Microcomputers in Civil Engineering 11 (1996) 289-293
REVIEW ARTICLE
Second Generation of Active Structural Control
in Civil Engineering
G. W. Housner*
Department of Civil Engineering, California Institute of Technology, Pasadena, California 9 1 125, USA
T. T. Soong
Department of Civil Engineering, State University of New York at Buffalo, Buffalo, New York 14260, USA
S. F. Masri
Department of Civil Engineering, University of Southern California, Los Angeles, California 90089, USA
Abstract: Research and development in active control of civil engineering structures in the United States has approximately a 20-year history. Under the leadership of the U.S. National Science Foundation in forming the U.S. Panel on Structural Control Research and in launching a program initiative in the area of structural control, there has been a surge of interest in this researchjeld. Recent progress in active control research in the United States is first summarized in this paper. In the secondpart, an attempt is made to identify areas of research needs and to recommendfuture directions for the next generation of active control activities in civil engineering.
1 INTRODUCTION
To our knowledge, the earliest attempt to formulate the problem of active control for applications to civil engineering structures was made in 1960.17 In the United States, it appears that Yaorsquo;s concept paper in 197244 marked the beginning of
* To whom correspondence should be addressed.
active control research when he proposed an “error-activated structural system whose behavior varies automatically in accordance with unpredictable variations in the loading as well as environmental conditions and thereby produces desirable responses under all possible loading conditions.” Over 20 years have elapsed since that time, and as we take stock, we see that remarkable progress has been made. Active control research is now at the stage where full-scale systems have been installed in actual structures and have performed well for the purposes intended.
While significant progress has been made, the true potential of active vibration control of structures is still to be exploited. For example, most of the current operating systems are not designed for enhancing life safety against large environmental loads. Second, control design in current practice, based primarily on the classic linear quadratic regular (LQR) formulation, is not tailored to civil engineering structural control requirements, thus masking the full potency of active control in civil engineering applications.
One purpose of this paper is to summarize recent progress in active control research in the United States. As we embark on the second generation of active control research, another,
0 1996 Microcomputers in Civil Engineering. Published by Blackwell Publishers, 238 Main Street, Cambridge, MA. 02142, USA, and 108 Cowley Road, Oxford OX41JF. UK.
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and more important, purpose is to attempt to identify areas of research needs and to recommend future directions for research and development in active control.
2 RECENT PROGRESS
Since the NSF initiated its 5-year research program on structural control for safety, performance, and hazard mitigation in 1992,23 there has been a surge of interest in this field on the part of U.S. researchers. As a result, there has been a significant increase in the number of U.S. researchers engaged in this research field, leading to more diverse research activities.
Recent U.S. activities in active and hybrid structural control can be grouped into the following areas:
1. Control algorithms and modeling
2. Sensing and actuation
3. Hybrid control
4. Implementational issues
5. International cooperation
In what follows, several topics are identified in each area, and activities within each topic are described briefly.
2.1 Control algorithms and modeling
A predominant number of current control strategies have centered on the use of linear structural models and linear control laws based on quadratic performance criteria. For specific structural applications and under robustness and stability considerations, a number of control design alternatives have been proposed and developed. These include control designs accounting for structural nonlinearitie~~~q~rsquo;that become important when the structures are subjected to severe seismic loads or in the hybrid control case where the passive elements undergo large deformation.
Nonlinear control laws are also being developed for linear structures in order to enhance control effectiveness.rsquo;O One of the shortcomings in employing linear control laws is their inability to produce a significant peak response reduction when the peak response occurs during the first few cycles of the time history, which is usually the case under seismic ground excitations. In this work, it is shown that nonlinear control laws can significantly improve peak response reduction under the same constraints imposed on the control force and other resources.
