結(jié)構(gòu)與振動(dòng)控制系統(tǒng)相互作用機(jī)理與效應(yīng)研究.pdf

1、隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,有越來越多的高層建筑和具有特殊要求的廠房出現(xiàn)在我們的生活中。然而很多建筑都無法有效地抵抗臺(tái)風(fēng)、地震帶來的影響,這給我們的國(guó)家和人民的生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大的損失;同時(shí)在常態(tài)的自然環(huán)境下,高層建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)也超出了人們對(duì)舒適度的要求,單純從結(jié)構(gòu)自身的設(shè)計(jì)已經(jīng)無法去改善;另一方面,經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)高精密設(shè)備的生產(chǎn)要求也越來越高,在常態(tài)環(huán)境下,城市軌道交通激勵(lì)、大地的脈動(dòng)以及其他的直接干擾都對(duì)高精密設(shè)備的生產(chǎn)造成了巨大的影響,結(jié)構(gòu)

2、振動(dòng)控制逐漸成為解決這些問題的重要方法。
　　截至目前,在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制研究方面我們已經(jīng)取得了很多成果,尤其在理論研究方面,多種控制算法以及控制方案都取得了很大的進(jìn)展。但是由于作動(dòng)器、傳感器、控制系統(tǒng)之間的復(fù)雜交互作用以及線路傳輸、硬件反應(yīng)時(shí)間延遲等因素,導(dǎo)致在一些實(shí)驗(yàn)以及實(shí)際工程中達(dá)不到理想的控制效果,甚至控制失效或產(chǎn)生反作用,因此為實(shí)施對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的精確控制,需要在結(jié)構(gòu)振動(dòng)設(shè)計(jì)中采用一體化控制方法。在結(jié)構(gòu)一體化控制設(shè)計(jì)中,各個(gè)環(huán)節(jié)

3、之間的相互作用是實(shí)現(xiàn)一體化控制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,而在這方面的研究還有待進(jìn)一步的提高。因此本課題選擇以多自由度微振動(dòng)平臺(tái)為主要研究對(duì)象,同時(shí)也選擇常規(guī)振動(dòng)中典型的結(jié)構(gòu)形式和常用的作動(dòng)器為研究對(duì)象,對(duì)結(jié)構(gòu)與振動(dòng)控制系統(tǒng)相互作用機(jī)理與效應(yīng)進(jìn)行研究。
　　首先對(duì)主要的研究對(duì)象微振動(dòng)隔振平臺(tái)進(jìn)行了概念設(shè)計(jì),采用雙層雙向解耦的隔振平臺(tái),其主動(dòng)隔振部件為自行設(shè)計(jì)的一種新型超磁致伸縮作動(dòng)器,同時(shí)改進(jìn)了超磁致伸縮作動(dòng)器的控制方法。結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的隔振平臺(tái)

4、極大地簡(jiǎn)化了控制設(shè)計(jì),有利于進(jìn)一步提高計(jì)算效率及控制的精確度,降低了隔振平臺(tái)在實(shí)際工程應(yīng)用中的難度;另外所設(shè)計(jì)的超磁致伸縮作動(dòng)器是合理的、可行的;而提出的基于Preisach模型的模糊PID控制方法也顯示出較好的適應(yīng)性和有效性。
　　然后,對(duì)作動(dòng)器與結(jié)構(gòu)的相互作用進(jìn)行探討,常規(guī)振動(dòng)中的液壓作動(dòng)器和直線電機(jī)與結(jié)構(gòu)的相互作用模型已經(jīng)被建立。因此針對(duì)微振動(dòng)控制領(lǐng)域中典型的超磁致伸縮作動(dòng)器建立了作動(dòng)器與結(jié)構(gòu)的相互作用模型,并建立了三種不同

5、控制精度要求的參數(shù)模型。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)該模型進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明高階參數(shù)模型的傳遞函數(shù)曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果最為接近,低階參數(shù)模型結(jié)果僅次于高階模型,不考慮相互作用的參數(shù)模型結(jié)果偏差最大。進(jìn)而通過對(duì)作動(dòng)器和隔振平臺(tái)、高聳結(jié)構(gòu)兩種不同的結(jié)構(gòu)相互作用控制分析。結(jié)果表明對(duì)于多自由度隔振平臺(tái),考慮相互作用的參數(shù)模型,其控制效果明顯優(yōu)于不考慮相互作用的參數(shù)模型;從隔振平臺(tái)速度控制的效果來看,考慮高階參數(shù)模型能使控制效果提高50％。對(duì)于高聳結(jié)構(gòu),分別采用液壓作動(dòng)

6、器及直線電機(jī)進(jìn)行分析,兩種不同的模型得到了相似的結(jié)論,在位移和加速度控制效果基本一樣的時(shí)候,考慮相互作用的模型在驅(qū)動(dòng)力消耗上要小于不考慮相互作用的模型。
　　接下來,對(duì)內(nèi)部控制系統(tǒng)與其關(guān)聯(lián)外部結(jié)構(gòu)的相互作用進(jìn)行探討,選用本實(shí)驗(yàn)室微縮的三層框架結(jié)構(gòu)模型視為外部結(jié)構(gòu)廠房,將隔振平臺(tái)置于該廠房結(jié)構(gòu)中。應(yīng)用該模型進(jìn)行控制研究,結(jié)果表明是否考慮內(nèi)外結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)控制權(quán)矩陣的選取有較大的不同,考慮平臺(tái)與結(jié)構(gòu)的相互作用進(jìn)一步完善了理論模型,其仿

7、真結(jié)果對(duì)實(shí)際工程有更好的指導(dǎo)意義;根據(jù)考慮相互作用對(duì)被動(dòng)控制和混合控制的效果可知,考慮相互作用可以更有效地尋找最佳控制效果,有利于進(jìn)一步深化及優(yōu)化控制設(shè)計(jì)。
　　再接下來,把結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)看作一個(gè)整體,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)滯補(bǔ)償進(jìn)行探討,在各位學(xué)者的研究基礎(chǔ)之上建立了一種新型的綜合補(bǔ)償器,該補(bǔ)償器具有逆補(bǔ)償器以及 Darby補(bǔ)償器的最優(yōu)特點(diǎn)。選用常規(guī)振動(dòng)中普遍采用的液壓作動(dòng)器作為控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置,同時(shí)以線性彈簧為結(jié)構(gòu)對(duì)象的小型實(shí)驗(yàn)裝置

8、以及以非線性的大型 MR阻尼器為結(jié)構(gòu)對(duì)象的大型實(shí)驗(yàn)裝置這兩種實(shí)驗(yàn)裝置來評(píng)價(jià)這些補(bǔ)償器的性能。結(jié)果表明綜合補(bǔ)償方案能夠很好的補(bǔ)償目標(biāo)信號(hào),并在追蹤的目標(biāo)位移中取得最小的位移誤差;而且能夠快速的補(bǔ)償系統(tǒng)的動(dòng)力,在整個(gè)控制時(shí)程期間能夠更快速的收斂到目標(biāo)位移;當(dāng)結(jié)構(gòu)對(duì)象具有非線性或者時(shí)間可變特性時(shí)也不需要用戶實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù);即使高頻激勵(lì)作為輸入信號(hào)的時(shí)候,綜合補(bǔ)償器也同樣具有這些優(yōu)點(diǎn)。
　　最后綜合前文的研究,考慮各個(gè)環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)與振動(dòng)控制系統(tǒng)