基于前馈地震预警信息的新型半主动智能控制系统

Within the frame of performance-based design, not only the safety of the structure itself, but also the comfort of the structure as well as the safety of the non-structural elements should be considered in the seismic event. Due to the stochastic nature of the earthquake, it is difficult to control multi-target responses of the structure, such as the displacement and acceleration which are used as one of the safety indices for the structure safety and non-structural element safety, respectively. This research project proposes a new combined system with the earthquake early warning and semi-active control technologies, and it can realize the control of multi-target responses under different types of earthquakes. The new system analyzes the data measured by the sensors distributed around the earthquake epicenter; find out the frequency characteristics of the ground motion and fed it to the control system so that the optimal parameters in the control algorithm can be selected based on a pre-defined relationship between the frequency characteristics of the motion and the control algorithm; finally, the combined system is expected to control the structure for different types of earthquakes. Theoretical, numerical and experimental analysis will be conducted to study the control algorithm, the identification and transfer of useful information from the ground motion, the robustness characteristics of the system and the corresponding control efficiency. The research is expected to provide technical supports for the seismic design within the frame of performance-based design.

在基于性能设计的框架内，不仅结构自身在地震作用时的安全需要得到保证，结构的舒适度及非结构物的安全也是设计需要考虑的重点目标。由于地震的随机性，对于结构多指标反应的控制，如作为结构安全指标之一的位移与作为非结构物安全指标之一的加速度的控制存在难度。本项目提出一种结合地震预警技术与半主动控制技术的新型系统，实现对于不同地震类型作用下的结构多指标振动控制。此新型系统通过对地震预警系统中震区监测装置所测数据进行分析，在地震波到达控制结构之前，识别地震波的频率特征并及时前馈给半主动控制系统，使其按照预先设定的地震频率与控制算法的关系选择最优控制参数，达到对于不同地震类型的最优控制。本研究将基于使用磁流变阻尼器的半主动控制，对提出的控制算法、地震预警系统数据的识别与传输、系统的鲁棒性能以及此新型系统的控制效果进行深入的理论、数值及试验分析。研究成果将为结构在基于性能的框架内的抗震设计提供技术支撑。

在基于性能设计的框架内，结构的多个指标均可能成为控制目标，如结构位移、加速度、受力等。传统控制算法在控制单一目标时具有较好结果，但对于其它指标控制效果则较差。另外，由于地震的随机性，对于结构多指标反应的控制难度则更大。为了实现结构基于性能的设计，本课题开展了考虑地震随机特性情况下结构多指标反应的控制方法研究。. 1）基于结构多指标性能的控制算法研究.以传统LQR控制为基础，建立了可同时考虑多指标性能的新型性能函数，提出了基于地震预警信息的控制方法LQREEW。为了确保在不同类型地震作用下半主动控制的最优控制效果，建立了结构特征周期、阻尼，地震主频与半主动控制增益参数之间的关系，从而使得半主动控制能够根据不同的地震类型做出相应调节。当震源距离较远时，通过前馈地震预警信息至控制系统实现半主动控制；而当震源距离较近时，通过前馈结构较近距离处地震信息实现半主动控制。. 2）地震信息与半主动控制结合方法研究.课题结合傅里叶变换特点以及波形频率分析需要，提出一种可调整长度的时间视窗方法，满足线上实时分析需求。通过某一时间视窗，及时利用快速傅里叶变换分析当前的地震波（视窗范围内）频率特征，并通过频率取值计算在下一视窗范围内的合理控制增益。如此，控制增益随着时间的发展逐步更新。当震源距离较远时，视窗长度则可以调整为较长取值，从而针对更长周期的地震波进行分析，并将所分析得到的地震波频率特征前馈至结构控制系统。. 3）结构失效模式控制方法研究.根据结构多指标反应的不同，结构表现出不同的失效模式。考虑地震随机特性，提出一种可以实现结构构件均衡破坏，多指标反应按照基于性能的设计目标发展的结构失效模式控制方法。研究了构件受力破坏规律与半主动控制出力之间的关系。提出的控制失效模式方法在不同地震幅值、不同类型地震作用以及不同阻尼器出力情况下可以实现预定失效模式。