斜拉桥施工控制方面的现状和存在的问题.doc

桥梁工程期中论文

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我国在斜拉桥施工控制方面的研究现状和存在的问题　　
随着新桥型新结构的出现，跨度记录的不断刷新，桥梁结构日趋复杂，大跨度桥梁施工控制成为竞相研究的课题。斜拉桥设计与施工密切相关，成桥后的线型和内力状态与所采用的施工方法和安装顺序直接联系。虽然可以采用各种方法计算出各施工阶段的预抛高值、拉索张拉力及位移等，但实际上在施工过程中，施工条件的变化、计算模型误差、制作误差、施工误差、量测误差和环境干扰等因素必将使结构实际状态与设计状态有差异。如不及时有效地对系统加以控制和调整，随着主梁悬臂施工长度的增加，线形和内力可能会显著偏离设计目标。避免和消除桥梁实际状态与设计状态之间误差的任务就落到桥梁施工控制上。
一、控制模型
　　桥梁施工控制中主要应用四种控制模型：解析模型、模糊模型、灰色模型和知识模型
（一）解析模型
很多研究者把桥梁施工过程看作一个复杂的动态系统，尝试把现代控制理论引入桥梁施工控制，根据结构理想状态、实测状态进行误差分析，预测以后的状态，制定出最佳调整方案，使结构的实际状态趋近于理想状态。基于现代控制理论的施工控制系统通常采用数学解析模型。
（二）模糊模型
　　现有的工程设计和决策理论在信息上采取两种极端相反的手法。例如，某些战略性决策或关键问题，由于不确定性因素过于复杂，无法进行科学处理。而进入结构计算以后，就走向另一极端，即把一切信息和各个环节的因果关系看作严格的确定性事物，以至出现多种矛盾，长期无法解决。人们发现，更加精细的计算模型，有时并不能得到更符合实际的结果，事物的复杂性越高，人类用一般的数学方式使它有效部分精确化的能力就越低。只对部分因素过分地精确化，就没有什么实际意义。充分利用繁杂事物提供的模糊信息，可以高效地分析和处理问题。
（三）灰色模型
　　灰色系统理论着重研究小样本、贫信息不确定问题，并依据信息覆盖，通过序列生成寻求现实规律，其特点是“少数据建模”。灰色系统理论将随机变量看作是在一定范围内变化的灰色量，将随机过程看作是在一定范围内变化的、与时间有关的灰色过程。充分挖掘数据内在规律，利用少样本、贫信息来建立模型，是灰色系统理论的长处。
（四）知识模型
　　基于单纯数学解析体系的传统控制理论中，很难处理对象或过程中的一些定性信息，也很难应用人的经验、知识、技巧和直觉推理，因而难以满足对复杂的、未能精确建模的系统控制要求。专家控制是一种基于知识的控制。可采用各种知识表达方式来建立过程或控制器的知识模型。对于对象模型，专家控制的基本思想是不过分依赖，但要充分利用。专家控制在未来将会有大的发展。
二、控制策略
　　控制论的发展是伴随着被控对象的复杂性、不确定性等因素的研究而发展的。桥梁施工控制中常用的控制策略主要有开环控制、闭环反馈控制、自适应控制、预测控制和模糊控制。
（一）开环控制
　　事先计算出结构的控制参数（如立模标高、张拉索力等），施工时并不根据结构的反应而调整，这就是所谓的开环控制。开环控制并不是一个真正的控制系统，因为它既无量测系统，也无参数识别、状态调整和预测等功能，属于结构分析范畴。
（二）闭环反馈控制
　　实际控制过程受到环境干扰、不准确的参数和其他因素影响，在开环控制中会使实际状态偏离理想状态。闭环反馈控制系统试图通过控制输入纠正偏差，即减小扰动对系统性能的影响。斜拉索的张拉力和新增梁段的立模标高或安装定位标高是斜拉桥常用的控制输入。
（三）自适应控制
　　自适应控制是解决具有数学模型不确定性为特征的最优控制问题，指在系统数学模型不确定性的条件下，要求设计控制规律，使给定的性能指标尽可能达到最优。自适应控制是一种逐渐修正、渐进趋向期望性能的过程，适用于模型和干扰变化缓慢的情况。对于模型参数变化快、环境干扰强的场合，显得力不从心。目前，自适应控制系统中最关键、最薄弱的环节是结构参数估计，它关系到整个控制系统的成败。
