宁车沽永定新河特大桥监控方案

宁车沽永定新河特大桥监控方案内容摘要：

描述对象动态特性的数学模型，因此在预测控制算法中，需要一个能描述系统动态特性的基础模型，这种基础模型称为预测模型。 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，预测系统的未来输出值。 从方法机理的角度来看，凡是具有预测功能的信息集合，不论其表现形式如何，均可以作为预测模型。 预测模型要能够正确反映输入 —输出的动态因果关系 ： 而且建模表达形式要尽可能简便。 (2)滚动优化 预测控制 算法是一种优化控制算法，它通过某一性能指标的最优化来确定未来的控制作用，这一性能还涉及到过程未来的行为，它是根据预测模型由未来的控制策略决定的。 预测控制中的优化不是一次离线完成的，而是反复在线完成的，即每一采样时刻，优化性能指标只涉及该时刻起到未来有限的时刻，而到下一个采样时刻，这一优化时段会同时向前推移，因此，预测控制不是用一个对全局相同的性能优化指标，而 是每一时刻都有一个相对于该时刻的局部性能优化指标。 不同时刻优化性能指标的形式相同，但其所包含的时间区域不同。 这种局部的有限时域的优化目标，虽然只能得到全 局的次优解，但由于这种优化过程是在线反复进行的，而且能更为及时地校正因模型失配、时变、干扰等引起的不确定性，始终把优化过程建立在从实际过程中获得的最新信息基础之上，因此，只要预测范围选择合适，可以使控制保持实际上的最优。 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目标。 对于当前 k 时刻的优化问题，就是要确定从 k 时刻起的一组 M 个控制变量 (或控制增量 )： [ ]( ) ( ) , ( 1 ) , , ( 1 ) TU k U k U k U k M= + + + (1) 使在未来 ( M nN＃ )时刻的输出预测 ， ()nY k i+ 与期望输出 ()rY k i+的方差为最小 (参见图 1)，即 ： [ ]21 ( ) ( )n n n iiM in J M in Y k i Y k i w== + + ?229。 (2) 式中： ()nY k i+ ——预测输出值 ； ()rY k i+ ——期望输出或参考轨迹 ； i,n——分别为预测时域长度和最大预测时域长度 ； iw ——第 i 步预测的非负加权系数。 由于各种干扰和计算误差的影响，使得对象的实际输出 ()Yk i+ 一般不可能与参考轨迹 ()rY k i+ 完全重合。 因此，滚动优化意味着按一个己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，未来的 n 个预测输出 ()nY k i+ 尽可能接近参考轨迹 ()rY k i+。 若采用闭环预测，则有 ： [ ]( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 , 2 , 3 )n m mY k i Y k i Y k Y k i n+ = + + = (3) 图 1 参考轨迹与最优控制 式中 ： ()Yk——k 时刻对象的实际输出值 ； ()mY k i+ —— k+i 时刻的模型输出值 ； ()mYk—— k 时刻的模型输出值。 可以证明，当采用闭环预测时，对象输出值将收敛于设定值 C[ 2]。 在求出 ()nY k i+ 以后，在参考轨迹 ()rY k i+ 给定的情况下，可由式 (1)求出控制向量 u(k)。 但在预测长度 n 中，只有第一个控制输 入即当前时间的即时控制量 u(k)才被应用，在下一个采样时刻，重复进行上述步骤。 (3)反馈校正 在预测控制算法中，采用预测模型进行过程输出值的预估只是一种理想方式。 由于实际系统中存在非线性、时变、模型失配、干扰等因素的影响，使基于不变模型的预测输出不可能与系统的实际输出完全一致。 因此，在预测控制中，通过输出的预测量值与模型的预估值进行比较，得出模型的预测误差，再利用模型的预测误差来校正模型的预测值，从而得到更为准确的预测输出值。 正是这种模型预测加反馈校正的过程，使得预测控制具有很强的抗干扰和克服系统不确定性 的能力。 在预测控制中，反馈校正的形式是多种多样的，既可以在采用的预测模型基础上对预测模型值加以补偿，也可以根据在线辨识原理直接修改预测模型，因此预测控制中不仅基于模型，而且利用了反馈信息，因此预测控制是一种闭环优化控制算法。 