連續t型剛構橋監控方案(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 由于預測控制與實際狀態之間誤差存在，某種誤差對施工目標的影響則在后續施工狀態的預測中予以考慮，以此循環，直到施工完成和獲得與設計相符合的結構狀態。自適應控制法的基本思路是當結 構的實測狀態與模型計算結果不符時，通過將誤差輸入到參數識別算法中去調節計算模型參數，使模型的輸出結果與實測結果一致，得到修正的計算模型參數后，重新計算各施工階段的理想狀態。經過反復辨識從而對施工過程進行有效控制。最大寬容法是指在設計時給予主梁標高和內力最大的寬容度，即誤差的容許值。這種做法雖然減少了控制的難度，但會產生其它的一些問題。 交通主干線道路 連續 T 型剛構橋 施工監控方案 石家莊鐵道大學 第 7 頁 連續 T 型剛構橋 是一施工 → 量測 → 識別 → 修正 → 預告 → 施工的循環過程，其實質就是使施工按照預定的理想狀態順利推進。實際上不論是理論分析得到的理想狀態，還是實際施工 狀態 都存在誤差，因 此施工控制的核心任務就是對各種誤差進行分析、識別、調整，從而對結構未來狀態作出預測。大跨度預應力混凝土 連續 T 型剛構橋 通常采用懸臂澆筑這種典型的自架設施工方法。由于 連續 T 型剛構橋 在施工過程中的己成結構 (懸臂節段 )狀態是無法在事后進行調整的，因此，在大跨度連續橋 梁 的 滿堂支架施工 中一般采用預測控制法和自適應控制法進行控制。與斜拉橋不同，連續橋 梁 在梁段澆筑完成以后出現的誤差，除張拉預備預應力 束 外，基本上沒有調整的余地，而只能針對己有誤差在下一未澆筑梁段的立模標高上做出必要的調整。所以，要保證控制目標的實現，最根本的 就是對立模標高做出盡可能準確的預測，即主要依靠預測控制。無論施工過程如何，總是要以最終橋梁成型狀態作為目標狀態，以此來控制各施工塊件的預拋高值 (立模標高 )。 自適應控制 方法 自適應控制法也稱參數識別修正法。它是在系統的運行過程中，通過系統識別或參數估計，不斷地修正參數，使設計輸出與實際輸出相符，從而實現對目標系統的控制。自適應控制系統最早出現在 50 年代末期，由美國麻省理工學院 Wittaker 等人提出， 而 后出現了許多形式完全不同的自適應系統。一般來講，一個自適應系統是一個具有一定適應能力的系統，它能夠認識環境 條件的變化 (如負荷變化，風、雨等氣候條件的變化等 )并自動校正控制動作，使系統達到最優或接近最優的控制效果。 采用自適應控制法進行控制的對象通常是那些存在不定性的系統，在控制系統的運行中，通過不斷地量測系統的輸入狀態 和 性能參數，逐漸了解和掌握對象。然后根據所得的過程信息，按照一定的設計方法，作出控制決策去更新控制器的結構、參數或控制作用，以便在某種意義下使控制效果達到最優或次最優，或達到某個項目預期的目標。一般來講，一個自適應系統具有如下幾個特征 ： 交通主干線道路 連續 T 型剛構橋 施工監控方案 石家莊鐵道大學 第 8 頁 過程信息的在線累積 在線累積過程信息的目的，是為了降低受 控系統原有的不定性。為此可用系統辨識的方法在線辨識受控系統的結構和參數，直接累積過程信息 ； 也可以通過量測能夠反映過程狀態的某些輔助變量，間接累積過程信息。在系統識別中，結構辨識比參數估計困難得多。 可調控制器 可調控制器是指它的結構、參數或信號可以根據性能指標要求進行自動調整。這種可調性要求是由受控系統的不定性決定的，否則就無法對過程實現有效的控制。 性能指標的控制 性能指標的控制可分為開環控制方式和閉環控制方式兩種，若與過程動態相關聯的輔助變量可測，而且此輔助變量與可調控制器參數之間的關系又可根據 物理學知識和經驗導出，這時就可通過此輔助變量直接調整可調控制器，以達到預定的性能指標。這就是性能指標的開環控制，它的特點是沒有根據系統實際達到的性能指標作進一步的調整。與開環控制方式不同，在性能指標的閉環控制中，還要獲取實際性能與預定性能之間的偏差信息，將其反饋后修改可調控制器，直到實際性能達到或接近預定性能為止。 自適應控制法一般適用于被控對象參數未知，或者由于環境條件影響，參數發生較大變化的系統。而對于那些被控對象參數已知定常或變化較小甚至可以忽略的系統，一般采用常規反饋控制、模型匹配控制或最優控制的方 法，便可以得到較為滿意的控制效果。對于采用懸臂法施工的大跨度連續橋 梁 而言，己澆筑完成的節段的不可控性及施工中對線形誤差糾正措施有限，控制誤差的發生就顯得尤為重要，因此采用自適應控制法對其進行控制是比較有效的。 預測控制方法 預測控制 (Predictive Control)最早是 RICHALET 等人于 1978 年提出并在 80 年代初興起的一種控制算法。它用來描述過程動態行為的信息，交通主干線道路 連續 T 型剛構橋 施工監控方案 石家莊鐵道大學 第 9 頁 是直接從生產現場檢測到過程響應，且不需要事先知道過程模型的結構和參數的有關先驗知識，也不必通過復雜的系統識別來建立過程的數學模型，而是 根據某一優化指標設計系統，確定一個控制量的時間系列，使未來的一段時間內被調量與經過柔化后的期望軌跡之間的誤差為最小。