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。     

MR阻尼器的状态跳跃控制参数

对MR阻尼器实施状态跳跃控制可以有效地减少结构的地震响应，状态跳跃控制参数对半主动控制效果有很大的影响。本文对状态跳跃控制的相关参数进行了研究。利用两个数值算例，对采用不同类型的控制参数(位移、速度、加速度)、控制参数的大小、输入地震动的大小等相关因素对结构地震响应的控制效果进行了对比，发现采用速度响应作为状态跳跃控制变量对于减少绝对加速度响应是有利的；建议采用试算法确定合适的速度控制参数，通过和LQG控制相联系的方法给出了该控制参数最优值的估算方法。     

基于Hilbert-Huang变换理论的结构振动主动变刚度频率控制

在主动变刚度(AVS)控制策略的基础上,提出一种新的结构振动控制主动变刚度频率控制算法。首先利用Hilbert-Huang变换理论将地震信号分解为有限数量的固有模态函数(IMF),再对这些IMF求解瞬时频率,进而获得信号的时频谱。由地震信号的瞬时频率与结构固有频率构造AVS控制切换准则,当两者频率接近时,AVS装置改变结构的刚度以抑制地震激励下的结构响应。选取两个建筑结构的Benchmark模型作为算例给出仿真分析,结果表明该方法能有效地控制受控结构的地震响应。     

磁流变阻尼建筑结构多态控制策略研究

针对双态控制易引起结构加速度局部放大和三态控制中刚度不易确定的问题,提出以速度响应作为状态切换参数的多态控制策略.以磁流变阻尼结构为例对采用不同的速度切换参数大小、输入地震动强度、场地类别和结构周期等相关因素对结构地震反应控制效果进行对比分析,发现存在一个对加速度响应的最优速度控制参数.并利用遗传算法对状态切换参数的取值进行优化计算,得到其简化计算公式.通过对一装有磁流变阻尼器的三层钢筋混凝土框架-剪力墙结构的振动台试验,对比分析多态控制策略与passive-off、passive-on和双态控制的控制效果.研究结果表明,多态控制策略比其它控制策略能更有效地控制结构反应,实用性较强;提出的速度切换参数估算公式是合理的.     

高压电气设备支架串联体系地震响应半解析法

针对具有集中分布参数柔性节点的多节电瓷型高压电气设备支架串联体系,通过应用分布参数梁振动理论与集中参数通过边界条件的引入,推导出其频率方程,然后通过数值方法求得频率及振型。通过应用Betti定律,推导出具有集中分布参数柔性节点的多节电瓷型高压电气设备支架串联体系振型的正交条件,应用此正交条件对集中参数与分布参数的振动方程解耦,从而得到广义质量及广义荷载,然后通过振型叠加法求解结构的地震响应。最后应用该半解析法与有限元法数值积分法对一330 KV电压互感器支架串联体系地震响应进行分析,分析结果表明,该半解析法求解的地震响应与有限元直接积分法求解的地震响应相一致,从而为具有集中分布参数柔性节点的多节电瓷型高压电气设备支架串联体系的地震响应分析和抗震设计提供了一种新的途径。     

单自由度"加层"减震结构地震作用取值的复模态法

运用复模态方法,以我国现行设计反应谱为基础,对单自由度TMD和“加层”减震结构地震响应及地震作用取值问题进行了系统研究。首先用复模态法将非经典阻尼非对称结构运动方程解耦,然后运用随机振动理论获得结构的动力响应解析式,并建立将结构分解为一系列等效单自由度体系的一般方法,继而利用等效单自由度体系与反应谱的对应关系,确定结构动力响应表达式中各参数的取值,建立结构基于反应谱的设计响应及其等效静态地震作用的设计方法,并给出了算例,从而建立了非经典阻尼非对称结构基于反应谱的地震作用取值的一整套方法。     

海洋平台地震响应的H∞控制

提出了将H_∞控制及平衡降阶法应用于结构主动控制的新方法.该方法首先利用平衡降阶法对结构进行降阶,然后利用降阶模型构造出H_∞控制器和H_∞观测器对结构进行控制;同时结合复模态理论和虚拟激励法,给出了系统分析的有效途径.本文最后以海洋平台地震响应的ATMD主动控制为例,验证了本文方法的有效性.     

