基于能量准则的板振动控制的LQR法

针对压电层合结构振动的主动控制问题，为了优化控制效果，本文基于现代控制理论提出了选用结构振动能量和控制信号能量作为控制目标函数的LQR法。首先，按能量准则推导了控制目标函数中权系数矩阵(Q矩阵和R矩阵)的理论计算公式，为权系数矩阵的选取提供了一定的理论依据。然后，运用该算法，分析了压电层合板受到初始位移激励和冲击载荷作用下的控制过程，用Matlab进行系统仿真，得到了板中心点的位移和控制电压大小随时间变化的曲线。数值模拟的结果表明，该方法能达到更有效控制结构振动和减小控制能量消耗的目的，与一般的LQR控制方法相比，能满足系统多方面的设计要求且控制效果更优，从而验证了该LQR方法运用到结构振动主动控制中的可行性。     

弹性板振动的多模态主动控制

采用多对压电片对板振动的多阶模态进行主动控制。为了改善结构振动控制的效果，本文对选用结构振动能量和控制信号能量作为控制目标函数的LQR控制算法作了初步研究。首先，按能量准则推导了控制目标函数中权系数矩阵(Q矩阵和R矩阵)的理论计算公式，为权系数矩阵的选取提供了一定的理论依据。然后，运用该算法，在研究了单对压电片进行振动主动控制的基础上．本文深入分析了压电层合板振动的多阶模态控制的问题，用Matlab进行系统仿真，得到了压电层合板受到初始位移激励下板中心点的位移和控制电压大小随时间变化的曲线。数值模拟的结果表明，该方法能达到更有效控制结构振动和减小控制能量消耗的目的．进一步验证了该方法能达到有效控制结构振动和减小控制能量消耗的目的。     

振动控制设计中的等价鲁棒性极点配置问题

本文首先用Householder变换将状态反馈鲁棒极点配置问题做一等价转换，然后基于以鲁棒度量尽可能小为准则确定相应的非线性规划问题，应用一种优化方法得到所求非线性规划问题的总体优化解．由于经过转换后的等价状态反馈鲁棒极点配置问题中的状态矩阵为上Hessenberg矩阵形式，这有利于迭代过程中的减少计算量，为工程应用开辟了一条新途径．     

基于小波理论的悬臂板压电动力控制模式

采用Daubechies小波理论的尺度函数变换，建立了由压电片感应器（sensors）的观测电量识别悬臂板结构变形的一一对应显式关系，从而克服了传统模态方法因逆矩阵求解在某些情形下得不到保证而导致观测失效的不足．随后基于小波尺度函数变换，对于悬臂板建立了具有位移与速度信号反馈的压电致动控制动力模式．由于小波尺度函数逼近具有自动滤除高频分量的能力，建立的控制模式将不会出现由观测溢出与控制溢出耦会造成的不稳定性．数值结果表明：控制方法在抑制外界干扰方面要快于传统方法．     

建筑结构振动系统的多重叠分散静态输出反馈H_∞控制方法

采用分散控制方案能有效解决大尺度土木结构在地震作用下的结构振动控制问题。本文将静态输出反馈、重叠分散控制方法、线性矩阵不等式方法和H∞范数控制算法相结合,提出了多重叠分散静态输出反馈H∞控制方法。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。文中对20层Benchmark建筑结构模型进行数值模拟与计算。结果表明,部分输出反馈控制、重叠静态输出反馈控制和多重叠静态输出反馈控制均获得了与全状态集中控制相近的控制效果,减少了计算成本和控制器设计的复杂性。     

应用小干扰柱体控制角区马蹄涡结构的实验研究

本文提出一种简单的抑制和控制角区马蹄涡的被动控制方法.即在角区平板上游放置一个远小于主柱体的小干扰柱体,用其产生的弱马蹄涡来抑制和控制角区的马蹄涡结构.目的是使角区原来的马蹄涡结构由强变为弱、由大变为小、由多变为少、由非定常变为定常,以获得减小冲刷、抑制湍流、降低噪声、避免振动的工程效果.作者在风洞中采用烟线法和激光片光流动显示的方法开展研究,实验表明,在平板上游适当位置放置小干扰柱体的确可以有效抑制和控制角区马蹄涡结构.实验发现,当小干扰柱体放置在原角区马蹄涡生成区时,其抑制和控制效果最佳;当小干扰柱体放置在上游区或下游区时,控制效果不好.本文讨论了小干扰柱体控制角区马蹄涡的机理.此外,实验还研究了小干扰柱体相对尺度和截面形状对角区马蹄涡结构抑制和控制的影响.     

