不平稳随机干扰作用下高层结构有限时间相对稳定与容错控制

At present, active control of high-rise structure (such as the classical H-infinity control, energy-to-peak control) is mainly obtained on the basis of Lyapunov stability theory, which can not guarantees the state-constraints (for example the maximum displacement constraints between each two storeys) of the structural systems under those nonstationary random excitations. Especially, the systems are possibly unstable when the actuator saturation or system faults occur. Furthermore, those practical active controls of structural systems do not satisfy the 0 initial conditions. In response to these issues,this project will adopt the finite-time stabilization to control the structure, when the actuator is in the saturation region; and Lyapunov asymptotical stabilization to stabilize the structure when the actuator works normally. Then, the finite-time relative stability and state constraint of the sytem under nonzero initial conditions can be satisfied during the whole control process. Meanwhile, based on fuzzy rules and objective optimization, the research will focus on the controller switches to ensure the switching stability of the closed-loop system, and to achieve the best control result during the whole control process. Furthermore, with the system faults considered, the research will be expanded to system faults tolerant control, and the system error detection will be focused on by utilizing the association rule and model reference methods. For those serious errors, controller reconstruction will be used to achieve the fault-tolerant requirement. For those minor or undetectable errors, the fault-tolerant requirement will be satisfied by improving the robustness of the controllers. In the end, the effectiveness of those obtained control methods and strategies will be illuminated by the digital-physical hybrid dynamic simulation.

目前，高层结构主动控制（如经典的Ｈ无穷控制，能量－峰值控制）主要基于Lyapunov稳定获得，无法保证不平稳随机干扰作用下结构系统状态限制（如层间最大位移限制）要求，尤其当控制器出现饱和或系统出错时有可能导致系统不稳定。同时，实际主动控制过程也不能满足0初始状态要求。针对以上情况，本课题拟对系统驱动器处于饱和区域时采用有限时间稳定，处于正常工作时则采用Lyapunov渐近稳定，使系统全程达到有限时间相对稳定，并满足非0初始条件下状态响应限制要求。同时，基于模糊规则与目标优化重点研究控制器切换，确保切换过程系统稳定，且全程控制效果最佳。考虑到系统出错，研究将进一步扩展到容错控制，并重点基于关联规则与模型参考方法研究系统出错检测。针对较严重的错误，采用控制器重构达到容错控制要求；对于较轻微或无法检测的错误，采用提高控制器鲁棒性实现容错控制，并通过数字物理混合动态模拟验证控制方案及策略的有效性。

高层结构在不平稳随机干扰（如地震及台风等）作用下会产生振动。主动控制由于其控制力可以连续变化，控制的频率与被动、半主动控制相比更广，从而在高层结构控制中取得了较好控制效果。目前，高层结构主动控制主要基于Lyapunov 稳定获得，无法保证不平稳随机干扰作用下结构系统状态限制要求，尤其当控制器出现饱和或系统出错时有可能导致系统不稳定。基于以上情况，本课题主要进行了以下研究： (1)将有限时间稳定与H无穷理论结合，在出现大强度不平稳随机干扰时间区间内系统受有限时间稳定控制，达到限制状态能量峰值；随着干扰源能量减弱，超出有限时间稳定时间区间后，通过H无穷理论减小系统振动。(2)提出了基于切换的降维容错控制方法。当系统出错较小时，通过鲁棒控制器保证系统的稳定运行；当系统出错较严重时，通过基于切换的降维容错控制方法，将出错的驱动器及传感器切除，从而保证系统稳定运行。与单纯的鲁棒控制相比，本课题提出的方法可以获得更广的容错范围。(3)通过矩阵变换获得系统输入饱和模型，采用有限时间H无穷控制理论获得了系统输入饱和情况下的控制器设计方法，并通过实例说明所得控制器在驱动器饱和情况下仍能保证系统的稳定性，并具有期望的系统性能。(4)课题考虑了各采样器的采样时间点相互独立及同一采样器的采样频率时变等情况，获得了异步多率采样的控制方法。与一些同步采样系统相比，本课题的研究结果更符合实际情况，具有更强的适用性。(5)本课题提出在系统正常运行时采用渐近稳定控制器；当外界干扰强度增加，渐近稳定使驱动器趋于饱和时，切换至有限时间稳定控制器，达到放宽稳定条件，使驱动器脱离饱和，进而实现系统整体上达到有限时间相对稳定。(6)本课题提出采用模型参考实现系统出错检测，利用前后状态的关联原理，定期将实际系统的输出刷新至数学模型，达到减小模型误差的影响，提高错误检测方法的鲁棒性。本课题的相关成果可为结构系统控制、容错控制等提供技术参考及理论指导。