多维地震作用下高层结构振动混合控制研究

针对水平和竖向地震作用下高层建筑结构的混合振动控制问题,研究调谐质量阻尼器(tuned mass damper, TMD)体系、隔震结构体系、隔震与TMD混合控制体系3种策略对水平与竖向地震共同作用下结构振动响应的减振效果。选取典型的20层钢结构Benchmark结构模型,利用ANSYS软件建立带有TMD和隔震层结构的有限元模型,比较了结构在水平地震单独作用下与水平和竖向地震共同作用下的振动响应。结果表明,水平方向上的振动响应无明显变化;竖直方向上,有控状态下的减振指标相对于无控状态出现了增大现象,尤其是层间隔震结构增大较为明显。研究成果可为高烈度区高层隔震结构设计提供参考。     

MR阻尼器的半主动风振响应控制研究

利用MR阻尼器阻尼力可以调节的特性能实现对结构响应的半主动控制,直接根据结构的响应对MR阻尼器实施状态跳跃控制。本文对在风荷载作用下的MR阻尼器状态跳跃控制效果进行研究,通过单自由度和四自由度的两个数值算例进行研究,对比分析中采用了位移、速度、加速度等不同类型的控制参数、不同大小的控制参数以及不同峰值的输入脉动风压等多个相关参数,从计算结果可以发现,实施状态跳跃控制可以减少结构的风振响应,采用速度响应作为状态跳跃控制变量对于减少结构的加速度响应是有利的,可根据试算结果确定控制参数的最优值。这些结论与地震作用下的情况基本相同。     

MR阻尼器的半主动控制研究

MR阻尼器能提供可以调节的阻尼力,适合用作减少结构地震响应的半主动控制器。本文对MR阻尼器的半主动控制进行研究,提出了状态跳跃算法,根据结构响应的大小实现MR阻尼器的状态切换,使结构响应得到有效的控制。这种控制策略简便,不需要在线计算,便于实施。由于速度响应直接影响MR阻尼器的阻尼力,建议用速度响应作为MR阻尼器进行状态切换的变量。文中给出了两个算例,进行了计算分析和比较,说明了状态跳跃控制算法的特点。     

滞变智能隔震结构的序列最优控制算法

将地震波简化为一系列脉冲,在每个时间步长上重新构造控制目标函数,建立了一种新的时域内的结构振动最优控制算法,并在滞变模型的智能隔震结构中用状态转移法加以实现.文中采用Bouc-Wen模型描述结构恢复力,并利用等效线性化方法处理非线性运动方程,分别导出了状态反馈和输出加权的两种表达式.文末选用作者承担设计过的实际隔震建筑中的一个单体工程作为算例,比较了输入三种不同地震波时各种算法的控制效果.结果表明,在相同控制能量下,本文算法对滞变结构能有效地削减响应峰值,综合性能优于现有的两种时域内的结构最优控制算法.     

Active control for seismic response reduction using modal-fuzzy approach

An active modal-fuzzy control method using hydraulic actuators is presented for seismic response reduction. In the proposed control system, a new fuzzy controller designed in the modal space produces the desired active control force. This type controller has all advantages of the fuzzy control algorithm and modal approach. Since it is very difficult to select input variables used in fuzzy controller among numerous state variables in the active fuzzy control system, the presented algorithm adopts the modal control algorithm to be able to consider information of all state variables in civil structures that are usually dominated by first few modes. In other words, all information of the whole structure can be considered in the control algorithm evaluated to reduce seismic responses and it can be efficient for civil structures especially. In addition, the presented algorithm is expected to magnify utility and performance caused by efficiency that the fuzzy algorithm can handle complex model more easily. An active modal-fuzzy control scheme is applied together with a Kalman filter and a low-pass filter to be applicable to real civil structures. A Kalman filter is considered to estimate modal states and a low-pass filter was used to eliminate spillover problem. The results of the numerical simulations for a wide amplitude range of loading conditions and for historic earthquake show that the proposed active modal-fuzzy control system can be beneficial in reducing seismic responses of civil structures.     

Control strategy of optimal deployment for spacecraft solar array system with initial state uncertainty

A control strategy combining feedforward control and feedback control is presented for the optimal deployment of a spacecraft solar array system with the initial state uncertainty. A dynamic equation of the spacecraft solar array system is established under the assumption that the initial linear momentum and angular momentum of the system are zero. In the design of feedforward control, the dissipation energy of each revolute joint is selected as the performance index of the system. A Legendre pseudospectral method (LPM) is used to transform the optimal control problem into a nonlinear programming problem. Then, a sequential quadratic programming algorithm is used to solve the nonlinear programming problem and offline generate the optimal reference trajectory of the system. In the design of feedback control, the dynamic equation is linearized along the reference trajectory in the presence of initial state errors. A trajectory tracking problem is converted to a two-point boundary value problem based on Pontryagin’s minimum principle. The LPM is used to discretize the two-point boundary value problem and transform it into a set of linear algebraic equations which can be easily calculated. Then, the closed-loop state feedback control law is designed based on the resulting optimal feedback control and achieves good performance in real time. Numerical simulations demonstrate the feasibility and effectiveness of the proposed control strategy.     

