邻接高耸结构的随机最优控制

文基于随机动态规划原理与随机平均法，提出耦合相邻高耸结构的随机最优控制方法。先建立任意层数并在任意层高处控制联接的耦合结构的缩聚模型，再运用随机平均法导出关于模态能量的It6随机微分方程，应用随机动态规划原理建立动态规划方程，由此可确定最优控制律。将结构的响应控制化为模态能量控制，缩减控制系统的维数。用高斯随机过程模拟地震激励，可计及其功率谱特性。数值结果表明该耦合结构控制方法的有效性。     

地震激励下20层钢结构基准模型的非线性随机最优控制

建筑结构基准问题常用来比较各种振动控制策略的优劣。运用基于拟哈密顿系统随机平均法与随机动态规划原理的非线性随机最优(NSO)控制策略,研究了地震激励下20层钢结构基准模型的振动控制。建立基准模型的系统运动方程,通过模态变换转换到模态坐标下进行研究。由于结构的状态只有部分是可观测的,可通过分离原理将部分观测问题转化成完全可观测问题,由Kalman滤波方法得到系统状态的条件均值。运用拟可积Hamil-ton系统随机平均法得到随机平均方程,对部分模态进行控制求解。通过求解动态规划方程得到非线性的最优控制力,对结构的响应进行控制。将NSO控制得到的性能评价指标与线性二次型高斯(LQG)最优控制得到的评价指标进行对比,发现该非线性随机最优控制策略更加有效。     

宽带激励下非线性振动系统响应的最小化控制

将一种基于广义谐和函数的随机平均法和随机动态规划原理相结合，提出了一种非线性随机最优控制方法，可以为受宽带激励的单自由度强非线性振动系统设计最优控制规律，以使得系统的稳态响应最小化。方法中的随机平均法用来得到受控系统位移幅值的Ito随机微分方程；用随机动态规划原理为系统稳态响应最小化建立动态规划方程；在控制力为有界的条件下，从动态规划方程中可以导出最优控制规律；通过求解FPK方程得到受控系统的响应。本文用一个具体的例子阐述了这一控制方法的实施过程。     

基于随机平均的非线性随机最优控制

首先建立非线性随机系统的最优控制问题,并介绍通过随机平均法导出平均系统、再由随机动态规划原理确定控制律的平均系统的非线性随机最优控制方法。然后,对于非线性随机系统的动态规划方程,提出应用随机平均法简化该方程、从而得到最优平均控制律的方法,并证明该最优平均控制律等价于平均系统的最优控制律。最后用一个例子说明方法及等价性,并指出在一定条件下,最优平均控制律将是动态规划方程的精确解。     

球对称压电壳的随机最优控制

分析研究球对称压电壳在边界随机激励下的最优控制问题。给出压电壳的机电动力学方程、应力和电位移表达式,建立其随机最优控制问题方程;通过电势积分转化为机械振动控制方程。通过位移变换和Galerkin法,导出关于模态位移的多自由度振动最优控制方程。根据随机动态规划原理,建立HJB方程,得到压电壳的最优控制电势;并给出受控壳系统的频响函数、响应谱密度和相关函数等表达式,以计算其随机响应。最后给出数值结果,显示压电壳的随机最优控制效果。     

拉索非线性随机振动的最优有界半连续控制

研究斜拉索非线性随机振动的最优有界半连续控制。建立受控拉索的横向非线性运动方程,运用伽辽金法推导多模态耦合的振动方程;考虑控制力的有界性,建立多自由度非线性索系统的随机最优控制问题方程,应用随机平均法、动态规划原理与变分原理确定HJB方程并得到最优有界半连续控制律,最后通过数值结果说明该最优控制对于斜拉索非线性随机振动能够达到较好的实际控制效果。     