Other alternate control strategies that have been considered include acceleration- and velocity
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土木工程微型计算机11 (1996)289-293
评论文章
土木工程中的第二代主动结构控制
G. W. Housner *
加州理工学院土木工程系，美国加州帕萨迪纳91125
T. T. Soong
纽约州立大学布法罗分校土木工程系，美国纽约州布法罗14260
和
S. F. Masri
南加州大学土木工程系，美国加州洛杉矶90089
摘要:美国土木工程结构主动控制的研究和发展已有近20年的历史。在美国国家科学基金会(U.S. National Science Foundation)的领导下，美国结构控制研究小组(U.S. Panel on Structural Control Research)成立，并在结构控制领域启动了一个项目倡议，对这一研究领域的兴趣激增。本文首先综述了美国主动控制研究的最新进展。在第二部分中，试图确定研究需要的领域，并为土木工程中下一代主动控制活动的未来方向提出建议。
1介绍
据我们所知，最早尝试将主动控制问题应用于土木工程结构是1960年在美国，似乎Yao在1972年的概念论文标志
*信件的收信人。
着开始主动控制研究时，他提出了“误差激活结构系统，其行为自动变化，根据不可预测的变化，在荷载和环境条件，从而产生理想的响应在所有可能的荷载条件。”他说:“从那时起，20多年过去了，在我们进行评估时，我们看到取得了显著的进展。主动控制研究目前处于一个阶段，即全尺寸系统已经安装在实际结构中，并在预期的目的下表现良好。
虽然已经取得了重大进展，但结构振动主动控制的真正潜力仍有待开发。例如，大多数当前的操作系统并不是为增强生命安全而设计的，以应对大型环境负载。其次，目前实践中的控制设计主要基于经典的线性二次正则(LQR)公式，不适合土木工程结构控制要求，从而掩盖了主动控制在土木工程应用中的全部效力。
1996土木工程微型计算机。出版于美国马萨诸塞州剑桥市大街238号布莱克威尔出版社02142，和英国牛津考利路108号OX41JF。
G. W. Housner，T. T. Soong和S. F. Masri
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本文的目的之一是总结美国主动控制研究的最新进展。当我们开始第二代主动控制研究时，更重要的是，目的是试图确定研究需要的领域，并对主动控制的研究和发展的未来方向提出建议。
2最新进展
自从1992年NSF启动了其关于结构控制的安全、性能和减轻危险的5年研究计划以来，美国研究人员对这一领域的兴趣激增。因此，从事这一研究领域的美国研究人员的数量显著增加，导致了更多样化的研究活动。
美国最近在主动和混合结构控制方面的活动可以分为以下几个领域:
1.控制算法与建模
2.传感和驱动
3.混合控制
4.实施中的问题
5.国际合作
下面将在每个领域中确定几个主题，并简要描述每个主题中的活动。
2.1控制算法与建模
目前主要的控制策略集中于线性结构模型和基于二次性能准则的线性控制律的使用。对于特定的结构应用和在鲁棒性和稳定性考虑下，许多控制设计方案已经被提出和发展。这些包括考虑结构非线性的控制设计，当结构受到严重地震荷载或在被动单元发生大变形的混合控制情况下，这变得很重要。
为了提高控制效率，非线性控制律也正在被开发用于线性结构。采用线性控制律的缺点之一是，当峰值响应发生在时间历程的前几个周期时，它们不能产生显著的峰值响应降低，这通常是在地震地面激励下的情况。在这项工作中，表明非线性控制律可以显著提高峰值响应降低下施加在相同的约束和其他资源。
其他已考虑的替代控制策略包括加速度和速度反馈控制设计:自适应控制，模糊控制，基于行波控制，频域控制设计，反馈-前馈控制和最优配置策略。
稳定性和鲁棒性问题导致了一些当前可用的控制算法的关键检查。控制鲁棒性是在面对不确定性时产生的描述模型中的错误、潜在参数的不确定性、可能的退化和其他因素继续是一项积极的研究。人们还在努力为振动控制只是其功能之一的“智能”结构开发集成控制系统
