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研究生:張嘉勻
研究生(外文):Chia-Yun, Chang
論文名稱:基因演算法於主動控制之應用
指導教授:張國鎮張國鎮引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:土木工程學研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:128
中文關鍵詞:基因演算法主動控制系統識別
外文關鍵詞:Genetic AlgorithmActive ControlSystem Identifi
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台灣地區地震頻繁且地狹人稠,因此對地震方面的研究相當重視,除了設法想要預知地震發生的地點和時間之外,加強結構物的防震能力更是土木工程界歷年來致力研究的重點。消能減震元件一般可以分為主動控制元件和被動控制元件,目前釵h新建設的結構物已將被動控制元件視為一必備物,而主動控制的裝置設備相對於被動控制繁複,這也是主動控制理論已相當完善卻一直無法被推廣的主要原因。因此,在依循傳統主動控制推導理論下,試著降低回饋資料的維度以及改善裝置設備,以提高其可行性;並且,導入基因演算法於尋求計算控制力的回饋增益矩陣,以加強其控制效果,都是本研究的主要目的。

Locating in the earthquake district of the world, many studies have been emphasized on the prevention of earthquakes in Taiwan. Besides trying to predict the magnitude and epicenter in advance, enhancing the strength of structures against earthquakes is always the main target of civil engineers. The equipments of decreasing the energy and vibration of the structure could be roughly classified into two parts: the passive-control components, and the active-control devices. Recently, passive control has been considered as an essential part of the new-built structures and the active control theory has been proved for better performance and efficiency. However, since the steps and methods of active-control device are too complicated to implement, the active control still could not be used as practically as the passive control. The goal of this study, according to the active-control theory, is that in order to find the feedback-gain matrix, which is used to calculate the optimal control force to improve the feasibility and to raise the effect of active-control, we must reduce the orders of the feedback information, modify the equipments, and use the Genetic Algorithm.



目錄

摘要 I
ABSTRACT II
目錄 III
表目錄 VI
圖目錄 VIII
第一章 導論 1
1.1 研究動機與背景 1
1.2 內文架構 3
第二章 主動控制理論【2】【3】 5
2.1 前言 5
2.2 控制律 5
2.3 狀態空間系統 9
2.4 離散時間系統 11
2.5 離散時間系統下之最佳控制 14
2.5.1 時間延遲輸出回饋控制 17
第三章 基因演算法理論與應用 21
3.1 前言 21
3.2 基因演算法概述【11】【12】【13】 22
3.3 基因演算法的理論與應用 24
3.3.1 基因演算法名詞定義 24
3.3.2 適存度函數(Cost Function) 25
3.3.3 族群初始化(Initialization) 26
3.3.4 選擇與複製(Selection and Reproduction) 27
3.3.5 交配(Crossover) 29
3.3.6 突變(Mutation) 30
3.3.7 檢查終止條件 31
第四章 理論分析與模擬 37
4.1 前言 37
4.2 結構模型:空構架 37
4.3改良式主動控制法之控制律 42
4.4 系統識別【20】【21】 45
4.5 數值模擬 50
4.5.1 適存度函數 50
4.5.2 搜尋樣本 52
4.5.3 回授資料及迭代步數 53
4.5.4 基因演算法之參數設定 55
4.6 數值分析結果與比較 55
第五章 實驗設備佈置與流程 89
5.1 前言 89
5.2 空構架 90
5.3 擾動元件 91
5.4量測元件 92
5.5 施力元件--制動器 94
5.6 控制元件--407控制器 95
5.7 地震歷時資料 96
5.8 實驗流程與結果比較 97
5.9 實驗檢討 98
第六章 結論與展望 123
6.1 結論 123
6.2 未來展望 125
參考文獻 126





表目錄

表4.1 各樓層及柱之基本資料 59
表4.2 系統識別結果之結構勁度矩陣 59
表4.3 系統識別結果之結構阻尼矩陣 60
表4.4 函數的指數值 60
表4.5 case 1G各層樓反應折減百分比 61
表4.6 case 3G各層樓反應折減百分比 61
表4.7 case 8G各層樓反應折減百分比 62
表4.8 基因演算法參數設定表 63
表4.9 EL Centro下兩種控制方法之相對地表反應比較表 64
表4.10 TCU052下兩種控制方法之相對地表反應比較表 64
表4.11 TCU072下兩種控制方法之相對地表反應比較表 65
表4.12 Kobe下兩種控制方法之相對地表反應比較表 65
表4.13 New Hall兩種控制方法之相對地表反應比較表 66
表4.14 EL Centro下相同峰值的控制力之相對地表反應比較表 66
表4.15 TCU052下相同峰值的控制力之相對地表反應比較表 67
表4.16 TCU072下相同峰值的控制力之相對地表反應比較表 67
表4.17 Kobe下相同峰值的控制力之相對地表反應比較表 68
表4.18 New Hall下相同峰值的控制力之相對地表反應比較表 68
表5.1 結構各元件尺寸資料 101
表5.2 油壓千斤頂規格表 102
表5.3 改良式主動控制EL Centro歷時實驗結果比較表 102
表5.4 改良式主動控制TCU 052歷時實驗結果比較表 103
表5.5 改良式主動控制TCU 072歷時實驗結果比較表 103
表5.6 改良式主動控制Kobe歷時實驗結果比較表 103
表5.7 改良式主動控制New Hall歷時實驗結果比較表 104
















