结构振动控制 主动、半主动和智能控制PDF电子书下载

第1章 动态系统及其重要特性 39

1.1 动态系统的数学描述 39

1.1.1 连续时间状态方程及其解 39

1.1.2 离散时间状态方程及其解 43

1.2 动态系统的稳定性 44

1.3 线性定常系统的能控性 50

1.3.1 系统的能控性 50

1.3.2 系统能控性的判别方法 50

1.4 线性定常系统的能观性 51

1.4.1 系统的能观性 51

1.4.2 系统能观性的判别方法 52

1.4.3 线性系统能控性与能观性的对偶关系 52

1.5 线性系统的传递函数 53

2.1.1 状态反馈的系统极点配置 56

2.1 线性定常系统的极点配置 56

第2章 结构振动的主动控制算法 56

2.1.2 输出反馈的系统极点配置 58

2.2 线性二次型最优控制 61

2.2.1 线性二次型（LQR）经典最优控制 61

2.2.2 线性二次型Gauss（LQG）最优控制 66

2.2.3 土木工程结构的最优控制问题 67

2.3 线性定常系统的模态控制 68

2.3.1 状态方程的模态控制 68

2.3.2 运动方程的模态控制 70

2.4 滑移模态控制 71

2.4.1 滑移面设计 71

2.4.2 滑移模态控制器设计 73

2.5 H2和H∞控制算法 75

2.5.1 H2和H∞范数 75

2.5.2 H2和H∞控制算法 77

2.6 采用不同控制算法的结构振动控制算例 80

2.6.1 结构振动控制系统模型 80

2.6.2 LQR控制算法 81

2.6.3 LQG控制算法 87

2.6.4 模态控制算法 89

2.6.5 极点配置控制算法 93

2.6.6 滑移模态控制算法 95

第3章 结构振动的模糊控制 98

3.1 模糊控制器的基本结构 98

3.2 实测信息的模糊化方法 103

3.3 模糊控制的基本推理方法 106

3.3.1 模糊关系合成法 106

3.3.2 特征展开推理法 107

3.3.3 真值流推理法 107

3.3.4 作用模糊子集推理法 108

3.3.5 不同推理方法推理结果分析 109

3.3.6 不同推理方法推理速度分析 110

3.3.7 不同推理方法控制效果分析 111

3.4 模糊控制规则提取方法1——基于结构振动模糊关系 113

3.4.1 单自由度体系的运动方程与模糊关系 113

3.4.2 模糊关系的建立 114

3.4.3 控制规则提取 115

3.4.4 结构振动的模糊控制仿真 117

3.5 模糊控制规则提取方法2——基于结构振动特征响应分析 118

3.5.1 计算模型 119

3.5.2 模糊控制系统的结构 119

3.5.3 模糊控制规则提取 120

3.5.4 地震反应模糊控制的数值仿真 123

3.6 模糊控制与LQR控制的比较 124

第4章 结构振动的神经网络辨识与控制 126

4.1.1 神经网络的逼近能力 127

4.1 神经网络基本原理 127

4.1.2 神经网络前馈建模的基本原理 128

4.1.3 神经元的基本组成要素 129

4.2 BP网络 132

4.2.1 BP网络模型 132

4.2.2 BP网络学习算法 133

4.2.3 基于神经网络的系统模型辨识方法 136

4.3 变结构BP网络 137

4.3.1 隐层变结构算法 137

4.3.2 输入层剪枝算法 139

4.3.3 变结构BP网络算法步骤 141

4.3.4 20层钢结构振动控制模型辨识 141

4.4 Elman网络 145

4.4.1 Elman网络的基本结构 145

4.4.2 Elman网络的学习算法 146

4.4.3 改进的Elman网络学习算法 148

4.4.4 基于Elman网络的结构振动控制模型辨识 149

4.4.5 变结构Elman网络学习算法 153

4.4.6 基于变结构Elman网络的结构振动控制模型辨识 154

4.5 双向模糊神经网络控制算法 157

4.5.1 双向模糊神经网络的结构 157

4.5.2 双向模糊神经网络的前向过程 158

4.5.3 模糊控制算法的混合学习过程 159

4.5.4 结构振动模糊神经网络控制仿真分析 163

第5章 结构振动的模糊神经网络遗传优化控制 168

5.1 遗传算法基本理论 169

5.1.1 遗传算法的结构 169

5.1.2 初始化编码、选择、交叉和变异方法 170

