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1、第 2章 1第 5章 1第5章 大跨桥梁施工控制第 5章 25.1 概述一.施工过程中的大跨桥梁特征一般大跨桥梁均属高次超静定结构，其设计与施工高度耦合，所采用的施工方法和安装顺序与成桥后的主梁线型及结构内力状态有密切的关系。第 5章 3施工阶段随桥梁结构体系和荷载工况的不断变化，结构内力和变形亦随之不断发生变化，并决定成桥后结构的受力及线型。由于系统内外各种因素对系统的直接和间接影响或干扰，使得实际桥梁在施工过程中的每一状态几乎不可能与设计状态完全一致。第 5章 4施工过程中的大跨桥梁是一个复杂的多输入多输出高阶时变系统。大跨桥梁施工阶段结构的受力变形过程属于一种复杂的随机过程。第 5章 5
2、二. 大跨桥梁施工控制过程 分析检测比较调整z 分析 在大跨桥梁成桥状态时结构的合理内力和线形亦即成桥设计期望确定以后，再对成桥过程中的每一施工阶段进行模拟实际工况的仿真分析和计算，求得桥梁在每一施工工况下索的张拉力、主梁挠度、塔柱位移以及结构内力、应力等控制参数的理论值，以确定桥梁从上部结构施工开始至二期恒载施加完毕后的成桥状态这一施工全过程的理论参考轨迹 ；第 5章 6z 检测 在桥梁实际施工过程中的每一施工阶段对这些反映结构受力变形特征的控制参数不断地进行在线监测，以确定结构的实际运行轨迹 ；z 比较 比较结构的实际运行轨迹与结构理论参考轨迹的符合程度；第 2章 2第 5章 7z 调整
3、如果实际运行轨迹与结构理论参考轨迹相差超出预定的限值，就应分析产生差异的原因，并对桥梁施工过程中诸于索的初张力和悬浇或悬拼节段前端的立模或安装标高等控制输入进行相应的调整，以确保施工过程中桥梁的实际运行轨迹尽量沿着其理论参考轨迹平顺地运行并最终达到其预定的成桥状态。第 5章 8三.桥梁施工控制系统的分类确定性控制系统 当给定系统的现有状态以及过去、现在和将来的输入时，系统数学模型可以描述在未来某一时刻的状态或输出，这样的系统称为确定性系统。其系统功能特征为：第 5章 9z用精确测量的方法提供系统现实状态的信息，即系统状态的获知是完全确定的；z按品质最优的条件，作出系统修正的最优决策，即品质最优
4、的条件是完全确定的；z精确实施这种最优决策，驱使系统完全达到最优状态。第 5章 10非确定性控制系统 当一个不确定的环境对系统可能注入一些随机输入时，系统的状态就可能以一定的概率而取一组不同的数值，这时系统的未来行为只能以一定的概率来描述，这种系统称为随机系统。其系统功能特征为：第 5章 11z用状态估计的方法提供系统现实状态的信息，即系统状态的获知是带有噪声的；z按品质最优的条件，作出兼顾噪声的系统修正的最优决策，即品质最优的条件是带有噪声的；z带有噪声地实施这种最优决策，驱使系统达到有噪声时的最优状态。第 5章 12自适应控制系统 如果一个系统工作于随机环境而且其描述是具有不定性的，并且在
5、过程的进行中它能减少这种描述的不定性，这样的系统称为自适应系统。其系统功能特征为：第 2章 3第 5章 13z用参数识别的方法提供系统现实状态的信息，即系统状态的获知不仅带有噪声而且含有未知参数；z按品质最优的条件，作出兼顾噪声和未知参数的系统修正的最优决策，即品质最优的条件不仅带有噪声而且含有未知参数；z带有噪声地实施这种近似最优决策，驱使系统达到有噪声时的最优状态。第 5章 14四. 大跨桥梁施工控制的主要方法卡尔曼（ Kalman）滤波法；参数识别法；预测控制法；其它方法如无应力长度法第 5章 15卡尔曼滤波法z卡尔曼滤波的实质是从被噪声污染的信号中提取真实的信号，估计出系统变量的真实状
