并置压电传感／作动器的最优配置及反馈增益研究

提出了一种改进的模拟退火算法,对应用离散分布压电智能传感/作动器进行柔性结构振动控制的一体化全局最优配置问题作了研究。首先,给出了压电陶瓷作动器对结构产生激励的频响函数;其次,对并置的直接速度反馈控制方法,以主动控制后系统所贮存的总能量为目标函数,对压电陶瓷作动器的安放位置及反馈增益,以改进的模拟退火算法进行优化,可方便地获得全局最优解;最后以悬臂梁为例,分别给出了单点并置问题和多点并置问题的最优配置,验证了该方法的有效性。     

压电智能桁架作动器的数目和位置的优化配置

由于离散型智能桁架结构的固有特性和作动器的优化配置是高度耦合的,即结构的固有特性影响着作动器的优化配置,相应地,作动器配置的数目和位置反过来影响结构的固有特性,很难预先给定一个作动器数目的确定准则.利用优化的方法来讨论压电类结构中作动器数目和位置的优化配置是一种较好的选择.基于结构耦合模态的最优控制,建立了考虑作动器数目和位置优化配置以及控制器参数的优化模型.针对设计变量,提出了一种基于遗传算法的优化策略.数值算例的结果表明,采用优化的方法来确定作动器的优化配置是可行的、有效的.     

基于模态应变能分布的压电致动器/传感器位置优化遗传算法

本文由线弹性压电结构有限元动力方程,推导了压电智能结构的振动控制方程。建立了准确模拟层合压电结构动力行为的有限元模型。基于主结构模态应变能分布提出了一种新的优化目标函数,将压电致动器/传感器位置编号作为优化变量,建立了离散变量表示的智能结构优化问题,并通过二进制编码的遗传算法（GA）求解了该最优问题。以四边固支复合层合压电智能板为数值算例,采用比例反馈控制, 研究了最优位置配置致动器/传感器智能结构目标模态的控制效果。数值结果表明基于模态应变能分布的遗传算法所得优化解具有较好的振动控制效果。     

随机参数智能桁架结构振动控制中主动杆的优化配置

该文研究压电智能桁架结构振动主动控制中结构物理参数，作用荷载和控制力同时具有随机性时，压电主动杆的最优配置和增益优化问题，采用智能结构的状态空间模型建立了以最大耗散能准则来基础的目标函数，建立了具有动应力，动位移可靠约束的主动杆的优化配置和增益优化模型，对结构动力响应的数字特征进行了推导，并通过一智能桁架结构的优化配置计算，说明该优化配置模型的合理性和有效性。     

作动器／传感器配置优化的遗传算法应用

针对空间柔性结构,研究了振动主动控制中作动器/传感器的配置和控制器增益的全局优化问题。首先采用空间柔性结构的状态空间模型建立了以最大耗能准则为基础的目标函数,将优化问题归结为一个有约束的非线性优化问题,然后根据其特点,采用了一种十进制浮点数编码的遗传算法,并融合、设计了一些简单且优良的遗传操作,使得优化过程不依赖于初值,而且可以快速可靠地求得全局最优解。通过一个悬臂梁单点同位配置算例,证明了该算法的可行性和优越性。     

基于单边饱和拉索的结构振动最优控制

拉索作动器已被引入结构振动控制中,但作动器具有单边饱和的非线性特点,因此,拉索控制难以直接采用要求控制无约束的LQG对结构振动进行控制律设计。针对拉索的单边饱和特点,提出了一种用分段性能指标代替原有的二次型性能指标的最优控制方法。将拉索的单边饱和特性考虑在内并以合适的抑制速度对结构振动进行控制。并证明了直接用LQG方法对结构振动进行控制律设计,通过拉索控制器取单边和饱和之后作用于结构也是一种最优控制。同时证明了加观测器的最优控制系统对结构振动控制是稳定的。对一悬臂梁振动进行数值仿真控制,结果验证了该最优控制率的可行性。     

振动主动控制中传感器/作动器最优配置问题的模拟退火方法研究

本文对应用改进模拟退火算法对柔性结构振动主动控制中传感／作动元件配置问题进行了研究,它能有效地、方便地解决全局最优配置问题,从而有效地进行振动控制。并以一悬臂梁为例,通过单点并置问题和多点并置问题分别给出了最优配置,验证了该方法的有效性。     

