康小方[1]2016年在《基于分散控制的建筑结构振动控制理论与计算方法研究》文中认为近几十年来,随着社会经济的发展,土木建筑物形式正朝着越来越多的大跨高耸的体型发展。房屋建筑结构在土木结构领域占有较大的比重。我国地壳运动活跃,地震灾害非常频繁。而高层建筑结构体型较大、人员财产密集,其震害会比一般的建筑结构较严重。建筑结构的安全性能一直受到强震等荷载的严重威胁,如何有效避免结构的破坏,成为建筑结构抗震领域面临的巨大挑战。传统的抗震技术对建筑结构的减震作用具有一定的局限性。对此,主动控制技术可弥补传统的抗震技术的缺点。结构振动控制技术可有效地减少建筑结构振动响应。同时,越来越多的新型材料和新技术被用于提高建筑结构的舒适度和安全度。控制算法是近十几年来研究的热点。控制效率高、鲁棒性能好的控制算法对提高建筑结构振动控制系统的控制性能具有重要的作用。随着控制技术的发展,如何保证控制系统的稳定性对控制算法提出了更高的要求。近些年来,集中控制策略在结构振动控制中应用较多。然而,对于复杂多自由度建筑结构振动控制系统的控制问题而言,虽然集中控制策略能够取得很好的控制效果,但是集中控制在解决复杂多自由度建筑结构振动控制问题时存在计算量较大,可靠性较差和控制性能不稳定等缺陷。而分散控制策略可解决这一问题。分散控制策略为解决复杂多自由度建筑结构振动控制提供了一种新的途径。本文对基于分散控制的建筑结构振动控制理论与计算方法进行研究。完成的主要研究工作和成果总结如下：(1)本文采用连续时间重迭分散LQR控制方法对地震激励下的建筑结构振动控制进行研究,重点讨论了驱动器故障模式对结构振动控制效果的影响。并在考虑驱动力受限和采样时间的基础上,对建筑结构的离散时间重迭分散LQR控制进行了研究。通过八层和六层建筑结构数值算例对基于LQR控制算法的建筑结构重迭分散控制方法进行了验证。(2)本文将重迭分散控制(ODC)方法和滑模控制(SMC)算法相结合,提出了建筑结构振动系统的重迭分散滑模控制方法。以某20层Benchmark建筑结构模型为例,分别采用直接驱动方案和层间驱动方案计算了该模型的结构振动响应。两种驱动方案下的重迭分散和多重迭分散滑模控制均获得了较好的控制效果。(3)本文将静态输出反馈、重迭分散控制方法和H∞范数控制算法相结合,提出了连续时间和离散时间状态下的重迭分散H∞控制方法。该方法通过对状态矩阵添加一个微小的扰动,解决了在求解相应的线性矩阵不等式(LMI)时所遇到的计算困难问题。通过叁层、五层以及20层Benchmark建筑结构数值算例对文中所提的重迭分散H∞控制方法进行了验证,用以说明重迭分散H∞控制在处理多自由度结构振动控制中的有效性。(4)本文推导了多体建筑结构在地震激励下的运动状态方程。通过两栋和叁栋建筑结构组合而成的连体建筑结构数值算例对文中所提的重迭分散H∞控制方法进行了验证,用以说明重迭分散H∞控制在处理连体建筑结构振动分散控制中的合理性。(5)本文将重迭分散控制方法、线性矩阵不等式(LMI)方法,静态输出反馈和能量—峰值控制算法相结合,提出了重迭分散静态反馈能量—峰值控制方法。以8层建筑结构和20层Benchmark建筑结构模型为例,验证了能量—峰值控制算法可解决结构振动重迭分散控制问题。(6)本文将线性矩阵不等式(LMI)方法、H∞控制算法和重迭分散控制策略相结合,提出了含时滞建筑结构的重迭分散H∞控制方法。以20层Benchmark建筑结构模型为例,验证了时滞重迭分散控制系统可以有效地减少地震激励下的建筑结构振动响应。(7)本文提出基于H∞控制算法的结构重迭分散容错控制方法,对建筑结构的被动容错和主动容错控制分别进行了研究。通过四层和20层建筑结构数值算例分别对文中所提的被动容错和主动容错控制问题进行了验证,用以说明容错控制技术在建筑结构振动分散控制中的有效性。(8)本文采用非线性反馈控制对地震激励下的建筑结构振动分散滑模控制问题进行了研究。以某20层Benchmark建筑结构模型为例,验证了非线性反馈控制可解决地震激励下的建筑结构振动分散滑模控制问题。分散控制方案可根据实际工程情况进行设置,增加了分散控制器设置的灵活性。
