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

1、隨著社會經(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風(fēng)、地震帶來的影響,這給我們的國家和人民的生命財產(chǎn)造成了巨大的損失;同時在常態(tài)的自然環(huán)境下,高層建筑結(jié)構(gòu)的振動也超出了人們對舒適度的要求,單純從結(jié)構(gòu)自身的設(shè)計已經(jīng)無法去改善;另一方面,經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對高精密設(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、大地的脈動以及其他的直接干擾都對高精密設(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)時間延遲等因素,導(dǎo)致在一些實驗以及實際工程中達(dá)不到理想的控制效果,甚至控制失效或產(chǎn)生反作用,因此為實施對結(jié)構(gòu)振動的精確控制,需要在結(jié)構(gòu)振動設(shè)計中采用一體化控制方法。在結(jié)構(gòu)一體化控制設(shè)計中,各個環(huán)節(jié)

3、之間的相互作用是實現(xiàn)一體化控制設(shè)計的關(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平臺為主要研究對象,同時也選擇常規(guī)振動中典型的結(jié)構(gòu)形式和常用的作動器為研究對象,對結(jié)構(gòu)與振動控制系統(tǒng)相互作用機理與效應(yīng)進(jìn)行研究。
　　首先對主要的研究對象微振動隔振平臺進(jìn)行了概念設(shè)計,采用雙層雙向解耦的隔振平臺,其主動隔振部件為自行設(shè)計的一種新型超磁致伸縮作動器,同時改進(jìn)了超磁致伸縮作動器的控制方法。結(jié)果表明所設(shè)計的隔振平臺

4、極大地簡化了控制設(shè)計,有利于進(jìn)一步提高計算效率及控制的精確度,降低了隔振平臺在實際工程應(yīng)用中的難度;另外所設(shè)計的超磁致伸縮作動器是合理的、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,對作動器與結(jié)構(gòu)的相互作用進(jìn)行探討,常規(guī)振動中的液壓作動器和直線電機與結(jié)構(gòu)的相互作用模型已經(jīng)被建立。因此針對微振動控制領(lǐng)域中典型的超磁致伸縮作動器建立了作動器與結(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。通過實驗對該模型進(jìn)行驗證,結(jié)果表明高階參數(shù)模型的傳遞函數(shù)曲線與實驗結(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)而通過對作動器和隔振平臺、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)果表明對于多自由度隔振平臺,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％。對于高聳結(jié)構(gòu),分別采用液壓作動

6、器及直線電機進(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候,考慮相互作用的模型在驅(qū)動力消耗上要小于不考慮相互作用的模型。
　　接下來,對內(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,選用本實驗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)相互作用對控制權(quán)矩陣的選取有較大的不同,考慮平臺與結(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)果對實際工程有更好的指導(dǎo)意義;根據(jù)考慮相互作用對被動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。
　　再接下來,把結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)看作一個整體,對整個系統(tǒng)的時滯補償進(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償器,該補償器具有逆補償器以及 Darby補償器的最優(yōu)特點。選用常規(guī)振動中普遍采用的液壓作動器作為控制系統(tǒng)的驅(qū)動裝置,同時以線性彈簧為結(jié)構(gòu)對象的小型實驗裝置

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