基于磁流变阻尼器多尺度调控的结构半主动随机最优控制

Magnethorheological (MR) damper is a new development of the structural control technology, which has received considerable attention in the field of semi-active control of structures. In the recent twenty years, it has been applied into the engineering practices such as the wind-rain-induced vibration control of cable of cable-stayed bridges, the hybrid base isolation of high rise buildings. However, the high-quality magnethorheological damping control of structures still remains open due to the fact that the deterministic control and the classical stochastic optimal control; say the LQG, cannot logically reveal the significant randomness inherent in the hazardous actions, e.g. the earthquake ground motion and the strong wind, and meanwhile, the phenomenological model in traditional manner does not include the complex dynamics and long-term performance of the MR damper. In conjunction with the theory of physically-motivated stochastic optimal control, the present project devotes to developing a reliability-based optimal semi-active control f structures and a multiscale regulation method on the MR damper in accordance with the design control gain. Three aspects are concerned including the control gain design of the magnethorheological damping control, the characterization of force-current correlation of the MR damper integrating with the microstructured behavior simulation of suspensions, and the optimization of control policy of the magnethorheological damping control. On this basis, the investigation of the stochastic optimal control of offshore observation tower under the coupling action of wind and wave by MR dampers is carried out. It aims at satisfying the demand of wind-wave-resistant design of the offshore observation tower in service of comprehensive three-dimensional observation at the East China Sea, which is a critical component of the big science project 'National Marine Science Observation Network'. This project provides a theoretical foundation and technical support for the development of the new generation of theory and method of magnethorheological damping control.

磁流变阻尼器是结构振动控制技术的新进展，在结构半主动控制领域备受关注，近二十年来被应用于斜拉桥拉索风雨激振控制、建筑结构智能隔震等工程实践中。然而，由于确定性优化控制和以LQG为代表的经典随机最优控制不能反映地震、强风等灾害性动力作用的随机性，同时传统宏观唯象学建模不能揭示磁流变阻尼器复杂动力学行为及其长期性能影响，高品质结构磁流变阻尼控制技术仍待突破。本项目拟结合物理随机最优控制理论，围绕结构磁流变阻尼控制增益设计、基于微观悬浮结构模拟的磁流变阻尼器力-电相关性表征、结构磁流变阻尼控制律优化等方面，发展基于可靠度的结构半主动随机最优控制方法和满足设计预期增益的磁流变阻尼器多尺度调控策略。在此基础上，针对“国家海底科学观测网”东海立体综合观测塔抗风浪设计需求，开展风-浪联合作用下海洋观测塔磁流变阻尼随机最优控制研究，为发展新一代结构磁流变阻尼控制理论和方法提供重要理论基础与技术支撑。

磁流变阻尼器是结构振动控制技术的新进展，在结构半主动控制领域备受关注，二十年来被应用于斜拉桥拉索风雨激振控制、建筑结构智能隔震等工程实践中。然而，由于确定性优化控制和以LQG为代表的经典随机最优控制不能反映地震、强风等灾害性动力作用的随机性，同时传统宏观唯象学建模不能揭示磁流变阻尼器复杂动力学行为及其长期性能影响，高品质结构磁流变阻尼控制技术仍待突破。.本项目旨在发展新一代基于磁流变阻尼器多尺度调控的结构半主动随机最优控制方法。（1）将限界Hrovat半主动控制算法与物理随机最优控制理论相结合，建立了非平稳、非高斯随机激励下基于可靠度的结构磁流变阻尼随机最优控制一体式设计方法。在此基础上，提出了反馈结构控制系统时滞的随机最优补偿策略。同时，开展了精细结构可靠度分析机器学习方法研究，进行了基于代理模型的结构磁流变阻尼控制模糊逻辑控制器多目标可靠性优化。（2）建立了能够精确反映磁流变阻尼器动力特性、具有较好鲁棒性的物理模型，包括基于FLUENT的磁流变阻尼器足尺有限元模型和组合预屈服阶段粒-链模型与过屈服阶段准静态模型的解析流变学模型。开展了磁流变液大规模分子动力学仿真模拟，提出了磁流变液微细观本构模型；在此基础上，建立了磁流变阻尼器多尺度流变学模型与逆向电流反算模型，开展了材料-构件两层次的磁流变阻尼器跨尺度调控研究。（3）结合磁流变阻尼器性能试验，开展了结构磁流变阻尼控制系统综合模拟方法研究，进行了非定制磁流变阻尼器在无时滞和有时滞半主动控制系统中的效能分析和电流在线补偿。针对“国家海底科学观测网”东海立体综合观测塔抗风浪设计需求，开展了工程场址处风-浪联合作用随机建模、海上观测塔导管架平台结构有限元模拟和模型降阶，基于模糊逻辑控制器多目标可靠性优化方法，进行了结构磁流变阻尼随机最优控制研究。研究成果为地震或强风作用下高层建筑、大跨桥梁、海洋平台等重大工程结构的智能抗灾控制提供了重要理论基础和技术支撑。.结合研究创新点，已发表SCI收录论文29篇（其中在JCR Q1区期刊上发表论文16篇、在ASCE旗舰期刊JEM上发表论文2篇）、EI收录论文2篇，出版英文专著1部；申请发明专利5项（其中已获授权2项）；在国内外学术会议上作邀请报告或专题讲座3次；培养博士生3人、硕士生5人；获2019年中国振动工程学会技术发明奖二等奖。