高层建筑结构的离散时间重叠分散H_∞控制方法

采用分散控制策略可有效解决多自由度的建筑结构振动控制问题。本文对地震作用下的高层建筑结构的振动控制方法进行研究,将重叠分散控制策略、离散时间H∞控制算法、线性矩阵不等式(LMI)方法和静态输出反馈控制方法相结合,提出了离散时间重叠分散H∞控制方法。基于包含原理和分解原理,将整个建筑结构控制系统划分为一系列子系统,对各个子系统采用离散时间重叠分散H∞控制方法进行控制。采用驱动器饱和控制策略,对20层抗震钢结构Benchmark模型进行数值模拟与计算。结果表明:全状态集中控制(理想驱动控制)、全状态集中控制(驱动器饱和控制策略)、部分输出反馈控制(驱动器饱和控制策略)、重叠静态输出反馈控制(驱动器饱和控制策略)、多重叠静态输出反馈控制(驱动器饱和控制策略)的平均控制率分别达到了63.4%、53.4%、50.7%、48.2%、32.6%,采用这些控制方法都获得了较好的控制效果;重叠分散控制策略降低了计算成本并且增加了控制器设计的灵活性。     

参数不确定结构动态输出反馈重叠分散保性能控制方法

针对参数不确定建筑结构在地震激励下控制方法,采用重叠分散控制策略,提出了动态输出反馈的重叠分散保性能控制算法。基于包含原理,一个大尺度结构分为一组具有共同部分的成对子系统,使用保性能算法和线性矩阵不等式设计了子系统的控制器,然后利用收缩原理,形成原系统的控制器。利用提出的动态输出反馈重叠分散保性能控制方法,对20层Benchmark结构模型进行数值模拟分析,并与采用重叠分散LQG、状态反馈重叠分散、输出反馈集中保性能控制方法进行了分析对比。结果表明,提出控制算法能够降低地震激励下结构动力响应且保证了控制系统在结构参数摄动下的鲁棒性。     

地震作用下高层建筑重叠分散控制子结构划分机理研究

针对地震作用下高层建筑振动分散控制问题,引入信息共享的重叠分散策略,研究高层建筑振动重叠分散控制子结构划分机理。基于线型二次型(LQR)最优控制的最优权矩阵和H∞鲁棒控制的最优输出评价矩阵,分析评价高层建筑重叠分散控制子结构不同划分策略时的控制效果。对某20层Benchmark结构模型进行数值模拟与分析,结果表明,本文提出的两种重叠分散控制方法的性能评价方法,可指导任意层数高层建筑振动重叠分散控制子结构的合理划分,既保证控制系统良好的控制效果,又保证控制力在合理的范围内。     

车辆主动悬架设计的约束H∞控制方法

针对线性离散时间系统,研究其时域硬约束下的H∞输出反馈控制问题。假定外界扰动能量有限,基于线性矩阵不等式处理方法,提出并证明了时域硬约束下H∞输出反馈控制器存在的充分条件,并应用于车辆主动悬架设计。四分之一车辆模型数值仿真结果表明,即使车辆模型参数存在不确定性,本文提出的控制器在提高车辆乘坐舒适性的同时,仍能很好地兼顾车辆的其他性能要求。     

建筑结构多级分散稳定控制

建立大尺度建筑结构线性时不变分散控制模型。采用局部控制器和全局控制器的多级控制方法使闭环大系统分散稳定,并用H∞控制方法得到了建筑结构各独立子结构的局部控制器。通过构造特定的正定矩阵,将各独立子结构控制系统集结为整体结构的Lypunov函数;根据全局稳定条件,得到了满足建筑结构整体稳定性条件的全局控制器。进一步将全局控制器和局部控制器统一为一组线性矩阵不等式的优化设计,分析了由全局状态和部分状态设计全局控制器的方法。以20层钢结构基准模型在地震激励下的控制为例,验证了该多级分散控制的有效性。研究表明:该多级分散控制方法可以对大尺度建筑结构的位移、加速度等地震响应进行有效控制;采用部分结构状态设计的全局控制器可以协调子结构之间的振动影响,实现整体结构的稳定。     

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。     

基于观测器的离散广义分段仿射系统H_∞控制

针对一类当前所处作用域未知的离散时间广义分段仿射系统,考虑其具有范数有界形式的时变参数不确定性,而且不能从测量输出获得的问题,研究此类系统基于观测器H_∞控制器的设计方法。闭环系统反馈控制器设计从离散广义分段仿射Lyapunov判据出发,应用相关基本引理将控制器存在条件转化为包含参变量的线性矩阵不等式形式,并采用投影定理进一步降低系统保守性,使得基于观测器的闭环系统满足一定的鲁棒H_∞性能指标。通过求解一组包含参变量的线性矩阵不等式组,得到保证此闭环系统具有鲁棒H_∞性能指标的反馈控制器增益和基于输出的观测器增益,并完成了基于Matlab 7.0线性矩阵不等式工具箱的数值仿真。仿真结果表明基于定理1所提控制器设计方法得到的闭环系统干扰抑制度γ=21.4254,且在系统矩阵取值不同的情况下,定理1较传统控制器设计方法具有更好的保守性。     

