本書較為系統(tǒng)地論述了基于物理*系統(tǒng)思想的工程結(jié)構(gòu)**控制理論、方法與新研究成果，主要內(nèi)容包括：結(jié)構(gòu)**控制的理論基礎(chǔ)，**控制的概率密度演化理論，物理**控制的概率準(zhǔn)則，廣義*控制律，非線性結(jié)構(gòu)**控制，結(jié)構(gòu)風(fēng)振舒適度**控制，結(jié)構(gòu)半主動**控制，受控結(jié)構(gòu)振動臺試驗等。
本書從物理*系統(tǒng)的新理論框架出發(fā)，提出了工程結(jié)構(gòu)**控制理論與方法，突破了傳統(tǒng)確定性結(jié)構(gòu)控制方法或經(jīng)典**控制理論的困境，在國際上創(chuàng)新性地實現(xiàn)了一般*動力激勵作用下工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)從二階矩控制到概率密度、精細(xì)可靠度控制的提升。
工程結(jié)構(gòu)的動力災(zāi)變控制是土木工程領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的課題之一。自20世紀(jì)70年代提出結(jié)構(gòu)振動控制的概念以來，結(jié)構(gòu)減震或振動控制理論和方法在工程實踐中得到了廣泛關(guān)注和迅速發(fā)展，成為有效改善結(jié)構(gòu)性態(tài)、提高結(jié)構(gòu)安全性和增強(qiáng)結(jié)構(gòu)功能性的重要手段之一，并形成了以被動控制、主動控制、半主動控制和混合控制模式為代表的新興結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)。然而，由于工程激勵和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)內(nèi)秉的隨機(jī)性，按照傳統(tǒng)的確定性控制思路，或僅考慮白噪聲激勵而設(shè)計的控制系統(tǒng)，很難實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)反應(yīng)性態(tài)的精細(xì)化控制。以結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)控制為例，實踐中通常以某一條或某幾條實測或人工地震動過程為輸入設(shè)計控制律或控制裝置參數(shù)。然而，由于地震在發(fā)生時間、空間和大小上均具有明顯的隨機(jī)性，地震作用下結(jié)構(gòu)反應(yīng)性態(tài)的隨機(jī)性與非線性，使得按某一地震動過程分析、設(shè)計的結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)在另一地震動過程作用下可能出現(xiàn)控制效果欠佳，甚或響應(yīng)放大。因此，隨機(jī)動力系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題，仍然是結(jié)構(gòu)振動控制亟待突破的關(guān)鍵科學(xué)問題！
事實上，早在1972年J.T.P.Yao提出結(jié)構(gòu)控制概念時，就曾開宗明義地指出：結(jié)構(gòu)控制的目的是增強(qiáng)結(jié)構(gòu)安全性，改善結(jié)構(gòu)的性態(tài)。因此，研究與設(shè)計結(jié)構(gòu)隨機(jī)最優(yōu)控制策略，應(yīng)是結(jié)構(gòu)控制真正走向工程實踐的必由之路。令人遺憾的是，囿于經(jīng)典隨機(jī)最優(yōu)控制的理論框架，對于一般非線性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)僅能獲得矩特征值解答（獲得可靠度需對跨閾過程做出假定），且其中關(guān)于隨機(jī)激勵的Gaussian白噪聲過程假定與工程激勵（如地震動、強(qiáng)風(fēng)等）隨機(jī)過程相去甚遠(yuǎn)，使得這類研究的工程應(yīng)用并沒有得到推廣。
