预测控制地震反应减轻建筑物的使用半活性液体阻尼器

文摘

预测控制策略结合半活性控制算法提出了阻尼控制base-isolated结构在地震发生时采用半活性液体阻尼器的负载。控制器产生的延误考虑设备的动力学和状态估计的观察者。二十人工加速度图生成根据Eurocode 8葡萄牙领土和考虑base-isolated结构代表的数值模拟模型。参数研究的结果在一个单自由度模型提供一个指示在这种类型的控制器设计问题。评估的有效性策略,从响应的base-isolated双重frame-wall建筑采用半活性系统与原来的相比,被动与早先提出的最优控制器解决方案,这种类型的问题。结果表明,一个优化的控制器可以比原来的结构,结构体系的被动元件(优化)以及半活性最优控制器,在相对位移和绝对加速度降低。

1。介绍

土木工程结构通常构建为被动结构不适应不确定的动态载荷像地震1]。结构应该操作期间和之后发生的事件,如医院、能源电站、通信中心、民防、和消防局建筑,其中,要采取特别的措施。它目的是结构相对位移(interstorey飘)和加速度小,以避免损失和保护敏感设备从诱导振动2,3]。提出了新的系统集成结构与被动抵御地震,半活性和主动控制技术(4]。

半活性(SA)控制系统已经得到太多的关注,近年来由于一些显著的优点:容量实时适应其特点,更好的整体性能与被动的设备相比,和更低的操作功率要求,从而使电池操作。半活性设备被视为可控被动设备,允许调整的力学特性(阻尼、刚度)实时5]。磁流变(MR)和液体粘滞阻尼器(种)的典型例子半活动的设备。先生的液体由微米大小的粒子在载体流体(通常是油)的特征可以可逆地改变从自由流动到半固体受到磁场(以毫秒为单位5,6]。很多关于这个问题的调查已经完成在过去的年,多个应用程序可以找到今天7- - - - - -14]。第二种类型的设备(种)通常由一个装满油的液压缸活塞头分离两院。液压与控制阀是用来控制流体流动的数量从一个房间到另一个(5,6]。研究项目和调查用半活性油阻尼器是自1990年代以来,许多应用程序使用这些设备可以找到世界各地,特别是在日本(7,15- - - - - -21]。为了控制设备的行为提出了一些控制策略:(i)天钩控制(6),(2)最优控制(8,9,15,16),(3)基于李雅普诺夫稳定理论的控制(8),(iv)开关控制(8),(v)调制均匀摩擦控制算法(8),(vi)滑模控制(15,17),(七)模糊逻辑9),(八)神经元网络控制(9),(ix)比例积分控制10),(x)力导数反馈控制(11),定量反馈理论(12),和同步控制技术(12]。

为了实现这些目标(减少加速度和interstorey飘)基础隔震的概念被认为是(2,3]。然而,在近场地震的行动,base-isolated结构可能面临大位移底部由于pulse-like地面运动使他们容易受到结构性破坏3]。另一种解决方案是使用混合动力系统。与被动基础隔震系统设备提出了液体粘滞阻尼器和实验验证来满足这些目标(3,22,23]。其他方法组成的基础隔震与半活性设备也提出了进一步提高更多的系统性能9,11,16,17]。

预测控制是一种战略,已经成功应用于石化和流程工业24),被认为是为应用程序在半活动的控制。在这个交流一个变量研究了液体粘滞阻尼器减少振动在土木工程结构受到地震使用预测控制策略。数值模拟的结果使用代表模型(单和自由的multidegree models-SDOF和参数)的典型建筑结构采用半活性设备兴奋地震行动的基地。比较与原结构,与被动控制和最优控制器,显示潜在的使用这一策略。

2。问题公式化

减少地震引起的振动结构在于增加阻尼的可变阻尼装置的阻尼特性是由预测控制策略控制。尽管几种方法可以找到安装这些设备(5),我们将考虑一个SA组成的混合动力系统设备与基础隔震系统(图1)。