不确定性拉索非线性随机振动的最优控制

为实施不确定性斜拉索非线性随机振动的最优控制,建立受控拉索的横向非线性运动方程,运用伽辽金法推导多模态耦合的振动方程。同时,考虑系统的不确定参数,建立不确定性系统的随机最优控制问题。随后,应用随机平均法、微分对策理论与动态规划方法确定HJI方程并得到极大极小控制律,最后通过数值结果说明该最优控制对于斜拉索非线性随机振动能够达到较好控制效果。     

迟滞的磁流变阻尼器的随机最优控制力

用Bouc-Wen迟滞模型描述磁流变阻尼器的动力学特性,分离阻尼器控制力的半主动部分和被动部分,被动部分结合到受控系统.先将该系统变换成等价的非迟滞的非线性随机控制系统,再运用随机平均法导出关于能量的It随机微分方程.根据随机动态规划原理,建立控制总能量的动态规划方程,并由此确定非clip的最优控制力.最后通过数值结果表明该控制力的有效性.     

多自由度一般积分型粘弹性阻尼减震结构的 随机响应与等效阻尼

该文对任意多自由度带支撑一般积分型粘滞和粘弹性阻尼器减震结构的随机响应与等效阻尼比的解析分析法进行了系统研究。首先建立了结构一般运动方程;然后将运动方程化为振型广义坐标的微分和积分混合地震响应方程组;继而基于多自由度随机平均法理论,获得了结构随机平均Itô方程组的解析式,推导出耗能结构各振型振子的振幅与相位瞬态联合概率密度函数、位移与速度瞬态联合概率密度函数、位移与速度瞬态响应方差的一般解析解;最后,基于与多自由度随机平均法分析完全相同的等效准则,建立了耗能结构各振型等效阻尼比的一般解析式,并根据CQC和SRSS组合方法,建立了耗能结构随机地震响应方差的解析式,给出了带支撑广义Maxwell阻尼器和广义微分模型阻尼器减震结构随机响应和各振型等效阻尼比的一般解析式,通过与一些典型问题的模态应变能法的计算精度对比分析,表明了所提方法的有效性,使耗能结构可直接应用反应谱法进行设计,从而建立了带支撑任意线性粘滞和粘弹性阻尼器一般耗能结构随机响应与特性等效阻尼分析的完备解析解法。     

基于非线性随机最优控制的大跨度斜拉桥地震响应Benchmark问题研究

大跨度斜拉桥Benchmark问题的振动控制研究是当前国际结构控制研讨会的重要议题之一。以美国Bill Emerson Memorial斜拉桥第二阶段Benchmark模型为研究对象,在非线性随机动力学与控制的拟哈密顿理论体系框架下,运用基于随机平均法和随机动态规划原理的非线性随机最优（NSO）控制策略,对地震作用下的Benchmark模型进行MATLAB仿真分析。将最优控制力和性能评价指标与线性二次型Gauss（LQG）控制的计算结果进行对比,得出非线性随机最优控制策略能够更加有效地抑制斜拉桥的地震响应,提高结构的动力稳定性和抗震能力,具有更好的控制效果,对实际桥梁工程的振动控制具有较强的指导意义和适用价值。     

Nonlinear stochastic optimal control of Preisach hysteretic systems

The nonlinear stochastic optimal control of Preisach hysteretic systems is studied, and the control procedure is illustrated with an example of the single-degree-of-freedom Preisach system. The Preisach hysteretic system subjected to a stochastic excitation is first replaced by an equivalent non-hysteretic nonlinear stochastic system with displacement-amplitude-dependent damping and stiffness, by using the generalized harmonic balance technique. Then, the relationship between the displacement amplitude and total system energy is established, and the equivalent damping and stiffness coefficients are expressed as functions of the system energy. The averaged Itô stochastic differential equation for the system energy as one-dimensional controlled diffusion process, is derived by using the stochastic averaging method of energy envelope. For the semi-infinite time-interval ergodic control, the dynamical programming equation is obtained based on the stochastic dynamical programming principle, and is solved to yield the optimal control force. Finally, the Fokker–Planck–Kolmogorov equation associated with the averaged Itô equation is established, and the stationary probability density of the system energy is obtained, from which the variances of the controlled system response and the optimal control force are predicted and the control efficacy is evaluated. Numerical results show that the proposed control strategy for Preisach hysteretic systems is very effective and efficient.     