6、态，然后用估计出来的状态变量，按确定性的控制规律对系统进行控制 。第 5章 16z 从卡尔曼滤波的实质来讲，采用卡尔曼滤波法对大跨桥梁的施工予以控制确实比较适宜。但由于施工过程中的桥梁属于多输入多输出的高阶时变系统，其精确的数学模型很难建立，被控对象的结构及结构参数随时间不断发生变化，加之模型噪声和量测噪声统计特性确定的不易，致使卡尔曼滤波法的应用有时受到限制。第 5章 17参数识别法z参数识别法是根据施工过程中索力、挠度（位移）的实测值对某些设计参数（如混凝土的容重、弹性模量、收缩徐变系数以及构件截面的几何特征等参数等）进行最小二乘识别，然后根据识别出来的参数对结构进行实时分析，基于分析结果
7、对原有设计值进行校核和调整，重新给出标高和索力的施工控制值，借此而形成一种比较实用的大跨桥梁施工控制系统 。第 5章 18z参数识别法比较简单实用，但其将实际结构和设计状态不一致在尽可能减小环境因素和量测误差影响的前提下全部归究于设计参数取值的变异性有时显得比较牵强 。z所辨识的设计参数有时亦难反映实际情况，甚至有可能在某些情况下所辩识的参数估计值不可思议。此外，所给定的跟踪分析系统一般滞后于施工过程。第 2章 4第 5章 195.2 大跨桥梁施工控制的基本理论一. 桥梁施工控制的能控性和能观性能控性和能观性是现代控制理论中的两个基本概念 。所谓能控性是指人为地改变系统的控制输入U，如果能引起
8、系统状态变量 X的变化，则该系统是能控的；如果改变系统的控制输入U对系统的状态变量 X毫无作用，则该系统是不能控的。能控性是研究系统输入变量 U对系统状态变量 X的控制作用。第 5章 20所谓能观性是指不断地对系统的输出量Y进行量测，如果能从中辨认出系统内部的状态变量 X，则该系统是能观的；反之，若从输出 Y的测量数据中，根本测不到系统状态变量 X的任何信息，则该系统是不能观测的，亦即能观性是研究系统输出变量 Y对系统状态变量 X的测辩能力 。第 5章 21如果将索的初张力、梁段重量以及其上的各种外部作用看作是系统的输入，将结构的变形及支座反力等量视为系统的输出 Y，而将结构内部应力、应变以及
9、内力等视为系统的状态变量 X，则当改变结构上的各种外部作用时，结构内的应力、应变以及内力均随之而改变。当系统结构一定时，外部作用 U与X一一对应。同样，如果具备相应的测试手段，在系统输入已知情况下，则根据结构的变形、支座反力等输出值完全可识别系统内部的应力、内力以及其它的一些参数。第 5章 22就施工中的大跨桥梁这一系统而言，从直观上我们可以很明显地看到施工中的大跨桥梁这一控制系统既能控亦能观 。第 5章 23二.预测控制理论的基本算法原理现代控制理论是上世纪60年代以后发展起来的控制理论。其研究对象主要是多输入、多输出的多变量系统，其基本内容主要是最优控制、最优估计、随机最优控制、动态系统辨
10、识以及自适应控制等问题。基于现代控制理论及由此而产生的一切分析设计方法，都是从受控对象的精确数学模型出发的。第 5章 24预测控制是20世纪80年代初兴起的一种新型的控制算法，它具有实现容易、对模型要求低、在线计算简便、算法鲁棒性强、控制性能优良等特点，适合大跨桥梁施工这类复杂过程的控制。第 2章 5第 5章 25大跨桥梁的施工过程是一个多变量、高阶、时变的复杂过程，要对这种复杂过程建立精确模型极其困难，而预测控制是解决这类建模困难、受控对象复杂的系统控制的有效控制方案。第 5章 26预测控制的基本算法机理可用 预测模型、滚动优化、反馈校正 这三个要素来表征。z 预测模型9对象的输出预测是预测
11、控制的关键，而对象的输出预测又必须基于描述对象动态特性的数学模型，这种基本模型称为预测模型。第 5章 279对象的输出预测是预测控制的关键，而对象的输出预测又必须基于描述对象动态特性的数学模型，这种基本模型称为预测模型。9预测模型应具有预测功能，即能够根据系统的历史信息和选定的未来控制输入，预测系统未来的输出值。所建立的预测模型必须能正确反映输入、输出的动态因果关系。第 5章 28z 滚动优化9预测控制算法是一种不同于现代控制理论中的离散最优控制算法的优化控制算法。9现代控制理论中的离散最优控制算法通常是采用全局优化目标函数。9对于复杂的时变系统来说，当系统的结构和 /或参数随时间发生变化后，