《中国公路学报》编辑部[2]2017年在《中国汽车工程学术研究综述·2017》文中研究指明为了促进中国汽车工程学科的发展,从汽车噪声-振动-声振粗糙度(Noise,Vibration,Harshness,NVH)控制、汽车电动化与低碳化、汽车电子化、汽车智能化与网联化以及汽车碰撞安全技术5个方面,系统梳理了国内外汽车工程领域的学术研究进展、热点前沿、存在问题、具体对策及发展前景。汽车NVH控制方面综述了从静音到声品质、新能源汽车NVH控制技术、车身与底盘总成NVH控制技术、主动振动控制技术等;汽车电动化与低碳化方面综述了传统汽车动力总成节能技术、混合动力电动汽车技术等;汽车电子化方面综述了汽车发动机电控技术、汽车转向电控技术、汽车制动电控技术、汽车悬架电控技术等;汽车智能化与网联化方面综述了中美智能网联汽车研究概要、复杂交通环境感知、高精度地图及车辆导航定位、汽车自主决策与轨迹规划、车辆横向控制及纵向动力学控制、智能网联汽车测试,并给出了先进驾驶辅助系统(ADAS)、车联网和人机共驾等典型应用实例解析;汽车碰撞安全技术方面综述了整车碰撞、乘员保护、行人保护、儿童碰撞安全与保护、新能源汽车碰撞安全等。该综述可为汽车工程学科的学术研究提供新的视角和基础资料。
张庆国[3]2004年在《基于滑模控制和H_∞控制理论的结构振动控制研究》文中研究说明地震这一给人类带来巨大灾难的自然现象,自从人类出现以来就一直威胁着人类的生命和财产安全。为了抵御地震引发的破坏,人们进行着不懈的研究和探索。随着人类科学技术水平的进步,结构振动控制概念给学者和专家们带来新的希望,他们对这一新领域进行了理论和试验研究并且已开始将它应用到工程实践中。然而,由于建筑结构体型庞大和所承受荷载的特殊性,要建立描述它们的精确的数学模型十分困难。首先,在建模过程中对结构的简化;其次,对非线性因素的线性化;再次,结构参数本身的时变性;最后,地震荷载的随机性。因此,控制系统的鲁棒性至关重要,其理论一直受到人们广泛的关注,并不断得以研究和发展。滑模控制可以在瞬变过程中,根据系统当时的状态,以跃变的方式,迫使系统沿预定的“滑动模态”的状态轨迹运动或者向其趋近。由于滑动模态可以设计而且它与控制对象的参数摄动以及外界的扰动无关,这使得滑模控制对外界扰动和系统内部参数的摄动具有完全的自适应性。仿真分析表明这种控制方法能够有效的削减结构的振动,有很好的鲁棒性。H_∞控制理论以控制系统内部某些信号间的传递函数阵的H_∞范数为最优化性能指标,用于极小化其最坏情况。仿真分析结果表明:H_∞控制对于结构的振动削减是有效的,对外界的干扰作用及系统内部参数的摄动不敏感,具较好的鲁棒性。
李芦钰[4]2008年在《结构非线性振动的智能控制方法与试验研究》文中研究说明结构振动控制的发展很多都局限于对于线性结构的研究,但是结构在强震作用下将不可避免地进入塑性阶段,从而表现出非线性行为,因此研究结构非线性振动控制具有重要的理论与实际意义。本文着重研究了结构非线性振动控制的智能控制算法与模型试验,主要研究内容如下:1.针对设置层间控制器的结构非线性振动控制问题,结合滑模控制和自适应模糊控制算法各自的优点,提出了结构非线性振动的自适应模糊滑模控制算法,并采用模糊系统来消除滑模控制中的抖振现象,根据Lyapunov稳定定理设计出了相应的模糊控制器和自适应律。为了解决全状态观测问题,利用神经网络的非线性逼近能力,基于结构的非线性振动模型设计了动态神经网络观测器。通过在Benchmark结构非线性振动模型上的仿真验证了本文提出的智能算法的有效性,并进行了鲁棒性分析,结果表明:自适应模糊滑模控制可以很好地控制结构非线性振动,且具有比线性控制算法更好的鲁棒性;同时动态神经网络观测器也能够较好地观测结构非线性振动的全部状态,从而能够实现基于自适应模糊滑模控制算法的结构非线性振动输出控制。2.分析了本文提出的自适应模糊滑模主动控制力的特点,得出其适合用半主动控制算法实现的结论。通过选择合适的半主动控制算法,利用磁流变阻尼器来跟踪和实现此主动控制力。在Benchmark结构非线性振动模型上进行了磁流变半主动控制仿真分析,并对主动控制力、半主动控制力的特点和控制效果以及结构半主动控制系统耗能进行了分析。同时采用遗传算法对磁流变阻尼器的位置进行了优化,根据半主动控制算法的特点,提出了两阶段的优化算法,并给出了20层Benchmark模型中磁流变阻尼器的最优布置。同时针对作动器故障问题,采用动态神经网络辨识出现作动器故障的结构非线性振动模型,并基于此动态神经网络模型提出了结构非线性振动的容错控制算法。3.针对设置AMD的结构非线性振动控制问题,根据AMD控制的特点,提出了相应的模糊控制算法。为了解决AMD控制高层结构时模糊输入过多的问题,采用基于二次型指标的广义模糊输入,通过仿真验证了本文所提出的控制算法的合理性和有效性。结合仿真结果对AMD控制的目的及本质进行了较深入的分析,从而对AMD控制结构非线性振动提出了一些合理性的建议。最后,为了改善AMD对结构非线性振动控制可能放大层间响应的问题,采用AMD控制和层间阻尼器相结合的联合控制方式得到了很好的控制效果。4.