Semi-active control of wind excited building structures using MR/ER dampers

A semi-active control strategy for building structures subject to wind loading and controlled by MR/ER dampers is proposed. The power spectral density (PSD) matrix of the fluctuating part of wind velocity vector is diagonalized in the eigenvector space. Each element of the diagonalized PSD matrix is modeled as a set of second-order linear filter driven by white noise. A Bingham model for MR/ER dampers is used. The forces produced by MR/ER dampers are split into passive and active parts and the passive part is combined with structural damping forces. A set of partially averaged Itô equations for controlled modal energies are derived by applying the stochastic averaging method for quasi-integrable-Hamiltonian systems. The optimal control law is then determined by using the stochastic dynamical programming principle and the cost function is so selected that the optimal control law can be implemented by the MR/ER dampers. The response of semi-active controlled structures is predicted by using the reduced Fokker–Planck–Kolmogorov equation associated with fully averaged Itô equations of the controlled structures. A comparison with clipped linear quadratic Gaussian (LQG) control strategy, for an example, shows that the proposed semi-active control strategy for MR/ER dampers is superior to clipped LQG control strategy.     

Optimal bounded control of harmonically and stochastically excited strongly nonlinear oscillators

A procedure for designing optimal bounded control to minimize the response of harmonically and stochastically excited strongly nonlinear oscillators is proposed. First, the stochastic averaging method for controlled strongly nonlinear oscillators under combined harmonic and white noise excitations using generalized harmonic functions is introduced. Then, the dynamical programming equation for the control problem of minimizing response of the systems is formulated from the partially completed averaged Itô equations by using the dynamical programming principle. The optimal control law is derived from the dynamical programming equation and control constraint without solving the dynamical programming equation. Finally, the stationary probability density of the amplitude and mean amplitude of the optimally controlled systems are obtained from solving the reduced Fokker–Planck–Kolmogorov equation associated with fully completed averaged Itô equations. An example is given to illustrate the proposed procedure and the results obtained are verified by using those from digital simulation.     

利用连接装置控制两相邻结构的地震动响应

运用连接单元来减小平行结构的振动一直是结构振动控制领域的重要课题，该文将两行结构简化为两单自由度体系，用Voigt粘弹性阻尼器模型表示被动的连接单元，运用Kuhn-Tucker优化原理导出了在地面随机激励下被动连接单元的优化刚度和阻尼值的一般表达式，优化控制目标是在保证两平行结构的平均振动能量均得到控制的条件下，使两平行结构的总平均振动能量为最小，研究表明优化刚度和阻尼值仅与两平行结构的相对自振频率和相对质量有关；同时，一实际平行结构在频率域和时间域的数值结果说明了这种被动的控制方法能够非常有效地减小在地震作用下相邻两平行结构的振动响应。     

最优有界控制下色噪声驱动多时滞拟线性系统瞬态响应

基于Fokker-Planck-Kolmogorov方程瞬态求解研究了受最优有界控制的色噪声驱动的多时滞拟线性系统的瞬态响应。利用等价变换将时滞系统转化为非时滞系统。在弱扰动假设下应用标准随机平均法得到振幅过程的部分平均It?随机微分方程。由动态规划原理和控制力界值条件得到最优有界控制率从而得到完全平均的Fokker-Planck-Kolmogorov方程。通过原系统的退化线性系统导出一组正交基并在该基空间内进行Galerkin变分得到近似瞬态响应。最后将该方法应用到受最优有界控制率和色噪声共同作用的时滞Duffing-Van Der Pol振子进行理论求解并综合讨论了色噪声、时滞、控制力和共振对系统瞬态响应的影响,采用Monte-Carlo模拟验证了所有理论和计算结果的正确性。