圖目錄

圖2.1 外力擾動下之結構動力系統 20
圖2.2 結構主動控制系統 20
圖2.3 結構閉迴路控制系統 20
圖3.1 基因演算法名詞圖示 33
圖3.2 輪盤式選擇法示意圖 33
圖3.3 單次隨機式選擇示意圖 34
圖3.4 單點式交配法示意圖 34
圖3.5 雙點式交配法示意圖 35
圖3.6 基因演算法基本流程圖 36
圖4.1 改良式主動控制理論之控制律 69
圖4.2空構架系統識別結果與實際量測相對地表加速度歷時比較圖 70
圖4.3空構架系統識別結果與實際量測相對地表位移歷時比較圖 71
圖4.4 EL Centro 地震FFT圖 72
圖4.5 適存度函數的發散結果 72
圖4.6 case 1G收斂圖 73
圖4.7 case 3G收斂圖 73
圖4.8 case 8G收斂圖 74
圖4.9 EL Centro空構架和加控制力相對地表加速度歷時比較圖 75
圖4.10 EL Centro空構架和加控制力相對地表位移歷時比較圖 76
圖4.11 TCU052空構架和加控制力相對地表加速度歷時比較圖 77
圖4.12 TCU052空構架和加控制力相對地表位移歷時比較圖 78
圖4.13 TCU072空構架和加控制力相對地表加速度歷時比較圖 79
圖4.14 TCU072空構架和加控制力相對地表位移歷時比較圖 80
圖4.15 Kobe空構架和加控制力相對地表加速度歷時比較圖 81
圖4.16 Kobe空構架和加控制力相對地表位移歷時比較圖 82
圖4.17 New Hall空構架和加控制力的相對地表加速度歷時比較圖 83
圖4.18 New Hall空構架和加控制力的相對地表位移歷時比較圖 84
圖4.19 EL Centro下LQG法和改良式主動控制法的控制力比較圖 85
圖4.20 TCU052下LQG法和改良式主動控制法的控制力比較圖 85
圖4.21 TCU072下LQG法和改良式主動控制法的控制力比較圖 86
圖4.22 Kobe下LQG法和改良式主動控制法的控制力比較圖 86
圖4.23 New Hall下LQG法和改良式主動控制法的控制力比較圖 87
圖5.1 第八層樓加速度之傅利葉轉換頻普圖 104
圖5.2 空構架模型示意圖 105
圖5.3 樓地板與鋼柱相接處示意圖 105
圖5.4 加速度計 106
圖5.5 電阻式應變計(RSG) 106
圖5.6 制動器 107
圖5.7 加裝制動器之結構設計圖 107
圖5.8 407 控制器 108
圖5.9 407控制器之控制流程圖 108
圖5.10 EL Centro南北向地震歷時 109
圖5.11 實驗流程示意圖 109
圖5.12 EL Centro空構架和加控制力相對地表加速度歷時比較圖 110
圖5.13 EL Centro空構架和加控制力相對地表位移歷時比較圖 111
圖5.14 TCU052空構架和加控制力相對地表加速度歷時比較圖 112
圖5.15 TCU052空構架和加控制力相對地表位移歷時比較圖 113
圖5.16 TCU072空構架和加控制力相對地表加速度歷時比較圖 114
圖5.17 TCU072空構架和加控制力相對地表位移歷時比較圖 115
圖5.18 Kobe空構架和加控制力相對地表加速度歷時比較圖 116
圖5.19 Kobe空構架和加控制力相對地表位移歷時比較圖 117
圖5.20 New Hall空構架和加控制力相對地表加速度歷時比較圖 118
圖5.21 New Hall空構架和加控制力相對地表位移歷時比較 119
圖5.22 EL Centro下控制力命令與回傳之比較 120
圖5.23 TCU052下控制力命令與回傳之比較 120
圖5.24 TCU072下控制力命令與回傳之比較 121
圖5.25 Kobe下控制力命令與回傳之比較 121
圖5.26 New Hall下控制力命令與回傳之比較 122



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