稳定性标准在连续时间状态制定,积极控制建筑将是稳定的如果其系统矩阵的特征值有负的真实部分。另一方面,根据α转变方法,通过使用我们的系统,我们被迫与不到真正的部分特征值。因此,如果单位矩阵的系数,,添加到在(18)是正的,期间将保证整个系统的稳定性控制时间;(2)矩阵是正定矩阵。因此,一定的系数在(18)应该积极在满足这一标准的时候了。

5。数值例子

为了比较该方法的性能(NLQR)相比,经典的闭环最优算法(CCLQR),被认为是一个倾斜破旧的九层剪切类型建筑。所有楼层的属性是相同的;每个故事的地板质量等于345.5吨,每个故事的弹性刚度是3.404×10⁵kN / m,每个故事的内部阻尼容量是2937 tons-sec / m。主动控制系统包括一个主动质量阻尼器/驱动器(AMD)机制,这是安装在屋顶。AMD的特点如下:它的质量是29.63吨,主要振动频率的调谐频率是98%的建筑没有控制,及其阻尼是25 tons-sec / m。

5.1。地面加速度

主动控制建筑的性能被认为是在四个不同的地面运动,包括埃尔森特罗的地震,在Hyogoken-Nanbu(科比)地震,兰德斯地震,地震帕克菲尔德。这些加速度时间历程图所示1来4。

主动控制系统的设计,控制建筑呈现最佳的性能在埃尔森特罗地震激发。然后,控制建筑的行为在其他地震作用计算和比较他们的表演。

5.2。选择一个合适的标量函数

基于部分4这里介绍,三个不同的函数作为标量函数合适的选项。第一个标量函数如下: 这个函数被随机选中对埃尔森特罗的地面运动实现理想的表现。适当的值为变量等于2。

第二个案例,提出了另一个标量函数如下: 适当的值为变量设置为0.001。参数是一个辅助变量设置部分中提供的必要条件吗3,这应该比的长度更长时间的控制。作为一个规则,可能两到三倍大于控制时间。

不同于上面的功能,提出了最后一个标量函数作为加速时间历史关联函数。这个函数使用时间历史记录的地震,直到,时间在每次即时找到瞬时黎卡提微分矩阵。该函数如下: 在广泛分析之后,适当的变量的值和在(21)将分别为0.1和1.5。这个函数满足部分的必要条件4但是就像前面所提到的,两个变量的变化的利率和非常快速。因此,黎卡提微分矩阵独立前,下次应该即时发现。

5.3。评估标准

评估控制算法的效率,研究人员采用各种指标如最大位移、速度或加速度的故事,相邻层的漂移率,和的最大基底剪力结构。在本文中,不同的标准是为了精心开发的比较不同算法的效率。表1总结了这些类别的标准,指标通过代表的标准的最大位移、速度和加速度响应的故事,归一化相应的不受控制的值,也就是说,没有任何主动或被动控制系统结构。

的性能指标代表了规范化的最大基底剪力控制建筑的不受控制。指数通过显示最大的均方根(RMS)故事的反应,如位移、速度、加速度,这个故事的雪堆,对相应的响应量在不受控制的情况下。最后,指数和代表的最大数量和平均所需的控制力量对经典的闭环最优控制算法。与此同时,一个额外的参数,称为效率指数(e),被定义为指标的平均值通过。所有这些指标有助于整体洞察力的节目表演的各种控制系统。

5.4。选择加权矩阵

在许多研究[17),各种各样的权重矩阵。适当安排加权矩阵的元素,增加或减少其值可能显著影响稳定性的控制结构和控制系统的性能来达到目标。为了研究该方法的性能使用各种标量函数,假定的安排权重矩阵方法是相同的,经典的优化算法: 在哪里和与无量纲数值矩阵,对应的刚度和质量矩阵控制建筑,省略主动质量阻尼器的刚度和质量值/司机。权重矩阵相关的控制力量,,等于1分配算法。注意到矩阵是一个标量,因为只有一个AMD是安装在屋顶的水平。

5.5。主动控制的稳定性图

自该方法导致了时变增益矩阵,整个控制建筑的稳定时间可能会改变。为了检查这个问题,稳定图的构建具有主动和被动系统在数据进行描述5来7。建筑的稳定图,使用标量函数是绘制在图5。在地面运动的结构更加稳定,随着时间的推移波兰人的主动控制建筑走向被动地控制建筑。另一方面,在图6,稳定图对应的标量函数显示了一个反向治疗与标量函数相比。最后,在图7的稳定图控制建筑使用被描述。在这个图中,可以看到类似情形一的方式。

5.6。响应的控制建立在埃尔森特罗地震激发

为了检查性能所提出的控制方法,线性时程分析是所有提到的情况下进行。最大加速度、速度和位移反应的所有层包括被动和主动控制系统使用CCLQR NLQR与不同的场景在埃尔森特罗地震激励与响应的不受控制的建立如图8使用各种场景中,该方法可以显著减少所有响应的地板。最好的反应属于第三个标量函数,这几乎是一样的CCLQR算法。

数值结果的响应控制建设简要列在下表中2。最大值和顶部故事的均方根响应,最大和平均所需的控制力,基底剪力最大值,和地板的均方根漂移对不同控制系统。比较结果表明,最佳的性能属于CCLQR和新方法的结果使用第三个标量函数也很接近了。唯一的区别是在消耗控制力量,这可能是在表8和9列2。减少在最大控制力是只有约1.2%,但减少的平均(或全部)所需的控制力是28%左右。这是该方法的主要功能。有人指出选择合适的标量函数起着重要的作用在降低系统的总电源的需要。