利用压电材料对考虑几何非线性及模型不确定性的非线性梁进行了振动控制的试验研究,对于梁在大变形时产生的几何非线性进行了理论及试验研究和分析,并通过在梁端附加质量来模拟此结构的质量不确定性,然后对于不同的质量不确定性,通过试验比较了一般的模糊控制与自适应模糊滑模控制的控制效果,试验结果也验证了自适应模糊滑模控制对于非线性及模型不确定性有较好的控制作用。5.为了解决结构非线性控制试验模型的可重复性问题,提出并实现了利用旋转式磁流变阻尼器模拟结构塑性铰的方法,建立了相应的结构非线性振动的试验模型。通过控制此旋转式磁流变阻尼器的输入来实现不同的非线性行为,在各种不同的非线性行为下利用磁流变阻尼器实现了对于此试验模型的半主动控制,进而在此试验模型上验证了动态神经网络观测器及自适应模糊滑模控制算法的有效性。试验结果也表明本文提出的智能控制算法能够较好地实现对结构非线性振动的控制。
潘兆东[5]2017年在《建筑结构分散控制的计算方法、多目标优化及智能控制研究》文中进行了进一步梳理建筑结构采用主动/半主动等智能控制技术可以显着地抑制其振动响应,从而满足更高的安全和功能要求。其控制思想一般均是采用传统“分散采集,集中处理”的集中化控制。然而,对规模宏大、结构复杂、功能多样的复杂工程结构若仍采用传统集中控制,将必然难以满足结构控制系统对于稳定性、鲁棒性、可靠性及使用维护等方面的要求。大系统分散控制理论是解决大型结构振动控制问题的一个新途径,因此,本文在实际需求背景下针对建筑结构分散控制问题进行了深入、透彻、全面的理论研究,提出了多种适用于土木工程结构振动控制的分散控制算法,为分散控制理论在土木工程中的应用提供了一定的理论依据。本文主要研究内容如下:(1)结合土木工程结构分散控制的自身特点,引入完全分散、部分独立分散及部分重迭分散控制的概念,分别提出了局部最优分散控制算法、整体最优分散控制算法、包含原理分散控制算法、模糊滑模分散控制算法及自适应学习率RBF神经网络滑模分散控制算法。结合线性二次最优控制理论,分别以子系统控制效果局部最优及整体最优为目标建立了局部最优和整体最优分散控制算法,同时,针对重迭分散控制系统,提出一种重迭控制力最优选取规则,并利用混合群算法对各子控制器权矩阵进行优化,进而得到稳定且控制效果理想的分散控制系统。引入线性定常系统包含原理,通过扩展—解耦—收缩(EDC)过程来设计各子系统的控制器与滤波器,进而提出了一般重迭分散、链型、环型、星型及环—星型等多种重迭分散控制策略。另外,为了有效处理土木工程结构分散控制中子系统间相互影响力和外界荷载不确定性的影响,基于Lyapunov稳定性理论和滑模控制理论设计了仅依赖于子系统反馈信息的滑模分散控制律,在此基础上,结合模糊控制理论及RBF神经网络理论,分别提出了可以实时调节控制律切换增益的模糊滑模分散控制算法(DFSMC)和自适应学习率RBF神经网络滑模分散控制算法(DALRBFSMC)。通过仿真分析验证了所提算法的有效性。(2)提出一种适合于土木工程结构振动控制的分散控制系统多目标优化设计方法,对子控制系统的作动器位置、数量与控制器参数进行同步优化。首先,利用结构可控性指标对控制装置最优布置楼层进行确定;其次,在随机地震激励下,利用多目标粒子群—差分进化混合群优化算法对各子系统内作动器数量和控制器参数进行优化,使用庄家法则构造非支配解集,并利用模拟退火算法完成个体进化的二级局部搜索;同时,结合土木工程结构振动控制特点及可实现性,提出了满足种群进化多样性要求和保证收敛速度的边界点几何中心leader选择机制,并以反映结构振动控制效果和控制策略优劣的双指标作为优化目标函数。仿真分析结果表明所提出的优化方法具有较好的普适性,能有效解决分散控制系统的优化问题。(3)针对分散控制系统各分散控制器平行工作难以进行有效协调的不足,研究了土木工程结构振动控制的协调分散控制和递阶分散控制问题。分别设计了稳定PD协调控制器和能够保证系统性能上届最小的最优保性能PID协调控制器,并以结构控制效果整体最优为目标设计了局部子控制器,进而得到了稳定PD协调分散控制算法和保性能PID协调分散控制算法。另外,根据递阶分散控制思想,通过设置全局控制器消除子系统间的关联耦合,结合Lyapunov稳定性理论和RBF神经网络理论设计了仅依赖于子系统反馈信息的自适应控制律,并利用差分进化(DE)算法对局部子控制器相关参数进行优化,最终建立了适用于结构振动控制的自适应RBF神经网络递阶分散控制(ARBFHDC)算法。通过仿真分析验证了所提算法的适用性。(4)针对具有参数不确定(质量、刚度和阻尼不确定)的土木工程结构分散控制问题,分别提出了输出反馈极点约束保性能鲁棒分散控制算法和输出反馈H∞保性能鲁棒分散控制算法。