基于线性矩阵不等式的离散系统集成故障估计与容错控制

离散系统在进行故障估计与容错控制时,由于两者相互耦合,会产生较大的故障估计误差和系统输出误差。针对这一问题,提出了一种基于线性矩阵不等式的集成故障估计与容错控制方法。首先为系统设计了故障观测器和容错控制器,然后基于两者的耦合关系,建立了系统误差和状态的增广系统模型;其次,基于D-稳定引理和H_∞控制理论为增广系统设计控制器,进而利用线性矩阵不等式求得故障观测器和容错控制器的增益矩阵,实现多性能约束条件下的集成故障估计与容错控制。最后以飞行控制系统验证了所提方法的有效性,与传统分离设计方法相比,故障估计误差减小了66.7%,估计的快速性提升了70%。     

基于输出的建筑结构分散滑模控制

大尺度结构分解为多个低阶子结构,子结构间的相互作用视为作用于子结构的有界扰动。本文提出了一种基于部分位移、速度输出反馈的建筑结构分散控制方法。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。建立了基于输出的稳定分散控制格式,其中控制力非线性部分保证结构全局状态收敛至设计的滑模面,线性部分使建筑结构闭环子结构系统渐进稳定。以一20层钢结构基准模型在地震激励下的控制为例,验证了该分散控制的有效性。研究表明,使用部分位移、速度输出信号可以设计基于全局稳定的建筑结构分散滑模控制。所提控制方法有效抑制了大尺度建筑结构振动响应,避免了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。     

含时滞的参数不确定主动悬架离散系统鲁棒控制

针对主动悬架存在传输时滞和参数不确定性的控制问题，设计了含时滞的参数不确定鲁棒控制器。首先，运用线性分式变换方法推导出含时滞的参数不确定主动悬架状态空间方程，采用零阶保持器取值处理和双线性变换，建立主动悬架离散控制系统模型。其次，以车身垂向加速度为车辆悬架系统的最优化输出目标，采用Lyapunov泛函方法，推导出系统渐进稳定的鲁棒控制器充分条件，得到满足最优H_∞性能指标约束的反馈控制律，再通过求解线性矩阵不等式获得控制器参数。最后，进行数值算例仿真，结果表明，相较于只考虑时滞的控制器，含时滞的参数不确定鲁棒控制器具有更好的控制效果和鲁棒性，且受采样周期与不确定参数的耦合影响较小。     

火箭发动机燃烧过程的鲁棒非脆弱H∞控制

针对某液体火箭发动机燃烧室的燃烧过程,设计了鲁棒非脆弱 H_∞ 状态反馈控制器。首先，基于一种新型的时滞分割法和交互式凸组合技术，借助于构造一个包含四重积分项的Lyapunov-Krasovskii泛函(LKF)，并利用新的积分不等式方法给出了LMI形式的时滞相关有界实判据；其次，在有界实判据的基础上，采用矩阵的合同变换以及变量替代技巧将燃烧过程非线性矩阵不等式线性化，通过求解线性矩阵不等式得到相应的非脆弱H_∞控制器的可行解。模拟结果验证了本文设计方法的有效性。     

基于微分包含镇定的固体运载火箭上升段轨迹跟踪

针对传统固体运载火箭（SLV）上升段轨迹跟踪方法无法适应大范围参数不确定性的问题,提出一种基于微分包含镇定的上升段轨迹跟踪控制器。首先,将不确定性与动力学方程相结合,建立关于状态偏差的微分包含系统;其次,设计一种基于线性矩阵不等式（LMI）的状态反馈律,对微分包含系统中的多胞体部分进行镇定,用以解决大范围参数不确定性问题;然后,将攻角和侧滑角的修正量幅值约束转化为线性矩阵不等式进行求解;最后,对微分包含系统中的扰动部分设计自适应律进行估计,结合状态反馈律与控制量约束,构造微分包含自适应饱和跟踪控制器。仿真结果表明,在给定的参数不确定性范围内,终端状态偏差收敛且满足终端精度。与基于扩张状态观测器的跟踪控制器相比,所提出的控制器拓宽了不确定性的适用边界。     

智能梁结构鲁棒PID控制及其时滞稳定性分析

研究了智能梁结构振动的鲁棒PID控制器的设计问题,考虑结构模态阻尼比及模态频率的不确定性,同时结合PID控制、保成本控制和H∞控制的优点,提出了一种鲁棒PID控制的设计方法,将PID控制器的参数整定问题转化为线性矩阵不等式凸优化问题的求解.考虑到实际系统中存在的时滞因素,对设计出的鲁棒PID控制系统进行了时滞稳定性分析,得出了使系统稳定的最大时滞量.最后,给出的数值算例说明了文中方法的可行性和有效性.     