（四）预测控制
　　预测控制基本原理可归纳为模型预测－滚动优化－反馈校正。这是一种基于模型又不过分依赖模型的控制策略，类似于人的思维和决策。预测控制用滚动的有限时段优化取代了一成不变的全局优化。这种滚动优化控制策略可以随时顾及模型失配、时变、非线性或其他干扰因素等不确定性，及时进行弥补，获得较高的综合控制质量。
三、斜拉桥施工控制的核心技术
　一个完整的、基于现代控制理论的桥梁施工控制系统应具备以下6大功能模块：
（一）高精度的快速量测系统
　　通过量测施工过程中结构的实际行为，来确定或识别引起偏差的主要设计参数，从而确定反馈控制量。最可靠、最方便的是节点位移和索力的测量值，这些测量值也能较好地反映结构的总体受力性能。
（二）最优估计系统
　　对受到随机干扰和随机测量误差作用的物理系统，按照某种性能指标最优的原则，估计出系统某些参数或某些状态变量，这就是最优估计问题，即参数估计和状态估计。在反馈控制、自适应控制等控制系统中，最关键但又最薄弱的环节是参数估计，它关系到整个控制系统的成败。如果不解决模型中多参数的估计问题，再好的模型也不会起到很好的控制效果。对于斜拉桥施工控制中的参数估计，较方便的是采用基于结构静力反应的参数识别方法。主梁阶段的吊装、拉索张拉等工序为参数识别提供了很好的机会。但目前基于静力的参数识别研究较少，很不成熟。
（三）实时跟踪计算系统
　　采用施工的真实状况（荷载、温度等）和识别出来的参数，重新对结构进行跟踪计算，得到结构当前的真实状态。施工跟踪计算通过前进分析实现，这一部分研究的非常多，已经相当成熟。
（四）状态预测系统
　　斜拉桥是一个较强的误差滞后系统，当发现有较大误差再实施调整，调整效果不会很好。最好的办法是预测将来误差，根据已识别的误差和预测的误差，确定当前阶段的调整量。建立预测模型，预测以后可能的状态。
（五）理想状态修正系统
　　由于计算参数和施工误差的存在，需要修正预先确定的施工和成桥理想状态，即根据识别、预测结果，重新计算以后各阶段目标状态，修正控制参考轨迹。
状态调整系统
当已建结构偏离理想状态超过允许范围后，就要对这些误差进行调整纠偏。即通过控制输入，使得系统从当前状态转移到目标状态，同时使某一目标函数达到最优，即转移到修正后的理想状态。
四、问题及展望
　　到目前为止，国内外许多研究者在斜拉桥施工控制方面做了大量探讨，取得了很多研究成果。但还应看到，斜拉桥施工控制不论在理论上还是在方法上都还没有重大突破，很多方法仅仅限于理论探讨阶段，实际操作时存在很大随意性，有时在关键问题上甚至“拍脑袋”决定。目前桥梁施工控制急需进一步研究以下几方面内容：
第一，量测系统的自动化和高精度化，这是施工控制的关键所在；
第二，参数估计的研究还远远落后于工程需要。由于控制对象的特殊性和复杂性，一些基于动态系统的优秀算法在桥梁施工控制中效果不是很理想。研究噪声、少数据条件下的多参数混合估计非常迫切；
　　第三，施工状态跟踪、预测以确定性有限元法为主，随机有限元的应用还处于理论研究阶段；
　　第四，随机最优控制有待进一步研究，主要困难在于采样点少、噪声大、系统结构不断变化；
　　第五，基于状态空间法的现代控制理论基础是已知精确的数学模型和干扰的统计特性。如果模型不准确，控制性能将大大降低。应该大力引入新型控制策略，提高控制系统的稳定鲁棒性和性能鲁棒性，降低对模型的依赖。模糊控制技术是一个值得关注的研究方向；
　　第六，施工控制软件还远远不能令人满意，基本上只是具有调值功能的结构分析程序。采用先进的面相对象技术、数据库技术、图形图像技术，开发集成化的桥梁施工控制软件势在必行。