【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 由于預(yù)測(cè)控制與實(shí)際狀態(tài)之間誤差存在，某種誤差對(duì)施工目標(biāo)的影響則在后續(xù)施工狀態(tài)的預(yù)測(cè)中予以考慮，以此循環(huán)，直到施工完成和獲得與設(shè)計(jì)相符合的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。自適應(yīng)控制法的基本思路是當(dāng)結(jié) 構(gòu)的實(shí)測(cè)狀態(tài)與模型計(jì)算結(jié)果不符時(shí)，通過(guò)將誤差輸入到參數(shù)識(shí)別算法中去調(diào)節(jié)計(jì)算模型參數(shù)，使模型的輸出結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果一致，得到修正的計(jì)算模型參數(shù)后，重新計(jì)算各施工階段的理想狀態(tài)。經(jīng)過(guò)反復(fù)辨識(shí)從而對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行有效控制。最大寬容法是指在設(shè)計(jì)時(shí)給予主梁標(biāo)高和內(nèi)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(huì)產(chǎn)生其它的一些問(wèn)題。 交通主干線道路 連續(xù) T 型剛構(gòu)橋 施工監(jiān)控方案 石家莊鐵道大學(xué) 第 7 頁(yè) 連續(xù) T 型剛構(gòu)橋 是一施工 → 量測(cè) → 識(shí)別 → 修正 → 預(yù)告 → 施工的循環(huán)過(guò)程，其實(shí)質(zhì)就是使施工按照預(yù)定的理想狀態(tài)順利推進(jìn)。實(shí)際上不論是理論分析得到的理想狀態(tài)，還是實(shí)際施工 狀態(tài) 都存在誤差，因 此施工控制的核心任務(wù)就是對(duì)各種誤差進(jìn)行分析、識(shí)別、調(diào)整，從而對(duì)結(jié)構(gòu)未來(lái)狀態(tài)作出預(yù)測(cè)。大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土 連續(xù) T 型剛構(gòu)橋 通常采用懸臂澆筑這種典型的自架設(shè)施工方法。由于 連續(xù) T 型剛構(gòu)橋 在施工過(guò)程中的己成結(jié)構(gòu) (懸臂節(jié)段 )狀態(tài)是無(wú)法在事后進(jìn)行調(diào)整的，因此，在大跨度連續(xù)橋 梁 的 滿堂支架施工 中一般采用預(yù)測(cè)控制法和自適應(yīng)控制法進(jìn)行控制。與斜拉橋不同，連續(xù)橋 梁 在梁段澆筑完成以后出現(xiàn)的誤差，除張拉預(yù)備預(yù)應(yīng)力 束 外，基本上沒(méi)有調(diào)整的余地，而只能針對(duì)己有誤差在下一未澆筑梁段的立模標(biāo)高上做出必要的調(diào)整。所以，要保證控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，最根本的 就是對(duì)立模標(biāo)高做出盡可能準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，即主要依靠預(yù)測(cè)控制。無(wú)論施工過(guò)程如何，總是要以最終橋梁成型狀態(tài)作為目標(biāo)狀態(tài)，以此來(lái)控制各施工塊件的預(yù)拋高值 (立模標(biāo)高 )。 自適應(yīng)控制 方法 自適應(yīng)控制法也稱參數(shù)識(shí)別修正法。它是在系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)系統(tǒng)識(shí)別或參數(shù)估計(jì)，不斷地修正參數(shù)，使設(shè)計(jì)輸出與實(shí)際輸出相符，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的控制。自適應(yīng)控制系統(tǒng)最早出現(xiàn)在 50 年代末期，由美國(guó)麻省理工學(xué)院 Wittaker 等人提出， 而 后出現(xiàn)了許多形式完全不同的自適應(yīng)系統(tǒng)。