高柔结构AMD振动控制系统实施的相关方法研究

摘要

国民经济的发展促使我国高柔结构的蓬勃发展。为使强风作用下高柔结构的加速度和层间位移满足相关规范要求，一般需要提高结构的刚度，较大幅度地增加结构的造价。主动质量阻尼器（Active Mass Damper/Driver, AMD）是一种通过增加结构阻尼来满足规范要求的有效途径，其控制效果好、控制频带宽，且性价比相比较高。目前，有关AMD控制系统的研究较多，但实际工程应用却并不多见，这主要是由于工程应用仍有较多问题，如被控结构数值模型的建立、全状态反馈控制系统基于部分楼层加速度的状态观测器设计、系统时滞的影响情况及有效补偿控制器设计等。本文针对上述问题主要开展了如下研究工作：
　　基于几种常用模型减维方法的对比分析，结合高柔结构的特点选择其中较适用的减维方法进行改进，并将从结构时域响应、频率响应和系统极点分布等方面对比分析改进方法获得的低维模型与原模型，最后基于上述低维模型设计低维 AMD控制器，并以某实际高柔结构 AMD控制系统数值模型和四层框架实验模型为例进行验证。
　　针对全状态反馈AMD控制系统，基于系统状态方程及模糊神经网络分别设计以部分楼层加速度为输入的系统全状态观测器，同样以实际 AMD控制系统数值模型及实验模型进行验证。最后以基于状态方程的观测器误差为指标，通过数值模拟确定了某实际高柔结构中加速度传感器的布置方案。
　　为减小反馈信号中噪声对控制系统的影响及满足 AMD控制的实时性要求，基于Kalman滤波原理及线性矩阵不等式（LMI）理论设计基于LMI的Kalman实时滤波器，最后将以实际高柔结构数值模型及四层框架 AMD实验模型为例验证该滤波器的有效性。
　　理论分析时滞对单自由度控制系统和多自由度控制系统极点位置、稳定性的影响，并给出保证系统稳定的最大时滞计算公式，基于该公式分析控制增益和被控结构参数对系统稳定性的影响。基于 AMD控制时滞对系统极点位置的影响情况及极点配置算法设计时滞补偿控制器，并以某实际高柔结构 AMD控制系统的数值模型及实验系统为例进行验证。
　　基于伺服电机输入输出关系式，建立AMD控制系统不计CSI效应、计低阶CSI效应和计高阶CSI效应时的数学模型，分析了CSI效应的影响机理及受结构参数的影响情况。针对CSI效应导致的系统时变时滞，设计H∞控制器以减小该效应对控制系统的影响。
　　基于期望惯性质量相对速度与行程间的函数关系式，推导由AMD行程实时计算反馈增益的公式，并以实际工程为例分析反馈增益离散时变或连续时变时 AMD行程的受控情况。另外，以某四层框架AMD控制系统为例，简要介绍实际AMD控制系统设计与实施的步骤与方法。

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第1章 绪 论

1.1 研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 控制系统数值模型的减维方法

2.1 前言

2.2 常用减维方法简介

2.3 均衡系统与原系统间的关系

2.4 改进的均衡截断法

2.5 低维控制器设计

2.6 实例数值分析

2.7 实验验证

2.8 本章小结

第3章 状态观测器及实时滤波器设计

3.1 前言

3.2 状态观测器设计及其应用

3.3 反馈信号的实时滤波器设计

3.4 本章小结

第4章 AMD控制系统的时滞影响分析及补偿

4.1 前言

4.2 控制系统的时滞来源及影响

4.3 最大时滞的影响分析

4.4 时滞补偿控制器设计及数值模拟验证

4.5 实验验证

4.6 本章小结

第5章控制器与结构间相互作用的影响分析

5.1前言

5.2 CSI效应的直观描述

5.3 结构参数对CSI效应的影响分析

5.4 多时变时滞定常系统的补偿器设计

5.5 实验验证

5.6 本章小结

第6章 AMD系统的软限位与实际系统设计

6.1 前言

6.2 时变增益AMD行程及相对速度控制

6.3 实际AMD系统设计与实施

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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