基于主动控制策略的机翼颤振特性模拟

航空航天飞行器舵翼类结构的气动颤振是一种灾难性的动力学行为.在基于偶极子理论的气动弹性动力学模型中,气动载荷可表达为基于结构动力学响应的一种状态反馈的闭环控制力,控制律取决于翼型的几何参数、材料参数、结构动力学特性以及来流速度等多种条件,通常需通过实际飞行或风洞实验进行辨识与检验.在实验室条件下,以系统动力学响应的模态特征等效为前提,提出了一种基于人工主动控制的方式进行气动载荷下舵翼类结构自激颤振的特征值跟踪策略.建立并讨论了等效系统的非自伴随动力学微分方程及其特征方程的求解过程,并与通用软件的计算结果进行了对比,二者具有较好的一致性.通过优化搜索分别获得了位移和速度的最优反馈点、最优作动点位置及最优反馈增益系数,经对比计算拟合得到风速-位移增益曲线和风速-速度增益曲线,从而实现了由单点反馈、单点作动的集中力的闭环控制等效系统的真实气动力分布控制.仿真算例表明,由此预示的实验过程无需辨识和重构非定常气动力的时域波形,无需其他干预即可实现地面模拟实验,主动控制的效果满足预期,初步实现了自激颤振的特征值跟踪,为进一步推动主动控制模拟实验及颤振参数辨识提供了基础.      

Adaptive control of nonlinear zero-bias current magnetic bearing system

The electromagnetic force generated by a magnetic bearing is highly nonlinear and parametric uncertainties in calculation of magnetic force makes the control of magnetic bearings complicated. Zero-bias current magnetic bearings have the potential to reduce power losses because only one electromagnet of the pair is operational at any given time. In this study, an adaptive control is proposed to compute nonlinear control currents of zero-bias magnetic bearing by accepting that the rotor and bearing parameters are unknown. The nonlinear observers are used to provide the estimate of the unmeasured state with an exponentially convergent error decay since the full state of the control system is not available for the feedback. The proposed approach is verified by simulation and experiment.     

介电弹性作动器主动隔振模糊控制试验研究

采用模糊控制策略,开展介电弹性作动器的主动隔振性能试验研究。基于介电弹性材料的Maxwell应力模型建立了作动器的力电耦合模型,分析了作动器的非线性特性;针对隔振系统设计了Mamdani型模糊控制器,建立了控制电压信号与振动响应之间的关系;在此基础上,开展了介电弹性作动器主动隔振试验研究,并与加速度反馈控制进行了对比。试验结果表明,在相同驱动电压的情况下,基于模糊控制策略的主动隔振性能要优于加速度反馈控制,且能够显著降低由于非线性驱动力导致的倍频响应幅值,有助于提高隔振系统的稳定性。     

亏损系统模态优化控制Riccati方程的求解方法

讨论亏损重复特征值的Ｒｉｃｃａｔｉ方程的模态控制算法．由于亏损特征值的Ｊｏｒｄａｎ块矩阵的阶数ｍ小于状态方程的阶数ｎ,即ｍ＜＜ｎ;所提出的模态控制算法可极大地减少计算工作量．其中的数值例子说明了该方法的有效性．     

Feedback Control of a Thermal Fluid Using State Estimation

Abstract

In his paper we consider the problem of designing a feedback controller for a thermal fluid. Any practical feedback controller for a fluid flow system must incorporate some type of state estimator. Moreover, regardless of the approach, one must introduce approximations at some point in the analysis. The method presented here uses distributed parameter control theory to guide the design and approximation of practical slate estimators. Wc use finite clement techniques to approximate optimal infinite dimensional controllers based on linear quadratic Gaussian lpar;LQG) and MinMax theory for the Bonssincsq equations. These designs are then compared to full state feedback. We present several numerical experiments and we describe how these techniques can also be applied to sensor placement problems.     

车载系统主被动联合振动控制研究

针对车载系统行进过程中产生的结构振动,提出被动隔振和主动减振相结合的方法对结构弹性振动和刚体振动进行抑制．一方面,针对结构弹性振动,在车载结构和车体之间安装隔振装置,选择合适的隔振器参数,对车载结构的弹性振动进行隔离．另一方面,结合刚体振动抑制的需求,进一步研究小阻尼隔振器带来的结构低频刚体振动．对隔振器和车载结构形成的新系统采用主动控制方法设计最优控制器,对这一类过驱动控制系统进行主动控制研究．通过主被动控制结合,实现车载结构全频段范围内的振动抑制,能够将系统刚体振动的位移均方根值抑制到无控制时的5%以下．     

柔性机械臂的时滞最优跟踪控制

采用最优跟踪控制方法对柔性机械臂线性化主动控制中的时滞问题进行研究。首先采用一种积分变换,将包含时滞项的动力学方程转换成形式上不包含时滞项的标准形式,然后根据最优跟踪控制理论设计控制律。在每一步控制律的计算中,不但包含有当前步的状态反馈,而且包含有前若干步控制的线性组合。文中还给出了一个模态坐标的提取方法。仿真结果显示,若对时滞不处理,控制系统会在很小时滞量时出现发散;当控制系统中的时滞量不大时,本文的线性化时滞控制设计能够取得较好的控制效果;当系统存在较大时滞量时,线性化时滞控制设计的有效范围是有限的。