柔性板压电作动器的优化位置与主动控制实验研究

对柔性悬臂板主动控制中作动器的优化位置进行研究,其中作动器采用压电形式,优化算法采用粒子群方法,指标函数采用基于能量的可控Gramian优化配置准则。仿真和实验结果显示,粒子群优化算法能够有效地对作动器的优化位置进行计算,尤其适用于多个作动器的位置优化问题,基于作动器最优位置的控制设计能够取得良好的控制效果。     

舱段主动隔振系统作动器配置优化

针对舱段主动隔振系统中作动器配置优化问题,给出一种优化模型和方法,通过数值计算进行方法验证。首先建立了多通道舱段主动隔振系统的动力学模型,然后将作动器配置优化转换为约束0-1非线性规划问题,以系统监测点响应为优化目标函数,作动器启用状态为自变量,最后采用教与学优化(teaching and learning-based optimization, TLBO)算法寻找最优配置。仿真计算结果表明,对于不同的激励,多通道主动隔振系统的最优配置不同,即存在对应给定激励下抑制壳体振动与声辐射的最优配置。     

建筑结构振动控制的改进滑模砰砰方法

本文将滑模控制和最优控制中的砰砰控制相结合,对建筑结构振动控制的滑模砰砰方法进行了研究。由于在建筑结构中应用的作动器多为液压形式,作动器很难适应正负极限控制力间的快速转换,为此本文给出了改进滑模砰砰控制律,用指数函数代替符号函数。考虑到安装传感器数量的限制,给出了有限状态输出的滑模砰砰控制方法。文中还给出了确定作动器最大控制力的近似方法。算例表明,文中所给出的方法能有效地减小结构地震峰值响应,且具有对结构固有参数变化较好的鲁棒性。改进滑模砰砰控制具有重要的实际应用价值。     

平面桁架结构拓扑优化设计的改进智能算法

结构拓扑及形状退火算法(STSA)用于桁架结构拓扑优化设计,其优化特点为注重结构构型的改变而较少考虑结构的力学性能,而针对既定几何构型的桁架结构截面优化,满应力准则法(FSD)具有明显优势,因此,将其引入退火历程改进STSA。提出结构几何构型状态相对稳定判别方法,并以结构构型状态相对稳定作为引入FSD的最佳时机形成杂交算法。算例分析表明:该改进智能算法使寻优搜索过程更为稳定,其表现为搜索效率、鲁棒性和最优解均得以改善。     

Enhanced damping of lightweight structures by semi-active joints

Summary Lightweight structures typically have low inherent structural damping. Effective vibration suppression is required, for example, in certain applications involving precision positioning. The present approach is based on friction damping in semi-active joints which allow relative sliding between the connected parts. The energy dissipation due to interfacial slip in the friction joints can be controlled by varying the normal pressure in the contact area using a piezo-stack actuator. This paper focuses on the optimal placement of semi-active joints for vibration suppression. The proposed method uses optimality criteria for actuator and sensor locations based on eigenvalues of the controllability and observability gramians. Optimal sensor/actuator placement is stated as a nonlinear multicriteria optimization problem with discrete variables and is solved by a stochastic search algorithm. At optimal locations, conventional rigid connections of a large truss structure are replaced by semi-active friction joints. Two different concepts for the control of the normal forces in the friction interfaces are implemented. In the first approach, each semi-active joint has its own local feedback controller, whereas the second concept uses a global, clipped-optimal controller. Simulation results for a 10-bay truss structure show the potential of the proposed semi-active concept. Dedicated to Professor Franz Ziegler on the occasion of his 70th birthday     

自适应桁架结构局部力反馈振动控制及其主动构件的配置研究

本文主要研究利用自适应桁架结构自身的主动构件实现控制结构动态特性的理论和有效性以及主动构件的最优配置问题。首先，基于自适应桁架结构的有限元模型，将主动构件的弹性内力直接用于实现反馈控制桁架结构的振动特性；然后，引用模态耗散能因子和模态应变能因子的概念，研究了主动构件的优化配置问题。通过一平面自适应桁架结构的优化配置计算和数值仿真，说明了文中提出的控制方法和主动构件优化配置的有效性。     

