基于桥梁健康监测的传感器优化布置研究现状与发展趋势

从传感器监测项目优化、数量优化和位置优化3个方面综述传感器优化布置的研究现状。重点探讨传感器位置优化,系统介绍了基于模态可观测性和基于损伤可识别性的传感器优化布置准则、布置方法和布置评价准则,对比分析各种布置方法之间的脉络关系、技术演变及其优缺点,最后指出传感器优化布置研究存在的几点不足及其技术发展趋势。     

Optimal Actuator Placement and Active Vibration Control of Over-Actuated Motion System in the Wafer Stage

The null space of the 6-DOF gain decoupling matrix of actuators and a modified velocity feedback controller are adopted to suppress the vibration of the wafer stage during exposure. To deal with varying flexibilities at different performance locations, the vibration controller is designed to be a time-variant linear quadratic regulator, using the conventional gain scheduling method, which could provide good vibration control for each field under exposure. This control method can guarantee the stability of the closed-loop system and will not deteriorate the rigid modes control of the wafer stage. To minimize the control spillover caused by the higher uncontrolled modes, actuator placement is optimized to minimize their controllability grammians in modal coordinates. An unconstrained rectangular plate is used to represent the fine stage of the wafer stage. Effectiveness of the proposed method is verified on the plate through a closed-loop simulation.     

智能结构中致动器位置和尺寸的优化研究

在研究智能结构振动主动控制致动器的位置和尺寸优化问题中,首先推导了多压电片传感方程、致动方程和结构的动能、势能表达式,并结合模态的可控性、可观性以及模态价值构建致动器位置尺寸优化准则;然后结合智能简支梁实例计算出其粘贴压电致动器的最优位置和尺寸,并通过编写APDL(ansys parameter design language)程序对粘贴有压电材料的智能简支梁结构进行瞬态动力学分析,实现对智能梁的振动控制仿真。     

结构损伤参量灵敏度分析的传感器数量位置优化

为判断结构是否存在一定水平的损伤,对结构健康监测系统中所需的加速度传感器的最小数目及其位置进行计算.以损伤参量的灵敏度技术为基础,根据结构损伤对各种损伤参量的影响范围的不同,以遗传算法为工具,针对各种损伤参量得出所需传感器的最小数目以及其配置位置.通过对19自由度的简支梁进行仿真分析,得到对于不同损伤参量进行损伤识别所需加速度传感器最小数目和位置,结果表明对于该算例,柔度法所需传感器数目较少,但是损伤位置比较难确定,而对于模态曲率和模态应变能所需传感器比较多.通过该布置方法可以对结构损伤情况的损伤位置有大致评估,对多损伤状态的最大损伤处有初步定位.     

大型桥梁动力检测测点优化的改进遗传算法及其应用

回顾了基于动力检测的传感器优化布置准则和方法,提出了一种应用改进遗传算法,服务于大型桥梁动力检测的测点优化方法,并将该方法具体应用到了哈尔滨四方台大桥的动力检测中.该算法改进了约束条件,对于传统遗传算法在大型结构应用时收敛慢且易陷入局部最优的缺陷进行了自适应和全面交叉改进,这种改进大大加快了收敛速度,并确保该算法能搜索到最优值.把经典的优化准则———有效独立准则,模态置信准则,模态应变能准则等以适应度的形式嵌入改进遗传算法中,得出各自的优化布置.通过对哈尔滨四方台大桥模型的仿真分析,证明改进的遗传算法在搜索能力、计算效率、可靠性等相对于传统遗传算法有较大的改善,搜索能力明显优于经典的序列法.在此基础上选取三种典型方法应用于哈尔滨四方台大桥的检测中,用实际采样得到的响应数据进行模态参数辨识,得出了该结构的振型,通过实际应用证明了上述方法的可行性.     

A hybrid multiple damages detection method for plate structures

A hybrid method is proposed value to properly identify(SVD)multiple is applied damages reveal for plate structures in this work.and In the to stage detect of the damage damage(ACO)localization,locations.singular In decomposition damage to on singularities in modal shapes,hence colony the stage of to quantification,damage based the detected for location information ant optimization algorithm between is the introduced natural estimate severity by searching damage evaluation database,natural which reveals the relationship frequencies and the damage severity.The modal shapes and the frequencies required in damage localization and quantification carried are obtained the via the wavelet of finite hybrid element method multiple method.for The numerical simulation with and experimental damages.investigation are out to test performance the to free aluminum plates multiple with And the results indicate that the proposed method is effective identify damages of plate structures reasonable precision.     