5.2 模糊神经网络优化的遗传算法 172

5.2.1 模糊神经网络结构 172

5.1.3 遗传算法的实现步骤 172

5.2.2 实数编码的遗传算法 174

5.2.3 变长混合编码的遗传算法 177

5.3 结构模糊神经网络遗传优化控制的仿真分析 180

5.3.1 三层钢结构控制（实数编码） 180

5.3.2 三层钢结构控制（变长混合编码） 183

第6章 结构主动质量阻尼（AMD）控制系统 186

6.1 AMD控制系统的减振机理与控制装置 187

6.1.1 减振机理 187

6.1.2 AMD控制装置的基本形式 190

6.2 结构AMD控制系统的模型 193

6.2.1 基本模型 193

6.2.2 考虑AMD动力特性的系统模型 199

6.2.3 考虑扭转振动的系统模型 200

6.3 结构AMD控制系统的控制参数与系统参数分析 202

6.4.1 试验系统 207

6.4 结构AMD控制的试验系统与试验方法 207

6.4.2 试验结果与分析 210

6.5 渤海JZ20-2MUQ平台结构AMD控制系统设计、分析与试验 211

6.5.1 平台结构设计参数与计算模型 211

6.5.2 系统参数分析与设计 215

6.5.3 冰振与地震反应分析 216

6.5.4 AMD控制试验 219

6.6 工程应用 223

6.6.1 日本Otis Shibyama高层建筑AMD控制系统 223

6.6.2 南京电视塔AMD控制系统 231

第7章 结构主动变刚度控制系统 236

7.1 结构主动变刚度控制的基本原理 236

7.1.1 基本原理与力学模型 236

7.1.2 控制系统的动力特性 239

7.2 主动变刚度控制装置 240

7.2.1 主动变刚度控制装置 240

7.2.2 主动变刚度TMD装置 241

7.2.3 被动变刚度控制装置 242

7.3 结构主动变刚度控制算法与反应分析 243

7.3.1 Bang-Bang（ON/OFF）控制算法 244

7.3.2 其他控制算法 246

7.3.3 结构主动变刚度控制系统的反应分析 247

7.4 日本Kajima三层办公楼的主动变刚度控制系统 252

第8章 结构主动变阻尼控制系统 258

8.1 结构主动变阻尼控制原理 258

8.1.1 基本原理 258

8.1.2 控制系统的动力特性 262

8.2 主动变阻尼控制装置与计算模型 264

8.2.1 控制装置的基本构造 264

8.2.2 控制装置的计算模型 264

8.3.1 半主动控制算法 269

8.3 结构主动变阻尼控制算法、反应分析和试验方法 269

8.3.2 反应分析 271

8.3.3 试验方法 282

8.4 结构主动变阻尼控制系统的工程应用 285

8.4.1 日本Kajima五层办公楼主动变阻尼控制系统 286

8.4.2 美国Ⅰ-35桥梁结构主动变阻尼控制系统 290

第9章 结构磁流变阻尼控制系统 296

9.1 磁流变液及其装置的发展概况 296

9.2 磁流变液 303

9.2.1 流变机理 303

9.2.2 本构关系 304

9.2.3 制备 306

9.3 磁流变液阻尼器及其力学特性 309

9.3.1 平板间磁流变液流动的计算理论 310

9.3.2 阻尼力计算模型 313

9.3.4 阻尼力特性 316

9.3.3 阻尼力参数影响 316

9.3.5 200kN足尺磁流变液阻尼器性能试验 319

9.4 磁流变液阻尼器的磁路设计与控制器设计 322

9.4.1 磁路设计 322

9.4.2 控制器设计 324

9.5 结构振动的磁流变阻尼控制反应分析 326

9.5.1 受控系统基本模型 326

9.5.2 半主动控制算法 328

9.5.3 结构磁流变阻尼控制的反应分析 330

9.5.4 结构磁流变阻尼隔震的反应分析 334

9.6 渤海JZ20-2MUQ平台结构磁流变阻尼隔振设计与分析 340

9.6.1 平台结构磁流变阻尼隔振系统及其简化计算模型 341

9.6.2 隔振层参数设计与反应分析 342

9.7 斜拉索磁流变阻尼控制与工程应用 346

9.7.1 计算模型 347

9.7.2 系统反应的模态分析方法 349

9.7.3 阻尼器参数设计与半主动控制算法 352

9.7.4 山东滨州黄河公路大桥斜拉索磁流变阻尼控制系统设计与反应分析 354