首先,基于线性矩阵不等式方法,给出了保证分散控制系统二次稳定和特定区域极点约束的矩阵不等式,并采用变量替换方法,推导、建立了基于输出反馈的极点约束保性能鲁棒分散控制算法。其次,在保证分散控制系统稳定的基础上,给出并证明了不确定系统H∞保性能鲁棒分散控制器存在的充分条件,并通过变量替换和引入约束条件,将H∞保性能鲁棒分散控制器设计过程转化为具有线性矩阵不等式约束的凸优化问题,从而建立了同时满足多个控制目标的输出反馈H∞保性能鲁棒分散控制算法。仿真分析结果表明对于具有较大不确定性的结构,所提出的两种输出反馈鲁棒分散控制算法均较传统LQG集中控制算法有更理想的控制效果。(5)针对结构同时存在复杂非线性和较大不确定性的不利情况,结合线性矩阵不等式方法、RBF神经网络和H2/H∞控制理论,分别提出了保性能自适应RBF神经网络非线性鲁棒分散控制算法(GCARBF)和自适应H2/H∞非线性鲁棒分散控制算法(A-H2/H∞),并分别将这两种算法与Clipped-optimal半主动控制算法相结合,设计了相应的MR半主动分散控制系统。考虑模型参数(质量、刚度和阻尼)不确定及子系统间的耦合项,并利用退化Bouc-Wen滞回模型模拟得到子系统层间恢复力,建立了子控制系统误差状态方程;在此基础上,设计了由保性能控制项和自适应逼近控制项构成的子控制器,其中,保性能控制项通过求解转化为线性矩阵不等式的保性能控制问题得到,逼近控制项通过RBF神经网络自适应控制律确定,从而建立了 GCARBF非线性鲁棒分散控制算法。另外,基于线性矩阵不等式方法,通过建立和求解一个凸优化问题,得到了给定H∞控制目标下,H2控制目标最小的H2/H∞鲁棒分散控制律。在此基础上,通过引入带伸缩因子的比例增益和微分增益自适应调节函数,建立了有效实现控制律时变调节的A-H2/H∞非线性鲁棒分散控制算法。仿真分析结果表明,对于具有较大不确定性的非线性结构,所提出的非线性鲁棒分散控制算法具有明显的优势,均能进一步减小结构的损伤,提高结构的安全性和控制系统的稳定性。(6)针对分散控制系统作动器和传感器出现故障的容错控制问题,分别提出了小增益分散稳定容错控制算法和自适应分散智能容错控制算法。首先,考虑子控制系统间关联项的影响及传感器与作动器出现故障的情况,利用Lyapunov稳定性理论及线性矩阵不等式方法推导、证明了离散时滞关联系统分散镇定的充分条件,进而,结合小增益原理,提出了具有完整性的小反馈增益分散稳定容错控制算法。其次,针对作动器故障和子系统间关联项的影响设计了具有补偿功能的直接自适应分散控制算法,并利用自适应神经模糊推理系统(ANFIS)对传感器故障进行在线诊断与信号修复,进而得到了自适应分散智能容错控制算法。通过仿真分析验证了所提算法的有效性和优越性。
胡庆雷[6]2006年在《挠性航天器姿态机动的主动振动控制》文中认为航天器挠性结构的主动振动控制技术是大型航天器姿态控制系统设计的关键技术。本学位论文结合高等学校博士学科点专项科研基金“挠性多体结构卫星主动振动控制技术研究”(20050213010)课题,从理论上对粘贴有压电智能元件的挠性航天器的建模、姿态控制和主动振动控制理论等展开了深入的研究,其研究内容主要包括以下几个方面:利用Hamilton原理推导了挠性航天器的动力学模型、压电元件的作动方程及检测方程,并采用模态分析方法,进一步将挠性航天器的耦合方程规范化,使之适应于姿态控制系统的分析和设计。另外,为了将分力合成方法应用于挠性系统的振动抑制,简要地介绍了分力合成方法的一些基本概念及原理。针对采用推力器作为执行机构的挠性航天器姿态机动的振动抑制问题,提出了将分力合成振动抑制(CSVS)方法和基于分布压电元件(PZT)的主动振动抑制技术相结合的一种复合主动控制方法。通过将脉冲调宽调频调制(PWPF)技术应用到推力器的控制中,克服了设计CSVS各正负交替分力的作用时刻的困难;为了进一步抑制挠性结构的振动,采用分布式PZT作为作动器,给出了一种最优PPF补偿器的设计方法,从而大大减少了系统设计的盲目性。最后,在仿真分析中,将提出方法与时间—燃料最优机动控制方法进行了详细的分析和比较,结果表明该复合控制方法可以有效地抑制挠性模态的振动的同时提高航天器的指向精度。针对挠性航天器的动力学模型存在着模型不确定性因素以及外部扰动的作用的鲁棒控制问题,提出了将变结构输出反馈控制应用于挠性航天器的大角度机动控制中。设计的控制器仅利用输出信息,从而避免设计挠性模态状态观测器以及引入状态观测器误差;在此基础上,采用分力合成方法设计命令成形控制器来抑制挠性附件的振动,设计的优化命令成形控制信号在理论上可以对系统的各阶挠性模态完全抑制。但考虑到模型不确定性和外部扰动,在内回路又设计了最优正位置反馈(OPPF)补偿器以增加挠性结构的阻尼,使挠性结构的振动能够很快衰减。仿真结果表明,该方法可以有效地抑制挠性机构的振动,对模型不确定以及外部干扰具有很强的抑制能力。针对带有非线性输入(饱和/死区特性)的挠性航天器姿态控制问题,设计了变结构输出反馈控制器,给出了滑模存在条件以及控制器的两种设计方