5.7。主动控制力量对埃尔森特罗地震激发

主动控制力量时间历史的方法相比,使用三个不同的标量函数CCLQR如图9和10。在图9,观察控制系统使用第一个标量函数低于CCLQR完全决定了主动控制力量。图10开始时间的显示,使用第二个标量函数控制时间系统决定低于CCLQR主动控制力量,但一段时间后,通过改变它的两极,控制力量增加。因此,预期的性能控制系统使用比前一个更好的,但不如CCLQR。

图11显示控制系统使用第三个标量函数需要相同的控制力量时CCLQR地面运动加速度很大。此外,地震的严重程度却降低了,控制力的需求减少。

简要地对上述讨论,我们可以说NLQR可能目前最好的控制系统的性能,因为即时控制力遵循地面荷载的严重性。

5.8。响应的控制建筑在地震作用

表演各种控制系统,旨在实现在埃尔森特罗地震效率高,是其他一些地震荷载下检查包括Hyogoken-Nanbu地震,兰德斯地震,地震帕克菲尔德。计算后,控制建筑的性能指标为每个地震在表中列出3来5。使用NLQR——控制建筑的指标显示最低的效率相比,其他情况下。高值的单独的指标或平均指数,E.I.,证实这种说法。

一般来说,控制系统使用介绍了中间三个标量函数之间的性能,除了兰德斯地震,性能比NLQR -。注意到地震记录数据1来4,见过强的一部分兰德斯记录是分布在整个信号的持续时间,而对于其他地震是集中在一个简短的长度超出了开始。自NLQR -增加控制力量随着时间的推移,预计采取行动比另一种更有效的标量函数。

NLQR -在几乎所有情况下给出了满意的表现接近CCLQR,较低的最大和平均控制力量的需求。这可能严重的地震发生时起到至关重要的作用。

结果的平均值从所有地震都总结在表6。可以看到,该控制方法通常使用各种标量函数可能会减少响应以及最大和平均所需的控制力量的建筑比类似的控制系统。广泛的结果在不同的强烈震动显示效率高的NLQR获得当一个标量函数相关的外部激励或结合两种不同的功能,第二个和第三个标量函数,采用。

6。结论

在本文中,一种方法,称为NLQR,建议减少所需的峰值和平均控制在主动控制结构采用最优控制方法。为了评估该方法的有效性,8-story剪切的反应类型建筑结构受到不同的地面运动是评估。不同类型的标量函数也用于这一目的。广泛的分析表明,NLQR可以减少建筑物的所有响应类似于CCLQR但几乎在所有情况下,有效地减少了需要消耗所需的控制力量。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

引用

1. n . m . Rahbari和s Talatahari”半主动智能结构的效率:自我调节的高楼大厦,MR阻尼器控制系统”高和特殊建筑物的结构设计,23卷,不。13日,1027 - 1044年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. 张x和f . y . Cheng控制力估计地震建筑设计,”国会程序的结构,页1510 - 1522,奥兰多,佛罗里达州,美国,2010年5月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. h . f . y . Cheng江,k .卢智能结构:创新系统的地震反应控制泰勒和弗朗西斯,佛罗里达州博卡拉顿,美国,2008年。视图:出版商的网站
4. f·杨,r . Sedaghati和e . Esmailzadeh”优化设计的分布式被动振动控制的调谐质量阻尼器的结构,“结构控制和健康监测,22卷,不。2、221 - 236年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. c·c·帕特尔和r s Jangid动态相似的相邻结构的地震反应与粘滞阻尼器,”前辈们杂志:土木及结构工程,3卷,不。1,1-13,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. j·t·p·么,”结构控制的概念”,结构师,卷98,不。7,1567 - 1574年,1972页。视图:谷歌学术搜索
7. n s徐和z h·杨”,预测结构控制基于主导内部模型方法,”自动化,35卷,不。1,59 - 67年,1999页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索|MathSciNet
8. 惠普加文和美国Aldemir”,使用半活性隔离地震反应的最优控制,”《工程力学,卷131,不。8,769 - 776年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. j . n .杨“控制高层建筑在地震激励下,”《工程力学,卷108,不。EM5, 883 - 849年,1982页。视图:谷歌学术搜索
10. j·n·杨,a . Akbarpour和p . Ghaemmaghami“建筑,最优控制算法对地震兴奋”结构控制:程序的第二个结构控制国际研讨会,滑铁卢大学,安大略省,加拿大,1985年7月15 - 17日,施普林格,页748 - 761年,柏林,德国,1987年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. o . Bahar m . r .巴南区m . Mahzoon y北川,”威尔逊瞬时最优$\mathrm{\Theta }$控制方法。”《工程力学,卷129,不。11日,第1276 - 1268页,2003年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. t·t·宋结构主动控制:理论与实践约翰·威利& Sons,纽约,纽约,美国,1990年。
13. f . y . Cheng和p .田”,广义最优主动控制算法对非线性地震结构”学报第十届世界地震工程会议,第3682 - 3677页,马德里,西班牙,1992年。视图:谷歌学术搜索
14. b·巴苏和s . Nagarajaiah”结构控制小波时变自适应等算法,”工程结构,30卷,不。9日,第2477 - 2470页,2008年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. b·巴苏和美国Nagarajaiah多尺度wavelet-LQR控制器线性时变系统,”《工程力学,卷136,不。9日,第1151 - 1143页,2010年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. a .阿訇和f . Amini控制统一危险地震激励下的结构通过小波分析和模式搜索方法,”结构控制和健康监测,20卷,不。5,671 - 685年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. r . Mirzaei o . Bahar,“最优控制算法,一个新的视图”地震学和地震工程,13卷,不。3、195 - 207年,2011页。视图:谷歌学术搜索

版权

版权©2015拉赫曼Mirzaei和赛义德新浪Kourehli。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。