结构非线性振动识别与控制的算法设计及试验研究

Due to the inelastic deformation under intense ground shaking, it has theoretical and practical value to study the identification and control of civil structural nonlinear vibration. In this proposal, suitable identification and control methods will be designed according to the different degree and types of known nonlinearities, Based on rotary dampers and magnetorheological elastomers, reusable structural nonlinear vibration models will be developed. The main research tasks of this proposal are outlined as following: 1) When the degree of known nonlinearities is high, nonlinear models with constant parameters will be adopted for structural nonlinear identification. Robust control algorithms will be designed based on the identified model. When the degree of known nonlinearities is low, nonlinear models with time-varying parameters will be adopted for structural nonlinear identification. Adaptive control algorithms will be designed based on the identified model; 2) A reusable structural nonlinear vibration model will be developed using MR or viscous rotary dampers. Different nonlinear behaviors will be realized based on different input signals; 3) Using magnetorheological elastomers, a column with varible stiffness will be designed. Then a structural nonlinear vibration model will be built to realize different stiffness nonlinearities; 4) The proposed identification and control algorithms for structural nonlinear vibration will be verified in these experimental models.

土木工程结构在强震作用下将不可避免地进入塑性阶段，从而表现出非线性行为，因此研究结构非线性振动识别与控制具有重要的理论和实际意义。本项目针对结构中已知非线性程度及非线性类型的不同，设计合适的结构非线性振动识别及控制算法，并分别基于旋转阻尼器和磁流变弹性体建立具有可重复性的结构非线性振动试验模型。具体为：1）当已知较多非线性模型信息时，采用常参数结构非线性振动模型，设计以鲁棒控制方案为主的控制算法；当已知较少非线性模型信息时，采用时变参数结构非线性振动模型，设计以自适应制方案为主的控制算法；2）利用磁流变或粘滞旋转阻尼器建立具有可重复性的结构非线性振动试验模型，并通过调整输入到磁流变旋转阻尼器中的电压信号实现不同的非线性行为；3）利用磁流变弹性体设计变刚度柱，并建立可以实现不同刚度非线性的结构非线性振动试验模型；4）在试验模型上验证前面提出的结构非线性振动识别与控制算法的合理性。

土木工程结构的振动控制研究和应用已有近 50 年的历史，基于线性结构的主动控制理论已经基本成熟，在土木工程领域也得到了广泛的应用。但是由于结构形式越来越复杂，即使采用结构振动控制系统，在强地震作用下将结构完全控制在线性阶段也是不现实的。因此研究结构非线性振动控制以及识别等问题具有重要的理论和实际意义。结构非线性振动试验容易造成结构损伤甚至破坏，不具有可重复性，因此研究可以重复使用的结构非线性试验模型对于所提出理论和算法的验证也是非常重要的。本项目基于以上的问题，根据不同情况研究了结构非线性振动识别与控制算法，同时设计了结构非线性振动试验模型。具体为：1. 针对常参数简单非线性模型采用小波分析与神经网络预测进行了结构非线性振动参数识别；考虑时变参数的影响，针对滞回非线性模型采用无迹卡尔曼滤波进行参数识别，同时利用估计量来计算滞回变量，提高了识别精度；针对磁流变弹性体材料，采用广义Maxwell模型以及分数阶模型进行了建模及参数识别。2. 针对简单非线性模型，采用滑模控制算法以及反馈线性化控制算法进行了控制设计，同时在控制算法设计中对于荷载进行了识别；针对复杂非线性模型，结合前面的识别算法给出控制所用参数，采用模型参考自适应控制算法进行了结构非线性振动控制；针对采用旋转激励的结构非线性模型，采用同胚变换及反馈线性化算法完成了结构非线性振动控制。3. 基于粘滞旋转阻尼器建立了结构非线性振动试验模型，通过调节粘滞阻尼器的阻尼系数可以实现不同的非线性行为；基于磁流变弹性体建立了结构非线性试验模型，通过调节施加在磁流变弹性体上的磁场可以实现不同的非线性行为；基于旋转激励作动器建立了考虑作动器非线性的结构非线性试验模型；基于主动电机建立了基于状态反馈的结构非线性振动试验模型，可以重复的实现给定的线性及非线性行为。在以上建立的结构非线性模型中，对于所提到的识别和控制算法进行了验证。