杨靖宇[7]2012年在《大挠性航天板状结构智能振动与形状控制研究》文中提出大型柔性板状结构系统的控制技术可应用于空间系统、航天器及主动光学等领域，大型柔性板状结构是典型的轻质柔性结构系统，此类系统为分布式参数系统，其阻尼弱、低频模态密集且模态参数具有不确定性。再者，控制系统性能指标要求高指向精度、高形状控制精度以及结构模态密集问题使得结构振动与形状控制问题更为棘手。本文侧重研究大型柔性板状结构的智能高精度振动与形状控制，其中考虑到系统高阶模态频率、高维数、多输入多输出性质、边界条件以及作动器/传感器的可靠性等因素的影响，大型柔性板状结构动力学系统的不确定问题归因于高非线性。本文着重研究了结构的建模以及结构振动与形状控制系统设计相关非线性问题，其主要工作如下：首先，为了确保控制系统测可控性、可观性以及高效能量利用，需要优化设计系统。本文将多种智能算法应用于大型柔性板状结构振动与形状控制中的叁类优化配置问题。第一类问题是大型柔性空间板状结构的压电作动器位置优化配置。第二类问题是大型柔性空间板状结构的压电作动器数量优化配置。第叁类问题是大型柔性空间板状结构的压电作动器方向优化配置。优化配置作动器优所使用的化适应度函数是以应变片所测表面应力为基础的，其优点在于可将适应度函数与优化问题相对独立因而便于求解。相比之前的研究工作，该优化方法更适应于板状结构几何形状复杂以及适应度函数难以求导的情况。通过与之前的研究成果对比仿真分析表明智能优化算法具有良好的优化效果。其次，应用新的建模方法构建了详细、完整、准确的大型柔性板状结构动力学模型。该模型的优点在于考虑了结构的主要模态因而更好的避免了“溢出”现象。此外，该模型为降阶模型且因其形式简单便易于大型柔性板状结构振动与形状控制器的设计，更重要的是避免了由控制溢出与观测溢出而导致的系统不稳定现象。最后，通过圆形板与矩形板的建模分析，证明了建模方法的有效性。第叁，本文通过计算仿真与分析并引入了多种智能控制算法用于大型柔性板状结构的振动与形状控制。仿真结果表明与传统控制算法相比，智能控制策略可更好地用于大型柔性板状结构的振动与形状控制，原因在于智能振动与形状控制系统能够更好地处理复杂、不确定性、非线性时变因素。最后，通过建立智能振动与形状控制实验系统证明了动力学建模方法、多目标智能优化算法、多种智能控制策略的有效性。
董钢[8]2015年在《建筑结构振动分散控制理论与计算方法研究》文中研究表明现代建筑物日益向超高层及大跨度方向发展。对于这些大尺度建筑结构,地震、强风、海浪等振动荷载作用成为影响其正常使用和极限承载的关键因素。建筑物的抗振问题是土木工程领域的重大课题。利用结构及材料本身耗散能力的传统被动抗振方法有很大的局限性,难以保证自然灾害下人们的生命财产安全,也难以满足人们日益提高的生活环境要求。结构主动/半主动振动控制方法具有效果好、适应性强等潜在的优点,成为建筑结构抵抗地震、风等振动荷载作用的一种重要的新途径。目前,土木工程结构主动/半主动控制的研究及应用主要采用的是集中控制策略,即建立结构整体控制模型,在结构的某一位置设立中央处理器,结构的全局振动响应信号作为中央处理器的输入,结构的各控制装置的控制作用信号作为中央处理器输出。对于大尺度建筑结构,振动控制模型的自由度很大,安装的传感器及控制器也较多,大尺度建筑结构振动控制问题成为一个复杂的大系统控制问题。集中控制策略在处理这些复杂的大系统时计算及存储将面临“维度灾难”及较大的控制时滞影响,而且当局部观测器或部分控制器出现故障时,基于全局信息的集中控制可能面临失控的后果,控制的可靠性面临挑战。分散控制策略将整个大尺度结构系统分解为若干偶联低阶子结构系统,各子结构设有各自的控制器,主要根据子结构上的局域状态设计控制力。稳定的分散控制可以解决集中控制策略的上述问题,对大尺度建筑结构进行振动分散控制理论与计算方法研究是十分必要和紧迫的。本文在大系统结构振动分散控制方法的基础上,对建筑结构振动分散控制进行理论分析和计算方法的研究,建立了建筑结构基于滑模理论的分散控制方法和基于多级递阶理论的分层分散控制方法,研制了相应分散控制程序。