一个令人满意的方法通常被认为是在建筑的造型(i)每层具有很高的刚度质量集中的地方;(2)地板质量元素之间的连接的刚度和阻尼都集中。base-isolated结构上层建筑建立在一个基础地板反过来支持轴承。为本研究轴承的目的是模拟线性弹性和粘性阻尼元素。一个简单的模型,它代表了土木工程结构的关键反应包括基础隔震系统可以被描述的质量、刚度,和阻尼矩阵。考虑到输入地面运动(加速度)和力额外的设备开发的底部,然后可以表示为一个机械行为自由度模型(基础+层): 在哪里1是一个统一的列向量;的矩阵定义了输入的力位置(目前情况,减号意味着强迫耗散);和是向量的相对位移。附加阻尼被添加在基础水平的附加设备,可以被动,主动或半活性。半活性液体粘滞阻尼器被认为是和其行为所描述的粘滞阻尼器阻尼系数模型与一个变量(4,15]。然而,包括阻尼器的动态行为一个必须考虑其操作相关的时间响应(时间开发后的阻尼力命令改变阻尼系数)(15,17]。在这种类型的设备时间响应的结果在这两个阀动力学和液压系统动力学。总响应时间可以被描述为纯时间延迟的总和(或死时间)和延迟(或相位延迟),指定的(15分别视为静态和动态响应时间。在[17)的总时间响应被视为时间滞后。时间延迟可以改变在操作(如阻尼增加或减少)和平均延时考虑操作过程通常是采取。在这个设备工作总时间响应(或延迟)是滞后,因此粘性模型与一阶动态系统,结果补充麦克斯韦模型: 在哪里弛豫时间,或者时间常数代表设备的平均时间响应;阻尼力;是可以改变的阻尼系数最小值和最大值之间;和之间的相对速度汽缸和活塞头的阻尼器。

(描述的系统1可以在状态方程形式的代表) 在哪里状态向量;和根据定义为输出量;例如,如果和输出将是相对速度和绝对加速度;0,我,1是一个零矩阵、单位矩阵和酉向量,分别。

3所示。振动控制

图2描述了控制回路被认为在这工作。力跟踪控制方案利用一个控制器和一个算法来找到所需的阻尼系数。我们的想法是,设备的力量遵循所需的力评估的控制器。模型预测控制(MPC)是用于查找所需的控制力。根据设备的性质,该算法假设只有可能消耗能量,从而将改变阻尼系数只有当所需的力和阻尼力具有相同的信号。这个策略的线性模型工厂(3)可以使用,因此所需的力的计算是相对简单的24]。在图2SW决定了算法认为:有或没有反馈测量力。

3.1。模型预测控制配方

货币政策委员会在图块2使用的基于线性模型的预测控制策略。控制器是制定在离散域和想法在于预测未来输出从实际测量和过去的输入使用植物的模型(预测),比较这些输出和参考价值,并确定而导致的一系列输入轨迹优化问题的解决方案(优化)。只有第一个输入应用于植物,然后整个测量周期,预测,在接下来的采样间隔和输入重复计算(后退地平线)。因为美国并不总是可用,这个策略使用一个观察者估计剩下的州(观察者)。