柔性板的时滞H∞控制的理论与实验研究

以柔性板为对象, 开展时滞H∞控制的理论与实验研究. 首先给出柔性板的时滞动力学方程; 然后利用Lyapunov-Krasovskii泛函和自由权矩阵法, 推导了闭环时滞系统渐近稳定的矩阵不等式;进而根据该矩阵不等式采用参数调节法及遗传算法, 研究了如下两类控制设计问题: 已知控制律求解最大稳定时滞量, 已知最大稳定时滞量求解H∞控制律; 最后对理论研究成果进行了数值仿真和实验验证. 结果显示, 获得的H∞控制律能够有效地抑制板的弹性振动, 所确定出的保证系统稳定性的时滞区间更接近实际情况.      

地震作用下高层建筑结构的重叠分散控制研究

针对地震作用下高层建筑结构大系统控制问题,引入分散控制的策略,导出重叠分散最优控制(Overlapping Decentralized Optimal Control)算法。该方法将包含原理与线性二次型(Linear Quadratic Regulator)最优控制原理相结合,通过扩展分解控制系统及协调收缩获得重叠分散控制器。对某20层钢结构Benchmark结构模型进行数值计算与分析,结果表明,导出的重叠分散最优控制方法可以有效地抑制结构地震反应,控制效果不仅接近传统的集中控制方法,而且提高了高层结构大系统控制的鲁棒性和可靠性。本文方法可应用于大尺度高层结构振动控制中,实现高层建筑结构地震反应的可靠控制。     

二阶段H_∞滤波在捷联惯导/里程计组合导航系统中的应用

针对一类包含未知常值偏置的线性系统的状态估计问题,比如捷联惯导/里程计组合导航系统,由于扩展未知常值偏置为系统状态,导致系统状态维数比较高。当应用H∞滤波进行估计时,就会引起滤波算法的计算量大大增加,进而会影响其估计性能。为了解决这个问题,将H$滤波问题转化为Krein空间下的求解某种二次型的最小值问题,而求解该最小值可以使用Kalman滤波来解决。因此,通过采用二阶段Kalman滤波理论,在Krein空间下建立了二阶段H∞滤波算法,将H$滤波中的高维矩阵计算解耦成并行的低维矩阵计算,有效地解决了高维矩阵计算所带来的数值计算问题,降低了计算量,并且该算法有利于硬件并行运算设计,为进一步提高算法执行速度提供了可能。通过在捷联惯导/里程计组合导航系统中的仿真实验,验证了算法的有效性。     

哈密顿系统正则变换在时变最优控制中的应用

利用哈密顿系统正则变换和生成函数理论求解线性时变最优控制问题,构造了新的最优控制律形式并提出了控制增益计算的保结构算法. 利用生成函数求解最优控制导出的哈密顿系统两端边值问题,并构造线性时变系统的最优控制律,由第2类生成函数所构造的最优控制律避免了末端时刻出现无穷大反馈增益. 控制系统设计中需求解生成函数满足的时变矩阵微分方程组. 根据生成函数与哈密顿系统状态转移矩阵之间的关系,从正则变换的辛矩阵描述出发,导出了求解这组微分方程组的保结构递推算法.为了保持递推计算中的辛矩阵结构,哈密顿系统状态转移矩阵的计算中利用了Magnus级数.      

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     

平台稳定回路H_∞鲁棒控制设计

平台是一个耦合系统 ,表现在转动惯量耦合和力矩耦合。在设计稳定回路时平台模型与实际物理模型有差别 ,因此要求所设计的控制器具有鲁棒稳定性。 H∞ 控制理论是目前解决鲁棒控制问题比较成功且比较完善的理论体系 ,本文利用 H∞ 控制理论 ,研究了平台稳定回路多输入多输出 ( MIMO)控制器的设计。最后通过计算机仿真 ,验证了控制器的正确性。     

压电智能板结构的H∞振动控制

研究了压电智能板结构的H∞振动控制问题。先采用4节点矩形弯曲薄板单元(含12个位移自由度,2个电自由度)的有限元模型,利用Ham ilton原理得到了智能板结构的运动微分方程,然后综合运用模态截断法、最小实现法和平衡降阶法,对压电智能板结构的系统状态方程进行了降阶处理,得到了可观可控且低阶的近似状态方程,针对该降阶后的系统,利用H∞控制理论求解出能抑制干扰的动态输出反馈控制器,并将该控制器作用到降阶处理前的原系统中,从而能实现原系统抗干扰的振动控制。最后,以智能悬臂薄板结构为例,讨论了降阶过程中出现的一些问题和结论,并求出了相应的动态输出反馈控制器。仿真结果表明,文中的方法可实现压电智能板结构对干扰的抑制。