一般來(lái)講，一個(gè)自適應(yīng)系統(tǒng)是一個(gè)具有一定適應(yīng)能力的系統(tǒng)，它能夠認(rèn)識(shí)環(huán)境 條件的變化 (如負(fù)荷變化，風(fēng)、雨等氣候條件的變化等 )并自動(dòng)校正控制動(dòng)作，使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)或接近最優(yōu)的控制效果。 采用自適應(yīng)控制法進(jìn)行控制的對(duì)象通常是那些存在不定性的系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)的運(yùn)行中，通過(guò)不斷地量測(cè)系統(tǒng)的輸入狀態(tài) 和 性能參數(shù)，逐漸了解和掌握對(duì)象。然后根據(jù)所得的過(guò)程信息，按照一定的設(shè)計(jì)方法，作出控制決策去更新控制器的結(jié)構(gòu)、參數(shù)或控制作用，以便在某種意義下使控制效果達(dá)到最優(yōu)或次最優(yōu)，或達(dá)到某個(gè)項(xiàng)目預(yù)期的目標(biāo)。一般來(lái)講，一個(gè)自適應(yīng)系統(tǒng)具有如下幾個(gè)特征 ： 交通主干線道路 連續(xù) T 型剛構(gòu)橋 施工監(jiān)控方案 石家莊鐵道大學(xué) 第 8 頁(yè) 過(guò)程信息的在線累積 在線累積過(guò)程信息的目的，是為了降低受 控系統(tǒng)原有的不定性。為此可用系統(tǒng)辨識(shí)的方法在線辨識(shí)受控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，直接累積過(guò)程信息 ； 也可以通過(guò)量測(cè)能夠反映過(guò)程狀態(tài)的某些輔助變量，間接累積過(guò)程信息。在系統(tǒng)識(shí)別中，結(jié)構(gòu)辨識(shí)比參數(shù)估計(jì)困難得多。 可調(diào)控制器 可調(diào)控制器是指它的結(jié)構(gòu)、參數(shù)或信號(hào)可以根據(jù)性能指標(biāo)要求進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。這種可調(diào)性要求是由受控系統(tǒng)的不定性決定的，否則就無(wú)法對(duì)過(guò)程實(shí)現(xiàn)有效的控制。 性能指標(biāo)的控制 性能指標(biāo)的控制可分為開(kāi)環(huán)控制方式和閉環(huán)控制方式兩種，若與過(guò)程動(dòng)態(tài)相關(guān)聯(lián)的輔助變量可測(cè)，而且此輔助變量與可調(diào)控制器參數(shù)之間的關(guān)系又可根據(jù) 物理學(xué)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)出，這時(shí)就可通過(guò)此輔助變量直接調(diào)整可調(diào)控制器，以達(dá)到預(yù)定的性能指標(biāo)。這就是性能指標(biāo)的開(kāi)環(huán)控制，它的特點(diǎn)是沒(méi)有根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際達(dá)到的性能指標(biāo)作進(jìn)一步的調(diào)整。與開(kāi)環(huán)控制方式不同，在性能指標(biāo)的閉環(huán)控制中，還要獲取實(shí)際性能與預(yù)定性能之間的偏差信息，將其反饋后修改可調(diào)控制器，直到實(shí)際性能達(dá)到或接近預(yù)定性能為止。 自適應(yīng)控制法一般適用于被控對(duì)象參數(shù)未知，或者由于環(huán)境條件影響，參數(shù)發(fā)生較大變化的系統(tǒng)。而對(duì)于那些被控對(duì)象參數(shù)已知定?；蜃兓^小甚至可以忽略的系統(tǒng)，一般采用常規(guī)反饋控制、模型匹配控制或最優(yōu)控制的方 法，便可以得到較為滿意的控制效果。對(duì)于采用懸臂法施工的大跨度連續(xù)橋 梁 而言，己澆筑完成的節(jié)段的不可控性及施工中對(duì)線形誤差糾正措施有限，控制誤差的發(fā)生就顯得尤為重要，因此采用自適應(yīng)控制法對(duì)其進(jìn)行控制是比較有效的。 