控制回路的图2时间延迟会导致测量的过程中,输入计算,并输入应用程序。MPC块中使用的预测模型考虑输入延迟自行动生成时间(设备延时)只有在生效时间由于导致的延迟,迫使应用程序(设备)。在目前的情况下,货币政策委员会将生成所需的力这将导致一个力应用的设备瞬间后(是采样时间),主要是由于SA的时间响应设备。因此,被认为是在控制器制定以下关系:。测量延迟是假定为小型相比输入应用程序延迟,因此不考虑制定。此外,计算被认为发生在控制间隔(或采样周期)。当将该模型转换为离散域添加额外的州。然后MPC块内部模型是由状态方程离散形式 在哪里是时间步源自discretisation过程取样时间;状态向量(维度),包括相对位移和速度,和过去的即时所需的力量,;是实际所需的力(标量);是输入地面运动(标量);是输出向量(尺寸);和,,,状态空间模型的离散矩阵。使用这个模型来预测系统为一个特定的行为预测地平线(惠普步骤),考虑到输入的力保持不变后具体控制地平线(HC步骤),然后输出预测是由以下方程(24]: 在哪里是向量(尺寸)在即时输出的预测为即时来;估计状态向量为即时吗(当完整的状态向量不可用);是向量(尺寸)未来的力输入移动;;是向量(尺寸)的测量和未来干扰(通常假定为常数和等于最后一个测量值);和,,,是常数矩阵来源于植物的模型:;;;;与(6)

可以获得最优输入的力移动作为一个无约束最优化问题的解决方案(最小化)以下成本函数(24]: 在哪里是矩阵(尺寸),输出和权重(维)重量输入移动;是复合权重矩阵(尺寸)的加权矩阵对角线的;和是复合权重矩阵(尺寸),在对角线。这个优化问题的解决方案可以通过寻找成本函数的梯度,将其设置为零: 在哪里跟踪误差(区别是未来的目标,在这种情况下是零,和自由响应,)。为了保证最小解的二阶导数,或海赛矩阵,应该是正定的。验证这种情况如果权重矩阵是正定或至少有一个是正定的,另一种是semipositive定。

如果一个人不能获得完整的状态向量一个观察者必须被用来估计状态向量。观察者使用卡尔曼滤波技术设计:假设植物受白噪声干扰(噪声过程和测量噪声已知)和零均值和协方差矩阵,,,那么观察者获得可以选择最小化均方状态估计误差(25]。观察者方程包括时间和测量更新和给出的 操纵的表达式(9与固定增益),卡尔曼滤波器是通过解决相应的黎卡提微分方程的协方差矩阵:

为了找到足够的MPC控制器解决方案,稳定的闭环系统(线性对应、块SA装置和算法与单一传输函数)应该选择。闭环系统方程可以发现使用系统的表达式(4),观察者表达式(9),优化问题的解决方案(8)。只有第一项的将使用: 在哪里1是一个统一的列向量,表示矩阵的第一行。闭环系统是由 在哪里是单位矩阵和矩阵满足吗。一个稳定的系统必须有单位圆内的动态矩阵特征值。如果所有的国家都是可用的,估计状态将被取代和条款涉及观察者获得将抵消在上面的方程。

3.2。控制算法

“SA算法”(见图2)两种不同的控制算法被认为是:(1)可变阻尼(VD)是适合使用比例阀阻尼可以改变以来不断在最小值和最大值之间;设备的的逆模型(2)是用于转换所需的力()到一个阻尼值;计算这个值算法也需要访问相对速度、力导数和设备的物理限制();(2)的剪开关(首席运营官)是另一个控制算法测试,这是一个开关控制算法适合使用阻尼器采用开关阀;这个算法是应用最大阻尼装置的力小于所需的一个和两个有相同的信号;否则,阻尼系数设置为最小值;该算法根据以下法律实现(6,8]: 在哪里亥维赛阶跃函数。实现该算法必须测量设备的力量。

4所示。数值模拟

4.1。结构系统

在本节的模型结构受到典型的葡萄牙地震的行为将被用来测试提出了控制策略的有效性。只有加速度(基地地面加速度参数系统)将用于反馈控制器。比较与原结构(没有任何额外的设备),在被动的情况下(最好和最大的阻尼考虑SA设备),和半活动的情况下将使用和最优控制器。非线性液体粘滞阻尼器后的法律被认为是最好的被动的情况下。是被动阻尼力,阻尼系数,是相对速度,是速度指数(发现应用模型和参数模型的指数导致最好的被动情况下的性能)。最好的被动情况下被确定为一个拥有一个阻尼系数提供最低的平均峰值加速度(顶层加速度参数模型)。图3显示了典型的情节演变的响应与设备(a)和阻尼值确定阻尼值为1型和2型地震的行为对应于最好的被动情况下(b)。