预测控制法是一种基于系统模型、滚动实施并结合反馈校正的优化控制算法。 预测控制对模型的要求不同于其它传统的控制，它强调的是模型的预测功能而不是结构形式，只要模型可以利用过去的已知数据预测未来的系统输出就可以作为预测模型。 预测控制对模型要求的不唯一性，使它可以根据对象的特点和控制要求，以其 最合适的方法建立系统的预测模型。 此外，预测控制汲取了优化控制的思想，利用滚动的有限时段优化取代了一成不变的全局优化。 这虽然在理想情况下不能导致全局最优，但由于实际上不可避免地存在着模型误差和环境干扰，这种建 立在实际反馈信息基础上的反复优化，能不断顾及不确定性的影响并及时加以校正，反而比只依靠模型的一次优化更能适应实际过程，有更强的鲁棒性。 从预测控制法的基本原理可以看出，采用此法对大跨度连续梁桥的施工过程实施有效的控制是比较合适的。 因为大跨度连续梁桥的施工过程是一个极其复杂的随机过程，不确定性的因素很多，建 立能够切实反映这一施工过程的动态特性的精确数学模型是不可能的，因此，把预测控制这种建模容易、计算简单且可以考虑不确定性因素的算法运用到大跨长联预应力混凝土连续梁桥的施工控制中，可以取得较好的效果。 施工控制 结构的计算 方法 无论采用什么分析方法和手段，对桥梁结构参数、施工工艺、施工监测等环节采取什么措施，总是要对实际桥梁结构进行简化，建立计算模型，进行桥梁施工仿真计算。 由于悬臂施工的连续梁桥结构的最终形成，必须经历一个漫长又复杂的施工过程及结构体系转化过程，对施工过程中每个阶段的变形计算和受力分析，采取 恰当的施工过程模拟分析力法是保证仿真计算精度和速度的关键。 施工控制中的过程模拟分析方法不仅能够对整个施工过程进行描述，反映整个施工过程结构的受力行为，而且还能确定结构各个阶段的理想状态，为施工提供中间状态目标。 现阶段大跨度桥梁施工控制中桥梁的过程模拟分析方法主要包括：正装分析法、倒装分析法及无应力状态分析等，这 3 种分析方法各有特点，但由于不同型式的桥梁结构所采用的施工方法不同，因而这 3 种计算方法对于不同型式的桥梁结构分析是有所侧重的。 正装计算 法 对于大跨度桥梁结构，在分段施工过程中，结构的某些荷载如自重荷 载、施工荷载、预应力等是在施工过程中逐级施加的，每一个施工阶段都可能伴随着混凝土的徐变发生、边界约束增减、预应力张拉和体系 转换等。 后期结构的力学性能与前期结构的施工情况有着密切联系。 换言之，施工方案的改变，将直接影响成桥结构的受力状态。 在确定了施工方案的情况下，如何分析各施工阶段及成桥结构的受力特性及变形是施工设计的首要任务。 为了计算出桥梁结构成桥后的受力状态，只有根据实际结构配筋情况和施土方案设计逐步逐阶段地进行计算，最终才能得到成桥结构的受力状态，这种计算方法就是正装计算方法。 正装计算法也称正装分析法 或前进分析方法，是指按照桥梁结构实际施工加载顺序来进行结构受力和变形分析，能较好地模拟桥梁结构的实际施工历程，能得到各个阶段的受力和位移状态，不仅可用来指导桥梁设计和施工，而且能对施工控制提供了依据。 同时，在正装计算中，能较好对考虑一些与桥梁结构形成历程有关的因素，如结构的非线性问题和混凝土的收缩、徐变问题。 因此，正装计算法在桥梁结构分析中占有重要的位置。 这种计算方法的特点是 ： (1)随着施工阶段的推进，结构形式、边界约束条件、荷载形式在不断地改变，前期结构将发生徐变，其几何位置也在改变，因而，前一阶段 结构状态将是本次施工阶段结构分析的基础。 (2)桥梁结构在正装计算之前，必须制定出详细的施工方案，只有按照施工方案中确定的施工加载顺序进行结构分析，才能得到结构中间阶段或最终成桥阶段的实际变形和受力状态。 (3)在结构分析之初，要确定结构最初实际状态，即以符合设计要求的实际施工结果 (如跨径、标高等 )倒退到施工的第一阶段作为结构正装计算分析的初始状态。 (4)对于混凝土徐变、收缩等时差效应在各个施工阶段中逐步计入。 (5)在施工分析过程中严格计入结构几何非线性效应，本阶段结束时的结构受力状态用本阶段荷载作用下 结构受力与以前各阶段结构受力平衡而求得。 正装计算法可以严格按照设计好的施工步骤进行各阶段内力分析，但由于分析中结构节点坐标的迁移，最终结构线形不可能完全满足设计 线形。 倒装计算 法 实际施工中桥梁结构线形的控制与强度控制同样重要，线形误差将造成桥梁结构的合拢困难，影响桥梁建成后的美观和运营质量。 为了使竣工后桥梁保持设计线形，可在施工过程中设置预拱度的方法来实现。 