数值模拟显示本文所提分散控制方法对建筑结构振动响应有较好控制效果,分散控制器对于建筑结构整体具有稳定性。主要研究工作和成果总结如下：(1)基于大系统分散控制思想,对大尺度建筑结构给出一种分解方法。将大尺度建筑结构系统解耦为多个低维度子结构系统,子结构之间的相互作用视为子结构模型的干扰广义力,在有效控制下该干扰力有界。大尺度建筑结构振动控制模型等效为有界干扰力作用的子结构分散控制模型。(2)将滑模变结构理论单位向量非线性控制方法应用于建筑结构分散控制中。利用滑模理论的抗干扰条件,设计具有全局稳定的子结构滑动模态轨迹；分析并得到使用子结构系统局域状态信息实现全局稳定的控制力条件；建立了稳定的准滑模形式的分散控制格式。(3)给出建筑子结构非每层布置控制器的一般情况分散滑模控制的设计过程。采用奇异值分解(SVD)的方法对控制力作用矩阵进行变换,得到满足滑模控制要求的状态方程简约型。(4)建立了基于部分位移、速度输出信息的分散滑模控制方法。分析了输出坐标下子结构稳定滑模的存在条件,得到输出坐标下子结构稳定滑模面方程,建立了基于输出信息的建筑结构分散控制格式。该方法避免了输出信息下滑模设计所需的复杂坐标变换,简化了基于输出的稳定滑模设计。对稳定滑模设计和控制力设计统一采用线性矩阵不等式方法(LMI),简化了设计参数的选择。(5)建立基于位移输出信息的建筑结构分散滑模控制方法。针对系统的维数、相关系统矩阵不满足滑模设计的限制条件,引入辅助状态变量形成扩充的子结构状态方程。分析并得到使用子结构系统局域状态信息实现全局稳定的控制力动态条件,实现分散控制的全局稳定。(6)针对建筑结构分散滑模控制抗干扰条件不满足的一般情况,将H。优化控制方法用于建筑结构分散滑模设计,以线性矩阵不等式方法(LMI)进行求解,得到具有一定性能指标的稳定滑模运动。(7)基于大系统多级递阶理论,建立大尺度建筑结构输入分层分散控制模型,采用局部控制器和全局控制器的多级控制方法达到闭环大系统的分散稳定。用H∞控制方法得到建筑结构各独立子结构的局部控制器,使每个子结构系统稳定并满足干扰力影响的性能指标。将子结构系统的稳定性性质集结为一个标量Lypunov函数,根据整体系统的稳定性条件设计全局控制器。讨论了全局控制器由部分状态反馈的设计方法。
胡俊峰[9]2010年在《柔性机器人机构动力学分析及振动控制研究》文中指出现代机械向高速、精密、轻型和低噪声等方向发展,为了提高机械产品的动态性能、工作品质,必须十分重视机构动力学的研究。特别对于高速运行的机器人,在外力与惯性力作用下,构件的弹性变形不可忽略,它不仅影响了机构的轨迹精度和定位精度,破坏系统运行的稳定性和可靠性,同时降低了工作效率和整机的使用寿命。对有害动态响应的消减是机械动力学研究的重要问题。本文以柔性机器人机构为研究对象,对其动力学建模、优化综合和振动主动控制的理论和方法进行系统地分析和研究,主要内容如下:提出一种建立一般柔性并联机构的模型的子结构方法。该方法的主要思想是根据并联机构是由若干独立运动支链、静平台和动平台组成的特点,将并联机构的运动支链视为柔性子结构,静平台和动平台作为刚性子结构,分别建立它们的运动方程,然后将子结构的运动方程组合成系统的运动方程。它的特点是引入刚性子结构,推导出相邻刚性子结构和弹性子结构之间的几何和运动约束关系。使用动平台质心的微位移和微转角作为系统广义坐标,减少了系统自由度数,简化了模型并便于计算它们。两个算例的动力学分析结果验证了模型的有效性。对一种新型高速并联机械手,在弹性动力学层面上以系统的动态性能为目标对其截面参数进行优化设计。采用有限元法建立系统的弹性动力学方程,研究分析了系统第一阶固有频率对截面参数的灵敏度,并据此确定优化设计变量。分别选择基频或重量指标作为目标函数进行优化设计,最后的优化结果都能满足设计要求,能使机构有较小的重量又有较高固有频率。提出的思路和方法可应用于其他机构的优化设计。以一种新型两自由度柔性并联机械手为对象,利用假设模态法和拉格朗日乘子法,得到系统的动力学方程为微分—代数方程组,为了设计控制器,采用坐标分块法消除拉格朗日乘子,得到关于独立变量的二阶微分方程组。由于它是非线性和时变的,采用变结构控制策略设计控制器,通过选择合适的关节控制规律,使机械手能够跟踪期望轨迹,又能有效抑制弹性构件的振动。仿真分析的结果表明该控制器的可行性和有效性。以一种新型两自由度柔性并联机械手为对象,在含有压电元件的有限元模型基础上,基于实模态理论和滑模变结构理论,研究其振动主动控制。采用有限元法和模态理论建立系统的动力学模型。根据系统的性能要求,采用最优化方法确定滑移面,基于Lyapunov直接法设计滑模控制器,并且考虑了作动器输入电压的界限。