9.7.5 洞庭湖大桥斜拉索磁流变阻尼控制系统 360

第10章 结构压电驱动和压电变摩擦阻尼控制系统 364

10.1 压电陶瓷及其驱动器的发展概况 364

10.2 压电陶瓷 369

10.2.1 压电机理 369

10.2.2 本构关系 369

10.2.3 主要性能参数 371

10.2.4 制备 373

10.3 压电陶瓷驱动器 373

10.3.1 分类 373

10.3.2 制备 376

10.4 结构振动的压电陶瓷驱动控制 378

10.4.1 单片式压电陶瓷驱动控制 378

10.4.2 多层式压电陶瓷驱动控制 380

10.5.1 阻尼器的构造与阻尼力模型 382

10.5 压电变摩擦阻尼器 382

10.5.2 性能试验 385

10.5.3 规格化设计 389

10.6 结构振动的压电变摩擦阻尼控制 390

10.6.1 受控系统模型 390

10.6.2 反应分析 391

第11章 结构形状记忆合金（SMA）驱动和阻尼控制系统 395

11.1 SMA及其智能系统的发展概况 396

11.2 SMA的热弹性马氏体相变 403

11.2.1 SMA的基本功能特性 403

11.2.2 SMA的热弹性马氏体相变机理 404

11.3 SMA本构模型 406

11.3.1 恒温拉伸SMA的超弹性特性简化本构模型 409

11.3.2 SMA受限回复力模型 411

11.4.1 SMA阻尼器及其力学模型 412

11.4 SMA阻尼器与被动耗能减振系统 412

11.4.2 结构被动SMA阻尼系统的反应分析 414

11.5 结构损伤的SMA智能控制系统 417

11.5.1 钢筋混凝土梁损伤的SMA筋控制分析 417

11.5.2 钢筋混凝土梁损伤的SMA筋控制的有限元分析实例 418

第12章 结构主动、半主动与智能控制系统设计方法 421

12.1 结构主动控制系统的最优控制力设计与分析 422

12.1.1 主动控制系统的最优控制力设计 422

12.1.2 主动最优控制力和受控反应特征分析 423

12.1.3 20层钢结构抗震Benchmark模型 429

12.1.4 76层钢筋混凝土结构风振Benchmark模型 438

12.2 结构主动变阻尼和智能阻尼控制系统的最优控制力设计与分析 448

12.2.1 半主动最优控制力设计 449

12.2.2 系统反应分析 453

12.3.1 主动变刚度最优控制力设计 454

12.3 结构主动变刚度控制系统的最优控制力设计与分析 454

12.3.2 系统反应分析 457

12.4 结构被动耗能减振系统的最优阻尼力设计与分析 458

12.4.1 被动线性黏滞阻尼系统的最优阻尼力设计与反应分析 458

12.4.2 被动摩擦阻尼系统的摩擦力设计与反应分析 460

12.5 20层钢结构抗震Benchmark模型的各种半主动控制力设计、分析与比较 461

12.5.1 主动变阻尼控制系统（兼含被动线性黏滞阻尼系统） 461

12.5.2 磁流变阻尼控制系统 467

12.5.3 被动摩擦阻尼系统 473

12.5.4 主动变刚度控制系统 476

12.6 76层钢筋混凝土结构风振Benchmark模型的各种最优控制力设计、分析与比较 482

12.6.1 主动变阻尼控制系统（兼含结构线性黏滞阻尼系统） 482

12.6.2 磁流变阻尼控制系统 486

附录 结构振动控制的Benchmark问题 490

A.1 建筑结构振动控制Benchmark发展的第一阶段 491

A.1.1 ATS控制模型 492

A.1.2 AMD控制模型 493

A.1.3 评价指标 494

A.1.4 阶段成果 494

A.2 建筑结构振动控制Benchmark发展的第二阶段 495

A.2.1 地震作用Benchmark模型及其评价指标 496

A.2.2 风振控制Benchmark模型及其评价指标 501

A.2.3 阶段成果 505

A.3 建筑结构振动控制Benchmark发展的第三阶段 506

A.3.1 地震作用非线性Benchmark模型及其评价指标 506

A.3.2 风振控制Benchmark模型及其评价指标 515

A.3.3 阶段成果 516

A.4 其他结构振动控制Benchmark的发展 517

A.4.1 桥梁结构Benchmark模型 517

A.4.2 隔震结构Benchmark模型 519

参考文献 520