半主動結構控制（Semi-active structural control）是藉助少許能量調節控制裝置、通過改變振動體系剛度或阻尼特性實施反饋控制的技術。半主動控制亦稱參數控制，其反饋控制原理與主動控制相同；然而，它並不直接向受控結構輸入強大的機械能，控制裝置一般為參數可調的被動裝置。
半主動結構控制有變剛度控制、變阻尼控制和變摩擦控制等多種。一些文獻中常將半主動控制稱為主動變剛度（或變阻尼）控制。
半主動控制不需要大鼓外部能源的輸入來直接提供控制力，只是實施控制力的作動器需要少量的能量調節以便使其主動地利用結構振動的往復相對變形或速度，儘可能地實現主動最優控制力。
基本介紹
- 中文名：半主動結構控制
- 外文名：Semi-active structural control
- 涉及學科：信息科學
- 套用：自動化
- 分類：變剛度控制、變阻尼控制等
- 特點：不需要大鼓外部能源的輸入
背景,特點和不足,簡介,半主動結構控制中模型算法控制的實現,常見的半主動結構控制系統,
背景
結構振動控制是減小在地震和風荷載作用下結構物回響的有效措施。結構振動控制包括四種形式：主動控制、被動控制、混合控制和半主動控制。目前，被動控制的研究成果已經廣泛地套用於工程實際中，主動控制也已從理論研究步人工程實踐。
隨著研究的深人，人們開始探索一些新的結構振動控制方法，半主動結構振動控制引起了人們越來越多的注意。智慧型控制的理論研究和套用已經引起了人們的高度重視，如模糊控制、專家系統、神經網路、遺傳算法等都得到了廣泛的套用。
與傳統的控制方法相比，智慧型控制可以更好地處理和解決結構振動控制中的時滯、魯棒以及結構的非線性等問題。本文著重討論變阻尼半主動結構控制，提出了基於RDRNN的變阻尼半主動結構控制遺傳算法，套用多輸人多輸出動態遞歸神經網路模型RDRNN預測結構的回響，利用遺傳控制算法進行變阻尼控制力尋優，實現了結構振動的變阻尼半主動最優控制。結構控制遺傳算法，套用“染色體”字元串表示控制力，並在字元串轉換為控制力的過程中考慮了變阻尼半主動控制力的不等式約束條件，通過“複製”、“交叉”和“變異”等操作，依據適應度函式來判斷控制力的優劣，搜尋最優控制力。
特點和不足
半主動結構控制的特點是在不需要外部能源輸人的情況下，控制裝置能夠依據結構的反應信息或外界荷載的激勵信息主動地調節控制裝置的工作狀態以減小結構回響。與主動控制相比，由於不需要外部能源輸人，因而避免了主動控制成本較高、系統工作的可靠性較難保證的缺點。不足之處是半主動控制的實現受到一些約束條件的限制，將已有的主動控制算法直接套用於半主動控制中並不適合。實現變阻尼半主動最優控制，並同時滿足半主動控制力的約束條件，是一個急待解決的間題，世界各國的科學家正在進行相關的試驗研究和理論探索。
簡介
圖1 半主動變剛度裝置半主動控制是藉助少許能量調節控制裝置、通過改變振動體系剛度或阻尼特性實施反饋控制的技術。半主動控制亦稱參數控制，其反饋控制原理與主動控制相同；然而，它並不直接向受控結構輸入強大的機械能，控制裝置一般為參數可調的被動裝置。半主動控制有變剛度控制、變阻尼控制和變摩擦控制等多種。一些文獻中常將半主動控制稱為主動變剛度（或變阻尼）控制。
