基于TRID、TMD、ARID的悬吊结构摆振控制及运动状态测量研究

摘要

悬吊结构体系在生产生活中十分常见，如各类吊车、海上作业船的吊钩系统、高层建筑清洁所用的擦窗机、施工过程中的施工吊篮等，这些悬吊体系普遍存在因环境干扰引起的摆振问题，影响生产的效率和安全。目前采取的振动抑制措施主要是在悬吊点施加控制力，比如吊车操作者通过操纵小车的移动控制吊钩摆振，而还有一种思路是在悬吊体系的末端施加控制力，比如在末端安装被动控制装置。本文将主要焦点集中于悬吊结构体系在平面内的摆振问题，探究了利用调谐转动惯量阻尼器（Tuned Rotary Inertia Damper, TRID）、调谐质量阻尼器（Tuned Mass Damper, TMD）、主动转动惯量阻尼器（Active Rotary Inertia Damper, ARID）对悬吊结构平面内摆振进行控制及其运动状态测量相关的一些问题。
　　第二章研究了TRID的转动惯量比、质量比、转动半径比、安装位置、初速度等参数对控制效果的影响。首先对TRID位于转动末端时的情况进行了理论和数值分析；然后对TRID位置的影响进行了理论和数值分析，并对TRID调频和安装位置的优化提出建议；最后对TRID初速度对控制效果的影响进行了分析。
　　第三章研究了TMD对悬吊结构平面摆振运动的控制效果。为了分析TMD对悬吊结构平面内转动运动模式的控制效果，建立了安装TMD的悬吊结构的计算模型和运动方程并基于Simulink求解了运动方程。结果表明法向TMD有控制效果，这是由于悬吊结构转动运动模式运动的法向与切向的加速度性质的不同。分析还表明法向TMD在数量为一个和两个时的调频规律是不同的。
　　第四章分析了基于加速度传感器的悬吊结构平面内转动运动模式运动状态的测量。分析表明加速度传感器对悬吊结构运动测量的原理与对法向TMD控制的原理相同。首先，建立了附加加速度传感器的悬吊结构的简化计算模型与运动方程，计算模型与附加TMD时相似。然后，根据法向的合加速度公式，提出了一种基于法向加速度数据的运动状态测量方法，这种方法可以避免陀螺仪测量摆角的积分误差和漂移问题。最后，进行了应用加速度传感器和倾角传感器测摆振的实验，实验验证了理论分析与加速度传感器测量摆振状态的方法。
　　第五章分析了ARID对悬吊结构平面摆振运动的控制效果。首先，建立悬吊结构-ARID的运动方程后，然后通过一个算例证明了应用 ARID控制悬吊结构平面摆振的可行性并总结了应用ARID进行悬吊结构摆振控制相比于TRID、AMD的优势。

目录

声明

第1章 绪论

1.1课题的背景和意义

1.2国内外对悬吊结构体系摆振相关问题的研究现状

1.3结构被动控制-调谐质量阻尼器（TMD）的研究与应用概况

1.4本文的主要工作

第2章 基于TRID的悬吊结构平面摆振控制相关问题分析

2.1引言

2.2考虑附加转动惯量影响的TRID系统控制平面摆振参数分析

2.3 TRID初速度对控制效果影响分析

2.4引入增速比的影响探讨

2.5本章小结

第3章 基于TMD的悬吊结构平面摆振控制分析

3.1引言

3.2切向TMD-单摆体系分析

3.3法向TMD-单摆体系分析

3.4本章小结

第4章 悬吊结构摆振运动状态测量

4.1引言

4.2平面摆振测量

4.3空间摆振测量

4.4本章小结

第5章 ARID控制悬吊结构平面摆振分析

5.1引言

5.2基于LQR算法的理论分析

5.3基于LQR算法的算例分析

5.4本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作

致谢