一种基于殖民竞争算法的磁流变阻尼模糊控制器设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及结构减震控制技术领域，特别是一种基于殖民竞争算法的磁流变阻尼 模糊控制器设计方法。
【背景技术】
[0002] 在土木工程领域，通过提高建筑结构的抗震性能以减小地震等动载荷对建筑结构 和构件的影响，同时减少地震时因建筑结构破坏造成的人员和财产损失，是人类对抗地震 灾害所面临的重大课题。而半主动控制因兼具被动控制的经济性和主动控制的有效性，成 为土木工程结构振动控制主要发展方向之一。在半主动控制中，基于磁流变阻尼器的半主 动控制装置结构简单、不需要外部提供巨大的能源、具有很好的鲁棒性并且控制效果接近 甚至达到主动控制的效果，比被动控制具有更强的适应性，具有很广的应用前景。同时，磁 流变阻尼器工作时即使失去电流供应，仍然是一个阻尼器，依然是一个被动控制装置，具有 很高的故障安全性，因而在稳定性和安全性方面远优于主动控制装置。LQR/LQG控制（参考 专利 201410186105. 0 和 201110460890. 0)、滑模控制（参考专利 201010144138. 0)等传统 控制策略应用于磁流变阻尼器的半主动控制，效果明显。
[0003] 然而，在外加磁场、位移幅值和激励频率等因素的影响下，磁流变阻尼器的动态阻 尼力呈现非线性关系，磁流变液的本构关系比较复杂，难以建立精确的恢复力模型。
[0004] 模糊控制由于不依赖精确的数学模型，对不确定因素、非线性有很强的鲁棒性， 因此模糊控制系统可应用于基于磁流变阻尼器的结构减震。同时，遗传算法（参考专利 201010103575. 8 和 201410007548. 9)、遗传蚁群算法（参考专利 201010193427. X)、蛙跳算 法（参考专利201410076289. 5)等进化算法的发展解决了复杂多输入多输出模糊控制器的 设计问题。
[0005] 现有的专利有助于发挥磁流变阻尼器的性能，提高半主动控制效果，但是仍存在 一些不足，主要表现为：
[0006] 1)传统控制策略依赖于磁流变阻尼器精确的数学模型，控制的有效性是建立在精 确的数学模型基础之上。鉴于难以建立精确的磁流变阻尼器恢复力模型，因此，这些控制方 法应用于磁流变阻尼器的控制，实际效果较差。
[0007] 2)用进化算法优化模糊控制器参数受限于算法本身的局限性，这些算法本身存在 早熟，容易收敛到局部最优解，难以处理和优化维数较高的问题，模糊控制器的设计有待进 一步提尚。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种基于殖民竞争算法的磁流变阻尼模糊控制器设计方 法，以克服现有技术中存在的缺陷。
[0009] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于殖民竞争算法的磁流变阻尼模 糊控制器设计方法，按照如下步骤实现：
[0010] 步骤Si:通过殖民竞争算法确定模糊控制器的初始参数；
[0011] 步骤S2 :设置有磁流变阻尼器的建筑物在地震波的激励下产生初始结构响应，并 将该初始结构响应分别传输至所述模糊控制器以及所述磁流变阻尼器；
[0012] 步骤S3 :所述模糊控制器根据所述初始结构响应，输出电流至所述磁流变阻尼 器；
[0013] 步骤S4 :所述磁流变阻尼器根据所述初始结构响应以及所述电流，生成阻尼力， 并施加至所述建筑物；
[0014] 步骤S5 :所述建筑物在地震波以及所述阻尼力的激励下产生次级结构响应；
[0015] 步骤S6 :判断地震波的激励是否停止，若停止，则转至步骤S7 ;否则，则转至所述 步骤3 ;
[0016] 步骤S7 :所述模糊控制器根据所述次级结构响应，通过殖民竞争算法计算目标函 数值；
[0017] 步骤S8 :判断所述目标函数值是否达到收敛条件，若否，则转至所述步骤S2,否 贝1J，转至步骤S9 ;
[0018] 步骤S9 :结束计算，输出所述模糊控制器的最佳参数。
[0019] 在本发明一实施例中，所述模糊控制器的初始参数以及所述最佳参数均包括：模 糊控制规则、隶属函数以及量化因子。
[0020] 在本发明一实施例中，所述初始结构响应以及所述次级结构响应均包括：所述建 筑物每一层的绝对加速度、速度、楼层相对地面的位移以及楼层之间的相对位移。
[0021] 在本发明一实施例中，所述建筑的自由度为n，且设置有1个磁流变阻尼器；在地 震波的激励下，将所述建筑物的状态方程表示为：
[0022] Μχ(?) + CS(i) + ~ ????} + MKx^ (?)；
[0023] 其中，x(t) = [X1U), x2(t), · · ·，xn(t)]T，xn(t)是所述建筑物第η层相对地面的 位移；Γ e Rnxl是所述1个阻尼器的位置矩阵；f(t) = = 是 第1个阻尼器产生的阻尼力；&是地面加速度；Λ是地面加速度系数矩阵；M、C和K分别为 所述建筑物的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵。
[0024] 在本发明一实施例中，所述模糊控制器是一个η输入，m输出的系统，且n ^ 2， m > 2〇
[0025] 在本发明一实施例中，所述殖民竞争算法的目标函数为：
[0026] J= β Ji+(a-β ) J2+(l-a ) J3?