預(yù)測(cè)控制方法 預(yù)測(cè)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(lái)描述過(guò)程動(dòng)態(tài)行為的信息，交通主干線道路 連續(xù) T 型剛構(gòu)橋 施工監(jiān)控方案 石家莊鐵道大學(xué) 第 9 頁(yè) 是直接從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到過(guò)程響應(yīng)，且不需要事先知道過(guò)程模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的有關(guān)先驗(yàn)知識(shí)，也不必通過(guò)復(fù)雜的系統(tǒng)識(shí)別來(lái)建立過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，而是 根據(jù)某一優(yōu)化指標(biāo)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，確定一個(gè)控制量的時(shí)間系列，使未來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)被調(diào)量與經(jīng)過(guò)柔化后的期望軌跡之間的誤差為最小。而且預(yù)測(cè)控制算法采用的是不斷在線滾動(dòng)優(yōu)化，且在優(yōu)化的過(guò)程中不斷的通過(guò)實(shí)測(cè)系統(tǒng)輸出與期望模型輸出的誤差進(jìn)行反饋校正，所以能在一定程度上克服由于預(yù)測(cè)模型誤差和某些不確定性干擾的影響，使系統(tǒng)的 預(yù)測(cè) 性得到增強(qiáng)。由于預(yù)測(cè)控制具有實(shí)現(xiàn)容易、對(duì)模型要求低，在線計(jì)算方便、控制性能優(yōu)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，因此適用于連續(xù)橋 梁 施工這類復(fù)雜過(guò)程的控制。預(yù)測(cè)控制法的算法機(jī)理可以用預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化、反饋矯正等三個(gè)要素來(lái)表征 ，這三個(gè)要素反映了預(yù)測(cè)控制的本質(zhì)特征。 (1)預(yù)測(cè)模型 對(duì)象的輸出預(yù)測(cè)是預(yù)測(cè)控制的關(guān)鍵，而對(duì)象的輸出預(yù)測(cè)又必須基于描述對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型，因此在預(yù)測(cè)控制算法中，需要一個(gè)能描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)模型，這種基礎(chǔ)模型稱為預(yù)測(cè)模型。預(yù)測(cè)模型應(yīng)具有預(yù)測(cè)功能，即能夠根據(jù)系統(tǒng)的歷史信息和選定的未來(lái)控制輸入，預(yù)測(cè)系統(tǒng)的未來(lái)輸出值。從方法機(jī)理的角度來(lái)看，凡是具有預(yù)測(cè)功能的信息集合，不論其表現(xiàn)形式如何，均可以作為預(yù)測(cè)模型。預(yù)測(cè)模型要能夠正確反映輸入 —輸出的動(dòng)態(tài)因果關(guān)系 ： 而且建模表達(dá)形式要盡可能簡(jiǎn)便。 (2)滾動(dòng)優(yōu)化 預(yù)測(cè)控 制算法是一種優(yōu)化控制算法，它通過(guò)某一性能指標(biāo)的最優(yōu)化來(lái)確定未來(lái)的控制作用，這一性能還涉及到過(guò)程未來(lái)的行為，它是根據(jù)預(yù)測(cè)模型由未來(lái)的控制策略決定的。預(yù)測(cè)控制中的優(yōu)化不是一次離線完成的，而是反復(fù)在線完成的，即每一采樣時(shí)刻，優(yōu)化性能指標(biāo)只涉及該時(shí)刻起到未來(lái)有限的時(shí)刻，而到下一個(gè)采樣時(shí)刻，這一優(yōu)化時(shí)段會(huì)同時(shí)向前推移，因此，預(yù)測(cè)控制不是用一個(gè)對(duì)全局相同的性能優(yōu)化指標(biāo)，而是每一時(shí)刻都有一個(gè)相對(duì)于該時(shí)刻的局部性能優(yōu)化指標(biāo)。不同時(shí)刻優(yōu)化交通主干線道路 連續(xù) T 型剛構(gòu)橋 施工監(jiān)控方案 石家莊鐵道大學(xué) 第 10 頁(yè) 性能指標(biāo)的形式相同，但其所包含的時(shí)間區(qū)域不同。