智能桁架结构振动的仿人智能控制

为了研究高效实用的智能结构控制方法，将仿人智能控制（HSIC）应用于带压电作动器的空间桁架结构的振动主动控制，针对其稳定性差的缺点，提出包括模糊控制策略在内的三种改进方法。在Simulink中对三棱柱智能桁架结构的振动控制进行了仿真，并在MATLAB／dSPACE综合实验环境下进行了多种激励条件下的物理仿真实验。仿真和实验均使结构的一阶振幅迅速降低90％以上，对高阶频率的振动控制也取得满意的效果，表明HSIC能更快地控制结构振动，改进后的HSIC较好地解决了控制过程中快速性、精确性与稳定性之间的矛盾。     

磁悬浮主被动隔振系统自适应控制及非线性补偿

 In order to effectively control the low frequency vibration of ship machinery,a passive-active hybrid vibration isolation mount using maglev actuator was designed. Maglev actuator is excellent for active vibration isolation, with non-contact structure, low stiffness and rapid response. However, the actuator’s nonlinearity has to be restrained by control algorithm. The nonlinearity of maglev actuator was analyzed, the nonlinear reverse model of actuator was built through theoretical analysis and experimental correction, and an improved FxLMS algorithm based on reverse model linearization and frequency range division control was put forward, which has the advantage of low computation load for real time control. Experiments were performed on a multiple-DOF active vibration isolation system, results show that the improved FxLMS algorithm could effectively reduce the vibration energy at targeted frequency, and well restrain the nonlinearity-induced vibration.  

      

分布式TMD对双密频结构的减振研究

针对密集频率结构的减振问题,以典型的2自由度对称结构为例,研究基于H2性能的梯度优化法对密集模态振动减振的分布式TMD(tuned mass dampers)的参数优化和减振效果。建立适合闭环静力反馈控制的组合系统模型,将基于H2性能的梯度优化法扩展至分布式TMD的参数优化;定义针对密集模态振动的控制输出和无量纲评价指标,分析了控制输出的模态控制权重对优化参数和评价指标的影响,指出能使评价指标峰值相等的模态控制最优权重,进一步给出优化参数和评价指标随模态密集度的变化规律;与经典方法对TMD的设计相对比,分析和验证了基于H2性能优化的分布式TMD的良好减振效果,并确认在TMD个数增多时基于H2性能的梯度优化法将具有更佳的优化效果。     

新型智能隔振复合结构的动态特性研究

针对精密机械的微位移隔振问题,设计了一种以PVDF压电薄膜为作动器和传感器的新型智能隔振复合结构。根据压电方程推导出了层叠式PVDF压电薄膜作动器厚度变形量表达式,建立了该智能复合结构的隔振理论模型,采用LMS自适应控制算法,以Matlab和有限元混合建模分析方式对本智能隔振复合结构的动态特性进行研究。有限元模型的分析结果与Matlab计算数据一致,验证了本新型智能隔振复合结构对微位移隔振的有效性,其结论将为精密仪器、微纳米设备的微位移智能主动隔振奠定理论基础。     

结构减震的稳定时滞LSSVM-LQR智能控制算法

针对时滞LSSVM-LQR智能控制算法存在的稳定性问题,提出相关的稳定性控制算法,以确保时滞LSSVM-LQR智能控制算法的鲁棒性。该算法的主要思路为：在时滞LSSVM-LQR控制算法中,加入控制力限制条件。当满足控制力限制条件时,控制程序继续运行;当不满足控制力限制条件时,控制程序自动跳出,便执行稳定性控制算法（或称为稳定/鲁棒的时滞LSSVM-LQR智能控制算法）。稳定性控制算法主要是通过调整反馈来控制作动器运行,从而确保控制系统的稳定性。数值结果表明,稳定性控制算法能够有效地保证时滞LSSVM-LQR智能控制算法的稳定性/鲁棒性;与时滞LSSVM-LQR智能控制算法相辅相成。