而对于分段施工的连续梁桥等复杂结构，一般要给出各个施工阶段结构控制点的标高 (预抛高 )，以便最终使结构物满足设计要求，这个问题是用正装计算法难以解决， 而倒装计算可以解决这一问题。 倒装计算法也称倒拆计算法或倒退分析法，是指按照桥梁实际施工加载顺序的逆过程来进行结构行为分析。 它的基本思想是：假设 t=to时刻结构内力分布满足正装计算时刻的结果，线形满足设计要求。 在此初始状态下，按照正装分析的逆过程，对结构进行倒拆，分析每次拆除一个施工阶段对剩余结构的影响，在一个阶段内分析得到的结构位移、内力状态便是该阶段结构施工的理想状态。 所谓结构施工理想状态，就是在施上各阶段结构应有的位置和受力状态。 每个阶段的施工理想状态都将控制着全桥最终的形状和受力特性。 倒装的目的就 是要获得桥梁结构在各施工阶段理想的安装位置 (主要指标高 )和理想的受力状态。 一座大跨度桥梁的设计图，只给出了桥梁结构最终成桥设计状态的成桥线形和设计标高，但是桥梁结构施工中间各状态的标高并没有明确给出，要想得到桥梁结构施工初始状态和施工中间各阶段的理想状态，就要从设计图纸中给出的最终成桥状态汗始，逐步地倒拆计算来得到施工各阶段中间的理想状态和初始状态，只有按照倒装计算出来的桥梁结构各阶段中间状态 (主要是标高 )去指导施工，才能使桥梁的成桥状态符合设计要求。 当然，在桥梁结构的施工控制中，除了控制结构的标高和线形之 外，同样要控制结构的受力状态，它与线形同样重要。 正因为倒装计算法有这些特点，所以其能适用于各种桥型结构的安装计算，尤其适用于以悬臂施工为主的大跨度梁桥、刚构桥和斜拉桥：倒装计算法确定桥梁结构各阶段施工理想状态，需要注 意以下几点 : (1)倒拆计算时的初始状态必须由正装分析来确定。 (2)拆除单元的等效荷载，用被拆单元接缝处的内力反方向作用在剩余主体结构接缝处加以模拟。 (3)拆除杆件后的结构状态为拆除杆件前结构状态与被拆除杆件等效荷载作用状态的叠加。 即本阶段结束时，结构的受力状态用本阶段荷载作用下的结构受力与 前一阶段的结构受力状态相叠加而得，即认为在这种情况下线性叠加原理成立。 (4)被拆除构件应满足零应力条件，剩余主体结构新出现接缝面应力等于此阶段对该接缝面施加的预加应力。 这是正确进行倒装分析的必要条件。 (5)倒拆时需要注意，对于几何非线性十分明显的大跨度桥梁，按倒装计算法计算的结果进行正装施工，桥梁结构将偏离预定的成桥状态。 处理的方法就是要完成倒装计算和正装计算的交替迭代过程，也就是用循环迭代逼近分析方法。 (6)倒装计算的局限就是无法进行混凝土收缩、徐变计算，因为混凝土构件的收缩、徐变与结构的形成历程有 密切关系。 由于倒装计算的顺序是结构形成历程的逆过程，所以在倒装分析时，考虑结构的时差效应的影响有一定困难。 处理这一问题的方法是正装与倒装计算应交替迭代进行，思路是：第一轮倒装计算，不计混凝土的收缩、徐变，然后以倒装计算结果投入正装计算，逐阶段计算混凝土的收缩、徐变影响，并将各阶段的混凝土收缩、徐变值保存起来，以备下一轮迭代计算时采用。 上一轮计算完成后，再进行下一轮倒装计算。 此时，要计入上一轮正装计算相应阶段的混凝土收缩、徐变值，如此反复进行直到计算结果收敛。 即一般正装计算可以考虑混凝土的收缩、徐变影响，而 倒装汁算无法考虑，故通过正装计算和倒装计算的反复迭代，直至二者之间误差达到一定的范围之内，桥梁在施工过程中的各个阶段的理想状态才得以确定。 无应力状态 法 倒装计算是通过分析桥梁的内力来建立起桥梁各施工阶段中间状态与桥梁结构成桥状态之间的联系，由于结构的内力与结构的形成历程密切相关，是个相对不稳定、不独立的量，因而用倒拆计算法确定结构的中间理想状态是比较困难的。 因此，找到一种相对稳定或恒定不变的量来建立起各施工阶段中间状态与成桥状态之间的联系，就显得尤为重要，无应力状态计算法就是在这种思想的基础上产生的。 无 应力状态法的基本思想：设想将一座已建的桥梁结构解体，结构中各构件或单元在标准温度下的无应力长度和曲率是一个确定的值，在桥梁结构施工中或建成后，不论结构温度如何变化，如何位移，以及如何加载，即在任何受力状态下，各构件或单元的无应力长度和曲率保持不变的原理进行结构状态分析的方法叫无应力状态法，这种方法特别适用于大跨径拱桥和悬索桥。 桥梁结构无应力状态只是一个数学目标，通过它将桥梁结构安装的中间状态和终结状态之间联系起来，为分析桥梁结构各种受力状态提供了一种有效的方法。