12、原为最优的函数就变成非最优的了。第 5章 299预测控制采用的是滚动式的有限时域优化目标函数，这种优化过程不是一次离线进行的，而是反复在线进行的。9虽然这种有限优化目标使其在理想情况下也只能得到全局的次优解，但实施滚动优化策略，就能对于由于模型失配、时变、随机干扰等不确定因素及时进行补偿，始终把新的优化建立在过去时域滚动优化的基础上，建立在系统当前实际情况的基础上。第 5章 309这种启发式的滚动优化策略，是最优控制对于对象和环境不确定性的妥协，虽然不能得到全局的最优解，但可增强系统控制的鲁棒性以及适应性。9这种基于滚动式的有限时域优化目标，是在每一时刻提出相对于该时刻起对未来有限时域内的优化
13、目标，也就是当前 k时刻的优化问题。第 2章 6第 5章 319即要确定从 k时刻起的一组 M个控制变量（或控制增量）：() ( ) ( )( )()()()()()21P, 1, 1 12,21,Tprppr iUUiUk uk uk uk MykiykiMinJ Min y k iiyki wp=+=+LL使在未来 时刻的输出预测 与期望输出 的方差为最小（），：（即）第 5章 32过去 未来y(t)yr(k+i)yp(k+i)u(k+i)kk+1MPC第 5章 33()()()()iMPCpriykiykiytuk iiw+这里：预测输出；期望输出或理论参考轨迹；过去时刻对象的实际输出；
14、最优控制输入；控制时域长度；最大预测时域长度；预测时域长度；对象输出到达的设定值；第 步预测的非负加权系数。第 5章 349由于各种干扰和计算误差的影响，使得对象的实际输出 y(k+i) 一般不可能与预先规定的参考轨迹 yr(k+i) 完全重合。9滚动优化意味着按一个已知的非干扰模型来计算控制变量 U(k)以使得从 k时刻（现在时刻）开始的未来 P个预测输出 yp(k+i)尽可能接近理论参考轨迹 yr(k+i) 。为此必须求出 P个未来的预测输出值 yp(k+i)。第 5章 359若采用闭环预测，则有：( ) ( ) () () 3MpMMyki yki yk ykyk kyk k+= + （
15、）（）（）式中： 时刻对象的实际输出； 时刻对象的模型输出。第 5章 369当 yp(k+i)求出以后，在 yr(k+i)给定的情况下，可由式（ 2）求出控制向量 u(k i)，但在预测长度中 P中，只有第一个控制输入即当前时刻的即时控制量 u(k+1)才被应用，在下一个采样时刻，重复进行上述步骤。第 2章 7第 5章 37z 反馈校正9预测控制算法在进行滚动优化时，应使优化的基点与系统当前实际情况一致。9即在控制的每一步，都应检测系统的实际输出值，并通过引入误差预测或模型辨识对未来输出做出较准确的预测，为此必须引入反馈校正，即根据实际输出对模型的结构和 /或参数进行实时校正。第 5章 389
16、因为作为预测控制基础的预测模型，只是对象动态特性的粗略描述，而实际系统中存在的非线性、时变、模型失配以及干扰等不确定性因素均将对系统产生不良影响。9因此，基于不变模型的预测不可能与实际情况完全拟合，这就要求对基础模型进行在线修正，引入反馈校正是达到这一目标的有效途径。第 5章 399滚动优化只有建立在反馈校正的基础上，才能体现出它的优越性。这种利用实际信息对模型预测的修正，是克服系统中所存在的不确定性因素影响的有效手段。第 5章 40从预测控制算法的本质可以看出，采用预测控制理论对大跨桥梁的施工过程实施控制是比较适宜的。 因为大跨桥梁的施工过程是一个极为复杂的随机过程，不确定性因素众多，诸如混凝土收缩徐变、环境温度湿度、施工荷载、