作為物理隨機(jī)系統(tǒng)思想的重要組成部分，過去10余年來，概率密度演化理論在土木工程、機(jī)械工程、船舶與海洋工程、水利工程、航空宇航科學(xué)與技術(shù)、控制科學(xué)與工程、大氣科學(xué)和生物學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域中得到了實質(zhì)性應(yīng)用和推廣，成為隨機(jī)動力學(xué)領(lǐng)域最為活躍和極具發(fā)展前景的新理論之一。在這一框架下，本書較為系統(tǒng)地發(fā)展了工程結(jié)構(gòu)隨機(jī)最優(yōu)控制理論與方法。其中，第1章的緒論部分，論述了工程結(jié)構(gòu)振動控制的研究進(jìn)展和經(jīng)典隨機(jī)最優(yōu)控制理論的歷史與現(xiàn)狀，由此引入物理隨機(jī)最優(yōu)控制的理念，并介紹了本書的基本內(nèi)容。第2章為理論基礎(chǔ)，簡要介紹了經(jīng)典隨機(jī)最優(yōu)控制理論、結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動、結(jié)構(gòu)動力可靠度分析與隨機(jī)動力作用建模的基本理論等相關(guān)知識，為本書闡述的工程結(jié)構(gòu)隨機(jī)最優(yōu)控制理論與方法奠定了學(xué)術(shù)基礎(chǔ)。第3第5章集中闡述了物理隨機(jī)最優(yōu)控制的基本理論、概率準(zhǔn)則和廣義最優(yōu)控制律，這些是本書所介紹的工程結(jié)構(gòu)隨機(jī)最優(yōu)控制理論的關(guān)鍵要素，也是本書的核心內(nèi)容。第6章闡述了非線性結(jié)構(gòu)的隨機(jī)最優(yōu)控制。第7、第8章分別闡述了物理隨機(jī)最優(yōu)控制理論在結(jié)構(gòu)風(fēng)振舒適度黏滯阻尼器控制和結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)磁流變阻尼器控制中的應(yīng)用。第9章通過受控結(jié)構(gòu)振動臺試驗分析，系統(tǒng)介紹了工程結(jié)構(gòu)隨機(jī)最優(yōu)控制理論與方法的驗證性研究。此外，作為相關(guān)內(nèi)容，本書還給出了關(guān)于經(jīng)典最優(yōu)控制理論的三個附錄，以便于讀者理解。
上述研究工作，先后得到了國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體計劃項目（50321803、50621062）、國家建設(shè)高水平大學(xué)公派研究生項目（2007U20106）、國家自然科學(xué)基金青年基金項目（51108344）、上海市浦江人才計劃項目（11PJ1409300）和土木工程防災(zāi)國家重點實驗室自主研究課題（SLDRCE08-A-01、SLDRCE14-B-20）等多方支持。在本書完稿付梓之際，作者要對上述支持表示誠摯的感謝。
本書的核心內(nèi)容（第3第6章）為第一作者于20052009年在第二作者指導(dǎo)下攻讀博士學(xué)位期間取得的研究成果。在接下來的7年時間里，我們又在結(jié)構(gòu)隨機(jī)最優(yōu)控制理論與方法的工程實踐和試驗驗證等方面開展了持續(xù)、深入的工作。在研究過程中，我們認(rèn)識到工程結(jié)構(gòu)的災(zāi)變動力學(xué)與性態(tài)控制是極為復(fù)雜的工程科學(xué)問題，這一研究領(lǐng)域充滿挑戰(zhàn)，我們的研究還只是剛剛開始，期待著各位同仁的關(guān)注和共同努力。
書中不當(dāng)之處，敬請讀者批評指正。
彭勇波，工學(xué)博士，同濟(jì)大學(xué)副研究員，博士生導(dǎo)師，上海市浦江人才計劃入選者。兼任中國振動工程學(xué)會*振動專業(yè)委員會委員，上海市力學(xué)學(xué)會振動力學(xué)專業(yè)委員會委員、秘書長。主要從事工程結(jié)構(gòu)災(zāi)變動力學(xué)與性態(tài)控制的基礎(chǔ)研究，特別致力于發(fā)展工程結(jié)構(gòu)**控制的新理論、新方法和新技術(shù)。
李杰，工學(xué)博士，丹麥奧爾堡大學(xué)榮譽(yù)博士，我國教育部首批長江學(xué)者；現(xiàn)任同濟(jì)大學(xué)講座教授，博士生導(dǎo)師，上海防災(zāi)救災(zāi)研究所所長；兼任國際結(jié)構(gòu)安全性與可靠性協(xié)會（IASSAR）執(zhí)行委員會委員，中國振動工程學(xué)會副理事長、*振動專業(yè)委員會主任，中國建筑學(xué)會結(jié)構(gòu)計算理論與工程應(yīng)用專業(yè)委員會主任等學(xué)術(shù)職務(wù)，StructuralSafety、InternationalJournalofNonlinearMechanics等刊編委。
第1章 緒論
1.1 引言
1.2 工程結(jié)構(gòu)振動控制研究進(jìn)展
1.3 結(jié)構(gòu)隨機(jī)最優(yōu)控制
1.3.1 經(jīng)典隨機(jī)最優(yōu)控制
1.3.2 物理隨機(jī)最優(yōu)控制
1.4 本書主要內(nèi)容
第2章 理論基礎(chǔ)
2.1 引言
2.2 經(jīng)典隨機(jī)最優(yōu)控制理論
2.3 結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動理論
2.3.1 線性隨機(jī)振動