圖3 基底隔震建築圖1所示變剛度裝置是設定在受控結構層間的一個變孔流體阻尼器。液壓缸旁通迴路上設有電磁閥開關。液壓缸缸體由水平剛度為K的斜撐支撐於樓層下部；液壓缸的活塞桿則與樓層上部固定連線。在水平地震動作用下，受控結構層間發生相對運動。此時，若調節電磁閥開關處於開啟狀態，液壓缸內的油將由活塞帶動經旁通迴路自由流動，結構層間剛度不變。在忽略液流阻力的情況下，液壓缸和支撐對結構振動沒有影響；若考慮液流阻力，液壓缸可視為阻尼器。相反，若調節電磁閥開關處於閉鎖狀態，由於油液不可壓縮，活塞在液壓缸內不能移動，此時結構層間必然增加水平剛度K。這樣，只須按某種控制策略調節電磁閥的啟閉狀態，就可令結構體系線上改變剛度，達到控制地震反應的目標。電磁閥啟閉所需的能量很小、可由電池供給。
圖4 隔震橋樑圖2所示變阻尼裝置是設定在結構層間的可調磁流變液阻尼器。
圖2 半主動變阻尼裝置當結構層間發生相對運動時，缸體中的磁流變液將經旁通迴路流動。改變旁通迴路勵磁線圈的磁場強度，磁流變液的性態將發生變化，產生不同的阻尼效應。故可根據控制體系的實測狀態、按照某種控制算法調節磁場強度，增加阻尼耗能，達到減振目的。
半主動結構控制中模型算法控制的實現
模型算法控制是在工業實踐過程中獨立發展起來的。其基本思想是先預測系統未來的輸出狀態，再去確定當前時刻的控制動作，即先預測，後控制，所以它明顯優於先有信息反饋，再產生控制動作的經典反饋控制系統。它使用的是工業上易於獲得的脈衝回響參數模型，線上反覆最佳化計算、滾動實施，採用模型誤差反饋進行校正，從而使得由於模型失配、時變、干擾等引起的不確定性得到補償。適用於存在時滯、非線性、多輸入多輸出等特點的複雜系統。
半主動結構控制是當今土木工程結構控制研究領域的前沿課題之一。該控制系統一般以被動控制為主體，僅需要少量能量用於改變控制系統的參數或工作狀態，以適應系統對最優狀態的跟蹤，其主要內容有主動變剛度系統和主動變阻尼系統等。
其工作原理如下：在地震或風震等外界荷載的作用下，建築物會產生相應的振動回響，如果建築物上裝有可變阻尼器，則可根據建築物振動的情況來對可變阻尼器進行控制，使其內部發生相對運動產生阻尼力，這個阻尼力會阻礙建築物的振動。這就是一種附加阻尼力的控制策略，由於減少了共振的反應量，因此控制力並不象抵消輸入方法那么大。
由於此系統很龐大複雜，而且又存在不確定性，使得參數模型不易獲得，一些材料又有非線性等，傳統的控制策略已不能滿足其要求，而模型算法控制的幾個優點正適用於解決此類問題。
常見的半主動結構控制系統
AVS系統的控制方式是通過由計算機控制的快速反應鎖定裝置來控制和改變系統的剛度，以此避開共振的影響，從而降低結構的反應。由於半主動控制裝里只能增加結構的剛度，對於剛度己經很大的土木工程結構而言，為了能有效減小結構的動力反應就要求半主動變剛度系統的可變剛度比較大，這無疑使半主動變剛度系統的設計和套用帶來了比較大的困難，換言之，半主動變剛度系統用於控制柔性結構的動力反應更加有效。
AVD系統是通過主動調節半主動變阻尼控制裝置的阻尼力，使其等於或接近主動最優控制力，從而達到與主動控制接近的減震效果.半主動變阻尼控制裝里可以連續改變阻尼力，具有控制寬頻帶激勵振動的能力，包括半主動粘滯變阻尼器、半主動磁流變阻尼器、半主動電流變阻尼器、半主動壓電變摩擦阻尼器等。
半主動變阻尼控制裝置一般只能實現與速度有關的控制力，而不能像主動控制作動器那樣能夠同時實現與位移和速度有關的控制力，也正是這種限制使得半主動變阻尼控制總是穩定的。半主動變阻尼控制裝置的最大阻尼力可以藉助主動控制理論，預先確定主動最優控制力和控制效果，然後設計變阻尼裝置的最大阻尼力等於相應的最大主動最優控制力。這樣設計的半主動變阻尼裝置在多大程度上可以實現主動最優控制力，從而在多大程度上接近主動最優控制的效果，取決於主動最優控制力時程有多大的比例與作動器所在結構層的層間速度相反。