仿真结果表明,该控制器可以有效地抑制柔性构件产生的弹性振动,减小了并联机械手的动平台的位置误差,验证了该控制器的可行性和有效性。以一柔性5杆机械手为研究对象,应用线性二次型高斯最优控制研究其振动主动控制。采用了一种表征作动能量的可控性指标和表征观测信号能量的可观性指标来确定作动器和传感器的最优位置。在计算线性二次反馈增益矩阵时,分别使用以状态量和输出响应为性能指标。将在模态坐标下的外力、惯性力和量测噪声视为白噪声信号,构造出Kalman状态估计器,连接状态估计器和反馈增益矩阵形成二次型Gauss控制器。仿真分析结果表明设计的两种控制器都能有效地抑制柔性机械手振动响应,通过比较分析,在以输出响应性能为指标的控制器的控制效果更好。应用模型预测控制理论设计控制器抑制一柔性5杆机械手振动响应。根据系统状态空间方程推导出系统的预测模型,以此得到预测模型的未来输出值。将模态力和量测噪声作为不确定性外部扰动,并视为白噪声,采用Kalman滤波估计器估计出系统状态量。以控制电压及其变化率为约束条件,将系统性能指标和约束条件化为一个标准二次规划优化问题,最后通过求解这一优化问题来得到最优控制输出。仿真分析结果表明了模型预测控制方法对柔性机械手振动响应抑制是有效的,取得了较为满意的控制效果。以柔性5杆机械手为研究对象,应用H_∞控制理论和μ综合方法设计具有鲁棒性的控制器抑制其振动响应。在设计H_∞控制器时,将模态力和量测噪声为不可确定性外部扰动,分别选择模态位移信号和输出应变信号为评价信号,并根据实际信号的幅值和频率特性选择合适的加权函数,形成一个最小灵敏度问题。考虑系统结构参数的不确定性,如固有频率、阻尼比和作动器参数,利用μ综合方法设计控制器。为了验证控制器的有效性,分别在频域和时域内分析它们。分析的结果表明:两个控制器都能够抑制模态力对输出应变的影响;所有控制器都能在系统不确定性情况下满足控制要求,具有一定的鲁棒性;μ控制器的控制性能和鲁棒性较好于H_∞控制器。最后,比较分析了滑模变结构控制、线性二次型高斯控制、模型预测控制和H_∞控制及μ综合控制这几种控制方法在柔性机器人机构振动主动控制应用方面的优缺点和异同点,并分别从时域和频域不同的角度比较分析它们的性能。为验证所设计的控制器的有效性,对柔性5杆机械手进行振动主动控制试验。试验分为叁个部分:第一个部分为机械手的刚体运动控制;第二个部分为实验模态测试,获得系统固有频率和阻尼比,修正理论模型;第叁个部分为振动控制试验。试验数据分析表明,所设计的控制器能够有效地抑制机械手的弹性振动响应。
汪权[10]2010年在《建筑结构振动控制理论与计算方法研究》文中研究指明土木工程结构中的房屋建筑作为重要的社会基础设施,是现代社会的组成部分。传统意义上,这些结构是设计成用来抵抗静荷载的。然而,土木工程结构同样承受着各种各样的动荷载,包括风、浪、地震和车辆荷载。这些动荷载会引起严重且持续的振动,对结构和结构构件以及居住者均有害,这些结构需要保护的内容可能涉及使用的可靠性,居住者的舒适度以及结构的耐久性。提高房屋建筑结构的抗震性能和高层建筑结构的抗风性能是减轻动力作用危害,加强区域安全的基本措施之一,是土木工程领域所面临的重大课题。建筑结构振动控制是多学科交叉的新技术领域,结构振动控制可以有效地减轻结构在风和地震等动力作用下的反应和损伤、有效地提高结构的抗振能力和抗灾性能,结构振动控制经过几十年的发展,已被理论和实践证明是抗振减灾积极有效的对策。在深入了解建筑结构的动力反应特性的基础上,研究合理且可行的控制措施保护建筑结构免遭地震和风荷载破坏,将是一个具有极大工程应用价值且时间紧迫的研究课题。随着社会的进步和科学技术的发展,人们对居所的振动环境有着越来越高的要求,振动被动控制的局限性就暴露出来了,难以满足人们的要求。主动控制技术由于具有效果好、适应性强等潜在的优越性,自然成为一条重要的新途径。然而主动控制系统一般需要很大的能量驱动和多个作动器,这在实际工程中难以实现。结构半主动控制基本原理与主动控制相同,但是半主动控制巧妙地利用了结构振动的往复相对变形或相对速度,从而只需要少量的能量调节便有可能实现主动最优控制力。采用诸如模糊控制、神经网络控制和遗传算法等智能算法为标志的结构智能控制是目前结构振动控制领域研究的前沿课题。结构智能振动控制不需要精确的结构模型,运用智能算法来确定输入、输出反馈与控制增益的关系,采用磁流变液智能材料制作的智能阻尼器同样仅需少量的能量调节便可以很好的实现主动最优控制力。本文以建筑结构模型为研究对象,运用现代控制理论以及智能控制理论分别对建筑结构振动控制进行了理论分析和计算方法的研究。