利用固定模态判定线性定常大系统的能控性和能观测性

讨论了具有维数高、多目标、关联性、分散性等特点的线性定常大系统，讨论这种大系统的能控性和能观测性的一般方法是先将大系统分解为若干个孤立的子系统，在每个子系统是能控性和能观测的前提下，利用大系统的可连通性来判定线性定常大系统的能控性和能观测性，此外介绍了另一种利用固定模态判定线性定常大系统的能控性和能观测性的有效方法。     

具有时延的网络控制系统的能控能观性分析

针对网络控制系统中存在的网络诱导时延问题,提出了一种系统能控能观性分析的方法.通过对不同驱动方式下网络控制系统信号传输机理的分析,得出驱动方式对系统的影响体现在被控对象的输入上的结论.基于事件驱动方式下的多输入长时延的网络控制系统模型,通过对系统中网络诱导时延环节的处理和状态增广,得到能控能观性的充要条件.     

圆柱形薄壳结构的试验模态分析方法研究

针对某圆柱形薄壳结构,采用锤激法和Modal Impact分析软件,分别应用SIMO、MISO和MIMO方法进行了对比试验,获得了满足模态置信准则要求的试验数据.3种方法获得的实验结果与有限元计算结果进行了对比分析.结果表明,SIMO和MISO试验方法应用于圆柱形薄壳结构的模态分析均存在局限性,或者出现"漏频"或者不能得到明显的振型.MIMO试验模态分析方法能够较好地解决以上2种方法存在的不足,在激励与响应选择适当的情况下,可以得到全面准确的模态分析结果,适用于圆柱形薄壳结构的模态分析.     

Sensor placement for structural damage detection with modal data

A new method is presented for prioritizing sensor locations for structural health monitoring (SHM). In view of the needs of SHM and damage detection,sensor locations are optimized for the purpose of both sensitivity for local damages and independence of the target mode. However,the two different optimization criterions lead to an inconsistency of the optimal result. Considering the structural response changes that result from damage,the relationship between the structural response and damage is deduced from the structural motion equation by a quasi-analytical mode. Based on the harmony between damage identifiability and mode observability,an object function is set up,including the information of mode independence and damage sensitivity. Utilizing the technique of singular value decomposition,an interior algorithm for the optimum sensor placement is proposed with the multiple objective criterions of minimizing the condition number of coefficient matrix and maximizing the fisher information matrix. A numerical example shows that this approach can effectively avoid the contradiction between the two different optimization criterions. Comparing with the result of single object,the result of damage detection from the optical sensor locations is much more accurate.     

Variable structure attitude maneuver and vibration control of flexible spacecraft

A dual-stage control system design method is presented for the three-axis-rotational maneuver and vibration stabilization of a spacecraft with flexible appendages embedded with piezoceramics as sensor and actuator. In this design approach, the attitude control and the vibration suppression sub-systems are designed separately using the lower order model. The design of attitude controller is based on the variable structure control （VSC） theory leading to a discontinuous control law. This controller accomplishes asymptotic attitude maneuvering in the closed-loop system and is insensitive to the interaction of elastic modes and uncertainty in the system. To actively suppress the flexible vibrations, the modal velocity feedback control method is presented by using piezoelectric materials as additional sensor and actuator bonded on the surface of the flexible appendages. In addition, a special configuration of actuators for three-axis attitude control is also investigated ： the pitch attitude controlled by a momentum wheel, and the roll/yaw control achieved by on-off thrusters, which is modulated by pulse width pulse frequency modulation technique to construct the proper control torque history. Numerical simulations performed show that the rotational maneuver and vibration suppression are accomplished in spite of the presence of disturbance torque and parameter uncertainty.     

损伤检测中的传感器优化布置方法研究

探讨了2种基于数据信息最大化准则的传统传感器优化布置方法:基于Fisher信息阵行列式值最大的有效独立法(EFI)和基于模态应变能最大的运动能量法(KEM)。针对它们的不足提出一种新的传感器优化布置方法——有效独立-驱动点残差法(EFI-DPR)。运用均方差最小准则、抗噪性能最好准则和模态保证准则来评价各种优化布置方法的优劣。数值分析表明:有效独立-驱动点残差法是3种优化方法中最好的方法。     

求解建筑结构风致抖振问题的方法分析

求解建筑结构风致抖振问题有两种方法:一是新近发展的基于背景和共振分量的Holmes方法，二是传统的适用于求解动力问题的模态迭加法.为分析这两种方法内在的联系和区别，从方法原理和计算过程角度，相互对照两者在求解风致响应和等效风荷载时对背景和共振分量的具体计算方法，并通过主次梁体系屋盖的实例进行对比研究.实例分析发现，对于风致响应，两种方法得到的结果一致，但对于不同的响应类型，模态迭加法需考虑不同的模态阶数；对于等效风荷载，模态迭加法得到的结果是Holmes方法结果的逼近和近似，当模态迭加法采用的模态阶数越高时，两种方法结果之间的差异就越小.     