這種局部的有限時(shí)域的優(yōu)化目標(biāo)，雖然只能得到 全局的次優(yōu)解，但由于這種優(yōu)化過(guò)程是在線反復(fù)進(jìn)行的，而且能更為及時(shí)地校正因模型失配、時(shí)變、干擾等引起的不確定性，始終把優(yōu)化過(guò)程建立在從實(shí)際過(guò)程中獲得的最新信息基礎(chǔ)之上，因此，只要預(yù)測(cè)范圍選擇合適，可以使控制保持實(shí)際上的最優(yōu)。 這種基于滾動(dòng)式的有限時(shí)域優(yōu)化目標(biāo)，是在每一時(shí)刻提出相對(duì)于該時(shí)刻起對(duì)未來(lái)有限時(shí)域內(nèi)的優(yōu)化目標(biāo)。對(duì)于當(dāng)前 k 時(shí)刻的優(yōu)化問(wèn)題，就是要確定從 k 時(shí)刻起的一組 M 個(gè)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(lái) ( M nN＃ )時(shí)刻的輸出預(yù)測(cè) ， ()nY k i+ 與期望輸出 ()rY k i+的方差為最小 (參見(jiàn)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(yù)測(cè)輸出值 ； ()rY k i+ ——期望輸出或參考軌跡 ； i,n——分別為預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度和最大預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度 ； iw ——第 i 步預(yù)測(cè)的非負(fù)加權(quán)系數(shù)。 由于各種干擾和計(jì)算誤差的影響，使得對(duì)象的實(shí)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(dòng)優(yōu)化意味著按一個(gè)己知的非干擾模型來(lái)計(jì)算控制變量 U(k)，以使得從 k 時(shí)刻 (現(xiàn)在時(shí)刻 )開(kāi)始，未來(lái)的 n 個(gè)預(yù)測(cè)輸出 ()nY k i+ 盡可能接近參考軌跡 ()rY k i+ 。若采用閉環(huán)預(yù)測(cè)，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(yōu)控制 交通主干線道路 連續(xù) T 型剛構(gòu)橋 施工監(jiān)控方案 石家莊鐵道大學(xué) 第 11 頁(yè) ()Yk——k 時(shí)刻對(duì)象的實(shí)際輸出值 ； ()mY k i+ —— k+i 時(shí)刻的模型輸出值 ； ()mYk—— k 時(shí)刻的模型輸出值。 可以證明，當(dāng)采用閉環(huán)預(yù)測(cè)時(shí)，對(duì)象輸出值將收斂于設(shè)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(yù)測(cè)長(zhǎng)度 n 中，只有第一個(gè)控制 輸入即當(dāng)前時(shí)間的即時(shí)控制量 u(k)才被應(yīng)用，在下一個(gè)采樣時(shí)刻，重復(fù)進(jìn)行上述步驟。 (3)反饋校正 在預(yù)測(cè)控制算法中，采用預(yù)測(cè)模型進(jìn)行過(guò)程輸出值的預(yù)估只是一種理想方式。由于實(shí)際系統(tǒng)中存在非線性、時(shí)變、模型失配、干擾等因素的影響，使基于不變模型的預(yù)測(cè)輸出不可能與系統(tǒng)的實(shí)際輸出完全一致。因此，在預(yù)測(cè)控制中，通過(guò)輸出的預(yù)測(cè)量值與模型的預(yù)估值進(jìn)行比較，得出模型的預(yù)測(cè)誤差，再利用模型的預(yù)測(cè)誤差來(lái)校正模型的預(yù)測(cè)值，從而得到更為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)輸出值。正是這種模型預(yù)測(cè)加反饋校正的過(guò)程，使得預(yù)測(cè)控制具有很強(qiáng)的抗干擾和克服系統(tǒng)不確定 性的能力。在預(yù)測(cè)控制中，反饋校正的形式是多種多樣的，既可以在采用的預(yù)測(cè)模型基礎(chǔ)上對(duì)預(yù)測(cè)模型值加以補(bǔ)償，也可以根據(jù)在線辨識(shí)原理直接修改預(yù)測(cè)模型，因此預(yù)測(cè)控制中不僅基于模型，而且利用了反饋信息，因此預(yù)測(cè)控