2.3.2 非線性隨機(jī)振動
2.3.3 廣義概率密度演化方程
2.3.4 歷史注記
2.4 結(jié)構(gòu)動力可靠度分析
2.4.1 跨閾過程理論
2.4.2 等價極值事件準(zhǔn)則
2.5 隨機(jī)動力作用建模
2.5.1 隨機(jī)地震動
2.5.2 空間脈動風(fēng)速場
第3章 隨機(jī)最優(yōu)控制的概率密度演化理論
3.1 引言
3.2 受控結(jié)構(gòu)系統(tǒng)性態(tài)演化
3.3 物理隨機(jī)最優(yōu)控制解
3.3.1 閉環(huán)控制系統(tǒng)隨機(jī)最優(yōu)控制解
3.3.2 控制律參數(shù)優(yōu)化
3.4 分析實例
3.4.1 單層剪切型框架結(jié)構(gòu)控制
3.4.2 多層剪切型框架結(jié)構(gòu)控制
3.5 與經(jīng)典隨機(jī)最優(yōu)控制的比較研究
3.6 討論與小結(jié)
第4章 物理隨機(jī)最優(yōu)控制的概率準(zhǔn)則
4.1 引言
4.2 隨機(jī)最優(yōu)控制律泛函
4.3 概率優(yōu)化準(zhǔn)則
4.3.1 單目標(biāo)控制準(zhǔn)則
4.3.2 多目標(biāo)控制準(zhǔn)則
4.3.3 概率準(zhǔn)則的比較研究
4.4 數(shù)值算例
4.5 討論與小結(jié)
第5章 廣義最優(yōu)控制律
5.1 引言
5.2 最優(yōu)控制律的統(tǒng)一表達(dá)
5.3 概率可控指標(biāo)
5.4 廣義最優(yōu)控制律的解答程序
5.4.1 控制準(zhǔn)則
5.4.2 求解程序
5.5 分析實例
5.5.1 黏彈性阻尼器控制
5.5.2 主動拉索控制
5.6 討論與小結(jié)
第6章 非線性結(jié)構(gòu)隨機(jī)最優(yōu)控制
6.1 引言
6.2 隨機(jī)多項式最優(yōu)控制
6.3 非線性振子系統(tǒng)隨機(jī)最優(yōu)控制
6.3.1 主動拉索控制性能分析
6.3.2 控制準(zhǔn)則比較
6.4 滯回結(jié)構(gòu)系統(tǒng)隨機(jī)最優(yōu)控制
6.4.1 Clough雙線型滯回系統(tǒng)
6.4.2 Bouc-Wen光滑型滯回系統(tǒng)
6.5 討論與小結(jié)
第7章 結(jié)構(gòu)風(fēng)振舒適度隨機(jī)最優(yōu)控制
7.1 引言
7.2 非線性黏滯阻尼器-結(jié)構(gòu)系統(tǒng)等效線性化
7.2.1 黏滯阻尼器-結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的剛性特征
7.2.2 黏滯阻尼器-結(jié)構(gòu)系統(tǒng)求解
7.3 黏滯阻尼器最優(yōu)布設(shè)準(zhǔn)則及方法
7.4 工程實例分析
7.4.1 模型縮聚與結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析
7.4.2 結(jié)構(gòu)風(fēng)振舒適度控制
7.5 討論與小結(jié)
第8章 結(jié)構(gòu)半主動隨機(jī)最優(yōu)控制
8.1 引言
8.2 基于磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)隨機(jī)最優(yōu)控制策略
8.2.1 限界Hrovat控制算法
8.2.2 磁流變阻尼器控制力參數(shù)設(shè)計
8.3 磁流變阻尼器動力學(xué)建模
8.3.1 磁流變阻尼器參數(shù)模型
8.3.2 模型參數(shù)識別
8.3.3 磁流變阻尼器微觀尺度表現(xiàn)
8.4 框架結(jié)構(gòu)的磁流變阻尼器隨機(jī)最優(yōu)控制
8.5 討論與小結(jié)
第9章 受控結(jié)構(gòu)振動臺試驗
9.1 引言
9.2 受控結(jié)構(gòu)試驗設(shè)計
9.2.1 試驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)特征
9.2.2 試驗地震動樣本
9.2.3 黏滯阻尼器設(shè)計參數(shù)
9.3 試驗布設(shè)與試驗工況
9.3.1 試驗布設(shè)方案
9.3.2 試驗工況與校核
9.4 受控結(jié)構(gòu)試驗分析
9.4.1 樣本與系綜特征
9.4.2 概率密度調(diào)控
9.5 受控結(jié)構(gòu)可靠度分析
9.6 討論與小結(jié)
附錄A 協(xié)態(tài)向量與激勵向量之間的映射關(guān)系
附錄B 基于隨機(jī)等價線性化的LQG控制
附錄C Riccati矩陣差分方程與離散動態(tài)規(guī)劃法
索引
參考文獻(xiàn)
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