针对分散控制的建筑结构振动控制理论

季成

摘 要：近些年，随着城市化进度的加快，许多高层建筑也如雨后春笋般拔地而起，同时建筑结构的安全性能一直受到强震等荷载的严重威胁，如何有效避免结构的破坏，成为建筑结构抗震领域面临的巨大挑战。近些年来，集中控制策略在结构振动控制中应用较多。然而，对于复杂多自由度建筑结构振动控制系统的控制问题而言，虽然集中控制策略能够取得很好的控制效果，但是集中控制在解决复杂多自由度建筑结构振动控制问题时存在升算量较大，可靠性较差和控制性能不稳定等缺陷。而分散控制策略可解决这一问题。分散控制策略为解决复杂多自由度建筑结构振动控制提供了一种新的途径。

关键词：高层建筑 振动控制 分散控制

引言

随着社会发展和人类需求的增长，建筑物逐渐向高层、大跨度、高柔等方面发展，对建筑物抗震的安全性和实用性提出了更高的要求。因此，采用经济、高效、可靠的措施增加抗震性减少损失以达到结构振动控制的效果，是目前的重中之重。原有的控制理论基本都是建立在集中控制的基础上，但这种理论在大系统的应用中由于系统庞大而复杂，信息集中处理量太大，难以实现，分散控制理论的出现为大系统的动力分析及控制提供了一条新的途径。

1 分散控制的基本理论

分散控制是将复杂的大规模控制系统分为多个子系统，所有的计算及控制都是在子结构中同时进行，每个控制器都能够对子结构施加控制力。其最突出的特点是状态信息交换的离散化，子控制器与传感器信息都是一一对应的。分散控制系统适用于空间分散的大系统，也可用于空间集中但每个控制通道动态响应时间差别较大的大系统。分散控制的主要特征是，在每个时刻，各个分散控制器只能获取整体系统某一局部的信息，并可以利用这些局部信息自身做出决策，对局部起到控制作用。

2分散控制原理分析

根据分散控制器之间信息交换的有无，分散控制结构可分为完全分散控制结构和重叠分散控制结构。在没有任何信息交换时即为分散控制，有部分信息交换时称为重叠分散控制。

2.1分散控制

控制系统发展至今，越来越多的大型复杂控制系统的出现，使得传统的集中式控制策略不能胜任。对于建立在集中控制策略的基础上，无论采取经典控制算法，还是采取现代控制理论，都是将整个结构振动控制系统的信息一起存入一个中央处理控制器。然后再根据制定的控制算法进行处理，之后再向系统各控制机构分发控制信息。虽然采取集中控制策略对大尺度多自由度结构振动控制系统进行控制，具有较好的控制效果，但也存在稳定性差、可靠度低等缺陷。其结构动力系统的控制成本也随着自由度数量的增加而增大。因此，采取集中控制策略来控制大型复杂土木结构振动控制系统难易满足要求。

分散控制策略为解决大型复杂控制系统提供了一条新的有效途径。分散控制理论成为大型控制系统的一个重要组成部分。大型控制系统由多个分散控制机构组成，每个分散控制机构控制一个子系统。因此，分散控制是将整个控制系统划分为一系列子系统，分别对各个子系统进行控制。与集中控制策略相比，分散控制策略的控制所需的信息结构有区别。分散控制并不能获取或利用全部的结构信息，而是每个分散控制子系统只能获取该子系统的全部信息。

分散控制是将整个大型复杂控制系统划分为多个子系统，子控制器根据子结构信息独立地进行计算和施加控制力。在控制过程中，需要将整个系统的信息进行离散化，子控制器只能使用事先制定的局部信息。采用分散控制策略的新型控制结构可布置在建筑结构的各空间位置。分散控制的主要特点为，子控制器只能使用子系统的结构信息，并及时作出驱动器的控制响应。

结构系统的最优集中控制器被修改为次优控制的分散控制方案。对于高强度的土木结构振动控制系统，需要将常见的集中控制系统分解为性能优越的分散控制系统。与集中控制相比，分散控制虽然达不到最优控制，但分散控制的次优求解方式在实际中更容易实现。分层分散控制方法是指采用系统的分散体系结构和求解相应的控制问题最优解，也称为最优分散控制。

控制系统的信息结构可定义一类控制策略（集中控制与分散控制）。集中控制策略将整个结构控制系统当作一个整体，它的控制是对整体的控制。而分散控制策略是将整个控制系统按照一定的规则划分为多个子控制系统，并考虑子控制系统之间的信息交流，从而达到对整个控制系统的有效控制。对子系统控制器有效的信息量和信息类型决定了分散控制策略的几类信息结构。分散信息结构类型有以下三种类型：完全，部分和分层分散控制结构。

完全分散控制结构仅包含局部的控制信息，且子控制器之间没有信息交换。完全分散控制结构的子控制器的控制行为对整个控制系统的影响是未知的。子控制器之间的信息交换可产生部分分散控制。部分分散控制的信息交换量较低，但能够解释子控制器信息是如何影响整个控制系统。分层分散控制增加了一个位于子控制器上层的主控制器，进一步保证了信息的交换。更高层次的控制器的主要作用是确保低层次的子挖制器之间的信息交换行為能够提高整个控制系统的稳定性。

控制系统的分散控制结构可分为；完全分散控制结构和局部分散控制结构，其划分的原则是根据分散控制器之间是否存在结构信息的交换。完全分散控制是指子控制器之间完全不存在结构信息的交换。而局部分散控制的子控制器之间存在一定的结构信息交换。无论是完全分散控制还是局部分散控制，均存在某些驱动器或传感器之间的输入信息的传输受到结构的限制，达不到完整状态反馈。因此，分散控制不是最优控制，而是次优控制。各子控制器若能获得更多的信息和更顺畅的信息交流，其次优控制指标就会得到提高。

2.2重叠分散控制

重叠分散控制策略是将整个系统划分为一系列子系统，且子系统之间可共享相互包含重叠结构的控制信息。该策略主要是由基于包含原理和收缩原理发展而来。近些年来，根据具有重叠分解的系统的系统结构，采用包含原理对其设计重叠控制器，在设计过程中保持分散控制器的正定性。基于包含原理的重叠分解方法应用在诸多领域，有效地解决了各种复杂大型系统的控制问题，如：机械构造、应用数学、电力系统、自动高速公路系统和航空航天工程等。

重叠结构系统的拓扑关系通常以复杂网络的形式存在，按特殊情况的不同可分为：环型结构、星型结构化及链型结构等拓扑结构。如果子系统之间是强耦合的，那么整个系统分解为不相交的子系统是无效的。然而，重叠分解策略为子系统之间共享相互包含的结构信息提供了一种新的途径。重叠分解策略意味着将具有强耦合的原系统扩展为一种具有弱耦合的高维数空间状态系统。重叠分散控制策略的基本原理结构形式包含重叠子系统、扩展的子系统、分散控制器设计和收缩的闭环系统等四个控制器设计步骤。

结束语

对于高层建筑结构振动控制系统，虽然集中控制策略能够取得很好的控制效果，但是集中控制在解决多自由度建筑结构振动控制问题时存在计算量较大，可靠性较差和控制性能不稳定等缺陷。而分散控制策略可解决这一问题，并増加了控制系统的可靠性和控制器设计的灵活性。分散控制策略为解决复杂多自由度建筑结构振动控制提供了一种新的途径。

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