为了确定结构控制作为保护结构抵御地震的另一种方法的成本效益，正在进行一项分析，其中包括为结构产生抗过度破坏和倒塌的易损性曲线。结合预期的年度和生命周期损坏费用的信息，可以通过适当应用结构控制来检查结构在安全和损坏预防方面的潜在改进;还可以评估相关的成本效益。
目前，几种主动控制系统已经发展为实际结构应用。总的来说，这些是离散的、局部的传感和控制系统。事实上，一个结构通常只包含一个单一的控制机制，如主动支撑系统或主动质量阻尼器。这种研究成果的一个合理延伸是分布式传感和控制，它更多地植根于航空航天结构和防御系统。这种类型的结构通过位于结构周围的嵌入式传感器和执行器来适应外部激励，并通过控制网络进行协调。这样的自适应或“智能”结构能够自发地响应外部荷载，如地震，以减少不必要的影响。
其中一个例子就是神经网络控制的研究。由于神经网络的属性，如自适应性、鲁棒性和固有的处理非线性的能力，以及系统从局部故障中恢复的能力，研究正在发展利用神经网络结构的主动控制方法。在一个被研究的神经网络结构控制系统中，控制器是在模拟器的帮助下训练的，而模拟器本身必须先训练。模拟器网络学习执行器信号和传感器读数之间的传递函数。因此，通过向执行器发送随机信号并在传感器处测量结构的响应，可以很容易地获得执行器训练所需的信息。经过仿真器的训练后，通过满足适当的控制准则，将控制器网络直接训练到结构上。目前，已经开发了相应的软件对结构、控制系统和神经网络模拟器进行数值仿真。下一阶段将进行实验室验证。
2.2感知和驱动
替代传统的传感和驱动方法控制大型柔性结构已经被重新分
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重点研发。在大型结构中嵌入传感器和驱动材料的结构构件的使用特别有趣，因为它们可以作为原子或分子水平上的“智能”结构的构建块。它们可以以这样的方式制造，传感器和控制器是材料本身微结构的一部分。
如上所述的神经网络的研究就是这个方向的一个例子。这方面的其他活动包括:
Electrorheologic (ER)材料。用于结构应用的ER材料正在开发中。它们具有适应或改变其材料性质的能力，在应用电场的变化几乎瞬间。这些快速、可逆的变化非常适合用于土木工程结构的振动控制。在参考文献8中，实验探索了ER材料在“智能”结构中的潜在用途。采用可控电流变阻尼器拟合了一个简单的结构模型。研究了一种利用辅助质量惯性力产生短时间力脉冲的控制方案。这些力的时间与激励力相反，从而减少响应。初步结果表明，这些材料有一个快速的响应时间，可以表现出广泛的有效粘度范围，使他们能够成功地纳入实际的主动结构控制应用。
主动轴力结构构件的建设，至少部分，从ER材料正在开发。目前正在实验室测试的装置由一系列紧密间隔的平行板组成，这些板呈矩形结构。两块板之间的空间用ER材料填充。交替板连接到一个电地，其他板连接到一个高电压，低安培电源。从最初的测试可以确定，原型装置能够承受比预期更高的力，并且可以进行紧凑的全尺寸配置。
压电层。压电作动器是目前受到关注的一种新型作动装置。例如，压电作动器在复合材料中消除振动的能力正在利用具有引力场的悬臂梁进行探索。一个完整的基于软件的运动控制系统正在开发中，使用的是面向对象的编程技术。一种用于土木工程结构振动控制的新型压电作动器也正在研制中。它由夹在两层结构构件之间的受约束的压电层组成。该致动器与传统致动器最重要的区别在于受约束的压电层采用了压电效应的厚度剪切模式。这使得更大的控制行动，适用于主体结构，与执行器层经历最小弯曲变形。因此，它需要更低的电压来产生类似的弯矩。
形状记忆合金(SMA)。形状记忆合金是一种具有固态相变的金属合金，具有通过温度或应力诱导的相变恢复大应变的
能力。利用形状记忆材料的这些特性对结构进行被动或主动控制是这一领域最新研究的基础。采用SMA消能器对模型结构进行了地震模拟试验，结果表明，SMA消能器可以为模型结构提供附加阻尼和可控刚度。
光纤维传感器。文献6讨论了光纤传感器仪器用于大型民用结构评估的潜力。虽然在过去的15年里，这些传感器已经开发出来，用于航空航天、水空间和生物医学系统的初步专门应用，但最近人们已经注意到这些方法向民用结构评估的过渡。光纤传感器在这一领域的主要优势是他们固有免疫电磁干扰和仪器地面循环、多路测量的实用性在长距离的典型土木结构系统,光纤传感器元素在严酷的环境下的鲁棒性,和测量的分辨率和精度范围广泛的物理观察。
