基于压电摩擦阻尼器的模糊控制分析与试验研究

摘要

普通摩擦阻尼器构造简单,性能稳定,但摩擦力不可调节,适应性较差。压电陶瓷驱动器响应快,出力大,但驱动位移较小。模糊控制以模糊集合和模糊语言规则为基础,根据专家经验或现场操作人员的经验知识及操作数据确定控制规则,不需要建立结构精确的数学模型就可以实现对非线性、时变性的复杂对象的有效控制,但传统的模糊控制主要是依靠控制专家和操作人员的经验知识来建立模糊控制规则,其模糊控制系统一般均为比较复杂的非线性函数,且在专家经验缺乏时很难建立完善的控制规则。基于解析表达式的自调整模糊控制仅从函数形式上考虑模糊控制规则的实现,摆脱了控制规则对专家经验的依赖,具有较强的适应性和和更加优良的控制效果。本文以压电陶瓷材料的力学性能和摩擦阻尼器的工作原理以及模糊控制理论为基础,主要进行了以下研究工作:
　　(1)根据压电陶瓷驱动器和摩擦耗能器的主要特点,将其有效结合设计制作了一种新型压电摩擦阻尼器,分析了这种阻尼器的工作原理和构造方法,推导了相应的阻尼力-电压本构模型。通过不同预压力下摩擦系数和不同输入电压下驱动器出力性能试验,经过线性拟合,建立了新型压电摩擦阻尼器的滑动摩擦阻尼力与输入电压的关系表达式,并将其理论计算出力与试验结果进行了对比。
　　(2)从模糊变量的选取、论域的制定、模糊化及反模糊化处理方法的选择、隶属度函数的选取、控制规则的设计等方面,分析了模糊控制器的设计原理和实现过程。应用 MATLAB软件中的模糊逻辑控制工具箱,采用图形用户界面工具,设计了一个双输入单输出的二维模糊控制器,并运用基于解析表达式的自适应模糊控制方法,建立了含有四个调整因子的模糊控制规则,设计了相应的模糊控制器。
　　(3)采用文中设计的模糊控制器,运用压电摩擦阻尼器的控制力方程,基于 MATLAB软件中的 SIMULINK仿真工具箱,建立了无控和模糊控制时控制系统的计算机仿真模型,对比分析了 El Centro地震波下输变电塔模型结构在传统模糊控制规则和自调整模糊控制规则时的地震响应与控制效果。结果表明,采用自调整模糊控制时,模型结构除一层速度峰值略有放大外,其余各层的位移峰值响应和速度峰值响应都得到了较好地抑制。一般地,位移峰值最大可降低44.64％,速度峰值最大可降低37.96%,说明文中压电摩擦阻尼器和自调整模糊控制器对输变电塔模型结构地震响应控制有效;自调整模糊控制策略对复杂且难以建立控制规则的系统具有一定的参考意义。
　　(4)设计制作了一个输变电塔模型结构并将文中阻尼器安装于模型结构中,采取以应变响应为输入的自调整模糊控制策略,对模型结构进行了模拟地震振动台试验,测试了不同加速度峰值时 El Centro地震波下模型结构的地震响应,并对模型结构在无控、不施加电压下的被动控制以及模糊控制时的减振效果进行了对比分析。结果表明,模糊控制效果最大可达37.31%,控制效果明显。

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1 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 结构振动控制概述

1.3 智能控制算法概述

1.4 文中的主要研究内容

2 压电摩擦阻尼器的设计与力学性能研究

2.1 压电陶瓷驱动器概述

2.2 摩擦耗能器概述

2.3 新型压电摩擦阻尼器构造设计与工作原理

2.4 新型压电摩擦阻尼器的阻尼力模型

2.5 新型压电摩擦阻尼器的理论出力

2.6 新型压电摩擦阻尼器的力学性能试验

2.7 本章小结

3 输变电塔结构模型及振动控制算法

3.1 输变电塔结构模型的建立

3.2 结构运动状态方程

3.3 半主动控制算法

3.4 模糊控制算法

3.5 规则自调整的模糊自适应控制

3.6 本章小结

4 基于压电摩擦阻尼器的自调整模糊控制仿真分析

4.1 模糊控制器的设计

4.2 SIMULINK 数值模拟系统的建立

4.3 输变电塔模型结构的模糊控制仿真分析

4.4 本章小结

5 振动台试验研究

5.1 试验模型的建立

5.2 试验装置及设备

5.3 传感器与应变片布置

5.4 试验控制系统

5.5 试验工况

5.6 试验结果与分析

5.7 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要工作与结论

6.2 工作展望

致谢

参考文献

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