计算智能在振动工程中的应用

    随着社会的发展,人们对建筑结构的性能提出了更高的要求,如发射塔的抗震要求,高层建筑中居住者的舒适感和抗震安全性的要求。这些实际需求促进了对建筑结构主动控制的研究。主动控制通过在结构上安装振动传感器,检测结构在外干扰下的响应,并将该传感器所获得的信号作为控制信号,从外部对结构施加控制力,以积极地控制结构物的反应[1]。虽然主动控制存在着需要外部能量、求解复杂、造价高等使实际操作有一定困难的因素,但是它能够自动、迅速和有效地控制结构在动荷载作用下的结构振动反应,使结构能承受意想不到的荷载,对特别重要的建筑和大型复杂的结构来说有广泛的应用前景。

    主动控制目前作为一门新兴学科受到了工程界的广泛关注。其成功实现取决于若干重要环节,其中之一就是以结构优化设计理论为基础的控制算法。现代结构优化设计理论已有40年的发展历史,在工程界的实际应用却远远落后于理论研究。造成这种现象的主要原因是现有的结构优化方法都是以传统的数学模型作为优化模型[2,3]。例如,传统的结构优化理论中的准则法,数学规划法,两者结合而成的混合法等静态规划方法,是基于代数方程模型;最优控制理论中的极大值原理,动态规划等动态优化方法是基于微分方程或差分方程模型。

    传统的数学模型使结构优化理论在实际应用中受到了很大的限制。存在的主要问题如下:复杂的结构优化问题往往存在着多个最优解,其中可能存在多个局部最优解,一个全局最优解。传统的数学模型只能寻找局部最优解而不是全局最优解;由于实际系统的复杂性,可能使建立的数学模型维数高,以及存在非线性等诸多的复杂因素,使优化计算的计算量急剧增大,出现“组合爆炸”和“维数灾难”等困难;传统的数学优化模型只能考虑确定性因素,而在土木工程中有大量的不确定因素,如结构所承受的地震荷载等,传统的数学模型对此描述能力相当有限。

    作为新兴学科,计算智能在解决这些传统数学优化模型所存在的种种缺陷时,有其显著的优势。计算智能的出现,为结构优化的研究提供了新的方法,为结构优化注入了新的活力,为推动主动控制的发展提供了强大的动力。

    1　计算智能简介

　　1994年,在美国奥兰多市举行了“首届计算智能世界大会”。会上首次将人工神经网络、模糊系统及进化算法3个领域合并在一起,形成了“计算智能”这个统一的技术范畴,成为一个独立的学科[4]。继人工智能后,计算智能犹如异军突起,吸引了众多的研究开发者投身这一新领域的开拓。