半活性溶液采用最优控制器(随机线性二次调节器(6])与一个单一输入重量和一个输出重量基础上加速,最小化平均为每个组地震峰值加速度的行为(16](称为SALQRVD)也考虑的比较。相对位移和绝对加速度将被视为评估系统的性能。

首先应用系统是用来模拟base-isolated第一振型结构(构建支持轴承)考虑到基础隔震系统是灵活的和上层建筑(建筑结构)足够刚性被建模为一个刚性质量(基本的质量和上层建筑的质量)。基础隔震系统是用来减少结构的自然频率和偏离它从地震输入动作频率的内容。公共基础隔离系统被设计成自然频率波形1 Hz。为了评估几种基础隔震系统的性能模型的属性在模拟中考虑公斤(质量),1赫兹(固有频率),(阻尼比)。半活性流体阻尼器可以添加额外的之间的阻尼和。设备的动力学特征是时间常数年代的平均时间延迟(中15,17]。两个不同的半活性控制策略被认为是取决于所使用的算法,虽然利用预测控制器:(i) SAMPCVD,可变阻尼算法;(2)SAMPCCOO,当剪开关算法。最后,从10 base-isolated建筑(参数模型)用于验证的有效性提出策略。

4.2。输入操作

输入的行为被认为是在这个工作是人工加速度图使用极端的反应生成Eurocode 8为葡萄牙提供的光谱(26]:1型(远场)地震作用;2型(近场地震作用)。为每个光谱十加速度图生成。加速度图生成区1,土壤类型D和二级结构的重要性。加速度图和频谱图4。可以看出,1型输入行动持续时间更长,更丰富的在较低的频率(或更高的时期),和具有更高的振幅。必须提到,如果其他规范使用,例如,陈纯7 (27),描述的地震灾害将会以不同的方式,特别是由于应用程序。

4.3。应用模型的结果

在时域数值模拟进行了考虑生成的人工加速度图作为输入。使用MATLAB / Simulink环境运行模拟。

有几个描述的预测控制器可调参数:重量(加速度的重量和输入移动重量),视野(惠普和HC),控制时间间隔(),观察者动力学(协方差矩阵和)。权重和协方差矩阵维矩阵由于控制器的内部模型的特征是一个输入(所需的力)和一个输出(加速度);因此,,,,。非线性问题的优化这些参数是应用一系列的问题“拇指规则”从模拟基于经验24]。下面描述的方法后,适当的参数被发现这种问题。它将显示,调优的控制器可以改善系统的性能(相对位移和绝对加速度)甚至比最好的被动的解决方案,只有在“实时通过改变阻尼系数。“典型系统的响应如图5。

控制区间(或采样周期)应该足以捕获系统的动力学。它的值是分隔的时间解决的优化问题和逆奈奎斯特频率,获得最小的系统的时间常数。还应该足够小,以便控制输入(所需的力或阻尼)快速响应的输出变化。相比之下,极限是被动阻尼的情况是恒定的。一个例子,这个参数对系统性能的影响(平均峰值响应)可以在图中找到6在比较不同的控制区间值和预测的视野提出了应用案例。结果表明,高控制间隔导致糟糕表现(相对位移和绝对加速度的增加)。更高的控制区间也有负面影响与预测地平线的进化反应。随着控制间隔增加预测的范围的视野导致好的表演变小(见图6(一)),因此随着控制间隔增加较小的预测的视野应该考虑实现良好的反应。一个控制区间(或采样时间)女士被认为是在这个工作。

观察者与卡尔曼滤波器设计统一的协方差矩阵。这个解决方案是观察者的反应估计之间的妥协状态向量和控制攻击性。赖账的观察者将是可取的,但它可能会导致积极的控制行为会损害系统的整体性能。

