本文提出了一种带有时滞补偿的随机最优半主动控制方法（SOSC-PSO），旨在维持由MR阻尼器控制的结构的可靠性。
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本文内容
摘要
摘要
磁流变（MR）阻尼器在半主动控制系统中的应用面临一个关键挑战：由反馈过程引起的时间延迟，这会降低土木工程结构在随机激励下的可靠性。本文提出了一种带有时滞补偿的随机最优半主动控制方法（SOSC-PSO），基于物理随机最优控制理论（PSO）来解决这一问题，以维持结构的可靠性。该方法将半主动控制力表示为当前状态和先前状态的函数，从而补偿控制过程中的时间延迟。为了优化控制效果，关键参数根据系统的可靠性准则进行调优。在随机地震激励下对单自由度和多自由度结构进行的验证分析表明，时间延迟显著削弱了MR阻尼器的控制性能。然而，采用时滞补偿的SOSC-PSO方法显著提升了控制效果，且通过参数优化，其结构控制系统的可靠性优于未进行参数优化的方法。
引言
在面对地震和极端风力等灾难性事件时，提升工程结构的性能仍是土木工程领域的主要关注点。结构控制是一种有效的减振技术，已被证明能够提高此类结构的安全性和功能性1,2,3。在过去几十年中，为此已开发出多种先进方法和技术。根据驱动控制装置所用能量类型的差异，这些方法大致可分为四类：主动控制、半主动控制、被动控制和混合控制系统4,5,6,7。
在主动控制中，所需的控制力通过控制装置直接施加，这需要消耗大量能量8,9,10。而半主动控制则通过控制信号调节控制装置的性能参数（如阻尼或刚度），与主动系统相比所需能量显著减少11。相比之下，被动控制不依赖外部能量输入，而是依靠系统内部的能量耗散机制
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方案
1. 随机最优半主动控制方法
由于磁流变阻尼器的控制效果受不可避免的时间延迟显著影响，本文提出了一种带有时间延迟补偿算法的半主动控制方法，以提高受控结构的性能。此外，外部激励 inherent 的随机性导致动力响应存在明显不确定性。引入粒子群优化（PSO）控制方法，以优化所提方法的关键参数，确保结构控制系统的可靠性。
1.1 半主动控制的补偿算法
不失一般性，考虑一个受随机激励作用的 n 自由度（n-DOF）结构，该结构由存在时间延迟的磁流变阻尼器进行控制，其运动方程如下所示：
（1）
其中，
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结果
针对时间延迟对基于磁流变阻尼器控制方法效果的影响，本文提出了一种带有时间延迟补偿的半主动控制方法。在所提出的方法中，关键参数基于可靠性准则进行优化。通过对比控制效果，得出以下结论：
（1）基于磁流变阻尼器的半主动控制方法比主动控制方法更具鲁棒性。即使存在时间延迟，半主动控制系统仍能实现一定的控制效果，而不会导致失稳。
（2）采用磁流变阻尼器的半主动控制方法的控制效果受时间延迟影响显著，且随时间延迟呈现出周期性波动的特征。
（3）采用时间延迟补偿后，半主动控制结构的可靠性显著提高，不确定性降低。
（4）通过优化所提出的半主动控制方法的关键参数，结构控制系统实现了对不同响应的均衡最优可靠性。
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讨论
随着物理随机最优控制理论（PSO）的引入，本文提出了一种带有时滞补偿的随机最优半主动控制方法（SOSC-PSO），旨在维持由磁流变阻尼器控制结构的可靠性。为补偿该方法中的时滞效应，半主动控制力不仅表示为当前状态的函数，还表示为离散状态空间中前若干时间步的状态和控制力的函数。为了实现最优的控制效果以提升可靠性，SOSC-PSO方法中的关键参数基于结构控制系统的可靠性准则进行优化。
为验证该方法，研究了在随机地震激励下、由磁流变阻尼器控制的单自由度和多自由度结构。分析结果表明，时间延迟会显著降低磁流变阻尼器的控制效果。然而，若采用包含时间延迟补偿的合理设计的半主动控制方法，则可大幅提高控制效果。此外，通过优化参数，与未进行参数优化的方法相比，SOSC-PSO 方法可进一步提升结构控制系统的可靠性。
基于磁流变阻尼器的半主动控制方法由于反馈过程存在时间延迟，导致在随机激励作用下的土木工程结构可靠性下降。本研究有助于提高磁流变阻尼器控制结构的可靠性，可应用于承受地震或强风作用的工程结构。此外，在实际结构中实施此类控制系统时，不存在潜在.......
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披露
所有作者均无利益冲突需要声明。
致谢
作者谨此感谢河北省自然科学基金（资助号：E2023210007）的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| MATLAB | MathWorks | 2016 | 用于所提出方法的计算 |
参考文献
- Yao, J. T. P. Concept of structural control. J Struct Div. 98 (7), 1567-1574 (1972).
- Liu, J., Silva, C. E., Dyke, S. J., Wu, Y., Liu, H. Using real-time hybrid simulation for active mass damper experimentation and validation. Mech Mach Theory. 191, 105474(2024). ....
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