[发明专利]桥墩-磁流变支座隔振系统的半主动预测控制方法

权利要求书

1.一种桥墩-磁流变支座隔振系统的半主动预测控制方法，所述桥墩-磁流变支座隔振系统主要由桥面、磁流变支座、桥墩、地基、冲击载荷发生器、位移传感器、加速度传感器及控制器组成；其特征在于：所述控制器基于半主动预测控制算法，采用滚动优化的思想实时改变控制电流，通过电流改变磁场来调节磁流变支座的参数，使支座产生的控制力不断逼近最优控制力，所述半主动预测控制算法具体包括以下步骤：

S1建立桥墩-支座系统在冲击载荷作用下的振动方程；根据传感器采集到的梁体位移、速度、加速度信息，同时考虑系统中所存在的滞后时间，将振动方程写入状态空间，建立冲击载荷作用下隔振系统的状态方程；

S2将冲击载荷作用下桥墩-支座隔振系统的状态方程进行离散化；

S3建立桥墩-支座隔振系统半主动预测模型；

S4选择桥墩-磁流变支座隔振预测控制系统的性能指标；

S5求桥梁隔振系统的最优控制作用力。

2.根据权利要求1所述的一种桥墩-磁流变支座隔振系统的半主动预测控制方法，其特征在于：步骤S1中，所述振动方程为：其中，M,C和K分别为桥梁结构n×n的质量、阻尼、刚度矩阵；t为振动持续时间；和x(t)分别为系统相对于地面的加速度、速度和位移反应向量；u(t)为r维控制力向量；为地震地面运动加速度向量，F＝-MI₁，I₁为单位列向量；E为n×r维支座位置指示矩阵。

3.根据权利要求2所述的一种桥墩-磁流变支座隔振系统的半主动预测控制方法，其特征在于：在步骤S1中，隔振系统的状态方程为：其中z(t)为2n维状态向量；A为2n×2n系统矩阵；B为2n×r维磁流变支座位置指示矩阵；W为表示振动冲击作用的2n维向量，它们分别为：

其中表示状态导数向量，I_n为n维单位矩阵。

4.根据权利要求3所述的一种桥墩-磁流变支座隔振系统的半主动预测控制方法，其特征在于：所述步骤S2具体为：

通过设置采样周期Δt，当前采样时刻t＝k，系统滞后时间τ_d＝dΔt,(d＝1,2...)，控制力向量u(t)，及地震地面运动加速度向量将冲击载荷作用下桥墩-支座隔振系统的状态方程进行离散化：其中G＝e^AΔt为2n×2n维状态矩阵；H＝A^-1(e^AΔt-I)B为2n×r维控制矩阵；W₁＝A^-1(e^AΔt-I)W为2n维振动作用向量；地震地面运动加速度离散向量，z(k)为状态离散向量，z(k+1)为状态导数离散向量，I表示单位列向量，u(k-d)为d步滞后控制力向量。

5.根据权利要求4所述的一种桥墩-磁流变支座隔振系统的半主动预测控制方法，其特征在于：步骤S3中，桥墩-支座隔振系统半主动预测模型为：

将步骤S2所述系统状态方程作为源方程，定义桥墩-支座隔振系统状态预测模型为：模型通过在每一时刻k自动更新,即在采样时刻k假定理想状态向量z_r(k)，当j＝1,2，...d+l，将上述控制序列代入状态预测模型可得到隔振桥梁半主动预测模型：

其中：j为采样步数，k为当前采样时刻，l表示预测长度，d表示滞后时间步数，表示k时刻预测的k+j时刻的状态，表示k时刻预测的k+j-1时刻的状态，表示k时刻的预测控制序列，u(k-j)表示每一时刻更新后的控制序列。

6.根据权利要求1所述的一种桥墩-磁流变支座隔振系统的半主动预测控制方法，其特征在于：性能指标为式中k为当前采样时刻，l表示预测长度，d表示滞后时间步数，Q和R分别为2n×2n维和r×r维权矩阵，假定预测时段内支座的控制力相等，即将此方程代入步骤S3中半主动预测模型的最后一个方程，得出其中：u(k-1)^T表示前一时刻控制序列的转置矩阵；H₁和H₂均表示预测模型转换矩阵；G₁表示d+l时刻的状态矩阵。

7.根据权利要求1所述的一种桥墩-磁流变支座隔振系统的半主动预测控制方法，其特征在于：最优控制作用力u(k)为,式中：k为当前采样时刻，l表示预测长度，d表示滞后时间步数，U_k＝[u(k-1)^T,u(k-2)^T,...u(k-d)^T]^T，D₁＝D₃G₁D₂＝D₃H₁D₃＝(H₂^TQH₂+R)^-1H₂^TQ,其中D₁和D₃均为状态反馈增益矩阵；D₂乘以U_k对整个桥墩-支座隔振控制系统起到时滞补偿的作用。