为了确定可接受的范围控制器闭环线性系统进行了分析。闭环系统的特征值的最大模是用来确定系统的稳定性:稳定系统的特征值在单位圆,因此模小于1。时间延迟被认为是在模拟补偿设备动态吗(响应时间)。图7(一)显示了一个示例的最大模进化加速体重。可以看出,理想的解决方案在于范围。之后,每个结构体系与SA设备受到10加速度图的每个操作类型和平均高峰值进行评估。应用此程序对不同重量和视野,这些参数的组合,导致最好的系统的反应被发现。图7 (b)显示系统的演化与控制器的响应峰值加速度的重量对于每个加速度图()。垂直的虚线表示的最小平均峰值加速度曲线。使用这个点作为标准来设计控制器,减少相对位移和速度也达到了,也会减少基础剪切力。该权重参数值较高导致糟糕表现的相对位移和加速度。事实上,对于权重高加速度闭环系统变得不稳定如前所述,和所需的力造成控制器→∞时导致低劣的性能。

同时也发现在移动输入体重增加幻灯片这些曲线向右(响应和加速度的重量),这意味着加速度重量最小化加速度反应也增加。从成本函数的分析(7)增加输入重量相对于输出权重的影响减少了控制活动。在目前的研究中单一的体重在输入被认为是移动。

结果与不同的预测和控制显示更高的预测类似的反应虽然视野得到了更高的反应。图7 (c)显示了典型的进化反应与该参数(平均高峰值)。几乎不断进化的相对位移和绝对加速度被发现与预测地平线HP值依赖于系统的固有频率和控制时间间隔(为赫兹和惠普的女士,和更高的值较低的固有频率)。以上这些值增加(糟糕表现)的响应。因此,预测视野不如70被发现是足够的研究情况。事实上,在发现没有显著预测地平线对结果的影响范围,所需的最小值是为了减少控制器的顺序(矩阵维数,优化问题的解决方案)。然而,由于内部模型的输入延迟占设备的反应,一个人应该确保。在目前的研究中即时延迟(50 ms),因此预测地平线被设定。对控制地平线HC的影响结果,没有发现改进的证据,因此单一的值被认为是在随后的分析。

实现良好的性能与先前表示自设备的参数化力密切遵循所需的力,如图8。

找到最好的参数,平均每个结构系统的峰值响应(与不同的固有频率)测定。比较原始,被动(阻尼系数最低的平均顶层加速度峰值),和半活性最优控制器呈现在图9。结果表明,任何提出系统比原来的好。加速度的拟议中的半活性系统显示最佳的性能结构系统自然频率低于0.6赫兹对1型地震的行为,和1 Hz以下2型地震的行动。这意味着基础隔震系统应采用半活性设备在这种情况下被动的不利。也可以看到,SA装置由一个开关控制算法几乎达到相同的可变阻尼算法的性能。这一结果显示,可以使用一个简单的电磁阀代替一个比例,这方面的实际实现会导致一个更便宜的解决方案。还发现一个MPC控制器的解决方案是略优于最优控制器的一个方面的相对位移和加速度。因此,SA系统提出了可以提供减少相对位移(50 - 60%)与原结构相比,提高加速度响应比最好的被动情况下,和比SA与最优控制器。

其他数值模拟与结构系统进行不同的属性(,,)。发现的主要区别是在最优加速体重。因此,对于不同的结构系统应该确定这个值(与其他参数的建议值)在数值分析首先通过一系列稳定的解决方案,然后考虑一组代表性的加速度图结构安装的地方找到的重量导致最佳的性能。

