[發明專利]基于在線支持向量機的建筑結構地震反應智能控制設計方法

有效

• 申請號: 201110460890.0
• 申請日: 2011-12-31
• 公開（公告）號: CN102866631A
• 公開（公告）日: 2013-01-09
• 發明（設計）人: 談德勤;董鵬;李澤;史堅;李春祥
• 申請（專利權）人: 上海綠地建設(集團)有限公司;上海大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及的是建筑結構抗震技術領域，具體地說，是使用支持向量機這種人工智能技術來建立建筑結構地震反應智能控制系統的一種設計方法。

背景技術

目前，磁流變(MR)阻尼器是國內外廣泛研究的各種耗能阻尼器中應用前景較好的一種阻尼器。MR阻尼器中的流體由非導磁性液體和均勻分散于其中的高磁導率、低磁滯性的微小軟磁性顆粒組成。在磁場作用下，該液體可以在毫秒級時間內快速、可逆地由流動性良好的牛頓流體轉變為高黏度、低流動性的Bingham塑性固體。當線圈內電流增大時，節流孔內磁場就會增強，磁流變液流過節流孔的阻力隨之增大，使得MR阻尼器輸出的阻尼力增大；反之，電流減小，阻尼力也減小。因此，通過調節輸入電流，即可控制MR阻尼器阻尼力的大小。這種MR阻尼器具有結構簡單、阻尼力連續逆順可調，并且可調范圍大、響應快、良好的溫度穩定性以及可與計算機控制結合等優良特性。

現有結構振動半主動控制方法大多采用二次型調節器(LQR)最優主動控制方法完成對結構最優半主動控制力的計算。基于LQR的半主動控制方法具有一定的控制效果，得到廣泛使用。然而，在實際工程中，由于實際結構的自由度數目很大，在全部自由度上布置傳感器是很困難的，同時，傳感器與數據采集系統總是受到周圍環境噪聲的影響。所以說，獲取測量系統的全部狀態變量往往是不現實的，也是不經濟的，故采用新的控制方法解決以上問題，并進一步優化結構振動反應控制效果已經變得越來越重要。

支持向量機(SVM)是由Vapnik在統計學習理論的基礎上建立起來的一種非常有力的機器學習方法，是一種新穎的人工智能技術。SVM最初是用于模式識別，目前在信號處理、系統辨識與建模、先進控制和軟測量等領域都得到了廣泛的應用。在解決小樣本、非線性及高維模式識別問題中表現出許多特有的優勢，已應用于手寫體識別、三維目標識別、人臉識別、文本圖像分類等實際問題中，性能優于已有的學習方法，表現出良好的學習能力。與人工神經網絡相比，SVM能夠很好地克服前者訓練時間長、訓練結果存在隨機性和過學習等不足。而且，SVM是從線性可分情況下的線性分類面發展而來的，接著利用核函數很好地解決了非線性可分情況。

發明內容

本發明采用帶有Kalman濾波器的線性二次型高斯(LQG)最優主動控制方法計算結構的最優主動控制力。首先，通過Kalman濾波器對建筑結構的全狀態信息進行估計以便動態地完成對結構完整狀態信息的構建。然后，通過LQG最優控制方法計算出主動控制力，并以該主動控制力為目標，設計磁流變(MR)阻尼器的出力，最先建立傳統的基于LQG結構半主動智能控制系統(即結構-MR阻尼器控制系統)。接著，執行SVM控制器對最優主動控制力的學習、預測和訓練功能，建立本發明的核心部分-基于在線支持向量機的結構半主動智能控制系統(即結構-SA-SVM-MR阻尼器控制系統)設計方法。采用該設計方法設計的智能控制系統消除了基于LQG結構-MR阻尼器控制系統中地震加速度反應放大的現象，并考慮了控制系統本身的時滯，從而對結構位移、速度、加速度地震反應都有很好的控制效果。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

上述基于在線支持向量機的建筑結構地震反應智能控制設計方法實施步驟如下：①為保證結構整體能量最小，采用LQG最優主動控制方法實時計算在地震作用下建筑結構的最優主動控制力。②考慮到由于環境噪聲或由于自由度數目過大造成的狀態采集不完整的情況，使用帶有Kalman濾波器的觀測器對結構狀態進行狀態估計，根據Kalman濾波器得到的結構狀態數據計算結構最優主動控制力。利用得到的最優主動控制力來設計MR阻尼器的實時變阻尼，計算出MR阻尼器的實時半主動阻尼控制力，從而建立結構-MR阻尼器控制系統。③通過在該控制系統中植入SVM控制器，并依托它的學習、訓練和預測功能來預測受控結構的最優主動控制力，建立基于在線SVM的結構半主動智能控制系統(即結構-SA-SVM-MR阻尼器控制系統)，實現對建筑結構的半主動智能控制。結構-SA-SVM-MR阻尼器控制系統設計方法的實施性步驟如下：

第一步：選定建筑結構模型，采集輸入到結構的地震波數據，并對結構進行地震反應分析。將結構地震反應代入線性二次型高斯(LQG)主動控制器，計算出該受控結構所需的最優主動控制力。

第二步：根據建筑結構預定的地震反應控制水平，對多層及高層建筑結構的每個樓層安裝若干個磁流變(MR)阻尼器，并利用第一步中計算出的最優控制力為目標力確定磁流變(MR)阻尼器的模型參數，設計結構半主動(SA)智能控制系統(即傳統的結構-MR阻尼器控制系統)。