首先,研究在地震激励下采用主动控制方法进行地震响应控制,对主动控制方法中的一些关键性问题进行研究,其次,在主动控制研究的基础上,重点研究了建筑结构的半主动控制方法,第叁,文章探讨了模糊控制及遗传算法在建筑结构振动控制中的应用。在结构地震响应主动控制系统设计中,采用线性二次型(LQR)经典最优控制、线性二次型Gauss(LQG)最优控制、结构极点配置控制、结构模态控制和滑移模态控制五种控制算法分别对线性结构模型进行了理论分析和数值仿真计算,为结构振动半主动控制提供基础。在主动变刚度(AVS)控制策略的基础上,提出了一种新的结构地震响应控制主动变刚度频率控制算法。利用希尔伯特—黄变换理论分析非线性非平稳地震信号的时频信息,当地震信号的瞬时频率接近于结构的固有频率时,主动变刚度装置改变结构的刚度以减小地震激励下的结构响应。文章选取两个建筑结构的Benchmark模型作为算例来验证该算法的可行性及有效性。仿真分析表明,该方法简便可行,能有效地控制受控结构位移反应,有着广泛的工程实际应用前景。基于固有模态分解技术和希尔伯特—黄变换理论提出了一种半主动变刚度调谐质量阻尼器(SAVS-TMD)对高层建筑结构进行风振响应频率控制算法。该算法控制系统的优点在于调谐质量阻尼器(TMD)频率可以实时连续可调,而且对结构的刚度和阻尼的变化具有很好的鲁棒性。本文选取的研究对象为拟在澳大利亚墨尔本建造的76层306m钢筋混凝土塔式办公楼建筑。SAVS-TMD控制仿真计算的结果与结构无控情况相比,可以充分地降低结构的风振响应,同时与TMD控制相比控制效果更好。此外,SAVS-TMD控制在结构刚度变化±15%的情况下依然可以降低结构的风振响应,具有很好的鲁棒性。SAVS-TMD控制的效果类似于主动调谐质量阻尼器(ATMD)控制,但是比ATMD控制耗能少。根据Davenport脉动风速谱,采用自回归模型(Auto-regressive)法和经过FFT算法改进的谐波迭加法(WAWS)分别对高层建筑结构进行脉动风速时程模拟。考虑竖向相关性、平稳的多变量随机过程以及它的互谱密度矩阵模拟生成具有随机性的脉动风速时程曲线和风速谱的功率谱密度。模拟风速的功率谱密度函数与Davenport目标谱的比较表明两种方法具有很高的精度和效率。本文算例以76层306m高钢筋混凝土结构风振Benchmark模型为研究对象,研究了风荷载作用下高层建筑动力响应的控制方法,给出了结构在模拟脉动风荷载作用下的被动TMD控制和主动LQG控制的控制结果。迭代学习控制是一种比较理想的控制策略,其本身具有某种智能,能够在控制过程中不断地完善自身,以使控制效果越来越好,逐渐成为令人关注的课题。针对高层建筑结构的地震响应,基于线性二次型最优控制与迭代学习控制相结合的思想,研究线性二次型迭代学习混合控制方法,提高迭代学习控制的收敛速度,对高层建筑结构进行有效的控制。其次结合自校正控制、模糊逻辑和迭代学习控制的基本思想,提出采用自整定模糊控制确定迭代学习律的方法,提高了迭代学习控制的鲁棒性。选取建筑结构振动控制Benchmark第二阶段的地震作用Benchmark模型作为研究对象,进行二次型迭代学习混合控制和模糊迭代地震响应计算,计算结果表明两种控制方法均能够对Benchmark模型的地震响应进行有效地控制,并且控制效果得到了一定的改进。在结构振动智能控制中模糊控制是被采用的方法之一,基于遗传算法的模糊系统的优化设计,把模糊控制和遗传算法结合起来,利用遗传算法的优点,克服了一般模糊控制设计中模糊变量的隶属度和控制规则的选取通常靠经验来获取的不足,使得系统的模糊控制设计更灵活方便,能取得更好的控制效果。
参考文献：
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[5]. 建筑结构分散控制的计算方法、多目标优化及智能控制研究[D]. 潘兆东. 湖南大学. 2017
[6]. 挠性航天器姿态机动的主动振动控制[D]. 胡庆雷. 哈尔滨工业大学. 2006
[7]. 大挠性航天板状结构智能振动与形状控制研究[D]. 杨靖宇. 南京航空航天大学. 2012
[8]. 建筑结构振动分散控制理论与计算方法研究[D]. 董钢. 合肥工业大学. 2015
[9]. 柔性机器人机构动力学分析及振动控制研究[D]. 胡俊峰. 华南理工大学. 2010
[10]. 建筑结构振动控制理论与计算方法研究[D]. 汪权. 合肥工业大学. 2010
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