4.4。参数模型的结果

一个ten-storey base-isolated结构被认为是评估的有效性提出了策略。上层建筑的基本频率赫兹(代表一个从双重frame-wall结构)和阻尼比假定。每层的质量公斤。刚度和阻尼矩阵确定考虑常数刚度之间的地板和刚度比例阻尼矩阵(),它对应于层间刚度和阻尼系数kN /毫米,kN /毫米年代。支持上层建筑基础隔震系统与质量和叠层橡胶轴承由天然橡胶由一个线性弹性和粘性模型,与目标频率赫兹和等效阻尼比的。记者刚度和阻尼系数得到假设刚性上层建筑:kN /毫米,kN /毫米。后获得base-isolated结构模型装配基础隔震系统和上层建筑模型。图10描述了该模型下的研究。考虑应用的控制器参数情况下,货币政策委员会计划实施假设刚性的上层建筑,因此只用于基本加速度反馈。在分析加速度闭环系统的重量被选中。图11和表1显示比较结果与原结构,最好的被动(最低的阻尼系数意味着顶层加速度峰值,kN /毫米,附加阻尼的)的情况下,最大的被动阻尼,kN /毫米(附加阻尼)以及半主动控制的最优控制器(控制器实现考虑刚性与权重值决定上层建筑对于德应用情况;参见4.1)。

结果表明,所有的解决方案可以提高结构的相对位移,最大阻尼被动元件有这个参数的最佳性能。然而,这种解决方案的缺点是增加加速度反应,特别是对2型地震行动,与更高的阻尼力。SA解决方案显示为一个有吸引力的回答这个问题,因为它可以减少基础前提下的相对位移,甚至提高加速度响应。提议的解决方案的执行也更好的加速比考虑最优控制器来操纵股价的设备。然而,最后一个的缺点略增加为2型地震加速度超过原来的结构行为。位移的基础水平,最优控制器解决方案执行比MPC-based的。即使是最好的被动的解决方案(被动)下的绝对加速度性能。所有的解决方案可以减少底部剪切力传递到结构底部由于地震力的一部分的设备。因此,高阻尼力导致低基础相对位移。也显示了SA设备控制力量(平均高峰值)不到5%的结构的重量。结果还表明,SA设备操纵一个开关算法(首席运营官)可以达到类似的结果的可变阻尼算法(VD)。差异小于1%的相对位移,但主要区别在加速度,可以达到7%的基地地面加速度当2型地震的行为被认为是。

5。结论

力跟踪方案包括预测控制器和半活性控制阻尼控制算法的半活性液体阻尼器采用基础隔震系统受到地震载荷。控制器制定包括输入设备的行为导致的延迟。此外,假设所有系统的变量并不总是可用,使用嵌入式控制器制定观察者。数值模拟显示,调优的控制器可以提高系统的性能(相对位移和绝对加速度的峰值)只在“实时通过改变阻尼。“建议的解决方案优于原结构和结构系统与被动的设备对自然频率低于0.6 Hz时受到一些人工加速度图生成根据当前编码了葡萄牙的领土。应用模型的参数的研究提供了一些指标来优化控制器。然而,提出优化加速体重总是由数值模拟闭环系统的几个输入加速度图。稍微更好的性能被发现与提出策略与解决方案提供了一个最优控制器相比设备操纵股价。当应用于参数系统,从base-isolated结构,更好的性能比原来的和被动的情况下,还发现加速度。建议的解决方案也优于SA解决方案被一个最优控制器的加速度。 In terms of relative displacements, the passive case with maximum damper and the SA device manipulated by an optimal controller provide better results but at the expense of increasing the absolute accelerations.

它已经证明了预测控制器的调整阻尼规则可以有效地降低地震诱发反应流体阻尼器使用变量。加速度控制器权重的范围是第一个由闭环系统的分析和优化通过数值模拟使用数量代表的加速度图(测试函数)的网站结构的安装。因此,提出的策略有潜在的未来实现土木工程结构位于活跃的地震带。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者要感谢葡萄牙基础科学和技术(FCT)提供的博士奖学金(参考SFRH / BD / 84769/2012) LNEC和坚持提供所需的资源来开发这项工作。

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