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柔性框架结构智能振动主动控制方法的研究

作　者: 周星德
导　师: 汪凤泉
学　校: 东南大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 智能框架结构振动主动控制传感器/作动器遗传算法拉直算法极点配置广义预测控制模态可控度综合设计
分类号: TB535.1
类　型: 博士论文
年　份: 2001年
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内容摘要

工程结构的振动控制是近代结构工程的前沿领域,是结构抗振的重要手段;而框架结构是建筑结构最基本的简化形式,对其进行振动控制研究具有重要理论意义和实用价值。本文以工程结构为研究背景,以框架结构为研究对象进行智能主动控制的研究,研究的侧重点在于智能主动控制方法的研究。主动控制技术是目前研究的热点之一。对于框架结构主动控制来讲,由于存在弯曲、扭转变形并且不能实现完备测量,故而对其研究具有较大的难度,这是一个很有吸引力的课题。本文着重研究框架结构智能主动控制方法同时还对与其有关的一些问题进行了研究。研究工作包括主动构件系统的设计、控制建模、控制律设计、作动器/传感器的优化配置及综合设计、实时计算机振动控制仿真试验等。主要内容为: 1. 针对框架结构振动主动控制的模型具有阶数高的特点,在能量法的基础上,本文提出多步能量法来确定系统的主自由度,通过分步降阶来达到减少原系统的能量与降阶系统能量的差异,从而决定系统主自由度的选择。2. 针对框架结构振动主动控制模型误差较大的特点,通常采用试验模态数据来修正计算模型。而本文提出了一种新的修正方法-拉直算法,该方法不仅能够保证修正后系统模型的矩阵仍然保持带状稀松的特点,而且由于只对在系统矩阵的带状部分进行优化,其计算的复杂程度也简化了许多。该算法十分稳定,且随着迭代次数的加大,精度会愈来愈高并趋于稳定。3. 框架结构主动控制系统传感器/作动器优化配置是组合优化问题,该问题求解的计算量较大;同时还存在二个限制条件:其一是只有部分位置允许布置传感器/作动器;其二是所布置的传感器/作动器数目为规定数目。本文在模态可控度和最小费用函数的基础上,采用改进的遗传算法使该优化问题得到了解决,同时计算量也大为减少。4. 针对框架结构主动控制具有模型不精确及存在测量误差和外部扰动等特点,本文引入改进的广义预测控制策略;同时还开发了基于模态可控度的独立模态广义预测控制方法。

全文目录

绪论  11-16
第一章智能结构的研究  16-24
  1.1 智能结构的研究进展  16-21
    1.1.1 数学模型  16-17
    1.1.2 模型降阶与控制律的设计  17-19
    1.1.3 传感器与作动器的定位  19-20
    1.1.4 智能结构的未来发展方向  20-21
  1.2 本文研究的目的和意义  21-22
  1.3 本文研究的主要内容  22-24
第二章压电主动构件与柔性框架结构设计  24-30
  2.1 引言  24-25
  2.2 压电弹性体的方程  25-26
  2.3 压电堆设计  26-27
  2.4 平面框架结构的研制  27-28
  2.5 本章小结  28-30
第三章控制系统建模  30-47
  3.1 引言  30-32
  3.2 实验模态数据修正计算模型的拉直算法  32-38
    3.2.1 修正原理  32-36
      3.2.1.1 质量阵的修正  32-35
      3.2.1.2 刚度阵的修正  35-36
    3.2.2 算例及讨论  36-38
  3.3 基于能量法的系统模型降阶方法研究  38-45
    3.3.1 系统模型降阶  38-39
    3.3.2 模态能量  39-41
    3.3.3 子空间迭代法  41
    3.3.4 实例及分析  41-45
  3.4 本章小结  45-47
第四章作动器/传感器的优化配置及综合设计  47-60
  4.1 引言  47-49
  4.2 基于遗传算法的智能框架结构激振器最优配置  49-55
    4.2.1 系统模型  49
    4.2.2 模态可控度  49-51
    4.2.3 基于遗传算法的最优配置  51-53
      4.2.3.1 编码与初始群体的形成  51-52
      4.2.3.2 适应度计算  52
      4.2.3.3 选择  52-53
      4.2.3.4 交叉与变异  53
    4.2.4 实例分析  53-55
  4.3 框架结构主动控制的综合设计研究  55-59
    4.3.1 系统模型及优化模型  55-57
    4.3.2 改进的遗传算法  57-58
    4.3.3 算例分析  58-59
  4.4 本章小结  59-60
第五章主动控制方法的研究  60-76
  5.1 引言  60-62
  5.2 框架结构预测控制的研究  62-67
    5.2.1 系统模型降阶  62-63
    5.2.2 预测控制  63-65
    5.2.3 实例分析  65-67
  5.3 基于可控度的模态预测控制的研究  67-71
    5.3.1 系统模型降阶  67-68
    5.3.2 预测控制  68-69
    5.3.3 实例分析  69-71
  5.4 多步输入控制极点配置法  71-74
    5.4.1 系统模型及特征解  71-72
    5.4.2 极点配置  72-73
    5.4.3 计算实例及分析  73-74
  5.5 本章小结  74-76
第六章实时振动主动控制仿真试验研究  76-86
  6.1 引言  76
  6.2 含有时滞的广义预测控制  76-83
    6.2.1 控制律设计  76-78
    6.2.2 系统模型降阶  78
    6.2.3 框架结构试验仿真  78-83
  6.3 试验装置介绍  83-84
    6.3.1 数据采集板的主要性能  83
    6.3.2 实时计算机控制系统构成  83-84
  6.4 本章小结  84-86
结论  86-88
  1 本文的主要工作  86-87
  2 后续研究工作  87-88
致谢  88-89
参考文献  89-98
攻读博士学位期间发表的主要论文  98

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