宏纤维复合材料对拉索振动的主动控制理论

摘要

生活中常见的拉索，由于其结构合理，造型美观，广泛应用于斜拉桥、桅杆结构、拉索屋面等结构中，与其他受力结构相比，其刚度较小，质量较轻且阻尼较小。然而其在外界荷载作用下极易引起大幅振动，这些振动的产生会使拉索在锚固端产生裂缝或者使其端部脱落，严重影响整个结构的正常运营。为了减小拉索的振动，我们常采取被动或半主动控制的控制措施，但控制效果差强人意。主动控制是一种比较理想的控制手段，其可以利用输入反馈输出适宜的驱动力作用于结构，对振动起到抑制作用，由于控制器内部的参数可控可调，在面对复杂多变的外界环境具有很强适应性。因此，本文结合宏纤维复合材料MFC的驱动特性，提出以MFC作为致动器对拉索进行振动主动控制研究。主要研究内容如下： (1)根据控制需要，简化MFC本构方程，使其从三维下降为一维。结合被控结构的结构特点，仅计量MFC沿着长度方向的应变，推导MFC片粘贴于拉索结构表面时，施加电压后所形成的轴向合力。 (2)建立拉索结构的偏微分运动方程，根据里兹-伽辽金法，由初始条件和边界条件可以将拉索的振动形式表示为级数形式，并推导MFC-拉索控制系统状态空间中的单阶和多阶的主动控制模型。 (3)使用模糊控制算法对拉索在不同形式荷载作用下进行主动控制的仿真计算，取得一定的控制效果。 (4)使用LQR算法对拉索在不同种类荷载作用下的振动进行单模态与多模态形式的主动控制的仿真计算，并研究不同参数对控制效果的影响。 (5)以LQR算法中的振动响应与控制电压作为依据，使用神经网络控制对拉索进行主动控制研究。 (6)使用Bang-Bang控制算法对拉索结构在不同种类荷载作用下进行主动控制的仿真计算，给出新的评判条件，并比较上述几种算法的优劣。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 宏纤维复合材料

1.3 结构振动控制

1.4 拉索的振动及控制

1.5 本文的主要工作

第2章 宏纤维复合材料的驱动性能分析及拉索的动力学系统建模

2.1 宏纤维复合材料

2.2 拉索的动力建模

2.3 模拟仿真

2.4 控制效果的评判标准

2.5 本章小结

第3章 模糊控制

3.1 模糊控制算法介绍

3.2 模糊控制算法的模拟仿真

3.3 本章小结

第4章 线型二次最优控制

4.1 二次最优控制理论

4.2 单模态LQR控制的模拟仿真

4.3 多模态LQR控制的模态仿真

4.4 本章小结

第5章 神经网络控制

5.1神经网络

5.2 神经网络控制的模拟仿真

5.3 本章小结

第6章 Bang-Bang控制

6.1 Bang-Bang控制理论

6.2 Bang-Bang算法的单模态控制的模拟仿真

6.3 Bang-Bang算法的多模态控制的模拟仿真

6.4 多级Bang-Bang算法

6.5 控制效率对比研究

6.6 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表和完成的论文

作者在攻读硕士学位期间参与的研究课题

致谢