基于小波和图论的空间结构传感器优化布置

针对小波智能方法的特点并运用图论理论，将空间结构或其一部分抽象为有向图。根据各杆件的连接关系确定距离矩阵，并运用Floyd算法，综合考虑结构模态动能和模态应变能等参数，提出了一种新的传感器优化布置方法。应用该法对一个单层网壳进行了传感器优化布置，通过数值模拟对节点上的加速度传感器信号进行特征提取，并运用支持向量机进行了损伤识别，通过对比分析，验证了所提出的传感器优化布置方法和小波智能方法的实用性和有效性。     

SVD可观测度分析方法的改进及组合导航中的应用

为解决已有的基于线性时变系统可观测性矩阵奇异值分解（SVD）的可观测度分析方法中存在的依靠外部量测信息、状态量纲比较不一致、奇异值基准不唯一的问题,提出一种改进的基于SVD理论的系统状态可观测度分析方法. 首先阐述了线性时变系统与分段式线性定常系统（PWCS）之间的关系,并介绍了PWCS可观测性分析理论,在满足该定理要求的情况下,通过PWCS的提取可观测性矩阵（SOM）替代总可观测性矩阵（TOM）可以有效降低分析计算的复杂度. 然后由系统提取可观测性矩阵SVD分解及其得到的奇异值与对应奇异向量,对系统的观测方程进行推导,根据载体不同机动情况下同一状态观测程度的纵向比较计算得到系统各状态的可观测度指标. 最后采用SINS/DVL组合导航系统进行仿真验证. 仿真结果表明, 通过该方法计算的可观测度指标与Kalman滤波状态估计误差特性相符,证明该改进方法可预见及准确描述状态的估计效果,并且依据所计算的状态可观测度进行系统自适应反馈校正,可以有效提高导航精度.     

网状天线反射面形状精度控制智能结构作动器的位置优化

就网状天线反射面振动控制智能结构的作动器位置优化进行了讨论;把模态分析和能量作用原理相结合,提出了一个网状天线反射面振动控制智能结构的作动器位置优化的新方法;求每个候选单元的位置评价准则T_C(所有模态的模态可控度之和),T_C大的候选单元就是作动器的最佳位置. 并用算例验证了该方法的正确性.     

线性系统格拉姆矩阵可观性判别的精细化方法

可控性、可观性是反映系统结构特性的重要指标,在总结可控性、可观性判据和分析方法的基础上,通过对线性时变系统状态方程和可观性定义的分析,运用精细化的处理手段,推导了可观性判别的格拉姆矩阵的具体形式,得出了格拉姆矩阵与可观性之间的代数关系式。     

基于面积误差的预见控制系统性能分析

基于面积误差提出的最优预见控制系统是一种适合于轨迹跟踪控制的有效方法 ,通过分析得出了这种控制系统的稳定性、可控性和可观测性条件。     

基于能量最小准则确定驱动器位置及仿真

在研究智能结构振动主动控制驱动器的位置优化问题中,首先推导了压电传感方程和压电致动方程,然后根据控制信号能量的表达式,以控制能量最小为目标函数,压电驱动器的位置坐标为变量,对压电驱动器的位置进行优化。最后结合智能简支梁实例应用matlab软件计算出其粘贴压电驱动器的最优位置,并通过编写APDL(ansys parameter design language)程序对粘贴有压电材料的智能简支梁结构进行瞬态动力学分析,实现对智能梁的振动控制仿真。仿真结果表明,此种方法能有效地抑制智能梁的振动。     

基于遗传算法的传感器优化布置

为解决空间网格结构模态测试中的传感器位置优化布置问题,提高采集数据信息的完备性,采用遗传算法优化传感器布置位置.在解的编码过程中采用二维数组,每一行存储一个可行解;采用强制变异避免遗传算子操作过程中出现同一个位置重复布置的问题.为了提高收敛速度,将基于模态矩阵QR分解的传感器优化布置结果作为第一代父群.对单层球面网壳进行优化计算后,将基于遗传算法的优化结果和QR分解得到的结果进行了应变能指标和相关性矩阵(MAC)的比较,发现前者不仅在应变能指标有大幅度的提高,而且相关性矩阵也有相应改善.