专门针对土木工程应用的“智能”材料也正在开发中。例如，一种“智能”复合材料正在开发中，无论何时何地由于环境载荷而产生裂缝，这种材料都具有自修复能力。受控裂缝用于激活化学物质释放到裂缝中，以达到密封的目的。这些化学品与抗裂增强纤维一起储存在中空纤维中。
2.3混合控制
主动和被动系统的联合使用，或混合，系统最近受到了相当大的关注。混合控制可以缓解被动系统或主动系统单独运行时存在的一些限制，从而形成有效的保护系统。美国在这一领域的大部分工作集中在将基础隔离系统与有源装置结合起来。由于基础隔振系统表现出非线性行为，非线性和其他鲁棒性控制律已经被研究出来并进行了一些小型混合控制实验。其中，滑移隔震系统与位移控制装置相结合。最近，建立了一个结构模型，并进行了混合控制测试。系统由一系列的低摩擦滑动轴承组成，采用高度加压的特氟隆界面滑动不锈钢。该系统是为了减少地基的绝对加速度而开发的，采用多种控制算法，从可变摩擦到加速度反馈。
其他实验包括使用摩擦可控滑动轴承的混合隔震系统。在地震时，该隔震系统通过调节支承室压力来控制支撑结构与地面滑动界面上的摩擦力，从而将滑动位移限制在可接受的范围内。
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这些实验成功地证明了混合控制系统比被动基座隔震系统在上部结构减振方面的优势。然而，其实际可行性的验证仍有待于使用更真实的结构模型或全尺寸结构的结果。与混合动力系统相关的成本是另一个重要的考虑因素。
其他被考虑的混合系统包括橡胶支座和可变阻尼器的组合，橡胶支座和执行器，以及用于桥梁的滑动支座和执行器。增加主动控制以进一步提高调谐液体阻尼器的有效性的可行性正在研究中
最后，将由包层结构相互作用提供的被动阻尼与鲁棒性主动控制系统结合设计的混合控制系统进行了分析和实验研究。“最初的研究工作集中在将一个简单的主动控制系统纳入一个建筑模型中，该模型已经用于通过覆盖层-结构相互作用的被动阻尼研究。”使用LQR控制器的初步结果表明，使用主动控制系统时，仅使用被动元件所实现的大约50%的响应降低可以再减少50%。同时，与无被动阻尼增加的情况相比，主动系统的峰值力要求降低了一半。
2.4实施中的问题
基于最近观察到的实际风力和地面扰动下的全尺寸主动控制系统的性能，已经采取了初步步骤来解决几个实施问题，这些问题对主动和混合控制的更广泛的结构应用有更直接的影响。其中一个要解决的问题是系统集成。虽然在被动和主动控制系统的组成部分的研究已经取得了很大的进展，但在应用于实际结构时，需要更多地关注集成系统的整体性能。结构控制系统(特别是主动和混合系统)由许多重要部件组成。此外，有些系统只是间歇性地运行，有很长的休眠期。因此，在这些系统能够被广泛接受之前，必须解决一些与执行有关的问题。
一个综合控制系统由这样的组件组成，作为集成到主动系统中的传感器、控制器、液压系统和力发生器，它们的综合性能产生直接主动或混合模式的反馈或前馈操作。目前正在解决的系统集成问题包括:(1)集成故障安全操作，(2)集成安全、可靠性和维护，(3)软件硬件集成，以及(4)自我识别和诊断。
2.5国际合作
许多出版物和简报证明，日本和美国在国际一级有着特别密切的工作关系。日本和美国的研究人员和工程师在防风减灾结构的主动和混合控制领域的研究合作充分证明了针对共同感兴趣的重要问题进行合作研究的协同效应。这些共同的努力大大提高了主动和混合控制技术的水平。
近年来的一项重大发展是将这种合作努力推广到其他国家。结构控制的国际研讨会和会议在世界各地相继召开，结构控制的国际合作项目也相继启动。这些措施包括:中美、塔桥被动和主动控制;美国-台湾被动和主动控制研究通过全面试验方案;香港，结构控制实验研究基于一个完整的建筑;我们——意大利主动控制理论研究;和美国西班牙，控制算法开发。
这些国际活动的表现只会导致结构控制技术的更快速的进步，以及土木工程建设更安全、更有活力的未来的更好的潜力。
3结束语
如上几节所示，美国在主动控制技术的研究和开发方面取得了很大的进展。然而，主动控制的真正潜力尚未得到充分开发。最近的研究进展我们总结了几个关键领域，这是我们的意图，在这个
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