而且預測控制算法采用的是不斷在線滾動優化，且在優化的過程中不斷的通過實測系統輸出與期望模型輸出的誤差進行反饋校正，所以能在一定程度上克服由于預測模型誤差和某些不確定性干擾的影響，使系統的 預測 性得到增強。由于預測控制具有實現容易、對模型要求低，在線計算方便、控制性能優、穩定性好等優點，因此適用于連續橋 梁 施工這類復雜過程的控制。預測控制法的算法機理可以用預測模型、滾動優化、反饋矯正等三個要素來表征 ，這三個要素反映了預測控制的本質特征。 (1)預測模型 對象的輸出預測是預測控制的關鍵，而對象的輸出預測又必須基于描述對象動態特性的數學模型，因此在預測控制算法中，需要一個能描述系統動態特性的基礎模型，這種基礎模型稱為預測模型。預測模型應具有預測功能，即能夠根據系統的歷史信息和選定的未來控制輸入，預測系統的未來輸出值。從方法機理的角度來看，凡是具有預測功能的信息集合，不論其表現形式如何，均可以作為預測模型。預測模型要能夠正確反映輸入 —輸出的動態因果關系 ： 而且建模表達形式要盡可能簡便。 (2)滾動優化 預測控 制算法是一種優化控制算法，它通過某一性能指標的最優化來確定未來的控制作用，這一性能還涉及到過程未來的行為，它是根據預測模型由未來的控制策略決定的。預測控制中的優化不是一次離線完成的，而是反復在線完成的，即每一采樣時刻，優化性能指標只涉及該時刻起到未來有限的時刻，而到下一個采樣時刻，這一優化時段會同時向前推移，因此，預測控制不是用一個對全局相同的性能優化指標，而是每一時刻都有一個相對于該時刻的局部性能優化指標。不同時刻優化交通主干線道路 連續 T 型剛構橋 施工監控方案 石家莊鐵道大學 第 10 頁 性能指標的形式相同，但其所包含的時間區域不同。這種局部的有限時域的優化目標，雖然只能得到 全局的次優解，但由于這種優化過程是在線反復進行的，而且能更為及時地校正因模型失配、時變、干擾等引起的不確定性，始終把優化過程建立在從實際過程中獲得的最新信息基礎之上，因此，只要預測范圍選擇合適，可以使控制保持實際上的最優。 這種基于滾動式的有限時域優化目標，是在每一時刻提出相對于該時刻起對未來有限時域內的優化目標。對于當前 k 時刻的優化問題，就是要確定從 k 時刻起的一組 M 個控制變量 (或控制增量 )： [ ]( ) ( ) , ( 1 ) , , ( 1 ) TU k U k U k U k M= + + + (1) 使在未來 ( M nN＃ )時刻的輸出預測 ， ()nY k i+ 與期望輸出 ()rY k i+的方差為最小 (參見圖 1)，即 ： [ ]21 ( ) ( )n n n iiM inJ M in Y k i Y k i w== + + ?229。 (2) 式中： ()nY k i+ ——預測輸出值 ； ()rY k i+ ——期望輸出或參考軌跡 ； i,n——分別為預測時域長度和最大預測時域長度 ； iw ——第 i 步預測的非負加權系數。 由于各種干擾和計算誤差的影響，使得對象的實際輸出 ()Yk i+ 一般不可能與參考軌跡 ()rY k i+ 完全重合。因此，滾動優化意味著按一個己知的非干擾模型來計算控制變量 U(k)，以使得從 k 時刻 (現在時刻 )開始，未來的 n 個預測輸出 ()nY k i+ 盡可能接近參考軌跡 ()rY k i+ 。若采用閉環預測，則有 ： [ ]( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 , 2 , 3 )n m mY k i Y k i Y k Y k i n+ = + + = (3) 式中 ： 圖 1 參考軌跡與最優控制 交通主干線道路 連續 T 型剛構橋 施工監控方案 石家莊鐵道大學 第 11 頁 ()Yk——k 時刻對象的實際輸出值 ； ()mY k i+ —— k+i 時刻的模型輸出值 ； ()mYk—— k 時刻的模型輸出值。 可以證明，當采用閉環預測時，對象輸出值將收斂于設定值 C[ 2]。在求出 ()nY k i+ 以后，在參考軌跡 ()rY k i+ 給定的情況下，可由式 (1)求出控制向量 u(k)。但在預測長度 n 中，只有第一個控制 輸入即當前時間的即時控制量 u(k)才被應用，在下一個采樣時刻，重復進行上述步驟。 (3)反饋校正 在預測控制算法中，采用預測模型進行過程輸出值的預估只是一種理想方式。由于實際系統中存在非線性、時變、模型失配、干擾等因素的影響，使基于不變模型的預測輸出不可能與系統的實際輸出完全一致。因此，在預測控制中，通過輸出的預測量值與模型的預估值進行比較，得出模型的預測誤差，再利用模型的預測誤差來校正模型的預測值，從而得到更為準確的預測輸出值。正是這種模型預測加反饋校正的過程，使得預測控制具有很強的抗干擾和克服系統不確定 性的能力。在預測控制中，反饋校正的形式是多種多樣的，既可以在采用的預測模型基礎上對預測模型值加以補償，也可以根據在線辨識原理直接修改預測模型，因此預測控制中不僅基于模型，而且利用了反饋信息，因此預測控