[0027] 其中， X1 (t)和Hi)分别是 ? 所述建筑物第i层相对地面的位移和绝对加速度，XmaIP分别是在所述建筑结构不受控 时的，也即没有设置所述磁流变阻尼器，最大位移和最大加速度，β、α-β以及l-α分别 为第一单目标函数J1、第二单目标函数J2以及第三单目标函数】3的权重，α以及β为常 数；所述第一单目标函数J1为所述建筑物第一层相对地面的最大位移，所述第二单目标函 数J2为所述建筑物中除第一层外其余层中相对地面的最大位移，所述第三单目标函数J3S 所述建筑物中的最大加速度。
[0028] 相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明所提出的一种基于殖民竞争 算法的磁流变阻尼模糊控制器设计方法，在无法精确建立磁流变阻尼器动力学模型的情况 下，设计了适合建筑结构半主动控制的模糊控制系统，利用殖民竞争算法优化模糊控制规 贝1J、隶属函数、量化因子，殖民竞争算法具有更强的全局搜索能力，在效率和质量方面超过 前述进化算法，减震效果更加明显，尤其当模糊控制器是一个多输入多输出系统，如建筑安 装多个阻尼器时，减震效果更显著。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明中基于磁流变阻尼器的减震控制系统示意图。
[0030] 图2为本发明中殖民竞争算法优化模糊控制器参数的流程图。
[0031] 图3为本发明一实施例中设置有磁流变阻尼器的三层建筑控制系统示意图。
[0032] 图4为本发明一实施例中在MATLAB/Simulink中建立的磁流变阻尼器模糊控制系 统。
[0033] 图5为本发明一实施例中建筑物在受控（实线）和无控（虚线）状态下的位移响 应。
[0034] 图6为本发明一实施例中建筑物在受控（实线）和无控（虚线）状态下的加速度 响应。
[0035] 图7为本发明一实施例中建筑物在不同受控情况下（分别安装单阻尼器和双阻尼 器）以及无控的状态下各楼层相对位移的峰值。
[0036] 图8为本发明一实施例中建筑物在不同受控情况下（分别安装单阻尼器和双阻尼 器）以及无控的状态下各楼层加速度的峰值。
[0037] 图9为本发明一实施例中建筑物设置有双阻尼器状态下殖民竞争算法优化获得 的各楼层相对位移峰值和遗传算法优化获得的各楼层相对位移峰值的对比。
[0038] 图10为本发明一实施例中建筑物设置有双阻尼器状态下殖民竞争算法优化获得 的各楼层加速度峰值和遗传算法优化获得的各楼层加速度峰值的对比。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
[0040] 本发明提供一种基于殖民竞争算法的磁流变阻尼模糊控制器设计方法，如图1所 示，按照如下步骤实现：
[0041] 步骤Sl :通过殖民竞争算法确定模糊控制器的初始参数；
[0042] 步骤S2 :设置有磁流变阻尼器的建筑物在地震波的激励下产生初始结构响应，并 将该初始结构响应