带补偿器的滑模控制算法在智能结构中的应用研究

摘要

我国地处世界的两大地震带之间,地震灾害频发,一直危害着人们的生命、财产安全,为解决地震动产生的不利影响,研究人员进行了大量的结构振动控制方面的研究,其中滑动模态控制由于其抗干扰强且设计简单,是目前应用较为广泛的控制策略之一。然而,过大的抖振制约了滑模控制在实际工程中的应用,全状态反馈的设计会造成经济效益差、时滞效应。因此,本文以传统滑模控制算法为基础,采用一种组合趋近律,并在有限状态反馈下对控制器进行补偿设计,形成了一种能够减小抖振、均衡控制效果与控制力、易于有限状态反馈设计的滑模算法,并将其应用在智能结构体系中。主要内容有以下几个方面:
　　(1)利用Matlab对一个底层安装有超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material,简称 GMM)作动器的三层剪切型结构进行数值模拟。研究证明,相对于传统滑模算法,基于组合趋近律并带有补偿器的建筑结构弱抖振滑模控制算法可以削弱系统的抖振,并且更易于有限状态反馈的设计。
　　(2)介绍了结构-主动调谐质量阻尼器体系的运动方程和状态方程的建立,以及此时控制器中补偿器设计的详细步骤,对安装主动调谐质量阻尼器的单自由度结构进行数值分析。通过比较无控、未带补偿器以及带补偿器的滑模控制算法这三种工况下的时程分析图,验证了所提控制算法的有效性;通过指定最大控制力(饱和控制)对补偿设计前后进行对比,验证了补偿设计对控制效果与控制力的均衡。最后,将结构质量矩阵浮动±10％,给出位移时程图与控制力时程图,验证了本算法对于质量参数变化的鲁棒性。
　　(3)对偏心结构-调液柱形阻尼器体系进行了研究,建立了状态方程,利用了一个单层偏心结构进行数值分析。结果显示,扭转-耦联效应确实会对结构振动反应造成一定放大效应;本文所提出的算法在偏心结构-调液柱形阻尼器体系中有良好的的控制作用。最后,将结构刚度矩阵浮动±10%,给出x方向的位移时程图与控制力时程图,验证了本算法对于刚度参数变化的鲁棒性。
　　研究结果表明,本文提出的基于组合趋近律并带有补偿器的滑模控制算法能够应用于本文所提出的三种智能结构体系中且取得了良好的控制效果,并解决了如下问题:削弱系统抖振、有限状态反馈的控制设计、均衡控制效果与控制力。为滑模控制算法发展了一种新的思路,具有一定的理论意义,为其工程应用提供了一些参考价值。

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1 绪 论

1.1 结构振动控制概述

1.2 控制策略总体概述及发展现状

1.3 本文研究内容及目的

2 滑模变结构控制及其抖振问题

2.1 滑模变结构控制发展历史

2.2 滑模变结构控制的基本原理

2.3 滑模控制的应用领域

2.4 抖振产生的主要原因

2.5 小结

3 基于补偿器的滑模弱抖振控制算法

3.1 多层结构的动力方程

3.2 滑移模态控制考虑补偿器的分析与设计

3.3 超磁致伸缩材料（GMM）作动器

3.4 数值仿真研究

3.5 小结

4 结构-主动调谐质量阻尼器基于补偿器的滑模弱抖振控制

4.1 多层建筑结构—主动调谐质量阻尼器体系的运动方程

4.2 基于组合趋近律并带补偿器的弱抖振滑模控制

4.3 补偿器及控制器的设计

4.4 仿真分析

4.5 小结

5 带补偿的滑模控制算法应用于偏心结构-调液柱形阻尼器

5.1 偏心结构的研究背景

5.2 偏心结构在双向地震输入下的平-扭耦联反应分析

5.3 影响偏心结构动力反应的主要因素分析

5.4 平-扭耦联反应算例分析

5.5 基于组合趋近律并带补偿器的弱抖振滑模控制

5.6 控制策略

5.7 仿真分析

5.8 小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 研究展望

参考文献

致谢

附录