磁流变阻尼器半主动控制方法的实验研究

由于磁流变阻尼器是一种高度非线性的装置,因此建立与之相适应的控制系统是半主动控制问题的关键。本文采用改进的Bingham模型建立了磁流变阻尼器的动力学特性模型,根据天棚阻尼开关控制、天棚阻尼连续控制和模糊控制三种控制方法,确立了从系统速度响应到磁流变阻尼器励磁电流之间的关系,并开发了一套半主动控制系统。在一个两自由度的简化车辆试验平台上进行半主动控制试验,对比研究了三种控制方法的控制效果。实验结果表明,在1.3Hz~2.0Hz的低频段内,开关控制的最佳减振效果为15.1%,连续控制的最佳减振效果为14.9%,模糊控制的最佳减振效果为20.1%。可见,三种控制方法都能有效的减小车体的振动,模糊控制的减振效果最佳。     

结构控制中输出反馈鲁棒极点配置优化方法

给出了输出反馈鲁棒性极点配置的数学描述和数值解法,基于任何结构控制都要求极点对系统矩阵元素的改变不敏感,通过选择鲁棒度量,并以其尽可能小为判据,用优化方法寻求近似解,最后将该方法应用于一个大跨度桥在确定的运动载荷作用下的控制,计算结果表明方法合理、有效。     

基于复模态的控制力矩陀螺配置优化

由于陀螺耦合效应,系统动力学方程的特征值和特征向量皆为复数形式,不便于进行控制力矩陀螺的配置优化和控制律设计。本文基于复模态理论,构造出一种实数域上的伪模态矩阵,从而实现方程解耦。综合考虑结构模态、控制输入能量和传感器接收能量的复合优化准则,获得了控制力矩陀螺的最优配置。结果表明,采用线性二次型最优控制,能够快速将结构的响应振幅降至5%以内,验证了使用伪模态矩阵进行方程解耦的可行性及控制的有效性。     

随机风场下高层结构振动隔震与TMD混合控制研究

针对风荷载作用下高层建筑结构振动控制问题,基于建筑隔震和调谐质量阻尼器振动控制原理,利用ANSYS软件分别建立高层结构带隔震层和带调谐质量阻尼器(TMD)的单一控制策略以及两者相结合的混合振动控制策略。根据Davenport脉动风速谱,采用自回归模型(AutoRegressive,AR)法,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,并用于20层钢结构Benchmark结构模型。系统比较三种振动控制策略在顺风向脉动风载作用下的控制效果,结果表明隔震与TMD混合振动控制方法可以有效地抑制结构风振响应,控制效果很好地弥补了单一振动控制的缺陷。本文方法可应用于大尺度高层结构振动控制中,实现高层建筑结构风振响应的可靠控制。     

消除舒拉振荡误差的理论与实践

惯性导航系统的舒拉振荡误差,不仅影响速度、姿态、位置等导航参数精度,而且严重影响系统重调或位置更新效果,是长航时惯性导航系统必须解决的问题。采用经典控制理论的阻尼网络衰减舒拉振荡,是国内外经典专著介绍和实践的设计方法。这种以破坏纯惯性解算无干扰条件为代价的传统方法,生成了"阻尼"和"无阻尼"这对互为悖论的矛盾,带来许多经典控制理论无法解决的问题。试图利用现代控制理论,在保持纯惯性解算模式不被干扰破坏的条件下,消除舒拉振荡误差。仿真试验给出满意的理想结果,证明利用现代控制理论解决阻尼问题的优越性能。     

航天器有限时间饱和姿态跟踪控制

针对刚体航天器系统,对存在模型不确定性、外界干扰力矩和控制器饱和等条件下的姿态跟踪控制问题进行了研究。首先,考虑未知模型不确定性和外界干扰,且总干扰上界为未知常数,结合快速非奇异终端滑模、快速终端滑模趋近律以及辅助系统构造了基本的鲁棒有限时间饱和控制器,并通过辅助系统直接补偿了控制器饱和;其次,针对系统总干扰具有多项式上界的情形,进一步结合自适应控制算法,对其上界函数中的未知参数进行在线估计,并设计了自适应有限时间饱和控制器。同时,基于Lyapunov稳定性理论证明了所提出控制算法的有限时间收敛特性。最后,通过数值仿真验证所提出控制算法的控制效果,在两种控制器作用下姿态的跟踪精度分别为5×10-5和1×10-5,证明了所提出控制算法的有效性。     

模型不确定压电柔性结构的多目标振动控制

以压电柔性结构为对象,考虑其被控模态参数的不确定性和因剔除残余模态所引起的动态不确定性,建立了结构的不确定线性分式模型;根据不确定模型设计了一个对结构进行振动控制的动态输出反馈控制器,使闭环系统满足鲁棒稳定、扰动抑制、极点配置约束及控制输入约束等性能要求;并利用线性矩阵不等式,将具有多个性能要求的振动控制问题转化为具有线性矩阵不等式约束和线性目标函数的凸优化问题。最后以简支压电柔性梁为例,设计了一个融合多性能指标的动态输出反馈非同位控制器,并给出了仿真结果。     

抗震加固用消能减震结构的弹塑性时程分析研究

对用于抗震加固的消能减震结构进行了弹塑性时程分析研究,主要解决以下几个问题:确定结构的振动模型;质量矩阵和阻尼矩阵的处理;确定结构或构件在反复荷载下的力-位移关系,或恢复力特性;附加阻尼矩阵及附加刚度矩阵;阻尼器的优化布置等.提出了简化优化设计法,针对加固工程,确定控制函数.最后给出了四层混凝土框架加固工程实例分析.     

智能结构的结构/控制综合设计中矩阵的混合优选法

以独立模态空间控制的权矩阵元素为设计变量,根据求解结构／控制综合设计的多目标优化问题的Preto优化解的约束方法，建立了以ARE的解矩阵的迹为目标函数，以满足闭环系统之渐进稳定条件为约束的多目标优化模型。然后根据此权矩阵的优化解构造出耦合模态空间控制的权矩阵。由此可以使控制系统用较少的执行器对结构的多个模态进行控制并使被控系统满足给定的稳定条件与性能限制而且使性能极小化。对两个机敏柔性梁的计算机模拟结果验证了这一方法的有效性。     

主动振动控制中传感／作动元件配置问题的全局优化方法研究

提出了一种主动振动控制中作动／传感元件位置的复合优化方法，它能有效地解决全局优化配置问题；通过对单点并置问题的优化，证明了该优化方法的有效性，并对多点配置问题也具有一定的参考价值。     

离散滑模变结构控制在磁悬浮球系统中的应用

磁悬浮球实验装置是典型的非线性系统,该装置提供了常规PID控制,但难以达到理想的控制效果,由此提出采用离散滑模变结构控制来研究该系统。文中首先分析了离散滑模切换面和趋近率,然后设计了存在系统干扰和抖动情况下的离散滑模控制器,并研究了其收敛性,在此基础上提出了克服干扰和抖动的积分补偿离散滑模控制器,最后将所提出的控制方法在磁悬浮球实验装置上进行验证。试验验证结果表明,系统响应时间由PID控制的15 s减小到5 s,控制偏差也有所减小,控制效果优于PID控制,适合磁悬浮球系统的控制,为该实验装置提供了一套新的实验方法。     

失重状态下人体姿态控制的仿真研究

本文介绍宇航员在失重状态下通过自身肢体动作控制姿态的计算机仿真研究方法.利用自由多刚体动力学方程及通用程序对文献[2]提出的方案进行了仿真研究,着重讨论了人体在作偏航运动时出现滚动和俯仰的干扰问题,提出宇航员增大偏航角,减少干扰的动作方案.     

转子轴承系统电磁阻尼器的位移反馈振动控制

本文研究在周期激振力作用下转子轴承系统电磁阻尼器的位移反馈振动控制。首先给出受电磁阻尼器控制的一般线性多自由度转子轴承系统的振动方程，控制力和电磁阻尼器结构参数，控制电流等之间的关系式，然后提出在保证系统稳定的前提下，通过位移反馈控制其电流位移增益矩阵应满足的条件；其次以单盘对称转子轴承系统为例，求出转子系统受电磁阻器控制的幅频响应和相频响应；最后给出算例，打印出电磁阻尼器的静态电流，电流位移增益     

互联结构振动控制元件参数研究

针对双塔结构所具有的模型不精确及承受随机外力作用这一特点，在控制方法选择方面，为保证系统控制的顺利实现，本文引入了能够对模型不精确具有较好控制效果的广义预测控制策略；在优化目标选择方面，为降低控制系统的能量，以控制增益矩阵的Frobenius范数做为优化目标；在优化算法方面，为降低计算工作量，引入并改进了传统的遗传算法。通过优化计算得到系统参数几组次优解，这些解可以供设计者进行选择。最后给出了计算实例。算例表明这一方法是有效的。